專利名稱：Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種含稀土鉺的低銀無鉛焊料及其制備方法，屬于錫基無鉛焊料的制造技術領域。
背景技術：
隨著電子產業綠色制造的發展和電子組裝技術的進步，傳統的Sn-Pb焊料逐漸被無毒害的無鉛焊料取代。一種新型的無鉛電子封裝焊料，應具有工藝性能好(熔點低、熔化溫度范圍小、潤濕性好、抗腐蝕抗氧化性能好、導電性好)、焊點可靠性好(結合強度高、抗蠕變性能好)、成本低等特點。迄今為止，已經開發的無鉛焊料種類很多，被普遍使用的幾種無鉛焊料是Sn-3. 5wt%Ag、Sn-0. 7wt%Cu和SnAgCu系合金，但也存在一些問題。當前用量較大、綜合性能較好、受科研人員和生產商重點關注的是SnAgCu系焊料，可應用于焊料的各種形式；但其熔點(約217°C)遠高于傳統錫鉛共晶焊料，對被焊材料和焊接設備的要求高。 隨著電子元器件的小型化發展，電子組裝將越來越多地采用先進的表面貼裝工藝(SMT)，隨之發展的回流焊技術由于工藝窗口較窄，封裝密度高，電子元器件的抗熱沖擊性能有限，要求使用較低熔點的焊料。因此，由SnAgCu系發展出來的四元焊料合金中有Sn-Ag-Cu-Bi 系合金，如 USP55276^ 公布的 Sn-(3. 5 7. 7) Ag-(廣4) Cu-((TlO) Bi 和 USP5520752 公布的 Sn-(3. 5 4. 5)Ag-(0^5)Cu-(0^9. 3)Bi。這些焊料在一定程度上改善了 SnAgCu三元焊料，但在某些方面還存在不足，如前者合金的熔融范圍(193°C 218°C )偏大，后者合金的疲勞抗力偏低。經現有技術文獻的檢索發現，盧斌等(中國有色金屬學報，第17卷第4期，518-524， 2007)提到在SnAgCu焊料中添加適量的Er可以有效減小焊料合金的熔融范圍，細化合金的晶粒；而US2009014746公布了 Sn_3. 5Ag-0. 5Cu_l. OEr等四元合金，提出添加稀土元素可以改善焊料的潤濕性。較高的銀含量使SnAgCu系焊料成本相對較高，特別是近年來隨著銀價的升高和電子產品價格的下行，其市場推廣阻力加大，低銀無鉛焊料就成為了研發的重點，以期在保證焊料使用性能前提下，降低焊料的成本。首批低銀無鉛焊料Sn-0. 3Ag-0. 7Cu (SAC0307) 已于2007年被研發出來并推向市場。深圳億城達研究發現，添加Bi可提高SAC0307的潤濕性和降低焊料熔點，但熔程會增加，對焊后力學性能產生不利影響。較早的USP4879096 公布的低銀焊料合金中的Sn-0. lAg-3. OCu-1. OBi，其熔點為217°C，熔程寬達17°C。根據目前的工藝過程，焊料的熔點最好在215°C之下，熔程小于15°C。因此，研發成本更低、性能與應用環境匹配更好的低銀低熔點無鉛焊料是電子封裝的必然要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種低銀，低熔點、小熔程，潤濕性好，機械性能和工藝性能較好，使用可靠的Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料及其制備方法。為實現上述發明目的，本發明采取以下技術方案
本發明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料，其特征在于是有以下各組分及重量百分
3比:Ag 為 0. 3-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 7%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 01-0. 15%,余量為 Sn ；各組分原料的純度分別為:Bi 彡 99. 99%, Er 彡 99. 9%, Ag 彡 99. 99%, Cu 彡 99. 99%, Sn 彡 99. 99%。本發明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料其特征在于該焊料的優選組成及含量 (按重量百分數計)為=Ag 為 1. 0-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 5%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 05-0. 10%,
余量為Sn。本發明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料的制備方法，其特征在于包括下述過程和步驟
1.在真空狀態或保護氣體氣氛下采用現有熔煉方法和設備制備中間合金Sn-(1(T12)
Er ；
2.化學分析確定煉制的中間合金Sn-Er中Er的實際含量，然后在真空感應爐中按本發明的焊料的組成及重量配比換算成Sn-Er中間合金和純Cu、Ag、Bi、Sn的重量，并制備成 Sn-Ag-Cu-Bi-Er焊料合金錠坯；
3.將上述得到的合金錠坯封于石英管中，在300°C下重熔，澆注成錠。還可以做成焊條、焊絲、焊片、焊球、焊粉、焊膏等多種形式的產品，可用于電子封裝或組裝的各個焊接環節。本發明在近共晶SnAgCu合金的基礎上通過降低Ag含量，添加合金元素Bi和Er 獲得了一種五元合金焊料Sn-Ag-Cu-Bi-Er。銀含量降低，焊料熔點會升高。研究表明，添加Bi可有效彌補因Ag含量降低導致的熔點上升，并改善焊料的潤濕性，但焊料的熔化溫度范圍會增大，對焊后焊點的力學性能產生不利影響。而添加稀土元素Er可縮小合金的熔化溫度范圍，尤其是使在引入Bi后引起的熔化溫度范圍增大問題得以控制，有利于改善焊料的綜合性能。Bi和Er的同時添加實現了各元素作用的優勢互補。本發明的焊料中合金元素Bi最好控制在3. 0%以下，高于該值合金熔化溫度范圍將增大；并由于Bi的偏聚析出使焊料脆性提高，惡化焊料的綜合使用性能。Er的含量最好控制在0. 05、. 15wt. %，高于該范圍時，由于稀土元素化學性質活潑，易于形成稀土化合物， 降低焊料合金的潤濕性；也會降低合金的強度和塑性。在該范圍內，合金元素有利于細化晶粒、潤濕性，提高焊接工藝良率和焊點的結合強度。
圖1為實施例1、2、3焊料試樣的差示掃描量熱法(DSC)分析曲線。圖2為實施例1與比較例的Cu/焊料/Cu焊點的拉伸曲線。
具體實施例方式實施例ISn-L 5Ag_0. 3Cu_3. OBi-O. 05Er 的制備
按各組分重量百分數配比，Ag為1. 5%,Cu為0. 3%,Bi為3. 0%，Er為0. 05%，余量為Sn。其制備過程為在真空電弧熔煉爐中按重量配比制備Sn-IOEr中間合金50g ；將稱好的純Sn和Er混合，在真空電弧爐中加熱到1600°C，攪拌熔化，保溫30min后冷卻，反復熔煉3次，制成紐扣錠。稱取0. 5g Sn-IOEr中間合金、1. 5g Ag、0. 3g Cu,3. Og Bi和94. 7g Sn ；充分混合后置于真空感應熔煉爐中進行900°C高溫熔煉，保溫30min，以保證制得合金的成分均勻性；將所得焊料合金在溫度為300°C下真空重熔， 保溫lh，隨后空冷，制得焊料錠坯備用。實施例2Sn-l. OAg-O. 3Cu_3. OBi-O. 05Er 的制備
按各組分重量百分數配比，Ag為1. 0%,Cu為0. 3%,Bi為3. 0%，Er為0. 05%，余量為Sn。其制備方法如同實施例1。實施例3Sn-2. OAg-O. 3Cu_3. OBi-O. 05Er 的制備
按各組分重量百分數配比，Ag為2. 0%,Cu為0. 3%,Bi為3. 0%，Er為0. 05%，余量為Sn。其制備方法如同實施例1。實施例4 Sn-1. 5Ag-0. 3Cu-2. 5Bi-0. 05Er 的制備
按各組分重量百分數配比，Ag為1. 5%,Cu為0. 3%,Bi為2. 5%,Er為0. 05%，余量為Sn。其制備方法如同實施例1。
權利要求
1.一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料，其特征在于具有以下各組分及重量百分比Ag 為 0. 3-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 7%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 01-0. 15%，余量為 Sn ；各組分金屬原料的純度分別為Bi彡99. 99%，Er彡99. 9%, Ag彡99. 99%，Cu彡99. 99%， Sn 彡 99. 99%。
2.根據權利要求1所述的一種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料，其特征在于該焊料的優選組成為:Ag 為 1. 0-2. 0%, Cu 為 0. 3-0. 5%, Bi 為 2. 0-3. 0%, Er 為 0. 05-0. 10%，余量為 Sn。
3.—種Sn-Ag-Cu-Bi-Er低銀無鉛焊料的制備方法，其特征在于是有以下過程首先在真空狀態下，采用現有熔煉方法加熱熔煉制備Sn-IOEr中間合金；經化學分析得Er的具體含量后，按上述重量配比換算成Sn-Er中間合金及各組分的重量并制備成焊料合金錠坯。
全文摘要
本發明涉及一種低銀的含稀土元素Er的Sn基無鉛焊料及其制備方法，其組分及質量百分比是Ag為0.3-2.0%，Cu為0.3-0.7%，Bi為2.0-3.0%，Er為0.01-0.15%，余量為Sn。Bi能降低焊料合金熔點，卻使熔程增大；Er能降低熔程。該焊料的制備過程中，先在真空狀態下或保護氣體氣氛中熔煉制備中間合金Sn-10Er，再按合金配比熔煉制成無鉛焊料合金錠坯。此錠坯可直接作為焊料應用，也可制成條、絲、板或粉末使用。該焊料熔點低(201~220℃)，熔化溫度范圍較小，潤濕性良好，具有優良的力學性能和良好的工藝性能，而且成本低。
文檔編號C22C1/03GK102500946SQ20111031809
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者林飛, 畢文珍, 謝仕芳, 韋習成 申請人:上海大學