[发明专利]抑制固态界面反应的Sn-Ag-Cu-Zn-Ge无铅钎料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种用于电子封装技术领域的钎料及其制备方法，具体的说是一种抑制固态界面反应的Sn-Ag-Cu-Zn-Ge无铅钎料及其制备方法。

技术背景

SnPb是传统的电子封装材料，由于Pb极大的威胁自然环境和人类健康，世界各国已经立法逐步弃用SnPb钎料。因此，寻求SnPb共晶钎料的替代品已成为当前电子行业的重要任务。迄今为止，世界各国已经相继开发出一系列的无铅钎料，这些钎料主要是基于Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Ag-Cu，Sn-Zn，Sn-Bi共晶体系开发出来的。然而，即便是公认的最具前景的Sn-Ag-Cu共晶或近共晶钎料，它们的很多性质都难以与SnPb共晶钎料相比。

Sn-Ag、Sn-Cu和Sn-Ag-Cu(SnTM，TM＝Ag和/或Cu)共晶或亚共晶钎料与SnPb共晶钎料的最明显差别表现在前者Sn含量相当的高，达到95wt％以上。在与目前最常见的Cu镀层钎焊过程中，不可避免会形成金属间化合物。SnTM共晶钎料的熔点约为220℃左右，而焊点或接头的工作温度一般在100℃，甚至更高。因此，在固态阶段，钎料和Cu镀层中的原子发生互扩散，大量的原子在反应界面聚集、反应，使得界面化合物持续生长。

经对现有技术的文献检索发现，如文献《Effect of Interfacial Reaction on the TensileStrength of Sn-3.5Ag/Ni-P and Sn-37Pb/Ni-P Solder Joints》(Chen Z et al，Journal ofElectronic Materials，Vol.36，2007，17-25)研究结果表明，钎料接头的力学性能随老化时间，也就是化合物的生长显著恶化，同时，断裂位置由钎料内部转移到化合物界面。相比于SnPb，SnTM钎料接头的性能恶化更明显。又如中国专利CN1603056提供了一种Sn-Cu-Ge无铅钎料，CN1613597提供了一种Sn-Ag-Ge无铅钎料，以上发明对提高钎料抗氧化性能有明显效果，然而，由于添加元素含量较少，对钎焊接头界面反应影响较小。中国专利CN1962157A提供了一种自适应的Sn-Ag-Zn无铅钎料，但制备工艺较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑制固态界面反应的Sn-Ag-Cu-Zn-Ge无铅钎料及其制备方法。通过在反应界面形成扩散阻挡层，或在晶界形成细小化合物钉扎，限制Cu原子的扩散，从而起到抑制反应界面金属间化合物生长的目的。解决了现有技术中钎料容易与基板金属发生反应，造成基板大量溶解，同时在界面形成大量金属间化合物，严重影响界面可靠性的缺点，制备本发明的无铅钎料工艺简单，容易产量化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及抑制固态界面反应的Sn-Ag-Cu-Zn-Ge无铅钎料，其组分及其质量百分比为：

Ag为0％-3.5％；

Cu为0％-0.7％

Zn为0％-2％；

Ge为0％-0.3％

余量为Sn。

所述的Ag和Cu含量仅可一个为0，Zn和Ge的含量也仅可一个为0。

本发明涉及如上述的抑制固态界面反应的Sn-Ag-Cu-Zn-Ge无铅钎料的制备方法，包括步骤如下：

首先，将Sn粒放入400℃的KCl+LiCl共晶保护盐熔液中，并升温至600℃，加入高纯Ag丝和/或Cu丝，保温2-4小时，充分搅拌，得到均匀的Sn-TM溶液；

然后，向合金溶液中加入微量Zn箔和/或Ge粒，保温2小时，并充分搅拌；

之后，降温至300℃，浇入铅钎模具中。

本发明通过在SnTM合金钎料中加入微量Zn元素后，可以起到降熔作用，同时，更为重要的是，Zn元素在Cu/Cu6Sn5或Cu6Sn5/钎料界面会形成Cu-Zn金属间化合物层。Cu是界面反应的主要元素，而Cu原子在Cu-Zn化合物中的扩散系数比Cu6Sn5中低2个数量级。因此，反应界面形成的连续的Cu-Zn化合物层可以充当Cu原子的扩散阻挡层，减缓Cu向Cu6Sn5/钎料界面的扩散，从而抑制化合物层的生长，提高反应界面的可靠性。Ge则是Sn的同族元素，在提高钎料润湿性能方面有重要作用。另外，Ge与Cu也能形成金属间化合物，而与Sn和Ag仅有限固溶。因此，当Ge的含量足够时，界面或化合物层晶界会形成细小的Cu-Ge化合物，对Cu的扩散起到钉扎作用。从而也可以抑制化合物层的生长；另外，Zn和Ge都能显著提高钎料的抗氧化性能。