[发明专利]一种五元共晶高韧性低温锡铋系焊料及其制备方法

说明书

一种五元共晶高韧性低温锡铋系焊料及其制备方法，所述五元共晶高韧性锡铋系焊料的各成分质量百分比为：Ag 0.572％、In 0.010％、Cu 0.012％、Bi 56.84％，余量为Sn和不可避免的杂质。本发明通过热力学计算辅助合金成分设计，获得具有高韧性的五元共晶高韧性低温锡铋系焊料，该焊料具有优异的力学性能，适用于微电子和光伏封装的低温焊接领域。

技术领域

本发明涉及一种熔化温度与Sn58Bi共晶温度接近的五元共晶高韧性低温锡铋系焊料及其制备方法，属于微电子互联和光伏焊带焊接用材料技术领域。

背景技术

随着高密度电子信息设备和光伏组件需求的逐渐提升，带动了微电子和光伏用低温焊料的快速发展。目前微电子和光伏领域普遍使用的是Sn-Ag-Cu系和Sn-Pb系合金，因Sn-Ag-Cu系合金熔点较高，热输入较大，易造成基板的焊后弯曲变形等问题。加之国内外日益严格的环保要求，呈现无铅合金逐步替代Sn-Pb合金的趋势。而锡铋系合金具有较低的焊接温度，良好的润湿性能，较高的抗拉强度和较低的合金成本。因此，无铅低温锡铋系合金将成为微电子互连和光伏封装用低温焊料的发展趋势。

锡基焊料合金是以焊点的形式应用于微电子互连和光伏封装领域。而焊点在服役条件下存在的可靠性问题及微合金化的解决方法大致如下：(1)焊点长期处于热循环和时效的服役过程条件下，焊料和覆铜板之间的界面处金属间化合物(IMC)层逐渐增厚，导致焊点可靠性能逐渐下降。根据之前的研究(Belyakov S A,Nishimura T,Akaiwa T,etal.Role of Bi,Sb and In in microstructure formation and properties of Sn-0.7Cu-0.05Ni-X BGA interconnections[C]//2019 International Conference onElectronics Packaging(ICEP).2019.)，添加Ni，Sb，In等元素可降低时效过程中IMC的长大速率，从而抑制IMC层增厚，提高焊点可靠性；(2)在焊料与基板焊接过程和焊点服役过程中，基板的Cu元素会通过界面向焊料内部扩散，界面IMC层增厚，导致焊点可靠性能降低，为减少基板Cu元素向界面扩散，通常会在焊料合金中添加微量Cu元素，降低浓度梯度，减少基板Cu元素的溶解。千住金属工业株式会社的专利CN 111182999A提到含有Cu的焊料合金可抑制基板的Cu原子向界面及焊料内部扩散，从而降低Cu元素的溶解度；(3)除此之外，焊点内部的Bi元素会逐渐向界面处偏聚，因Bi相较脆，焊点可能在富含Bi相的界面处失效，而添加微量Ag元素可抑制Bi元素在界面处的偏聚(Zhang Q K,Zou H F,Zhang Z F.Influencesof Substrate Alloying and Reflow Temperature on Bi Segregation Behaviors atSn-Bi/Cu Interface[J].Journal of Electronic Materials,2011,40(11):2320-2328.)，提高焊点可靠性能。综上所述，为获得可靠性能优异的焊点，焊料合金需要进行多元微合金化处理(CN106216872B)，其中添加的元素种类和含量会显著影响合金化效果。在锡合金微合金化过程中，添加合金元素有Cu、Ag、Sb、In等元素，其中除了Sb和In固溶在基体，其余元素主要与锡基体形成IMC的形式存在，IMC数量过多导致合金力学性能损伤，例如加Ag，强度稍微增加，塑性下降较多，损伤韧性(Yang T,Zhao X,Xiong Z,etal.Improvement of microstructure and tensile properties of Sn–Bi–Ag alloy byheterogeneous nucleation ofβ-Sn on Ag₃Sn[J].Materials Science andEngineering:A,2020,785.)。因此，设计和制备多元微合金化焊料是提高焊点可靠性能的关键。