[发明专利]内生Cu6Sn5颗粒增强无铅复合钎料合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子行业电子组装用无铅钎料制造技术领域，具体涉及内生Cu₆Sn₅颗粒增强锡银基无铅复合钎料合金及其制备方法。

背景技术

传统的Sn-Pb钎料凭借其成分简单，工艺成熟，且具有良好的钎焊工艺性能和力学性能，一直是电子封装和安装技术中广泛使用的钎焊材料。

然而，铅是一种有毒元素，对环境及人体健康有很大危害。欧盟已经在2006年禁止使用含铅钎料，美国和日本也积极通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。因此，研究及发展绿色环保的无铅钎料以取代Sn-Pb钎料已成为世界广泛关注的问题。

近年来，各国都致力于对无铅钎料的研究，国际上公认的无铅钎料是以Sn为基体，添加Ag、Cu、Sb、In等其他合金元素的钎料。

要代替传统的Sn-Pb钎料，无铅钎料应满足以下基本要求：无毒或毒性很低，一般采用Ag、Cu、In元素代替Pb；要尽量使无铅钎料的熔点接近Sn-Pb的共晶温度183℃，大致范围为180℃-230℃，且熔化温度间隔要尽量小；具有良好的物理力学性能，要尽可能保证无铅钎料的强度、抗蠕变性能、热疲劳抗力、晶体组织的稳定性以及电导、热导等物理性能均不低于Sn-Pb钎料；有良好的工艺性能，特别是润湿性应保证与Sn-Pb钎料相当；良好的加工性能和抗腐蚀性能；可接受的成本价格，以便推广应用。

从目前的研究来看，Sn-3.5Ag和Sn-0.7Cu二元共晶合金，以及SnAgCu三元共晶或近共晶合金，因其较好的钎焊工艺性能、良好的力学性能，已成为比较公认的无铅钎料替代品。为使无铅钎料具有更高的抗蠕变性能及长期服役条件下的尺寸稳定性，提高无铅钎料力学性能的途径一般有以下两种：一是通过合金化即在基体钎料(含铅或无铅钎料)中加入Cu、Ni或RE等合金元素来改善钎料的抗蠕变性能，第二种途径是制备“复合钎料”，提高钎料的抗蠕变性能。复合钎料的制备(即在钎料基体中加入增强相)一般有两种方式：一是在钎料基体中“内生”出起强化作用的第二相；二是在钎料基体中“外加”起强化作用的增强粒子。

目前，颗粒增强复合钎料的研究中往往采用外加的方法，增强颗粒主要有Cu颗粒，Ag颗粒，Ni颗粒等。如专利CN 1544198A，公开了颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料，即在基体中添加微米尺寸的Ag、Cu增强颗粒制成复合钎料，使钎料钎焊性能有所改善，剪切强度和蠕变抗力大大提高。但采用外加增强颗粒的方法制备复合钎料，增强颗粒不能和基体发生良好的冶金反应，且起到强化作用的同时，也会降低钎料的工艺性能及可靠性等。

采用传统的内生法制备复合钎料时，合金内部内生的增强颗粒在基体中的分布不均匀，且复合钎料合金的工艺性能和力学性能可靠性一般。如H.T.Lee等人制备的内生Ni颗粒增强的Sn-Ag基复合钎料合金中，内生颗粒在钎料内部发生团聚，从而影响复合钎料合金的力学性能(H.T.Lee，Y.H.Lee.Adhesive strength and tensile fracture of Ni particle enhanced Sn-Agcomposite solder joints.Materials Science and Engineering A，419，(2006)172-180)。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种内生Cu₆Sn₅颗粒增强的锡银基无铅复合钎料合金及其制备方法。本发明所提供的复合钎料合金组元少、内生增强颗粒分布均匀、工艺性能和钎焊接头力学性好，制备方法简单，成本低。

本发明所提供的内生Cu₆Sn₅颗粒增强的锡银基复合钎料合金，由Cu₆Sn₅增强颗粒和Sn-3.5Ag共晶合金组成，其中，Cu₆Sn₅增强颗粒的体积百分比为20％，Sn-3.5Ag共晶合金的体积百分比为80％，Cu₆Sn₅增强颗粒中，Cu颗粒和Sn颗粒的摩尔比为6∶5，Cu颗粒的粒径为3-5μm。

本发明所提供的内生Cu₆Sn₅颗粒增强锡银基无铅复合钎料合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将氯化钾和氯化锂按质量比＝1.3∶1混合，并在450℃下熔化后，浇在Sn-3.5Ag共晶合金上；