专利名称：一种Sn－Ag－Cu－Ce无铅钎料合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，涉及一种Sn-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金，还涉及该种Sn-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金的制备方法。
背景技术：
Sn-Ag-Cu系无铅钎料被公认为是代替Sn-Pb钎料最有前途的钎料之一。它的合金钎料熔化温度范围在217℃附近，熔点温度偏高，有良好的延展性，外观光亮。它有以下几方面优点(1)耐疲劳性明显地优于Sn-Pb共晶钎料；(2)抗拉强度、初期强度和长期强度变化都比Sn-Pb共晶钎料优越；(3)蠕变具有变形速度慢，断裂时间长等特性；(4)延展性，由于添加降低熔点的金属使延展性有所下降，但不存在长期劣化问题；(5)力学性能良好，可焊性良好。虽然Sn-Ag-Cu系无铅钎料存在着许多优点，但也存在熔点过高，润湿性能差，成本较大等不足之处，因此限制了其在工业生产上的应用。
发明内容
本发明的目的是，提供一种Sn-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金，来解决Sn-Ag-Cu系无铅钎料熔点过高，成本较大的问题。
本发明的另一目的是提供该Sn-Ag-Cu-Ce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-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金，按重量百分比由以下组分组成Ag为2％～3％，Cu为2.5％～3％，Ce为0.01％～0.1％，其余为Sn，各组分的重量之和为100％。
本发明所述的合金，其组分Ag纯度为99.99％。
本发明所述的合金，其组分Cu纯度为99.99％。
本发明所述的合金，其组分Ce的纯度为99％。
本发明所述的合金，其组分Sn为云锡。
本发明的另一技术方案是，所述的Sn-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金的制备方法，按照以下步骤进行，1.将LiCl和KCl按照1.0～1.2∶1.0～1.5的质量比例分别称取，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取Ag 2％～3％、Cu 2.5％～3％、稀土Ce 0.01％～0.1％，其余为Sn，总重量100％，并放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到450℃～700℃时，保温70分钟～100分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在300℃～500℃下进行重熔，保温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降低了无铅钎料合金的成本，润湿性能优良，力学性能优异。
图1是本发明合金进行焊接，其接口的显微组织图；图2是本发明合金的DSC曲线图；
图3是本发明合金的拉伸曲线图；图4是本发明合金的断裂形貌及微观组织图。
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-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金，按重量百分比由以下组分组成Ag为2％～3％，Cu为2.5％～3％，Ce为0.01％～0.1％，其余为Sn，各组分的重量之和为100％，其中组分Ag纯度为99.99％，组分Ce的纯度为99％，组分Sn为云锡。
Ag元素可以提高合金的机械性能和抗腐蚀性能。超过某一定量的含量时，可以降低Sn-Ag-Cu系焊料的液相线。为使Ag与Cu、Sn形成共晶或近共晶形态以降低焊接温度保证电子元件不受损，Ag的含量控制在2～3％，过多则会使液相线温度升高，而且Ag作为贵金属会增加生产成本；形成Ag3Sn粒子可以强化基体。此外Ag还可以提高电导率。
Cu元素可以提高合金焊接性能，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，起到强化作用。
控制Ce元素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。Ce本身熔点低，不会提高焊接温度。从经济性角度考虑Ce的添加量不可过多。
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，为各种电子封装材料用焊料基材。
本发明所述的Sn-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金的制备方法，按以下步骤进行1.将LiCl和KCl按照1.0～1.2∶1.0～1.5的质量比例分别称取，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；2.分别按质量比例称取Ag 2％～3％、Cu 2.5％～3％、稀土Ce 0.01％～0.1％，其余为Sn，总重量100％，全部放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到450℃～700℃时，保温70分钟～100分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在300℃～500℃下进行重熔，保温40分钟～60分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
实施例一1.将LiCl和KCl按照1.1∶1.4的质量比例分别称取，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；2.称量试样，其中Ag、Cu、Ce的质量分别为2.0g(2％)、3.0g(3％)、0.05g(0.05％)，其余为Sn，总量100％，质量总共为100g，全部放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到700℃时，保温90分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、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。合金熔点219.7℃，焊点光亮，铺展面积201.6mm2(相同条件下Sn37Pb合金为236.5mm2)，显微组织为细小均匀的共晶组织，抗拉强度为36.46MPa，延伸率为11.3％，焊接接头在50℃，载荷为8.75MPa条件下，蠕变寿命为98小时。
实施例二1.将LiCl和KCl按照1.0∶1.0的质量比例分别称取，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；2.称量试样，其中Ag、Cu、Ce的质量分别为2.5g(2.5％)、2.8g(2.8％)、0.1g(0.1％)，其余为Sn，总量100％，质量总共为100g，全部放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到450℃时，保温70分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在500℃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。合金熔点218.8℃，焊点光亮，铺展面积220.6mm2(相同条件下Sn37Pb合金为236.5mm2)，显微组织为细小均匀的共晶组织，抗拉强度为38.24MPa，延伸率为13.6％，焊接接头在50℃，载荷为8.75MPa条件下，蠕变寿命为124小时。
实施例三1.将LiCl和KCl按照1.2∶1.5的质量比例分别称取，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；
2.称量试样的其中Ag、Cu、Ce的质量分别为3.0g(3％)、3.0g(3％)、0.01g(0.01％)，其余为Sn。总量100％，质量总共为100g，全部放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到600℃时，保温100分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在300℃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。合金熔点220.3℃，焊点光亮，铺展面积207.3mm2(相同条件下Sn37Pb合金为236.5mm2)，显微组织为细小均匀的共晶组织，抗拉强度为40.58MPa，延伸率为15.7％，焊接接头在50℃，载荷为8.75MPa条件下，蠕变寿命为85小时。
实施例四1.将LiCl和KCl按照1.0∶1.0的质量比例分别称取，并将称量好的LiCl和KCl混合均匀，配制得到保护熔盐；2.称量试样，其中Ag、Cu、Ce的质量分别为2.5g(2.5％)、2.5g(2.5％)、0.1g(0.1％)，其余为Sn，总量100％，质量总共为100g，全部放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到450℃时，保温70分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、浇铸；3.将上述浇铸好的合金在500℃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。合金熔点218.8℃，焊点光亮，铺展面积220.6mm2(相同条件下Sn37Pb合金为236.5mm2)，显微组织为细小均匀的共晶组织，抗拉强度为38.24MPa，延伸率为13.6％，焊接接头在50℃，载荷为8.75MPa条件下，蠕变寿命为124小时。
图1是本发明合金进行焊接，其接口的显微组织图；表明焊接组织非常均匀，所形成的第二相粒子颗粒细小，可起到良好的强韧效果，提高合金的焊接强度及焊接可靠性，满足无铅焊接要求。
图2是本发明合金的DSC曲线图；表明本合金焊料的熔点小于无铅焊接所要求的低于220℃的要求。
图3是本发明合金的拉伸曲线图；表明本合金焊料在一定载荷下具有适当的延伸性，有利于元器件的连接。
图4是本发明合金的断裂形貌及微观组织图。其拉伸断裂面为纤维状形貌表明本合金焊料本合金焊料断裂方式为非脆性断裂。这也是本焊料有着良好焊接强度和实用价值的重要原因之一。
综上所述，本发明的无铅焊锡合金成本较低，润湿性能优良，其铺展面积可达到传统Sn37Pb合金的89％，合金熔点为218.8-220.3℃，力学性能优异，可作为电子封装材料广泛使用。
权利要求
1.一种Sn-Ag-Cu-Ce无铅钎料合金，其特征在于按重量百分比由以下组分组成Ag为2％～3％，Cu为2.5％～3％，Ce为0.01％～0.1％，其余为Sn，各组分的重量之和为100％。
2.如权利要求1所述的合金，其特征在于其组分Ag纯度为99.99％。
3.如权利要求1所述的合金，其特征在于其组分Cu纯度为99.99％。
4.如权利要求1所述的合金，其特征在于其组分Ce的纯度为99％。
5.如权利要求1所述的合金，其特征在于其组分Sn为云锡。
6.一种制备权利要求1所述合金的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行，a.将LiCl和KCl按照1.0～1.2∶1.0～1.5的质量比例分别称取，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Ag 2％～3％、Cu 2.5％～3％、稀土Ce 0.01％～0.1％，其余为Sn，总重量100％，并放入刚玉坩锅中搅拌混合，将上述配制好的保护熔盐覆盖在坩锅中的混合物上，放入电阻炉中加热熔炼，待温度达到450℃～700℃时，保温70分钟～100分钟，在此期间每10分钟搅拌一次，熔炼完后将坩锅取出，对坩锅里的合金进行预冷、浇铸；c.将上述浇铸好的合金在300℃～500℃下进行重熔，保温40分钟～60分钟，搅拌，最后再进行浇铸成锭，即得。
全文摘要
本发明公开了一种Sn－Ag－Cu系无铅钎料合金，同时还公开了该种合金的制备方法，通过在Sn－Ag系合金中添加Cu元素和稀土Ce元素，得到的无铅钎料合金组成成分是Ag为2.5～3.5％，Cu为2.5～3.0％，稀土Ce为0.01～0.1％，其余为Sn。其中的Cu元素可以提高合金焊接性能，同时对合金的塑性性能也有改善；Ce元素加入量控制在一定范围内可增加熔化后的钎料的润湿能力，Ag元素可以提高合金的机械性能和抗腐蚀性能。因此，本发明的Sn－Ag－Cu系无铅钎料合金具有较好的焊接性能、抗腐蚀性能和良好的力学性能。可应用于电子封装材料领域。
文档编号C22C1/02GK101077553SQ20071001799
公开日2007年11月28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, 许天旱 申请人:西安理工大学