本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度高延伸率snpbsbinau合金焊料及制備方法，屬于先進(jìn)電子封裝領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、隨著半導(dǎo)體和電子工業(yè)的飛速發(fā)展，光電轉(zhuǎn)化模塊、智能輔助駕駛用汽車?yán)走_(dá)、5g通信設(shè)備、醫(yī)療器械、導(dǎo)航衛(wèi)星和終端、軍用微波模塊等產(chǎn)品性能的競爭已日趨白熱化，據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)電子設(shè)備70％以上的故障原因?yàn)榉庋b焊點(diǎn)的失效，因此，上述諸多產(chǎn)品對于基礎(chǔ)共性的微電子封裝技術(shù)也提出了更高可靠性的要求，開發(fā)新型高強(qiáng)度的微電子封裝用釬料合金已亟不可待。

2、目前，無鉛釬料合金因?yàn)榉庋b強(qiáng)度、潤濕性、易氧化、抑制錫須等綜合性能方面與sn-pb系釬料合金尚有一定差距，因此在上述高可靠應(yīng)用場景下的電子產(chǎn)品中，仍然以應(yīng)用sn-pb系釬料合金為主，同時(shí)為了提升可靠性和產(chǎn)品使用壽命，封裝界面也多采用鍍金處理，然而，一方面釬焊表面鍍金層的電子產(chǎn)品，為了避免“金脆”現(xiàn)象，必須先進(jìn)行搪錫去金處理，另一方面隨著電子產(chǎn)品性能的提升以及嚴(yán)苛的服役環(huán)境條件等因素共同影響下，采用錫鉛共晶焊料，常發(fā)生封裝界面冶金結(jié)合層開裂問題，分析原因是錫鉛共晶焊料強(qiáng)度和抗應(yīng)力能力差導(dǎo)致的焊點(diǎn)開裂，以及釬焊過程中金元素向焊接界面擴(kuò)散遷移所導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度高延伸率snpbsbinau合金焊料，釬料合金為多元近共晶熔點(diǎn)，合金熔化溫度為180℃～185℃，推薦釬焊溫度200～210℃，可替代sn-37pb共晶焊料，其具備高延伸率、耐低溫、高抗蠕變以及苛刻的復(fù)雜環(huán)境長壽命服役優(yōu)點(diǎn)，可直接焊接鍍金件，“蝕金”風(fēng)險(xiǎn)低，無需搪錫處理，滿足高可靠應(yīng)用場景下的電子產(chǎn)品的微電子封裝及輕質(zhì)合金高強(qiáng)度低溫釬焊需求。

2、本發(fā)明的另一目的是提供高延伸率snpbsbinau合金焊料的制備方法。采用該制備方法獲得合金箔帶、絲材、粉膏體，滿足高可靠應(yīng)用場景下的電子產(chǎn)品的微電子封裝及輕質(zhì)合金高強(qiáng)度低溫釬焊需求。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

4、一種高強(qiáng)度高延伸率snpbsbinau合金焊料，按重量百分比由以下組分組成：pb33.0～36.5wt％，sb?2.0～4.0wt％，in?1.5～3.5wt％，au?2.0～3.5wt％，p0.005～0.012wt％，余量為sn，上述組分總量100％。

5、其中，各元素的優(yōu)化重量百分比的組成為：

6、所述pb元素添加質(zhì)量百分比優(yōu)選為34.0～35.0wt％；

7、所述sb元素添加質(zhì)量百分比優(yōu)選為2.8～3.5wt％；

8、所述in元素添加質(zhì)量百分比優(yōu)選為2.2～2.8wt％；

9、所述au元素添加質(zhì)量百分比優(yōu)選為2.5～3.2wt％；

10、所述p元素添加質(zhì)量百分比優(yōu)選為0.008～0.01wt％。

11、本發(fā)明設(shè)計(jì)一款替代sn-37pb的共晶焊料，滿足高可靠應(yīng)用場景下的電子產(chǎn)品的微電子封裝，且熔點(diǎn)為180～185℃左右的近共晶焊料，主要設(shè)計(jì)思路為首先合金組分選擇為sn-pb體系，通過設(shè)計(jì)獲得sn-38.1pb二元共晶成分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化：

12、①添加少量sb元素，對sn元素?cái)U(kuò)散起到抑制作用，可解決焊料對鍍金器件金鍍層的侵蝕現(xiàn)象，同時(shí)可以調(diào)控合金熔點(diǎn)，提高焊料抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)sb元素含量低于2.0wt％，對焊料熔點(diǎn)和強(qiáng)度影響不大，sb元素含量高于4wt％，與sn元素形成較多的sn2sb3金屬間化合物，影響焊料加工塑性。

13、②添加少量in元素，可優(yōu)化合金熔點(diǎn)，并可優(yōu)先與鍍層生成auin化合物，相較于ausn化合物，其韌性更好，同時(shí)提高焊料延伸性能，提高焊料真空低溫釬焊潤濕動(dòng)力，并可以進(jìn)一步提高焊料低溫環(huán)境下力學(xué)性能，可以有效抑制錫鉛合金低溫相變，使得焊料在極端低溫下，依舊保持優(yōu)異的力學(xué)性能，而in元素超過超過3.5wt％，會(huì)有更低熔點(diǎn)相析出。

14、③添加少量au元素，可提高焊料強(qiáng)度，優(yōu)化合金熔點(diǎn)，避免焊料對鍍金器件出現(xiàn)“蝕金”現(xiàn)象，同時(shí)可以提高焊料焊后接頭強(qiáng)度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)au元素控制在2.0～3.5wt％，即可以起到性能優(yōu)化作用，又可以獲得合理熔化溫度，且不會(huì)帶來合金加工性能的惡化。

15、④添加微量p元素，作為抗氧化改性元素，可凈化熔體，合金熔融狀態(tài)下p元素接觸空氣形成氧化磷膜，覆蓋熔體表面，阻礙空氣接觸合金熔體，避免熔體吸氣氧化，p元素含量低于0.008wt％，作用不明顯，p元素含量高于0.01wt％，造成合金塑性下降，生成有害雜質(zhì)，進(jìn)而影響焊料成形，焊點(diǎn)性能下降。

16、另一方面，本發(fā)明提供上述高強(qiáng)度高延伸率snpbsbinau合金焊料的制備方法，該方法包括下述步驟：

17、(1)原材料選擇及中間合金制備

18、按照上述高強(qiáng)度高延伸率snpbsbinau合金焊料的組成，將高純sn、pb、sb、in、au和p作為原料；

19、采用真空中頻感應(yīng)熔煉方式，分別制備sn-pb中間合金、sn-sb中間合金、sn-in中間合金、sn-au中間合金金；采用非真空感應(yīng)熔煉方式，制得sn-p中間合金；

20、(2)非真空電阻熔煉

21、將步驟(1)制得的中間合金，按共晶中溫焊料各元素重量百分比，計(jì)算各元素投料重量和中間合金投料重量；采用電阻熔煉爐，將sn錠放入電阻熔煉爐的氧化鋁坩堝中，加熱升溫，待sn錠全部熔化后，依次加入snp、snpb、snsb、snau、snin中間合金，待中間合金全部熔清后，降溫至精煉溫度，保溫后，添加水白氫化松香，對合金熔體充分?jǐn)嚢?，完成脫氣，并除去表面浮渣，升溫至壓鑄溫度并保溫；

22、(3)快冷壓力鑄造

23、將步驟(2)獲得的熔融合金熔體，采用垂直壓鑄方式，坩堝內(nèi)充入高純惰性氣體，熔體在氣體壓力下，流入并填充石墨鑄造模具，迅速完成合金鑄錠成型，制得成分均勻、imc細(xì)小的合金鑄錠，尺寸為直徑30～150mm，高度100n500mm；

24、(4)焊料成型

25、a.箔帶材制備

26、將步驟(3)獲得的合金鑄錠，采用臥式擠壓機(jī)，制備出無缺陷板坯，尺寸為厚度1～6mm，寬度10～120mm。板坯經(jīng)冷輥軋制，制備出厚度0.03～0.1mm，寬度10n120mm的箔帶材，成卷。

27、b.絲材制備

28、將步驟(3)獲得的合金鑄錠，采用臥式擠壓機(jī)，制備出直徑0.3～2.0mm的絲材，在塑料工字軸上密排復(fù)繞。

29、c.粉膏體制備

30、將步驟(3)獲得的合金鑄錠，采用真空氣霧化制粉方式，制備出粉體粒徑為10～15μm(d50)球形粉體，搭配低溫助焊劑，采用行星式離心脫氣制備焊膏；

31、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分比，所述sn的純度為99.999％，pb的純度為99.999％，sb的純度為99.999％，au的純度為99.999％，in的純度為99.999％，p的純度為99.99％。

32、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述sn-pb中間合金中pb的含量為50wt％，余量為sn；sn-sb中間合金中sb的含量為50wt％，余量為sn；sn-in中間合金中in的含量為50wt％，余量為sn；sn-au中間合金中au的含量為80wt％，余量為sn；sn-p中間合金中p含量為5wt％，余量為sn。

33、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟(2)的精煉溫度為280～300℃，保溫時(shí)間為2～5min，氫化松香的加入量為合金投料總量的0.05wt％。

34、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟(3)的壓力鑄造溫度為220～250℃，充惰性氣體壓力為5～8mpa，填充速度為50～80m/s，凝固時(shí)間小于1s，石墨模具外部通冷卻管道，冷卻介質(zhì)為超純水。

35、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟a箔帶材制備過程采用臥式擠壓機(jī)，擠壓力為0.5～5mpa，擠壓速度為200～600mm/min，擠壓比為30～100，擠壓溫度5～25℃；所述冷軋工藝選用兩輥可逆冷軋機(jī)和四輥可逆冷軋機(jī)，冷軋制的溫度為5℃～25℃，冷軋道次加工率為15％～20％，張力大小為0～5kn。

36、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟b絲材制備過程采用臥式擠壓機(jī)，擠壓力為4～10mpa，擠壓速度為80～200mm/min，擠壓比為45～2000，擠壓溫度5～25℃，擠壓模子?？讛?shù)目為3～5。

37、如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟c粉膏體制備過程的霧化器選擇環(huán)孔方式，高壓氣體選擇高純氬氣，霧化氣體壓力為8～9mpa，噴射角度為60°，熔體出導(dǎo)流管至霧化點(diǎn)距離為2mm，助焊劑選擇松香基樹脂中等活性助焊劑，合金粉體與助焊劑按比例(85～90)：(10～15)，采用行星式離心脫氣制備焊膏，離心速度：500～1500rpm，罐內(nèi)真空小于10-1pa。

38、本發(fā)明的有益效果在于以下幾個(gè)方面：

39、1、本發(fā)明方法制造的高延伸率snpbsbinau合金焊料適宜高可靠應(yīng)用場景下的電子產(chǎn)品的微電子封裝，用于釬焊鍍金器件，作為可替代sn-37pb共晶焊料，實(shí)現(xiàn)低溫釬焊封裝。進(jìn)一步提升了光伏、車載電子、醫(yī)療器械、航空航天、軍工電子等產(chǎn)品微電子封裝的可靠性。

40、2、本發(fā)明方法制造的高延伸率snpbsbinau合金焊料熔點(diǎn)適中，熔化溫度為180℃～185℃，組分進(jìn)一步優(yōu)化后，可獲得熔化溫度為182℃～185℃的共晶焊料，與sn-37pb共晶焊料(共晶熔點(diǎn)183℃)相當(dāng)。

41、3、本發(fā)明方法制造的snpbsbinau合金焊料的釬焊工藝性優(yōu)異，具備高延伸率、高強(qiáng)度、耐低溫、高抗蠕變，常溫下測試延伸率超過110％，可以適應(yīng)封裝界面不同材料特性帶來的線膨脹系數(shù)差異，有效解決因應(yīng)力集中導(dǎo)致鍍層開裂剝離問題，保證電子產(chǎn)品在嚴(yán)苛環(huán)境下的服役可靠性，釬焊鍍au器件獲得焊縫連續(xù)致密，imc較少，可靠性高。

42、4、本發(fā)明方法制造的snpbsbinau合金焊料，對鍍au具備優(yōu)異浸潤性，釬焊鍍金器件無需預(yù)先搪錫處理，可用于直接焊接鍍金件，基本沒有“蝕金”風(fēng)險(xiǎn)。

43、5、本發(fā)明方法制造的snpbsbinau合金焊料抗極端低溫相變能力強(qiáng)，并且拉剪強(qiáng)度隨溫度降低呈上升趨勢，低溫環(huán)境下力學(xué)性能更加優(yōu)異，能夠有效滿足嚴(yán)苛環(huán)境下的使用要求，保證了電子器件在極端低溫環(huán)境下的服役壽命。

44、6、本發(fā)明的snpbsbinau合金焊料釬焊輕質(zhì)合金，無需釬焊后熱處理，焊接后強(qiáng)度可達(dá)80mpa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的錫鉛等焊料，綜合使用成本與傳統(tǒng)al基、zn基釬料接近。

45、7、本發(fā)明公開的制備方法，覆蓋了snpbsbinau合金焊料產(chǎn)品規(guī)格，并具備短流程、高效率，適合于批量穩(wěn)定生產(chǎn)。制得成品內(nèi)部氣孔極少、缺陷少、imc細(xì)小，邊緣無裂紋，成材率高，成品表面潔凈度高，無油，平整度一致性高，可加工任意預(yù)成型制品，也適合軟釬焊料批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

46、8、本發(fā)明的snpbsbinau合金焊料除了能夠在應(yīng)用在高性能高可靠電子產(chǎn)品中，還可以滿足輕質(zhì)合金(如鋁合金、鎂合金等)的高強(qiáng)度低溫釬焊。傳統(tǒng)的輕質(zhì)合金釬焊一般采用a1基、zn基釬料來完成封裝連接，但此類封裝溫度較高，需要一次熱處理且輕質(zhì)合金本體容易變形。本發(fā)明的snpbsbinau合金焊料針對上述輕質(zhì)合金一次焊接后強(qiáng)度可達(dá)80mpa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的錫鉛等焊料；同時(shí)基材可以無需釬焊后熱處理，綜合使用成本與傳統(tǒng)a1基、zn基釬料接近。