专利名称：稀土元素变质锡银锌系焊料的制备方法
技术领域：
本发明涉及使用稀土元素变质锡银锌系无铅焊料的制备方法，属于无铅焊料技术。
背景技术：
Sn-Pb合金广泛用于现代电子封装工艺中，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。近年来纷纷推出了法律、法规来限制并逐步禁止含铅焊料的使用，并研究 新型的焊料来替代含铅焊料的使用。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；而欧盟领导下的 电子电气设备废弃组织(WEEE)明确宣布自2006年7月1日起电子电器产品必须实现无铅化 ;日本作为全球最大的消费电子制造国，虽然没有通过国家立法来直接限制使用含铅焊料， 但其主要消费电子制造商积极响应，纷纷承诺尽快实现电子装配无铅化。为紧随世界工业和 技术的发展，我国在2003年正式出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》，自2007年3 月l日起正式实施，其中限制包括铅在内的6种有毒害物质在电子产品的使用，直至它们被替 代。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，新型无铅焊料的研发已成为材料科学的前沿课题之一。
Sn-Ag-Zn合金中，Zn可与抗腐蚀元素Ag结合生成金属间化合物，使腐蚀电位急剧降低， 且润湿性与Sn-Ag共晶焊料相当。与Sn-Ag相比，Sn-Ag-Zn在许多方面都可提供优越的机械性 能，其具有较好的强度而不损失丝毫延展性，高温蠕变性能显著提高，并稍微降低合金熔点 。鉴于以上优点，我们开发了Sn-Ag-Zn系无铅焊料，以及为了减少成本开发了低Ag含量的无 铅焊料体系。并在此基础上，为了提高焊料的性能，采用了微合金化(In、 Al等)和颗粒增 强(SiC、 Cu等)的方法。
稀土元素是一个极其活泼的元素，包括铒(Er)、钇(Y)、铈(Ce)、镧(La)和铌(Nd)等，能够以极少的量使得金属材料的性能得到较大的提高。它们在材料的发展中占有 举足轻重的地位，在钢铁行业已经得到了广泛的使用。正是因为其独特的性能，许多研究者 对无铅焊料中添加微量稀土元素进行了大量工作，以期望使焊料的性能得到很大的改善。在 以前的研究中，我们将其作为附属元素加入到焊料中，以细化焊料的组织。但经过进一步研 究发现，合理的配比焊料与稀土元素的比例，直接能获得高性能的焊料合金。因此，本发明 以Sn-Ag-Zn系高Ag焊料合金为基体，利用稀土元素来改善其综合性能，获得高性能的无铅焊 料，以满足更高的工业应用要求。
发明内容
本发明目的是提供使用稀土元素变质锡银锌系无铅焊料，该焊料在锡银锌系无铅焊料中 加入稀土元素作为变质相，以提高焊料的综合性能，其制备方法简单。 本发明是通过下述技术方案加以实现的
本发明的稀土元素变质锡银锌系无铅焊料制备方法，将纯度为99.99%的锡、银、锌及稀 土元素按质量比为96. 49 85:3 5:0. 5 5:0. 01 5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到 1000-130(TC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300 — 60(TC熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次。
所述的稀土元素以预配好的锡稀土中间合金的形式加入。
在此基础上为提高抗氧化性可加入0-2. 5的镓及0-3磷。
上述的稀土元素变质型锡银锌系焊料的制备方法
技术领域：
本发明优点是通过稀土变质锡银锌系无铅焊料使焊料具有更好的综合性能，其中维氏硬 度达到25左右，提高了近50%;拉伸强度达到70MPa左右，提高了一倍。同时，与Cu基板有着 良好的润湿性与连接强度，连接强度可达20MPa左右。
图l:实施例l无铅焊料的显微组织；
图2:实施例2无铅焊料的显微组织； 图3:实施 3无铅焊料的显微组织； 图4:实施例4无铅焊料的显微组织。
具体实施方式
例l
将纯度为99.99%的锡、银、锌、钇按质量比为96.49: 3: 0.5: 0. Ol在氩气保护下的真 空熔炼炉中加热到1000°C熔化，其中稀土元素钇以预配好的锡钇中间合金的形式加入，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50(TC熔化， 同时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次得到稀土变质型锡银锌系无铅焊料。其显微 组织如图l所示，颗粒为Ag3Sn相，合金的维氏硬度为16左右，熔点218'C左右。
例2
将纯度为99.99%的锡、银、锌、铈按质量比为85: 5: 5: 5在氩气保护下的真空熔炼炉 中加热到110(TC熔化，其中稀土元素铈以预配好的锡铈中间合金的形式加入，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50(TC熔化，同时加以 磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次得到低银含量的锡银锌系无铅焊料。其显微组织如图 2所示，颗粒为Ag3Sn和AgZn相，花瓣形化合物为CeSii3相，合金的维氏硬度为20左右，拉伸 应力为60MPa左右。
例3
将纯度为99.99%的锡、银、锌、镧按质量比为95.6: 3: 0.9: 0. 5在氩气保护下的真空 熔炼炉中加热到120CTC熔化，其中稀土元素镧以预配好的锡镧中间合金的形式加入，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48(TC熔化，同 时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次得到低银含量的锡银锌系无铅焊料。其显微组 织如图3所示，棒状颗粒为Ag3Sn相，合金的维氏硬度达到25左右，拉伸强度达到70MPa左右 ，与Cu界面的连接强度可达20MPa左右。
例4
可在焊料合金中加入镓及磷以提高抗氧化性。将纯度为99.99%的锡、银、锌、铈、铌、 镓、磷按质量比为92. 2:3. 7:1. 5:2:0. 5: 0. 1在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到130(TC熔 化，其中稀土元素铈以预配好的锡铈中间合金的形式加入，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50(TC熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这 样翻转加热至少五次得到低银含量的锡银锌系无铅焊料。其显微组织如图4所示，其组织由 e-Sn、 Ag3Sn和AgZn相组成，合金具有较好的润湿性与综合性能。本发明提出的一种稀土元素变质锡银锌系无铅焊料的制备方法，已通过实施例进行了描 述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行 改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改 动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种稀土元素变质锡银锌系无铅焊料制备方法，其特征是将纯度为99.99％的锡、银、锌及稀土元素按质量比为96.49～85∶3～5∶0.5～5∶0.01～5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1000-1300℃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300-600℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次。
2.如权利要求l的稀土元素变质锡银锌系无铅焊料制备方法，其特征 是所述的稀土元素以预配好的锡稀土中间合金的形式加入。
全文摘要
本发明涉及稀土元素变质锡银锌系无铅焊料的制备方法。将纯度为99.99％的锡、银、锌及稀土元素按质量比为96.49～85∶3～5∶0.5～5∶0.01～5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1000～1300℃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300～600℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次。稀土元素以预配好的锡稀土中间合金的形式加入。本发明优点是通过稀土变质锡银锌系无铅焊料使焊料具有更好的综合性能，其中维氏硬度达到25左右，提高了近50％；拉伸强度达到70MPa左右，提高了一倍。同时，与Cu基板有着良好的润湿性与连接强度，连接强度可达20MPa左右。
文档编号B23K35/00GK101653886SQ20091030646
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者璇 丁, 余黎明, 刘永长, 鹏 江, 珣 王 申请人:天津大学