专利名称：一种Sn－Zn系无铅钎料合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种Sn-Zn系无铅钎料合金，还涉及该种Sn-Zn系无铅钎料合金的制备方法。
背景技术：
随着主流电子产品不断向微型化、高集成化方向发展，软钎料的物理性能越来越显示出它的重要性。其中Sn-Zn系钎料以其较低的熔点，低廉的成本和丰富的资源受到重视，具有很大的开发潜力和市场前景。然而Sn-Zn系钎料存在缺点，一个就是容易氧化，在焊接过程中，合金的氧化产生大量的浮渣，造成了钎料的浪费；二是使钎料润湿性变差，引起可焊性问题。因此，如何克服Sn-Zn系钎料合金的缺点，制作出一种抗氧化性优良、润湿性良好的无铅钎料合金，成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种Sn-Zn系无铅钎料合金，解决Sn-Zn系钎料合金的易氧化、润湿性差的问题。
本发明的另一目的是，提供该种Sn-Zn系无铅钎料合金的制备方法。
本发明的一个技术方案是，一种Sn-Zn系无铅钎料合金，按重量百分比由以下组分组成Zn为8～9％，Cu为1～3％，混合稀土RE为0.025～0.1％，其余为Sn，各组分的重量之和为100％。
本发明的合金，其组分中的Zn为分析纯，纯度为99.99％。
本发明的合金，其组分中的Cu为分析纯，纯度为99.99％。
本发明的合金，其组分中的Sn为云锡。
本发明的合金，其组分中的混合稀土RE是铈镧氯化稀土，按重量百分比另由以下组分组成铈为63.3％，镧为36.6％，其他杂质为0.1％。
本发明的另一技术方案是，上述的Sn-Zn系无铅钎料合金的制备方法，按以下步骤实施，a.将LiCl∶KCl按照0.8～1.2∶1.0～1.5的质量比例分别称取LiCl和KCl，并混合均匀，配制得到保护熔盐；b.分别按质量比例称取Zn 8～9％，Cu 1～3％，混合稀土RE 0.025～0.1％，其余为Sn，重量100％，并放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到550℃～650℃时，保温时间60分钟～90分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；c.将上述浇铸好的合金在350℃～420℃下进行重熔，保温时间40分钟～60分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
本发明的有益效果是，该种Sn-Zn系无铅钎料合金润湿性良好，耐氧化性能优越，并且制备方法工艺简单，成本低。
图1是本发明的一种实施例Sn-8Zn-2Cu-0.05RE的DTA图；图2是本发明的一种实施例Sn-8Zn-2Cu-0.05RE的润湿图片；图3是本发明的一种实施例Sn-8Zn-2Cu-0.05RE的剪切曲线图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
本发明所述的Sn-Zn系无铅钎料合金，按重量百分比由以下组分组成Zn为8％～9％，Cu为1％～3％，混合稀土RE为0.025％～0.1％，其余为Sn，各组分的重量之和为100％。组分中的Zn为分析纯，纯度为99.99％，组分中的Cu为分析纯，纯度为99.99％，组分中的Sn为云锡。
本发明的合金，其组分中的混合稀土RE是甘肃稀土新材料股份有限公司出品的铈镧氯化稀土，按重量百分比由以下组分组成铈为63.3％，镧为36.6％，其他杂质为0.1％。
添加的Cu元素可以提高合金焊接性能和抗氧化性，同时对合金的塑性性能也有改善，所形成的Cu6Sn5金属间化合物粒子分布于锡基体上，起到了强化作用。
稀土元素是表面活性元素，可以提高钎料组织的均匀性和润湿性，添加的混合稀土RE为铈镧氯化稀土，按重量百分比由以下组分组成铈为63.3％，镧为36.6％，其他杂质为0.1％。控制混合稀土RE的加入量在某一范围内可增加熔化后的焊料的润湿能力，克服某些无铅焊料的润湿性不足的缺点。在合金熔炼过程中起到净化作用，作为非均质形核结晶的质点促使晶粒细化，保证焊接强度。
Sn为基料，Sn具有低熔点，与其它低熔点金属形成的合金也就具有相对较低的熔点，避免焊接过程对于电子元器件的热烧蚀或热损伤。Sn来源丰富，价格低廉，适合各种电子封装材料的焊料基材。
本发明所述的Sn-Zn系无铅钎料合金的制备方法，按以下步骤实施1.将LiCl∶KCl按照0.8～1.2∶1.0～1.5的质量比例分别称取LiCl和KCl，并混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取Zn 8％～9％，Cu 1％～3％，混合稀土0.025％～0.1％，其余为Sn，重量100％，并放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到500℃～650℃时，保温时间60分钟～90分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在350℃～420℃下进行重熔，保温时间40分钟～60分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
本发明还具有如下特点上述的制取工艺所用的材料，市场上容易购买，不采用贵重金属而具有了较低的成本；制备方法工艺简单，容易操作。
实施例一1.按LiCl∶KCl组分为1.0∶1.3的质量比例分别取LiCl和KCl，总共为10g，并混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取Zn为8.0g(8％)、Cu为2.0g(2％)混合稀土RE为0.05g(0.05％)，其余为Sn，总重量100％，质量总共为100g，并全部放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到600℃时，保温60分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在400℃下进行重熔，保温50分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测。该合金熔点为209.8℃，以纯松香作为助焊剂，空气炉中焊接，焊点光亮饱满， 润湿角为42°，比传统的Sn-8Zn合金的61°润湿角值降低了19°，润湿性优良，抗氧化性较Sn-8Zn合金(焊点表面有浅黑色氧化皮)的好，合金剪切强度达27.3MPa，与Sn-8Zn合金的27.8MPa接近。
相关测试指标如下表
如图1所示，合金的峰值明显，熔点较低，没有出现其它参差不齐的峰，说明合金中的氧化物杂质较少，不会影响合金的熔点，对于确定钎料的钎焊温度有较好的参考价值。
如图2所示，合金与基板相润湿呈现球冠状，润湿表面光洁、平整，润湿角小。
如图3所示，从钎料的剪切曲线可以看出钎料的剪切断裂曲线出现一段明显的塑性变形区，属于塑性断裂。
实施例二1.按LiCl∶KCl组分为1.2∶1的质量比例分别取LiCl和KCl，总共为10g，并混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取，Zn为8.8g(8.8％)、Cu为1g(1.2％)、混合稀土RE为0.1g(0.1)，其余为Sn，总重量100％，质量总共为100g，并全部放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到650℃时，保温60分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在420℃下进行重熔，保温40分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测。该合金熔点为212.6℃，以纯松香作为助焊剂，空气炉中焊接，去除氧化皮后焊点光亮饱满。相关测试指标如下表
实施例三1.按LiCl∶KCl组分为0.8∶1.0的质量比例分别取LiCl和KCl，总共为10g，并混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取，Zn为9.0g(9％)、Cu为3g(3％)、混合稀土RE为0.025g(0.025％)，其余为Sn，总重量100％，质量总共为100g，并全部放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到550℃时，保温90分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在350℃下进行重熔，保温60分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测。该合金熔点为217.0℃，以纯松香作为助焊剂，空气炉中焊接，焊点表面没有氧化，表面较粗糙。
相关测试指标如下表
实施例四1.按LiCl∶KCl组分为1.2∶1.5的质量比例分别取LiCl和KCl，总共为10g，并混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取，Zn为9.0g(9％)、Cu为3g(3％)、混合稀土RE为0.025g(0.025％)，其余为Sn，总重量100％，质量总共为100g，并全部放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到550℃时，保温90分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在350℃下进行重熔，保温60分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测。该合金熔点为216.5℃，以纯松香作为助焊剂，空气炉中焊接，焊点表面没有氧化，表面较粗糙。
相关测试指标如下表
综上所述，本发明通过合金成分的优化和性能研究，提出了一种润湿性优越，抗氧化性能良好的Sn-Zn系钎料合金，并且制备方法简单可行。
权利要求
1.一种Sn-Zn系无铅钎料合金，其特征在于按重量百分比由以下组分组成Zn为8％～9％，Cu为1％～3％，混合稀土RE为0.025％～0.1％，其余为Sn，各组分的重量之和为100％。
2.如权利要求1所述的Sn-Zn系无铅钎料合金，其特征在于其中的组分Zn为分析纯，纯度为99.99％。
3.如权利要求1所述的Sn-Zn系无铅钎料合金，其特征在于其中的组分Cu为分析纯，纯度为99.99％。
4.如权利要求1所述的Sn-Zn系无铅钎料合金，其特征在于其中的组分Sn为云锡。
5.如权利要求1所述的Sn-Zn系无铅钎料合金，其特征在于其中的组分混合稀土RE是铈镧氯化稀土，按重量百分比另由以下组分组成铈为63.3％，镧为36.6％，其他杂质为0.1％。
6.一种制备权利要求1所述的Sn-Zn系无铅料合金的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤实施a将LiCl∶KCl按照0.8～1.2∶1.0～1.5的质量比例分别称取LiCl和KCl，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；b.分别按质量比例称取Zn 8％～9％，Cu 1％～3％，混合稀土0.025％～0.1％，其余为Sn，重量100％，并放入石墨坩锅中搅拌成均匀的混合物，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，将坩锅置于井式真空炉中进行熔炼，抽真空并充入高纯氮气，当炉温达到550℃～650℃时，保温时间60分钟～90分钟，熔炼后，将坩锅取出，对合金进行预冷、浇铸；c.将上述浇铸好的合金在350℃～420℃下进行重熔，保温时间40分钟～60分钟，搅拌，最后再进行浇铸顾锭，即得。
全文摘要
本发明公开了一种Sn－Zn系无铅钎料合金，并公开了该种Sn－Zn系无铅钎料合金的制备方法。本发明通过在Sn－Zn系合金中添加Cu元素和混合稀土RE，得到的Sn－Zn系无铅钎料合金，其组分为Zn为8～9％，Cu为1～3％，混合稀土RE为0.025～0.1％，其余为Sn。稀土元素是表面活性元素，可以提高钎料组织的均匀性和润湿性；Cu元素可以提高合金的塑性性能，同时对合金的焊接性能和抗氧化性。本发明在保持Sn－Zn系无铅合金熔点低的基础上，还具有了很好的润湿性，耐氧化性能。该Sn－Zn系无铅钎料合金可广泛应用于电子封装材料。
文档编号C22C1/02GK101058131SQ200710017988
公开日2007年10月24日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者赵麦群, 赵小艳, 孙立恒 申请人:西安理工大学