[发明专利]原位生长化合物复合增强锡锌基无铅钎料

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子器件用钎焊材料，尤其涉及一种原位生长化合物复合增强锡锌基无铅钎料。

背景技术

各种电子器件，包括微电子器件普遍采用钎焊作为电路连接和组装手段，长期以来，Sn-Pb共晶及近共晶合金由于熔点低、对铜基的润湿性好等优点而被作为钎焊材料广泛应用。随着电子产品生产和应用规模的扩大，更新换代的加速及人类环境保护意识的增强，大量废弃电子产品中铅对环境及人体的潜在危害引起国际社会的高度关注，一些国家相继出台了对含铅焊料的限制法规并设立了全面淘汰含铅焊料的时限。开发无铅钎料以取代现行Sn-Pb钎料势在必行。

与此同时，随着现代微电子器件高度集成化的发展，对焊料可靠性要求越来越高，传统的Sn-Pb钎料强度较低，不能满足要求，也需要发展新型的高性能电子钎料。

世界各国近年来开展了大量研究，产生了多种无铅钎料合金，但至今尚未找到各方面性能均令人满意的Sn-Pb钎料替代品。目前相对性能较好、受多家权威研究机构公推、在一些场合得到应用的是Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金。但是这类合金熔点(＞220C)相对于现行Sn-Pb共晶合金钎料熔点(183C)过高，难于与现行电路板材、电子钎焊生产工艺和设备兼容，且原料成本也较高。Sn-Zn系合金在其共晶成份(Sn-9％wt Zn，简记为Sn-9Zn)的熔点(198C)接近Sn-Pb焊料，而且其强度高于Sn-Pb系合金，相对于其它无铅焊料合金价格最为低廉，很有发展潜力。但由于高含量的易氧化组元Zn的存在，这类合金存在两个突出的问题需要解决：它对铜等金属的润湿性较差，并且抗氧化性较差。此外，相对于Sn-Ag-Cu合金，Sn-Zn合金的强度也较低。

Sn-9Zn合金由于处于共晶点，熔点最低，工艺性能最好，一般是Sn-Zn系合金钎料的首选成份。目前国际上已出现了几项改善Sn-9Zn合金润湿性的专利技术，包括向Sn-Zn合金添加Al(US6361626)、添加Mn(WO03004713)、添加Ag、Bi、In和P(US6241942)、在Sn-Zn粉粒表面包覆Sn膜(US20030059642，公示中)和添加P或稀土(CN1481970A)等技术。对这些技术，目前从无铅钎料生产与应用现状和其技术本身我们可提出两点不足：第一，它们都不是经工业应用证实成熟的技术。尽管这些专利均声称达到良好效果，但均未有大规模商业应用，各国研究发展无铅钎料的努力都未曾停止，新的相关专利仍在不断涌现；第二，其中添加Ag、Bi、In和P多种组元的技术有原料成本昂贵和工艺复杂的缺点；第三，除表面包覆Sn膜的技术外，它们都不能减缓钎料合金的氧化，而包覆Sn膜亦有工艺复杂，增加成本的缺点。

此外，添加较高含量(＞3％wt)的Bi可提高Sn-Zn合金的润湿性，并可降低合金熔点，这已是一种公开的知识，但是较高的Bi会使合金变脆，并且Bi资源较少，本身还有一定的毒性，使Bi的大量使用不能成为一种理想的解决方案。

强度方面，Bi或Cu合金化能使强度有所提高，但Bi会引入脆性，有损焊点可靠性；而Cu会使熔点提高，并且增强效果也较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位生长化合物复合增强锡锌基无铅钎料，在保持Sn-Zn合金低熔点、低成本优势情况下，以复合材料技术改善其润湿性、提高其强度。

本发明是这样来实现的，以Zn含量为6～9％wt的Sn-Zn合金为基体，加入铜粉；其特征是，含Zn6-9％wt的Sn-Zn合金与铜粉的重量百份比为96-99.5％：0.5-4％。基体熔融时铜粉颗粒能够与之形成较高熔点的Cu-Zn化合物颗粒增强相，同时使基体合金中的Zn大量消耗，使基体合金中的有效Zn含量大幅度降低，抑制Zn对钎料润湿性的有害作用。

本发明的优点是：所发明的复合钎料对铜的润湿性比Sn-9Zn合金提高；由它所形成的焊点为亚共晶Sn-Zn合金基体和Cu-Zn化合物颗粒组成的复合材料，其拉伸强度和塑性及抗蠕变强度都比Sn-9Zn合金显著提高。

附图说明

图1为不同Cu粉添加量的Sn-9Zn基复合钎料在回流焊实验中在铜表面的润湿铺展率(回流焊峰值温度：250℃)。

图2为Sn-9Zn/3Cu钎料的显微组织(光学显微镜)。

图3为不同Cu粉添加量的Sn-9Zn基复合钎料的瞬时拉伸强度。

图4为不同Cu粉添加量的Sn-9Zn基复合钎料的最大延伸率。