专利名称：Sn基钎料合金可控凝固平台的制作方法
技术领域：
本实用新型为Sn基钎料合金可控凝固平台，属于材料性能基础研究领域，通过控制凝固相的冷却速率和晶粒的生长方向达到控制显微组织的目的，从而制备各向异性钎料合金。通过研究钎料合金在不同取向上的性能差异，可以为开发高性能、高可靠性无铅钎料奠定相关理论基础。
背景技术：
伴随着欧洲议会和欧盟委员会正式批准WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)和 RHS(Restriction of Hazardous Materials)的官方指令生效，无铅钎料和无铅电子组装成为历史必然。在替代传统Sn-Pb钎料的进程中，无铅钎料的可靠性是备受关注的议题。目前，Sn基无铅钎料在电子组装产业中应用广泛。然而，相比于传统Sn-H3钎料， 无铅钎料的可靠性需要进一步的提高。从材料改性的角度出发，可以通过改变钎料接头焊后显微组织的方式实现对其宏观性能的提升。为了避免非理想组织的形核和长大，钎料合金成份的调整和引入其它微量组元的方法最受人们的关注。目前，已经有很多研究机构和企业采用上述限制晶粒尺寸的方法，并在一定程度上抑制或缓解了钎料接头在服役过程中显微组织粗大的现象，且提高了钎料合金的相关力学和电学可靠性。然而，在钎料合金制备和接头钎焊的研究领域内，较少有通过控制钎料凝固的手段来达到上述目的。定向凝固是指在液-固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织、甚至单晶。定向凝固技术被广泛用于制备具有特殊取向的组织和优异性能的材料，其可以明显地提高材料所需的性能。然而，目前定向凝固技术主要应用于高温合金，半导体材料，磁性材料和复合材料等领域，对于电子封装领域中起连接和结构支撑的钎料涉及甚少。电子封装连接中要求特定的方向上具有优异的导电，导热以及力学性能，对材料提出了各项异性的要求，以提高电子封装可靠性。基于合金定向凝固技术，如将钎料合金沿某一方向凝固，即可获得具有显著各向异性的钎料合金，通过研究其在不同取向上的性能差异，可以为开发高性能、高可靠性无铅钎料奠定相关理论基础。
实用新型内容本实用新型目的在于提供一套低温钎料可控凝固平台。该制备平台基于合金定向凝固技术，通过对冷却速率的控制，获取具有不同定向凝固显微组织的钎料，可为不同取向钎料合金的性能差异研究提供合适的样品，并为高性能、高可靠性无铅钎料的开发奠定相关理论基础。为了达到上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。Sn基钎料合金可凝固平台， 整个平台围绕定向凝固炉可分为两个模块，加热模块和冷却模块。定向凝固炉的加热模块由与控温仪连接的侧向保温装置和底部热补偿电炉两部分构成，冷却模块由升降云台和冷却水循环两部分构成。加热模块控温仪1的输入端接入热电偶2，该热电偶2从定向炉盖3的中心插入定向炉膛5，其目的是采集炉膛温度；控温仪1输出端连接环形加热器4，环形加热器4是电阻加热装置，包覆定向炉膛5的侧面，其目的是稳定定向炉侧面温度。热电偶2实时采集定向炉膛5内部温度，反馈给控温仪1，控温仪1控制环形加热器4，从而达到稳定侧壁温度的目的。定向炉盖3的作用有两个，一是隔断空气，防止炉内熔融金属氧化，二是保温，提高加热效率。定向炉膛5底部和铝制散热板8接触，中间有高温密封垫片7，定向炉膛5、高温密封片7、铝制散热板8三者通过边沿的定向炉卡具6结合。铝制散热板8的中部开孔，顶部设有凸台，凸台嵌入高温密封片7的中心孔内。铝制散热板8的主要作用是散热，中间开孔目的是当冷却模块上升，冷却水浸没铝制散热板8时，增大与铝制散热板8与冷却水的接触面积，加速散热，凸台设置是为了使整个熔融的金属处在侧向保温区内部；高温密封垫片7 的作用是隔绝冷却水和组织定向炉膛7的膛壁和铝制散热板8之间的传热。整个定向炉用定向炉支撑卡具9夹持，固定在铁架台10上。铝制散热板8下方安装有热补偿电炉11，热补偿电炉11通过热补偿电炉支撑卡具13夹持并固定在移动支撑架12上，热补偿电炉11 以及移动支撑架12和定向炉可分离，可移动。其目的是当金属熔融，且定向炉处于加热保温阶段时，为整个熔炉补偿由铝制散热板8向空气中损失的热量，且当定向炉冷却时又能够迅速随移动支撑架12撤离。冷却模块冷却容器15安装于热补偿电炉11的正下方，冷却容器15两侧安装有冷却水进水管14和冷却水出水管16。冷却容器15，以及冷却水出水管16为冷却模块中冷却介质的进出的载体。为了达到最佳冷却效果，冷却水管与外部冷却介质联接形成流动循环，以保证冷却容器15中冷却介质的温度。冷却水循环可以通过水泵来控制流动速率。冷却容器15放置在升降云台17上，可以通过调整云台升降螺母18来调节冷却容器15的高度。本实用新型的优点在于整个装置简单便捷，易拆卸，可以通过使用不同的冷却介质以及冷却介质循环方式达到不同的冷却速率，从而控制钎料合金的凝固显微组织。
[0011]图1=Sn基钎料合金可控凝固平台组示意图[0012]图2=Sn基钎料合金可控凝固平台主视图[0013]图3定向凝固炉主视图[0014]图4定向凝固俯视图[0015]图5铝制散热板主视图[0016]图6铝制散热板俯视图[0017]图中:1-控温仪，2-热电偶，3-定向炉盖，4-环形加热器，5-定向炉膛，6-定向炉卡具，7-高温密封垫片，8-铝制散热板，9-定向炉支撑卡具，10-铁架台，11-热补偿电炉，12-移动支撑架，13-热补偿电炉支撑卡具，14-冷却水出水管，15-冷却容器，16-冷却水进水管，17--升降云台，18-云台升降螺母。
具体实施方式
[0018]
以下结合附图描述装置的具体操作方式。Sn基钎料合金可凝固平台如图1所示，整个平台围绕定向凝固炉可分为两个模块，加热模块和冷却模块。定向炉的加热模块由温度可控的侧向保温装置和底部热补偿电炉两部分构成，冷却模块由升降云台和冷却水循环两部分构成。图2所示的可控凝固平台主视图展示了各模块和零件的具体位置关系及相关功能细节。图2中虚线上部为加热模块，下部为冷却模块。加热模块控温仪1的输入端接入热电偶2，该热电偶从定向炉盖3的中心插入定向炉膛5，其目的是采集炉膛温度；控温仪1输出端连接环形加热器4，环形加热器4是电阻加热装置，包覆定向炉膛5的侧面，其目的是稳定定向炉侧面温度。热电偶2实时采集定向炉膛5内部温度，反馈给控温仪1，控温仪1控制环形加热器4，从而达到稳定侧壁温度的目的。定向炉盖-3的作用有两个，一是隔断空气，防止炉内熔融金属氧化，二是保温，提高加热效率。定向炉膛5底部和铝制散热板8接触，中间有高温密封垫片7，定向炉膛5、高温密封片7、铝制散热板8三者通过边沿的定向炉卡具-6结合。定向炉具体细节见图3和图4， 图3是定向炉的主视图，图4是定向炉俯视图。主视图5和俯视图6显示铝制散热板8的相关细节。铝制散热板8的中部开孔，顶部设有凸台，凸台嵌入高温密封片7的中心孔内。铝制散热板8的主要作用是散热，当冷却模块上升，冷却水浸没铝制散热板8时，增大其与冷却水的借助面积，加速散热，凸台设置是为了使整个熔融的金属处在侧向保温区内部；高温密封垫片-7的作用是隔绝冷却水和组织定向炉膛-7的膛壁和铝制散热板-8之间的传热。 整个定向炉用定向炉支撑卡具9夹持，固定在铁架台10上。铝制散热板8下方安装有热补偿电炉11，热补偿电炉11通过热补偿电炉支撑卡具13夹持并固定在移动支撑架12上，热补偿电炉11以及移动支撑架12和定向炉可分离，可移动。其目的是当金属熔融，且定向炉处于加热保温阶段时，为整个熔炉补偿由铝制散热板8向空气中损失的热量，且当定向炉冷却时又能够迅速随移动支撑架12撤离。冷却模块冷却容器15安装于热补偿电炉11的正下方，冷却容器15两侧安装有冷却水进水管14和冷却水出水管16。冷却容器15，以及冷却水出水管16为冷却模块中冷却介质的进出的载体。为了达到最佳冷却效果，冷却水管与外部冷却介质联接形成流动循环，以保证冷却容器15中冷却介质的温度。冷却水循环可以通过水泵来控制流动速率。冷却容器15放置在升降云台17上，可以通过调整云台升降螺母18来调节冷却容器15的高度。具体操作流程如下首先准备好需要熔融的钎料合金。应该充分了解钎料合金的各项物理化学性能。如钎料合金的熔点。称量合适的钎料合金质量。若利用纯钎料合金块进行熔炼应首先利用超声清洗器清洗金属表面至洁净。若采用钎料粉末应控制金属粉末的氧化程度。预热定向炉，如图2所示，接通电源，调节控温仪1上的SV键，设置温度，该设定温度依具体熔炼钎料种类而定，一般高于其熔点以上20°C为宜。同时把热补偿电炉-11 推入定向炉下方，此时应通过调节热补偿电炉支撑卡具-13调整热补偿电炉-11在移动支撑架-12的高度，使热补偿电炉-11和铝制散热板-8之间的距离约为5mm，以达到最佳的加热效果。保证该距离不会影响平台推入、撤出动作。然后观察控温仪-1上PV显示的温度数值，当达到设定温度值并稳定后，揭开定向炉盖-3投入预先准备好的原料，并迅速合上定向炉盖-3。一般低熔点钎料aiiin即可熔融，也可以通过打开定向炉盖-3实时观察，当钎料发亮并流动时说明已经熔融完毕。然后准备冷却。开启冷却介质循环系统，保证冷却容器-15中冷却介质的高度；然后撤离热补偿电炉-11，通过移动支撑架-12将电炉撤走；旋转云台升降螺母-18将升降云台-17升起，使冷却介质浸没铝制散热板-8，让熔融钎料冷却凝固。最后取出凝固的铸锭。切断控温仪-1 的电源。铸锭的取出方式是打开定向炉卡具_6，移走铝制散热板-8和高温密封垫片-7，即可取出。实例Sn-58wt. % Bi钎料定向凝固铸锭制作。1、准备原料。原料为预先按Sn-58wt. % Bi配比熔炼好的铸锭.取15g，用超声波清洗器清洗5min。2、定向炉预热。推入并打开热补偿电炉-11，打开控温仪-1并设定温度为 160°C (锡铋共晶钎料合金的熔点为138°C )。3、控温仪上PV显示值稳定为160°C后，投入钎料。4、打开冷却水循环，本实例采用自来水循环，冷却水进水管-16接冰水混合物，冷却水出水管-14接入水桶。5、待钎料熔融后，撤走热补偿电炉-11，旋转云台升降螺母-18使升降云台-17升起，并使冷却介质浸没铝制散热板_8。6,30s后切断控温仪-1电源，打开定向炉卡具_6，移走铝制散热板_8和高温密封垫片-7，取出铸锭。7、铸锭的显微组织分析。对铸锭横纵两个截面进行磨抛，制作金相试样，并通过 SEM, EBSD等手段进行显微组织分析。
权利要求1.Sn基钎料合金可控凝固平台，整个平台围绕定向凝固炉可分为两个模块，加热模块和冷却模块；定向炉的加热模块由温度可控与控温仪连接的的侧向保温装置和底部热补偿电炉两部分构成，冷却模块由升降云台和冷却水循环两部分构成；其特征在于加热模块控温仪(1)的输入端接入热电偶O)，该热电偶(2)从定向炉盖(3)的中心插入定向炉膛(5)，热电偶(2)采集炉膛温度；控温仪⑴输出端连接环形加热器，环形加热器(4)是电阻加热装置，包覆定向炉膛(5)的侧面，环形加热器(4)稳定定向炉侧面温度；热电偶⑵实时采集定向炉膛(5)内部温度，反馈给控温仪(1)，控温仪⑴控制环形加热器G)，从而达到稳定侧壁温度的目的；定向炉膛(5)底部和铝制散热板⑶接触，中间有高温密封垫片(7)，定向炉膛(5)、高温密封片(7)、铝制散热板(8)三者通过边沿的定向炉卡具(6)结合；铝制散热板(8)的中部开孔，顶部设有凸台，凸台嵌入高温密封片(7)的中心孔内；整个定向炉用定向炉支撑卡具(9)夹持，固定在铁架台(10)上；铝制散热板(8) 下方安装有热补偿电炉(11)，热补偿电炉(11)通过热补偿电炉支撑卡具(13)夹持并固定在移动支撑架(12)上，热补偿电炉(11)以及移动支撑架(12)和定向炉可分离，可移动；冷却模块冷却容器(15)安装于热补偿电炉(11)的正下方，冷却容器(15)两侧安装有冷却水进水管(14)和冷却水出水管(16)；冷却容器(15)，以及冷却水出水管(16)为冷却模块中冷却介质的进出的载体；冷却水管与外部冷却介质联接形成流动循环；冷却水循环可以通过水泵来控制流动速率；冷却容器(1 放置在升降云台(17)上，可以通过调整云台升降螺母(18)来调节冷却容器(15)的高度。
专利摘要本实用新型公开了一种Sn基钎料合金可控凝固平台，属于材料性能基础研究领域。整个平台围绕定向凝固炉可分为两个模块，加热模块和冷却模块。定向炉的加热模块由与控温仪连接的侧向保温装置和底部热补偿电炉两部分构成，冷却模块由升降云台和冷却水循环两部分构成。本实用新型的优点在于整个装置简单便捷，易拆卸，可以通过使用不同的冷却介质以及冷却介质循环方式达到不同的冷却速率，从而控制钎料合金的凝固显微组织。
文档编号C30B35/00GK202175744SQ20112015341
公开日2012年3月28日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者史耀武, 夏志东, 左勇, 徐广臣, 李晓延, 郭福, 雷永平, 马立民 申请人:北京工业大学