專利名稱：一種含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種含Yb、Al、B的納米無鉛釬料，屬高密度電子器件釬料領(lǐng)域，是一種具有潤濕性、力學(xué)性能優(yōu)良的新型無鉛釬料。
背景技術(shù)：
隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境的環(huán)保性要求也越來越高。傳統(tǒng)的SnPb釬料因?yàn)镻b的毒性已經(jīng)無法滿足電子工業(yè)的發(fā)展需求，因此業(yè)界尋求無鉛釬料來替代傳統(tǒng)的SnPb，在諸多的無鉛釬料中，SnAgCu以潤濕性較好、力學(xué)性能較高等優(yōu)點(diǎn)被推薦為替代SnPb的最佳選擇。和SnPb相比，SnAgCu仍有自身的缺點(diǎn)，例如熔化溫度明顯高于SnPb釬料，潤濕性也明顯低于SnPb釬料。為了克服SnAgCu的缺點(diǎn)，業(yè)界諸多研究者紛紛提出了自身的改進(jìn)方法。例如改進(jìn)設(shè)備的再流焊工藝曲線，提升溫度峰值，從而滿足SnAgCu的高熔點(diǎn)要求。但是由于整體工藝溫度的提升，電路板以及電子器件的封裝塑料溫度較低，導(dǎo)致在焊接工藝中電子器件的工藝失效。因此尋求和SnPb較為接近的無鉛釬料成為電子工藝的發(fā)展需求。同時(shí)，伴隨著電子工業(yè)的進(jìn)步，電子元器件的焊點(diǎn)密度也以數(shù)以千計(jì)的方式出現(xiàn)，工業(yè)對(duì)釬料的使用方式也發(fā)生了顯著的變化，在表面組裝技術(shù)中，無鉛釬料以焊膏的形式成為連接電子器件的重要材料，由于承受著整體再流焊加熱，電子器件和電路板的熔化溫度較低，急需降低焊膏的熔點(diǎn)，另外，因?yàn)楦呙芏绕骷母呖煽啃孕枨?，焊膏需要具有高的抗疲勞特性。同時(shí)無鉛焊膏是由無鉛釬料混合釬劑制備而成，因此需要提升無鉛釬料的性能來滿足表面組裝技術(shù)的發(fā)展。為了改善SnAgCu釬料的性能，國內(nèi)外公開的專利均是從添加微量的合金元素或者顆粒的方式，提高無鉛釬料的潤濕性、力學(xué)性能等。目前主要添加的合金元素有Ce、Pr、Nd、Mn、、Fe、T1、Co、Zn、Sb、Bi等，加入的顆粒有納米Ag顆粒、微米Cu6Sn5顆粒、納米POSS顆粒等。但是諸多的研究結(jié)果中降低釬料熔點(diǎn)的合金元素以Bi元素較為顯著，其他元素和顆粒以提高力學(xué)性能方面較為突出，對(duì)釬料的熔化溫度貢獻(xiàn)較小。代表性的專利有Sn- (O. 05 3%) Ag- (O. 5 6) Cu- (O.1 3) Bi (美國專利US4879096)，Sn- (2. O 4. 0%)Ag-(O. 5 ~1. 5%)Cu-(1. O 10%)B1-(O. 05 1. 5%)Cr[中國專利CN2009910199580. O],但是Bi元素添加過量時(shí)，容易引起釬料在服役期間的焊點(diǎn)剝離，導(dǎo)致器件的失效。目前缺乏通過添加合金元素顯著降低釬料的熔化溫度、提升力學(xué)性能的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明提供一種含Yb、Al、B的納米無鉛釬料，通過添加Yb、Al、B等合金元素制成納米無鉛釬料，以達(dá)到降低熔化溫度和提高性能的雙重作用。具有較低熔化溫度，較高性能，是適用于電子行業(yè)的表面組裝技術(shù)的納米無鉛釬料，能滿足高密度器件的高可靠性需求。本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種含Yb、Al、B的納米無鉛釬料，其特征在于其成分及重量百分比為=Ag含量為O. 5 4. 5%, Cu含量為O. 2 1. 5%，Yb含量為O. 01 O. 5%, Al含量為O. 01 O. 5%, B含量為O. 01 O. 5%,其余為Sn。
本發(fā)明采用的方法是使用市售的Sn錠、Sn-Cu中間合金、Sn-Ag中間合金、Sn-Yb 中間合金、Sn-Al中間合金、Sn-B中間合金,按照一定的配比,采用高能超聲攪拌的的制造 工藝冶煉無鉛釬料，為防止元素的燒損在惰性氣體保護(hù)氣氛中冶煉、澆鑄成棒材，將棒材制 成電極，采用自耗電極直流電弧法制備納米無鉛釬料顆粒。
本發(fā)明的機(jī)理是由于SnAgCu釬料被推薦為替代傳統(tǒng)SnPb釬料的最佳選擇，主 要是因?yàn)锳g和Cu的存在提高了釬料的性能。但是在服役期間，Ag和Cu與Sn反應(yīng)，Ag3Sn 和Cu6Sn5金屬間化合物會(huì)快速長(zhǎng)大，因其為脆性相，故而導(dǎo)致焊點(diǎn)的壽命降低，因此要嚴(yán)格 控制Ag和Cu的含量，Ag的含量為O. 5 4. 5%, Cu的含量為O. 2 1. 5%。添加Yb元素，因 為稀土的親Sn性，降低Ag3Sn和Cu6Sn5的初生相的尺寸和數(shù)量，添加Al和B起到固溶強(qiáng)化 的作用，可以抑制Ag3Sn和Cu6Sn5在服役期間的長(zhǎng)大，同時(shí)Al可以提高釬料表面的抗氧化 特性。三種元素聯(lián)合，可以控制金屬間化合物的尺寸，保證釬料在服役期間組織細(xì)小、均勻， 從而提高釬料的潤濕性，力學(xué)性能以及抗氧化特性等。但是合金元素添加過量容易導(dǎo)致內(nèi) 部新生相的生成，惡化釬料的性能，因此需要控制Yb、Al和B的添加量，分別為Yb含量為 O. 01 O. 5%, Al 含量為 O. 01 O. 5%, B 含量為 O. 01 O. 5%。
本發(fā)明的有益效果是該釬料潤濕性、力學(xué)性能較好，具有較低熔化溫度，較高性 能，是適用于電子行業(yè)表面組裝技術(shù)的納米無鉛釬料，能滿足高密度器件的高可靠性需求。


圖1 :不同成分納米無鉛釬料合金(表I)的潤濕性。
圖2 :不同成分納米無鉛釬料合金(表I)的力學(xué)性能。具體實(shí)施方案
實(shí)施例1
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比4. 0%Ag, O. 5%Cu，O. 01%Yb,O.OP/oAl, 0. 01%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在194°C左右，液相線溫度在20(TC左右(考慮了 試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例2
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 8%Ag，O. 2%Cu，O. 5%Yb，O.5%A1, 0. 5%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在196°C左右，液相線溫度在202°C左右(考慮了 試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例3
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 0%Ag, O. 5%Cu，O. 05%Yb,O.OP/oAl, 0. 05%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在193°C左右，液相線溫度在199°C左右(考慮了 試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例4
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比4. 5%Ag，1. 2%Cu，O. 08%Yb,
O.05%A1, 0. 5%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在195°C左右，液相線溫度在202°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例5含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比0. 5%Ag，O. 2%Cu，O. 5%Yb，
O.1%A1, 0. 3%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在193°C左右，液相線溫度在20(TC左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例6含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 8%Ag，O. 7%Cu，O. 05%Yb,
O.05%A1, 0. 01%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在193°C左右，液相線溫度在199°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例7 含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 0%Ag，O. 5%Cu，O. l%Yb，1%A1, 0. 01%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在195°C左右，液相線溫度在202°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例8含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 9%Ag，O. 6%Cu，O. 01%Yb,O. OP/oAl, 0. 01%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在193°C左右，液相線溫度在199°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例9含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 5%Ag，0. 5%Cu，0. 03%Yb,
0.5%A1, 0. 04%B，余量為Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在194°C左右，液相線溫度在200°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例10含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比2. 5%Ag，0. 7%Cu，0. 06%Yb,
0.05%A1, 0. 03%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在192°C左右，液相線溫度在198°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例11 含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 5%Ag，0. 5%Cu，0. 08%Yb,
0.03%A1, 0. 05%B，余量為 Sn。釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在194°C左右，液相線溫度在20(TC左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。實(shí)施例12含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比2. 8%Ag，0. 2%Cu，0. 05%Yb,O.01%A1, 1%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在195°C左右，液相線溫度在203°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例13
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 5%Ag，1. 2%Cu，l%Yb， O. 05%A1, 0. 05%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在194°C左右，液相線溫度在201°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例14
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比2. 0%Ag,1. 5%Cu，O. 05%Yb, O. 05%A1, O. 08%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在193°C左右，液相線溫度在199°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例15
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比2. 9%Ag，0. 9%Cu，O. 03%Yb,O.08%A1, 0. 02%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在193°C左右，液相線溫度在198°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)施例16
含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的成分質(zhì)量百分比3. 0%Ag, O. 5%Cu，O. 02%Yb, O. 02%A1, O. 02%B，余量為 Sn。
釬料主要性能檢測(cè)固相線溫度在195°C左右，液相線溫度在202°C左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，具有優(yōu)越的性能。
實(shí)驗(yàn)例在其他成分不變的情況下，不同的Yb的含量對(duì)釬料的潤濕性及力學(xué)性能的影響。
共實(shí)驗(yàn)如表I所示6個(gè)實(shí)驗(yàn)例。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2。
表1:典型含Yb、Al、B、Sn、Ag、Cu納米無鉛釬料合金成分
權(quán)利要求
1.一種含Yb、Al、B的納米無鉛釬料，其特征在于其成分及重量百分比為Ag含量為 O. 5 4. 5%, Cu含量為·O. 2 1. 5%, Yb含量為O. 01 O. 5%, Al含量為O. 01 O. 5%, B含量為O. 01 O. 5%，其余為Sn。
2.—種權(quán)利要求1所述含Yb、Al、B的納米無鉛釬料的制備方法，其特征在于使用市售的Sn錠、Sn-Cu中間合金、Sn-Ag中間合金、Sn-Yb中間合金、Sn-Al中間合金、Sn-B中間合金，按照要求配比，采用高能超聲攪拌的的制造工藝冶煉無鉛釬料，為防止元素的燒損在惰性氣體保護(hù)氣氛中冶煉、燒鑄成棒材，將棒材制成電極，采用自耗電極直流電弧法制備納米無鉛釬料顆粒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含Yb、Al、B的納米無鉛釬料，屬于微電子組裝用無鉛釬料領(lǐng)域。其Ag含量為0.5～4.5%，Cu含量為0.2～1.5%，Yb含量為0.01～0.5%,Al含量為0.01～0.5%,B含量為0.01～0.5%，其余為Sn。制備方法使用市售的Sn錠、Sn-Cu中間合金、Sn-Ag中間合金、Sn-Yb中間合金、Sn-Al中間合金、Sn-B中間合金，按照要求配比，采用高能超聲攪拌的制造工藝冶煉無鉛釬料，為防止元素的燒損在惰性氣體保護(hù)氣氛中冶煉、澆鑄成棒材，將棒材制成電極，采用自耗電極直流電弧法制備納米無鉛釬料顆粒。優(yōu)點(diǎn)是該釬料潤濕性、力學(xué)性能較好，滿足電子工業(yè)的需求。
文檔編號(hào)B23K35/40GK103056543SQ20131002026
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者張亮, 韓繼光, 郭永環(huán), 何成文 申請(qǐng)人:江蘇師范大學(xué)