專利名稱：：一種錫銀金無鉛焊接材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種金屬合金，尤其是涉及一種分級封裝用的高溫?zé)o鉛焊接材料合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著環(huán)境污染影響人類健康的問題已成為全球關(guān)注的焦點，電子封裝行業(yè)面臨著向"綠色"無鉛化轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)，歐盟頒布了《電子電氣設(shè)備廢棄物(WEEE)》和《關(guān)于電子電氣設(shè)備禁止使用某些有害物質(zhì)(RHOS)》兩項法令，從2006年7月1日起，全面禁止含鉛電子產(chǎn)品進口，采用無鉛封裝材料是電子封裝行業(yè)中焊接材料和工藝發(fā)展的大勢所趨?，F(xiàn)今，在半導(dǎo)體分級封裝工藝中，目前使用的高溫焊接材料卻依然是傳統(tǒng)的含鉛的Sn-95wt%Pb焊接材料(熔點為30(TC)以及無鉛的Sn-80wt。/。Au焊接材料(熔點280。C)(1、劉澤光，郭根生，羅錫明，等.金錫復(fù)合釬料的性能和應(yīng)用[J].貴金屬，1997(suppl):425;2、劉澤光，揚富陶，顧開源.金錫釬料的制造方法[P].中國.發(fā)明.CN1026394C.11.25.1999)。然而，出于對環(huán)境保護以及考慮到價格昂貴的原因，這兩類焊料的應(yīng)用也受到很大限制。如何提高現(xiàn)有無鉛焊料能夠承受的服役溫度范圍，或者研制新的焊料成分來適應(yīng)高溫應(yīng)用領(lǐng)域是一個非常重要且并沒有得到充分研究的問題。隨著電子元器件高速化、多功能化的發(fā)展，在現(xiàn)代許多電子工業(yè)中多層復(fù)雜元器件的焊接中，如多芯片模式MCM(Multi-ChipModule)封裝時，通常采用分步焊接(StepSoldering)需要一系列不同熔點范圍的焊料，(3、(日)菅沼克昭.無鉛焊接技術(shù)[M].北京科學(xué)出版社,2004;4、郭福.無鉛釬焊技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.)這也不是傳統(tǒng)的Sn-Pb合金所能滿足的。因此，對于開發(fā)新型的高溫?zé)o鉛焊接材料就顯得更加重要。目前，正在研究的無鉛焊料大多集中在中低溫范圍，尤其以SnAgCu三元系和SnAg二元系居多(5、史耀武,雷永平，夏志東等.SnAgCu系無鉛釬料技術(shù)發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)前沿，2004，4:10-16)，然而他們的熔點大多集中在218。C附近，稍高溫度范圍的也只有在250。C附近(SnSb二元系合金)(6、Chung-YungLin，ChiapyngLee，XingjunLiuandYee-WenYen.PhaseequilibriaoftheSn—Sb~AgternarysystemandinterfacialreactionsattheSn-Sb/Agjointsat400。Cand150。C，Intermetallics(2007),doi:10.1016/j.intermet.2007.10.002.)，不能滿足在高溫(300°C)下進行封裝的條件。另外在研的一些高溫合金大多不屬于Sn基合金，而是屬于AuSi系列的合金(7、莫文劍，王志法，姜國圣，王海山等.Au-Ag-Si新型中溫共晶釬料的研究.稀有金屬材料與工程，Vo134，No.3，March2005)，成本較高，應(yīng)用上受到極大限制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種其熔化溫度可達到30(TC左右，在潤濕性以及電學(xué)性能上較為優(yōu)良，焊接效果好，可較好代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Sn-95wt。/。Pb焊料合金(熔點為300'C)的新型高溫錫銀金無鉛焊接材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備工藝簡單，周期短的錫銀金無鉛焊接材料的制備方法。本發(fā)明所述的錫銀金無鉛焊接材料的組成及其按質(zhì)量百分比含量為銀8%13%、金35%45%，其余為錫。本發(fā)明所述的錫銀金無鉛焊接材料的制備方法包括以下步驟1)將銀、金和錫原料真空封裝在石英管內(nèi)，保證石英管內(nèi)真空度達5Pa以下，然后充入高純氬氣至(0.70.8)xl05Pa;2)將上述封裝好的原料放入反應(yīng)爐中熔煉熱處理，取出后進行冰水淬火，再真空封裝后退火至少24h，即得到錫銀金無鉛焊接材料。在步驟2)中，熔煉熱處理的溫度最好為500800°C，熔煉熱處理的時間至少24h，將經(jīng)過熔煉熱處理，冰水淬火后的合金取出并進行真空封裝，再均勻化退火是為了保證DSC測試所需樣品的平衡穩(wěn)定性以及消除內(nèi)應(yīng)力，但退火溫度不能高于25(TC，以防止焊料熔化。試驗時，片狀錫銀金無鉛焊接材料試樣的厚度最好為0.40.8mm，圓盤狀錫銀金無鉛焊接材料試樣的直徑不小于lmm，但也不宜過大，以保證實驗精度。試樣熱處理的真空度不宜過低，防止樣品熱處理時發(fā)生氧化。本發(fā)明的錫銀金無鉛焊接材料的優(yōu)點采用合金化的方法，通過添加合適配比的Sn、Ag、Au等元素使其在合金化過程中形成穩(wěn)定的金屬間化合物相，從而使該無鉛焊料合金的熔點達到30(TC左右，經(jīng)過這種方法得到的合金通過線切割的方法進行切片，并進行潤濕性實驗及導(dǎo)電性的測試，實驗結(jié)果表明，該焊料合金無論在空氣中或者保護氣氛下均具有與Cu基板較好的潤濕力，且其導(dǎo)電性與迄今為止最為成熟的SnAgCu無鉛焊料相仿，這種合金與Cu基板的潤濕角達到1525度，電阻率為(0.450.55)xi0-6(Q-m)。本發(fā)明所述的錫銀金無鉛焊接材料可作為特殊的焊料在較高溫度下進行分級封裝，在諸如核動力、航空航天、汽車、化工等工程領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景，且制備工藝簡單，周期短，焊接效果好。圖1為Sn-Ag-Au縱斷面計算相圖。在圖1中，橫坐標為銀的質(zhì)量百分數(shù)Wt(%)，縱坐標為溫度Temperature(。C)，其中，圖中所標示的相區(qū)從上至下依次為液相區(qū)(liquid)、固相區(qū)(Ag3Sn+AuSn+AuSn2)、固相區(qū)(Ag3Sn+AuSn2)。圖2為Snl2Ag40Au焊料合金在50(TC保溫2436h，冰水淬火后的DSC曲線。在圖2中，橫坐標為溫度Temperature(°C)，縱坐標為熱流量Heatingflow(mw/mg),其中，熔化溫度范圍為294297°C。具體實施方式下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例1:制備Snl2Ag40Au焊料合金稱取12%純度為99.9%的銀、40%純度為99.99%的金和余量純度為99.5%的錫。將上述銀、金、錫等原料真空封裝在石英管內(nèi)，保證石英管內(nèi)真空度達5Pa以下，然后充入高純氬氣至(0.70.8)xl05Pa，之后在75(TC反應(yīng)爐熔煉熱處理，保溫時間達2436h，即得到錫銀金無鉛焊接材料合金。將上述經(jīng)過熱處理的錫銀金無鉛焊接材料合金取出后迅速進行冰水淬火，之后再將其進行真空封裝后放入15(TC烘箱中均勻化退火至少24h，取出冷卻后利用線切割的方法進行切片(厚度0.40.8mm)和圓盤狀材料，即最終得到本發(fā)明要求的DSC試樣及測試電學(xué)性能和潤濕性的試樣尺寸，該焊料合金的計算相圖如圖1所示。采用德國NetzschSTA404進行DSC測試，在室溫180'C之間，升溫速率為8°C/min;在180380。C之間，升溫速率為2°C/min，樣品質(zhì)量小于20mg，所得到的DSC曲線如圖2所示，從圖2中可以得到該焊料合金的熔化溫度范圍為294297°C，其中，固相線溫度為294°C，液相線溫度為297。C，焊料合金成分及熔化溫度參見表1。表l焊料合金成分及熔化溫度<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>采用OTF-1200X真空熱處理爐及德國KrussDSA100進行上述合金的潤濕性能測試，得到在保護氣氛(Ar氣保護)條件下，該焊料與Cu基板(工業(yè)用紫銅片T3)的潤濕角達到14度，如表2所示。表2焊料合金的潤濕性<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>采用SX1934型數(shù)字式四探針測試儀進行上述合金的電阻率測試，得到該焊料的電阻率為0.495xlO—6Qm，如表3所示。表3焊料合金的潤濕性<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例2:制備Snl3Ag38Au焊料合金稱取13%純度為99.9%的銀、38%純度為99.99%的金和余量純度為99.5°/。的錫。將上述銀、金、錫等原料真空封裝在石英管內(nèi)，保證石英管內(nèi)真空度達5Pa以下，然后充入高純氬氣至(0.70.8)xl05pa，之后在800'C反應(yīng)爐熔煉熱處理，保溫時間達2436h，即得到錫銀金無鉛焊接材料合金。將上述經(jīng)過熱處理的錫銀金無鉛焊接材料合金取出后迅速進行冰水淬火，之后再將其進行真空封裝后放入15(TC烘箱中均勻化退火至少24h，取出冷卻后利用線切割的方法進行切片(厚度0.40.8mm)和圓盤狀材料，即最終得到本發(fā)明要求的DSC試樣及測試電學(xué)性能和潤濕性的試樣尺寸，該焊料合金的計算相圖如圖1所示。采用德國NetzschSTA404進行DSC測試，在室溫180。C之間，升、溫速率為8°C/min;在180380'C之間，升溫速率為2。C/min，樣品質(zhì)量小于20mg，得到該焊料合金的熔化溫度范圍為295299'C，其中，固相線溫度為295'C，液相線溫度為299T:。采用OTF-1200X真空熱處理爐及德國KrussDSA100進行上述合金的潤濕性能測試，得到在保護氣氛(Ar氣保護)條件下，該焊料與Cu基板(工業(yè)用紫銅片T3)的潤濕角達到15度，如表2所示。采用SX1934型數(shù)字式四探針測試儀進行上述合金的電阻率測試，得到該焊料的電阻率為0.517x1(T6Qm，如表4所示。表4焊料合金的電阻率<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注Sn3Ag0.5Cu、Sn80Au焊料的數(shù)據(jù)來源于文獻，修正系數(shù)G來源于SX1934數(shù)字式四探針測試儀附錄。(參見文獻8、薛松柏，劉琳，代永峰，姚立華等.微量稀土元素鈰對Sn-Ag-Cu無鉛釬料物理性能和焊點抗拉強度的影響.焊接學(xué)報，2005，26(10))以上結(jié)果表明，在合理配比的前提下，對其中的元素含量進行微調(diào)，如金元素的微量遞減，將使?jié)櫇窠怯新晕⒃黾樱@主要是由于金與銅板之間的擴散快，鋪展效果好。實施例3:制備SnlOAg37Au焊料合金稱取10%純度為99.9%的銀、37%純度為99.99%的金和余量純度為99.5%的錫。將上述銀、金、錫等原料按照實施例1的方法制備該合金焊料，其中，熱處理溫度為60(TC。采用德國NetzschSTA404進行DSC測試，在室溫180'C之間，升溫速率為8°C/min;在18038(TC之間，升溫速率為2°C/min，樣品質(zhì)量小于20mg，測得該焊料合金的熔化溫度范圍為292297°C。采用控溫?zé)犭娕技暗聡鳮russDSA100進行上述合金的潤濕性能測試，得到在空氣中(有氧條件)下，該焊料與Cu基板(工業(yè)用紫銅片T3)的潤濕角達到25度，如表3所示。采用SX1934型數(shù)字式四探針測試儀進行上述合金的電阻率測試，得到該焊料的電阻率為0.586xlO—6Qm，如表4所示。以上結(jié)果表明，該焊料合金在空氣中的潤濕角較小，說明與銅板的鋪展效果好，導(dǎo)致其潤濕性能好的原因主要是該焊料的固液相線的溫差小，造成其熔化過程時間短，不容易產(chǎn)生偏析，同時，稍微改變元素含量對導(dǎo)電性影響基本不大。實施例4:制備Sn8Ag35Au焊料合金稱取8%純度為99.9%的銀、35%純度為99.99%的金和余量純度為99.5%的錫。將上述銀、金、錫等原料按照實施例1的方法制備該合金焊料，其屮，熱處理溫度為700'C。采用OTF-1200X真空熱處理爐及德國KrussDSA100進行上述合金的潤濕性能測試，得到在保護氣氛(Ar氣保護)條件下，該焊料與Cu基板(工業(yè)用紫銅片T3)的潤濕角達到22度，如表2所示。實施例5:制備SnlOAg45Au焊料合金稱取10%純度為99.9%的銀、45°/。純度為99.99%的金和余量純度為99.5%的錫。將上述銀、金、錫等原料按照實施例1的方法制備該合金焊料，其中，熱處理溫度為500'C。采用OTF-1200X真空熱處理爐及德國KrussDSA100進行上述合金的潤濕性能測試，得到在保護氣氛(Ar氣保護)條件下，該焊料與Cu基板(工業(yè)用紫銅片T3)的潤濕角達到13度，如表2所示。權(quán)利要求1.一種錫銀金無鉛焊接材料，其特征在于其組成及其按質(zhì)量百分比含量為銀8％～13％、金35％～45％，其余為錫。2.如權(quán)利要求1所述的錫銀金無鉛焊接材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將銀、金和錫原料真空封裝在石英管內(nèi)，保證石英管內(nèi)真空度達5Pa以下，然后充入高純氬氣至(0.70.8)xio5Pa;2)將封裝好的原料放入反應(yīng)爐中熔煉熱處理，取出后進行冰水淬火，再真空封裝后退火至少24h，即得到錫銀金無鉛焊接材料。3.如權(quán)利要求2所述的錫銀金無鉛焊接材料的制備方法，其特征在于在步驟2)中，熔煉熱處理的溫度為500800°C。4.如權(quán)利要求2所述的錫銀金無鉛焊接材料的制備方法，其特征在于在步驟2)中，熔煉熱處理的時間至少24h。全文摘要一種錫銀金無鉛焊接材料及其制備方法，涉及一種金屬合金，尤其是涉及一種分級封裝用的高溫?zé)o鉛焊接材料合金及其制備方法。提供一種其熔化溫度可達到300℃左右，在潤濕性以及電學(xué)性能上較為優(yōu)良，焊接效果好，可較好代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Sn-95wt％Pb焊料合金(熔點為300℃)的新型高溫錫銀金無鉛焊接材料及其制備方法。其組成及其按質(zhì)量百分比含量為銀8％～13％、金35％～45％，其余為錫。將銀、金和錫原料真空封裝在石英管內(nèi)，保證石英管內(nèi)真空度達5Pa以下，然后充入高純氬氣至(0.7～0.8)×10⁵Pa；再放入反應(yīng)爐中熔煉熱處理，取出后進行冰水淬火，再真空封裝后退火至少24h。文檔編號B23K35/24GK101234456SQ20081007067公開日2008年8月6日申請日期2008年2月27日優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日發(fā)明者劉興軍,張錦彬,展施,李元源,王翠萍,馬云慶,黃藝雄申請人:廈門大學(xué)