一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料

摘要

本发明公开了一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn‑Ag‑Cu焊料，其主要组成金属元素为Sn、Ag、Cu和Be。本发明的焊料，保持了Sn‑Ag‑Cu焊料合金优良熔融特性、焊接性能及力学性能，又可以显著提高焊接接头的弹性模量，使焊点具有较高的强韧性，尺寸稳定性好，特别适用于超细间距电子封装。所制备的焊点的导电导热也会得到提高，使得焊点在承受电学、热学和力学载荷时仍具有优异的综合服役性能，符合现代电子元器件小型化、精密化及高性能化的发展趋势，提高了电子产品的使用可靠性和服役寿命。通过进一步Al、Ni、V中的一种或多种，可进一步提高焊料的高温抗氧化性、润湿性、流动性、高温化学稳定性，细化焊料合金，提高焊点的力学性能。

权利要求

1.一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其主要组成金属元素为Sn、Ag、Cu和Be，还添加有辅助金属元素；Sn、Ag、Cu、Be和辅助金属元素在焊料中的质量百分比为：Ag ：2.0～3.8% ，Cu ：0.4～0.7%， Be：0.01～1.0%、辅助金属元素 0.001～0.5%和余量的Sn；辅助金属元素为Al、Ni和V，Al：Ni：V的质量比为（1～2）：（1～2）：1。

2.根据权利要求1所述的适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其特征在于：焊料中Ag、Cu和Be的质量百分含量为：Ag ：2.5～3.5% ，Cu ：0.3～0.7%， Be：0.15～0.5%。

3.根据权利要求1或2所述的适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其特征在于：Ag与Cu的质量比为（5～6）：1。

4.根据权利要求1所述的适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其特征在于：Al：Ni：V的质量比为2：1：1。

5.根据权利要求1或4所述的适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其特征在于：辅助金属元素在焊料中的质量百分比为0.1～0.4%。

6.一种具有焊点的电路板，其特征在于：焊点使用的焊料如权利要求1～5任意一项所述。

说明书

一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料

技术领域

[0001] 本发明涉及一种焊料，特别涉及一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料。

背景技术

[0002] 伴随着电子产品向薄、轻、小和数字化、多功能化方向发展，电子元器件的小型化、精密化及高性能化的发展趋势将进一步加速，使得用于电子封装的焊点数量增多、尺寸变小、间距越来越窄，而其所承受的热学、电学、力学载荷却越来越高。研究表明，电子器件的失效有70%是由封装和组装的失效所引起，其中，焊点失效是主要的原因。

[0003] 焊点在电子封装中既能作为电气通道，又能在芯片和基板之间提供机械连接的同时提高导热率，在电子装连中得到广泛应用，所以焊点可靠性问题具有非常重要的研究意义。

[0004] 高密度集成超细间距电子封装的发展必然面临着焊点可靠性下降的挑战，其中，芯片凸点与焊盘之间由于热应力集中导致的焊点剥离和凸点之间的互连短路是电子产品中比较常见的失效形式。为了避免这种情况的发生，需要精确有效的控制焊点的尺寸稳定性和服役过程中的导电导热性能。

[0005] Sn-Ag-Cu焊料具有优良的力学性能和可焊性，但是应用过程中发现其服役过程中尺寸稳定性比较差，应用超细间距微电子封装时的性能无法满足要求。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料。

[0007] 本发明所采取的技术方案是：

[0008] 一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其主要组成金属元素为Sn、Ag、Cu和Be。

[0009] 作为上述焊料的进一步改进，Sn、Ag、Cu和Be在焊料中的质量百分比为：Ag ：2.0～3.8% ，Cu ：0.4～0.7%， Be：0.01～1.0%和余量的Sn。进一步的，焊料的质量组成为：Ag ：
2.5～3.5% ，Cu ：0.3～0.7%， Be：0.15～0.5%和余量的Sn。

[0010] 作为上述焊料的进一步改进，焊料中还添加有辅助金属元素Al、Ni、V中的至少一种。

[0011] 作为上述焊料的进一步改进，辅助金属元素在焊料中的质量百分比为0.001～0.5%。

[0012] 作为上述焊料的进一步改进，Ag与Cu的质量比为（5～6）：1。

[0013] 作为上述焊料的进一步改进，Al：Ni：V的质量比为（1～2）：（1～2）：1。Al：Ni：V的质量比为2：1：1。

[0014] 作为上述焊料的进一步改进，辅助金属元素在焊料中的质量百分比为0.1～0.4%。

[0015] 一种具有焊点的电路板，焊点使用的焊料如上所述。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 本发明的焊料，保持了Sn-Ag-Cu焊料合金优良熔融特性、焊接性能及力学性能，又可以显著提高焊接接头的弹性模量，使焊点具有较高的强韧性，尺寸稳定性好，特别适用于超细间距电子封装。所制备的焊点的导电导热也会得到提高，使得焊点在承受电学、热学和力学载荷时仍具有优异的综合服役性能，符合现代电子元器件小型化、精密化及高性能化的发展趋势，提高了电子产品的使用可靠性和服役寿命。

[0018] 通过进一步添加微量金属元素Al、Ni、V中的一种或多种，可进一步提高焊料的高温抗氧化性能、润湿性能、流动性、高温化学稳定性，细化焊料合金，提高焊点的力学性能。

附图说明

[0019] 图1为比较例、实施例2、实施例4制备焊料合金的显微组织图；

[0020] 图2为比较例、实施例1、实施例2、实施例3制备焊料合金的电阻率比较图；

[0021] 图3为比较例、实施例2、实施例4、实施例6、实施例7、实施例8制备焊料合金的电阻率比较图；

[0022] 图4 为比较例、实施例4制备的焊料合金的DSC曲线；

[0023] 图5 为实施例4制备的超细焊粉SEM图；

[0024] 图6 为制备的焊点实物图；

[0025] 图7 为拉伸样示意图与实物图；

[0026] 图8为比较例、实施例2、实施例4、实施例8焊点拉伸强度对比图；

[0027] 图9 为使用实施例1-11、比较例焊料制备焊点的润湿铺展图。

具体实施方式

[0028] 一种适用于电子封装的高尺寸稳定性Sn-Ag-Cu焊料，其主要组成金属元素为Sn、Ag、Cu和Be。焊料中还包括不可避免的杂质。

[0029] 作为上述焊料的进一步改进，Sn、Ag、Cu和Be在焊料中的质量百分比为：Ag ：2.0～3.8% ，Cu ：0.4～0.7%， Be：0.01～1.0%和余量的Sn。进一步的，焊料的质量组成为：Ag ：
2.5～3.5% ，Cu ：0.3～0.7%， Be：0.15～0.5%和余量的Sn。更佳的，焊料的质量组成为：Ag ：3.0～3.8% ，Cu ：0.5～0.7%， Be：0.15～0.5%和余量的Sn。

[0030] 作为上述焊料的进一步改进，焊料中还添加有辅助金属元素Al、Ni、V中的至少一种。

[0031] 作为上述焊料的进一步改进，辅助金属元素在焊料中的质量百分比为0.001～0.5%。

[0032] 作为上述焊料的进一步改进，Ag与Cu的质量比为（5～6）：1。

[0033] 作为上述焊料的进一步改进，Al：Ni：V的质量比为（1～2）：（1～2）：1。Al：Ni：V的质量比为2：1：1。

[0034] 作为上述焊料的进一步改进，辅助金属元素在焊料中的质量百分比为0.1～0.4%。

[0035] 一种具有焊点的电路板，焊点使用的焊料如上所述。

[0036] 本发明的焊料可按常规方法制备得到，即根据焊料的合金组成，称取相应的金属元素或合金，真空状态或保护气保护下熔炼均匀，之后二次回熔均匀，根据需要使用常规方法制成板、带、箔、丝状或超细焊粉。

[0037] 下面结合实施例，进一步说明本发明的技术方案。

[0038] 方便比较起见，以下实施例和比较例的焊料按如下方法制备：

[0039] 1)按焊料组成称取相应的金属原料，于真空中频感应熔炼炉中，在氩气保护气氛中升温至850～1000℃熔炼，保温0.5h；

[0040] 2)冷却至400～500℃重熔3次，以保证制得合金的组织成分均匀，随后空冷，制得焊料锭坯；

[0041] 3)根据需要，将焊料锭坯直接作为焊料使用，或采用压轧、挤压等机械加工的方法制成板、带、箔、丝状焊料，或利用紧耦合气雾化设备雾化成15～25μm、20～38μm超细焊粉以备使用。

[0042] 实施例1 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1Be

[0043] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.0%，Cu为0.5%，Be为0.1%，余量为Sn。

[0044] 实施例2 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.2Be

[0045] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.0%，Cu为0.5%，Be为0.2%，余量为Sn。

[0046] 实施例3 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.5Be

[0047] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.0%，Cu为0.5%，Be为0.5%，余量为Sn。

[0048] 实施例4 Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.2Be-0.2Al-0.1Ni-0.1V

[0049] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.0%，Cu为0.5%，Be为0.2%，Al为0.2%，Ni为0.1%，V为0.1%，余量为Sn。为超细焊粉。

[0050] 实施例5 Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.2Be-0.2Al-0.1Ni-0.1V

[0051] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.8%，Cu为0.7%，Be为0.2%，Al为0.2%，Ni为0.1%，V为0.1%，余量为Sn。

[0052] 实施例6 Sn-2.0Ag-0.6Cu-0.2Be-0.2Al

[0053] 焊料各组分重量百分比为：Ag为2.0%，Cu为0.6%，Be为0.2%，Al为0.2%，余量为Sn。

[0054] 实施例7 Sn-2.5Ag-0.5Cu-0.2Be-0.1Ni

[0055] 焊料各组分重量百分比为：Ag为2.5%，Cu为0.5%，Be为0.2%，Ni为0.1%，，余量为Sn。

[0056] 实施例8 Sn-3.5Ag-0.7Cu-0.2Be-0.1V

[0057] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.5%，Cu为0.7%，Be为0.2%，V为0.1%，余量为Sn。

[0058] 实施例9 Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.2Be-0.2Al

[0059] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.8%，Cu为0.7%，Be为0.2%，Al为0.2%，余量为Sn。

[0060] 实施例10 Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.2Be-0.1Al-0.05Ni

[0061] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.8%，Cu为0.7%，Be为0.2%，Al为0.1%，Ni为0.05，余量为Sn。

[0062] 实施例11 Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.2Be-0.1Al-0.05V

[0063] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.8%，Cu为0.7%，Be为0.2%，Al为0.1%，V为0.05，余量为Sn。

[0064] 比较例Sn-3.0Ag-0.5Cu

[0065] 焊料各组分重量百分比为：Ag为3.0%，Cu为0.5%，余量为Sn。

[0066] 性能检测：

[0067] 比较例、实施例2、实施例4的焊料合金的显微组织图如图1所示。从图中可以看出，添加微量Be元素能明显改善焊料合金的显微组织，不仅能使β-Sn晶粒细化，还能将枝晶Ag3Sn相由针状向粒状转变，均匀分布在Sn基体中；在添加Be元素的基体上，进一步添加微量元素Al、Ni、V时，细化作用更加明显，共晶组织的分布更加弥散均匀。

[0068] 图2为比较例、实施例1、实施例2、实施例3制备焊料合金的电阻率比较图；图3为比较例、实施例2、实施例4、实施例6、实施例7、实施例8制备焊料合金的电阻率比较图。从图2和3中可以看出，本发明的焊料合金，电阻率更低，使其在辅以过程中具有更好的导电性。

[0069] 图4 为比较例、实施例4制备的焊料合金的DSC曲线。从图中可以看出，Be、Al、Ni、V元素的添加能降低焊料合金的熔点，使其更能符合现有焊接工艺和焊接设备的要求，还能防止由于焊接温度过高带来的元器件损坏或产生热应力导致焊点失效；而且，本发明的焊料合金的熔程更窄，使得焊料在焊接过程中的流动性更好，降低了偏析产生的可能性。

[0070] 图5 为实施例4制备的超细焊粉SEM图。从图中可以看出，本发明的焊料可以制备成为超细焊粉，并且制备得到的焊粉球形度高，表面光洁，尺寸均一性好，这样的粉末具有优异的使用稳定性。

[0071] 图6 为制备的焊点实物图。从图中可以看出，焊点的成型性好，表面光亮，无明显焊接缺陷。

[0072] 图7 为拉伸样示意图与实物图。

[0073] 图8为比较例、实施例2、实施例4、实施例8焊点拉伸强度对比图。从图中可以看出，本发明的合金焊料所制备的焊点具有更高的拉伸强度，说明Be元素的添加能提高焊料合金的力学性能，尤其在复合添加Al、Ni、 V元素的时候，焊点的力学性能能得到进一步的提高。

[0074] 图9 为使用实施例1-11、比较例焊料制备焊点的润湿铺展图（图中，由左到右，3排焊点分别为实施例1～4，5～8，9～11，比较例）。从图中可以看出，本发明的合金焊料在Cu基板上能良好润湿，焊点表面无严重的氧化现象，焊点光亮，尺寸稳定。特别是在添加微量Al后，润湿性能有了进一步的提高。同时添加微量Al和Ni后，润湿性和焊料在焊接时的流动性均有提高。