[发明专利]一种耐大气腐蚀的Sn-Ag-Cu焊料

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐大气腐蚀的Su-Ag-Cu三元共晶合金焊料，具体地说是一种添加微量元素的Su-Ag-Cu三元共晶合金焊料。

背景技术

软钎焊是微电子工业中一项重要的连接技术，传统上主要采用Sn-Pb共晶成份（Sn 63%-Pb 37%，均为重量百分比，下同）为基础的合金体系，铅锡合金共晶温度为183℃，具有良好的力学性能和工艺性能，同时原料成本低廉，资源广泛，所以在工业上获得了广泛的应用。由于铅是一种有毒金属，大量废旧电子器件被废弃和掩埋处理后，合金中有毒成份铅逐渐被自然环境中的水溶液腐蚀、溶解、扩散和富集，最终对自然环境、土壤，天然水体及其动植物生物链造成不可恢复的环境污染。目前世界主要工业化国家均认识到这一问题的危害性，逐渐禁止含铅焊料在本国的生产、销售和使用，在此背景下，人们花费了大量的努力，研究和开发可用于替代锡铅焊料的新一代无铅焊料。经过国内外大量筛选工作，目前的一些替代合金，包括一些非专利的二元共晶合金，如Sn-3.5Ag,Sn-52Bi, Sn-0.7Cu等；三元共晶焊料Sn-3.8Ag-0.7Cu（以及成份相类似的Sn-4Ag-0.5Cu和Sn-3.2Ag-0.5Cu）以及一些多元的专利合金。从现有的无铅焊料来看，Sn-3.5Ag合金的熔点偏高（221℃），钎焊时基体铜容易大量溶解到钎料中，影响连接界面的可靠性；Sn-52Bi共晶合金是一种低熔点无铅焊料，共晶温度仅为138℃，只适用于低温钎焊和一些对使用温度要求不高的特殊的场合；Sn-0.7Cu共晶焊料主要缺点是熔点较高，其共晶温度227℃，焊接温度已接近电路板材料的极限，因此目前这种合金仅用于波峰焊接， Sn-3.8Ag-0.7Cu(以及类似合金)三元共晶合金由于在Sn-3.5Ag二元共晶合金的基础上添加了一部分铜，使合金的共晶温度下降到217℃，同时由于铜的存在，有效地减小了被焊母材Cu向焊料中的溶解，提高了连接可靠性，因此成为目前最有前途替代Sn-Pb共晶合金的一种无铅焊料，在各种已有候选合金中具有较强的技术竞争力。

尽管Sn-Ag-Cu共晶合金目前已经广泛应用于电子焊料，但在一些具有腐蚀性环境下，例如，暴露于海洋大气环境或工业污染地区的大气环境中，在有表面水膜存在的条件下，合金表面会发生明显的大气腐蚀。这种表面腐蚀现象对相关的各种工业产品具有不同程度的影响。例如，对于工作在海洋大气环境下的船用电子产品，Sn-Ag-Cu共晶合金表面腐蚀可能引起电子元件焊点的局部腐蚀，有时会导致焊点的脱落与短路，引发电子产品的故障或失效。这些表面腐蚀行为一般是不希望发生的，因此，相关工业部门希望研究和开发一种耐大气腐蚀的Sn-Ag-Cu共晶合金，其可以在一些特殊的腐蚀环境（例如海洋大气环境）下使用，由于它的表面耐蚀作用使相关工业产品具有较长的使用寿命。

发明内容

为了克服现有Sn-Ag-Cu共晶合金在腐蚀性大气环境中表面耐蚀性差的问题，本发明提供一种耐蚀性的Sn-Ag-Cu共晶合金，其主要技术手段是通过在普通Sn-Ag-Cu共晶合金中添加一些微量的合金元素，达到在不改变这些Sn-Ag-Cu共晶合金基本的物理、力学性能前提下，改善合金表面抗大气腐蚀的目的。为了实现上述目标，本发明提供的技术方案是：在普通Sn-Ag-Cu共晶合金中添加一种或几种微量合金元素，其合金的重量百分比为：

Ag                       2.5-4.0%

Cu                       0.5-1.5%

微合金元素               0.001-0.1%

Sn及不可避免杂质         余量

其中微合金元素为Ti，Al，P，Ge，Si，Ni，Ga中的一种或几种组合；微合金元素的添加量优选范围为0.005-0.03%。本发明提供的Sn-Ag-Cu三元共晶合金焊料可以是块体母合金，也可以是焊丝，焊球，焊粉或焊膏。

本发明可以采用现有的普通熔炼技术，对上述合金进行熔炼，将配制的各种合金成份加入熔融状态的Sn中，通过搅拌并使之均匀化，浇注后即可获得母合金。由于本发明中添加的微合金元素极为微量，它们的主要作用是提高合金表面的耐蚀性，而对合金的其它物理性能（例如熔点、密度、导电率、热膨胀系数等）影响不大，因此本发明可以很好的与现有产品的工业技术相融合。