专利名称：Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种焊接材料技术领域的焊料，具体是一种Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低 银无铅焊料。
背景技术：
到目前为止，大量用于微电子封装及组装的焊料主要是传统的Sn-H3系焊料。然 而，电子产品、设备作为一般工业废弃物和生活垃圾被丢弃时，在自然环境中焊料中的1 成分会溶解出来，侵入地下水，从而对环境和人类造成极大的危害。因此，近年来包括我国 在内的许多国家纷纷制定或正在制定法律、法规，限制含1 物质的使用，用无铅焊料替代 传统的Sn-Pb系含铅焊料已成为全球微电子制造领域不可逆转的大趋势，积极寻找无毒 无害的新型焊料也成为了当前电子行业的重要任务。迄今为止，已经开发的无铅焊料种 类很多，但都存在着这样和那样的问题，具有实际应用价值的并不多。其中，在共晶组成 为Sn-3. 5Ag-0. 75Cu附近的Sn-Ag-Cu三元合金，熔点为217°C，与其它无铅焊料相比，润湿 性好，机械强度高，具有较高的耐疲劳和热冲击性，实用价值较大，是当前公认的最具替代 Sn-Pb传统焊料的无铅焊料，并有可能成为今后标准的无铅焊料。经过现有技术文献的检索发现，现有的Sn-Ag-Cu系焊料不仅价格较贵，熔点偏 高；同时容易形成粗大的Ag3Sn金属间化合物，造成脆性增加，塑性降低，疲劳强度下降；另 外在与Cu基板焊接时容易生成Cu6Sn5金属间化合物，造成焊接可靠性降低；再有，BGA焊球 等Sn-Ag-Cu系合金产品，在放置或在腐蚀环境中表面易氧化发黄，造成焊接性能下降。还 用，在用于波峰焊时，对不锈钢焊锡槽等设备腐蚀严重，不得不换成高成本的钛或钛合金材 料。以上问题如不加以解决，将会严重影响该系焊料的应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料， 相比现有技术降低了焊料成本，同时抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能得 到改善，同时对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述焊料的组分包括0. 005-lwt%的 Cr、0. Ag、0-2wt%& Cu、0. 5_10wt%的 Bi，余量为 Sn。所述的Cr元素优选质量百分比为0. 01-0. 8%，进一步优选为0. 02-0. 5%。所述的焊料中进一步含有Ni、Ga、In以及P，其总量占所述焊料的0_0. 5wt%。本发明通过加入Bi，在保证焊料熔点不提高的情况下降低了 Ag含量从而降低了 焊料的成本，但Bi含量超过3%时容易在晶界处偏析，造成机械性能的下降。另外为了避免 Bi加入后对焊料机械性能的影响，本发明通过加入Cr提高了焊料的机械性能。实验表明， 通过Cr的加入不仅细化了焊料的微观组织，同时还可以形成弥散分布的金属间化合物，因 此提高了焊料的机械性能；同时Cr的加入会在表面Sn、Cu氧化层和基底金属之间形成Cr 阻挡层，在高温或腐蚀环境中，该阻挡层可以阻止Sn、Cu向外扩散，从而改善了焊料的抗氧化性能和耐腐蚀性能；另外Cr的加入可以抑制焊料中Ag3Sn和Cu6Sn5金属间化合物的生 长，从而防止焊料合金的性能劣化；再有，焊料中的Cr存在会大大降低焊料对含Cr合金的 溶解速度，避免或改善对不锈钢焊锡槽材料的溶蚀。当Cr含量小于0. 005%时，无弥散强化 作用，在焊料表面附近难以形成Cr的阻挡层，对焊料的化学性能和机械性能改善不够；当 含量高于时，易造成成分的偏析，这种偏析使Cr阻挡层不均勻，局部过厚，对润湿性和 机械性能等的负面影响较大。如果控制焊料中Cr的含量在0. 02-0. 5%范围时，阻挡层厚 度均勻、适中，既能产生弥散强化作用，降低对不锈钢等的溶蚀，又没有明显的偏析现象，使 焊料的化学性能和机械性能均处于最佳状态。由于Ag含量的降低会造成焊料的机械强度 下降，本发明中加入的( 和h不仅可以改善焊料的润湿性能，同时可以和Cr生成Crfei4、 Cr5Ga6, CrIn2等金属间化合物，在合金中起到弥散强化的效果，从而提高焊料的机械强度。 而Ni的加入不仅可以抑制Ag3Sn金属间化合物的生长，提高焊料的塑性，同时还可以改善 焊料的抗电迁移能力。P的加入改善了焊料的抗氧化性能，从而提高了焊料的润湿性。相比 Sn-Ag-Cu焊料，本发明不仅降低了成本，同时在抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机 械性能上得到改善，并且对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。本发明提供的焊料可以用在很多领域，如做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏 等。这些产品可以用在电子封装或组装的各个焊接环节，如电子封装中芯片上丝网印刷形 成电极凸点(Bump)、芯片粘贴，BGA、CSP焊球，回流焊、波峰焊等SMT组装，各种电子封装用 基板、印刷电路版焊点形成，以及各种修补焊、手工焊等。总之，本发明提供的焊料，其应用 领域广阔。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1本发明的组分及其质量百分比为Cr = 0. l%，Ag = l%，Cu = 0. 5%，Bi = 3%， 余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-lAg-0. 5Cu-3Bi-0. ICr合金焊料。各种性能测定表明相比市场常用的Sn-lAg-0. 5Cu(SAC105)低银焊料，该焊料 的熔点下降2°C。抗拉强度提高50%以上，但延展性降低约20%，涧湿性能提高16%。在 85°C，湿度为85%的腐蚀条件下经过M小时实验后，发黄现象减少，且经过250°C x25小时 高温氧化实验后，光泽性好于SAC105焊料；同时对304不锈钢溶蚀明显减少。另外在焊点 性能测试中发现该焊料可明显抑制界面IMC生长，在回流后焊料界面IMC厚度比SAC105略 有减少。实施例2本发明的组分及其质量百分比为Cr = 0. 3%，Ag = l%，Cu = 0. 5%，Bi = 3%， 余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-lAg-0. 5Cu-3Bi-0. 3Cr合金焊料。各种性能测定表明相比市场常用的Sn-lAg-0. 5Cu(SAC105)低银焊料，该焊料的 熔点下降2°C。抗拉强度提高50%以上，但延展性降低约30%，涧湿性能提高21%。在85°C， 湿度为85%的腐蚀条件下经过M小时实验后，发黄现象进一步减少，且经过250°C x25小时高温氧化实验后，光泽性也好于SAC105焊料；同时对304不锈钢溶蚀进一步减少。另外 在焊点性能测试中发现该焊料更明显的抑制了界面IMC生长，比SAC105焊料界面IMC厚度 减少了 1 μ m。实施例3本发明的组分及其质量百分比为Cr = 0. 3 %，Ag = 1 %, Cu = 0.5%, Bi = 3 %, Ni = 0.5%，余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成 Sn-lAg-0. 5Cu-3Bi-0. 3Cr_0. 5Ni 合金焊料。与实施例2相比，该组分配比通过加入Ni减少了焊料中Cr的偏析，在抗拉强度基 本不变的情况下提高了延伸率，相比SAC105焊料延伸率下降15%。其他性能与实施例2基 本相同。
权利要求
1.一种Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征在于，所述焊料的组分包括Cr、Ag、Cu、 Bi 禾口 Sn。
2.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述焊料的含量 为0. 005-lwt%& Cr、0.Ag、0_2wt%& Cu、0.Bi，余量为 Sn。
3.根据权利要求1或2所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的Cr元 素的质量百分比为0. 01-0. 8%。
4.根据权利要求1或2所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的Cr元 素的质量百分比为0. 02-0. 5% 0
5.根据上述任一权利要求所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的焊 料中含有Ni, Ga, In以及P。
6.根据权利要求5所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的Ni、GaJn 以及P的总量占所述焊料的0-0. 5wt%。
7.一种根据上述任一权利要求所述Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料的制备方法，其特 征在于，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成。
全文摘要
一种焊接材料技术领域的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其组分包括0.005-1wt％的Cr、0.5-3wt％的Ag、0-2wt％的Cu、0.5-10wt％的Bi，余量为Sn。本发明相比现有技术降低了焊料成本，同时抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能得到改善，同时对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。
文档编号B23K35/26GK102085604SQ20111005169
公开日2011年6月8日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者李明, 罗庭碧, 胡安民, 胡静 申请人:上海交通大学