[发明专利]一种用于微电子行业的无铅焊料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无铅焊料，具体涉及一种用于用于微电子行业的无铅焊料及其制备方法，属于无铅化制成新材料技术领域。

背景技术

铅是一种有害的金属元素，早在2003年欧盟ROHS(Restriction of Hazardous Substances，是指关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令)指令规定进入欧洲的电子信息产品不能含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚，之前电子产品组装焊接以及电子元器件制作中多采用锡铅合金焊料。虽然我国的无铅焊料领域起步较晚，与发达国家相比尚有差距，但是为了提高自身产品的适应能力，跟上国际市场的需求，在分析目前国内外市场常用的无铅焊料基础上，经过大量的试验研究推出了一种用于制作压敏电阻器的多元无铅焊料，其电性能、力学性能，与压敏电阻器半导体基材的润湿铺展性能和焊接强度等达到了与使用锡铅焊料相似的效果，保证了出口到欧盟的电子产品整体实现无铅化的要求。

锡铅焊料历史悠久，但随着对铅毒性的认知和电子工业发展对焊点的高要求，无铅焊料已逐渐取代了传统锡铅焊料。低温焊料具有20多年的应用历史，其主要特点是能够在183℃以下进行焊接，因此对元件的适应性强，节约能耗、降低污染排放。目前的低温焊料主要有Sn-Bi系和Sn-In系两种，由于In是一种稀缺昂贵金属，使得Sn-In焊料应用受限，因此二元合金Sn-Bi(尤其SnBi58)常被使用在低温焊接需求的场合。Sn-Bi系焊料在较宽的温度范围内与Sn-Pb有相同的弹性模量，并且Bi的很多物理化学特性与Pb相似，Bi的使用可以降低熔点、减少表面张力，Bi的加入降低了Sn与Cu的反应速度，所以有较好的润湿性；此外Sn-Bi系焊料含有较低的Sn含量，从而降低了高锡风险(如锡须)。但铋也带来其他的问题，包括其成分对合金机械特性的影响变化较大，容易产生低熔点问题(偏锡后会形成低熔点共晶)，界面层不稳定导致可靠性较差，特别是Sn-Bi焊料在偏离共晶成分时由于熔程较大，在凝固过程中易出现枝晶偏析和组织粗大化，加之应力不平衡导致易剥离危害，以及自然供应不多、储量有限等，这使得Sn-Bi系焊料的研究和使用一直低靡。

发明内容

本发明提供一种用于微电子行业的无铅焊料及其制备方法，解决现有的Sn-Bi焊料由于界面层不稳定导致可靠性差及易剥离的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于微电子行业的无铅焊料按重量百分比计由以下组分组成：Bi16～18％、Cu0.3～0.8％、Fe0.1～0.3％、Zn0.1～0.3％、Sb0.1～0.3％、余量为Sn。

其中，优选地，一种用于微电子行业的无铅焊料，按重量百分比计由以下组分组成：Bi17～18％、Cu0.4～0.6％、Fe0.1～0.3％、Zn0.1～0.3％、Sb0.1～0.3％、余量为Sn。

一种用于微电子行业的无铅焊料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配比称取Sn、Bi和Cu，置于真空熔炼炉中，制备SnBiCu中间合金；

(2)将已制备的SnBiCu中间合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔炼炉中，在SnBiCu中间合金的表面覆盖防氧化溶剂，将合金加热至200～350℃，保温10～20min，除掉表面氧化渣，浇注于模具中制成合金锭坯，并根据工艺要求进一步加工成丝、条、片状产品。

本发明在Sn-Bi亚共晶合金基础上添加Cu元素，使焊料基体中原位反应形成细小弥散的Cu6Sn5金属间化合物，从而提高了焊点的结合性能和使用可靠性，并且发现由于Sn-Bi-Cu焊料中减少了电阻率高的Bi元素含量，大幅提高了焊料的导电、导热性，这可以有效缓解焊点在使用过程中发热疲劳失效问题。

在Sn-Bi共晶合金中加入Fe粒子弥散相，细化和稳定了微观结构，增强了合金的抗蠕变性能。

本发明制备的无铅焊料主要应用于低温焊接工艺(高频头、防雷元件、柔性板、多层电路板焊接等焊接)和无铅电子产品组装焊接等。

本发明的无铅焊料熔点为156～165℃，满足了微电子行业各元器件对焊接温度的要求。并且，与微电子行业各种不同性能的半导体材料润湿铺展性好，结合力强，延展性好，0.2％屈伸强度达到70MPa以上，抗拉强度达到80MPa以上，延伸率20％以上焊接面无麻点无气泡，平整光亮，高温焊接不变色，抗蚀性优良。

具体实施方式