专利名称：氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料及其制备方法，属于复合无铅焊料技术。
背景技术：
重视环保、提倡绿色产品是当今世界经济发展的大趋势。传统铅锡焊料的使用已有约两千年的历史，并在现代电子装配工业中更是得到广泛应用。但由于铅对人体神经系统的损害给人类健康带来不可忽视的危害，铅污染问题日益受到人们的重视，以至于目前在国际上实现电子产品无铅化呼声很高。欧盟领导下的电子电气设备废弃组织(WEEE)要求在2006年停止在电子装配工业中使用含铅材料。美国国家电子制造协会(NEMI)为此专门实施一个名为“NEMI的焊接无铅化计划”来系统研究无铅装配在电子工业中的使用问题；日本的主要消费电子制造企业也纷纷承诺尽快全面实现无铅电子装配，这一切使无铅焊料的研究迫在眉睫。为迎接全球同步焊接无铅化的浪潮，避开国际上已发展的无铅焊料专利壁垒，制定适合中国国情的无铅焊料发展战略已成为中国电子装配工业的当务之急。据估算，2004年中国电子信息产业销售收入达2.73万亿元，其中出口占一半左右。国际上相关法令法规的实施已关系到中国相关铅产品的出口，也直接关系到我国生态环境和人体健康的保护。国内电子产品无铅化势在必行。我国政府高度重视电子产品环境污染问题，为此出台了《电子信息产品污染防治管理办法》，以确保我国电子信息产业持续健康发展。但我国电子产品无铅化技术的研究起步较晚，有自主知识产权的商业化无铅电子产品更是寥寥无几，因此，材料科学工作者面临着使用无铅焊料取代传统铅锡焊料的挑战，新型无铅焊料的研发已成为材料科学的前沿课题之一。
为了得到具有优异机械性能的焊接材料，在已有成熟的焊接材料中采用复合的方法加入增强颗粒以提高焊料的性能一直是许多研究者努力的方向。美国Akron大学的研究人员通过在锡铅焊料中加入质量比为1％到5％铜纳米颗粒生成复合焊料，发现其能改善焊料组织结构，使微观硬度最高提高了40％。而在其中加入质量比为1％到2％氧化钛纳米颗粒生成复合焊料也使其显微硬度最高提高了50％。IBM公司通过在锡铅焊料中加入钼和钽纳米颗粒生成复合焊料，使焊料与金属基体的搭接性能得到提高。但这些研究局限与在传统锡铅焊料中复合，并没有推广到无铅焊料。
发明内容
本发明目的是提供一种氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料及其制备方法，该焊料能提高传统锡银复合焊料的硬度和能抑制其中大块金属间化合物Ag3Sn的生成。其制备方法简单。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料，其特征在于，在质量比为96.5∶3.5的纯度为99.99％的锡和银的共晶无铅焊料中，含有质量比为1％-2％的粒径为20-30nm的氧化锆颗粒。
上述的氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料制备方法，其特征在于包括以下过程将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固，再将合金翻转后重新加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。然后，将质量比为1％-2％的粒径为20-30nm氧化锆与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到250-300℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料。
本发明优点是通过氧化锆纳米颗粒的加入能显著细化锡银无铅焊料在铸态的组织，韦氏微观硬度测试结果表明，生成的复合焊料显微硬度比没有添加氧化锆纳米颗粒的锡银无铅焊料的显微硬度提高15％-30％。并且能抑制锡银无铅焊料在慢速冷却状态下易生成的对焊接不利的大块金属间化合物Ag3Sn的形成与生长，使焊料的焊接性能得到提高。
图1是没有加入氧化锆纳米颗粒的锡银共晶无铅焊料的铸态组织的显微金相照片，其中白色区域为富锡相，其平均晶粒尺寸为20-50μm。
图2是加入1％氧化锆纳米颗粒的锡银共晶无铅焊料的铸态组织的显微金相照片，其中白色区域为富锡相，其平均晶粒尺寸为5-10μm，组织得到细化。
图3是加入2％氧化锆纳米颗粒的锡银共晶无铅焊料的铸态组织的显微金相照片，其中白色区域为富锡相，其平均晶粒尺寸为1-2μm，组织得到更加细化。
图4是没有加入氧化锆纳米颗粒的锡银共晶无铅焊料在5℃/min冷却速度下凝固后的平衡态组织的显微金相照片，其中白色条状物为大块金属间化合物Ag3Sn，其平均长度为120-180μm。
图5是加入1％氧化锆纳米颗粒的锡银共晶无铅焊料在5℃/min冷却速度下凝固后的平衡态组织的显微金相照片，其中白色条状物为大块金属间化合物Ag3Sn，其平均长度为30-50μm，大块金属间化合物Ag3Sn的形成与生长得到抑制。
图6是加入2％氧化锆纳米颗粒的锡银共晶无铅焊料在5℃/min冷却速度下凝固后的平衡态组织的显微金相照片，没有大块金属间化合物Ag3Sn的生成。
图7是铸态锡银共晶无铅焊料与加入1％和2％氧化锆纳米颗粒复合焊料的韦氏显微硬度测试结果比较图。可以看到，随着氧化锆纳米颗粒加入量的增加，复合焊料的显微硬度得到15％-30％的提高。
具体实施例方式
例1将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1200℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。然后，将质量比为1％氧化锆纳米颗粒(大小20-30纳米)与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到250℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合氧化锆纳米颗粒增强型锡银合金焊料。
例2将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1300℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1300℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。然后，将质量比为1.5％氧化锆纳米颗粒(大小20-30纳米)与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到270℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合氧化锆纳米颗粒增强型锡银合金焊料。
例3将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。然后，将质量比为2％氧化锆纳米颗粒(大小20-30纳米)与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到300℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合氧化锆纳米颗粒增强型锡银合金焊料。
权利要求
1.一种氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料，其特征在于，在质量比为96.5∶3.5的纯度为99.99％的锡和银的共晶无铅焊料中，含有质量比为1％-2％的粒径为20-30nm的氧化锆颗粒。
2.一种按权利要求1所述的氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料的制备方法，其特征在于包括以下过程将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀，然后水冷凝固，再将合金翻转后重新加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这样反复至少五次，得到直径为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料；然后，将质量比为1％-2％的粒径为20-30nm氧化锆与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到250-300℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料。
全文摘要
本发明公开了一种氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料及其制备方法，属于复合无铅焊料技术。所述的氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料，是在质量比为96.5∶3.5的纯度为99.99％的锡和银的共晶无铅焊料中，含有质量比为1％－2％的粒径为20－30nm的氧化锆颗粒。该焊料制备方法于包括以下过程质量比为96.5∶3的纯度为99.99％的锡和银的共晶无铅焊料熔炼；然后将质量比为1％－2％的粒径为20－30nm氧化锆与熔配而成的锡银共晶无铅焊料热混，再通过水冷就得到复合氧化锆纳米颗粒增强型锡银复合焊料。所制得的复合焊料硬度提高15％－30％。并且能抑制锡银无铅焊料在慢速冷却状态下易生成的对焊接不利的大块金属间化合物Ag
文档编号B23K35/26GK1672859SQ200510013430
公开日2005年9月28日 申请日期2005年5月9日 优先权日2005年5月9日
发明者沈骏, 刘永长, 高后秀 申请人:天津大学