一種SnBi系無鉛焊料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電子和微電子封裝軟針焊技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種適用于散熱器、高 頻頭、紙基板、L邸照明等對溫度敏感或者不耐高溫產(chǎn)品進(jìn)行焊接的SnBi系無鉛焊料。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界各國禁鉛法令的相繼出臺，近年來電子封裝無鉛化取得了快速發(fā)展。目 前，市場上主流的無鉛焊料合金體系主要是SnCu系和SnAgCu系，然而他們的烙點(diǎn)及焊接溫 度較高，無法滿足一些對溫度比較敏感或者不耐高溫的電子產(chǎn)品的低溫焊接要求，如散熱 器、高頻頭和Lm)燈飾等。因此，具有低烙點(diǎn)的SnBi系焊料合金(共晶成分為Sn-58Bi)成為了 低溫焊接領(lǐng)域最常用的針焊材料。然而，目前SnBi焊料合金在針焊過后非平衡凝固過程中 Bi元素容易在P-Sn晶界處偏析，形成脆性極大的富Bi相，嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度和抗 跌落沖擊壽命，給電子產(chǎn)品的服役可靠性帶來極大的安全隱患。目前，如何解決SnBi焊料合 金的Bi偏析及脆性問題成為了業(yè)界研究熱點(diǎn)。然而，在目前的研究當(dāng)中，能夠全面改善SnBi 系焊料合金綜合性能的研究成果還很少。如中國專利CN102936669A公開的一種低烙點(diǎn)無鉛 焊料合金，通過將Bi的含量降低至10-30%，并添加一定量的Ag、In和P元素，大大提高了合金 的剪切強(qiáng)度，然而該合金的烙點(diǎn)卻高達(dá)170-200°C，同時(shí)Bi的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏于SnBi共晶點(diǎn)，使 得烙融焊料在冷卻過程中容易形成Bi的偏析；中國專利CN100494436C公開的一種低烙點(diǎn)無 鉛焊料合金，將合金的固液相線差降低至2°C W下，有效解決了偏析問題，可是價(jià)格昂貴的 In的大量使用，無形中增加了合金的材料成本。
[0003] 因此，非常有必要對現(xiàn)有的SnBi系無鉛焊料合金進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)出一種不容易發(fā) 生Bi偏析及脆性斷裂的SnBi系新型合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是要解決目前SnBi系無鉛焊料在針焊過程中容易出現(xiàn)Bi偏析W及 焊后容易發(fā)生脆性斷裂的技術(shù)問題，為此提供一種SnBi系無鉛焊料，從而改善焊料的剪切 強(qiáng)度及抗跌落沖擊性能，大大降低電子產(chǎn)品在使用服役過程中因不慎跌落受到外力而發(fā)生 電子元器件脫離焊盤的問題。
[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明至少采用如下技術(shù)方案之一。
[0006] 本發(fā)明的一種SnBi系無鉛焊料，按照重量百分比計(jì)，包括如下組分:50~58%的Bi， 0. (U ~3% 的 Ag，0. (U ~4% 的訊，0.0 Ol ~0.6的 Pr，0.0 Ol ~0.6的Se，余量為 Sn。
[0007] 進(jìn)一步優(yōu)化地，所述的SnBi系無鉛焊料的組分為:52~55%的Bi，0.02~1%的Ag，0.03 ~2%的訊，0.002~0.4的Pr，0.0 Ol~0.2的Se，余量為Sn。
[000引制備上述SnBi系無鉛焊料的方法，包括如下步驟： (1) 按比例將稱量好的Sn和Pr在真空烙煉爐中于1100~1200°C溫度范圍內(nèi)烙化，攬拌保 溫15-30分鐘，制備Sn-5%PW Pr的重量百分比為5%)中間合金，備用； (2) 在烙錫爐中將稱量好的純Sn原料于450~550°C溫度范圍內(nèi)在烙化，然后依次加入稱 量好的Bi、Ag和訊，攬拌保溫40~60分鐘，得到Sn-Bi-Ag-訊合金； (3)將步驟(2)制備得的Sn-Bi-Ag-Sb合金降溫至360-450°C，加入稱量好的Se和步驟 (1)所得的Sn-5%Pr中間合金，攬拌保溫40-90分鐘，然后誘注到模具中制備成Sn-Bi-Ag-訊-Se-Pr合金，即所述的SnBi系無鉛焊料。
[0009]本發(fā)明采用上述的技術(shù)方案中，Bi元素的添加范圍為50~58%，如果Bi含量低于 50%，SnBi合金成分會遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)，焊料的液相線會明顯提高，液固線差值會變大，容易造成 烙融焊料在針焊過后非平衡凝固過程中Bi的偏析，合金脆性增大；如果Bi含量高于58%，合 金中Bi的含量會由于Sn與Cu/Ni基板的反應(yīng)而增多，出現(xiàn)大量的富Bi相，合金脆性增大。因 此，Bi的添加量優(yōu)選52~55%。
[0010] Ag元素的加入，凝固過程Ag可與Snff^j^AgsSn化合物，大量彌散分布的AgsSn化合物 可作為e-Sn的凝固形核元，細(xì)化了合金組織，同時(shí)彌散分布的AgsSn化合物可有效阻礙位錯(cuò) 的運(yùn)動(dòng)，大大提高了 SnBi合金的剪切強(qiáng)度和抗沖擊初性。然而過高的Ag的添加會增加合金 的成本。
[0011] 訊元素的加入，可W細(xì)化焊料合金的組織，提高合金的初性。
[0012] Pr元素的加入，微量Pr元素的加入可W顯著抑制P-Sn的晶粒長大，細(xì)化組織，提高 焊料合金的力學(xué)強(qiáng)度;同時(shí)，Pr元素會在針焊過程中富集于焊料的表面，提高焊料的潤濕性 和抗氧化性能。
[0013] Se元素的加入，凝固過程Se可與Sn形成穩(wěn)定的SnSe化合物，該化合物細(xì)小、穩(wěn)定， 彌散在焊料合金中可W作為形核單元，從而細(xì)化了焊料合金的組織，使焊料組織更加均勻， 大大提高了焊料合金的力學(xué)強(qiáng)度。
[0014] 本發(fā)明相比現(xiàn)有SnBi系焊料，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果： (1) 本發(fā)明的SnBi系無鉛焊料的烙點(diǎn)適中，烙化范圍為138~155°C，因而針焊溫度可W 控制在190°CW內(nèi)； (2) 本發(fā)明的SnBi系無鉛焊料的剪切強(qiáng)度高達(dá)SOMPaW上，同時(shí)具有優(yōu)異的抗跌落沖擊 性能； (3) 本發(fā)明的SnBi系無鉛焊料的組分由于采用了亞共晶及共晶成分的Bi含量，同時(shí)采 用滲雜Ag、Sb、Pr和Se元素，有效地抑制了針焊過程中Bi的偏析，避免了現(xiàn)有SnBi系焊料合 金常見的Bi偏析及容易發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象。
[0015] (4)本發(fā)明的SnBi系無鉛焊料適用于散熱器、高頻頭、紙基板、L邸照明等對溫度敏 感或者不耐高溫的產(chǎn)品焊接。
【具體實(shí)施方式】
[0016] W下結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。 [0017]實(shí)施例1: 一種SnBi系無鉛焊料，按照重量百分比計(jì)，其組分為:Bi : 50%,Ag: 0.01%，Sb: 0.01%，Pr: 0.001%，Se: 0.6%，Sn: 49.379〇/〇。
[001引按比例將稱量好的Sn和Pr在真空烙煉爐中于Iiocrc溫度下烙化，攬拌保溫15分 鐘，制備Sn-5%Pr中間合金;在烙錫爐中將493.6gSn原料于450°C溫度下在烙化，然后依次加 入SOOgBi、0.1 gAg和0.1 gSb，攬拌保溫40分鐘，得到Sn-Bi-Ag-訊合金;接著將Sn-Bi-Ag-訊 合金降溫至360°C，加入6gSe和0.2g所述Sn-5%Pr中間合金，攬拌保溫40分鐘，最后誘注到模 具中制備成Sn-Bi-Ag-訊-Se-Pr合金，即所述的SnBi系無鉛焊料。
[0019] 實(shí)施例2: 一種SnBi系無鉛焊料，按照重量百分比計(jì)，其組分