[发明专利]一种耐氯离子腐蚀的Sn-Ag-Cu-Nd无铅焊料合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐氯离子腐蚀的Sn‑Ag‑Cu‑Nd无铅焊料合金及其制备方法，该无铅耐蚀焊料合金含有化学成分的质量百分比如下：Ag：2.8～3.2；Cu：0.3～0.7；Nd：0.025～0.25；余量为Sn。本发明还公开了上述无铅耐蚀焊料合金的制备方法。本发明通过控制焊料合金中稀土元素Nd的重量百分比来调控焊料合金电子逸出功函和表面腐蚀产物膜层中SnO₂比例来改善焊料合金的耐腐蚀性能。同时本发明也对比了不同Nd添加量对焊料合金耐腐蚀性能的影响，优选出了最佳Nd添加量为0.05wt.％。该焊料合金可应用于海洋大气环境中服役的电子装置等设备。

技术领域

本发明属于耐蚀焊料合金技术领域，具体地涉及一种耐氯离子腐蚀的Sn-Ag-Cu-Nd无铅焊料合金及其制备方法。

背景技术

焊接是电子设备制造中极为重要的一步。近年来，随着全球众多国家相继提出限制铅等有害元素在焊料合金中使用的法规，Sn-Ag-Cu三元焊料合金逐渐取代了传统Sn-Pb焊料，广泛应用于电子设备的焊接过程。然而值得注意的是对于在海洋大气环境中服役的电子装置，焊点的环境适应性和可靠性仍面临巨大的挑战，尤其是由腐蚀引起的电化学迁移(枝晶生长)短路失效是焊点在服役过程中最主要的失效形式之一。

另一方面，随着电子技术的不断革新以及对电子设备多功能化和便携化的需求，电子元器件正朝着高度集成化、微型化、更多引脚数目、更加轻薄方向发展，使得焊点间距急剧减小，在这种情况下，即使工作电压只有几伏特，电场强度仍可达100～1000V/cm，这将会显著促进电化学迁移过程中的离子迁移扩散步骤，加剧枝晶生长，降低电子元器件绝缘性能，引发短路失效，严重时甚至引发电子装置烧毁和火灾事故，制约了电子装备的服役寿命。因此开发高耐蚀焊料合金对于提高电子装置(尤其是在苛刻环境服役的电子装置)可靠性，延长其服役寿命具有重要意义。

目前关于焊料合金的研发大多局限于其机械性能和焊接性能，耐腐蚀性能关注较少；但基于电子装置复杂多样的服役环境以及集成化和微型化发展趋势，自主开发高耐蚀焊料合金势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐氯离子腐蚀的Sn-Ag-Cu-Nd无铅焊料合金及其制备方法，该焊料合金可用于需要在海洋大气环境下服役的电子装置的焊接。

本发明还要解决的技术问题是提供一种耐氯离子腐蚀的Sn-Ag-Cu-Nd无铅焊料合金，该焊料合金含有化学成分的质量百分比如下：Ag：2.8～3.2；Cu：0.3～0.7；Nd：0.025～0.25；余量为Sn。

本发明的另一个技术方案是：按重量百分比计，稀土元素Nd的优选添加量为0.05wt.％。

本发明的另一个技术方案是：所述无铅耐蚀焊料是块体母合金、焊丝、焊球、焊粉或焊膏之一。

一种耐氯离子腐蚀的Sn-Ag-Cu-Nd无铅焊料合金及其制备方法的制备方法，所述的焊料合金分别称量纯Sn、Ag、Cu和Nd，按照比例混合后，通过真空感应炉熔炼制备，在熔炼过程中应通入保护气氩气。

本发明通过控制焊料合金中稀土元素Nd的重量百分比来调控焊料合金电子逸出功函和表面腐蚀产物膜层中SnO₂比例，进而改善焊料合金的耐蚀和电化学迁移敏感性。

本发明通过向Sn-Ag-Cu三元焊料合金中添加稀土元素Nd进行微合金化，调控焊料合金电子逸出功函，优化表面膜层成分，改善其耐腐蚀性能，最终提供一种适用于海洋大气环境服役的电子装置的焊料合金。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

(1)焊料合金由β-Sn和共晶相组成，其中共晶相表面分布有大量的金属间化合物Cu₆Sn₅和Ag₃Sn。金属间化合物与Sn之间伏打电位差高达54mV，在电解质作用下，容易引发电偶腐蚀；焊料合金中的Sn作为电偶对的阳极，其腐蚀过程被加速。