無鉛焊接材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無鉛焊接材料及其制備方法，所述無鉛焊接材料組分及重量含量百分?jǐn)?shù)范圍為：Al為0.05-1.00%，B2O3為0.1-3.00%，Zn為8.5-9.5%，其余組份為Sn。本發(fā)明還公開該無鉛焊接材料的制備方法：步驟S1，制備Sn-B2O3和Sn-Al中間合金；步驟S2，熔煉Sn-Zn合金；步驟S3，制備Sn-Zn-Al無鉛焊料，最后澆注到模具里，獲得Sn-Zn-Al無鉛焊料。本發(fā)明闡述的無鉛焊接材料抗氧化性以及潤濕性良好，其熔點(diǎn)僅為199℃，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到100MPa，是傳統(tǒng)Sn-37Pb焊料的2倍，制備工藝簡單，成本低，應(yīng)用范圍廣。
【專利說明】無鉛焊接材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微電子封裝領(lǐng)域焊接材料的制造工藝，特別是一種新型抗氧化性以及潤濕性良好的無鉛焊接材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工業(yè)迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品不斷向智能化、微型化發(fā)展，這產(chǎn)生了更加新型的加工工藝，同時也對封裝材料的性能提出了更高的要求。在封裝領(lǐng)域的焊接材料中，Sn-37Pb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本，一直得到廣泛的使用。然而，隨著人類健康和環(huán)保意識的增強(qiáng)、法律的限制以及現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品無鉛化作為一種趨勢迫在眉睫。
[0003]現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)中，用于微電子封裝的焊接材料類型主要為Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系和Sn-Cu系，盡管這些無鉛焊接材料已經(jīng)在封裝行業(yè)得到應(yīng)用，但是大多仍然存在這樣或那樣的問題。其中，最主要的問題是:
[0004]1、抗氧化性差。錫在焊接過程中易被氧化。這不僅造成錫的浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響焊接可靠性。
[0005]2、潤濕性能差。潤濕性差是幾乎所有新開發(fā)的無鉛焊料存在的問題，此問題已經(jīng)成為無鉛焊料開發(fā)的瓶頸。
[0006]3、價格昂貴，保存要求嚴(yán)格。由于貴金屬Ag的加入，在很大程度上增加了焊料的成本，阻礙了此系列焊料廣泛推廣使用。
[0007]4、熔點(diǎn)較高。此三種系列無鉛焊料的熔點(diǎn)要比Sn_37Pb焊料的熔點(diǎn)高3(T50°C，這對加熱設(shè)備以及基體材料都提出了更高的要求。
[0008]專利號為CN1554511A的專利文獻(xiàn)公開了一種高抗氧化性無鉛焊料，即CuNiGaRE無鉛焊料，其抗氧化性及流動性均較好，晶粒也比較細(xì)密。但是仍然沒有解決焊接潤濕性問題。除此之外，由于N1、Ga以及RE的加入，很大程度的提高了焊料的成本，使該焊料無法在電子封裝工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
[0009]本領(lǐng)域的技術(shù)人員迫切地開發(fā)一種新型無鉛焊接材料來解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中，無鉛焊接材料抗氧化性差，潤濕性能低差，熔點(diǎn)高和成本高的不足，提供一種新型無鉛焊接材料及其制備方法。
[0011]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:
[0012]一種無鉛焊接材料，其特點(diǎn)在于，所述無鉛焊接材料中各組分的重量百分比為:A1為 0.05-1.00%, B2O3 為 0.1-3.00%, Zn 為 8.5-9.5%，其余組份為 Sn。
[0013]較佳地，Sn和Zn的重量比例為91:9。
[0014]一種前述無鉛焊接材料制備方法，其特點(diǎn)在于，所述制備方法依照以下步驟:
[0015]步驟S1，制備Sn-B2O3和Sn-Al中間合金；[0016]步驟S2，熔煉Sn-Zn合金:將純錫放入坩堝內(nèi)加熱熔化，熔化溫度為400_600°C，然后加入純鋅，將溫度調(diào)整為400-550°C，保溫10-20分鐘；
[0017]步驟S3，制備Sn-Zn-Al無鉛焊料:將Sn-Zn合金溫度升至500-60(TC，將Sn-B2O3中間合金加入，保溫5-10分鐘，然后升溫到600-700°C，將Sn-Al中間合金加入，保溫10-40分鐘，最后澆注到模具里，獲得Sn-Zn-Al無鉛焊料。
[0018]較佳地，步驟S1中的Sn-B2O3中間合金的制備具體包括以下步驟:
[0019]S111，用錫箔包裹B2O3，置于感應(yīng)爐坩堝底部；
[0020]S112，用Sn粒覆蓋B2O3,加熱到400_600°C保溫20-40分鐘；
[0021]S113，澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0022]較佳地，步驟S1中的Sn-Al中間合金的制備具體包括以下步驟:
[0023]S121，將Sn熔化，熔化溫度為400_600°C，保溫5-10分鐘；
[0024]S122，加入Al合金元素，升溫到600_700°C后，保溫20-40分鐘；
[0025]S123，澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
[0026]較佳地，步驟S2中所述Sn-Zn合金的熔煉過程中采用真空保護(hù)。
[0027]較佳地，所述Sn-B2O3和Sn-Al中間合金在中頻感應(yīng)爐中采用氬氣保護(hù)進(jìn)行熔煉。
[0028]較佳地，所述Sn-B2O3中間合金內(nèi)，B2O3的重量百分?jǐn)?shù)為10%。
[0029]較佳地，所述Sn-Al中間合金中的Al元素的重量百分?jǐn)?shù)為5%。
[0030]在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。
[0031]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:
[0032]本發(fā)明闡述的無鉛焊接材料抗氧化性以及潤濕性良好，其熔點(diǎn)僅為199°C，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到lOOMPa，是傳統(tǒng)Sn-37Pb焊料的2倍，能夠滿足微電子封裝用焊接材料的要求，而且制備工藝簡單，成本低，可以得到廣泛的應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0033]在本發(fā)明中，具有類似結(jié)構(gòu)或功能的物質(zhì)將用相同的元素符號表示。元素符號只是為了便于說明本發(fā)明的各個實(shí)施例，并不是要對本發(fā)明進(jìn)行窮盡性的說明，也不是對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。
[0034]概括地說，本發(fā)明首先制備Sn-B2O3和Sn-Al中間合金，然后將Sn-Zn合金在真空條件下熔化，并將制備的中間合金按照一定的重量分?jǐn)?shù)添加到Sn-Zn合金熔體中，保溫一段時間后澆注到模具中制備Sn-Zn-Al合金。
[0035]具體地說，在制備Sn-B2O3和Sn-Al中間合金時。由于B2O3比重較小，在合金熔煉時容易上浮，很難直接加入到焊料熔體中，所以B2O3采用錫箔包裹預(yù)先熔煉，以中間合金的方式加入到焊料熔體中。Al元素也容易氧化揮發(fā)，所以Al元素也采用Sn-Al中間合金的方式加入。
[0036]根據(jù)相圖計算以及經(jīng)驗(yàn)，Sn-B2O3中間合金中，B2O3的重量百分?jǐn)?shù)為10% ；Sn-Al中間合金中，Al的重量百分?jǐn)?shù)為5%。Sn-B2O3中間合金和Sn-Al中間合金在中頻感應(yīng)爐中采用氬氣保護(hù)進(jìn)行熔煉。
[0037]熔煉Sn-B2O3中間合金時，首先將稱量后的B2O3用錫箔包裹，置于感應(yīng)爐坩堝底部，然后用Sn粒將其覆蓋，加熱到一定溫度后保溫，保溫溫度為400-600°C，保溫時間為20-40分鐘，然后澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0038]熔煉Sn-Al中間合金時，首先將Sn熔化，熔化溫度為400_600°C，保溫5_10分鐘，然后加入Al合金元素，升溫到600-700°C后，保溫20-40分鐘后澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
[0039]在制備Sn-Zn合金時，先在中頻感應(yīng)爐中將Sn-Zn熔化，熔化溫度為400_550°C，熔化過程中采用真空保護(hù)，防止Sn和Zn的氧化和吸氣，以保證Sn-Zn合金熔體的純凈，減少有害雜質(zhì)元素的摻入。
[0040]制備Sn-Zn-Al無鉛焊料時，首先將純錫放入坩堝內(nèi)加熱熔化，熔化溫度為400-6000C，然后加入純鋅，將溫度調(diào)整為400-550°C，保溫10-20分鐘。然后根據(jù)Sn-Zn-Al無鉛焊料中B2O3和Al的重量分?jǐn)?shù)，將Sn-B2O3和Sn-Al中間合金加入到Sn-Zb合金熔體中。
[0041]添加Sn-B2O3和Sn-Al中間合金時，首先將Sn-Zn合金溫度升至500_600°C，將Sn-B2O3中間合金加入，保溫5-10分鐘，然后升溫到600-700°C，將Sn-Al中間合金加入，保溫10-40分鐘，最后澆注到模具里，獲得Sn-Zn-Al無鉛焊料。制備Sn-Zn-Al無鉛焊料。熔煉溫度對于B2O3和Al元素在錫中的熔解和分散都有一定影響，所以熔煉溫度對合金的性能和鑄件質(zhì)量十分重要，制備過程中選用的熔煉溫度為600-700°C。保溫時間對于錫合金的性能也有一定影響，保溫時間短則Al在錫鋅熔體中固溶不充分，分散不均勻；保溫時間過長則會加劇Sn元素的揮發(fā)，影響無鉛焊料的性能。所以在熔煉溫度下，本發(fā)明優(yōu)選保溫時間為20-40分鐘。最后將無鉛焊料熔體澆注到模具中，無鉛焊料熔體澆注在真空氣氛下進(jìn)行，并在真空條件下冷卻，從而制備了 Sn-Zn-Al無鉛焊料。
[0042]本發(fā)明的基本內(nèi)容將結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)一步闡述。
[0043]實(shí)施例1
[0044]在氬氣保護(hù)下配制Sn-B2O3和Sn-Al中間合金。
[0045]熔煉Sn-B2O3中間合金時，首先將稱量后的100克B2O3用錫箔包裹，置于感應(yīng)爐坩堝底部，然后用900克Sn粒將其覆蓋，加熱到400°C后保溫40分鐘，然后澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0046]熔煉Sn-Al中間合金時，先將950克純Sn熔化后在600°C保溫5分鐘，然后加入500克Al合金元素，保溫20分鐘后澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
[0047]最后，將1790克Sn熔化，熔化溫度為400°C，然后加入170克Zn，升溫到450°C，保溫10分鐘，然后加入20克Sn-B2O3和20克Sn-Al中間合金，在600°C保溫40分鐘，真空澆注制備Sn-Zn-Al無鉛焊料。無鉛焊料的具體成分為Sn-Zn-Al-B2O3，其中包括8.5%的Zn，
0.05%的Al和0.1%的B2O3 (重量百分比，下同)，其熔點(diǎn)為197°C，抗拉強(qiáng)度為98MPa。
[0048]實(shí)施例2
[0049]在氬氣保護(hù)下配制Sn-B2O3和Sn-Al中間合金。
[0050]熔煉Sn-B2O3中間合金時，首先將稱量后的100克B2O3用錫箔包裹，置于感應(yīng)爐坩堝底部，然后用900克Sn粒將其覆蓋，加熱到450°C后保溫30分鐘，然后澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0051]熔煉Sn-Al中間合金時，先將純950克Sn熔化后在500°C保溫7分鐘，然后加入50克Al合金元素，升溫到700°C后，保溫40分鐘后澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。[0052]最后，將1680克Sn熔化，熔化溫度為500°C，然后加入180克Zn，保溫10分鐘，然后加入100克Sn-B2O3和40克Sn-Al中間合金，在700°C保溫30分鐘，真空澆注制備Sn-Zn-Al無鉛焊料。無鉛焊料的具體成分為Sn-Zn-Al-B2O3，其中包括9.0%的Zn，0.1%的Al和0.5%的B2O3，其熔點(diǎn)為198°C，抗拉強(qiáng)度為99MPa。
[0053]實(shí)施例3
[0054]在IS氣保護(hù)下配制Sn-B2O3和Sn-Al中間合金。
[0055]熔煉Sn-B2O3中間合金時，首先將稱量后的100克B2O3用錫箔包裹，置于感應(yīng)爐坩堝底部，然后用900克Sn粒將其覆蓋，加熱到500°C后保溫25分鐘，然后澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0056]熔煉Sn-Al中間合金時，先將純950克Sn熔化后在450°C保溫8分鐘，然后加入50克Al合金元素，升溫到800°C后，保溫30分鐘后澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
[0057]最后，將1420克Sn熔化，熔化溫度為500°C，然后加入180克Zn，升溫到550°C，保溫10分鐘，然后加入200克Sn-B2O3和200克Sn-Al中間合金，在650°C保溫25分鐘，真空澆注制備Sn-Zn-Al無鉛焊料。無鉛焊料的具體成分為Sn-Zn-Al-B2O3，其中包括9.0%的Zn, 0.5%的Al和1.0%的B2O3，其熔點(diǎn)為198.5°C，抗拉強(qiáng)度為99MPa。
[0058]實(shí)施例4
[0059]在氬氣保護(hù)下配制Sn-B2O3和Sn-Al中間合金。
[0060]熔煉Sn-B2O3中間合金時，首先將稱量后的100克B2O3用錫箔包裹，置于感應(yīng)爐坩堝底部，然后用900克Sn粒將其覆蓋，加熱到550°C后保溫25分鐘，然后澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0061]熔煉Sn-Al中間合金時，先將純950克Sn熔化后在500°C保溫8分鐘，然后加入50克Al合金元素，升溫到800°C后，保溫30分鐘后澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
[0062]最后，將1220克Sn熔化，熔化溫度為600°C，然后降溫到550°C，然后加入180克Zn，，保溫20分鐘，然后加入400克Sn-B2O3和200克Sn-Al中間合金，在700°C保溫20分鐘，真空澆注制備Sn-Zn-Al無鉛焊料。無鉛焊料的具體成分為Sn-Zn-Al-B2O3,其中包括9.0%的Zn，0.5%的Al和2.0%的B2O3,其熔點(diǎn)為199°C，抗拉強(qiáng)度為99.5MPa。
[0063]實(shí)施例5
[0064]在IS氣保護(hù)下配制Sn-B2O3和Sn-Al中間合金。
[0065]熔煉Sn-B2O3中間合金時，首先將稱量后的100克B2O3用錫箔包裹，置于感應(yīng)爐坩堝底部，然后用900克Sn粒將其覆蓋，加熱到600°C后保溫20分鐘，然后澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
[0066]熔煉Sn-Al中間合金時，先將950克純Sn熔化后在400°C保溫10分鐘，然后加入50克Al合金元素，升溫到800°C后，保溫30分鐘后澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
[0067]最后，將810克Sn熔化，熔化溫度為500°C，然后加入190克Zn，升溫到550°C，保溫10分鐘，然后加入600克Sn-B2O3和400克Sn-Al中間合金，在800°C保溫20分鐘，真空澆注制備Sn-Zn-Al無鉛焊料。無鉛焊料的具體成分為Sn-Zn-Al-B2O3，其中包括9.5%的Zn，
1.0%的Al和3.0%的B2O3，其熔點(diǎn)為199°C，抗拉強(qiáng)度為IOOMPa0
[0068]本發(fā)明的技術(shù)原理是Al與氧的親和力比Zn大，添加微量的Al可以改善Sn-Zn焊料的潤濕性，而過量的添加鋁，會使表面的鋁氧化膜增厚而劣化焊料濕潤性，同時Al能在Zn粒中析出，可以使焊料的強(qiáng)度得到較大提升，而不降低的其延伸率，顯著地提高了機(jī)械特性。B2O3不僅可以凈化焊料熔體，減少焊料中的有害雜質(zhì)元素，而且可以降低熔融焊料的表面張力。這是因?yàn)锽2O3本身表面張力很小，硼氧三角體平面可以按平行表面的方向排列，[BO3]團(tuán)可以很好的鋪展在熔體表面，從而大幅度降低表面張力。
[0069]上述具體實(shí)施例闡述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在制備過程中，一些慣常的技術(shù)手段可以根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行替換。例如，本發(fā)明提供的Sn-Zn-Al可以選擇普通的熔煉技術(shù)進(jìn)行合金化，也可以選用真空中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉。
[0070]這樣熔煉出來的焊接材料，Al合金重量分?jǐn)?shù)的范圍在0.05-1.00%之間，優(yōu)選范圍為0.005-0.01% ；B203的重量分?jǐn)?shù)范圍為0.1-3.00%，優(yōu)選范圍為0.5-2% ;其余組份為Sn和Zn，兩者比例保持為91:9。
[0071 ] 本發(fā)明無鉛焊料熔煉澆注后，可拉拔成棒狀或條狀。本發(fā)明制備的無鉛焊接材料熔點(diǎn)為199°C，抗氧化性以及潤濕性良好，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到lOOMPa，230°C時鋪展面積可達(dá)到SnPb鋪展面積的85%以上，而且制備工藝簡單，成本低，在微電子封裝上有很好的應(yīng)用前景。
[0072]雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無鉛焊接材料，其特征在于，所述無鉛焊接材料中各組分的重量百分比為: Al 0.05-1.00%
B2O3 0.1-3.00% Zn 8.5-9.5% 其余組份為Sn。
2.如權(quán)利要求1所述的無鉛焊接材料，其特征在于，Sn和Zn的重量比例為91:9。
3.—種權(quán)利要求1所述無鉛焊接材料制備方法，其特征在于，所述制備方法依照以下步驟: 步驟S1,制備Sn-B2O3和Sn-Al中間合金； 步驟S2，熔煉Sn-Zn合金:將純錫放入坩堝內(nèi)加熱熔化，熔化溫度為400-600°C，然后加入純鋅，將溫度調(diào)整為400-550°C，保溫10-20分鐘； 步驟S3,制備Sn-Zn-Al無鉛焊料:將所述Sn-Zn合金溫度升至500-600°C，加入Sn-B2O3中間合金，保溫5-10分鐘，隨后升溫到600-700°C，加入Sn-Al中間合金，保溫10-40分鐘，最后澆注到模具里，獲得Sn-Zn-Al無鉛焊料。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟S1中的Sn-B2O3中間合金的制備具體包括以下步驟: S111,用錫箔包裹B2O3,置于感應(yīng)爐坩堝底部； S112，用Sn粒覆蓋B2O3，加熱到400-600°C保溫20-40分鐘； S113，澆注到模具中制備Sn-B2O3中間合金。
5.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟S1中的Sn-Al中間合金的制備具體包括以下步驟: S121，將Sn熔化，熔化溫度為400-600°C，保溫5-10分鐘； S122，加入Al，升溫到600-700°C后，保溫20-40分鐘； S123，澆注到模具中制備Sn-Al中間合金。
6.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟S2中所述的Sn-Zn合金的熔煉過程中采用真空保護(hù)。
7.如權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述的Sn-B2O3和Sn-Al中間合金在中頻感應(yīng)爐中采用氬氣保護(hù)進(jìn)行熔煉。
8.如權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述的Sn-B2O3中間合金內(nèi)，B2O3的重量百分?jǐn)?shù)為10%。
9.如權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述的Sn-Al中間合金中的Al元素的重量百分?jǐn)?shù)為5%。
【文檔編號】C22C1/03GK103831543SQ201210485435
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月23日
【發(fā)明者】吳永恒 申請人:吳永恒