专利名称：锡银锌铋系高性能无铅焊料及制备方法
技术领域：
本发明属于无铅焊料技术，涉及锡银锌铋系高性能的无铅焊料及制备方法。
背景技术：
重视环保、提倡绿色产品是当今世界关注的焦点，是经济发展的大趋势。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。 目前，世界各国都在开展无铅焊料的研究以替代传统的锡铅焊料，并已取得了一 定的成果。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。我国政府也高 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，新型无铅焊料的研发已成为材料科学的 前沿课题之一。 当今市场上热、力学性能较好的无铅焊料大多属于Sn-Ag系，其中Sn-Ag-Cu三元 共晶焊料润湿性好，强度和塑性高，具有优良的耐热疲劳特性。而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。因此，在我们以前的 工作中研究开发了自适应Sn-Ag-Zn系无铅焊料，并采用In、 Al等微合金化，以及SiC、 Cu、 Ag和MgB2等颗粒增强的方法，以提高焊料合金的综合性能。 经过进一步的研究发现，元素Bi能降低合金熔点，提高蠕变特性，增大合金的拉 伸强度及硬度，具有良好的稳定性。将其加入到Sn-Ag-Zn焊料合金中，并调整各个元素间 的比例，形成Sn-Ag-Zn-Bi系无铅焊料合金，具有更高的力学性能及热疲劳性能，而且比颗 粒增强的方法具有更简单的工艺，能更好的满足较高的工业应用要求。
发明内容
本发明目的是提供高性能的锡银锌铋系无铅焊料，该焊料在硬度、熔点、拉伸强 度、可焊性等方面表现优异，可满足工业应用要求，其制备方法简单。 本发明的锡银锌铋系高性能无铅焊料，其特征是在焊料中含有纯度为99. 99%的 铋元素。
本发明的的锡银锌铋系高性能无铅焊料的制备方法，是将纯度为99.99%的锡、 银、锌、铋元素，质量比为89 95. 5 : 3 5 : 0. 5 2 : 1 4，在氩气保护下的真空熔 炼炉中加热到900 130(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。 在原料中加入质量比为0 2的稀土元素、0 2. 5的镓或0 3磷。 本发明优点是锡银锌铋系无铅焊料使焊料具有更好的综合性能，如较低的熔点，
如图5所示，随着Bi含量的增加，焊料合金的熔点降低，更加接近SnPb共晶焊料合金的熔
点183t:;较高的显微硬度，如图6所示，Bi的加入起到了固溶强化的作用，大幅度提高了焊
料的硬度；较高的拉伸强度，如图7所示，Bi含量的增高，焊料的拉伸强度明显提高；以及良
好的润湿性能等，可以更好的在热冲击环境工作条件下服役。
图1实施例1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实施例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；图5Sn-3. 7%、Ag-0. 9%、Zn-x%、Bi(x =图6Sn-3. 7%、Ag-0. 9%、Zn-x%、Bi(x =图7Sn-3. 7%、Ag-0. 9%、Zn-x%、Bi(x =
应力图。
1、2、3和4)焊料的熔点曲线图； 1、2、3和4)焊料的显微硬度图； 1、2、3和4)焊料的最大载荷及其拉伸
具体实施方式
例1 将纯度为99.99%的锡、银、锌、铋按质量比为95. 5 : 3 : 0. 5 : 1在氩气保护下 的真空熔炼炉中加热到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 到锡银锌铋系无铅焊料。其显微组织如图l所示，组织由P-Sn枝晶(亮区域)和细密的 颗粒(暗区域)组成，该焊料合金具有较高的维氏硬度(30左右)和较低的熔点(215t:左 右)。 例2 将纯度为99.99%的锡、银、锌、铋按质量比为89 :5:2: 4在氩气保护下的真 空熔炼炉中加热到IOO(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锡 银锌铋系无铅焊料。其显微组织如图2所示，组织成定向凝固状态，极为细密，该焊料合金 熔点只有20(TC左右，维氏硬度达到50左右，拉伸强度达到70MPa左右，达到很好的综合性 能。 例3 将纯度为99.99%的锡、银、锌、铋按质量比为92. 5 : 3. 5 : 1. 5 : 2. 5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到110(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 次得到锡银锌铋系无铅焊料.其显微组织如图3所示，同样是由13 -Sn枝晶和细密的颗粒 组成，该焊料合金润湿性好，熔点低，硬度和拉伸强度较高。
例4 可在焊料合金中中加入稀土元素以细化组织，可加镓及磷以提高抗氧化 性。具体措施如下，将纯度为99.99 %的锡、银、锌、铋、镓、磷、稀土元素按质量比为
91.3 : 3.5 : 1.5 : 2.5 : 0.5 : 0.2 : o. 5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到i200°c
熔化(其中稀土元素以预配好的锡稀土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锡银锌铋系无铅焊料。其显微组织如图4所示，与图3相比，起 到了一定的细化作用，其硬度和拉伸性能也进一步提高。 本发明提出的一种锡银锌铋系高性能的无铅焊料及制备方法，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
一种锡银锌铋系高性能无铅焊料，其特征是在焊料中含有纯度为99.99％的铋元素。
2. 权利要求1的锡银锌铋系高性能无铅焊料的制备方法，其特征是将纯度为99. 99%的锡、银、锌、铋元素，质量比为89 95. 5 : 3 5 : 0. 5 2 : l 4，在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到900-130(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。
3. 如权利要求2的方法，其特征是在原料中加入质量比为0 2的稀土元素、0 2. 5 的镓或0 3磷。
全文摘要
本发明涉及锡银锌铋系高性能的无铅焊料及制备方法。将纯度为99.99％的锡、银、锌、铋元素，质量比为89～95.5∶3～5∶0.5～2∶1～4，在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到900～1300℃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。本发明优点是锡银锌铋系无铅焊料使焊料具有更好的综合性能，如较低的熔点、较高的显微硬度、较高的拉伸强度和良好的润湿性能，可以更好的在热冲击环境工作条件下服役。
文档编号B23K35/40GK101700604SQ20091030648
公开日2010年5月5日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者余黎明, 刘永长, 王珣, 董治中, 高志明 申请人:天津大学