專利名稱：Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含稀土鉺的低銀無(wú)鉛焊料及其制備方法，屬于錫基無(wú)鉛焊料的制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)業(yè)綠色制造的發(fā)展和電子組裝技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料逐漸被無(wú)毒害的無(wú)鉛焊料取代。一種新型的無(wú)鉛電子封裝焊料，應(yīng)具有工藝性能好(熔點(diǎn)低、熔化溫度范圍小、潤(rùn)濕性好、抗腐蝕抗氧化性能好、導(dǎo)電性好)、焊點(diǎn)可靠性好(結(jié)合強(qiáng)度高、抗蠕變性能好)、成本低等特點(diǎn)。迄今為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的無(wú)鉛焊料種類很多，被普遍使用的幾種無(wú)鉛焊料是Sn-3. 5wt%Ag、Sn-0. 7wt%Cu和SnAgCu系合金，但也存在一些問(wèn)題。當(dāng)前用量較大、綜合性能較好、受科研人員和生產(chǎn)商重點(diǎn)關(guān)注的是SnAgCu系焊料，可應(yīng)用于焊料的各種形式；但其熔點(diǎn)(約217°C)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)錫鉛共晶焊料，對(duì)被焊材料和焊接設(shè)備的要求高。 隨著電子元器件的小型化發(fā)展，電子組裝將越來(lái)越多地采用先進(jìn)的表面貼裝工藝(SMT)，隨之發(fā)展的回流焊技術(shù)由于工藝窗口較窄，封裝密度高，電子元器件的抗熱沖擊性能有限，要求使用較低熔點(diǎn)的焊料。因此，由SnAgCu系發(fā)展出來(lái)的四元焊料合金中有Sn-Ag-Cu-Bi 系合金，如 USP55276^ 公布的 Sn-(3. 5 7. 7) Ag-(廣4) Cu-((TlO) Bi 和 USP5520752 公布的 Sn-(3. 5 4. 5)Ag-(0^5)Cu-(0^9. 3)Bi。這些焊料在一定程度上改善了 SnAgCu三元焊料，但在某些方面還存在不足，如前者合金的熔融范圍(193°C 218°C )偏大，后者合金的疲勞抗力偏低。經(jīng)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，盧斌等(中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，第17卷第4期，518-524， 2007)提到在SnAgCu焊料中添加適量的Er可以有效減小焊料合金的熔融范圍，細(xì)化合金的晶粒；而US2009014746公布了 Sn_3. 5Ag-0. 5Cu_l. OEr等四元合金，提出添加稀土元素可以改善焊料的潤(rùn)濕性。較高的銀含量使SnAgCu系焊料成本相對(duì)較高，特別是近年來(lái)隨著銀價(jià)的升高和電子產(chǎn)品價(jià)格的下行，其市場(chǎng)推廣阻力加大，低銀無(wú)鉛焊料就成為了研發(fā)的重點(diǎn)，以期在保證焊料使用性能前提下，降低焊料的成本。首批低銀無(wú)鉛焊料Sn-0. 3Ag-0. 7Cu (SAC0307) 已于2007年被研發(fā)出來(lái)并推向市場(chǎng)。深圳億城達(dá)研究發(fā)現(xiàn)，添加Bi可提高SAC0307的潤(rùn)濕性和降低焊料熔點(diǎn)，但熔程會(huì)增加，對(duì)焊后力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。較早的USP4879096 公布的低銀焊料合金中的Sn-0. lAg-3. OCu-1. OBi，其熔點(diǎn)為217°C，熔程寬達(dá)17°C。根據(jù)目前的工藝過(guò)程，焊料的熔點(diǎn)最好在215°C之下，熔程小于15°C。因此，研發(fā)成本更低、性能與應(yīng)用環(huán)境匹配更好的低銀低熔點(diǎn)無(wú)鉛焊料是電子封裝的必然要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低銀，低熔點(diǎn)、小熔程，潤(rùn)濕性好，機(jī)械性能和工藝性能較好，使用可靠的Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
本發(fā)明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料，其特征在于是有以下各組分及重量百分
3比:Ag 為 0. 3-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 7%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 01-0. 15%,余量為 Sn ；各組分原料的純度分別為:Bi 彡 99. 99%, Er 彡 99. 9%, Ag 彡 99. 99%, Cu 彡 99. 99%, Sn 彡 99. 99%。本發(fā)明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料其特征在于該焊料的優(yōu)選組成及含量 (按重量百分?jǐn)?shù)計(jì))為=Ag 為 1. 0-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 5%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 05-0. 10%,
余量為Sn。本發(fā)明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料的制備方法，其特征在于包括下述過(guò)程和步驟
1.在真空狀態(tài)或保護(hù)氣體氣氛下采用現(xiàn)有熔煉方法和設(shè)備制備中間合金Sn-(1(T12)
Er ；
2.化學(xué)分析確定煉制的中間合金Sn-Er中Er的實(shí)際含量，然后在真空感應(yīng)爐中按本發(fā)明的焊料的組成及重量配比換算成Sn-Er中間合金和純Cu、Ag、Bi、Sn的重量，并制備成 Sn-Ag-Cu-Bi-Er焊料合金錠坯；
3.將上述得到的合金錠坯封于石英管中，在300°C下重熔，澆注成錠。還可以做成焊條、焊絲、焊片、焊球、焊粉、焊膏等多種形式的產(chǎn)品，可用于電子封裝或組裝的各個(gè)焊接環(huán)節(jié)。本發(fā)明在近共晶SnAgCu合金的基礎(chǔ)上通過(guò)降低Ag含量，添加合金元素Bi和Er 獲得了一種五元合金焊料Sn-Ag-Cu-Bi-Er。銀含量降低，焊料熔點(diǎn)會(huì)升高。研究表明，添加Bi可有效彌補(bǔ)因Ag含量降低導(dǎo)致的熔點(diǎn)上升，并改善焊料的潤(rùn)濕性，但焊料的熔化溫度范圍會(huì)增大，對(duì)焊后焊點(diǎn)的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。而添加稀土元素Er可縮小合金的熔化溫度范圍，尤其是使在引入Bi后引起的熔化溫度范圍增大問(wèn)題得以控制，有利于改善焊料的綜合性能。Bi和Er的同時(shí)添加實(shí)現(xiàn)了各元素作用的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本發(fā)明的焊料中合金元素Bi最好控制在3. 0%以下，高于該值合金熔化溫度范圍將增大；并由于Bi的偏聚析出使焊料脆性提高，惡化焊料的綜合使用性能。Er的含量最好控制在0. 05、. 15wt. %，高于該范圍時(shí)，由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)活潑，易于形成稀土化合物， 降低焊料合金的潤(rùn)濕性；也會(huì)降低合金的強(qiáng)度和塑性。在該范圍內(nèi)，合金元素有利于細(xì)化晶粒、潤(rùn)濕性，提高焊接工藝良率和焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。


圖1為實(shí)施例1、2、3焊料試樣的差示掃描量熱法(DSC)分析曲線。圖2為實(shí)施例1與比較例的Cu/焊料/Cu焊點(diǎn)的拉伸曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例ISn-L 5Ag_0. 3Cu_3. OBi-O. 05Er 的制備
按各組分重量百分?jǐn)?shù)配比，Ag為1. 5%,Cu為0. 3%,Bi為3. 0%，Er為0. 05%，余量為Sn。其制備過(guò)程為在真空電弧熔煉爐中按重量配比制備Sn-IOEr中間合金50g ；將稱好的純Sn和Er混合，在真空電弧爐中加熱到1600°C，攪拌熔化，保溫30min后冷卻，反復(fù)熔煉3次，制成紐扣錠。稱取0. 5g Sn-IOEr中間合金、1. 5g Ag、0. 3g Cu,3. Og Bi和94. 7g Sn ；充分混合后置于真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行900°C高溫熔煉，保溫30min，以保證制得合金的成分均勻性；將所得焊料合金在溫度為300°C下真空重熔， 保溫lh，隨后空冷，制得焊料錠坯備用。實(shí)施例2Sn-l. OAg-O. 3Cu_3. OBi-O. 05Er 的制備
按各組分重量百分?jǐn)?shù)配比，Ag為1. 0%,Cu為0. 3%,Bi為3. 0%，Er為0. 05%，余量為Sn。其制備方法如同實(shí)施例1。實(shí)施例3Sn-2. OAg-O. 3Cu_3. OBi-O. 05Er 的制備
按各組分重量百分?jǐn)?shù)配比，Ag為2. 0%,Cu為0. 3%,Bi為3. 0%，Er為0. 05%，余量為Sn。其制備方法如同實(shí)施例1。實(shí)施例4 Sn-1. 5Ag-0. 3Cu-2. 5Bi-0. 05Er 的制備
按各組分重量百分?jǐn)?shù)配比，Ag為1. 5%,Cu為0. 3%,Bi為2. 5%,Er為0. 05%，余量為Sn。其制備方法如同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料，其特征在于具有以下各組分及重量百分比Ag 為 0. 3-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 7%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 01-0. 15%，余量為 Sn ；各組分金屬原料的純度分別為Bi彡99. 99%，Er彡99. 9%, Ag彡99. 99%，Cu彡99. 99%， Sn 彡 99. 99%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料，其特征在于該焊料的優(yōu)選組成為:Ag 為 1. 0-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 5%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 05-0. 10%，余量為 Sn。
3.—種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無(wú)鉛焊料的制備方法，其特征在于是有以下過(guò)程首先在真空狀態(tài)下，采用現(xiàn)有熔煉方法加熱熔煉制備Sn-IOEr中間合金；經(jīng)化學(xué)分析得Er的具體含量后，按上述重量配比換算成Sn-Er中間合金及各組分的重量并制備成焊料合金錠坯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低銀的含稀土元素Er的Sn基無(wú)鉛焊料及其制備方法，其組分及質(zhì)量百分比是Ag為0.3-2.0%，Cu為0.3-0.7%，Bi為2.0-3.0%，Er為0.01-0.15%，余量為Sn。Bi能降低焊料合金熔點(diǎn)，卻使熔程增大；Er能降低熔程。該焊料的制備過(guò)程中，先在真空狀態(tài)下或保護(hù)氣體氣氛中熔煉制備中間合金Sn-10Er，再按合金配比熔煉制成無(wú)鉛焊料合金錠坯。此錠坯可直接作為焊料應(yīng)用，也可制成條、絲、板或粉末使用。該焊料熔點(diǎn)低(201~220℃)，熔化溫度范圍較小，潤(rùn)濕性良好，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的工藝性能，而且成本低。
文檔編號(hào)C22C1/03GK102500946SQ20111031809
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者林飛, 畢文珍, 謝仕芳, 韋習(xí)成 申請(qǐng)人:上海大學(xué)