专利名称：金属颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法
技术领域：
金属颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法属于金属基复合钎料技术领域。
锡铅共晶或近共晶钎料熔点较低(183℃)，价格低廉，钎焊工艺性能好，但抗蠕变性能差。为提高锡铅钎料的力学性能，常采用两种方法沉淀强化和弥散强化。沉淀强化要求所加入的成分必须与金属基体相适应，而且合金元素的加入不能过分破坏钎料的物理性能和钎焊的工艺性能。另外，沉淀强化钎焊缝的显微组织不稳定，沉淀相随时间容易粗化，而且粗化的沉淀相对焊缝的力学性能可能是有害的。而弥散强化，弥散体是外加的，具有较大的选择余地，且能较好的控制显微组织。
日本专利JP11333590提出在锡铅钎料中加入重量比为0.3-1.0％的锑，0.001-0.15％的钙，0.5-3.0％的银，0.1-0.8％的铜和0.3-2.0％的铟，形成一种七元合金钎料。另外，日本在中国申请的专利CN1110203A提出，在锡铅合金钎料中含重量比为15-80％的铅，0.1-5％的银，0.1-10％的锑，0.0005-0.3％的磷，其余为锡，形成一种五元合金钎料。上述两种钎料都是在锡铅钎料的基础上添加银、铜、锑、铟等元素合金化，通过在焊后组织中沉淀出银、铜、锑、铟等元素的金属间化合物实现强化。但由于焊后显微组织不稳定，沉淀相粗化，导致钎焊金属的力学性能降低。另外，这两种钎料在提高锡铅钎料的抗蠕变性能的同时，也较大程度地改变了锡铅钎料良好的物理性能。荷兰菲力浦光灯制造公司在中国申请的专利CN1059372A提出，在锡铅合金钎料中加入最高可到5％(体积)的金属间化合物，例如Ni3Sn4和CuNiSn3微粒，形成弥散强化的合金。该发明专利说明焊后100℃，保温29小时，晶粒并无明显粗化和长大，并由此推测出现疲劳和断裂的可能性会减小，但没给出性能数据。
本发明所提供的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料，包括颗粒状的锡铅基体和颗粒状的增强体，其特征在于所述的颗粒状的锡铅基体尺寸在35-74μm之间，其中锡的重量比为5-95％，其余为铅；所述的颗粒状的增强体为尺寸在0.5-5μm之间的Ag、尺寸在0.5-5μm之间的Ni或尺寸在0.5-38μm之间的Cu，该增强体在复合钎料中的体积比为1-15％。
本发明所提供的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料的制备方法，其特征在于将锡铅钎料、增强体颗粒及膏状钎剂机械混合均匀，搅拌15min以上，使增强体弥散分布于锡铅基体中，得到膏状金属颗粒增强的锡铅基复合钎料。
本发明提供的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料，成分相对简单，增强体采用纯金属颗粒。在再流焊过程中，增强体与基体界面发生冶金反应，形成一薄层金属间化合物，抗蠕变性能大幅度提高，且熔化温度、润湿性及钎焊工艺性能等与相应的现行锡铅钎料相当，保持锡铅钎料熔化温度低、润湿性好、钎焊工艺性能优良等优点，而且钎料制备简单。
四
图167Sn-37Pb钎料与本发明例1的金属颗粒增强的复合钎料平均蠕变寿命统计图；图267Sn-37Pb钎料与本发明例2的金属颗粒增强的复合钎料平均蠕变寿命统计图；图367Sn-37Pb钎料与本发明例3的金属颗粒增强的复合钎料平均蠕变寿命统计图；图467Sn-37Pb钎料与本发明例4的金属颗粒增强的复合钎料平均蠕变寿命统计图；图567Sn-37Pb钎料与本发明例5的金属颗粒增强的复合钎料平均蠕变寿命统计图。，下面通过附图及相应的具体实施例说明本发明的五种钎料的蠕变性能有较大的改善。为了模拟实际印刷电路板钎焊接头的尺寸与冷却条件，在蠕变试验中采用的是微型单搭接接头，焊接接头的搭接面积为1mm2，钎缝厚度为0.15mm。蠕变载荷为11-17MPa，温度为10-40℃。连接材料为紫铜箔，厚度为0.1mm。再流焊温度230-240℃。实施例中五种金属颗粒增强的锡铅基复合钎料试样与67Sn-37Pb钎料试样都是在上述相同的条件下制备和测试的。
图1本发明例1的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料与67Sn-37Pb钎料用再流焊形成的微型单搭接试样的蠕变寿命统计图。蠕变试件的制备及蠕变寿命的试验条件如上述。两种钎料蠕变试件均12件。横坐标1表示67Sn-37Pb钎料，横坐标2表示本发明例1的金属颗粒增强的复合钎料；纵坐标表示微型单搭接试样的蠕变寿命统计平均值。由图1可以看出本发明例1复合钎料的蠕变寿命统计平均值是67Sn-37Pb钎料的10倍。
图2本发明例2的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料与67Sn-37Pb钎料用再流焊形成的微型单搭接试样的蠕变寿命统计图。蠕变试件制备及蠕变寿命试验条件如上述。两种钎料蠕变试件均12件。横坐标1表示67Sn-37Pb钎料，横坐标2表示本发明例2的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料；纵坐标表示微型单搭接试样的蠕变寿命统计平均值。由图2可以看出本发明例2的蠕变寿命统计平均值是67Sn-37Pb钎料的9倍。
图3本发明例3的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料与67Sn-37Pb钎料用再流焊形成的微型单搭接试样的蠕变寿命统计图。蠕变试件的制备及蠕变寿命的试验条件如上述。67Sn-37Pb钎料和本发明例3的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变试件分别为12件和6件。横坐标1表示67Sn-37Pb钎料，横坐标2表示本发明例3的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料；纵坐标表示微型单搭接试样的蠕变寿命统计平均值。由图3可以看出本发明例3的蠕变寿命统计平均值是67Sn-37Pb钎料的21倍以上。
图4本发明例4的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料与67Sn-37Pb钎料用再流焊形成的微型单搭接试样的蠕变寿命统计图。蠕变试件的制备及蠕变寿命的试验条件如上述。67Sn-37Pb钎料和本发明例4的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变试件分别为12件和6件。横坐标1表示67Sn-37Pb钎料，横坐标2表示本发明例4的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料；纵坐标表示微型单搭接试样的蠕变寿命统计平均值。由图4可以看出本发明例4的蠕变寿命统计平均值是67Sn-37Pb钎料的21倍以上。
图5本发明例5的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料与67Sn-37Pb钎料用再流焊形成的微型单搭接试样的蠕变寿命统计图。蠕变试件的制备及蠕变寿命的试验条件如上述。67Sn-37Pb钎料和本发明例5的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变试件分别为12件和6件。横坐标1表示67Sn-37Pb钎料，横坐标2表示本发明例5的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料；纵坐标表示微型单搭接试样的蠕变寿命统计平均值。由图5可以看出本发明例5的蠕变寿命统计平均值是67Sn-37Pb钎料的12倍。
例2称取1.40g的Ag(尺寸为1μm)和1.5g市售的免清洗软钎剂，放入坩埚中机械混合10min以上，待混合均匀后，再加入10g的67Sn-37Pb钎料(尺寸为46μm)，机械搅拌15min以上，金属颗粒增强的锡铅基复合钎料膏制成，同时要求低温保存。
例3称取0.56g的Ni(尺寸为1μm)和1.36g市售的免清洗软钎剂，放入坩埚中机械混合10min以上，待混合均匀后，再加入10g的67Sn-37Pb钎料(尺寸为46μm)，机械搅拌15min以上，金属颗粒增强的锡铅基复合钎料膏制成，同时要求低温保存。
例4称取1.18g的Ni(尺寸为1μm)和1.5g市售的免清洗软钎剂，放入坩埚中机械混合10min以上，待混合均匀后，再加入10g的67Sn-37Pb钎料(尺寸为46μm)，机械搅拌15min以上，金属颗粒增强的锡铅基复合钎料膏制成，同时要求低温保存。
例5称取0.56g的Cu(尺寸为38μm)和1.36g市售的免清洗软钎剂，放入坩埚中机械混合10min以上，待混合均匀后，再加入10g的67Sn-37Pb钎料(尺寸为46μm)，机械搅拌15min以上，金属颗粒增强的锡铅基复合钎料膏制成，同时要求低温保存。
权利要求
1.一种金属颗粒增强的锡铅基复合钎料，包括颗粒状的锡铅基体和颗粒状的增强体，其特征在于所述的颗粒状的锡铅基体尺寸在35-74μm之间，其中锡的重量比为5-95％，其余为铅；所述的颗粒状的增强体为尺寸在0.5-5μm之间的Ag、尺寸在0.5-5μm之间的Ni或尺寸在0.5-38μm之间的Cu，该增强体在复合钎料中的体积比为1-15％。
2.根据权利要求1所述的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料的制备方法，其特征在于将锡铅钎料、增强体颗粒及膏状钎剂机械混合均匀，搅拌15min以上，使增强体弥散分布于锡铅基体中，得到膏状金属颗粒增强的锡铅基复合钎料。
全文摘要
一种金属颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法属于金属基复合钎料技术领域。本发明所提供的金属颗粒增强的锡铅基复合钎料,包括颗粒状的锡铅基体和颗粒状的增强体,其特征是:所述的颗粒状的锡铅基体尺寸在35－74μm之间,其中锡的重量比5－95%,其余为铅;所述的颗粒状的增强体为尺寸在0.5－5μm之间的Ag、尺寸在0.5－5μm之间的Ni或尺寸在0.5－38μm之间的Cu,该增强体在复合钎料中的体积比为1－15%。该钎料通过将锡铅钎料、增强体颗粒及膏状钎剂机械混合均匀,搅拌15min以上制得。该钎料抗蠕变性能大幅度提高,并保持了锡铅钎料熔化温度低、润湿性好、钎焊工艺性能优良等优点,且钎料制备简单。该钎料广泛应用于电子工业。
文档编号B23K35/00GK1358606SQ0114448
公开日2002年7月17日 申请日期2001年12月19日 优先权日2001年12月19日
发明者史耀武, 阎焉服, 刘建萍, 夏志东, 陈志刚, 雷永平, 李晓延 申请人:北京工业大学