一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料的制作方法

本发明属于锡基合金焊粉，具体涉及一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料。

背景技术：

1、锡铋合金焊料多适用于对温度敏感的电子封装场景，其共晶成分sn-58bi熔点仅为138℃，远低于sn-ag-cu（sac）系焊料的217℃，可有效降低焊接热预算，减少对热敏元件的热损伤，同时兼具成本优势与良好的抗拉强度。

2、但在实际应用中，至少具有以下问题：

3、1）bi相脆性

4、sn与bi在固态下几乎互不固溶，共晶sn-bi合金的典型微观组织为层片状交替分布的富sn相与富bi相；其中富bi相作为硬脆相，其本征塑性差、变形能力有限，在焊点承受应力时易成为裂纹萌生与扩展的优先通道，宏观上表现为焊点整体塑性与韧性不足，延展率通常较低。

5、2）组织易粗化

6、在服役温度下，sn-bi合金属共晶体系为降低界面能，富bi相会自发发生粗化长大，即ostwald熟化机制主导的微观组织演化过程。时效实验表明，sn-bi焊料在50℃老化过程中即发生明显的两相组织粗化，且焊料/基板界面处的sn会发生贫化，同时金属间化合物（imc）层持续生长，这种粗化不仅削弱了细晶强化效应，还使得富bi脆性相尺寸增大，应力集中倾向加剧。

7、3）焊点力学性能不足

8、bi相脆性与组织粗化的叠加效应最终体现为焊点力学性能的劣化。一方面，粗化后的富bi相因其脆性本质，在受力时更易发生解理断裂；另一方面，sn-bi焊点在时效后虽最大剪切应力可能略有提高，但延展性变化与失效模式的转变使得焊点在冲击载荷下的可靠性降低。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明一方面提供一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料，按重量百分比计，由以下组分组成：

2、bi：40.0~58.0%；

3、ni：0.3~0.8%；

4、tic纳米颗粒：0.05~0.2%；

5、余量为sn及不可避免的杂质。

6、优选地，所述tic纳米颗粒的粒径为10~100nm，纯度≥99.9%。

7、优选地，按重量百分比计，由以下组分组成：bi：50%、ni：0.6%、tic：0.15%及余量sn。

8、优选地，按重量百分比计，由以下组分组成：bi：52%、ni：0.5%、tic：0.1%及余量sn。

9、优选地，按重量百分比计，由以下组分组成：bi：55%、ni：0.4%、tic：0.08%及余量sn。

10、另一方面提供一种所述锡铋合金焊料的焊粉制备方法，包括以下步骤：

11、s01按配比称取各原料，将纯锡加热至350~400℃熔化，加入纯铋及ni源，保温30~60分钟，熔炼均匀，获得sn-bi-ni液态合金；

12、s02将tic纳米颗粒进行真空干燥预处理；

13、s03向s01的液态合金中加入tic纳米颗粒，采用超声波分散处理，使tic纳米颗粒均匀弥散分布于液态合金中；

14、s04将均匀分散有tic纳米颗粒的熔融合金温度控制在345~355℃，输送至雾化仓进行雾化制粉；

15、s05收集合金粉末，经冷却、筛分，获得t5~t6粒度的锡基合金焊粉。

16、优选地，s01中所述ni源为sn-ni中间合金。

17、优选地，s03所述超声波分散处理的频率为15~30khz、功率为1~10kw，处理时间为30~90分钟。

18、优选地，s04所述雾化方式为氮气雾化。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、本发明通过sn-bi-ni-tic四组分的有机配合，其中bi含量控制在40.0%~58.0%，既利用共晶反应降低熔点、减少热损伤，又通过适量bi的固溶强化与脆性相析出协同提升抗拉强度与抗蠕变性能，避免塑性急剧劣化；

21、ni的引入则一方面固溶于β-sn基体提供强度基础，另一方面生成细小ni3sn4颗粒钉扎晶界、抑制bi相粗化，同时优化界面imc层结构，抑制cu6sn5过度生长并形成更薄更致密的（cu,ni）6sn5层，显著提升界面热稳定性与抗剥离能力；

22、在此基础上，tic纳米颗粒以不分解、不反应的惰性弥散相形式均匀分布于基体中，通过orowan机制阻碍位错运动、通过zener效应钉扎晶界和相界面，进一步巩固ni所细化的组织、抑制bi相在多次回流与高温老化中的粗化，并降低焊料表面张力、改善润湿性、减少空洞缺陷。

23、三者之间形成清晰的协同链条，在维持sn-bi共晶低熔点（约139℃）优势以满足低温封装要求的同时，解决了bi相脆性、组织粗化及焊点力学性能不足的问题。

1.一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料，其特征在于，按重量百分比计，由以下组分组成：

2.根据权利要求1所述的一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料，其特征在于，所述tic纳米颗粒的粒径为10~100nm，纯度≥99.9%。

3.根据权利要求1所述的一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料，其特征在于，按重量百分比计，由以下组分组成：bi：50%、ni：0.6%、tic：0.15%及余量sn。

4.根据权利要求1所述的一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料，其特征在于，按重量百分比计，由以下组分组成：bi：52%、ni：0.5%、tic：0.1%及余量sn。

5.根据权利要求1所述的一种半导体封装用高性能锡铋合金焊料，其特征在于，按重量百分比计，由以下组分组成：bi：55%、ni：0.4%、tic：0.08%及余量sn。

6.一种如权利要求1-5任一项所述锡铋合金焊料的焊粉制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.一种如权利要求6任一项所述锡铋合金焊料的焊粉制备方法，其特征在于，s01中所述ni源为sn-ni中间合金。

8.一种如权利要求6任一项所述锡铋合金焊料的焊粉制备方法，其特征在于，s03所述超声波分散处理的频率为15~30khz、功率为1~10kw，处理时间为30~90分钟。

9.一种如权利要求6任一项所述锡铋合金焊料的焊粉制备方法，其特征在于，s04所述雾化方式为氮气雾化。