[发明专利]一种含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低银无铅钎料

说明书

技术领域

本发明涉及钎料技术领域，尤其涉及一种含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低银无铅钎料。

背景技术

随着微电子产品的特征尺寸不断缩小，使得IC的集成密度和集成复杂度持续增加，芯片的I/O引脚数量增多、I/O引脚密度不断升高，推动了细间距焊点及高密度封装技术，如球栅阵列封装、芯片尺度封装、倒桩芯片封装、晶圆级封装和3D封装技术的发展。高密度封装技术的显著特点是互连焊点的特征尺寸逐渐缩小，导致钎料合金体积与金属焊盘的界面面积比例急剧减小，互连焊点界面IMC生长加快，成为影响微电子产品可靠性的关键问题。

目前，无铅钎料的研究主要集中在Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Cu及Sn-Ag系等，其中最具竞争力的是Sn-Ag-Cu系无铅钎料。Sn-Ag-Cu系无铅钎料的三元共晶熔点约217℃，具有良好的可焊性、润湿性及抗热疲劳等优点。与传统的Sn-Pb共晶钎料相比，Sn-Ag-Cu系无铅钎料具有更好的力学性能和良好的可焊性，而且Sn、Ag、Cu都是电子封装行业中使用最为普遍的元素。

低银Sn-Ag-Cu系无铅钎料已经成为当前无铅钎料的主流，但是，现有Sn-Ag-Cu系钎料，由于Ag含量较高而使钎料成本较高。同时，Ag含量的减少会对无铅钎料性能产生许多不良影响，如熔点升高、润湿性变差等，并且容易形成粗大的脆性Ag₃Sn相，造成焊接接头可靠性降低和寿命下降。

发明人通过前期研究表明，将微米级元素Sb、Bi和LaB₆等掺入Sn-Ag-Cu钎料中能增加IMC生长的激活能，降低原子互扩散率，从而抑制钎料与金属基体间IMC的生长，增强钎料的力学性能。但是通过此改良得到的钎料性能仍然存在不足，不能满足实际需要。因此本发明研究开发通过加入多种元素的协同作用，以获得熔点、润湿性、拉伸性能、剪切性能和热疲劳性优异的低银Sn-Ag-Cu无铅钎料合金。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钎料性能良好、焊点力学性能及热疲劳性能优异的含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低银无铅钎料。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低银无铅钎料，在Sn-Ag-Cu钎料中掺杂Nd、Re和In。

微量高熔点元素Re可均匀地分布在熔融的复合焊料中，这为Cu₆Sn₅成核提供了成核点，将会有更多的核通过能垒而稳定生长，因此添加微量元素Re可以增加Cu₆Sn₅的成核速率和减小IMC晶粒的尺寸，细化基体组织，提高Sn-Ag-Cu低银无铅钎料力学性能。添加了Re使得钎料力学性能有所提高，但是其润湿性并没有显著改善，发明人发现，在Re存在的前提下，通过添加稀土元素Nd，能显著提高钎料的润湿性，除此之外，稀土元素Nd被金属间化合物晶界吸收，这种吸收改变了晶界沿不同方向生长的速度，导致晶粒更加细小和均匀，增强了焊点服役过程中组织热稳定性。通过Re和Nd的作用使得钎料具有比Sn-Ag-Cu更为优异的性能，但是Re和Nd的掺杂并没有降低钎料的熔点，甚至出现略有升高，发明人通过研究发现，在Re和Nd存在的前提下，微量低熔点元素In的加入能降低钎料的熔点，此外，会使得钎料结晶方式发生变化，原来的平面生长方式变成了包状树枝晶生长，且二次枝晶增多，最终使得枝晶间距减小，晶粒细化，更为有利于服役过程中焊点力学性能的保持。

优选地，Re含量为0.001~0.25wt.%，Nd含量为0.001~0.1wt.%，In含量为0.001~0.2wt.%。

进一步优选地，Re含量为0.06~0.12wt.%，Nd含量为0.05~0.1wt.%，In含量为0.1~0.2wt.%。

通过对Nd、Re和In的优化，得到了对母材润湿性、铺张性能良好；焊点力学性能、蠕变性能以及热疲劳性能优异的Sn-Ag-Cu系低银无铅复合钎料，并将其熔点控制在低于或等于Sn-Ag-Cu三元合金227℃的210℃-227℃范围内。

优选地，Ag含量为0.1~1.0wt.%，Cu含量为0.5~2.0wt.%。

进一步优选地，Ag含量为0.2~0.5wt.%，Cu含量为0.6~1.0wt.%。

优选地，Ag含量为0.3wt.%，Cu含量为0.7wt.%，Re含量为0.1wt.%，Nd含量为0.1wt.%，In含量为0.2wt.%，余量为Sn。