專利名稱：高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子用材料的加工技術(shù)領(lǐng)域，為一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料及制備方法。
背景技術(shù)：
目前，出于環(huán)境保護和人類健康考慮，且隨著半導(dǎo)體制品向小型化、大規(guī)模、高集成化方向發(fā)展，特別是針對高密度組裝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研制和開發(fā)新型微電子用無鉛釬料已成為熱點。微連接釬焊接頭作為電子組裝中連接元器件與焊盤的橋梁，為滿足電子工業(yè)對其可靠性不斷增長的要求，要求無鉛釬料必須具備高強度高韌性特征，以確保其在服役過程中能可靠運行。但最新研究報告發(fā)現(xiàn)在長期服役尤其在沖擊載荷條件下，由于微連接焊點塑性儲備不足而釬焊接頭失效。對于SnAgCu系也包含SnAgCuRE釬料焊點而言，其強度雖然高于SnPb釬料，但是其韌性差塑性儲備不足，由此引起焊點脆化問題時有發(fā)生，因此亟待研究和開發(fā)高強度高韌性高可靠性無鉛釬料。
美國專利5,527,628報道了SnAgCu釬料的共晶成分Sn4.7％Ag1.7Cu，其熔點為217℃，但該發(fā)明釬料成本較高。日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社和千住金屬工業(yè)株式會社注冊的專利1,198,117報道了無鉛釬料為7wt.％～10wt.％Zn；0.01wt.％～1wt.％Ni、0.1wt.％～3.5wt.％Ag以及0.1wt.％～3wt.％Cu中的至少一種；任選的是含有0.2wt.％～3wt.％In和0.001wt.％～1wt.％P中的至少一種；其余為Sn，但該釬料10％的延伸率較低，韌性不夠且不易于加工。美國專利6,231,691報道的無鉛釬料為Sn4.7％Ag1.7Cu中加入不超過1wt.％Ni、Fe等元素，雖然提高了釬料接頭顯微組織的穩(wěn)定性，但由于Ag的含量過高因而不利于推廣。中國專利CN1346728A公開了一種適用于電子封裝與組裝釬焊的含稀土的無鉛釬料其中稀土為La和Ce的混合稀土或La和Ce混合稀土加Pr、Nd中的一種或兩種，Sn(0.1～5％)Ag(0.1～1％)Cu(0.1～8％)Bi(0.1～7.5％)In(0～8％)Sb(0.01～2％)稀土。該專利指出為了進(jìn)一步降低熔點，加入一定量的In、Bi。然而隨著一些大的公司相繼推出了適用于無鉛釬料的波峰焊機和載流焊機，其釬焊的峰值溫度已可以達(dá)到250℃左右，因此在沒有明顯提高產(chǎn)品的綜合性能的前提下，加入一些為了降低釬料熔點的元素，如等In、Bi，已變得不再必要，同時該釬料延伸在18％左右，小于SnPb釬料，因此釬焊接頭易產(chǎn)生脆化問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有無鉛釬料及應(yīng)用技術(shù)中存在問題，提供了一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料及制備方法，其制造成本低，具有高強度、高韌性，適中的固液相線溫度，良好濕潤性能，實用性強，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)SnAgCu系列，和不含鎳的SnAgCuRE釬料。
所述的高強度高韌性含鎳、SnAgCuRE無鉛釬料，含有重量百分比為1.8～3.2％的Ag，0.5～1.5％的Cu，0.01～3.0％的Ni，0.01～1.0％的市售Ce和La基混合稀土，其余為Sn。
一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法；(1)按銅∶混合稀土＝1∶1的重量比，在ZHW-A非自耗電弧爐的真空爐中熔煉制備出中間合金，其真空度為4×10-3Pa、電流為500A～580A、電壓為20V～25V。
(2)按所需比例取一定比例的中間合金，Sn、Ag、Cu與Ni在真空爐中進(jìn)行熔煉，真空度為4×10-3Pa、電流為450A～500A、電壓為16V～20V。
(3)制備過程中，為保證合金組織均勻性，每半個小時將合金翻轉(zhuǎn)后再進(jìn)行熔煉。
具體實施例方式
一將350毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，68208毫克的錫，1260毫克的銀，175毫克的銅和7毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金。之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
具體實施例方式
二將14毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，65730毫克的錫，1540毫克的銀，616毫克的銅和2100毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金。之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
具體實施例方式
三將1400毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，65710毫克的錫，2240毫克的銀，350毫克的銅和300毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金。之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
具體實施例方式
四將560毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，67060毫克的錫，1890毫克的銀，280毫克的銅和210毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金。之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
具體實施例方式
五將140毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，67655毫克的錫，1750毫克的銀，420毫克的銅和35毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金。之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
采用如上所述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性通過若干實例的試驗數(shù)據(jù)，無鉛釬料改進(jìn)后的性能，并與在相同條件下獲得的SnAgCuRE釬料以表1、表2形式進(jìn)行比較。
表1是5種含鎳SnAgCuRE無鉛釬料及SnAgCuRE釬料成分表，RE表示稀土，同時還通過差熱分析方法，給出了固液相線溫度。
從表1中可以看出，實施例1-5具有與SnAgCuRE無鉛釬料相近似的熔化溫度范圍，適合目前無鉛釬料工藝條件。
表1

表2是本發(fā)明實例1-5與SnAgCuRE無鉛釬料的室溫下拉伸強度、延伸率和剪切強度的比較。可以看出本發(fā)明的含鎳的SnAgCuRE無鉛釬料的延伸率與SnAgCuRE無鉛釬料相比有了顯著提高，，尤其實施例4和實施例5釬料。與對比例相比，實施例4釬料抗拉強度、鋪展性能、剪切強度均有不同程度改善，且延伸率提高了19.5％；實施例5不僅機械性能明顯提高，釬焊工藝性能明顯改善，且延伸率提高了57.7％。
表2

權(quán)利要求
1.一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料，含有重量百分比為1.8～3.2％的Ag，0.5～1.5％的Cu，0.01～1.0％的市售Ce和La基混合稀土，其特征在于所述的無鉛釬料，其成分中再添加重量百分比為0.01～3.0％的Ni元素，其余量為Sn，制作出含鎳的SnAgCuRE無鉛釬料。
2.一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法，按照上述重量比稱重，按如下步驟操作(1)按銅∶混合稀土＝1∶1的重量比，在ZHW-A非自耗電弧爐的真空爐中熔煉制備出中間合金，其真空度為4×10-3Pa、電流為500A～580A、電壓為20V～25V；(2)按所需比例取一定比例的中間合金，Sn、Ag、Cu與Ni在真空爐中進(jìn)行熔煉，真空度為4×10-3Pa、電流為450A～500A、電壓為16V～20V；(3)制備過程中，為保證合金組織均勻性，每半個小時將合金翻轉(zhuǎn)后再進(jìn)行熔煉。
3.實施如權(quán)利要求1或2所述的高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法，其特征在于將350毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，68208毫克的錫，1260毫克的銀，175毫克的銅和7毫克的鎳；在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金；之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
4.實施如權(quán)利要求1或2所述的高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法，其特征在于將14毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，65730毫克的錫，1540毫克的銀，616毫克的銅和2100毫克的鎳；在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金；之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
5.實施如權(quán)利要求1或2所述的高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法，其特征在于將1400毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，65710毫克的錫，2240毫克的銀，350毫克的銅和300毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金，之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
6.實施如權(quán)利要求1或2所述的高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法，其特征在于將560毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，67060毫克的錫，1890毫克的銀，280毫克的銅和210毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金，之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
7.實施如權(quán)利要求1或2所述的高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料的制備方法，其特征在于將140毫克銅∶混合稀土為1∶1的中間合金，67655毫克的錫，1750毫克的銀，420毫克的銅和35毫克的鎳在真空度為4×10-3Pa的條件下引弧，在電流為480A、電壓為20V的條件下熔煉5分鐘，熔煉過程中通過移動電極來攪拌熔融的合金，之后在真空條件下冷卻至室溫，取出翻轉(zhuǎn)后放入爐中在相同條件下再次進(jìn)行熔煉，冷卻后備用。
全文摘要
一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRE無鉛釬料及制備方法，其組份中含有重量百分比為1.8～3.2％的Ag，0.5～1.5％的Cu，0.01～1.0％的市售Ce和La基混合稀土，再添加0.01～3.0％的Ni元素，其余量為Sn；操作步驟(1)按銅∶混合稀土＝1∶1的重量比，在真空爐中熔煉制備出中間合金，其真空度為4x10
文檔編號C22C1/03GK101024262SQ200610017450
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者張柯柯, 閆焉服, 程光輝, 劉亞民, 樊艷麗, 王要利, 余陽春, 楊潔 申請人:河南科技大學(xué)