[发明专利]一种含硼锡基无铅焊料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含硼锡基无铅焊料及其制备方法，属于微电子行业电子组装用无铅焊料制造技术领域。

背景技术

现代电子器件的大规模集成化和微型化，为无铅焊料研究的发展提供重要驱动力。电子器件中焊点的体积非常微小，其所承载的力学、电学和热学负荷越来越重，对焊点的可靠性要求日益提高。

传统的Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系无铅焊料由于Sn含量高，使得Cu基体在熔融焊料中的溶解和扩散提高；增大了焊点和基体间界面上形成金属间化合物的速率；而焊点的破坏主要是焊料基体与界面处富Cu的金属间化合物脆性断裂的结果；界面板层状分布的粗大金属间化合物脆性较大，会降低界面的力学完整性，使得界面弱化并引起焊点在金属间化合物与焊料的边界上损伤的萌生和最终破坏，焊料层内少量的Cu₆Sn₅体积百分比，就足以产生锡须的生长的压应力，金属间化合物越厚，越容易出现锡须风险。

另外，目前应用较多的Sn-Ag-Cu系无铅焊料如SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu），其含Ag量较高，在组织中存在板状的Ag₃Sn金属间化合物，对焊点的抗冲击性能产生不利影响。

发明内容

本发明是在Sn-Cu及Sn-Ag-Cu无铅焊料基础上，通过添加B、Ni元素，提供了一种新的含硼锡基无铅焊料。B元素的加入能明显细化Ag₃Sn和焊锡组织，进而提高焊点的抗冲击性；B元素的添加可增加晶界结合力，明显能提高界面强度和反应层韧性。

一种含硼锡基无铅焊料，该无铅焊料的重量百分比（%）组成为：铜0.5%-2.5%，硼0.001%-0.5%，镍0-1.0%，银0-4.0%，其余为锡，各成分重量之和为100%。

优选的，铜为0.5%-2.0%，镍为0-0.5%，银0-4.0%。

进一步地，镍可为0.001%-1.0%，优选0.001%-0.5%；银可为0.1%-4.0%，优选0.1%-4.0%。

本发明还提供了上述含硼锡基无铅焊料的制备方法。

一种含硼锡基无铅焊料的制备方法，包括如下步骤：

①制备Sn-Cu-B中间合金；

②将已制成的Sn-Cu-B中间合金及Sn、Cu按所需合金配比在熔炼炉中熔化（Cu、B比例通过向焊料中添加Sn-10Cu中间合金调节），或按所需合金配比加入Sn、Cu、Ni和/或Ag（以纯Sn、Sn-10Cu中间合金、Sn-5Ni中间合金、Sn-20Ag中间合金方式加入），在熔炼炉中熔化；加热至250~400℃，保温10~20min，除掉表面氧化渣，浇注于模具中制成Sn-Cu系或Sn-Ag-Cu系无铅焊料锭坯。

步骤②所得锭坯直接作为焊料应用，或制成条带、丝板或轧片使用。

步骤②所得锭坯在250~400℃熔化，制备成球形合金焊粉，用作焊膏基料。

其中，制备Sn-Cu-B中间合金，包括如下两种方法：

（1）低硼含量的中间合金（硼元素质量含量0.01-1.0%）制备：将纯度为99.99%的锡、铜、硼元素，质量比为89-94:5-10:0.01-1，在氩气保护的真空熔炼炉中加热到1100-1300℃熔化，同时加以电磁搅拌，以使合金成分均匀，然后快速冷却，制备出Sn-Cu-B中间合金。此类中间合金主要用于生产B元素含量（质量百分比）不高于0.1%的无铅焊料合金。

（2）高硼含量的中间合金（硼元素质量含量>1.0%）制备：将纯度为99.99%的锡、铜、硼元素，质量比为85-89:5-10:1.0-5.0，放入球磨机内研磨，研磨均匀后，在氩气保护的真空熔炼炉中加热到1100-1300℃熔化，同时加以电磁搅拌，以使合金成分均匀，然后快速冷却，制备出Sn-Cu-B中间合金；此类中间合金主要用于生产B元素含量（质量百分比）高于0.1%的无铅焊料合金。

采用上述方案制备的新型无铅焊料具有以下优点：

（1）微量B、Ni元素的加入可有效抑制基体中Cu向焊料扩散，得到薄而平坦的反应层，并在长时间的时效后，界面反应层厚度也无明显的增加。可大大降低界面富Cu的金属间化合物的脆性断裂与锡须风险。

（2）其中组元B的加入，可提高界面强度和反应层韧性，增加晶界结合力。通过热力学计算，B能升高晶界结合。B能促进晶界位错源的开动，提高晶界协调滑移的能力，使位错容易穿过晶界继续滑移。这样位错就不容易在晶界塞积，同时也抑制了沿晶断裂。