專利名稱：錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Sn-Sb-Ag-Ni合金態(tài)箔狀釬料及其制備方法，屬于有色金屬合金焊料領(lǐng)域，，主要用于高可靠集成電路的氣密性封裝。
背景技術(shù)：
氣密性封裝焊料是保證集成電路高可靠的關(guān)鍵材料，不僅要求焊料具有良好的工藝加工性能和焊接性能，尤其在175°C /96h高溫存貯后，集成電路的漏氣速率要小于 1X10_7-5X10_8大氣壓·厘米7秒，這樣才能保證集成電路的可靠性。查閱現(xiàn)有的專利文獻(xiàn)，和本發(fā)明最相近的用于高可靠集成電路氣密性封裝焊料是金-錫合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為Au，80% ；其余為Sn和雜質(zhì)，牌號(hào)為AuSn20， 金-錫合金具有優(yōu)良的封裝性能，是國(guó)外高可靠集成電路的通用封裝焊料，但不易加工成材，國(guó)外都不介紹它的加工工藝。更引人關(guān)注的是金-錫合金含有80%的黃金，價(jià)格昂貴， 每封裝百萬(wàn)只集成電路需要黃金40-43公斤。雖然金-錫合金價(jià)格昂貴，但由于它具有良好的封裝性能，國(guó)內(nèi)外的高檔軍用產(chǎn)品仍在使用。但為了力爭(zhēng)不用或少用黃金，國(guó)內(nèi)外在省金代金方面做了大量工作，國(guó)內(nèi)1976年以后研制出錫銀銅焊料(SnAgCu3-0. 5)，其化學(xué)成分(重量百分比)為Ag，3^^01,0.5%;其余為Sn和雜質(zhì)。少金的錫金焊料(SnAulO)，其化學(xué)成分(重量百分比)為Au，10% ；其余為Sn和雜質(zhì)。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，這兩種合金都不是理想的氣密性封裝焊料。在高溫存貯性能方面，抗氧化性以及電路外觀質(zhì)量上都取代不了金-錫合金。由于這兩種合金的高溫存貯極限溫度是150°C，既達(dá)不到175°C高溫篩選溫度的要求，也達(dá)不到美國(guó)TEXAS儀器公司存放溫度(-60 160°C)范圍，故只能在一般軍用和民用產(chǎn)品上使用。關(guān)鍵軍用產(chǎn)品仍在使用AuSn20合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種錫-銻-銀-鎳合金，用其制得一種錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料，使用該釬料封裝集成電路在封裝性能上可以和AuSn20合金相比，而大大優(yōu)于 SnAgCu3-0. 5 和 SnAulO。本發(fā)明的另一目的是提供一種錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的制備方法。為實(shí)現(xiàn)上目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案一種錫-銻-銀-鎳合金，其成分組成及質(zhì)量百分比為銻，8-11%%;銀，3-20%; 鎳，1-2. 5% ；錫，余量。所述的錫-銻-銀-鎳合金優(yōu)選的成分組成及質(zhì)量百分比為Sb，10士 ；Ag, 4. 5士0. 5% ；Ni，2士0. 5% ；Sn 余量。一種錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料，其由上述的錫-銻-銀-鎳合金制得。一種上述的錫-鋪-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的用途，其主要用于集成電路的氣密性封裝焊料。一種錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的制備方法，其方法步驟如下
a)選擇高純錫、銻、銀和鎳，按上述的錫-鋪-銀-鎳合金的配比范圍計(jì)算各所需的重量，稱重備料；b)先分別制備中間合金SnAg50及SnNilO ；c)用軋機(jī)將上步驟得到的SnAg50和SnNilO中間合金板軋碎，用于錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的配料，待用；再按計(jì)算出的配比量將錫錠放入石墨坩堝中，升溫至產(chǎn)生熔池后的溫度O50士 10°C左右)，繼續(xù)升溫至400V -450°C，加入中間合金SnAg50、SnNi 10和金屬銻，完全熔化后用石墨棒充分?jǐn)嚢?，排渣；使溫度?50°C，用石墨棒充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅?立即澆鑄，得到錫-銻-銀-鎳合金焊料鑄錠；d)將獲得的錫-銻-銀-鎳合金焊料錠開坯軋制，首先將其由30mm反復(fù)熱軋至 6mm,再反復(fù)冷軋至0. 8mm,切邊，將裂邊切掉；e)退火，180 200°C保溫30分鐘，將退火爐門打開10 15分鐘，使帶材表面粘附的煤油揮發(fā)，得到錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料半成品帶；f)將半成品帶繼續(xù)精軋，由0. 8mm軋至0. 12mm或0. IOmm成品后切邊，檢驗(yàn)。所述錫-銻-銀-鎳合金焊料錠開坯軋制由30mm熱軋至6mm的具體過(guò)程是將錫-銻-銀-鎳合金焊料錠放入箱式退火爐，在180 200°C下保溫1小時(shí)熱軋開坯；保溫時(shí)間終了，迅速取出合金錠，在Φ310軋機(jī)軋制兩個(gè)道次，放回箱式退火爐繼續(xù)加熱20分鐘，再取出迅速軋制兩個(gè)道次，如此反復(fù)，將該半成品錫-銻-銀-鎳合金焊料板由30mm軋至6mm，然后退火，180 200°C保溫30分鐘；接下來(lái)冷軋，由6mm軋至0. 8mm，切邊，將裂邊切掉。而后轉(zhuǎn)入下一道軋制工序，中間不進(jìn)行退火，直接軋制到0. 8mm，成品前亦不進(jìn)行退火。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷(金-錫合金雖然有良好的封裝性能，但含有80%黃金，價(jià)格昂貴；SnAgCu3-0. 5、SnAulO合金雖省金、代金，但高溫存貯性能不好)，從金屬學(xué)原理及相圖入手，利用銻、銀、鎳等元素在錫中所起的作用，經(jīng)系列選定，成分設(shè)計(jì)，發(fā)明出錫-銻-銀-鎳四元合金。該新合金解決了高可靠集成電路氣密性封裝焊料的高溫存貯溫度問(wèn)題，滿足了電子工業(yè)部部標(biāo)1類電路的考核指標(biāo)和“七?！彪娐返囊螅褂帽景l(fā)明封裝的集成電路在封裝性能上可以和AuSn20合金相比，而大大優(yōu)于SnAgCu3-0. 5和SnAulO
α全
口巫ο本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)解決了高可靠集成電路氣密性封裝焊料的高溫存貯溫度問(wèn)題，滿足了電子工業(yè)部部標(biāo)1類電路的考核指標(biāo)和“七?！彪娐返囊螅褂帽景l(fā)明封裝的集成電路在封裝性能上可以和AuSn20合金相比，而大大優(yōu)于SnAgCu3-0. 5和SnAulO合金。(2)本發(fā)明作為一種新型的無(wú)金焊料在集成電路封裝方面為國(guó)家節(jié)約了大量黃金，有明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明為了滿足高可靠集成電路對(duì)氣密性封裝焊料的要求，以錫為基，采用多元素合金化組成四元合金，在成分設(shè)計(jì)和控制方面做了以下工作1.原料選擇
①銻含量的選擇為了盡可能地提高合金的熔點(diǎn)，熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度，防止液態(tài)焊料的氧化，避免“錫疫”現(xiàn)象和有利于加工成材，同時(shí)保證焊料封裝后的可靠性，銻含量選擇在8-11%之間。②鎳含量的選擇為了提高合金的耐熱抗氧化能力，同時(shí)不致使合金在封裝時(shí)有過(guò)好的流動(dòng)性，鎳含量選擇在1-2. 5%之間。③銀含量的選擇在銻和鎳含量基本確定的前提下，考慮到Ag加入錫中可以提高耐熱抗氧化能力，銀含量選擇在3-20 %。2.熔煉1)選擇原材料錫，99. 999% ；銀，99. 9% ；銻，99. 999% ；鎳:99. 95% -99. 99% ；按配比計(jì)算各所需的重量，稱重備料；2)熔煉設(shè)備碳硒棒電爐、IOKg中頻感應(yīng)爐、IOKg真空中頻感應(yīng)爐，高純石墨坩堝，高純石墨模或鑄鐵模，按照合同要求調(diào)整模具尺寸。熔煉前，需先將爐體和使用的工具徹底清理干凈，以免將雜質(zhì)帶入產(chǎn)品中。b、坩堝在使用前，要用低溫烘烤，直至將潮氣全部烘烤出來(lái)。C、模具在每次使用前，要用電爐盤烘烤，或用鑄鐵塊烘烤，以免澆鑄時(shí)發(fā)生崩濺。d、模具要放在石棉板上，以免在澆鑄時(shí)熔體泄漏，流到地面造成崩濺。3)熔煉工藝a、先熔鑄中間合金=SnAg50 =Ag 50% ；Sn 余量；SnNi10 =Ni 10% ；Sn 余量；熔鑄SnAfel中間合金配料檢查無(wú)誤后，將配好的爐料放入坩堝中一機(jī)械泵抽真空至8X Kr2乇以上一啟動(dòng)可控硅中頻電源(ZG-0. 01真空爐功率在40kw 50kw左右)一爐料全部熔化后澆鑄到石墨模中，規(guī)格不限一冷卻30分鐘后出爐。取樣做化學(xué)分析，確認(rèn)成分。用Φ310軋機(jī)將SnAfel中間合金板軋碎，用于本發(fā)明錫-銻-銀-鎳合金焊料的配料。熔鑄SnNiltl中間合金與熔鑄SnAfel中間合金的工藝相同。b、熔鑄錫-銻-銀-鎳合金焊料焊料錠配料按照錫-銻-銀-鎳合金焊料的名義成分，取其適中部位計(jì)算投料配比，稱重。錫-銻-銀-鎳合金焊料名義成分Sb:10士 ；Ag :4. 5士0.5% ；Ni :2士0. 5% ； Sn:余量(優(yōu)選方案)。配料檢查無(wú)誤后，將錫錠放入石墨坩堝中，升溫至250°C左右產(chǎn)生熔池后，繼續(xù)升溫至400°C -450°C，加入中間合金SnAg5(1、SnNi10和金屬銻。待全熔后用石墨棒充分?jǐn)嚢瑁?確認(rèn)材料完全熔化后，排渣。使溫度在450°C，用石墨棒充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，立即澆鑄。注意澆鑄時(shí)要注意液流量大小要適中，防止產(chǎn)生冷隔。注意補(bǔ)縮防止產(chǎn)生較深的縮孔。脫模，取樣化學(xué)分析。合金鑄錠化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求且表面無(wú)大的缺陷時(shí)，記上標(biāo)識(shí)，轉(zhuǎn)入下一道工序。3.開坯軋制1)設(shè)備Φ310軋機(jī)、箱式退火爐
2)開坯①熱軋開坯將錫-銻-銀-鎳合金焊料板放入箱式退火爐，在180 200°C保溫1小時(shí)。保溫時(shí)間終了，迅速取出合金錠，在Φ310軋機(jī)軋制兩個(gè)道次，放回箱式退火爐繼續(xù)加熱20分鐘，再取出迅速軋制兩個(gè)道次，如此反復(fù)，將錫-銻-銀-鎳合金焊料板由30mm軋至6mm，然后退火，180 200°C保溫30分鐘。接下來(lái)冷軋，由6mm軋至0. 8mm, 切邊，將裂邊切掉。成品前退火，180 200°C保溫30分鐘。然后將退火爐門打開10分鐘左右，使帶材表面粘附的煤油揮發(fā)掉。②將剛澆鑄出模的鑄錠立即轉(zhuǎn)入下一道工序進(jìn)行軋制，中間不進(jìn)行退火，直接軋制到0.8mm。成品前不進(jìn)行退火。轉(zhuǎn)入下一道工序。注意事項(xiàng)道次加工率控制在5 12%，軋制過(guò)程中保持半成品平直及清潔。4.精軋(成品軋制)1)設(shè)備Φ 154 X 300mm 二輥精軋機(jī)2)工藝半成品帶由乒0. 8mm軋至乒0. 12mm或乒0. IOmm成品。注意事項(xiàng)道次加工率控制在5 12%，軋制過(guò)程中保持半成品平直及清潔。成品尺寸應(yīng)符合不同厚度規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)格后，作出標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)入下道工序。5.切邊和檢驗(yàn)1、設(shè)備J70150型切紙切箔機(jī)2、操作要求根據(jù)合同規(guī)格要求切出帶材的寬度盤成卷。①準(zhǔn)備工作按照合同要求準(zhǔn)備好刀具，注意剪切機(jī)及周圍衛(wèi)生的清理，以防下腳混料。試切后確認(rèn)寬度尺寸在公差范圍內(nèi)即可切邊。操作前檢查壓輥、卷筒、張力等是否靈活并擦拭表面。②操作按照?qǐng)A盤剪操作規(guī)程切去精軋帶的兩邊，成品卷緊放好。③注意切邊應(yīng)平整、光滑、無(wú)毛刺，剪切過(guò)程中檢驗(yàn)員隨時(shí)觀察產(chǎn)品表面狀況，并檢查尺寸公差，發(fā)現(xiàn)不合格品停機(jī)去掉。④檢查剪切完畢卸料后，檢驗(yàn)員再次對(duì)頭尾表面質(zhì)量和尺寸情況復(fù)驗(yàn)，確定合格后記上標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)入下道工序。下表為一組實(shí)施例中所得到的化學(xué)分析結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種錫-銻-銀-鎳合金，其特征在于成分組成及質(zhì)量百分比為銻，8-11% ；銀， 3-20% ；鎳，1-2. 5% ；錫，余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錫-銻-銀-鎳合金，其特征在于優(yōu)選的成分組成及質(zhì)量百分比為Sb，10±l% ；Ag,4. 5士0. 5% ；Ni，2士0. 5% ；Sn 余量。
3.—種錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料，其特征在于由權(quán)利要求1或2所述的錫-銻-銀-鎳合金制得。
4.一種權(quán)利要求1或2所述的錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的用途，其特征在于 用于集成電路的氣密性封裝焊料。
5.一種權(quán)利要求3所述錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的制備方法，其特征在于方法步驟如下a)選擇高純錫、銻、銀和鎳，按權(quán)利要求1所述的錫-銻-銀-鎳合金的配比范圍計(jì)算各所需的重量，稱重備料；b)先分別制備中間合金SnAg50及SnNilO；c)用軋機(jī)將上步驟得到的SnAg50和SnNilO中間合金板軋碎，用于錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的配料，待用；再按計(jì)算出的配比量將錫錠放入石墨坩堝中，升溫至250°C后， 繼續(xù)升溫至400°C -450°C，加入中間合金SnAg50、SnNil0和金屬銻，完全熔化后用石墨棒充分?jǐn)嚢?，排渣；使溫度?50°C，用石墨棒充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，立即澆鑄，得到錫-銻-銀-鎳合金焊料鑄錠；d)將獲得的錫-銻-銀-鎳合金焊料錠開坯軋制，首先將其由30mm熱軋至6mm，再冷軋至0. 8mm,切邊，將裂邊切掉；e)退火，180 200°C保溫30分鐘，將退火爐門打開10 15分鐘，使帶材表面粘附的煤油揮發(fā)，得到錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料半成品帶；f)將半成品帶繼續(xù)精軋，由0.8mm軋至0. 12mm或0. IOmm成品后切邊，檢驗(yàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料的制備方法，其特征在于 錫-銻-銀-鎳合金焊料錠開坯軋制由30mm熱軋至6mm的具體過(guò)程是將錫-銻-銀-鎳合金焊料錠放入箱式退火爐，在180 200°C下保溫1小時(shí)熱軋開坯；保溫時(shí)間終了，迅速取出合金錠，軋制兩個(gè)道次，放回箱式退火爐繼續(xù)加熱20分鐘，再取出迅速軋制兩個(gè)道次， 如此反復(fù)，將該半成品錫-鋪-銀-鎳合金焊料板由30mm軋至6mm，然后退火，180 200°C 保溫30分鐘；接下來(lái)冷軋，由6mm軋至0. 8mm,切邊，將裂邊切掉。
全文摘要
一種錫-銻-銀-鎳合金，其組成及質(zhì)量百分比為銻，8-11％％；銀，3-20％；鎳，1-2.5％；錫，余量。該錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料用于集成電路的氣密性封裝焊料。其制備方法如下選擇高純錫、銻、銀和鎳，按上述配比范圍計(jì)算所需量，備料；先分別制備中間合金SnAg50及SnNi10；用軋機(jī)將得到的SnAg50和SnNi10中間合金板軋碎，待用；再將錫錠放入坩堝中，升溫至400℃-450℃，加入中間合金SnAg50、SnNi10和金屬銻，完全熔化后用石墨棒充分?jǐn)嚢?，排渣；使溫度?50℃，用石墨棒攪拌均勻后，立即澆鑄，得到鑄錠；將獲得的錠開坯軋制，首先將其由30mm反復(fù)熱軋至6mm，再反復(fù)冷軋至0.8mm，切邊，將裂邊切掉；退火，得到半成品帶；繼續(xù)精軋，由0.8mm軋至0.12mm或0.10mm成品后切邊。其可以和AuSn20合金相比，而大大優(yōu)于SnAgCu3-0.5和SnAu10。
文檔編號(hào)B23K35/26GK102528314SQ20101062378
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉文龍, 李彬, 章明溪 申請(qǐng)人:北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所