[发明专利]一种Sn-Sb-X系高温无铅焊料

说明书

技术领域

本发明涉及一种Sn-Sb-X系高温无铅焊料，该焊料中的X为过渡金属（如Ni、Mn、Co、Fe等）中的一种或几种组合，适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，替代高铅高温焊料。

背景技术

电子设备的使用范围越来越广，使用环境越来越复杂，在高温环境下，封装芯片必须具有长期工作的稳定性和可靠性，以及在电子封装中，集成电路内部一级封装和电子产品多步焊接时，均需要使用高熔点焊料。此类焊锡主要为Sn-85Pb及Sn-90Pb、Sn-95Pb等含铅（Pb）较多的材料。虽然鉴于高铅焊料[w(Pb)>85%]没有合适的替代品，欧洲ELV指令目前允许将含铅高温焊锡作为一项例外加以豁免使用。但根据欧盟RoHS指令计划：到2016年1月，所有Pb焊料豁免项将被解除，届时将实现电子组装系统的全面无铅化。

目前对高温无铅焊料的研究主要集中在80Au-Sn合金、Sn-Sb基合金、Zn-Al基合金、Bi基合金及复合焊料等方面。Sn-Sb系合金由于Sn-Sb[w(Sb)≤10%]合金熔化区间较窄（232~250℃），并且与现有焊料兼容性良好、力学性能优良，而成本明显低于Au-Sn合金，因而作为高温无铅候选材料备受关注。但其熔点较低，特别是焊料无铅化以来由于现有无铅焊料的熔点较Sn-Pb共晶合金的高（一般高30~40℃），封装温度（二级封装）会有所提升，导致多级组装时后续回流或波峰焊温度会超过其熔点，进而影响封装器件的可靠性，甚至造成产品报废。

发明内容

本发明目的在于提供一种Sn-Sb-X系高温无铅焊料，通过添加过渡金属X（如Ni、Mn、Co、Fe等）中的一种或几种组合，使之在焊点中形成熔点较高的金属间化合物（IMC），从而大幅提高Sn-Sb二元合金的熔点，使其所形成的焊点具有更高的重熔温度，提高耐温度疲劳性和耐温度冲击性。与原来的高铅高温焊料相比，本发明Sn-Sb-X系高温无铅焊料比Sn-Sb二元合金具有更接近的熔点，因而适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，替代高铅高温焊料。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种Sn-Sb-X系高温无铅焊料，该焊料合金成分按重量计为Sb：6～20%，X为过渡金属中的一种或几种的组合，重量百分含量为：0.1～3.0%，余量为锡。

X可为Ni、Mn、Co、Fe等过渡金属中的一种或几种组合，该类过渡金属的共同特征是能够与基体Sn形成熔点较高的金属间化合物（IMC）相，但不会与基体形成低熔点共晶，因而在提高焊料液相线温度的同时不会降低固相线温度。

Sb的重量百分含量优选为6～12%，更优选为8～11%。X的重量百分含量优选为0.5～2.0%，更优选为0.5～1.2%。

如果Sb含量过高会引起焊料中形成过多的SnSb₂以及后续形成大量的β金属间相，造成焊点变脆、外观不良，如图1-A所示；图1为不同Sb含量的SnSbX无铅合金凝固自有面照片，图1-A中Sb含量为22wt%，图1-B中Sb含量为6wt%。反之如果Sb含量不足，焊料的熔化特性，特别是合金的固相线会降低。同样，过渡金属X的含量如果不足，焊料中不能形成足够的金属间化合物（IMC）相，因而不能拉升焊料的熔点；相反如果过渡金属X的含量过高，会引起金属间相过多、焊点变脆，并且过多的过渡族元素金属间相在大幅提升合金液相线的同时并不能明显提高焊料的固相线，给后续的焊接工艺的可操作性增加了难度。

上述Sn-Sb-X系高温无铅焊料中还可包含Ag、Cu、La、Ce等微合金元素的一种或多种，微合金元素重量含量总量应不超过1.0%。

上述Sn-Sb-X系高温无铅焊料中还可包含Ag和Ce两种微合金元素，微合金元素重量含量总量不超过1.0%。

上述Sn-Sb-X系高温无铅焊料中还可包含Cu和La两种微合金元素，微合金元素重量含量总量不超过1.0%。