专利名称：锡锌铜镍无铅钎料合金的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料技术领域，涉及到电子封装钎焊材料技术，特别涉及到适用于钎焊电子元件而不造成热损伤的无铅钎料合金。
背景技术：
传统使用的锡铅(Sn-Pb)钎料对人体和环境具有极大的危害，发展无铅钎料已经成为当前材料科学工作者的一项紧迫任务。世界上很多国家，如美国、日本等国家正积极立法来禁止铅的使用，欧盟根据立法案电气电子产品机械的废弃物的指令，从2006年7月1日起将全面禁止含铅、镉等有毒有害元素在电子工业中的使用。在我国，电子信息产业部与其它部门一起着手制定在2006年7月1日全面禁止有铅钎料的使用的法规。
监狱环保和立法的压力，迫切需要无铅钎料来取代Sn-Pb钎料应用于电子封装焊接技术中。
为了使无铅钎料合金成分满足有关法规要求，并使钎料合金具有优良的力学性能、环境稳定性，并且钎焊接头具有较高的可靠性，钎料合金必须具有合适的熔点，良好的润湿性，组成元素不含有毒、有害性元素，供给量充足能够满足产业化的要求，合金组织稳定性好，无腐蚀性等。在当前研究的二元及多元合金体系中，Sn-Ag，Sn-Bi-Ag，Sn-Ag-Cu钎料极其钎焊接头研究较多，具有较好的应用前景。但是这些合不但价格十分昂贵，是锡铅合金价格的3倍左右，地球储量也很少。
Sn-9Zn合金具有良好的经济性和力学性能，但是Zn元素较活泼，使该合金的润湿性和抗腐蚀性很差，极大影响了该钎料的大面积应用。而且，Sn-9Zn合金组织中含有粗大的β-Sn晶粒，也使得钎焊接头结合强度较低。近年来，为了改善Sn-9Zn合金的性能，研究者将In、Bi、Al以及稀土元素等作为合金化元素添加到合金中，但是作用不够显著。例如，美国发明专利US6488888，US6440288，US5017738以及日本千住公司在中国申请的发明专利(公开号1198117)等都添加了多种元素到Sn-Zn合金中来改善性能。申请人研究发现，在Sn-9Zn体系内加入1-8％的Cu元素以及0.1～2％的Ni可以明显提高其润湿性及钎料的稳定性。其原因在于只有Cu的添加能和Zn形成较稳定的Cu-Zn化合物，极大降低了Zn元素的活泼性；Ni的添加进一步提高了钎料的可焊性；Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点；稀土元素的添加有助于提高钎料的润湿性和细化组织。该钎料具有良好的力学性能以及可靠性。其抗拉强度大于50Mpa，但塑性下降不大，具有15％以上的延伸率和断面收缩率，完全可满足钎料的力学性能要求。
发明内容
本发明的目的是，提供一种锡锌铜镍无铅钎料合金，以解决目前制约锡锌合金使用存在的问题，使其润湿性、抗腐蚀性及力学性能进一步改善，从而可以广泛应用于电子封装当中。
本发明的技术方案是，在Sn-Zn合金中添加了1～8质量％的Cu，0.1～2质量％的Ni，同时任选含有0.5～5质量％的Bi和微量稀土元素RE(La，Ce，Pr，Nd)。
钎料合金成分根据以下理由是Cu元素的加入使得合金中富Zn相转变成Cu-Zn化合物，极大降低了Zn元素的活泼性，使得在钎焊过程中Zn的氧化问题得到解决，降低了液相的表面张力，因而显著提高了润湿性。
Ni元素的添加有效地提高钎料的可焊性，并降低界面金属间化合物的厚度。
微量混合稀土元素抑制了粗大的β-Sn晶粒生成，使合金组织明显细化，进而提高了合金的力学性能，同时稀土元素的加入显著改善合金的润湿性。
Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点。
本发明的效果和益处是，由于Cu，Ni，Bi，RE合金化元素的加入使得钎料合金润湿性、力学性能较好，熔点适宜，价格便宜，能够克服Sn-Zn合金的弱点，可广泛应用于电子工业，尤其是家电，汽车等领域。
附图是(Sn-9Zn)-3Cu-3Bi-xNi的润湿角随Ni含量变化示意图。
图中横坐标为几种钎料合金，纵坐标为润湿角。合金使用的钎剂是RMA松香活性钎剂，钎焊温度为265℃。
具体实施例方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式
和实施例。本发明的锡锌铜镍无铅钎料的化学成分(质量％)如下1.(5～10)％Zn；(1～8)％Cu；(0.1～2)％Ni；余量为Sn及不可避免的杂质组成；2.(5～10)％Zn；(0.05～0.5)％RE；(0.1～2)％Ni；(1～8)％Cu；余量为Sn及不可避免的杂质组成；3.(5～10)％Zn；(0.5～5)％Bi；(0.1～2)％Ni；(1～8)％Cu；余量为Sn及不可避免的杂质组成；4.(5～10)％Zn；(0.5～5)％Bi；(0.1～2)％Ni；(0.05～0.5)％RE；(1～8)％Cu；余量为Sn及不可避免的杂质组成。
将上述按成分配好的原料放入工业用真空感应炉中冶炼，在常压下，600℃温度保温4～6小时，浇注即可得到焊料合金。通过喷雾制取钎料粉末，加入钎剂，便得到焊膏。
实施例选取下列化学成分(质量％)(7～9)％Zn；(0.05～0.5)％RE；(0.5～5)％Bi；(0.1～2)％Ni；(3～5)％Cu；余量为Sn。将上述按成分配好的原料放入工业用真空感应炉中冶炼，在常压下，600℃温度保温4～6小时，浇注即可得到焊料合金，通过喷雾制取钎料粉末，加入钎剂，便得到焊膏，可用于再流焊。
权利要求
1.一种锡锌铜镍无铅钎料合金，其特征是含有5～10％的Zn，1～8％的Cu，0.1～2％的Ni，其余为Sn。
2.根据权利要求1所述的一种锡锌铜镍无铅钎料合金，其特征是含有0.5～5％的Bi。
3.根据权利要求1或2所述的一种锡锌铜镍无铅钎料合金，其特征是含有0.05～0.5％的稀土元素，包括La，Ce，Pr或Nd元素。
全文摘要
本发明属于金属材料工程技术领域，涉及到电子封装钎焊材料技术领域，特别涉及到低熔点的无铅钎料合金。其特征是合金由以下成分组成(重量百分比)5～10％Zn；1～8％Cu；0.1～2％Ni；0.5～5％Bi；0.05～0.5％稀土元素，包括La，Ce，Pr或Nd元素；其余为Sn。本发明效果和益处是锡锌铜镍无铅钎料合金金润湿性较好，力学性能优良，无毒，无污染，价格便宜，综合性能优良。该合金可广泛应用于电子工业，尤其是可满足家用电器等领域对无铅钎料合金材料的要求。
文档编号C22C13/00GK1730696SQ20051004702
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月5日 优先权日2005年8月5日
发明者马海涛, 赵杰, 王来, 于大全, 韩双起, 王建辉 申请人:大连理工大学