专利名称：一种含Cr的SnZn基无铅钎料的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种适用于电子封装中回流焊和波峰焊的一种含Cr的SnSi基无铅钎料。
背景技术：
随着人们环保意识的增加，电子互连材料无铅化是全球化的趋势。但现有无铅钎料由于熔点比传统的Sn-H3钎料高，导致钎焊温度增加，这必然引起电子元器件和线路板的热损伤，带来现有设备和无铅钎料的兼容性问题。特别是对热敏感的元器件，由于没有合适的无铅钎料可以使用，现阶段还不得不使用Sn-Pb钎料，不能做到完全无铅化，这将对环境造成危害并对人体造成毒害。因此，确有必要开发低熔点无铅钎料。在寻找传统的Sn-Pb钎料的替代品的过程中，现阶段在生产中得以应用的无铅钎料有 Sn-3. OAg-O. 5Cu、Sn-0. 3Ag-0. 7Cu 和 Sn-0. 7Cu。它们的熔点在 217_227°C之间，和传统的Sn-37H3钎料(Tm= 183°C)相比，其熔点升高了差不多40°C，因此必然导致钎焊温度提高，这就对电子元器件、线路板材料的耐温性提出了更高的要求；同时由于钎焊工艺参数窗口窄，现有的钎焊设备需要升级或重新购买，增加了钎焊成本。此外，由于这些无铅钎料含有较多贵金属银，材料成本较高。Sn-9Zn无铅钎料由于熔点(Tm = 198°C )接近Sn_37Pb钎料的熔点，并且具有优异的力学性能及良好的经济性被认为是Sn-Pb钎料的潜在替代品之一。但传统Sn-9ai无铅钎料还存在抗氧化能力差、润湿能力低等缺点。有鉴于此，确有必要开发一种具有优异的抗氧化性、润湿能力和机械性能的低熔点无铅钎料。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供适用于电子封装中回流焊和波峰焊的一种含Cr的Sn-Si基无铅钎料，以克服传统Sn-9ai无铅钎料抗氧化能力差、润湿能力低和剪切强度低等缺点。本发明主要通过以下技术方案来实现一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0.01-0. Iwt %的Ni、 0. 001-0. Olwt %的 P、0. 05-0.Nd、0. 1-0.Ιη、0. 01-0.Cr、l_5wt% 的财、7-11衬％的211，余量为Sn，各组分的重量百分比和为100%。本发明在SnSi钎料中加入了 0.01-0. 的元素Ni。因为铜与锡反应形成金属间化合物Cu6Sn5和Cu3Sn,这些金属间化合物具有很高的熔点，严重影响钎料的流动性，而且焊接后会形成针状的突出物，造成短路。镍能与铜互溶，加入镍能抑制铜向熔融钎料中溶解，降低铜向熔融钎料的溶解速度和减少铜与锡的金属间化合物，抑制铜与锡的反应，降低短路的可能性。同时，镍和锡形成金属间化合物，改进合金的机械强度。但是镍含量过大时， 会提高钎料的液相线温度，造成在特定的焊接温度下，熔融钎料的流动性边差。因此，镍含量控制在0.01-0. Iwt % O本发明在SnSi钎料中加入了 0.001-0. 01wt%的元素P。由于SnSi钎料中的Si 性质较活泼，在钎料合金冶炼和钎焊过程中容易被氧化，导致钎料的润湿性下降，扩展率下降，且容易产生大量锡渣，导致焊接不良。本发明在Snai钎料中加入了 0.001-0.01wt%的元素P，由于元素P的集肤效应，在熔融钎料表面形成一层连续的集化膜保护层，可以有效的阻碍钎料和周围的空气接触，减缓钎料的氧化，提高钎料润湿性能。元素P的含量必须适当，当元素P添加量过少时，不足以在钎料表面形成连续的集化膜保护层，造成钎料的润湿性不足。反之，当元素P添加量过多时，由于元素P在钎料中的溶解度较小，易于形成高熔点的第二相或夹杂物，从而影响钎料合金的一些物理性能，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。适当的添加量应保持在0. 001-0. 01wt%之间，即添加量足以在熔融钎料表面形成一层连续而致密的集化膜保护层，同时又不产生高熔点的第二相或夹杂物。本发明在SnSi钎料中加入了 0.05-0. 2wt%的元素Nd。元素Nd的作用是提高钎料的润湿力，缩短润湿时间。加入元素Nd促进钎料在凝固过程中的形核，使合金凝固组织中的粗大富Sn相得到抑制，对钎料的组织起着均化的作用，细化晶粒，从而提高钎料的力学性能及抗蠕变性能。本发明在SnSi钎料中加入了 0. 1-0. 5wt%的元素h。由于传统Srfb钎料熔点是183°C，而SnZn9的熔点是198°C。仍比Srfb熔点高出10°C以上，为了使本发明SnSi基钎料与传统的Srfb钎料的熔点更加接近，因此需要降低SnSi钎料的熔点。本发明加入^ 的作用是降低钎料的熔点，减缓Si的氧化、抗腐蚀能力以及锡渣的形成。但钎料中添加^ 后，在微观结构中形成了不规则的针状枝晶，从而降低了钎料的机械强度，降低了焊点的结合强度，因为本发明中还加入了一定百分含量的元素Bi。本发明在SnSi钎料中加入了 0.01-0. 5wt%的元素Cr。铬在不锈钢制作中起到关键作用，因为不锈钢中添加铬后具有出色的抗氧化性能和耐腐蚀性能。铬的添加大大提升了 Snai钎料的机械性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能。因为铬元素与锌元素可形成稳定性很强的SiCr金属间化合物，可以降低锌元素的活性，提高钎料抗氧化性能和耐腐蚀性能，而且可以改善钎料的延展率等机械性能。本发明在SnSi钎料中加入了 l-5wt%的元素Bi。铋的添加大大降低了 SnSi熔融钎料的表面张力，也提高了钎料的润湿力和缩短润湿时间。加入适量的铋还可以抑制针状枝晶的形成，使钎料具有适当固相线温度和液相线温度，并改进了钎料的机械强度。本发明含Cr的SnSi基无铅钎料具有以下优点第一，本发明的SnSi基无铅钎料，拥有优异的抗氧化性能和润湿性能，熔点与传统Srfb钎料熔点相当，不铜析，适用于波峰焊和回流焊，以及传统的钎焊封装装置及电子元器件；第二，本发明由于添加了元素Cr，在提升SnSi钎料抗氧化性能和润湿性能的同时，较大的改善了 Snai钎料的机械性能，使钎料强度进一步提高；第三，本发明的SnSi基无铅钎料和传统无铅钎料相比，不含贵金属银，成本低廉。 减少钎料合金元素数量，提高冶炼的可操作性，提升效率，且进一步优化钎料元素含量，提高钎料性能，更加适应无铅化的需求。
优选的，所述钎料的化学组成为0. Olwt %的Ni、0. OOlwt %的P、0. 05wt%的Nd、 0. Iwt%^ Ιη、0· Olwt%的 CrUwt%^ Bi,8wt%^ Zn 和 90. 829wt%^ Sn。优选的，所述钎料的化学组成为0. 03衬％的附、0. 002wt%&P、0. 1衬％的而、 0. In、0.Cr、2wt%& Bi、8wt%& Zn 和 89.Sn。优选的，所述钎料的化学组成为0. 05衬％的慰、0. Olwt %&Ρ、0. 15衬％的而、 0. 3wt%^ Ιη、0· 3wt%^ Cr、3wt% 的 Bi、9wt% 的 Zn 和 87. 19wt%^ Sn。优选的，所述钎料的化学组成为0. 1衬％的慰、0. 0(Mwt%&P、0. 2衬％的而、 0. In、0.Cr、5wt%& Bi、9wt%& Zn 和 84.Sn。
具体实施例方式实施例1一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0. Olwt %的Ni、 0. OOlwt % 的 P、0. 05wt % 的 Nd、0. Iwt % 的 Ιη、0· Olwt % 的 Cr、Iwt % 的 Bi、8wt % 的 Zn 和 90. Sn。实施例2一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0. 03wt %的Ni、 0. 002wt % 的 P、0. Iwt % 的 Nd、0. 02wt % 的 Ιη、0· Iwt % 的 Cr、2wt % 的 Bi、8wt % 的 Zn 和 89. Sn。实施例3一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0. 05wt%的Ni、0. 01wt% 的 P、0. Nd、0.In、0.Cr、3wt%& Bi、9wt%& Zn 和 87.Sn。实施例4一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0. Iwt %的Ni、0. 004wt% 的 P、0. Nd、0.In、0.Cr、5wt%& Bi、9wt%& Zn 和 84.Sn。实施例5一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0. Iwt %的Ni、0. 01wt% 的 P、0. 2wt % 的 Nd、0. 5wt % 的 In、0. 5wt % 的 Cr、5wt % 的 Bi、7wt % 的 Zn 和 86. 69wt % 的 Sn。实施例6一种含Cr的SnSi基无铅钎料，所述钎料的化学组成为0. Iwt %的Ni、0. 01wt% 的 Ρ、0· Iwt % ^ Nd、0. 25wt % ^ Ιη、0· 25wt % ^ CrUwt % ^ BiUlwt%^ Zn 和 87. 29wt% 的Sn。对比例1一种SnSi钎料，所述钎料的化学组成为9wt%的Zn、91wt%的Sn。对比例2一种无铅抗氧化含稀土 SnSi钎料，所述钎料的化学组成为0.5wt%的Cu、 0. Ni、0.P、0.Er、0.h、2wt%& Bi、2wt%& Sb、9wt%的 Zn 和 85.Sn。对实施例1至6及对比例1和2的钎料进行液相线温度、固相线温度、剪切强度和扩展率进行评估，所得结果见表1。表1实施例1至6以及对比例1和2的钎料的评估结果
权利要求
1.一种含Cr的SnSi基无铅钎料，其特征在于，所述钎料的化学组成为0. 01-0. Iwt% 的 Ni、0. 001-0. Olwt % 的 P、0. 05-0. 2wt % 的 Nd、0. 1-0. 5wt % 的 Ιη、0· 01-0. 5wt % 的 Cr、 l-5wt %的Bi、7-1 Iwt %的Zn，余量为Sn，各组分的重量百分比和为100 %。
2.根据权利要求1所述的含Cr的SnSi基无铅钎料，其特征在于，所述钎料的化学组成为0. Olwt %的 Ni、0. 00Iwt % ^ Ρ、0· 05wt % ^ Nd、0. Iwt % ^ Ιη、0· Olwt %的 CrUwt % ^ Bi,8wt%^ Zn 和 90. 829wt%^ Sn。
3.根据权利要求1所述的含Cr的SnSi基无铅钎料，其特征在于，所述钎料的化学组成为0. 03wt%&Ni、0. 002wt%&P、0. lwt%&Nd、0. 02wt%^ Ιη、0· lwt% 的 Cr、2wt% 的 Bi,8wt%^ Zn 和 89. 748wt%^ Sn。
4.根据权利要求1所述的含Cr的SnSi基无铅钎料，其特征在于，所述钎料的化学组成为0. 05wt%&Ni、0. 01wt%&P、0. 15wt%&Nd、0.In、0. 3wt% 的 Cr、3wt% 的 Bi、 9wt%^ Zn 和 87. 19wt%^ Sn。
5.根据权利要求1所述的含Cr的SnSi基无铅钎料，其特征在于，所述钎料的化学组成为0.Ni、0.P、0.Nd、0.ln、0.Cr、5wt%& Bi、 9wt% 的 Zn 和 84. 696wt% 的 Sn。
全文摘要
本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种适用于电子封装中回流焊和波峰焊的一种含Cr的SnZn基无铅钎料。所述钎料的化学组成为0.01-0.1wt％的Ni、0.001-0.01wt％的P、0.05-0.2wt％的Nd、0.1-0.5wt％的In、0.01-0.5wt％的Cr、1-5wt％的Bi、7-11wt％的Zn，余量为Sn，各组分的重量百分比和为100％。相对于现有技术，本发明的SnZn基无铅钎料，拥有优异的抗氧化性能、润湿性能和机械性能，熔点与传统SnPb钎料熔点相当，不铜析，适用于波峰焊和回流焊，以及传统的钎焊封装装置及电子元器件。
文档编号B23K35/26GK102489892SQ201110427120
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月31日
发明者方喜波, 梁静珊, 陈锋 申请人:广东中实金属有限公司