阅读说明：本技术 一种SnBi无铅复合焊料的制备方法 (Preparation method of SnBi lead-free composite solder ) 是由 严继康 顾鑫 甘有为 白海龙 周国琼 赵玲彦 吕金梅 滕媛 解秋莉 陈东东 徐凤 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种SnBi无铅复合焊料的制备方法,属于焊料技术领域。本发明将Cu<Sub>6</Sub>Sn<Sub>5</Sub>纳米颗粒和SnBi焊锡粉加入到熔锡炉中,匀速升温至200~250℃并保温直至SnBi焊锡粉熔化得到熔体A；熔体A在搅拌条件下保温处理25~35min,随炉冷却至室温得到复合焊料。本发明纳米Cu<Sub>6</Sub>Sn<Sub>5</Sub>颗粒抑制界面层化合物的正向生成反应,以有效降低合金界面层化合物及其附近出现微裂纹的几率,纳米Cu<Sub>6</Sub>Sn<Sub>5</Sub>颗粒组成接近焊料组成,尤其是界面层化合物的组成,则纳米Cu<Sub>6</Sub>Sn<Sub>5</Sub>颗粒与焊料的晶界共格情况更好,结合会更紧密,有利于提升宏观性能。(The invention relates to a preparation method of SnBi lead-free composite solder, belonging to the technical field of solder. In the invention, Cu 6 Sn 5 Adding the nano particles and the SnBi soldering tin powder into a tin melting furnace, raising the temperature to 200-250 ℃ at a constant speed, and preserving the temperature until the SnBi soldering tin powder is melted to obtain a melt A; and (3) carrying out heat preservation treatment on the melt A for 25-35 min under the stirring condition, and cooling to room temperature along with the furnace to obtain the composite solder. The invention relates to nano Cu 6 Sn 5 The particles inhibit the positive generation reaction of the interface layer compound so as to effectively reduce the probability of microcracks appearing in the alloy interface layer compound and the vicinity thereof, and the nano Cu 6 Sn 5 The grain composition is close to the solder composition, especially the composition of the interface layer compound, and then the nano Cu 6 Sn 5 The grain boundary coherent condition of the particles and the solder is better, the combination is tighter, and the macroscopic performance is favorably improved.)

一种SnBi无铅复合焊料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种SnBi无铅复合焊料的制备方法，属于电子封装技术领域。

背景技术

电子行业是当下发展最迅速的行业之一，特别是自动化、智能化的推进，电子设备作为最重要的控制元件，其组装工艺对电子产品的质量起决定性的作用。无铅钎料合金作为电子组装工艺最为基础的材料，其性能也是电子封装工艺关注的焦点之一，优良的润湿性能够有效降低焊接过程中产生的虚焊、漏焊等问题。

另一方面，目前电子产品正向小型化、微型化发展，需要的焊接钎料也越来越少，这对钎料的性能有着更高的要求，不仅要求钎料合金具有优良的焊接性能，而且焊后的质量也要得到保障。焊接界面金属间化合物IMC层的形貌对焊接后的质量有重要的影响，由于焊接材料的特殊性，在焊接界面形成的金属间化合物层往往是不均匀的，降低了焊接接头的可靠性，控制焊接界面的形貌，获得厚度适中、均匀、平滑的焊接界面也是焊料开发工作者追求的目标。

锡焊料和铜板之间形成的界面层化合物Cu₆Sn₅极易在时效过程中异常长大，它的长大过程主要是由几个Sn和Cu原子的化合形成的，但是这几个原子键合为一个Cu₆Sn₅分子时，系统的体积将会降低，当大量的Cu₆Sn₅以此方式形成时，界面层处的微裂纹和微孔就随之出现了；并且Cu₆Sn₅在凝固的时候有一个相变点，从而引起内应力，这也会导致焊点在焊料凝固之后又出现另外的微裂纹。

添加的高熔点难熔金属纳米颗粒时，因为纳米颗粒相对熔体较轻、熔体自身极易被氧化、纳米颗粒与焊料润湿性差，则纳米颗粒和熔体总是被一层较厚的氧化膜隔离开，这导致直接添加纳米颗粒到熔体中时，纳米颗粒几乎融不进熔体内。

现有技术中往往球磨混合纳米颗粒与焊料，再去熔融，但是制备周期长，能耗高，还易引入杂质。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种SnBi无铅复合焊料的制备方法，本发明采用IMC原生化合物作为纳米添加剂来提高焊料可靠性，改善合金微组织结构、焊接性能和力学性能；并且本发明添加的是Cu₆Sn₅时，由于偏聚作用，Cu₆Sn₅颗粒大量出现在界面层处，直接提供界面层生长所需原料，大幅降低了Sn和Cu的键合，有效降低了界面层化合物生长带来的微裂纹出现几率，并且人为引入Cu₆Sn₅时，焊料中6Cu+5Sn→Cu₆Sn₅的化学过程将受到抑制。焊料添加Cu₆Sn₅纳米颗粒后，合金界面组织长大也将被抑制。

本发明添加Cu₆Sn₅纳米颗粒细化合金组织、抑制合金晶粒异常长大以及提高焊料可靠性，添加Cu₆Sn₅纳米颗粒为焊点原有生成物，便于后续焊料的回收，减轻回收时除杂的压力，Cu₆Sn₅添加抑制了Cu₆Sn₅生成的化学过程，有利于提高合金可靠性；

一种SnBi无铅复合焊料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将Cu₆Sn₅颗粒和SnBi焊锡粉加入到熔锡炉中，匀速升温至200~250℃并保温至SnBi焊锡粉熔化得到熔体A；

（2）熔体A在搅拌条件下保温处理25~35 min，随炉冷却至室温得到复合焊料。

所述步骤（1）熔体A中Bi含量为15.0-20.0wt%，纳米Cu₆Sn₅颗粒含量为0.5-1.0wt%。

采用IMC原生化合物作为纳米添加剂来提高焊料可靠性，改善合金微组织结构、焊接性能和力学性能的机理：添加剂Cu₆Sn₅作为焊点界面层原有化合物，当其依附在界面层Cu₆Sn₅组织表面时，局部组织表面发生的6Cu+5Sn→Cu₆Sn₅化学反应将受到一定抑制效果（正向产生Cu₆Sn₅的反应受到抑制），并且引入的Cu₆Sn₅可以作为界面层生长所需的现有原料，从而降低了生产Cu₆Sn₅所带来的应力；又因为Cu₆Sn₅纳米颗粒的高表面能导致其易吸附在界面层化合物表面，降低了界面层化合物的生长驱动力；另外，较高熔点的Cu₆Sn₅纳米颗粒在焊料凝固的过程中提供了非均匀形核核心，提高了焊料形核能力，从而细化了焊料组织并抑制其生长。当合金组织尺寸降低时，其表面能将提高，从而组织细化后的合金熔点将会有所降低。当晶粒尺寸被细化之后，晶粒内位错开动所需的能量将明显上升，从而提高了焊料力学性能。另外，引入的Cu₆Sn₅颗粒与原有界面层化合物之间是共格匹配的，所以纳米颗粒与界面层化合物之间的结合力较强。综上所述，Cu₆Sn₅纳米颗粒的添加有利于焊料的可靠性、焊接性和力学性能的提高。

本发明的有益效果是：

（1）本发明引入Cu₆Sn₅颗粒含有Cu元素，有利于提高焊料导电、导热性；

（2）本发明通过添加Cu₆Sn₅纳米颗粒来细化合金组织、抑制基体中晶粒的异常长大、抑制界面层微裂纹以提高可靠性；

（3）本发明添加Cu₆Sn₅纳米颗粒后，界面层化合物Cu₆Sn₅的正向生成反应会受到一定程度的抑制效果，降低界面层化合物生长速度，这有利于提高焊料可靠性；

（4）本发明纳米Cu₆Sn₅颗粒的组成接近界面层化合物组成，则其与焊点组织的结合情况会较好，这对纳米相抑制界面层异常生长有利，添加物Cu₆Sn₅为焊点原生化合物，对于后期焊料的回收有利，利于减轻回收焊料时除杂的压力；

（5）本发明方法操作方便、工艺简单、节约成本、不引入杂质、不会对环境造成污染。

附图说明

图1为实施例1基体SnBi20的金相图；

图2为实施例1复合焊料的金相图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：一种SnBi无铅复合焊料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将Cu₆Sn₅颗粒和SnBi焊锡粉加入到熔锡炉中，匀速升温至200℃并保温5min至SnBi焊锡粉熔化得到熔体A；其中熔体A中Bi含量为20.0wt%，纳米Cu₆Sn₅颗粒含量为0.5wt%；

（2）熔体A在搅拌条件下保温处理25min使熔体A中的纳米相均匀分布于熔体内，随炉冷却至室温得到复合焊料；

本实施例基体SnBi20的金相图见图1，复合焊料的金相图见图2，从图1和图2可知，未添加Cu₆Sn₅纳米颗粒的焊料组织粗大且分布不均匀，当添加了Cu₆Sn₅纳米颗粒之后，图2中焊料合金组织的相间距相比于图1中的相间距有明显的降低，且组织均匀分布：当合金凝固时，熔体中的高熔点纳米颗粒提供了形核位点以提高合金形核率；并且焊料合金组织被纳米颗粒吸附时，合金组织表面能将会降低，在形核后组织生长的过程中，合金组织生长速率将会降低；二者共同作用于合金组织，从而降低了合金中各组织的尺寸和抑制了成分偏析。如图2中所示，合金组织细化后，晶粒内部等量的位错跨过晶界进入另一个晶粒时所需的能量将会变高；并且晶界处的纳米颗粒此时起到了钉扎作用，再次升高了位错开动所需能量。从而合金的力学性能得到提升；

与基体SnBi20相比，本实施例复合焊料的界面层厚度降至1.10um，下降20.7%；熔点降至189.0℃，下降0.26%；抗拉强度提升至91.07MPa，提升20.5%。

实施例2：一种SnBi无铅复合焊料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将Cu₆Sn₅颗粒和SnBi焊锡粉加入到熔锡炉中，匀速升温至250℃并保温4min至SnBi焊锡粉熔化得到熔体A；其中熔体A中Bi含量为20.0wt%，纳米Cu₆Sn₅颗粒含量为0.7wt%；

（2）熔体A在搅拌条件下保温处理30min使熔体A中的纳米相均匀分布于熔体内，随炉冷却至室温得到复合焊料；

与基体SnBi20相比，本实施例复合焊料的界面层厚度降至1.02um，下降27.7%；熔点降至188.7℃，下降0.42%；抗拉强度提升至94.55MPa，提升25.1%。

实施例3：一种SnBi无铅复合焊料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将Cu₆Sn₅颗粒和SnBi焊锡粉加入到熔锡炉中，匀速升温至240℃并保温4.5min至SnBi焊锡粉熔化得到熔体A；其中熔体A中Bi含量为20.0wt%，纳米Cu₆Sn₅颗粒含量为1.0wt%；

（2）熔体A在搅拌条件下保温处理35min使熔体A中的纳米相均匀分布于熔体内，随炉冷却至室温得到复合焊料；

与基体SnBi20相比，本实施例复合焊料的界面层厚度降至0.97um，下降31.2%；熔点降至188.3℃，下降0.63%；抗拉强度提升至96.36MPa，提升27.5%。