一種Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏及其制備方法和使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子封裝焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種在高溫下保持高強度的Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏及其制備方法和使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件的工作環(huán)境溫度越來越高，需要研發(fā)一系列環(huán)境友好的、性能可靠的高溫焊接材料以適應(yīng)微電子工業(yè)的發(fā)展。同時為了應(yīng)對日益增長的高溫電子元器件需求，新一代半導(dǎo)體如SiC、GaN和包裝材料A1N、Si3N4已被廣泛應(yīng)用，但作為關(guān)鍵技術(shù)之一的電子封裝用低成本、高性能的高溫焊料的開發(fā)卻進(jìn)展緩慢。
[0003]目前市場上可提供的高溫焊料有:鉛錫焊料、金錫焊料、金鍺焊料、鉍銀焊料、鋅鋁焊料、錫鋅焊料和錫銻焊料。在這些焊料中焊縫能耐300°C高溫而不熔化失效的焊料有Sn - 95Pb、Sn - 98Pb、Au - 0.28at.% Ge,Zn - 6A1 和 Zn - 4A1 - 3Mg - 3.2Ga。但是鉛污染環(huán)境、金為貴金屬、鋅鋁焊料不耐腐蝕且界面潤濕性能差，它們的使用均受到了很大限制。因此環(huán)保、低成本、焊縫剪切強度高且使用溫度在300°C以上的焊料是市場急需產(chǎn)品。然而目前市場上并不能提供該類產(chǎn)品。環(huán)保、低成本、高溫工作環(huán)境下焊縫可靠性高是電子封裝用高溫焊料的發(fā)展方向，也是各國努力研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，致力于研發(fā)環(huán)保、低成本的高溫焊料，本發(fā)明提供了一種Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏及其制備方法和使用方法。該種焊膏焊接溫度250-300°C，焊接后焊縫在低于350°C的空氣中剪切強度彡lOMPa，并且如果在焊接過程中對焊件從外界施加一個壓力，焊縫在低于350°C的空氣中剪切強度多20Mpa ;焊接后，焊件的使用溫度可高達(dá)400°C。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏，由錫粉、銅粉和松香型助焊劑組成；所述錫粉、銅粉和松香型助焊劑的質(zhì)量百分比為(40%?60% ): (20%?40% ): (10%?20% );較好的質(zhì)量百分比為(50%?55% ): (30%?35% ): (10%?15% )；
[0007]為使焊膏中的金屬粉末混合后堆積更加緊密以便于粒子間的充分反應(yīng)，所述錫粉、銅粉均為球形或近球形；為增加反應(yīng)表面積以便于粒子間的充分反應(yīng)，所述錫粉、銅粉用細(xì)小的亞微米級粒子，具體的為錫粉1-5 ym，銅粉0.1_1 ym ;較好的粒度范圍為錫粉2-3 μm，銅粉 0.1-0.5 μ?? ；
[0008]所述松香型助焊劑為本領(lǐng)域普遍使用的品種，包含主成分松香和多種添加劑，如活性劑、觸變劑等，松香為天然松香或改性松香，如歧化松香、氫化松香、馬來松香、水白松香或聚合松香等；為使金屬粒子在攪拌過程中混合在一起并產(chǎn)生相互作用而形成更緊密結(jié)合，該松香型助焊劑的粘度范圍為I?1Pa.S，以使用多元醇為溶劑，粘度在6?1Pa.s的為最優(yōu)。
[0009]上述Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏的制備方法，包括如下步驟:
[0010]將錫粉和銅粉添加適量的松香型助焊劑后，用混料機(jī)在1000?1800轉(zhuǎn)/分鐘速率下，機(jī)械混合10?15min，得到Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏；如果混合速度低于1000轉(zhuǎn)/分鐘，金屬粉末與助焊劑會混合不均勻，如果高于1800轉(zhuǎn)/分鐘，混料中產(chǎn)生的熱量會使溶劑揮發(fā)，從而使焊膏變?yōu)閴K狀固體；同理，如果混合時間低于lOmin，金屬粉末與助焊劑會混合不均勻，如果高于15min，混料中產(chǎn)生的熱量會使溶劑揮發(fā)，從而使焊膏變?yōu)閴K狀固體；
[0011]其中，所述錫粉、銅粉和松香型助焊劑的加入質(zhì)量百分比為(40%?60%):(20%?40% ):(10%?20% )，錫粉、銅粉和松香型助焊劑較優(yōu)的加入質(zhì)量比為(50%?55% ): (30%?35% ): (10%?15% )；
[0012]所述錫粉、銅粉均為球形或近球形，錫粉、銅粉的粒徑分別為1_5μπι，0.1-1 μπι；錫粉、銅粉較優(yōu)粒徑分別為2-3 μ m，0.1-0.5 μ m ;
[0013]所述松香型助焊劑的粘度范圍為I?1Pa.S，較優(yōu)的粘度范圍為6?1Pa.S。
[0014]本發(fā)明還提供了上述Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏的使用方法:
[0015](I)焊接時，將該焊膏均勻涂抹在焊件上，在氬氣或氮氣等惰性氣體氣氛中250-300 °C熱處理I?6h，即能將焊件焊接在一起，焊接結(jié)束后焊縫處生成Sn-Cu金屬間化合物Cu6Sn5、Cu3Sn或其混合物；經(jīng)測試，在空氣中，低于350°C時焊縫剪切強度多1MPa ；
[0016]或者，(2)為了使焊縫更為牢固，焊接時，將該焊膏均勻涂抹在焊件上，在氬氣或氮氣等惰性氣體氣氛中250-300°C熱處理I?6h的同時，對涂抹焊膏區(qū)域施加壓強為5?1MPa的壓力，即能將焊件焊接在一起，焊接結(jié)束后焊縫處生成Sn-Cu金屬間化合物Cu6Sn5、Cu3Sn或其混合物；經(jīng)測試，在空氣中，低于350°C時焊縫剪切強度彡20Mpa ；
[0017]經(jīng)上述焊膏焊接后，焊件的使用溫度可高達(dá)400°C。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0019]1、用本發(fā)明的Sn-Cu高溫焊膏焊接金屬材料時，焊接過程中有液相金屬(Sn)產(chǎn)生，焊接結(jié)束時液相金屬消失并產(chǎn)生金屬間化合物，普通焊接時金屬間化合物主要為多孔層Cu6SrvFP致密層Cu3Sn ;當(dāng)焊接時用熱壓機(jī)對焊件的涂抹焊膏區(qū)域施加壓強為5?1MPa的壓力，上述金屬間化合物中的(^^七層向Cu 3Sn發(fā)生變化，并且機(jī)械性能達(dá)到大幅提高；Cu6SnjP Cu 3Sn熔點分別為415°C和676°C，如圖2所示，從而保證該合金材料在400°C不會融化。
[0020]2、本發(fā)明焊膏的焊接溫度為250-300°C，采用本焊膏焊接焊件后，焊縫在工作溫度低于400°C時不會熔化失效，焊縫可經(jīng)受高達(dá)400°C的高溫工作環(huán)境。
[0021]3、采用本發(fā)明焊膏焊接，在空氣中溫度低于350°C時，焊縫剪切強度彡1MPa ;如果在對焊件的熱處理過程中從外界施加5?1MPa壓力，在空氣中溫度低于350°C時，焊縫剪切強度彡20MPa?
[0022]4、本發(fā)明的高溫焊膏實現(xiàn)了焊料合金化與焊接過程的統(tǒng)一，且為無鉛錫基焊膏，環(huán)保、成本低、耐腐蝕、界面潤濕性能好。
[0023]5、本高溫焊膏的制備方法，采用的是金屬粉末直接混合的方式，不需要金屬熔融成合金再霧化的方式，不僅使得制備方法簡單，而且有助于降低焊接溫度，當(dāng)焊膏達(dá)到錫熔解的溫度即可焊接。
[0024]6、本高溫焊膏采用直徑為0.1-1 μm的球形或近球形銅粉，其目的是小顆粒的球形或近球形銅粉在反應(yīng)中的表面積較大，能夠與融化的錫在高溫下反應(yīng)更充分。
[0025]7、本高溫焊膏采用的助焊劑的粘度為1-1OPa.S，其目的是將金屬粒子通過相互作用緊密結(jié)合在一起，從而使銅錫反應(yīng)更充分。
[0026]8、本高溫焊膏特別適用于組裝SiC等耐高溫材料的新型電子元件。
【附圖說明】
[0027]圖1銅錫合金相圖；
[0028]圖2實施例6焊縫材料的DSC分析曲線；
[0029]圖3實施例6焊縫成分顯微組織照片，
[0030]其中，A為焊件在氬氣氣氛中250?300°C熱處理3h后的焊縫為焊件在氬氣氣氛中250?300°C熱處理3h同時對焊件向涂抹焊膏區(qū)域施加壓強為1MPa的壓力后的焊縫。
【具體實施方式】
[0031 ] 高速混料機(jī):日本THINKY公司，型號AR-100 ；
[0032]萬能力學(xué)試驗機(jī):日本SHIMADZU公司，型號FL-100KN，N178901 ；
[0033]含天然松香的助焊劑、含水白松香的助焊劑購自深圳市永泰錫業(yè)有限公司；含歧化松香的助焊劑、馬來松香的助焊劑購自日本荒川化學(xué)公司；含氫化松香的助焊劑購自青島英太克錫業(yè)科技有限公司。
[0034]實施例1
[0035]將球形或近球形粒度為0.1 μ m的銅粉、粒度為I μ m的錫粉，加入粘度為IPa.s松香型助焊劑，通過高速混料機(jī)在1000轉(zhuǎn)/分鐘速率下，機(jī)械混合15min，得到所需焊膏；該焊膏各成分質(zhì)量百分比為，銅:錫:歧化松香助焊劑40%:40%:20%。
[0036]取2組紫銅片焊件，分別將上述制備的焊膏均勻涂抹在這2組紫銅片焊件上；A組在氬氣氣氛中250?300°C熱處理2h，隨爐冷卻組在氬氣氣氛中250?300°C熱處理2h，同時用熱壓機(jī)對焊件向涂抹焊膏區(qū)域施加壓強為5MPa的壓力，隨爐冷卻；
[0037]取出焊件，在空氣中用萬能力學(xué)試驗機(jī)測試焊接樣品的焊縫在350°C的剪切強度，A組焊縫剪切強度10.2MPa，B組焊縫剪切強度20.3MPa ；2組焊件的使用溫度均為400 ±5。。。
[0038]實施例2
[0039]將球形或近球形粒度為I μ m的銅粉、粒度為5 μ m的錫粉，加入粘度為8Pa.s的松香型助焊劑，通過高速混料機(jī)在1800轉(zhuǎn)/分鐘速率下，機(jī)械混合lOmin，得到所需焊膏；該焊膏各成分質(zhì)量百分比為，銅:錫:歧化松香助焊劑為20%:60%:20%。
[0040]取2組紫銅片焊件，分別將上述制備的焊膏均勻涂抹在2組紫銅片焊件上；A組在氮氣氣氛中250?300°C熱處理Ih ；B組在氮氣氣氛中250?300°C熱處理lh，同時用熱壓機(jī)對