[发明专利]Sn-Ag-Cu-Bi-Er低银无铅焊料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种含稀土铒的低银无铅焊料及其制备方法，属于锡基无铅焊料的制造技术领域。

背景技术

随着电子产业绿色制造的发展和电子组装技术的进步，传统的Sn-Pb焊料逐渐被无毒害的无铅焊料取代。一种新型的无铅电子封装焊料，应具有工艺性能好（熔点低、熔化温度范围小、润湿性好、抗腐蚀抗氧化性能好、导电性好）、焊点可靠性好（结合强度高、抗蠕变性能好）、成本低等特点。迄今为止，已经开发的无铅焊料种类很多，被普遍使用的几种无铅焊料是Sn-3.5wt%Ag、Sn-0.7wt%Cu和SnAgCu系合金，但也存在一些问题。当前用量较大、综合性能较好、受科研人员和生产商重点关注的是SnAgCu系焊料，可应用于焊料的各种形式；但其熔点（约217℃）远高于传统锡铅共晶焊料，对被焊材料和焊接设备的要求高。随着电子元器件的小型化发展，电子组装将越来越多地采用先进的表面贴装工艺（SMT），随之发展的回流焊技术由于工艺窗口较窄，封装密度高，电子元器件的抗热冲击性能有限，要求使用较低熔点的焊料。因此，由SnAgCu系发展出来的四元焊料合金中有Sn-Ag-Cu-Bi系合金，如USP5527628公布的Sn-(3.5~7.7)Ag-(1~4)Cu-(0~10)Bi和USP5520752公布的Sn-(3.5~4.5)Ag-(0~5)Cu-(0~9.3)Bi。这些焊料在一定程度上改善了SnAgCu三元焊料，但在某些方面还存在不足，如前者合金的熔融范围（193℃~218℃）偏大，后者合金的疲劳抗力偏低。经现有技术文献的检索发现，卢斌等（中国有色金属学报，第17卷第4期，518-524，2007）提到在SnAgCu焊料中添加适量的Er可以有效减小焊料合金的熔融范围，细化合金的晶粒；而US2009014746 公布了Sn-3.5Ag-0.5Cu-1.0Er等四元合金，提出添加稀土元素可以改善焊料的润湿性。

较高的银含量使SnAgCu系焊料成本相对较高，特别是近年来随着银价的升高和电子产品价格的下行，其市场推广阻力加大，低银无铅焊料就成为了研发的重点，以期在保证焊料使用性能前提下，降低焊料的成本。首批低银无铅焊料Sn-0.3Ag-0.7Cu (SAC0307) 已于2007年被研发出来并推向市场。深圳亿城达研究发现，添加Bi可提高SAC0307的润湿性和降低焊料熔点，但熔程会增加，对焊后力学性能产生不利影响。较早的USP4879096公布的低银焊料合金中的Sn-0.1Ag-3.0Cu-1.0Bi，其熔点为217℃，熔程宽达17℃。根据目前的工艺过程，焊料的熔点最好在215℃之下，熔程小于15℃。因此，研发成本更低、性能与应用环境匹配更好的低银低熔点无铅焊料是电子封装的必然要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低银，低熔点、小熔程，润湿性好，机械性能和工艺性能较好，使用可靠的Sn-Ag-Cu-Bi-Er低银无铅焊料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

本发明一种Sn-Ag-Cu-Bi-Er低银无铅焊料，其特征在于是有以下各组分及重量百分比：Ag为0.3-2.0%，Cu为0.3-0.7%，Bi为2.0-3.0%，Er为0.01-0.15%，余量为Sn；各组分原料的纯度分别为：Bi≥99.99%，Er≥99.9%，Ag≥99.99%，Cu≥99.99%，Sn≥99.99% 。

本发明一种Sn-Ag-Cu-Bi-Er低银无铅焊料其特征在于该焊料的优选组成及含量（按重量百分数计）为：Ag为1.0-2.0%，Cu为0.3-0.5%，Bi为2.0-3.0%，Er为0.05-0.10%，余量为Sn。

本发明一种Sn-Ag-Cu-Bi-Er低银无铅焊料的制备方法，其特征在于包括下述过程和步骤：

1.      在真空状态或保护气体气氛下采用现有熔炼方法和设备制备中间合金Sn-(10~12)Er；

2.      化学分析确定炼制的中间合金Sn-Er中Er的实际含量，然后在真空感应炉中按本发明的焊料的组成及重量配比换算成Sn-Er中间合金和纯Cu、Ag、Bi、Sn的重量，并制备成Sn-Ag-Cu-Bi-Er焊料合金锭坯；

3.      将上述得到的合金锭坯封于石英管中，在300℃下重熔，浇注成锭。还可以做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏等多种形式的产品，可用于电子封装或组装的各个焊接环节。

本发明在近共晶SnAgCu合金的基础上通过降低Ag含量，添加合金元素Bi和Er获得了一种五元合金焊料Sn-Ag-Cu-Bi-Er。