[发明专利]改善焊点蠕变性能的Sn-Cu基无铅钎料合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于电子封装用无铅钎料合金材料，特别是涉及一种改善焊点蠕 变性能的Sn-Cu基无铅钎料合金及其制备工艺。

背景技术

随着电子封装无铅化进程的全面实施，国内外专家对无铅钎料的成分及 其焊接性能进行了大量的研究。目前主流的无铅钎料合金体系主要有Sn-Ag 系，Sn-Cu系，Sn-Ag-Cu系等。其中，基于Sn-Cu共晶的无铅钎料合金因成 本低廉，在波峰焊及手工焊工艺当中有着广泛的应用。但是，该合金仍然存 在着蠕变性能差、抗氧化性能差以及焊接接头的抗蠕变性能差等问题。

ZL03111446.6和ZL03134099.7通过添加微量的P来提高Sn-Cu共晶钎 料的抗氧化性能。公开号为CN101323064A的专利则提出了通过添加微量的P 和Ga等元素来改善Sn-Cu共晶钎料的抗氧化性能。它们的共同特点是利用 了P在熔融钎料表面富集效应来提高抗氧化性能的。公开号为CN1864908A 的专利公开了一种通过添加混合稀土来防止铜的浸出并细化组织晶粒，提高 Sn-Cu合金的力学性能和润湿性能。

大量的研究表明，钎焊过程中会在Sn-Cu/Cu焊接界面上形成扇贝状 Cu6Sn5化合物。在高温环境下，钎料侧的Sn原子与母材侧的Cu原子沿扇贝 状Cu6Sn5化合物的边界处发生持续的快速扩散，使Cu6Sn5不断长大增厚； 另一方面，由于Sn与Cu的扩散速度不同，在靠近Cu的一侧易于形成脆性 的Cu3Sn相。同时，由于Sn-Cu合金具有较大的过冷度(一般在20度以上)， 钎焊过程中液态钎料的存在时间较长，使界面反应加剧，也会使化合物层的 厚度增加。试验分析表明，界面上Cu6Sn5和Cu3Sn脆性化合物的存在是接 头力学性能，特别是抗蠕变性能下降的主要原因。

上述多个专利较好的解决了Sn-Cu钎料合金的抗氧化性能，但是都没有 解决由于Sn-Cu/Cu界面上Cu6Sn5化合物在高温环境下快速长大以及形成 Cu3Sn脆性化合物而导致的焊接接头高温蠕变性能下降的问题，Sn-Cu钎料 的抗高温蠕变性能未能得到有效的改善。

发明内容

针对上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可以改善高温时 效后焊点的蠕变性能的Sn-Cu基无铅钎料合金及其制备工艺。通过向 Sn-0.7Cu共晶钎料中添加微量的Co、Ni和P元素，有效地将界面化合物 Cu6Sn5的形貌从扇贝状改变为密实的层状结构；抑制了Cu3Sn脆性化合物的 出现，降低了合金过冷度，提高了抗氧化性能，从而实现了提高焊接接头抗 高温蠕变性能的目的，并给出了该合金的具体制备工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种改善焊点蠕变性能的 Sn-Cu基无铅钎料合金，其中：该钎料合金中Cu的含量为0.7wt％，Co的含 量在0.5-0.05wt％，Ni的含量在0.25-0.025wt％，P的含量在0.05-0.005wt％， 余量为Sn；所述P的含量是用P的含量在1-7wt％的P-Cu中间合金形式添加 到Sn-Cu基无铅钎料合金中。

还提供一种制作根据权利要求1所述的Sn-Cu基无铅钎料合金的制备工 艺，该工艺包括有以下步骤：

1)将按上述配比称量好的Sn放入陶瓷坩埚内，在电炉中加热到温度 350-400度，使Sn完全熔化成金属液；

2)撒入1-3g的松香去除步骤1)中金属液表面的氧化膜，然后将按上 述配比称量好的Cu片迅速压入Sn金属液中，用石英玻璃棒轻轻搅拌，直至 使Cu完全熔化；

3)再次撒入1-3g松香还原金属液表面的氧化膜，然后将按上述配比称 量好的Co和Ni迅速压入熔融的金属液中直至完全熔化；

4)再次撒入1-3g松香去除新生成的氧化膜，将按上述配比称量好的 P-Cu中间合金快速压入熔融的合金中直至完全熔化；

5)用石英棒缓慢搅拌约30分钟，使上述合金成分均匀化，然后静置冷 却，在接近凝固时再次撒入1-3g松香将金属液表面的氧化膜还原，待凝固 后即可得到表面呈金属光泽的焊料铸锭。