专利名称：一种耐大气腐蚀的Sn-Ag-Cu焊料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐大气腐蚀的Su-Ag-Cu三元共晶合金焊料，具体地说是一种添加微量元素的Su-Ag-Cu三元共晶合金焊料。
背景技术：
软钎焊是微电子工业中一项重要的连接技术，传统上主要采用Sn-H3共晶成份 (Sn 63%-Pb 37%，均为重量百分比，下同)为基础的合金体系，铅锡合金共晶温度为183°C， 具有良好的力学性能和工艺性能，同时原料成本低廉，资源广泛，所以在工业上获得了广泛的应用。由于铅是一种有毒金属，大量废旧电子器件被废弃和掩埋处理后，合金中有毒成份铅逐渐被自然环境中的水溶液腐蚀、溶解、扩散和富集，最终对自然环境、土壤，天然水体及其动植物生物链造成不可恢复的环境污染。目前世界主要工业化国家均认识到这一问题的危害性，逐渐禁止含铅焊料在本国的生产、销售和使用，在此背景下，人们花费了大量的努力，研究和开发可用于替代锡铅焊料的新一代无铅焊料。经过国内外大量筛选工作，目前的一些替代合金，包括一些非专利的二元共晶合金，如Sn-3. 5Ag, Sn-52Bi, Sn-0. 7Cu等；三元共晶焊料Sn-3. 8Ag-0. 7Cu (以及成份相类似的Sn_4Ag-0. 5Cu和Sn_3. 2Ag-0. 5Cu)以及一些多元的专利合金。从现有的无铅焊料来看，Sn-3. 5Ag合金的熔点偏高(221°C)，钎焊时基体铜容易大量溶解到钎料中，影响连接界面的可靠性；Sn-52Bi共晶合金是一种低熔点无铅焊料，共晶温度仅为138°C，只适用于低温钎焊和一些对使用温度要求不高的特殊的场合；Sn-0. 7Cu共晶焊料主要缺点是熔点较高，其共晶温度227°C，焊接温度已接近电路板材料的极限，因此目前这种合金仅用于波峰焊接，Sn-3. 8Ag-0. 7Cu(以及类似合金)三元共晶合金由于在Sn-3. 5Ag 二元共晶合金的基础上添加了一部分铜，使合金的共晶温度下降到217°C，同时由于铜的存在，有效地减小了被焊母材Cu向焊料中的溶解，提高了连接可靠性，因此成为目前最有前途替代Sn-Pb共晶合金的一种无铅焊料，在各种已有候选合金中具有较强的技术竞争力。尽管Sn-Ag-Cu共晶合金目前已经广泛应用于电子焊料，但在一些具有腐蚀性环境下，例如，暴露于海洋大气环境或工业污染地区的大气环境中，在有表面水膜存在的条件下，合金表面会发生明显的大气腐蚀。这种表面腐蚀现象对相关的各种工业产品具有不同程度的影响。例如，对于工作在海洋大气环境下的船用电子产品，Sn-Ag-Cu共晶合金表面腐蚀可能引起电子元件焊点的局部腐蚀，有时会导致焊点的脱落与短路，引发电子产品的故障或失效。这些表面腐蚀行为一般是不希望发生的，因此，相关工业部门希望研究和开发一种耐大气腐蚀的Sn-Ag-Cu共晶合金，其可以在一些特殊的腐蚀环境(例如海洋大气环境) 下使用，由于它的表面耐蚀作用使相关工业产品具有较长的使用寿命。
发明内容
为了克服现有Sn-Ag-Cu共晶合金在腐蚀性大气环境中表面耐蚀性差的问题，本发明提供一种耐蚀性的Sn-Ag-Cu共晶合金，其主要技术手段是通过在普通Sn-Ag-Cu共晶合金中添加一些微量的合金元素，达到在不改变这些Sn-Ag-Cu共晶合金基本的物理、力学性能前提下，改善合金表面抗大气腐蚀的目的。为了实现上述目标，本发明提供的技术方案是在普通Sn-Ag-Cu共晶合金中添加一种或几种微量合金元素，其合金的重量百分比为 Ag2. 5-4. 0%
Cu0. 5-1. 5%
微合金元素0. 001-0. 1%
Sn及不可避免杂质余量
其中微合金元素为Ti，Al，P，Ge，Si，Ni，(ia中的一种或几种组合；微合金元素的添加量优选范围为0. 005-0. 03%。本发明提供的Sn-Ag-Cu三元共晶合金焊料可以是块体母合金， 也可以是焊丝，焊球，焊粉或焊膏。本发明可以采用现有的普通熔炼技术，对上述合金进行熔炼，将配制的各种合金成份加入熔融状态的Sn中，通过搅拌并使之均勻化，浇注后即可获得母合金。由于本发明中添加的微合金元素极为微量，它们的主要作用是提高合金表面的耐蚀性，而对合金的其它物理性能(例如熔点、密度、导电率、热膨胀系数等)影响不大，因此本发明可以很好的与现有产品的工业技术相融合。本发明提供的技术方案中微量元素添加量的选择原则是微量元素含量如果过少，则它们主要溶解于液态Sn-Ag-Cu共晶合金中，不能有足够的量偏析于金属表面，由此导致不足以发挥抗大气腐蚀的效果；而微量元素含量如果过多，由于其本身溶解度很小，易于形成高熔点的第二相夹杂，从而影响Sn-Ag-Cu共晶合金的一些基本物理性能，如粘度， 流动性等液态物理性能，以及凝固后的显微组织及力学性能等。合适的添加量应保持在这两者之间，即含量足以形成连续的表面保护膜，同时又不产生不希望的高熔点第二相或夹杂。从而与已有的材料或工艺规范相匹配，保证合金的其它使用性能。本发明的有益效果是
1、本发明是通过在普通的Sn-Ag-Cu共晶合金为原料，通过添加一些微量的合金元素， 使Sn-Ag-Cu共晶合金微合金化，达到在不改变Sn-Ag-Cu共晶合金基本的物理、力学性能前提下，改善合金表面抗大气腐蚀的能力，并且与现有的生产工艺有很好的相容性。2、与普通的Sn-Ag-Cu共晶合金相比，本发明的优点是Sn-Ag-Cu共晶合金抗腐蚀能力好，可应用于配制在腐蚀性环境下应用的电子焊料，包括块体母合金，焊丝，焊球，焊粉或焊膏等。
具体实施例方式实施例1
用Sn-3. 8Ag-0. 7Cu合金为原料，添加0. 01%Ga (重量百分比，下同)和0. 01%Ni制备抗大气腐蚀的Sn-3. 8Ag-0. 7Cu共晶合金。将合金在一个石墨坩埚中用马弗炉加热熔化后， 加入配比的微合金元素，溶解后搅拌使之均勻化，然后浇铸造在直径为Φ20πιπι的石墨小盘中，铸锭约5mm高，冷却后获得表面光亮的铸锭，将此样品用盐雾进行腐蚀(每30min喷雾一次)，3天后，表面仍可保持金属光亮，说明合金表面抗腐蚀性能良好。实施例2:
用Sn-4. OAg-O. 5Cu共晶合金为原料，添加0. 02%P，采用实施例1所述的方法制备以及试验，将所得样品用盐雾进行腐蚀(每30min喷雾一次)，3天后，表面仍可保持金属光亮，即所得样品抗腐蚀性能良好。实施例3:
采用Sn-2. 5Ag-l. OCu共晶合金为原料，添加0. 03%Ge和0. 01%Ti，采用实施例1所述的方法制备以及试验，将所得样品用盐雾进行腐蚀(每30min喷雾一次)，3天后，表面仍可保持金属光亮，即所得样品抗腐蚀性能良好。实施例4:
采用Sn-3. OAg-1. 5Cu共晶合金为原料，添加0. 005%Ga，采用实施例1所述的方法制备以及试验，将所得样品用盐雾进行腐蚀(每30min喷雾一次)，3天后，表面仍可保持金属光亮，即所得样品抗腐蚀性能良好。实施例5:
采用Sn-3. 5Ag-0. 6Cu合金为原料，添加0. 01P%, 0. 01%Si和0. 001%A1，采用实施例1所述的方法制备以及试验，将所得样品用盐雾进行腐蚀(每30min喷雾一次)，3天后，表面仍可保持金属光亮，即所得样品抗腐蚀性能良好。对比例
在实施例广5的试验中，不添加微量元素的对比样品在同样条件下进行观察，1天后各合金表面均已开始变色，说明不添加微量元素的样品在盐雾腐蚀条件下抗蚀能力不足。
权利要求
1.一种耐大气腐蚀的Sn-Ag-Cu焊料，其特征在于其化学配方如下，重量百分比为 Ag 2. 5-4. 0%Cu0. 5-1. 5%微合金元素0. 001-0. 1%Sn及不可避免杂质余量；其中微合金元素为Ti，Al，P，Ge, Si, Ni, Ga中的一种或几种。
2.按照权利要求1所述耐大气腐蚀的Su-Ag-Cu焊料，其特征在于按重量百分比计， 微合金元素添加量为0. 005、. 03%。
3.按权利要求1所述耐大气腐蚀的Su-Ag-Cu焊料，其特征在于所述焊料是块体母合金、焊丝、焊球、焊粉或焊膏。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种耐蚀性的Sn-Ag-Cu共晶合金，其主要技术手段是通过在普通Sn-Ag-Cu共晶合金中添加一些微量的合金元素，达到在不改变这些Sn-Ag-Cu共晶合金基本的物理、力学性能前提下，改善合金表面抗大气腐蚀的目的。为了实现上述目标，本发明提供的技术方案是在普通Sn-Ag-Cu共晶合金中添加一种或几种微量合金元素，其合金的重量百分比为Ag2.5-4.0%、Cu0.5-1.5%、微合金元素0.001-0.1%、Sn及不可避免杂质余量，其中微合金元素为Ti，Al，P，Ge，Si，Ni，Ga中的一种或几种组合；微合金元素的添加量优选范围为0.005-0.03%。
文档编号B23K35/26GK102476249SQ20101055914
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者冼爱平 申请人:中国科学院金属研究所