[发明专利]一种Sn‑Bi/Cu无铅复合焊接材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种Sn-Bi/Cu无铅复合焊接材料，属于电子行业低温组装用焊接材料领域。

背景技术

随着人类环保意识的不断增强，铅及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视。同时，欧盟RoHS指令中明确限制Pb元素的使用，因而研制出替代Sn-Pb焊料的无铅焊料成为当下国内外关于电子行业用焊料的研究重点之一。现阶段，用于低温焊接领域的合金体系主要有Sn-Bi系、Sn-Zn-Bi系和Sn-In系。In作为一种稀缺资源，因而在实际应用中大大限制了其的发展。Sn-Zn-Bi合金中Zn元素的氧化问题至今未完全解决。由于Sn-Bi与Sn-Pb有相同的弹性模量，熔点139-271℃，且Bi与Pb相似，具有降低熔点，减少表面张力、降低Sn与Cu的反应速度，改善润湿性等作用，因而Sn-Bi合金成为了低温焊接领域最常用的焊接材料。

目前，Sn-Bi系最为成熟的合金是SnBi58共晶合金，熔点138℃，由于其熔点低，对焊件的热冲击小，焊接效率高。Sn-Bi共晶合金在焊接过程中，组织中Sn向Cu基板扩散速度快，导致这一局部区域Sn的相对量减少，Bi相对含量增多，SnBi合金由共晶体系偏向过共晶，导致初生Bi相析出并偏聚于靠近基板的位置，形成了富Bi带。富Bi带的出现，成为了整个焊点最薄弱的区域，严重的影响了焊点的结合强度。国内外关于Bi脆这一问题进行了一系列研究，发现在Sn-Bi焊料中加入微量Ag、Cu，一定程度上能够改善脆性。摩托罗拉专利合金SnBi57Ag1，Fuji专利US 6,156,132中开发的SnBi35Ag1合金，北京康普锡威科技有限公司公布的SnBiCu无铅焊料(CN200610089257.4、CN 200710121380.4)等。这几种合金焊料在一定程度上抑制了焊接凝固过程中Bi元素在基板附近的偏析，但其焊接界面处都不能完全避免富Bi层薄弱带的出现，本质上未解决焊点可靠性差的问题，同时，由于合金体系中Ag的加入，焊料的成本会大幅度提升。

关于复合焊料的研究，能够满足低温条件(160-180℃)使用的复合焊料很少。专利CN 200610103618.6公布的复合焊料采用Sn-Bi共晶或近共晶合金，添加熔点差为18-417℃的高熔点合金粉，合金中只要存在能与Sn反应的元素(例如Cu)，不论其含量多少，就会出现反应区域Sn含量相对减少，Bi含量相对增多的情况，这一区域合金的共晶体系就会被破坏，进而变为过共晶体系，组织中就会有初生Bi相析出。初生Bi相属于脆性相，随着时效时间的增加，长大的初生Bi相对合金结合强度的影响程度甚至会超过富Bi带。专利CN 200610113082.6公布的复合焊料也存在上述的问题，采用Sn-Bi共晶合金有增加合金脆性的风险。专利CN200710120153.X，CN200710120154.4，CN201010608065.6以及CN201110213655.3中公布的复合焊料，主要依靠Cu完全融化后或接近熔化后发挥作用。但是，当Cu完全熔化后，会与基体中的Sn发生反应，生成大量的IMC相(Cu₆Sn₅)，IMC脆性大，直接影响合金焊料的结合强度，当IMC层厚度超过5μm时，合金使用过程中完全表现为脆性失效。

因此，能够研制出一种用于低温焊接领域且能有效解决SnBi58合金脆性大问题的无铅焊料成为本技术领域急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决当前SnBi系低温无铅焊接材料脆性的问题，研制出一种Sn-Bi/Cu无铅复合焊料。该焊料在解决共晶SnBi合金脆性大的同时，具有焊后合金结合强度高，电阻率低，热导率高，成本低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案达到的：

一种Sn-Bi/Cu无铅复合焊接材料，该无铅复合焊接材料由低熔点Sn-Bi系合金焊粉和高熔点Cu-X合金粉组成，X为Sn、Al、Ag、Ti和Ni中的一种或两种以上。

所述的低熔点Sn-Bi系合金焊粉和高熔点Cu-X合金粉均为球形粉或近球形粉末，粉末的氧含量不能超过150ppm。

进一步地，所述的低熔点Sn-Bi系合金焊粉为Sn-Bi系亚共晶合金焊粉，其粒度分布为5-45μm，其熔点为138-168℃；高熔点Cu-X合金粉为Cu基含Sn、Al、Ag、Ti和Ni中的一种或两种以上的混合粉末，其粒径分布为25-75μm，其熔点为500-1000℃；且Cu-X合金粉的平均粒度大于Sn-Bi系亚共晶合金焊粉。