專利名稱：彌散強(qiáng)化的鉛-錫合金釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉛-錫合金釬料，特別是彌散強(qiáng)化的鉛-錫合金釬料。對微型化日漸增長的需要和微電子工業(yè)中表面鑲嵌技術(shù)的采用對釬料提出了更加嚴(yán)格的要求，這些釬料不但起著機(jī)械互連作用，而且在表面鑲嵌器件(SMD)和印刷電路板之間起著電氣插頭的作用。
在這些條件下所使用的焊接接縫由于溫度的循環(huán)變化經(jīng)常受到損壞。在電路底板加工中所用的高溫過程中和由于環(huán)境及部件電力循環(huán)中溫度波動的結(jié)果可能會產(chǎn)生這樣的溫度循環(huán)變化。由于在大多數(shù)部件和基片之間通常發(fā)生的固有的熱膨脹不協(xié)調(diào)所引起的剪應(yīng)力的發(fā)展，溫度的循環(huán)變化往往使焊接接縫受到削弱，這些組件的使用溫度相對于絕對熔點(diǎn)來說是相當(dāng)高的。因此，這些釬料的顯微組織在常用的操作條件下便趨于高度地不穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定的顯微組織導(dǎo)致再結(jié)晶和晶粒長大，從而使強(qiáng)度降低。所以焊接接縫便可能易于疲勞開裂。
為了消除上述問題或減輕其程度，已發(fā)現(xiàn)在軟熔后穩(wěn)定釬料的顯微組織是非常有益的。為了實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定作用，可以采用兩種方法。一種方法是沉淀硬化，其中從固溶體中析出一種平衡相的細(xì)小均勻的彌散相。另一種方法是采用彌散強(qiáng)化，其中通過外加手段將附加材料引入釬料中。
雖然兩種方法均可產(chǎn)生強(qiáng)度較高和顯微組織控制較好的焊接接縫，但這些方法的任一種的應(yīng)用中都存在著一定的問題。沉淀硬化的方法由于幾方面的原因而難以采用。所述原因包括所加入的材料必須與金屬基體相適應(yīng);沉淀必須在嚴(yán)格限定的溫度范圍內(nèi)僅從固態(tài)發(fā)生;由于使其形成的同樣擴(kuò)散過程很可能會使結(jié)果所產(chǎn)生的沉淀物迅速粗化，而這些粗化的沉淀物對焊接接縫的力學(xué)性能可能是有害的。
另一種可以采用的方法是使用外來的彌散體，這種方法由于能較好的控制焊接接縫的顯微組織因而優(yōu)于沉淀硬化方法，此外，可以加入到金屬基體中去的強(qiáng)化材料也有較大的選擇余地。
但是，微電子工業(yè)中所用的釬料在用于形成焊接接縫之前，通常必須經(jīng)歷熔化和再凝固過程。在這些過程中，固相常從熔體中被排斥出來，或在溶體中發(fā)生粒子團(tuán)聚。所以人們認(rèn)為，對于有用的彌散強(qiáng)化的鉛-錫合金釬料的生產(chǎn)來說，必定意味著彌散于釬料中的材料當(dāng)存在于焊接接縫時能抵制從熔體中排除并阻止粗化。
希爾(Hill)等(見美國專利4，018，599)指出，在黃金中通過CeO2的彌散分布實(shí)現(xiàn)金接點(diǎn)的彌散強(qiáng)化。希爾等(美國專利4，018，630)指出在銀中通過CeO2的彌散分布實(shí)現(xiàn)銀接點(diǎn)的彌散強(qiáng)化。鮑恩斯太(Bornsteln)(美國專利4，834，939)指出一種銀基接點(diǎn)材料，其中彌散分布有氧化鎘和鎳的微粒。但是這些專利中沒有一份涉及到鉛-錫合金釬料的彌散強(qiáng)化。
瑞士專利CH 317，776指出一種銅鎳釬料合金，其中彌散分布有1.1-1%(重量)的鋅，在這份瑞士專利中，沒有關(guān)于鋅導(dǎo)致釬料彌散強(qiáng)化的提示。此外，在該瑞士專利中也沒有任何提示說該專利所述主要用于偏壓的銅-鎳合金與用于制作焊接接縫的鉛-錫釬料多少有一點(diǎn)相關(guān)。
日本專利54-152493指出，由金-錫合金形成的焊接接縫可以通過加入少量鎳而得到改善。這份日本專利還指出，焊接接縫的強(qiáng)度和硬度得到了改善，并且通過加熱在焊接接縫形成過程中鎳形成了Ni3Sn4。
采用此專利的方法所產(chǎn)生的接縫的強(qiáng)化是由于沉淀硬化所致。因此，所形成的沉淀物(Ni3Sn4)的分布和數(shù)量和因此所致的接縫的強(qiáng)度便取決于所用的焊接工藝及隨后的熱處理。
本發(fā)明的主要目的是，提供一種形成提高強(qiáng)度和耐久性的焊接接縫的鉛-錫合金釬料。本發(fā)明的特定目的是提供改進(jìn)的彌散強(qiáng)化的鉛-錫合金釬料。本發(fā)明的另一目的是提供一種將兩個部件釬焊在一起的方法，接縫具有改進(jìn)的強(qiáng)度和耐久性。本發(fā)明的這些目的以及其他目的從下面說明書中將會明顯地看出。
按照本發(fā)明，制備了一種彌散強(qiáng)化的鉛-錫合金釬料，它含有鎳-錫金屬間化合的鎳-錫微粒或金屬硫化物，其數(shù)量最高可到5%(體積)，其中微粒尺寸小于5微米。
已發(fā)現(xiàn)，由本發(fā)明的新型釬料所形成的接縫與已知的鉛-錫合金釬料相比具有顯著改善的強(qiáng)度和耐久性，特別是在高溫下。


圖1和3是由先有技術(shù)的釬料所形成的焊接接縫截面的顯微照片。圖2和4是由本發(fā)明的釬料所形成的焊接接縫截面的顯微照片。
本發(fā)明的釬料較好是含有0.5-5%(體積)的彌散微粒。彌散微粒的數(shù)量為0.2-2%(體積)最好。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，加入小于5微米的微粒得到很好的結(jié)果。還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒度小于1微米時所得到的結(jié)果更好。
當(dāng)微粒為金屬硫化物時，可以采用的微粒的實(shí)例有硫化鐵和硫化錳。
當(dāng)微粒為金屬間化合物時，微粒最好由鎳-錫金屬間化合物組成。這樣的金屬間化合物的實(shí)例是Ni3Sn4和Cu9NiSn3。
可以用于形成本發(fā)明釬料的鉛-錫合金釬料是由約60%的錫和約40%(重量)的鉛組成的釬料和約含95%(重量)的鉛和5%(重量)的錫的鉛-錫釬料。
為了更好地了解本發(fā)明，茲參考下述實(shí)施例和附圖加以說明。
制備含60%(重量)的錫和40%(重量)的鉛的鉛-錫合金釬料。將合金熔化后加入1-2%(體積)的Ni3Sn4微粒，粒度小于1微米。用合成的釬料將兩塊銅片焊接在一起。
作為一個比較例，將同樣形狀的兩塊銅片同樣地用鉛/錫比相同但其中無Ni3Sn4彌散相的鉛-錫合金釬料焊接在一起。
將剛凝固的焊接接縫和凝固后在100℃保溫29小時的焊接接縫分別制成磨片。圖1示出用沒有彌散粒子的鉛-錫釬料所焊接的接縫在形成后立即制成的磨片的顯微照片。圖3示出在100℃下保持29小時后此釬料磨片的顯微照片。圖2示出用本發(fā)明的釬料焊接之后剛形成的接縫的磨片的顯微照片。圖4示出此接縫在100℃下保持29小時后的接縫磨片的顯微照片。
可以看出，用本發(fā)明所形成的接縫中的晶粒比用不含彌散微粒的釬料所形成的接縫的晶粒要細(xì)小得多。
此外，如圖4所示，用本發(fā)明釬料所產(chǎn)生的接縫中的晶粒即使在100℃下加熱29小時也沒有長大。
如圖3所示，由不含彌散微粒的釬料所產(chǎn)生的接縫中晶粒明顯粗化和長大。晶粒的粗化和長大增加了對疲勞的敏感性，很可能導(dǎo)致接縫最終開裂。對比之下，由本發(fā)明的釬料所產(chǎn)生的接縫經(jīng)同樣熱處理后呈細(xì)晶組織，因此出現(xiàn)疲勞和引起斷裂的可能性要小得多。
權(quán)利要求
1.一種彌散強(qiáng)化的鉛-錫合金釬料，其中含有最高可達(dá)5%(體積)的材料微粒，所述材料選自由鎳-錫金屬間化合物和/或金屬硫化物組成的一組材料，所述微粒的尺寸小于5微米。
2.權(quán)利要求1的釬料，其中有0.5-5%(體積)微粒。
3.權(quán)利要求2的釬料，其中有0.2-2%(體積)微粒。
4.權(quán)利要求3的釬料，其中微粒為金屬硫化物的微粒。
5.權(quán)利要求4的釬料，其中微粒尺寸小于1微米。
6.權(quán)利要求5的釬料，其中微粒為硫化鐵或硫化錳。
7.權(quán)利要求3的釬料，其中微粒為鎳-錫金屬間化合物的微粒。
8.權(quán)利要求7的釬料，其中微粒尺寸小于1微米。
9.權(quán)利要求8的釬料，其中微粒為Ni3Sn4或Cu9NiSn3的微粒。
10.權(quán)利要求6的釬料，其中鉛-錫合金是由約60%(重量)Sn和約40%(重量)Pb所組成的合金，或?yàn)楹s95%(重量)Pb和5%(重量)Sn的合金。
11.權(quán)利要求9的釬料，其中鉛-錫合金是由約60%(重量)Sn和約40%(重量)Pb所組成的合金，或?yàn)楹s95%(重量)Pb和5%(重量)Sn的合金。
12.由權(quán)利要求1的釬料所形成的焊接接縫。
13.用鉛-錫合金將兩個部件釬焊在一起的方法，其特征在于，合金含有選自由鎳-錫金屬間化合物和/或金屬硫化物組成的一組微粒的微粒，該微粒尺寸小于5微米。
全文摘要
在鉛-錫合金中加入最高可到5％(體積)的金屬間化合物例如Ni
文檔編號C22C11/06GK1059372SQ9110588
公開日1992年3月11日 申請日期1991年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月27日
發(fā)明者H·S·貝特拉貝特, O·H·伯澤爾, R·H·凱恩, S·麥吉, T·考爾菲爾德 申請人:菲利浦光燈制造公司