[发明专利]一种SnBi系无铅焊料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子和微电子封装软钎焊技术领域，具体涉及一种适用于散热器、高频头、纸基板、LED照明等对温度敏感或者不耐高温产品进行焊接的SnBi系无铅焊料。

背景技术

随着世界各国禁铅法令的相继出台，近年来电子封装无铅化取得了快速发展。目前，市场上主流的无铅焊料合金体系主要是SnCu系和SnAgCu系，然而他们的熔点及焊接温度较高，无法满足一些对温度比较敏感或者不耐高温的电子产品的低温焊接要求，如散热器、高频头和LED灯饰等。因此，具有低熔点的SnBi系焊料合金（共晶成分为Sn-58Bi）成为了低温焊接领域最常用的钎焊材料。然而，目前SnBi焊料合金在钎焊过后非平衡凝固过程中Bi元素容易在β-Sn晶界处偏析，形成脆性极大的富Bi相，严重降低了焊点的剪切强度和抗跌落冲击寿命，给电子产品的服役可靠性带来极大的安全隐患。目前，如何解决SnBi焊料合金的Bi偏析及脆性问题成为了业界研究热点。然而，在目前的研究当中，能够全面改善SnBi系焊料合金综合性能的研究成果还很少。如中国专利CN102936669A公开的一种低熔点无铅焊料合金，通过将Bi的含量降低至10-30%，并添加一定量的Ag、In和P元素，大大提高了合金的剪切强度，然而该合金的熔点却高达170-200℃，同时Bi的含量远远偏于SnBi共晶点，使得熔融焊料在冷却过程中容易形成Bi的偏析；中国专利CN100494436C公开的一种低熔点无铅焊料合金，将合金的固液相线差降低至2℃以下，有效解决了偏析问题，可是价格昂贵的In的大量使用，无形中增加了合金的材料成本。

因此，非常有必要对现有的SnBi系无铅焊料合金进行改进，研发出一种不容易发生Bi偏析及脆性断裂的SnBi系新型合金。

发明内容

本发明的目的是要解决目前SnBi系无铅焊料在钎焊过程中容易出现Bi偏析以及焊后容易发生脆性断裂的技术问题，为此提供一种SnBi系无铅焊料，从而改善焊料的剪切强度及抗跌落冲击性能，大大降低电子产品在使用服役过程中因不慎跌落受到外力而发生电子元器件脱离焊盘的问题。

为了解决上述问题，本发明至少采用如下技术方案之一。

本发明的一种SnBi系无铅焊料，按照重量百分比计，包括如下组分：50~58%的Bi，0.01~3%的Ag，0.01~4%的Sb，0.001~0.6的Pr，0.001~0.6的Se，余量为Sn。

进一步优化地，所述的SnBi系无铅焊料的组分为：52~55%的Bi，0.02~1%的Ag，0.03~2%的Sb，0.002~0.4的Pr，0.001~0.2的Se，余量为Sn。

制备上述SnBi系无铅焊料的方法，包括如下步骤：

（1）按比例将称量好的Sn和Pr在真空熔炼炉中于1100~1200℃温度范围内熔化，搅拌保温15-30分钟，制备Sn-5%Pr（Pr的重量百分比为5%）中间合金，备用；

（2）在熔锡炉中将称量好的纯Sn原料于450~550℃温度范围内在熔化，然后依次加入称量好的Bi、Ag和Sb，搅拌保温40~60分钟，得到Sn-Bi-Ag-Sb合金；

（3）将步骤（2）制备得的Sn-Bi-Ag-Sb合金降温至360-450℃，加入称量好的Se和步骤（1）所得的Sn-5%Pr中间合金，搅拌保温40-90分钟，然后浇注到模具中制备成Sn-Bi-Ag-Sb-Se-Pr合金，即所述的SnBi系无铅焊料。

本发明采用上述的技术方案中，Bi元素的添加范围为50~58%，如果Bi含量低于50%，SnBi合金成分会远离共晶点，焊料的液相线会明显提高，液固线差值会变大，容易造成熔融焊料在钎焊过后非平衡凝固过程中Bi的偏析，合金脆性增大；如果Bi含量高于58%，合金中Bi的含量会由于Sn与Cu/Ni基板的反应而增多，出现大量的富Bi相，合金脆性增大。因此，Bi的添加量优选52~55%。

Ag元素的加入，凝固过程Ag可与Sn形成Ag₃Sn化合物，大量弥散分布的Ag₃Sn化合物可作为β-Sn的凝固形核元，细化了合金组织，同时弥散分布的Ag₃Sn化合物可有效阻碍位错的运动，大大提高了SnBi合金的剪切强度和抗冲击韧性。然而过高的Ag的添加会增加合金的成本。

Sb元素的加入，可以细化焊料合金的组织，提高合金的韧性。