一种低温无铅焊料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种低温无铅焊料及其制备方法和应用，属于低温钎料及其制备。

背景技术：

1、电子制造和封装行业随着电子产品向小型化、多功能化和高可靠性方向发展，对高密度和高性能的封装技术需求日益增长。但随着封装集成度的提高和堆叠层数的增多，散热问题变得尤为突出。对于手机等便携产品，在对小型化的要求越来越高的同时，为了保证手机的性能，集成的元器件数目却不会减少，反而越来越多，因此出现了“三明治结构”，在多层pcb(printed circuit board)板中间用interposer板进行连接，可以实现更多面的器件贴装。但是这种结构在回流焊接时，由于目前生产使用的sac305焊膏回流峰值温度在250℃左右，多层薄层基板进行高温回流焊，会发生哭脸变形，即warpage翘曲现象，导致焊后焊点的连锡甚至开裂。研究表明，当回流温度不超过200℃时，可以减轻这种翘曲的缺陷，提高smt的良率。因此电子封装领域对低温焊膏的需求日益增加。

2、在bga板级封装过程中，sn-bi共晶钎料熔点仅为138℃，以低熔点、低成本、高拉伸强度等优势逐渐受到行业内重视。然而，y.hirata、l.s.kamaruzzaman等人发表的多篇文章表明bi相的本征脆性和在相界面处的偏析使焊点的可靠性降低，这极大限制了sn-bi钎料的应用。因此，需要对sn-bi钎料进行合金化以改善性能，符合实际应用的需要。

技术实现思路

1、本发明针对现有sn-bi共晶钎料存在的本征脆性和接头强度弱的缺点，本发明提供了一种低温无铅焊料及其制备方法和应用。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种低温无铅焊料合金，该焊料合金由元素sn、bi、in和ca组成，按照重量百分比，sn元素的含量为42％，in元素的含量为2.5％，ga元素的含量为0.5％～2％，余量为bi元素。

4、进一步限定，ga元素的含量为0.5％、1％、1.5％或2％。

5、进一步限定，焊料合金的熔点为125℃～131.5℃。

6、本发明的目的之二是提供一种上述低温无铅焊料合金的制备方法，该方法包括以下步骤：

7、s1，将高纯度的sn、bi、in和ga金属颗粒按配方比置于石英坩埚中；

8、s2，将kcl和licl在石墨坩埚中，在750℃下，使其充分熔化并搅拌均匀；

9、s3，将s2得到的熔融状态的混合盐倒入装有金属颗粒的石英坩埚中，覆盖在金属颗粒上，然后整体置入熔炼炉中，进行熔炼；

10、s4，熔炼结束后，将得到的液态金属钎料导入石墨磨具中冷却脱模，得到钎料合金。

11、进一步限定，s2中kcl和licl的质量比为1:1.3。

12、进一步限定，s3中熔炼温度为450℃，时间为4h，熔炼过程中每间隔15min进行1次搅拌。

13、本发明的目的之三是提供一种以上述制备方法得到的低温无铅焊料合金制备而成的低温无铅焊料。

14、本发明的目的之四是提供一种上述低温无铅焊料的制备方法，该方法为：将低温无铅焊料合金用砂纸打磨去除表面氧化层，然后使用冷轧的方法轧制为厚度为200μm的箔片，最后使用线切割将箔片切割为适于焊接的大小，得到低温无铅焊料。

15、本发明的目的之五是提供一种上述低温无铅焊料的焊接方法，该方法包括以下步骤：

16、(1)将低温无铅焊料装夹在两个母材中间，并在母材与钎料箔片中间涂抹一层助焊剂，形成待焊件；

17、(2)将待焊件放入石墨夹具的凹槽中固定，随后置于回流焊炉中实现两个母材的焊接。

18、进一步限定，回流焊炉升温速率为10℃/min，回流峰值温度为200℃，保温时间为5min，冷却至室温时间为300s。

19、有益效果：

20、本发明通过向sn-bi钎料合金中引入多种合金元素并通过调控含量的方法有效提高了钎料合金和焊接接头的机械强度与可靠性。在sn-bi钎料中添加质量分数为2.5％的in元素，能够有效提高钎料的机械性能，使钎料的抗拉强度和接头的抗剪强度都得到提升，拓宽了sn-bi钎料在电子封装领域的适用范围。而在钎料中添加质量分数为0.5％～2％的ga元素则有效抑制了焊接过程中焊接接头界面处脆性金属间化合物的生成，减缓了焊接接头在使用过程中因脆性金属间化合物生长导致的失效过程，大幅提高了接头的可靠性。最终获得的复合钎料熔点为125℃～131.5℃，满足电子封装领域低温钎料的使用需求；钎料合金抗拉强度最高达到70mpa，断裂时应变为16％，具有较高塑性；接头抗剪强度最高为46mpa，等温时效700h后，接头强度保持在40mpa，焊接可靠性较高。

21、此外，本发明在制备过程中采用熔盐覆盖熔炼合金，有效防止了高温熔炼时金属元素的氧化。对焊接工艺参数进行对照试验，最终得到升温速率10℃/min回流峰值温度200℃，保温时间5min，冷却时间300s的最佳工艺参数。

技术特征：

1.一种低温无铅焊料合金，其特征在于，该焊料合金由元素sn、bi、in和ca组成，按照重量百分比，sn元素的含量为42％，in元素的含量为2.5％，ga元素的含量为0.5％～2％，余量为bi元素。

2.根据权利要求1所述的低温无铅焊料合金，其特征在于，ga元素的含量为0.5％、1％、1.5％或2％。

3.根据权利要求1所述的低温无铅焊料合金，其特征在于，焊料合金的熔点为125℃～131.5℃。

4.一种权利要求1所述的低温无铅焊料合金的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，s2中kcl和licl的质量比为1:1.3。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，s3中熔炼温度为450℃，时间为4h，熔炼过程中每间隔15min进行1次搅拌。

7.一种低温无铅焊料，其特征在于，由权利要求4～6任一项所述的制备方法得到的低温无铅焊料合金制备而成。

8.应用权利要求4～6任一项所述的制备方法得到的低温无铅焊料合金制备低温无铅焊料的方法，其特征在于，该方法为：将低温无铅焊料合金用砂纸打磨去除表面氧化层，然后使用冷轧的方法轧制为厚度为200μm的箔片，最后使用线切割将箔片切割为适于焊接的大小，得到低温无铅焊料。

9.一种使用权利要求7所述的低温无铅焊料的焊接方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于，焊接过程中，回流焊炉升温速率为10℃/min，回流峰值温度为200℃，保温时间为5min，冷却至室温时间为300s。

技术总结
本发明公开了一种低温无铅焊料及其制备方法和应用，属于低温钎料及其制备技术领域。本发明解决了现有Sn‑Bi共晶钎料存在的本征脆性和接头强度弱的缺点。本发明通过在Sn‑Bi钎料中添加质量分数为2.5％的In元素，有效提高钎料的机械性能，使钎料的抗拉强度和接头的抗剪强度都得到提升，拓宽了Sn‑Bi钎料在电子封装领域的适用范围。同时，在钎料中添加质量分数为0.5％～2％的Ga元素，有效抑制了焊接过程中焊接接头界面处脆性金属间化合物的生成，减缓了焊接接头在使用过程中因脆性金属间化合物生长导致的失效过程，大幅提高了焊接接头的可靠性。

技术研发人员：张墅野,潘俞丞,吴建新,吴达铖
受保护的技术使用者：亿铖达科技（江西）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8