本發(fā)明屬于無鉛焊料，具體涉及一種窄間距、高密度封裝用無鉛焊料及其制備方法與用途。

背景技術(shù)：

1、近年來，以5g通信為基礎(chǔ)的高速通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。5g大量應(yīng)用場(chǎng)景在15g及以上高頻段，此時(shí)服役材料的特性會(huì)對(duì)終端信號(hào)產(chǎn)生顯著影響。焊料合金作為5g通信產(chǎn)品制造工藝過程中的關(guān)鍵材料，承擔(dān)著電熱力三重互連作用，在窄間距、高密度封裝領(lǐng)域，高頻率、大電流夾雜所創(chuàng)造的多物理場(chǎng)耦合環(huán)境中，傳統(tǒng)的sn-ag-cu系焊料合金一方面在熱電耦合場(chǎng)的作用下，原子遷移速率加快，焊點(diǎn)陰極原子不斷向陽(yáng)極擴(kuò)散，在陰極周圍產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；另一方面隨著溫度的劇烈變化，焊點(diǎn)面臨更強(qiáng)烈的熱疲勞損傷，微裂紋快速成核并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。

2、因此，對(duì)于窄間距、高密度封裝用焊料合金的可靠性提出更為嚴(yán)苛的技術(shù)要求，現(xiàn)有焊料合金仍有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的是提出一種窄間距、高密度封裝用無鉛焊料及其制備方法與用途，本發(fā)明中的無鉛焊料不含fe、co和ni等磁性元素以及bi和pb等放射性元素，組織細(xì)小，成分均勻，其焊點(diǎn)具有更高的耐高溫沖擊和熱循環(huán)可靠性。

2、為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案。

3、本發(fā)明第一方面，提供了一種窄間距、高密度封裝用無鉛焊料。該無鉛焊料包括以質(zhì)量百分比計(jì)的如下各元素：ag?0.05wt.％～0.4wt.％，cu?0.2wt.％～0.8wt.％，sb0.1wt.％～2.0wt.％，mg?0.01wt.％～2.0wt.％，ti?0.02wt.％～3.5wt.％，b?0.002wt.％～1.5wt.％，其余為sn和不可避免的雜質(zhì)。

4、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述ag元素的質(zhì)量百分比為0.1wt.％～0.4wt.％；和/或，

5、所述cu元素的質(zhì)量百分比為0.3wt.％～0.8wt.％；和/或，

6、所述sb元素的質(zhì)量百分比為0.2wt.％～1.8wt.％；和/或，

7、所述mg元素的質(zhì)量百分比為0.1wt.％～1.6wt.％；和/或，

8、所述ti元素的質(zhì)量百分比為0.05wt.％～2.5wt.％；和/或，

9、所述b元素的質(zhì)量百分比為0.1wt.％～1.1wt.％。

10、本發(fā)明第二方面，提供了一種第一方面所述無鉛焊料的制備方法。該制備方法包括以下步驟：采用感應(yīng)熔煉法分別制備sn-cu、sn-ag、sn-sb、sn-cu-ti-b中間合金；將純sn、sn-cu中間合金、sn-ag中間合金和sn-sb中間合金按照所需配比進(jìn)行混合熔煉，得到合金熔液；以及將所述合金熔液在450℃～550℃溫度下保溫一段時(shí)間后，加入所述sn-cu-ti-b中間合金，充分熔化得到混合熔體；向所述混合熔體中加入鎂熔液，保溫及澆注制得無鉛焊料坯錠。

11、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述sn-cu-ti-b中間合金的制備包括：采用感應(yīng)熔煉法分別制備sn-ti中間合金和cu-b中間合金；將所述sn-cu中間合金和所述cu-b中間合金按照所需配比，混合熔煉得到sn-cu-b中間合金；將所述sn-ti中間合金和所述sn-cu-b中間合金按照所需配比，混合熔煉得到所述sn-cu-ti-b中間合金。

12、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述sn-cu-b中間合金的熔煉過程包括：將所述sn-cu中間合金熔化后再加入所述cu-b中間合金，并攪拌均勻。

13、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述鎂熔液的制備過程包括：將熔煉爐在100℃～300℃溫度下預(yù)熱1h～3h；加入金屬鎂，在保護(hù)氣氛下升溫至650℃～750℃，保溫至完全熔化。

14、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述純sn、sn-cu中間合金、sn-ag中間合金和sn-sb中間合金混合熔煉的溫度為500℃～600℃。

15、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述合金熔液在450℃～550℃溫度下保溫20min～60min。

16、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，向所述混合熔體中加入鎂熔液至澆注前的保溫時(shí)間為5min～30min。

17、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述制備方法還包含將所述無鉛焊料錠坯轉(zhuǎn)化為膏、帶、箔、片、絲或粉中的至少一種。

18、本發(fā)明第三方面，提供了一種第一方面所述的無鉛焊料或者第二方面所述的制備方法制得的無鉛焊料作為5g通信電子器件用焊料的用途。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達(dá)到了以下技術(shù)效果：

20、本發(fā)明中的無鉛焊料合金組織細(xì)小，成分均勻，其焊點(diǎn)具有更高的熱沖擊和熱循環(huán)可靠性，能夠用于5g通信窄間距、高密度封裝領(lǐng)域。

21、本發(fā)明中的低成本無鉛焊料合金中，添加sb元素一部分固溶于基體中產(chǎn)生應(yīng)變場(chǎng)，有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高合金強(qiáng)度和耐沖擊性；一部分以sn-sb金屬間化合物的形式存在于基體中，起到細(xì)化組織的作用；一部分存在于焊料合金與cu基板所形成的界面中，降低了cu在sn中的擴(kuò)散速度，抑制了cu-sn金屬間化合物層的生長(zhǎng)。

22、本發(fā)明中的低成本無鉛焊料合金中，添加mg元素能夠在界面形成含mg的初生相，作為cu6sn5相的形核中心，細(xì)化cu-sn金屬間化合物層。

23、本發(fā)明中的低成本無鉛焊料合金中，通過中間合金的方式同時(shí)引入ti元素和b元素，一方面能夠在焊料合金基體中原位生成tib2相和sn3ti2相，另一方面，基體中也能夠彌散分布一些b單質(zhì)，這些第二相顆粒均會(huì)降低形核的過冷度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)細(xì)化組織的目的，同時(shí)少量偏聚在焊點(diǎn)界面處的b元素可以阻礙cu向sn中擴(kuò)散。組織的細(xì)化能夠提升焊料的強(qiáng)度，對(duì)于cu-sn金屬間化合物層的細(xì)化以及cu-sn之間擴(kuò)散的抑制，則是能夠大幅提高焊料合金耐高周沖擊和熱循環(huán)可靠性。

24、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

技術(shù)特征：

1.一種窄間距、高密度封裝用無鉛焊料，其特征在于，所述無鉛焊料包括以質(zhì)量百分比計(jì)的如下各元素：ag?0.05wt.％～0.4wt.％，cu?0.2wt.％～0.8wt.％，sb?0.1wt.％～2.0wt.％，mg?0.01wt.％～2.0wt.％，ti?0.02wt.％～3.5wt.％，b?0.002wt.％～1.5wt.％，其余為sn和不可避免的雜質(zhì)。

2.如權(quán)利要求1所述的無鉛焊料，其特征在于，所述ag元素的質(zhì)量百分比為0.1wt.％～0.4wt.％；和/或，

3.一種權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述無鉛焊料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述sn-cu-ti-b中間合金的制備包括：

5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述sn-cu-b中間合金的熔煉過程包括：將所述sn-cu中間合金熔化后再加入所述cu-b中間合金，并攪拌均勻。

6.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述鎂熔液的制備過程包括：

7.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述純sn、sn-cu中間合金、sn-ag中間合金和sn-sb中間合金混合熔煉的溫度為500℃～600℃；

8.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，向所述混合熔體中加入鎂熔液至澆注前的保溫時(shí)間為5min～30min。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包含將所述無鉛焊料錠坯轉(zhuǎn)化為膏、帶、箔、片、絲或粉中的至少一種。

10.一種權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的無鉛焊料或者權(quán)利要求3-9任一項(xiàng)所述的制備方法制得的無鉛焊料作為5g通信電子器件用焊料的用途。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于無鉛焊料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種窄間距、高密度封裝用無鉛焊料及其制備方法與用途。本發(fā)明中窄間距、高密度封裝用無鉛焊料包括以質(zhì)量百分比計(jì)的如下各元素：Ag?0.05wt.％～0.4wt.％，Cu?0.2wt.％～0.8wt.％，Sb?0.1wt.％～2.0wt.％，Mg?0.01wt.％～2.0wt.％，Ti?0.02wt.％～3.5wt.％，B?0.002wt.％～1.5wt.％，其余為Sn和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明中無鉛焊料不含F(xiàn)e、Co和Ni等磁性元素以及Bi和Pb等放射性元素，組織細(xì)小，成分均勻，其焊點(diǎn)具有更高的耐高溫沖擊和熱循環(huán)可靠性，能夠用于5G通信窄間距、高密度封裝領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：師靜琳,郭佟睿,張萌睿,尹冬凡,左曉軍,周嘉誠(chéng),李春華,王志剛,劉希學(xué),張富文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京康普錫威科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10