一種SnAgCu系無鉛釬料及制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種SnAgCu系無鉛釬料及制備方法，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。本發明的一種SnAgCu系無鉛釬料，降低了制作成本，在保證釬料各項性能的前提下，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能改善釬料的潤濕性，加入Cu元素提高了釬料的抗拉強度，加入Ga元素及稀土元素提高了合金的抗氧化性，同時由于這些合金元素的加入改善了釬料的組織，細化晶粒，提高了釬料組織的綜合性能，在制備過程中引入微型電磁振動器，釬料的成分更加均勻。
【專利說明】
一種SnAgGu系無鉛釬料及制備方法
技術領域
[0001] 本發明一種SnAgCu系無鉛釬料及制備方法，屬于釬焊領域。
【背景技術】
[0002] 鉛和鉛的化合物已被環境保護機構列入前17種對人體和環境危害最大的化學物 質之一。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在人體中聚集而不能 被排出，鉛與人體內蛋白質會強烈結合而抑制人體正常的生理功能，造成神經系統和代謝 紊亂。同時鉛的廢棄物會污染土壤，滲入地下水，從而對生態構成威脅。
[0003] Sn-Pb合金是一種用于釬焊組裝的傳統主流釬料，其熔點較低，使被焊接元器件的 應力和應變很小，能夠保證焊件尺寸，同時對電子器件的性能影響較小。此外有良好的導電 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，對人體及周 圍環境有很大影響。同時，Sn-Pb釬料組織不穩定，各項機械性能低，抗蠕變性能差，已經逐 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保無鉛釬料具有重要的 意義及作用。
[0004] 目前，國內對SnAgCu系無鉛釬料也有了一定的研究。中國公開號為CN101024262A 的發明專利公開了一種高強度高韌性含鎳SnAgCuRe無鉛釬料及制備方法，通過加入合金元 素 Ni有利于提高釬料合金的強度及韌性，同時加入稀土元素 Ce和La，改善釬料的潤濕性及 綜合性能，但這種釬料的制備工藝較復雜，在制備過程中，要每半個小時將合金翻轉后再進 行熔煉，同時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。無鉛釬料理想的熔點溫度范圍為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間內凝固，從而避免開裂。中 國公開號為CN1346728A的發明專利公開了一種含稀土多合金組元無鉛釬料合金，通過加入 稀土多合金組元使無鉛釬料合金的熔點低于210°C，甚至達到190°C，固液相線溫度差小于 15°C，同時釬料合金的屈服強度達到了60MPa，延伸率不低于18%，但此種無鉛釬料由于稀 土元素的加入種類多將導致釬料的制作成本增加。中國公開號為CN101780608A的發明專利 公開了 一種含Si和Ge的SnAgCu系無鉛焊料，在降低Ag含量的前提下加入Si和Ge元素，同時 加入了 Ni、P或Co、P元素，降低了成本，提高了抗氧化性及潤濕性。但是由于P在合金中不易 分散，且會在金屬分離的表面形成一層致密的集膚層，對進一步加工帶來困難，同時對焊劑 的要求高，影響后續的焊接效果，并且該釬料也存在固相線溫度偏高（為217°C)的不足。中 國公開號為CN104741820A的發明專利公開了一種無鉛釬料，主要通過加入Ge來提高釬料的 抗氧化性，但僅通過加入Ge，釬料的抗氧化性能并不能得到較高的保障。中國公開號為 CN1285443C的發明專利公開了 一種含稀土的SnAgCuEr錫基無鉛釬料及其制備方法，在 SnAgCu的基礎上加入稀土元素 Er降低釬料的恪化溫度，改善釬料的合金組織，但僅僅通過 稀土元素 Er并不能有效提高釬料的潤濕性及抗氧化性等綜合性能，且釬料制作過程周期 長。
【發明內容】
[0005] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種SnAgCu系無鉛釬料 及制備方法，降低了制作成本，在保證釬料各項性能的前提下，添加的合金元素 Ag及稀土元 素 Er所占比重少。
[0006] 技術方案:為解決上述技術問題，本發明的SnAgCu系無鉛釬料，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] 作為優選，所述釬料為箱帶狀，厚度為20~80μπι。
[0009] -種上述的SnAgCu系無鉛釬料的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)按成分質量百分比稱取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)對步驟1得到的裝有懸濁液的容器進行密封，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的溫度下進行烘干，因為是丙酮超聲清洗，丙 酮極易揮發，過濾后用吹風機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的石英玻璃管內；
[0014] 5)將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機的感應加熱圈中，并在石英管夾持器上 安裝0AB513002型微型電磁振動器，將其噴嘴至銅輥表面間距調整為l-2mm;
[0015] 6)關閉爐門，采用機械栗抽真空至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充滿高純Ar氣至200mbar左右；
[0016] 7)開啟電機，使銅輯轉速us = 25-30m/s，開啟高頻電源，將石英玻璃管內的母合金 高頻感應加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60-65s;
[0017] 8)將Ar氣氣壓調制P = 25-60kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內的過熱熔體連續噴射 到高速旋轉的冷卻銅輥表面，液態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] 本發明提供的SnAgCu系無鉛釬料中，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濕性，考慮其成本，優選質量百分比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度，增加合金的潤濕性，當 Cu含量過高，易形成金屬間化合物Cu6Sn5,降低了焊點的可靠性，故優選Cu質量百分比為 0.2% ~1.2%〇
[0021]所述Ni元素，能與Cu形成無限固溶，抑制金屬間化合物Cu6Sn5的生成，同時Ni元素 能明顯改善釬料合金的結合形態，改善焊料的結晶組織，但Ni含量偏高時會弱化釬料的潤 濕性，本發明中Ni的質量百分比優選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共晶的熔點為138°C，同時 Bi可以降低合金的表面張力，提高潤濕性，但當Bi含量過高時，固液相線溫度差變大，降低 釬料的適用性，優選質量百分比2.5 %~5 %。
[0023]所述Ga元素，對合金具有凈化效果和集膚效應，提高了合金的抗氧化性，同時可以 細化晶粒，使晶粒的微觀組織結構均勻化，優選Ga質量百分比為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性質非常活潑， 加入過多會影響釬料的流動，降低潤濕性，本發明中Er元素的質量百分比優選0.05%~ 0.2% 〇
[0025]有益效果:與現有無鉛釬料相比，本發明具有以下優點：
[0026] (1)降低了制作成本，在保證釬料各項性能的前提下，添加的合金元素 Ag及稀土元 素 Er所占比重少；
[0027] (2)本發明的SnAgCu系無鉛釬料固相線溫度低，固液相線溫度差小，在釬焊過程中 能保證釬焊合金在段時間內凝固，避免開裂缺陷的產生；
[0028] (3)加入合金元素 Ag、Cu、Bi及稀土元素 Er能改善釬料的潤濕性，加入Cu元素提高 了釬料的抗拉強度，加入Ga元素提高了合金的抗氧化性，同時由于這些合金元素的加入改 善了釬料的組織，細化晶粒，提高了釬料組織的綜合性能，在制備過程中引入微型電磁振動 器，釬料的成分更加均勻。
【具體實施方式】
[0029] -種SnAgCu系無鉛釬料組分的質量百分比如下表1所示：
[0030] 表 1
[0031]
[0033]按照上述三種實施例中元素的質量百分比制備無鉛釬料，制備步驟包括：
[0034] l)按成分質量百分比稱取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)對步驟1得到的裝有懸濁液的容器進行密封，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的石英玻璃管內；
[0038] 5)將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機的感應加熱圈中，并在石英管夾持器上 安裝0AB513002型微型電磁振動器，將其噴嘴至銅輥表面間距調整為l-2mm;
[0039] 6)關閉爐門，采用機械栗抽真空至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充滿高純Ar氣至200mbar左右；
[0040] 7)開啟電機，使銅輯轉速us = 25_30m/s，開啟高頻電源，將石英玻璃管內的母合金 高頻感應加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60-65s;
[0041 ] 8)將Ar氣氣壓調制P = 25-60kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內的過熱熔體連續噴射 到高速旋轉的冷卻銅輥表面，液態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為實施例與對比例所采用的元素組成以及性能差別的對比表。
[0043] 表 2
[0044]
[0046]通過表2得出：由實施例1-3制得的無鉛釬料，固相線溫度在204~209°C之間，固液 相線溫度差在6~7°C之間，潤濕角在23.6~25.2°之間，抗拉強度在47~52MPa之間，說明制 備的無鉛釬料固相線溫度低，潤濕性好，接頭抗拉強度高。
[0047] 對比例1~5與實施例1~3相比，對比例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施例1~3,主要表現在固相線溫度升高，固液相線溫度差增大，潤濕性 降低，同時抗拉強度也降低;對比例2中沒有添加合金元素 Bi，Bi的作用主要是降低固相線 溫度，由數據可知，當缺少元素 Bi時，其固相線溫度要高于實施例1~3;對比例3中沒有添加 稀土元素 Er，微量Er的作用是改善潤濕性，降低固液相線溫度差，同時提高釬料的抗氧化 性，當缺少Er時，對比例3潤濕角與固液相線溫度差均有所增大，并且在對釬料合金的抗氧 化性測試中，浸焊5小時后lKg合金產生的氧化渣高于實施例1-3;對比例4中稀土元素 Er含 量增大，潤濕角有明顯影響增大。對比例5中沒有加入合計元素 Ga，Ga的主要作用是提高釬 料的抗氧化性，由抗氧化性測試結果發現，當釬料中缺少Ga時，浸焊5小時后lKg合金產生的 氧化渣量要比實施例1-3高出一倍左右。
[0048]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種SnAgCu系無鉛釬料，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. 根據權利要求1所述的SnAgCu系無鉛釬料，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. 根據權利要求1所述的SnAgCu系無鉛釬料，其特征在于:所述釬料為箱帶狀，厚度為 20 ~80μπι。4. 一種如權利要求1至3所述的SnAgCu系無鉛釬料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟： 1) 按成分質量百分比稱取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) 對步驟1得到的裝有懸濁液的容器進行密封，并在常溫下超聲清洗5~8min; 3) 將步驟2超聲清洗過濾后的混合物，在55-65Γ的溫度下進行烘干，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的石英玻璃管內； 5) 將石英玻璃管夾裝在高真空單輥甩帶機的感應加熱圈中，并在石英管夾持器上安裝 0AB513002型微型電磁振動器，將其噴嘴至銅輥表面間距調整為l-2mm; 6) 關閉爐門，采用機械栗抽真空至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充滿高純Ar氣至200mbar左右； 7) 開啟電機，使銅輯轉速us = 25-30m/s，開啟高頻電源，將石英玻璃管內的母合金高頻 感應加熱至完全均勻恪融后，保溫過熱恪體60-65s; 8) 將Ar氣氣壓調制P = 25-60kPa，用高壓氬氣將石英玻璃內的過熱熔體連續噴射到高 速旋轉的冷卻銅輥表面，從而得到急冷釬料。
【文檔編號】B23K35/26GK105945447SQ201610488123
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】鄒家生, 許祥平, 汪鴻, 劉啟明
【申請人】江蘇陽明船舶裝備制造技術有限公司