一种SnAgCu系无铅钎料及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种SnAgCu系无铅钎料及制备方法，该钎料包含以下重量百分比的组分，Ag1％～2％，Cu0.2％～1.2％，Ni0.05％～0.08％，Bi2.5％～5％，Ga0.05％～0.1％，Er0.05％～0.2％，余量为Sn。本发明的一种SnAgCu系无铅钎料，降低了制作成本，在保证钎料各项性能的前提下，添加的合金元素Ag及稀土元素Er所占比重少；加入合金元素Ag、Cu、Bi及稀土元素Er能改善钎料的润湿性，加入Cu元素提高了钎料的抗拉强度，加入Ga元素及稀土元素提高了合金的抗氧化性，同时由于这些合金元素的加入改善了钎料的组织，细化晶粒，提高了钎料组织的综合性能，在制备过程中引入微型电磁振动器，钎料的成分更加均匀。
【专利说明】
一种SnAgGu系无铅钎料及制备方法
技术领域
[0001] 本发明一种SnAgCu系无铅钎料及制备方法，属于钎焊领域。
【背景技术】
[0002] 铅和铅的化合物已被环境保护机构列入前17种对人体和环境危害最大的化学物 质之一。铅的毒性在于它是不可分解的金属，并且一旦被人体摄取会在人体中聚集而不能 被排出，铅与人体内蛋白质会强烈结合而抑制人体正常的生理功能，造成神经系统和代谢 紊乱。同时铅的废弃物会污染土壤，渗入地下水，从而对生态构成威胁。
[0003] Sn-Pb合金是一种用于钎焊组装的传统主流钎料，其熔点较低，使被焊接元器件的 应力和应变很小，能够保证焊件尺寸，同时对电子器件的性能影响较小。此外有良好的导电 性和钎焊性，热阻小，是微电子元件焊接的首选材料。但Sn-Pb钎料含有元素Pb，对人体及周 围环境有很大影响。同时，Sn-Pb钎料组织不稳定，各项机械性能低，抗蠕变性能差，已经逐 渐不能满足使用要求。因此研制出一种用于钎焊组装的新型绿色环保无铅钎料具有重要的 意义及作用。
[0004] 目前，国内对SnAgCu系无铅钎料也有了一定的研究。中国公开号为CN101024262A 的发明专利公开了一种高强度高韧性含镍SnAgCuRe无铅钎料及制备方法，通过加入合金元 素 Ni有利于提高钎料合金的强度及韧性，同时加入稀土元素 Ce和La，改善钎料的润湿性及 综合性能，但这种钎料的制备工艺较复杂，在制备过程中，要每半个小时将合金翻转后再进 行熔炼，同时这种钎料的固相线温度为210°C左右，液相线与固相线温度差为10~15°C，稍 微偏高。无铅钎料理想的熔点温度范围为150~210°C或更接近Sn-Pb的共晶温度（183 °C)， 液相线与固相线温度差尽量减小，以保证合金在钎焊后能短时间内凝固，从而避免开裂。中 国公开号为CN1346728A的发明专利公开了一种含稀土多合金组元无铅钎料合金，通过加入 稀土多合金组元使无铅钎料合金的熔点低于210°C，甚至达到190°C，固液相线温度差小于 15°C，同时钎料合金的屈服强度达到了60MPa，延伸率不低于18%，但此种无铅钎料由于稀 土元素的加入种类多将导致钎料的制作成本增加。中国公开号为CN101780608A的发明专利 公开了 一种含Si和Ge的SnAgCu系无铅焊料，在降低Ag含量的前提下加入Si和Ge元素，同时 加入了 Ni、P或Co、P元素，降低了成本，提高了抗氧化性及润湿性。但是由于P在合金中不易 分散，且会在金属分离的表面形成一层致密的集肤层，对进一步加工带来困难，同时对焊剂 的要求高，影响后续的焊接效果，并且该钎料也存在固相线温度偏高（为217°C)的不足。中 国公开号为CN104741820A的发明专利公开了一种无铅钎料，主要通过加入Ge来提高钎料的 抗氧化性，但仅通过加入Ge，钎料的抗氧化性能并不能得到较高的保障。中国公开号为 CN1285443C的发明专利公开了 一种含稀土的SnAgCuEr锡基无铅钎料及其制备方法，在 SnAgCu的基础上加入稀土元素 Er降低钎料的恪化温度，改善钎料的合金组织，但仅仅通过 稀土元素 Er并不能有效提高钎料的润湿性及抗氧化性等综合性能，且钎料制作过程周期 长。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种SnAgCu系无铅钎料 及制备方法，降低了制作成本，在保证钎料各项性能的前提下，添加的合金元素 Ag及稀土元 素 Er所占比重少。
[0006] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明的SnAgCu系无铅钎料，该钎料包含以下重 量百分比的组分，Agl% ~2%，Cu0.2% ~1.2%，Ni0.05% ~0.08%，Bi2.5% ~5%， Ga0.05%~0.1%，Er0.05%~0.2%，余量为Sn。
[0007] 作为优选，该钎料包含以下重量百分比的组分：Agl.5%，Cu0.7%，Ni0.07%， Bi3.8%，Ga0.08%，Er0.12%，余量为Sn。
[0008] 作为优选，所述钎料为箱带状，厚度为20~80μπι。
[0009] -种上述的SnAgCu系无铅钎料的制备方法，包括以下步骤：
[0010] 1)按成分质量百分比称取48、〇1、附1、6&43卩311制得混合物，并向装有混合物 的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，其中混合物与丙酮体积比为1:10~20;
[0011] 2)对步骤1得到的装有悬浊液的容器进行密封，并在常温下超声清洗5~8min;
[0012] 3)将步骤2超声清洗后的在55-65Γ的温度下进行烘干，因为是丙酮超声清洗，丙 酮极易挥发，过滤后用吹风机即可快速烘干混合物，得到干燥的混合物；
[0013] 4)将干燥的混合物采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉 碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
[0014] 5)将石英玻璃管夹装在高真空单辊甩带机的感应加热圈中，并在石英管夹持器上 安装0AB513002型微型电磁振动器，将其喷嘴至铜辊表面间距调整为l-2mm;
[0015] 6)关闭炉门，采用机械栗抽真空至1.5Xl(T2Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空 度不低于9 X l(T5Pa，然后向石英玻璃管内充满高纯Ar气至200mbar左右；
[0016] 7)开启电机，使铜辑转速us = 25-30m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金 高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60-65s;
[0017] 8)将Ar气气压调制P = 25-60kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射 到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箱带状，从而得到急冷钎料，厚度为20 ~80μπι 〇
[0018] 本发明提供的SnAgCu系无铅钎料中，各元素的选择及作用如下：
[0019] 所述Ag元素，其主要作用为提高钎料的润湿性，考虑其成本，优选质量百分比1% ~2%〇
[0020] 所述Cu元素，随着其含量的增加，提高了焊料的抗拉强度，增加合金的润湿性，当 Cu含量过高，易形成金属间化合物Cu6Sn5,降低了焊点的可靠性，故优选Cu质量百分比为 0.2% ~1.2%〇
[0021]所述Ni元素，能与Cu形成无限固溶，抑制金属间化合物Cu6Sn5的生成，同时Ni元素 能明显改善钎料合金的结合形态，改善焊料的结晶组织，但Ni含量偏高时会弱化钎料的润 湿性，本发明中Ni的质量百分比优选0.05 %~0.08 %。
[0022]所示Bi元素，其主要作用是降低钎料固相线温度，Sn-Bi共晶的熔点为138°C，同时 Bi可以降低合金的表面张力，提高润湿性，但当Bi含量过高时，固液相线温度差变大，降低 钎料的适用性，优选质量百分比2.5 %~5 %。
[0023]所述Ga元素，对合金具有净化效果和集肤效应，提高了合金的抗氧化性，同时可以 细化晶粒，使晶粒的微观组织结构均匀化，优选Ga质量百分比为0.05%~0.1%。
[0024]所述Er元素，作为稀土元素，微量的Er能有效改善钎料的润湿性，降低固液相线温 度差，微量的Er能抑制金属间化合物Cu6Sn5的生成，但由于稀土元素的化学性质非常活泼， 加入过多会影响钎料的流动，降低润湿性，本发明中Er元素的质量百分比优选0.05%~ 0.2% 〇
[0025]有益效果:与现有无铅钎料相比，本发明具有以下优点：
[0026] (1)降低了制作成本，在保证钎料各项性能的前提下，添加的合金元素 Ag及稀土元 素 Er所占比重少；
[0027] (2)本发明的SnAgCu系无铅钎料固相线温度低，固液相线温度差小，在钎焊过程中 能保证钎焊合金在段时间内凝固，避免开裂缺陷的产生；
[0028] (3)加入合金元素 Ag、Cu、Bi及稀土元素 Er能改善钎料的润湿性，加入Cu元素提高 了钎料的抗拉强度，加入Ga元素提高了合金的抗氧化性，同时由于这些合金元素的加入改 善了钎料的组织，细化晶粒，提高了钎料组织的综合性能，在制备过程中引入微型电磁振动 器，钎料的成分更加均匀。
【具体实施方式】
[0029] -种SnAgCu系无铅钎料组分的质量百分比如下表1所示：
[0030] 表 1
[0031]
[0033]按照上述三种实施例中元素的质量百分比制备无铅钎料，制备步骤包括：
[0034] l)按成分质量百分比称取Ag、Cu、Ni、Bi、Ga、Er和Sn制得混合物，并向装有混合物 的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，其中混合物与丙酮体积比为1:10~20;
[0035] 2)对步骤1得到的装有悬浊液的容器进行密封，并在常温下超声清洗5~8min;
[0036] 3)将步骤2超声清洗后的混合物在55-65°C左右的温度下进行烘干，得到干燥的混 合物；
[0037] 4)将干燥的混合物采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉 碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
[0038] 5)将石英玻璃管夹装在高真空单辊甩带机的感应加热圈中，并在石英管夹持器上 安装0AB513002型微型电磁振动器，将其喷嘴至铜辊表面间距调整为l-2mm;
[0039] 6)关闭炉门，采用机械栗抽真空至1.5Xl(T2Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空 度不低于9 X l(T5Pa，然后向石英玻璃管内充满高纯Ar气至200mbar左右；
[0040] 7)开启电机，使铜辑转速us = 25_30m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金 高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体60-65s;
[0041 ] 8)将Ar气气压调制P = 25-60kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射 到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箱带状，从而得到急冷钎料，厚度为20 ~80μπι〇
[0042] 表2为实施例与对比例所采用的元素组成以及性能差别的对比表。
[0043] 表 2
[0044]
[0046]通过表2得出：由实施例1-3制得的无铅钎料，固相线温度在204~209°C之间，固液 相线温度差在6~7°C之间，润湿角在23.6~25.2°之间，抗拉强度在47~52MPa之间，说明制 备的无铅钎料固相线温度低，润湿性好，接头抗拉强度高。
[0047] 对比例1~5与实施例1~3相比，对比例1中除了元素 Ag、Cu，其它元素均未添加，其 综合性能明显低于实施例1~3,主要表现在固相线温度升高，固液相线温度差增大，润湿性 降低，同时抗拉强度也降低;对比例2中没有添加合金元素 Bi，Bi的作用主要是降低固相线 温度，由数据可知，当缺少元素 Bi时，其固相线温度要高于实施例1~3;对比例3中没有添加 稀土元素 Er，微量Er的作用是改善润湿性，降低固液相线温度差，同时提高钎料的抗氧化 性，当缺少Er时，对比例3润湿角与固液相线温度差均有所增大，并且在对钎料合金的抗氧 化性测试中，浸焊5小时后lKg合金产生的氧化渣高于实施例1-3;对比例4中稀土元素 Er含 量增大，润湿角有明显影响增大。对比例5中没有加入合计元素 Ga，Ga的主要作用是提高钎 料的抗氧化性，由抗氧化性测试结果发现，当钎料中缺少Ga时，浸焊5小时后lKg合金产生的 氧化渣量要比实施例1-3高出一倍左右。
[0048]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种SnAgCu系无铅钎料，其特征在于:该钎料包含以下重量百分比的组分，Agl %~ 2%，Cu0.2%~1.2%，Ni0.05%~0.08%，Bi2.5%~5%，Ga0.05%~0.1%，Er0.05%~ 0.2%，余量为311。2. 根据权利要求1所述的SnAgCu系无铅钎料，其特征在于，该钎料包含以下重量百分比 的组分:Agl.5%，Cu0.7%，Ni0.07%，Bi3.8%，Ga0.08%，Er0.12%，余量为Sn。3. 根据权利要求1所述的SnAgCu系无铅钎料，其特征在于:所述钎料为箱带状，厚度为 20 ~80μπι。4. 一种如权利要求1至3所述的SnAgCu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 按成分质量百分比称取Ag、Cu、Ni、Bi、Ga、Er和Sn制得混合物，并向装有混合物的容 器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，其中混合物与丙酮体积比为1:10~20; 2) 对步骤1得到的装有悬浊液的容器进行密封，并在常温下超声清洗5~8min; 3) 将步骤2超声清洗过滤后的混合物，在55-65Γ的温度下进行烘干，得到干燥的混合 物； 4) 将干燥的混合物采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎 后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内； 5) 将石英玻璃管夹装在高真空单辊甩带机的感应加热圈中，并在石英管夹持器上安装 0AB513002型微型电磁振动器，将其喷嘴至铜辊表面间距调整为l-2mm; 6) 关闭炉门，采用机械栗抽真空至1.5Xl(T2Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不 低于9 X HT5Pa，然后向石英玻璃管内充满高纯Ar气至200mbar左右； 7) 开启电机，使铜辑转速us = 25-30m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频 感应加热至完全均匀恪融后，保温过热恪体60-65s; 8) 将Ar气气压调制P = 25-60kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高 速旋转的冷却铜辊表面，从而得到急冷钎料。
【文档编号】B23K35/26GK105945447SQ201610488123
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】邹家生, 许祥平, 汪鸿, 刘启明
【申请人】江苏阳明船舶装备制造技术有限公司