一種無鉛釬料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種無鉛釬料，按質量百分比由以下成分組成：0.1-2.0%Cu，0.01-1.0%Ni，0.1-1.5%Sb，0.01-1.0%P，0.01-1.0%RE，余量為Sn。采用上述方案，在Sn-Cu-Ni無鉛釬料中復合添加Sb、P和混合稀土元素RE（Pr、Nd），通過三者之間有機結合的協(xié)同作用，抑制焊點界面IMC在服役過程中的過度生長，提高焊點組織穩(wěn)定性，有效保障焊點長期服役可靠性。
【專利說明】一種無鉛釬料
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接【技術領域】，尤其涉及的是一種無鉛釬料，適用于微電子封裝與組裝以及SMT表面貼裝等電子制造行業(yè)。
【背景技術】
[0002]隨著RoHS(The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substance inElectrical and Electronic Equipment)指令的生效,傳統(tǒng)Sn-Pb釬料的替代問題一直是電子行業(yè)技術人員研究的熱點。
[0003]目前具有代表性的無鉛釬料主要有Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn以及Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni等二元或三元合金系，雖各有所長，但是和Sn-Pb釬料相比，在釬料成本、釬料熔點及綜合釬焊性能方面仍有一定的差距。例如，Sn-Zn釬料的熔點與Sn-Pb釬料最為接近，但由于Zn的極易氧化使其潤濕性能大打折扣；Sn-Ag和Sn-Ag-Cu釬料，雖其潤濕和力學性能較好，但高昂的成本在很大程度上限制了其廣泛應用；相比之下，Sn-Cu釬料具有明顯的成本優(yōu)勢，但其較差的潤濕性以及對Cu基板的溶蝕所導致的焊點服役可靠性問題依然限制了其大規(guī)模應用。研究發(fā)現，在Sn-Cu釬料中添加適量的Ni元素可在一定程度上改善釬料的潤濕性，同時由于Ni與Cu互溶,可抑制焊接過程中Cu與Sn的過度反應,減小釬料對Cu基板的溶蝕，并能細化釬料顯微組織，提高其塑性。Sn-Cu-Ni釬料由于具有較好的綜合性能，價格適中，在波峰焊上已經開始應用。
[0004]但是，在使用過程中發(fā)現，隨著服役時間的延長，Sn-Cu-Ni釬料焊點的界面金屬間化合物(MO層有明顯的生長和增厚趨勢。在釬焊過程中，熔融釬料會與Cu、Ni等焊盤發(fā)生反應生成界面MC層，從而形成有效的冶金結合，保證焊點有一定的強度。但在后期服役過程中，比如熱循環(huán)或高溫存儲等類似環(huán)境條件下，這種界面MC層會生長并逐漸變厚，由于MC本身呈脆性，界面MC層變厚勢必會惡化焊點強度，降低焊點在服役過程中的可靠性，因此需要通過抑制界面IMC層的過度生長來間接的保障焊點強度及其服役可靠性。鑒于Sn-Cu-Ni釬料所存在的這個問題，仍需對其進行進一步的研究和改進。本項發(fā)明“一種無鉛釬料”，即是在這種技術背景下完成的。
[0005]近年來，國內外主要是通過向無鉛釬料中添加微量合金元素改變其成分和組織的方法，來改善無鉛釬料的性能。例如，日本Nihon Superior株式會社通過添加微量Ge元素，得到了商品名為SN100C的Sn-Cu-Ni無鉛釬料，并在包括日本、美國與中國在內的24個國家與地區(qū)獲得了此項專利；國內在Sn-Cu-Ni釬料的基礎上也相繼開發(fā)了 “含鈰的無鉛釬料”(中國發(fā)明專利，CN1792539)、“一種抗溶銅錫銅無鉛釬料合金”(中國發(fā)明專利，CN102554490A)、“含 V、Nd 和 Ge 的 Sn-Cu-Ni 無鉛釬料”(中國發(fā)明專利，CN101885119A)、Sn-(0.8-3.0wt.%) Cu-(0.01-1.6wt.%)N1-(0.005-0.2wt.%) Pb-(0.001-0.lwt.%) Ce (中國發(fā)明專利，ZL200510022563.1)以及中國發(fā)明專利CN101224524A、中國發(fā)明專利CN1721123A和中國發(fā)明專利CN101862921A等多種“多元合金體系”的Sn-Cu-Ni釬料，微量元素的添加改善了 Sn-Cu-Ni釬料合金的某些性能，但它們對于焊點界面MC的生長以及釬焊接頭的服役可靠性問題并未有過多涉及，仍需進一步研究來完善和補充。
[0006]現有技術的普遍缺點是只注重釬料潤濕性及焊點力學性能等性能的研究，而忽略了釬料焊點在實際服役過程中的可靠性問題，焊點界面MC層的過度生長對焊點可靠性的保持是極為不利的，而現有技術對焊點界面MC的生長的抑制作用并不明顯。同時稀土元素的添加雖然可在一定程度上抑制焊點界面MC的過度生長，但其作為表面活性元素，很容易氧化，從而影響其活性作用的發(fā)揮。
[0007]因此，現有技術存在缺陷，需要進一步改進。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種無鉛釬料。
[0009]本發(fā)明的技術方案如下：
[0010]一種無鉛釬料，其中，按質量百分比由以下成分組成：0. 1-2. 0%Cu,0. 01-1.0%Ni,
O.1-1. 5%Sb，0. 01-1. 0%Ρ，0· 01-1. 0%RE，余量為 Sn。
[0011]所述的無鉛釬料，其中，按質量百分比由以下成分組成：0. l%Cu, I. 0%Ni, I. 5%Sb,
0.01%P, O. 01%RE，余量為 Sn。
[0012]所述的無鉛釬料，其中，按質量百分比由以下成分組成：2. 0%Cu，0. 01%Ni,0. l%Sb，
1.0%P, I. 0%RE，余量為 Sn。
[0013]所述的無鉛釬料，其中，按質量百分比由以下成分組成：0. 7%Cu，0. 05%Ni,0. 7%Sb，
O.5%P,0. 5%RE，余量為 Sn。
[0014]所述的無鉛釬料，其中，按質量百分比由以下成分組成：1. 0%Cu, O. 5%Ni，I. 0%Sb,
O.2%P，0. 3%RE，余量為 Sn。
[0015]所述的無鉛釬料，其中，按質量百分比由以下成分組成：1. 5%Cu，0. 3%Ni，l. 2%Sb，
O.05%P,0. 08%RE，余量為 Sn。
[0016]采用上述方案，在Sn-Cu-Ni無鉛釬料中復合添加Sb、P和混合稀土元素RE (Pr、Nd)，通過三者之間有機結合的協(xié)同作用，抑制焊點界面MC在服役過程中的過度生長，提高焊點組織穩(wěn)定性，有效保障焊點長期服役可靠性；同時，本發(fā)明成本適中，可加工性能好。
【具體實施方式】
[0017]以下對本發(fā)明進行詳細說明。
[0018]本發(fā)明是通過添加Sb、P和混合稀土 RE (Pr、Nd)來有效抑制焊點界面MC在服役過程中的過度生長，同時通過P元素的集膚效應，有效阻止焊料合金的氧化，確保稀土元素變質和活性作用的充分發(fā)揮，提供一種潤濕性等綜合釬焊性能良好，具有一定抗氧化性，有效保障焊點在服役期間組織穩(wěn)定性及可靠性的Sn-Cu-Ni-Sb-P-RE無鉛釬料。
[0019]根據本發(fā)明的“一種無鉛釬料”的質量配比，敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0020]實施例一
[0021]一種無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為：0. l%Cu, I. 0%Ni, I. 5%Sb,0. 01%P,
0.01%RE，余量為 Sn。
[0022]上述成分配比得到的含Sb、P和混合稀土 RE (Pr、Nd)的Sn-Cu-Ni無鉛釬料固相線溫度229.6°C，液相線溫度236.8°C ;在紫銅板上具有優(yōu)良的潤濕性能，最大潤濕力為
3.5mN，最小潤濕時間為0.52s ；QFP引腳拉伸力為29N，片式電阻剪切力為65N。
[0023]由表1可知，在125°C恒溫時效1000h后，添加了 Sb、P和混合稀土 RE (Pr,Nd)的Sn-Cu-Ni無鉛釬料比未添加Sb、P和混合稀土 RE (Pr、Nd)的無鉛釬料焊點界面MC層平均厚度減小21%左右。
[0024]表1兩種釬料焊點界面IMC層厚度d在不同時效時間下的變化(單位:μ m)
[0025]
【權利要求】
1.一種無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下成分組成：0. 1-2. 0%Cu,.O.01-1. 0%Ni,0. 1-1. 5%Sb，0. 01-1. 0%Ρ，0· 01-1. 0%RE，余量為 Sn。
2.如權利要求I所述的無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下成分組成：.O.l%Cu, I. 0%Ni, I. 5%Sb,0. 01%Ρ，0· 01%RE，余量為 Sn。
3.如權利要求I所述的無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下成分組成：.2.0%Cu,0. 01%Ni,0. l%Sb, I. 0%P, I. 0%RE，余量為 Sn。
4.如權利要求I所述的無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下成分組成：.0.7%Cu,0. 05%Ni,0. 7%Sb,0. 5%Ρ，0· 5%RE，余量為 Sn。
5.如權利要求I所述的無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下成分組成：.1.0%Cu,0. 5%Ni, I. 0%Sb,0. 2%Ρ，0· 3%RE，余量為 Sn。
6.如權利要求I所述的無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下成分組成：.1. 5%Cu,0. 3%Ni, I. 2%Sb,0. 05%Ρ，0· 08%RE，余量為 Sn。
【文檔編號】B23K35/24GK103753047SQ201310590406
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權日:2013年11月20日
【發(fā)明者】羅家棟, 路波, 李春靈, 張超, 曹乾濤 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所