[发明专利]一种金锡系无铅焊料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种金锡系无铅焊料及其制备方法，所述一种金锡系无铅焊料，按质量百份比计，其成份组成如下：Sn 17.9％～19.9％；Ag0.8％～1.9％；In0.8～2.7％；余量为金；所述制备方法：将Au和Sn一起熔炼获得Au‑Sn中间合金，将Ag和In一起熔炼获得Ag‑In中间合金；然后将Au‑Sn中间合金与Ag‑In中间合金一起熔炼获得金锡系铸锭；所得焊料具有高可靠性，组织均匀细小，高强度，良好可加工性能；可广泛推广应用于电子产品低温封装场合及多级封装场合。

技术领域

本发明涉及电子行业低温组装用金锡系无铅焊料的制造技术领域，特别设计一种金锡系无铅焊料及其制备方法。

背景技术

焊料广泛应用于电子封装中，但随着含铅焊料对生态环境的恶劣影响及对人体的危害，无铅焊料已经取代有铅焊料。金锡共晶焊料因其优异的焊接性能在高可靠性高气密性需求的封装中有重要应用。

但现有的制备方案中均难以解决其塑性差，加工困难的问题，因此急需一种具有良好加工性能的微合金化金锡焊料及其制备方法以解决现有技术中存在的加工困难的问题。

发明内容

针对现有技术中金锡共晶焊料中存在的加工困难的问题，本发明的目的在于提供一种具有高强度、高可塑性的金锡系无铅焊料，该焊料通过合金化改性，焊料加工性能优良，润湿性好，使用稳定，焊接强度高。

本发明的目的是通过以下技术方案达到的：

本发明一种金锡系无铅焊料，所述金锡系无铅焊料，按质量百分比计，其成份组成如下：Sn 17.9％～19.9％；Ag0.8％～1.9％；In0.8～2.7％；余量为金。

优选的方案，所述金锡系无铅焊料，按质量百分比计，其成份组成如下：Sn 18％～19.9％；Ag0.8％～1.5％；In 1.1～2％；余量为金。

本发明在共晶金锡焊料的基础上添加了Ag和In进行改性，通过固溶强化及纳米级析出相提升了焊料的强度及塑性。同时添加元素改变了界面结合能，稳定了界面IMC，抑制了金属间化合物的产生，此外，Ag、In元素对焊料起到细化作用，进一步提升焊接界面的性能。

未添加Ag和In改性的共晶金锡焊料在140℃下进行热压缩时，屈服应力为 70MPa，而且应变量0.1的时候合金样品爆炸性粉碎，脆性过于严重；发明人发现只添加部分Ag或者In能提升塑性，屈服应力提升至95MPa，但是压缩过程中会产生大裂纹，依然无法满足需求；只有当添加合适量的Ag和In时，组织内部的初生相才会细小均匀，而且弥散分布，产生弥散强化，同时Ag和In固溶于其中的Au₅Sn相之中提升了该相的塑性，使共晶组织的塑性大幅提高，在140℃下热压缩屈服应力提升至130-240MPa之间，且变形量可达到70％以上。发明人发现，Ag或者In的添加量非常重要，当含量过低时，无法产生细化组织及提升塑性的效果，而含量过高时，合金熔点上升过大，而且组织会再次粗化，只有当合适的添加量的时候，才能达到细化组织的同时提升合金的塑性。

另外，在实验探索过程中，发明人还尝试了大量的其他元素来对共晶金锡焊料进行改性，然而都没有达到理想的效果，如加入Si或者Ge会造成组织偏析，内部产生粗大的中间相，使合金产生脆性，力学性能大幅下降，而且熔点会提升过多，使合金不再适用于焊料的要求。

本发明一种金锡系无铅焊料的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取 Au、Sn、Ag、In；将Au和Sn一起熔炼获得Au-Sn中间合金，将Ag和In一起熔炼获得Ag-In中间合金；然后将Au-Sn中间合金与Ag-In中间合金一起熔炼获得金锡系铸锭，再将金锡系铸锭制备成金锡系无铅焊料。

发明人发现，在金锡系无铅焊料的制备过程中，分别熔炼获得Au-Sn中间合金以及Ag-In中间合金后，再一起熔炼，最终所得金锡系铸锭性能最好，而若是一起熔炼，或者是先熔炼了Au-Sn中间合金，再分步加入Ag、In进行熔炼所得金锡系铸锭的性能均会变差。