[发明专利]一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法

说明书

技术领域

本发明属于电子封装焊接技术领域，特别是涉及一种在高温下保持高强度的Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法。

背景技术

随着微电子工业的发展，电子元器件的工作环境温度越来越高，需要研发一系列环境友好的、性能可靠的高温焊接材料以适应微电子工业的发展。同时为了应对日益增长的高温电子元器件需求，新一代半导体如SiC、GaN和包装材料AlN、Si₃N₄已被广泛应用，但作为关键技术之一的电子封装用低成本、高性能的高温焊料的开发却进展缓慢。

目前市场上可提供的高温焊料有：铅锡焊料、金锡焊料、金锗焊料、铋银焊料、锌铝焊料、锡锌焊料和锡锑焊料。在这些焊料中焊缝能耐300℃高温而不熔化失效的焊料有Sn–95Pb、Sn–98Pb、Au–0.28at.％Ge、Zn–6Al和Zn–4Al–3Mg–3.2Ga。但是铅污染环境、金为贵金属、锌铝焊料不耐腐蚀且界面润湿性能差，它们的使用均受到了很大限制。因此环保、低成本、焊缝剪切强度高且使用温度在300℃以上的焊料是市场急需产品。然而目前市场上并不能提供该类产品。环保、低成本、高温工作环境下焊缝可靠性高是电子封装用高温焊料的发展方向，也是各国努力研发的关键技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，致力于研发环保、低成本的高温焊料，本发明提供了一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法。该种焊膏焊接温度250-300℃，焊接后焊缝在低于350℃的空气中剪切强度≥10MPa，并且如果在焊接过程中对焊件从外界施加一个压力，焊缝在低于350℃的空气中剪切强度≥20Mpa；焊接后，焊件的使用温度可高达400℃。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种Sn-Cu高温无铅焊膏，由锡粉、铜粉和松香型助焊剂组成；所述锡粉、铜粉和松香型助焊剂的质量百分比为(40％～60％)：(20％～40％)：(10％～20％)；较好的质量百分比为(50％～55％)：(30％～35％)：(10％～15％)；

为使焊膏中的金属粉末混合后堆积更加紧密以便于粒子间的充分反应，所述锡粉、铜粉均为球形或近球形；为增加反应表面积以便于粒子间的充分反应，所述锡粉、铜粉用细小的亚微米级粒子，具体的为锡粉1-5μm，铜粉0.1-1μm；较好的粒度范围为锡粉2-3μm，铜粉0.1-0.5μm；

所述松香型助焊剂为本领域普遍使用的品种，包含主成分松香和多种添加剂，如活性剂、触变剂等，松香为天然松香或改性松香，如歧化松香、氢化松香、马来松香、水白松香或聚合松香等；为使金属粒子在搅拌过程中混合在一起并产生相互作用而形成更紧密结合，该松香型助焊剂的粘度范围为1～10Pa·s，以使用多元醇为溶剂，粘度在6～10Pa·s的为最优。

上述Sn-Cu高温无铅焊膏的制备方法，包括如下步骤：

将锡粉和铜粉添加适量的松香型助焊剂后，用混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，得到Sn-Cu高温无铅焊膏；如果混合速度低于1000转/分钟，金属粉末与助焊剂会混合不均匀，如果高于1800转/分钟，混料中产生的热量会使溶剂挥发，从而使焊膏变为块状固体；同理，如果混合时间低于10min，金属粉末与助焊剂会混合不均匀，如果高于15min，混料中产生的热量会使溶剂挥发，从而使焊膏变为块状固体；

其中，所述锡粉、铜粉和松香型助焊剂的加入质量百分比为(40％～60％)：(20％～40％)：(10％～20％)，锡粉、铜粉和松香型助焊剂较优的加入质量比为(50％～55％)：(30％～35％)：(10％～15％)；

所述锡粉、铜粉均为球形或近球形，锡粉、铜粉的粒径分别为1-5μm，0.1-1μm；锡粉、铜粉较优粒径分别为2-3μm，0.1-0.5μm；

所述松香型助焊剂的粘度范围为1～10Pa·s，较优的粘度范围为6～10Pa·s。

本发明还提供了上述Sn-Cu高温无铅焊膏的使用方法：

(1)焊接时，将该焊膏均匀涂抹在焊件上，在氩气或氮气等惰性气体气氛中250-300℃热处理1～6h，即能将焊件焊接在一起，焊接结束后焊缝处生成Sn-Cu金属间化合物Cu₆Sn₅、Cu₃Sn或其混合物；经测试，在空气中，低于350℃时焊缝剪切强度≥10MPa；