[发明专利]无铅焊料合金及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及焊料合金领域，具体是一种锡-铜和/或锡-银-铜等无铅焊料合金及其制备方法和应用。

背景技术

在电子封装行业，由于锡-铅合金具有优异的润湿性、焊接性、导电性、力学性能和成本低等特点，因此成为该行业中最常用的焊料合金。但是铅及铅的化合物是污染环境的有毒有害物质，为了减少对环境的污染，世界各国都在相继推进焊料合金的无铅化过程。

目前，对于无铅焊料的研究主要集中在Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、Sn-Bi系等二元合金以及Sn-Ag-Cu系、Sn-Zn-Bi系等三元合金。国际上一致公认的最有可能取代铅锡焊料的是Sn-Ag-Cu合金系列，这种合金系列是在Sn-Ag系合金的基础上添加Cu，在维持Sn-Ag合金强度高、抗氧化性好、熔融温度范围大等良好性能的同时，还可以降低其熔点，并能减少所焊材料中Cu的溶解。

现在Sn-Ag-Cu的共晶成分还没有准确地统一确定下来。在日本认为是96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu，美国认为是95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu，而欧盟则是95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu。各种配比的Sn-Ag-Cu合金的熔点相差不大，只是机械性能有所差异。

但是采用上述Sn-Ag-Cu和/或Sn-Cu做为键合焊料存在一个问题，即焊接温度较高。众所周知，高温对电子元器件有很多不利影响，电子设备中的电阻、电容、电感、变压器、放大器等元器件的热量得不到及时散发，极容易造成过热损坏，影响器件的正常使用。因此，在封装过程中对焊接温度的控制就变得十分有必要，焊接温度的高低将影响电子元器件的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种熔点较低的无铅焊料合金，其焊接温度相对较低，使得电子元器件与基板能够在较低温度下完成焊接。

本发明提供一种制备无铅焊料合金的方法，包括以下步骤：

S1.在基底上制备金属I薄膜；

S2.在所述金属I薄膜表面制备金属II薄膜；

S3.在所述金属II薄膜表面制备纳米银层，得到所述无铅焊料合金。

其中，所述金属I为Cu、Ag、Bi、Zn、In或Ni中的一种，所述金属II为Sn。即所述无铅焊料合金可以是纳米银-Sn-Cu、纳米银-Sn-Ag、纳米银-Sn-Bi、纳米银-Sn-Zn、纳米银-Sn-In或纳米银-Sn-Ni。优选地，所述金属I为Cu，即所述无铅焊料合金为纳米银-Sn-Cu。

进一步地，所述金属I薄膜、所述金属II薄膜、所述纳米银层的厚度比为1～100:1～100:0.01～0.1，例如可以为1:1:0.01、1:1:0.1、1:100:0.01、1:100:0.1、100:1:0.01、100:1:0.1、100:100:0.01、100:100:0.1或50:50:0.05等，这里无法一一穷举。

进一步地，S1步骤中，在所述基底上制备所述金属I薄膜之前，首先在所述基底上制备金属过渡层，然后在所述金属过渡层表面制备所述金属I薄膜。

其中，所述基底为待焊接的电子元器件，例如所述基底为待焊接的芯片。在所述基底上采用磁控溅射的方法制备所述金属过渡层。

其中，所述金属过渡层可以是Ti/Au金属过渡层，且Ti层与Au层的厚度比为1～10:1～10；可以是Cr/Au金属过渡层，且Cr层与Au层的厚度比为1～10:1～10；可以是Ti/Ni/Au金属过渡层，且Ti层、Ni层、Au层的厚度比为1～10:1～10:1～10；也可以是Cr/Ni/Au金属过渡层，且Cr层、Ni层、Au层的厚度比为1～10:1～10:1～10。所述金属过渡层中的任一单一金属层与所述无铅焊料合金中金属I薄膜的厚度比为1～10:10～1000。

进一步地，S2步骤中，在所述金属I薄膜表面制备所述金属II薄膜之前，首先在所述金属I薄膜表面制备金属III薄膜，然后在所述金属III薄膜表面制备所述金属II薄膜，所述金属III为Ag或Zn，优选地，所述金属I为Cu，所述金属III为Ag，即所述无铅焊料合金为纳米银-Sn-Ag-Cu。

进一步地，所述金属I薄膜、所述金属III薄膜、所述金属II薄膜、所述纳米银层的厚度比为1～100:0.01～1:1～100:0.01～0.1，例如可以为1:0.01:1:0.01、1:1:1:0.1、100:0.01:100:0.1、100:0.5:100:0.01或50:0.05:50:0.05等，这里无法一一穷举。

进一步地，在所述金属I薄膜表面采用磁控溅射的方法制备所述金属III薄膜。