一種SnAgCu系無(wú)鉛釬料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種SnAgCu系無(wú)鉛釬料及制備方法，該釬料包含以下重量百分比的組分，Ag1％～2％，Cu0.2％～1.2％，Ni0.05％～0.08％，Bi2.5％～5％，Ga0.05％～0.1％，Er0.05％～0.2％，余量為Sn。本發(fā)明的一種SnAgCu系無(wú)鉛釬料，降低了制作成本，在保證釬料各項(xiàng)性能的前提下，添加的合金元素Ag及稀土元素Er所占比重少；加入合金元素Ag、Cu、Bi及稀土元素Er能改善釬料的潤(rùn)濕性，加入Cu元素提高了釬料的抗拉強(qiáng)度，加入Ga元素及稀土元素提高了合金的抗氧化性，同時(shí)由于這些合金元素的加入改善了釬料的組織，細(xì)化晶粒，提高了釬料組織的綜合性能，在制備過(guò)程中引入微型電磁振動(dòng)器，釬料的成分更加均勻。
【專利說(shuō)明】
一種SnAgGu系無(wú)鉛釬料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明一種SnAgCu系無(wú)鉛釬料及制備方法，屬于釬焊領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉛和鉛的化合物已被環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)列入前17種對(duì)人體和環(huán)境危害最大的化學(xué)物 質(zhì)之一。鉛的毒性在于它是不可分解的金屬，并且一旦被人體攝取會(huì)在人體中聚集而不能 被排出，鉛與人體內(nèi)蛋白質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈結(jié)合而抑制人體正常的生理功能，造成神經(jīng)系統(tǒng)和代謝 紊亂。同時(shí)鉛的廢棄物會(huì)污染土壤，滲入地下水，從而對(duì)生態(tài)構(gòu)成威脅。
[0003] Sn-Pb合金是一種用于釬焊組裝的傳統(tǒng)主流釬料，其熔點(diǎn)較低，使被焊接元器件的 應(yīng)力和應(yīng)變很小，能夠保證焊件尺寸，同時(shí)對(duì)電子器件的性能影響較小。此外有良好的導(dǎo)電 性和釬焊性，熱阻小，是微電子元件焊接的首選材料。但Sn-Pb釬料含有元素Pb，對(duì)人體及周 圍環(huán)境有很大影響。同時(shí)，Sn-Pb釬料組織不穩(wěn)定，各項(xiàng)機(jī)械性能低，抗蠕變性能差，已經(jīng)逐 漸不能滿足使用要求。因此研制出一種用于釬焊組裝的新型綠色環(huán)保無(wú)鉛釬料具有重要的 意義及作用。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)SnAgCu系無(wú)鉛釬料也有了一定的研究。中國(guó)公開(kāi)號(hào)為CN101024262A 的發(fā)明專利公開(kāi)了一種高強(qiáng)度高韌性含鎳SnAgCuRe無(wú)鉛釬料及制備方法，通過(guò)加入合金元 素 Ni有利于提高釬料合金的強(qiáng)度及韌性，同時(shí)加入稀土元素 Ce和La，改善釬料的潤(rùn)濕性及 綜合性能，但這種釬料的制備工藝較復(fù)雜，在制備過(guò)程中，要每半個(gè)小時(shí)將合金翻轉(zhuǎn)后再進(jìn) 行熔煉，同時(shí)這種釬料的固相線溫度為210°C左右，液相線與固相線溫度差為10~15°C，稍 微偏高。無(wú)鉛釬料理想的熔點(diǎn)溫度范圍為150~210°C或更接近Sn-Pb的共晶溫度（183 °C)， 液相線與固相線溫度差盡量減小，以保證合金在釬焊后能短時(shí)間內(nèi)凝固，從而避免開(kāi)裂。中 國(guó)公開(kāi)號(hào)為CN1346728A的發(fā)明專利公開(kāi)了一種含稀土多合金組元無(wú)鉛釬料合金，通過(guò)加入 稀土多合金組元使無(wú)鉛釬料合金的熔點(diǎn)低于210°C，甚至達(dá)到190°C，固液相線溫度差小于 15°C，同時(shí)釬料合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到了60MPa，延伸率不低于18%，但此種無(wú)鉛釬料由于稀 土元素的加入種類多將導(dǎo)致釬料的制作成本增加。中國(guó)公開(kāi)號(hào)為CN101780608A的發(fā)明專利 公開(kāi)了 一種含Si和Ge的SnAgCu系無(wú)鉛焊料，在降低Ag含量的前提下加入Si和Ge元素，同時(shí) 加入了 Ni、P或Co、P元素，降低了成本，提高了抗氧化性及潤(rùn)濕性。但是由于P在合金中不易 分散，且會(huì)在金屬分離的表面形成一層致密的集膚層，對(duì)進(jìn)一步加工帶來(lái)困難，同時(shí)對(duì)焊劑 的要求高，影響后續(xù)的焊接效果，并且該釬料也存在固相線溫度偏高（為217°C)的不足。中 國(guó)公開(kāi)號(hào)為CN104741820A的發(fā)明專利公開(kāi)了一種無(wú)鉛釬料，主要通過(guò)加入Ge來(lái)提高釬料的 抗氧化性，但僅通過(guò)加入Ge，釬料的抗氧化性能并不能得到較高的保障。中國(guó)公開(kāi)號(hào)為 CN1285443C的發(fā)明專利公開(kāi)了 一種含稀土的SnAgCuEr錫基無(wú)鉛釬料及其制備方法，在 SnAgCu的基礎(chǔ)上加入稀土元素 Er降低釬料的恪化溫度，改善釬料的合金組織，但僅僅通過(guò) 稀土元素 Er并不能有效提高釬料的潤(rùn)濕性及抗氧化性等綜合性能，且釬料制作過(guò)程周期 長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種SnAgCu系無(wú)鉛釬料 及制備方法，降低了制作成本，在保證釬料各項(xiàng)性能的前提下，添加的合金元素 Ag及稀土元 素 Er所占比重少。
[0006] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的SnAgCu系無(wú)鉛釬料，該釬料包含以下重 量百分比的組分，Agl% ~2%，Cu0.2% ~1.2%，Ni0.05% ~0.08%，Bi2.5% ~5%， Ga0.05%~0.1%，Er0.05%~0.2%，余量為Sn。
[0007] 作為優(yōu)選，該釬料包含以下重量百分比的組分：Agl.5%，Cu0.7%，Ni0.07%， Bi3.8%，Ga0.08%，Er0.12%，余量為Sn。
[0008] 作為優(yōu)選，所述釬料為箱帶狀，厚度為20~80μπι。
[0009] -種上述的SnAgCu系無(wú)鉛釬料的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)按成分質(zhì)量百分比稱取48、〇1、附1、6&43卩311制得混合物，并向裝有混合物 的容器中加入丙酮，攪拌得懸濁液，其中混合物與丙酮體積比為1:10~20;
[0011] 2)對(duì)步驟1得到的裝有懸濁液的容器進(jìn)行密封，并在常溫下超聲清洗5~8min;
[0012] 3)將步驟2超聲清洗后的在55-65Γ的溫度下進(jìn)行烘干，因?yàn)槭潜暻逑?，?酮極易揮發(fā)，過(guò)濾后用吹風(fēng)機(jī)即可快速烘干混合物，得到干燥的混合物；
[0013] 4)將干燥的混合物采用真空熔煉的方法制備成急冷釬料的母合金，將該母合金粉 碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0014] 5)將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并在石英管夾持器上 安裝0AB513002型微型電磁振動(dòng)器，將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為l-2mm;
[0015] 6)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械栗抽真空至1.5Xl(T2Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空 度不低于9 X l(T5Pa，然后向石英玻璃管內(nèi)充滿高純Ar氣至200mbar左右；
[0016] 7)開(kāi)啟電機(jī)，使銅輯轉(zhuǎn)速us = 25-30m/s，開(kāi)啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金 高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過(guò)熱熔體60-65s;
[0017] 8)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 25-60kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過(guò)熱熔體連續(xù)噴射 到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箱帶狀，從而得到急冷釬料，厚度為20 ~80μπι 〇
[0018] 本發(fā)明提供的SnAgCu系無(wú)鉛釬料中，各元素的選擇及作用如下：
[0019] 所述Ag元素，其主要作用為提高釬料的潤(rùn)濕性，考慮其成本，優(yōu)選質(zhì)量百分比1% ~2%〇
[0020] 所述Cu元素，隨著其含量的增加，提高了焊料的抗拉強(qiáng)度，增加合金的潤(rùn)濕性，當(dāng) Cu含量過(guò)高，易形成金屬間化合物Cu6Sn5,降低了焊點(diǎn)的可靠性，故優(yōu)選Cu質(zhì)量百分比為 0.2% ~1.2%〇
[0021]所述Ni元素，能與Cu形成無(wú)限固溶，抑制金屬間化合物Cu6Sn5的生成，同時(shí)Ni元素 能明顯改善釬料合金的結(jié)合形態(tài)，改善焊料的結(jié)晶組織，但Ni含量偏高時(shí)會(huì)弱化釬料的潤(rùn) 濕性，本發(fā)明中Ni的質(zhì)量百分比優(yōu)選0.05 %~0.08 %。
[0022]所示Bi元素，其主要作用是降低釬料固相線溫度，Sn-Bi共晶的熔點(diǎn)為138°C，同時(shí) Bi可以降低合金的表面張力，提高潤(rùn)濕性，但當(dāng)Bi含量過(guò)高時(shí)，固液相線溫度差變大，降低 釬料的適用性，優(yōu)選質(zhì)量百分比2.5 %~5 %。
[0023]所述Ga元素，對(duì)合金具有凈化效果和集膚效應(yīng)，提高了合金的抗氧化性，同時(shí)可以 細(xì)化晶粒，使晶粒的微觀組織結(jié)構(gòu)均勻化，優(yōu)選Ga質(zhì)量百分比為0.05%~0.1%。
[0024]所述Er元素，作為稀土元素，微量的Er能有效改善釬料的潤(rùn)濕性，降低固液相線溫 度差，微量的Er能抑制金屬間化合物Cu6Sn5的生成，但由于稀土元素的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?， 加入過(guò)多會(huì)影響釬料的流動(dòng)，降低潤(rùn)濕性，本發(fā)明中Er元素的質(zhì)量百分比優(yōu)選0.05%~ 0.2% 〇
[0025]有益效果:與現(xiàn)有無(wú)鉛釬料相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] (1)降低了制作成本，在保證釬料各項(xiàng)性能的前提下，添加的合金元素 Ag及稀土元 素 Er所占比重少；
[0027] (2)本發(fā)明的SnAgCu系無(wú)鉛釬料固相線溫度低，固液相線溫度差小，在釬焊過(guò)程中 能保證釬焊合金在段時(shí)間內(nèi)凝固，避免開(kāi)裂缺陷的產(chǎn)生；
[0028] (3)加入合金元素 Ag、Cu、Bi及稀土元素 Er能改善釬料的潤(rùn)濕性，加入Cu元素提高 了釬料的抗拉強(qiáng)度，加入Ga元素提高了合金的抗氧化性，同時(shí)由于這些合金元素的加入改 善了釬料的組織，細(xì)化晶粒，提高了釬料組織的綜合性能，在制備過(guò)程中引入微型電磁振動(dòng) 器，釬料的成分更加均勻。
【具體實(shí)施方式】
[0029] -種SnAgCu系無(wú)鉛釬料組分的質(zhì)量百分比如下表1所示：
[0030] 表 1
[0031]
[0033]按照上述三種實(shí)施例中元素的質(zhì)量百分比制備無(wú)鉛釬料，制備步驟包括：
[0034] l)按成分質(zhì)量百分比稱取Ag、Cu、Ni、Bi、Ga、Er和Sn制得混合物，并向裝有混合物 的容器中加入丙酮，攪拌得懸濁液，其中混合物與丙酮體積比為1:10~20;
[0035] 2)對(duì)步驟1得到的裝有懸濁液的容器進(jìn)行密封，并在常溫下超聲清洗5~8min;
[0036] 3)將步驟2超聲清洗后的混合物在55-65°C左右的溫度下進(jìn)行烘干，得到干燥的混 合物；
[0037] 4)將干燥的混合物采用真空熔煉的方法制備成急冷釬料的母合金，將該母合金粉 碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0038] 5)將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并在石英管夾持器上 安裝0AB513002型微型電磁振動(dòng)器，將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為l-2mm;
[0039] 6)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械栗抽真空至1.5Xl(T2Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空 度不低于9 X l(T5Pa，然后向石英玻璃管內(nèi)充滿高純Ar氣至200mbar左右；
[0040] 7)開(kāi)啟電機(jī)，使銅輯轉(zhuǎn)速us = 25_30m/s，開(kāi)啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金 高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過(guò)熱熔體60-65s;
[0041 ] 8)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 25-60kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過(guò)熱熔體連續(xù)噴射 到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箱帶狀，從而得到急冷釬料，厚度為20 ~80μπι〇
[0042] 表2為實(shí)施例與對(duì)比例所采用的元素組成以及性能差別的對(duì)比表。
[0043] 表 2
[0044]
[0046]通過(guò)表2得出：由實(shí)施例1-3制得的無(wú)鉛釬料，固相線溫度在204~209°C之間，固液 相線溫度差在6~7°C之間，潤(rùn)濕角在23.6~25.2°之間，抗拉強(qiáng)度在47~52MPa之間，說(shuō)明制 備的無(wú)鉛釬料固相線溫度低，潤(rùn)濕性好，接頭抗拉強(qiáng)度高。
[0047] 對(duì)比例1~5與實(shí)施例1~3相比，對(duì)比例1中除了元素 Ag、Cu，其它元素均未添加，其 綜合性能明顯低于實(shí)施例1~3,主要表現(xiàn)在固相線溫度升高，固液相線溫度差增大，潤(rùn)濕性 降低，同時(shí)抗拉強(qiáng)度也降低;對(duì)比例2中沒(méi)有添加合金元素 Bi，Bi的作用主要是降低固相線 溫度，由數(shù)據(jù)可知，當(dāng)缺少元素 Bi時(shí)，其固相線溫度要高于實(shí)施例1~3;對(duì)比例3中沒(méi)有添加 稀土元素 Er，微量Er的作用是改善潤(rùn)濕性，降低固液相線溫度差，同時(shí)提高釬料的抗氧化 性，當(dāng)缺少Er時(shí)，對(duì)比例3潤(rùn)濕角與固液相線溫度差均有所增大，并且在對(duì)釬料合金的抗氧 化性測(cè)試中，浸焊5小時(shí)后lKg合金產(chǎn)生的氧化渣高于實(shí)施例1-3;對(duì)比例4中稀土元素 Er含 量增大，潤(rùn)濕角有明顯影響增大。對(duì)比例5中沒(méi)有加入合計(jì)元素 Ga，Ga的主要作用是提高釬 料的抗氧化性，由抗氧化性測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬料中缺少Ga時(shí)，浸焊5小時(shí)后lKg合金產(chǎn)生的 氧化渣量要比實(shí)施例1-3高出一倍左右。
[0048]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種SnAgCu系無(wú)鉛釬料，其特征在于:該釬料包含以下重量百分比的組分，Agl %~ 2%，Cu0.2%~1.2%，Ni0.05%~0.08%，Bi2.5%~5%，Ga0.05%~0.1%，Er0.05%~ 0.2%，余量為311。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SnAgCu系無(wú)鉛釬料，其特征在于，該釬料包含以下重量百分比 的組分:Agl.5%，Cu0.7%，Ni0.07%，Bi3.8%，Ga0.08%，Er0.12%，余量為Sn。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SnAgCu系無(wú)鉛釬料，其特征在于:所述釬料為箱帶狀，厚度為 20 ~80μπι。4. 一種如權(quán)利要求1至3所述的SnAgCu系無(wú)鉛釬料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟： 1) 按成分質(zhì)量百分比稱取Ag、Cu、Ni、Bi、Ga、Er和Sn制得混合物，并向裝有混合物的容 器中加入丙酮，攪拌得懸濁液，其中混合物與丙酮體積比為1:10~20; 2) 對(duì)步驟1得到的裝有懸濁液的容器進(jìn)行密封，并在常溫下超聲清洗5~8min; 3) 將步驟2超聲清洗過(guò)濾后的混合物，在55-65Γ的溫度下進(jìn)行烘干，得到干燥的混合 物； 4) 將干燥的混合物采用真空熔煉的方法制備成急冷釬料的母合金，將該母合金粉碎 后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)； 5) 將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并在石英管夾持器上安裝 0AB513002型微型電磁振動(dòng)器，將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為l-2mm; 6) 關(guān)閉爐門，采用機(jī)械栗抽真空至1.5Xl(T2Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不 低于9 X HT5Pa，然后向石英玻璃管內(nèi)充滿高純Ar氣至200mbar左右； 7) 開(kāi)啟電機(jī)，使銅輯轉(zhuǎn)速us = 25-30m/s，開(kāi)啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻 感應(yīng)加熱至完全均勻恪融后，保溫過(guò)熱恪體60-65s; 8) 將Ar氣氣壓調(diào)制P = 25-60kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過(guò)熱熔體連續(xù)噴射到高 速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，從而得到急冷釬料。
【文檔編號(hào)】B23K35/26GK105945447SQ201610488123
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】鄒家生, 許祥平, 汪鴻, 劉啟明
【申請(qǐng)人】江蘇陽(yáng)明船舶裝備制造技術(shù)有限公司