专利名称：亚微米级焊锡合金粉及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电子封装用焊锡粉技术领域，具体涉及一种亚微米级(I. O 3. O微米)焊锡合金粉及其制备方法。
背景技术：
Sn-Pb系列焊锡粉在电子封装中已有几十年的应用，其共晶合金的熔点低，价格低廉，各项性能优异，得到广泛的应用。但是，随着电子产品更新交替的速度加快，许多报废品中的含铅物质不能完全回收，造成了环境的严重污染，当铅通过食物链进入人体内时，就容易进入血液并积累起来，造成铅中毒，对人体造成不可逆转的危害。因此，无铅焊料的开发与应用成为必然。目前，应用最广泛的无铅焊锡粉，一般都是用喷雾法来制得，喷雾法制得的焊锡粉，粒径在I — 100微米(μ m)的宽度范围内分布，而且，其中粒径在3μπι以下的产品占总量不足10%，而用这种方法生产的焊锡粉制成的焊锡膏，不能形成精细电路和有效填充细小针孔，因此，不能满足电子产品精细化的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种粒度细、分布窄、氧含量低的亚微米级焊锡合金粉。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种亚微米级焊锡合金粉，该合金粉由以下重量百分比的各金属元素组成Sn :94. 9 99. 8%, Ag :0. I 4. 2%, Cu :0. I
O.9% ;且合金粉的平均粒径为I. O 3. O微米；或该合金粉由以下重量百分比的各金属元素组成Sn 25. 8 74. 9%，Bi =25^70%,Ag :0. I 4. 2%，且合金粉的平均粒径为I. O 3. O微米。上述亚微米级焊锡合金粉为由物理气相法制备的焊锡合金粉，合金粉的粒子形状为球形或类球形。本发明还提供一种粒度分别窄，粒径细，能有效满足电子产品精细化的要求的上述亚微米级焊锡合金粉的制备方法制备步骤包括(I)将配方比例的焊锡合金金属(市售产品)以及纯金属作为原料放入高温金属蒸发器的坩埚中，检验设备的气密性合格后，通过在坩埚和等离子弧炬之间产生的等离子体转移弧作为加热源，将上述原材料熔化成金属液体；(2)向坩埚内连续进料，进料速率为5. 5 20Kg/h，等离子体转移弧的工作气体的压力为O. 3 O. 8MPa，等离子体转移弧的电压为6(T200V，在等离子体转移弧的作用下，金属液体被加热成金属混合蒸汽；(3)蒸发出来的金属混合蒸气进入粒子控制器，同时金属混合蒸气被进入粒子控制器的惰性气体冷却，在气体当中弥散、碰撞，形成纳米或亚微米级的液滴，随后被冷却凝固成合金粉；(4)步骤(3)所得的合金粉在气体携带下通过气固分离器后被收集下来，得到亚微米级焊锡合金粉末，焊锡合金粉末收集到焊锡粉收集器中；气体经过冷却后循环使用或排空;上述制备过程涉及的设备系统，其系统内部压力为O. 05 O. 2MPa。作为优选，步骤(I)所述的焊锡合金金属原料为粒状、小块状、小段状等，成分与要生产的目标焊锡合金粉成分相同或接近。本发明上述步骤(I)所述的纯金属即在制备Sn-Ag-Cu焊锡粉(Sn :94. 9 99. 8%，Ag :0. I 4. 2%, Cu :0. I O. 9% ;且合金粉的平均粒径为I. O 3. O微米)时，在投料时，在坩埚内投入焊锡合金金原料重量O. 5 2. 0%的纯铜；在制备Sn-Bi-Ag焊锡粉(Sn :25. 8 74. 9%，Bi :25 70%，Ag :0. I 4. 2%，且合金粉的平均粒径为I. O 3. O微米)时，加入焊锡合金金原料重量O. I 2. 0%的纯银和5 30%的纯锡。作为优选，步骤(2)所述的等离子体转移弧的工作气体为氩气、氮气、氢气、氨气、氦气的一种或两种以上的混合气体，优选为氮气或氮气和氢气的混合气体。本发明制备方法的整个过程涉及的设备系统，该系统内部的压力(从步骤(I)就开始控制)优选为O. 08 O. 15MPa。本发明所述的高温金属蒸发器为专利201110119245. 2中的高温金属蒸发器，该蒸发器结构如下包括用于盛放金属块和融化后的金属液体的坩埚、等离子体转移弧炬、等离子体转移弧、石墨、电源和导线；所述的等离子体转移弧炬中设有供气体进入的进气管；所述的等离子体转移弧炬产生的等离子体转移弧下端与坩埚中的金属液面相接；所述的石墨设于坩埚的底部；所述的等离子体转移弧炬、等离子体转移弧、坩埚、石墨、电源和导线之间构成电回路，所述的等离子体转移弧的上方设有供金属原料加入的进料管。本发明的生产过程还可以详细描述为把相应配方成分的焊锡合金金属(市售产品)与该合金中含有的较高沸点的纯金属放入高温金属蒸发器中，检验设备的气密性合格后(不漏气)，对系统抽真空一 85KPa或更低，然后，再充入高纯氮气对系统进行冲洗，使系统内的气氛为惰性的；等离子体转移弧作为加热源，加热焊锡合金和纯金属原料到熔化状态，开启加料机，以一定速率向坩埚内加料，在等离子体转移弧持续作用下金属混合蒸汽被蒸发出来，由气体输送管道输送到粒子控制器中，在粒子控制器中金属混合蒸气被惰性气体冷却，形成由几十甚至上百个原子组成的极微细的原子族，微小原子族在气体当中弥散、碰撞，长大成纳米或亚微米级的液滴，随后被冷却凝固成合金粉，由于合金粉是由成千上万个微小原子族碰撞长大，所以所得的焊锡合金粉的成分是均匀的，气固混合气体经过气固分离器后，合金粉被收集下来，气体被冷却后循环使用。由于组成合金的各金属元素的沸点不同，蒸发的速度也不同，在几种金属元素一起被加热蒸发时，沸点低的元素蒸发速度快，沸点高的蒸发速度慢，为了能使蒸发出来的混合蒸汽的成分符合最终产品中焊锡合金粉的成分要求，除了要以一定速度加入作为原材料的市售的配方比例的焊锡合金金属外，还需在坩埚内适当加入一定量的较高沸点元素的纯金属，比如在生产Sn-Ag-Cu焊锡粉时，需要投料时，在坩埚内投入以坩埚内焊锡合金的重量计0.5 2. 0%的纯铜；生产Sn-Bi-Ag焊锡粉时，加入以坩埚内焊锡合金的重量计O. I
2.0%的纯银和5 30%的纯锡，以保证最终蒸发、冷却下来的合金粉成分符合最终产品要求。在生产刚开始的一段时间里，坩埚内的金属液体的成分不断发生变化，高沸点的金属元素含量越来越高，低沸点的金属元素含量降低，通过调整加料量，经过一定时间的蒸发后，加料量和蒸发量达到平衡，即进入坩埚和从坩埚蒸发出来的各元素的量达到平衡，坩埚内的合金成分稳定到某一个值，系统达到平衡，合金粉的成分也稳定到预定值，生产可以持续稳定生产下去。本发明的优点和有益效果I.本发明的亚微米级焊锡合金粉，其平均粒径为I. O 3. O微米，形貌可以为完全球形，粉的流动性很好，因此，粒径分别窄，应用于电子封装领域，能形成精细电路和有效填充细小针孔，因此，可以满足电子产品精细化的要求。2.焊锡粉的粒径可在I. (Γ5. O微米之间调节，粒度分布窄。3.本发明的亚微米级焊锡合金粉，采用物理气相法制备，制备工艺简单，开始烧结温度低，烧结速度快，易于操作，并能将所有金属合金粉都能有效形成平均粒径为I. O
3.O微米的亚微米级焊锡合金粉。
图I本发明亚微米级焊锡合金粉制备工艺流程图。图2实施例I制备的Sn-3. 5Ag_0. 9Cu扫描电镜图。图3实施例2制备的Sn-57Bi-l. OAg扫描电镜图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例做详细说明，但本发明不局限于以下实施例，本发明保护范围内的任何修改，都认为落入本发明的保护范围内。实施例I :把市售的Sn-3. 5Ag-0. 9Cu合金丝冲断成小段，将此合金段作为原料放入坩埚内，重量为15Kg，另外将O. 25Kg的纯铜加入坩埚内。氮气作为等离子体转移弧工作气体，压力为0.5MPa。等离子体转移弧的电压是140V，用等离子体转移弧做为加热源，将合金焊锡丝迅速加热到熔化状态，开启加料机以5. OKg/h的速率向坩埚内加入合金小段，系统压力为IlOKPa0经过2小时的成分调整，坩埚内物料的进出达到平衡。作为冷却气体的氮气将金属蒸气带到粒子控制器中，将金属蒸气聚冷200°C以下，成为固态粉末。合金粉经过气固分离器后被收集下来。气体被冷却后循环使用。生产出来的焊锡粉合金成分为银含量为3. 5%，铜含量为0. 9%。氧含量为0. 08%(一般锡是以余量计算的，也就是说，除了铜银外就是锡了，另外焊锡粉的一个重要质量指标是氧含量，所以这里也写了氧含量)。如果焊锡粉中的氧含量过高，将导致焊锡膏的润湿性能下降，影响焊接效果。熔点为217°C。粒径分布为表I所示表I
权利要求
1.一种亚微米级焊锡合金粉，其特征在于该合金粉由以下重量百分比的各金属元素组成Sn 94. 9 99. 8%，Ag 0. I 4. 2%，Cu 0. I O. 9% ;且合金粉的平均粒径为I. O 3. O微米；或该合金粉由以下重量百分比的各金属元素组成Sn :25. 8 74. 9%，Bi =25^70%, Ag:O. I 4. 2%，且合金粉的平均粒径为I. O 3. O微米。
2.根据权利要求I所述的亚微米级焊锡合金粉，其特征在于所述的亚微米级焊锡合金粉为由物理气相法制备的焊锡合金粉，合金粉的粒子形状为球形。
3.—种亚微米级焊锡合金粉的制备方法，其特征在于制备步骤包括(1)将配方比例的焊锡合金金属以及纯金属放入高温金属蒸发器的坩埚中，检验设备的气密性合格后，通过在坩埚和等离子弧炬之间产生的等离子体转移弧作为加热源，将原材料熔化成金属液体；(2)开始向坩埚内连续进料，进料速率为5.5 20Kg/h，等离子体转移弧的工作气体的压力为O. 3 O. 8MPa，等离子体转移弧的电压为6(T200V，在等离子体转移弧的作用下，金属液体被加热成金属混合蒸汽；(3)蒸发出来的金属混合蒸气进入粒子控制器，同时高温金属混合蒸气被进入粒子控制器的惰性气体冷却，在气体当中弥散、碰撞，形成液滴，随后被冷却凝固成合金粉；(4)步骤(3)所得的合金粉在气体携带下通过气固分离器后被收集下来，得到亚微米级焊锡合金粉末；气体经过冷却后循环使用或排空；上述制备过程涉及的设备系统，其系统内部压力为O. 05 O. 2MPa。
4.根据权利要求3所述的亚微米级焊锡合金粉的制备方法，其特征在于步骤(I)所述的纯金属即在制备Sn-Ag-Cu焊锡粉时，在投料时，在坩埚内投入焊锡合金金属原料重量O. 5 2. 0%的纯铜；在制备Sn-Bi-Ag焊锡粉时，加入焊锡合金金属原料重量O. I 2. 0%的纯银和5 30%的纯锡。
5.根据权利要求3所述的亚微米级焊锡合金粉的制备方法，其特征在于步骤(I)所述的等离子工作气体为氩气、氮气、氢气、氨气、氦气的一种或两种以上的混合气体。
6.根据权利要求3所述的亚微米级焊锡合金粉的制备方法，其特征在于所述的系统压力为O. 08 O. 15MPa。
全文摘要
本发明公开一种亚微米级焊锡合金粉，该合金粉由以下重量百分比的各金属元素组成Sn94.9～99.8%，Ag0.1～4.2%，Cu0.1～0.9%；且合金粉的平均粒径为1.0～3.0微米；或该合金粉由以下重量百分比的各金属元素组成Sn25.8～74.9%，Bi25~70%，Ag0.1～4.2%，且合金粉的平均粒径为1.0～3.0微米。还公开一种上述合金粉的制备方法。本发明具有粒度细、分布窄、氧含量低的优点。
文档编号B22F1/00GK102909362SQ201210389898
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者赵登永, 高书娟, 王光杰, 汪兴长, 陈钢强 申请人:江苏博迁光伏材料有限公司