專利名稱：稀土元素變質錫銀鋅系焊料的制備方法
技術領域：
本發明涉及使用稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料的制備方法，屬于無鉛焊料技術。
背景技術：
Sn-Pb合金廣泛用于現代電子封裝工藝中，但由于鉛對人體神經系統的損害給人類健康 帶來不可忽視的危害，鉛污染問題日益受到人們的重視，以至于目前在國際上實現電子產品 無鉛化呼聲很高。近年來紛紛推出了法律、法規來限制并逐步禁止含鉛焊料的使用，并研究 新型的焊料來替代含鉛焊料的使用。美國國家電子制造協會(NEMI)為此專門實施一個名為 "NEMI的焊接無鉛化計劃"來系統研究無鉛裝配在電子工業中的使用問題；而歐盟領導下的 電子電氣設備廢棄組織(WEEE)明確宣布自2006年7月1日起電子電器產品必須實現無鉛化 ;日本作為全球最大的消費電子制造國，雖然沒有通過國家立法來直接限制使用含鉛焊料， 但其主要消費電子制造商積極響應，紛紛承諾盡快實現電子裝配無鉛化。為緊隨世界工業和 技術的發展，我國在2003年正式出臺《電子信息產品生產污染防治管理辦法》，自2007年3 月l日起正式實施，其中限制包括鉛在內的6種有毒害物質在電子產品的使用，直至它們被替 代。但我國電子產品無鉛化技術的研究起步較晚，有自主知識產權的商業化無鉛電子產品更 是寥寥無幾，因此，新型無鉛焊料的研發已成為材料科學的前沿課題之一。
Sn-Ag-Zn合金中，Zn可與抗腐蝕元素Ag結合生成金屬間化合物，使腐蝕電位急劇降低， 且潤濕性與Sn-Ag共晶焊料相當。與Sn-Ag相比，Sn-Ag-Zn在許多方面都可提供優越的機械性 能，其具有較好的強度而不損失絲毫延展性，高溫蠕變性能顯著提高，并稍微降低合金熔點 。鑒于以上優點，我們開發了Sn-Ag-Zn系無鉛焊料，以及為了減少成本開發了低Ag含量的無 鉛焊料體系。并在此基礎上，為了提高焊料的性能，采用了微合金化(In、 Al等)和顆粒增 強(SiC、 Cu等)的方法。
稀土元素是一個極其活潑的元素，包括鉺(Er)、釔(Y)、鈰(Ce)、鑭(La)和鈮(Nd)等，能夠以極少的量使得金屬材料的性能得到較大的提高。它們在材料的發展中占有 舉足輕重的地位，在鋼鐵行業已經得到了廣泛的使用。正是因為其獨特的性能，許多研究者 對無鉛焊料中添加微量稀土元素進行了大量工作，以期望使焊料的性能得到很大的改善。在 以前的研究中，我們將其作為附屬元素加入到焊料中，以細化焊料的組織。但經過進一步研 究發現，合理的配比焊料與稀土元素的比例，直接能獲得高性能的焊料合金。因此，本發明 以Sn-Ag-Zn系高Ag焊料合金為基體，利用稀土元素來改善其綜合性能，獲得高性能的無鉛焊 料，以滿足更高的工業應用要求。
發明內容
本發明目的是提供使用稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料，該焊料在錫銀鋅系無鉛焊料中 加入稀土元素作為變質相，以提高焊料的綜合性能，其制備方法簡單。 本發明是通過下述技術方案加以實現的
本發明的稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料制備方法，將純度為99.99%的錫、銀、鋅及稀 土元素按質量比為96. 49 85:3 5:0. 5 5:0. 01 5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到 1000-130(TC熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉后 重新加熱到300 — 60(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉加熱至少五次。
所述的稀土元素以預配好的錫稀土中間合金的形式加入。
在此基礎上為提高抗氧化性可加入0-2. 5的鎵及0-3磷。
上述的稀土元素變質型錫銀鋅系焊料的制備方法
技術領域：
本發明優點是通過稀土變質錫銀鋅系無鉛焊料使焊料具有更好的綜合性能，其中維氏硬 度達到25左右，提高了近50%;拉伸強度達到70MPa左右，提高了一倍。同時，與Cu基板有著 良好的潤濕性與連接強度，連接強度可達20MPa左右。
圖l:實施例l無鉛焊料的顯微組織；
圖2:實施例2無鉛焊料的顯微組織； 圖3:實施 3無鉛焊料的顯微組織； 圖4:實施例4無鉛焊料的顯微組織。
具體實施方式
例l
將純度為99.99%的錫、銀、鋅、釔按質量比為96.49: 3: 0.5: 0. Ol在氬氣保護下的真 空熔煉爐中加熱到1000°C熔化，其中稀土元素釔以預配好的錫釔中間合金的形式加入，同時 加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉后重新加熱到50(TC熔化， 同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉加熱至少五次得到稀土變質型錫銀鋅系無鉛焊料。其顯微 組織如圖l所示，顆粒為Ag3Sn相，合金的維氏硬度為16左右，熔點218'C左右。
例2
將純度為99.99%的錫、銀、鋅、鈰按質量比為85: 5: 5: 5在氬氣保護下的真空熔煉爐 中加熱到110(TC熔化，其中稀土元素鈰以預配好的錫鈰中間合金的形式加入，同時加以磁攪 拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉后重新加熱到50(TC熔化，同時加以 磁攪拌并水冷，這樣翻轉加熱至少五次得到低銀含量的錫銀鋅系無鉛焊料。其顯微組織如圖 2所示，顆粒為Ag3Sn和AgZn相，花瓣形化合物為CeSii3相，合金的維氏硬度為20左右，拉伸 應力為60MPa左右。
例3
將純度為99.99%的錫、銀、鋅、鑭按質量比為95.6: 3: 0.9: 0. 5在氬氣保護下的真空 熔煉爐中加熱到120CTC熔化，其中稀土元素鑭以預配好的錫鑭中間合金的形式加入，同時加 以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉后重新加熱到48(TC熔化，同 時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉加熱至少五次得到低銀含量的錫銀鋅系無鉛焊料。其顯微組 織如圖3所示，棒狀顆粒為Ag3Sn相，合金的維氏硬度達到25左右，拉伸強度達到70MPa左右 ，與Cu界面的連接強度可達20MPa左右。
例4
可在焊料合金中加入鎵及磷以提高抗氧化性。將純度為99.99%的錫、銀、鋅、鈰、鈮、 鎵、磷按質量比為92. 2:3. 7:1. 5:2:0. 5: 0. 1在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到130(TC熔 化，其中稀土元素鈰以預配好的錫鈰中間合金的形式加入，同時加以磁攪拌，以使合金成分 均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉后重新加熱到50(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這 樣翻轉加熱至少五次得到低銀含量的錫銀鋅系無鉛焊料。其顯微組織如圖4所示，其組織由 e-Sn、 Ag3Sn和AgZn相組成，合金具有較好的潤濕性與綜合性能。本發明提出的一種稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料的制備方法，已通過實施例進行了描 述，相關技術人員明顯能在不脫離本發明的內容、精神和范圍內對本文所述的制作方法進行 改動或適當變更與組合，來實現本發明的技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改 動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、范圍和內容中。
權利要求
1.一種稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料制備方法，其特征是將純度為99.99％的錫、銀、鋅及稀土元素按質量比為96.49～85∶3～5∶0.5～5∶0.01～5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1000-1300℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉后重新加熱到300-600℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉加熱至少五次。
2.如權利要求l的稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料制備方法，其特征 是所述的稀土元素以預配好的錫稀土中間合金的形式加入。
全文摘要
本發明涉及稀土元素變質錫銀鋅系無鉛焊料的制備方法。將純度為99.99％的錫、銀、鋅及稀土元素按質量比為96.49～85∶3～5∶0.5～5∶0.01～5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1000～1300℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉后重新加熱到300～600℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉加熱至少五次。稀土元素以預配好的錫稀土中間合金的形式加入。本發明優點是通過稀土變質錫銀鋅系無鉛焊料使焊料具有更好的綜合性能，其中維氏硬度達到25左右，提高了近50％；拉伸強度達到70MPa左右，提高了一倍。同時，與Cu基板有著良好的潤濕性與連接強度，連接強度可達20MPa左右。
文檔編號B23K35/00GK101653886SQ20091030646
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月2日 優先權日2009年9月2日
發明者璇 丁, 余黎明, 劉永長, 鵬 江, 珣 王 申請人:天津大學