專利名稱：高熔點無鉛焊料及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無鉛焊料，特別是指芯片焊接以及IC封裝焊接用高熔點無鉛焊料。

背景技術：
芯片焊接以及IC封裝焊接要求焊料的熔點高于260℃，焊料熔點低會導致后期焊接破壞先期焊接好的焊點，從而影響焊接質量。通常芯片焊接以及IC封裝焊所用的高熔點焊料為有鉛高熔點焊料，由于這種焊料中含有對人體有害的鉛元素，其在未來幾年內將會被禁止使用，所以目前大家都在尋找能夠替代有鉛高熔點焊料的無鉛焊料。
現有的熔點在260℃以上的無鉛焊料有兩種，一種是眾所周知的價格昂貴的Au80(wt％)-Sn20(wt％)焊料，由于這種焊料金的質量百分比在80％左右，導致其價格很貴，應用范圍受到很大的限制。
另一種為專利01823276.0中所揭示的高熔點無鉛焊料，其合金成分為2wt％～18wt％的Ag和98wt％～82wt％的Bi，相比前一種高熔點無鉛焊料來說，該專利中所揭示的焊料從價格上已經明顯地降低了；但是，由于銀同樣是貴金屬，而且其在焊料中的含量最高是可能達到18wt％，最低時也為2wt％，從成本方面來考慮，這種高熔點無鉛焊料并不是理想的材料，所以業界急需一種貴金屬含量低，甚至不含貴金屬的高熔點無鉛焊料。


發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種價格低廉的高熔點無鉛焊料，這種高熔點無鉛焊料可以用于芯片焊接以及IC封裝焊接。
為解決上述技術問題，本發明高熔點無鉛焊料包含下述合金，該合金由2wt％～5wt％的Sb和98wt％～95wt％的Bi組成，該合金的固相線不低于270℃，液相線不高于310℃。由于Bi-Sb合金系屬于無限互溶合金，合金固、液相點隨Sb含量的提高而提高，從圖1所示的合金相圖中可以看出，其最低固相點為270℃；Sb含量提高到5wt％后其液相點低于310℃。本發明無鉛焊料由于不含貴金屬，價格低廉，與傳統的含鉛焊料相比，更加環保。
作為本發明高熔點無鉛焊料的改進，該焊料還含有0.5wt％～1.5wt％的銀。添加銀元素的目的是提高焊接擴散率，以改善焊料的可焊性能，而且加入的銀質量百分比很低，不會顯著增加焊料的成本。
作為本發明高熔點無鉛焊料的進一步改進，該焊料還含有0.003wt％～0.01wt％的磷。磷元素能夠使Bi-Sb-Ag焊料的液態表面上覆蓋一層很薄的磷含氧酸鹽保護膜，起到防止焊渣形成的作用，可以提高焊接質量。
本發明要解決的另一個問題是提供一種生產上述高熔點無鉛焊料的生產工藝。
為了解決上述技術問題，本發明生產工藝包括如下步驟A、按照成分比例要求分別取一定量的Bi和Sb；B、使用不銹鋼坩堝或石墨坩堝將Bi熔化后升溫至500～600℃；C、向不銹鋼坩堝或石墨坩堝加入Sb，并充分攪拌后靜置一段時間，使其中成分充分均勻；D，將合金冷卻至常溫。采用這種生產工藝制得的高熔點無鉛焊料不含貴金屬，顯著地降低了焊料的成本，而且其制作工藝過程簡單。
進一步地，可將所述焊料制成焊片或焊環或焊膏，根據不同使用要求，采用不同形狀或形態的焊料，方便使用。
上述焊片或焊環的制作過程如下a、采用起助焊作用的粘結劑將所述合金粘結成膏狀體；b、將膏狀體涂覆在雙層銀薄片中間；c、將含有膏狀體的銀薄片預成型為所需形狀的焊片。將焊料制成膏狀涂覆在銀片之間可以防止焊料撒漏，而且粘結劑還起助焊作用，可以提高工件的可焊性。



圖1為Bi-Sb二元合金相圖。

具體實施例方式 本發明高熔點無鉛焊料包含以Bi為基合金，合金中Bi的含量為95wt％～98wt％，再添加Sb以后經過合金化制成的，其中Sb的含量為2wt％～5wt％。制成的焊料的固相點不低于270℃，液相點不高于310℃。可以取代含鉛焊料進行芯片焊接以及IC封裝焊接。
由于Bi-Sb合金系屬于無限互溶合金，合金固、液相點隨Sb含量的提高而提高，經過實驗得出如圖1所示的二元合金相圖，當Sb的含量等于2wt％時，其最低固相點高于270℃，當Sb的含量等于5wt％時，其最低液相點低于310℃，由此我們可以得出焊料的固相點溫度不低于270℃，其液相點不高于310℃。
下表列出了Bi-Sb合金中，隨Sb含量的變化，對焊料擴散率及合金液相點的影響。
表1 表1所述的焊接擴散率百分比是與現有技術中常用的焊料作比較，該焊料合金成分為Pb-10Sn。
下表列出了加入適量Ag，可明顯提高合金的擴散率。為了降低成本，Ag的加入量不宜太多，約1wt％或稍低些，即可得到滿意的效果。
表2 表3 表2和表3所述的焊接擴散率百分比是與現有技術中常用的焊料作比較，該焊料合金成分為Pb-10Sn。
由表1和表2對比可知，加入1wt％的銀能夠明顯提高焊料的擴散率，改善其可焊性；由表2和表3對比可知，隨著銀加入量的提高，焊料的擴散率也不斷地得到提高，但是為了控制焊料的成本，銀的加入量為1wt％時，可取得較佳的性價比。
當然，上述銀并不是直接加入到合金中去的，只是在制作高熔點無鉛焊料產品時才加入銀。例如下文中制作焊片時添加銀的方式。
同時，為了提高焊料的焊接質量，防止焊點中夾雜焊渣，可在加入銀的同時加入0.003wt％～0.01wt％的磷由于。磷元素能夠使Bi-Sb-Ag焊料的液態表面上覆蓋一層很薄的磷含氧酸鹽保護膜，這種保護膜能夠防止焊渣的形成，可以提高焊接質量。
本發明要解決的另一個問題是結合合金特性，提供具體的熔煉工藝以及產品。
本發明高熔點無鉛焊料中合金的熔煉工藝選擇最佳性能的合金組合，進行實際量配料計算。使用不銹鋼坩堝(或石墨坩堝)，先將Bi熔化后升溫至500～600℃，然后加入Sb，并充分攪拌后靜置一段時間，讓其中成分充分均勻并完全合金化后再冷卻至常溫。整個過程采用木炭表面覆蓋即可，使用木炭覆蓋合金溶液可以防止合金溶液在熔煉過程中被氧化。
焊料使用時，采用兩種形態的產品①復合帶狀或復合片狀，再根據需要沖制預成型片，如焊環，焊片；②焊膏。
復合帶狀(片狀)的制作方法①以Bi-Sb合金制作成膏狀體，其中由特殊粘接劑將Bi-Sb粉制成合適粘度的膏體，按合金成分比例，將此種膏體涂敷在雙層極薄的Ag薄片中間，靠特殊的粘接劑(也起助焊劑用)。粘接成具有一定強度的復合帶，根據需要沖制成各種預成型焊片。使用時將預成型片放置在各需要位置，進入熱區，溫度在340℃～360℃間，多層復合片會在其中的焊料先熔化后立刻與Ag薄片進行合金化反應，達到形成所需的成分要求的焊點。
焊膏的制作方法首先將高熔點無鉛焊料制成顆粒度達到5級以上的焊粉；將焊粉與助焊劑混合均勻后制成焊膏；最后將制成的焊膏裝進軟袋或其他包裝容器中。
權利要求
1、一種高熔點無鉛焊料，其特征在于其包括下述合金，該合金由2wt％～5wt％的Sb和98wt％～95wt％的Bi組成，該合金的固相點不低于270℃，液相點不高于310℃。
2、如權利要求1所述的高熔點無鉛焊料，其特征在于所述焊料還含有0.1wt％～1.5wt％的銀。
3、如權利要求2所述的高熔點無鉛焊料，其特征在于所述焊料還含有0.003wt％～0.01wt％的磷。
4、一種權利要求1所述的高熔點無鉛焊料的生產工藝，其特征在于包括如下步驟
A、按照成分比例要求分別取一定量的Bi和Sb；
B、使用不銹鋼坩堝或石墨坩堝將Bi熔化后升溫至500～600℃；
C、向不銹鋼坩堝或石墨坩堝加入Sb，并充分攪拌后靜置一段時間，使其中成分均勻；
D、將合金冷卻至常溫。
5、如權利要求4所述的高熔點無鉛焊料的生產工藝，其特征在于整個過程采用木炭覆蓋在合金溶液表面。
6、如權利要求4所述的高熔點無鉛焊料的生產工藝，其特征在于所述焊料被制成焊片或焊環或焊膏。
7、如權利要求6所述的高熔點無鉛焊料的生產工藝，其特征在于所述焊片或焊環的制作過程包括
a、采用起助焊作用的粘結劑將所述合金粘結成膏狀體；
b、將膏狀體涂覆在雙層銀薄片中間；
c、將含有膏狀體的銀薄片預成型為所需形狀的焊片或焊環。
8、如權利要求6所述的高熔點無鉛焊料的生產工藝，其特征在于所述高熔點無鉛焊料首先被制成焊粉；焊粉在與助焊劑混合均勻后制成焊膏。
9、如權利要求8所述的高熔點無鉛焊料的生產工藝，其特征在于所述焊粉的顆粒度達到5級以上。
全文摘要
本發明高熔點無鉛焊料包含的合金由2wt％～5wt％的Sb和98wt％～95wt％的Bi組成，該合金的固相線不低于270℃，液相線不高于310℃。由于Bi-Sb合金系屬于無限互溶合金，合金固、液相點隨Sb含量的提高而提高，而且這種高熔點無鉛焊料與傳統的Pb-10Sn焊料相比，其更加環保。為了提高焊料的可焊性，還可進一步在將焊料制成焊環時加入適量的銀。
文檔編號B23K35/02GK101332544SQ200810028368
公開日2008年12月31日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者蔡烈松, 陳明漢, 葉富華, 鄒家炎, 昆 杜 申請人:廣州瀚源電子科技有限公司, 陳明漢