一种Sn-Bi-In-Zn-Ga低熔点高熵合金无铅焊料及其制备方法和应用转让专利
申请号 : CN202110297066.1
文献号 : CN112958941B
文献日 : 2022-03-29
发明人 : 徐先东 , 张天宇 , 陈江华
申请人 : 湖南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料,其特征在于:按摩尔百分比计,其组成如下:Sn为20.0%、Bi为20.0%、In为20.0%、Zn为20.0%、Ga为20.0%;
所述Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的熔点≤80℃。
2.根据权利要求1所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料,其特征在于:所述Sn、Bi、In、Zn、Ga的纯度均≥99.99%。
3.根据权利要求1‑2任意一项所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:按设计比例配取Sn、Bi、In、Zn、Ga;倒入坩埚中,然后进行熔炼获得熔体,成型即得Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga无铅焊料。
4.根据权利要求3所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的制备方法,其特征在于:将Zn、Bi、Sn、In、Ga按从下至上的顺序依次倒入坩埚中。
5.根据权利要求3所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的制备方法,其特征在于:所述熔炼在氩气气氛下进行,氩气气氛的压力为0.03~0.04MP。
6.根据权利要求3所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的制备方法,其特征在于:所述熔炼过程为,先将控制熔炼电流在170‑180A,预热2‑3min,再将熔炼电流调整为195‑205A加热4‑5min。
7.根据权利要求3所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的制备方法,其特征在于:所述成型方式为浇铸至铜模成型或自然冷却成型。
8.根据权利要求1‑2任意一项所述的一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料的应用,其特征在于:将所述的Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料应用于3D IC焊接。
说明书 :
一种Sn‑Bi‑In‑Zn‑Ga低熔点高熵合金无铅焊料及其制备方法
和应用
技术领域
背景技术
价格,使电子封装制造行业面临着严峻的挑战。硅片高温下的翘曲问题,以及焊点的可靠性
问题急需解决,因此研发出一种熔点低,机械性能好,IMC(金属间化合物)生长速度慢的新
型焊料非常重要。
级数量级时,相当于只有几个分子的大小,这种情况下材料的物理,化学性能将发生质的变
化,导致半导体器件不能正常工作,摩尔定律也将走到尽头。
circuit,3D IC)。在3D IC中所用到的硅通孔技术TSV(through silicon via)可以通过微
凸点(μ‑Bumps)将多层硅芯片进行垂直堆叠,从而减小互联长度,减小信号延迟,降低电容/
电感,实现低功耗,高速率,小型化。
引起的翘曲问题就变得尤为突出。因此降低焊接时的温度对于减小硅片翘曲显的尤为重
要;(2)焊点的可靠性问题。在焊料微凸点中,无铅焊料的高扩散性和快速反应以及3DIC提
供的芯片尺寸的缩小导致了焊料微凸点中金属间化合物(IMC)的广泛形成。在3D IC制造
中,焊点中的intermetallic compound(IMC)体积分数和焊点的大小有关。因此需要开发一
种具有低熔点,低IMC生长速度和良好润湿性的新型焊料。
一直未能解决。另外,目前100℃以下还未有能够适用的无铅焊料。
作为一种新型的固溶体合金,具备一些与传统合金不同的特征,主要体现在以下四个方面:
1.高熵效应;2.严重的晶格畸变;3.迟缓扩散效应;4.鸡尾酒效应。高熵效应有效抑制了金
属间化合物的析出,降低了多组元合金引起的合金脆性,形成了以固溶体为主的相结构。已
有的研究发现,高熵合金独特的固溶体结构往往会使其具有一些传统合金无法比拟的优异
性能。比如具有高强度、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性。然而现在所应用的焊料中还没有用高
熵合金概念配制的焊料。
发明内容
特殊的迟缓扩散效应以及鸡尾酒效应,最终得到熔点低于80℃的新型低温无铅焊料,其在
100℃时的润湿性能好,导电性好,钎焊性能好,适合用于3D IC钎焊焊接工艺的要求。
法获得理想的性能效果。
Bi‑In‑Zn‑Ga无铅焊料。
附图说明
具体实施方式
大于99.99%的原料Sn、Bi、In、Zn、Ga按等原子摩尔百分比配制100g。将配好的原料按照熔
点由高到底的顺序依次放进刚玉坩埚中,熔点最低的元素在最上层。将装好合金料的刚玉
坩埚放进高真空感应熔炼铸造炉内的螺旋形感应线圈中,用机械泵抽真空20min后,关闭真
空泵充入纯度为99.99%的高纯氩气至正常大气压完成一次洗气过程。洗气过程重复三次,
最后一次洗气后将高纯氩气充至正压0.04MPa。调节电流为180A预热2min后,增大电流至
200A加热4min,待合金全部成金黄色的液态时,关闭感应电流加热,将其浇筑至铜模进行冷
却。本实例提供了一种低熔点高熵合金无铅焊料,其熔点为75.6℃。
大于99.99%的原料Sn、Bi、In、Zn、Ga按等原子摩尔百分比配制100g。将配好的原料按照熔
点由高到底的顺序依次放进刚玉坩埚中,熔点最低的元素在最上层。将装好合金料的刚玉
坩埚放进高真空感应熔炼铸造炉内的螺旋形感应线圈中,用机械泵抽真空20min后,关闭真
空泵充入纯度为99.99%的高纯氩气至正常大气压完成一次洗气过程。洗气过程重复三次,
最后一次洗气后将高纯氩气充至正压0.04MPa。调节电流为180A预热2min后,增大电流至
200A加热4min,待合金全部成金黄色的液态时,关闭感应电流加热,将其放在炉中自然冷却
成型。本实例提供了一种低熔点高熵合金无铅焊料,其熔点为73.3℃。
本发明焊料所用的稀有金属In的含量要少于上述含量,成本降低。