[发明专利]低熔点无铅焊料合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊料用无铅合金，具体涉及一种适用于散热元器件的锡-铋-锌系低熔点无铅焊料合金。

背景技术

在发热器件与散热元器件中填充热界面材料可大大提高散热效率，将发热器的温度维持在一正常的范围内，保证其正常工作运转。

到目前为止，所采用的热界面材料已包括溶胶、油脂以及各种低熔点的金属或合金。其导热率分别为：油脂的热导率为3-5W/mK，凝胶3-4W/mK，相变材料0.5-5W/mK，焊料为10-30W/mK。其中焊料以及在焊料基础上的合金改性、机械掺杂已经成为研究的主流。同时基于对铅毒害性的认识，也为了更好的保护人类健康，实现人类和环境的可持续发展，传统的锡铅焊料步入了一个全面无铅化的进程。经过十多年的研究，已经研制出了多种试图替代锡铅焊料的无铅焊料合金。

这些焊料以锡为基体，与其他合金元素形成二元或者三元合金组织。以二元母合金成分来划分，这些无铅焊料包括：Sn-Zn系、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、Sn-Au系、Sn-Bi系。这些无铅焊料按照熔点来划分，可以分为高温、中温和低温三个体系。随着对于无铅焊料研究的深入，人们对现有合金也逐渐进行了优选。由于Sn-Sb合金在所有合金系中熔点最高(240℃)，并且属于包晶合金系，熔点无法通过合金化有效的降低，所以该合金只能取代部分高Pb的合金。Sn-Ag系、Sn-Au、Sn-In系均不同程度的受到价格因素的影响。Sn-Zn、Sn-Cu系价格便宜、力学性能优异，但Sn-Cu系由于组织的稳定性不好而被忽略；Sn-Zn系则因为Zn活性太强，容易被氧化，该氧化膜又钝化能力很弱而被很多公司放弃；而对于低熔点的Sn-Bi和Sn-In系合金适合于二次回流封装工艺要求。但在两者当中In属于稀有金属，价格昂贵，很难用于实际生产；Sn-Bi共晶焊料虽然目前已经用于笔记本散热模组的生产，但Bi含量较高(58％)，存在由于Bi的脆性、冷涨以及导热率低等特征而引起的一系列问题。在焊料中具体表现为：一、焊料导热率不够高；二、Bi会在元器件服役期间会在界面偏聚，形成连续的脆性化合物层(如图1所示)，降低元器件寿命；三、金属Bi在冷却过程中会发生体积膨胀，在凝固过程中当Bi会在焊盘附近偏聚时，在焊点和焊盘之间产生应力而引起焊点和焊盘剥离，导致焊点可靠性变差。

在对于低熔点焊料合金的研究中，寻找适合的合金化元素来改善性能成为一个重要的努力方向。就目前公开的专利和研究成果中，添加的合金化元素主要有Ag、In、Cr、Ni、RE、Cu、P等。例如：

(1)专利号为200510087382.7的中国发明专利公开了一种Sn-Zn-Bi系列无铅焊料合金，所述焊料合金中各化学成分的重量百分比组成为：Zn：4～12，Ag：0～2.5，Bi：0.5～2.5，In：0～5.0，P：0.005～0.02，余量为Sn。其本质是在Sn-Zn共晶焊料(熔点为198.5℃)的基础上，添加合金化元素，提高性能或者降低熔点，使其综合性能靠近传统的Sn-Pb共晶合金(熔点183℃)。所述无铅焊料可用一般方法浇铸制造，即称重金属原料，并在坩埚或熔锅中在空气中加热并搅拌。所述发明制备的焊料合金虽然降低了焊料合金的熔点，；二是合金的固液相线差可达2℃以下，可避免焊点分离缺陷；三是合金组织均匀，使合金强度提高；四是焊料合金的铺展率可达到与原Pb-Sn共晶合金相仿；五是焊料合金易于加工成材，如棒、丝、粉料。

上述专利所公开的Sn-Zn-Bi系列无铅焊料合金熔程窄，但适合高温SMT焊接，对于热敏感元器件尤其是散热片的焊接来说温度太高(发明中焊料合金熔点一般高于190℃)。另外铟(In)的加入量比较大，焊料成本偏高，(焊料合金所用铟一般是需要99.9％以上纯度的，铟价格一般是295万元/吨(根据2009年十月均价))。