一種Sn-Cu基無鉛釺料合金及製備方法

2023-07-10 04:58:21

專利名稱：：一種Sn-Cu基無鉛釺料合金及製備方法
技術領域：
：本發明屬有色合金材料，涉及的是一種無鉛釺焊材料，特別涉及到一種適用子電子元件釺焊用的Sn-Cu基無鉛釺料合金及其製備方法。背棄技術Sn-Pb共晶及近共晶合金由於價格低廉、熔點低、對銅基的潤溼性好等優點而在電子工業中獲得廣泛應用。隨著人類環保意識的增強，鉛及其化合物對環境和人類健康的危害性引起全世界的高度關注，國際社會相繼出臺了一系列法規限制或禁止含Pb釺料的使用，發展性能優良、綠色環保的無鉛釺料勢在必行。世界各國近年來開展了大量研究，發展了多種無鉛釺料合金，大致可分為Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn等二元合金系，以及在此基礎上添加第三、第四組元形成的三元、四元合金系。但至今尚未找到各方面性能均令人滿意的Sn-Pb釺料替代品。其中Sn-Zn系的潤溼性和抗腐蝕性極差，Sn-Bi的熔點遠低於Sn-Pb且Bi還可能使釺料產生脆性，目前已公認的性能相對較好、在一些場合得到應用的是Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金，但Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金的熔點(約220°C)相對於現行Sn-Pb共晶合金釺料熔點(183。C)過高，難於與現行電路板材、電子釺焊生產工藝和設備兼容，且原料成本也較高。Sn-Cu系合金的主要原料Sn、Cu的儲量豐富，價格低廉，大多數無鉛釺料的成本比Sn-Pb釺料高2-3倍，相比之下Sn-0.7Cu合金僅比Sn-Pb釺料高1.3倍，是目前所研究的無鉛釺料中成本相對最低的釺料之一；該合金還具有無毒副作用，易生產、易回收等優點，Sn-Cu系合金成為最有潛力替代Sn-Pb釺料的產品之一。但該二元合金的共晶溫度(227°C)較高，抗氧化性、抗腐蝕性較差，綜合力學性能較差，同時Sn-Cu無鉛釺料在Cu基上的潤溼性不夠理想，這些缺點極大的限制了該合金的使用，目前Sn-Cu合金主要在波峰焊工藝中獲得了應用，由於熔點太高，在回流焊工藝中幾乎來獲得應用。
發明內容本發明的目的是，針對Sn-Cu合金中存在的上述問題，通過添加適量的合金組元來提髙Sn-Cu合金的力學性能，抗氧化性和抗腐蝕性，並能顯著改善該合金在銅上的潤溼性，同時使該合金的熔點得到有效降低，以獲得具有價格低廉、綜合性能優良的Sn-Cu基無鉛釺料合金的新型配方，並提供該種Sn-Cu基無鉛釺料合金的製備方法。本發明所述的Sn-Cu基無鉛釺料合金，其Cu含量為合金總重量的0.卜1.5%，P含量為合金總重量的0.001-1%，Bi含量為合金總重量的0-6%,Zn含量為合金總重量的0-3%,餘量為Sn。本發明的較優的技術方案是其Cu含量為合金總重量的0.1-1.5%,Bi含量為合金總重量的0.l-6yn,Zn含量為合金總重量的0.l-3^，P含量為合金總重量的0.001-1%，餘量為Sn。本發明所述的製備方法如下1、按質量比例稱取P3-8%,Sn92-97%，然後將兩者放入石墨坩堝，在其上面覆蓋保護熔鹽，將坩堝置於熔煉爐中，400~550°C的溫度下保溫30~60分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質量為100%計，以P佔0.001-P/。的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5%,Bi0-6%,Zn0-3%,餘量為Sn,將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋保護熔鹽，將坩堝置於熔煉爐中，450-550。C溫度下保溫40-80分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得所需釺料合金。本發明所述的保護熔鹽，可以是KC1與LiCl的混合物，也可以是LiCl與LiF或NaCl的混合物，所用保護熔鹽的熔點範圍一般在300-500'C之間選擇。本發明所述保護熔鹽取KC1與LiCl的混合物時，可將KC1、LiCl以(1.2~1.5):(0.9-1.1)的質量比例混合均勾、烘乾即可。本發明提供的是一種潤溼性優良、熔點較低、力學性能良好、抗氧化性較好的低成本無鉛釺料合金，添加P可以顯著提髙合金的抗氧化性能、抗腐蝕性能及其在Cu基上的潤溼性能；添加少量的Bi可在一定程度上提高合金在Cu上的潤溼性能，並降低該合金的熔點；添加Zn有利於提髙合金的機械性能，對提高合金與Cu形成的焊點可靠性也有益。採用Cu表面鋪展潤溼實驗衡量合金在Cu上的潤溼性，發現添加少量P或Bi的Sn-Cu合金比單純的Sn-Cu合金潤溼性顯著提高，基本上能達到Sn-Pb合金的水平，且高於Sn-Ag(-Cu)合金的潤溼性；添加Bi可使Sn-Cu合金的熔點顯著降低，使其熔點至少能達到Sn-Ag系合金的水平，這有利於促進Sn-Cu合金在回流焊工藝中的應用；其強度接近甚或高於Sn-Pb釺料合金，因而有較長的使用壽命和較高的可靠性。相對於其他添加髙熔點的Ni的Sn-Cu焊料合金，本發明添加P、Bi、Zn，添加劑材料在巿場上容易購買，不採用貴重金屬，使其成本更為低廉，製備工藝簡單，容易搡作，有很好的發展潛力。綜合考慮多種因素，本發明有較好的性價比和實用性。圖1為不同P添加量的Sn-O.7Cu釺料合金在Cu上的鋪展面積。圖2為在26(TC添加P對Sn-0.7Cu釺料合金抗氧化性的影響。圖3為添加Bi和P對Sn-O.7Cu釺料合金在Cu上潤溼性的影響。具體實施例本發明將通過以下實施例作進一步地說明。以下實施例所用保護熔鹽是將KCl:LiCl以1.3:1的質量比例混合均勻、烘乾所得。實施例1:1、按質量比例稱取P4%,Sn96%,共為50克，然後將兩者放入石墨坩堝，並在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置於電阻爐中，溫度為450°C下保溫45分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質量為100%計，以P佔0.r/。的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.7%，餘量為Sn,總重量為100克。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護熔鹽，將坩堝置於電阻爐中，450。C溫度下保溫60分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得到所需釺料合金。按上述方法熔配了一系列不同P含量的Sri-Cu合金，供潤溼性和抗氧化性測量；不同P含量的釺料合金對Cu潤溼性的影響見附圖1。P含量對釺料合金抗氧化性的影響見附圖2。潤溼性通過釺料合金在銅基上的鋪展面積來衡量。測量方法為將直徑為8mm的0.3g釺料合金圓片置於覆蓋了一層助焊劑(RMA)、尺寸為40mmx40mmx0.lmm的紫銅片中央，再在釺料合金的表面覆蓋一層同樣的自配助焊劑，將之置於回流焊爐中，在250'C下回流15秒，冷卻後取出試樣，以數位相機攝下其在銅片上的鋪展平面，通過ImageProPlus圖像分析軟體計算出釺料合金鋪展面積；測量5次，取其平均值作為鋪展面積的測量結果。附圖l給出了所得結果。其中含量為0的點代表Sn-0.7Cu母材的潤溼性水平。結果顯示，幾種添加微量P的合金潤溼性相對於純Sn-0.7Cu合金都有顯著提高。用增重法來衡量各釺料合金的抗氧化性。圖2給出了測量結果。從圖中可以看出，在同等條件下，添加P可以使合金在單位面積上的增重減少，即合金的抗氧化性得到了明顯提高。實施例2:1、按質量比例稱取P4%，Sn96%，共為50克，然後將兩者放入石墨坩堝，並在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置於感應爐中，在溫度為500。C下保溫30分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質量為100。/。計，以P佔0.05X的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取CuO.7%，PO.05%,Bi1%，餘量為Sn，總重量為100克。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護熔鹽，將坩堝置於感應爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得到所需釺料合金。按上述方法熔配了一系列不同Bi含量和P含量的Sn-O.7Cu基合金，供潤溼性和熔點測量。各合金對Cu的潤溼性以其在Cu表面的鋪展面積來表徵。測量方法與實施例l中所採用的方法相同。附圖3和附表1分別給出了潤溼性和熔點的測量結果。結果顯示添加少量Bi或同時添加Bi、P對合金的潤溼性都有較大幅度的提髙；同時添加Bi或P能降低Sn-O.7Cu釺料合金的熔點，使其熔點至少可以降低至Sn-Ag(-Cu)的水平。實施例3:1、按質量比例稱取P4%，Sn96%,共為50克，然後將兩者放入石墨坩堝，並在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置於感應爐中，溫度為400°C下保溫60分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質量為100%計,以P佔0.05'A的量計稱取Sn-P中間合金,再稱取Cu0.7%，P0.05%,Bi1%,Zn1%，餘量為Sn,總重量為100克。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護熔鹽，將坩堝置於感應爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻後燒鑄成錠，即得到所需釺料合金。按上述方法熔配了一系列P含量的Sn-0.7Cu-lBi-lZn系合金，供潤溼性測量。各合金對Cu的潤溼性以其在Cu表面的鋪展面積來表徵。測量方法與實施例1中所採用的方法相同。結果顯示添加少量P對合金的潤溼性都有較大幅度的提高。實施例4:1、按質量比例稱取P3。/。，Sn97%，將兩者放入石墨坩堝，並在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置於電阻爐中，溫度為550°C下保溫30分鐘，攪拌均句後澆鑄，得Sri-P中間合金；2、按總質量為100%計，以P佔W的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cul.5%，餘量為Sn。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護熔鹽，將坩堝置於電阻爐中，450。C溫度下保溫60分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得到所需釺料合金。實施例5:1、按質量比例稱取P8。/。，Sn92%，將兩者放入石墨坩堝，並在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置於感應爐中，在溫度為450。C下保溫45分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質量為100%計，以P佔0.00254的量計稱取Sn-P中間合金,再稱取Cu0.1%,Bi0.8%，餘量為Sn。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護熔鹽，將坩堝置於感應爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得到所需釺料合金。實施例6:1、按質量比例稱取P5。/。，Sn95%,將兩者放入石墨坩堝，並在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置於感應爐中，在溫度為450。C下保溫45分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質量100%計，以P佔0.05y。的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.7%，Bi1%,Zn1%，餘量為Sn。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護熔鹽，將坩堝置於感應爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得到所需釺料合金。下表是本發明添加Bi或P對Sn-0.7Cu釺料合金熔點的影響。tableseeoriginaldocumentpage6權利要求1、一種Sn-Cu基無鉛釺料，其特徵是Cu含量為合金總重量的0.1-1.5％，P含量為合金總重量的0.001-1％，Bi含量為合金總重量的0-6％，Zn含量為合金總重量的0-3％，餘量為Sn。2、根據權利要求l所述的Sn-Cu基無鉛釺料，其特徵是Cu含量為合金總重量的0.1-1.5%,Bi含量為合金總重量的0.1-6%,Zn含量為合金總重量的0.1-3%,P含量為合金總重量的0.001-1%,餘量為Sn。3、一種權利要求l所述Sn-Cu基無鉛釺料的製備方法，其特徵是(1)按質量比例稱取P3~8%，Sn92-97%，然後將兩者放入石墨坩堝，在其上面覆蓋保護熔鹽，將坩堝置於熔煉爐中，400~550°C的溫度下保溫30-60分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；(2)按總質量為100%計，以P佔0.001-r/。的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5%,Bi0-6%，Zn0-3%,餘量為Sn,將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋保護熔鹽，將坩堝置於熔煉爐中，450-550。C溫度下保溫4080分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得所需釺料合金。4、根據權利要求3所述的製備方法，其特徵是(1)按質量比例稱取P3~8%,Sn92-97%,然後將兩者放入石墨坩堝，在其上面覆蓋保護熔鹽，將坩堝置於熔煉爐中，400~550°C的溫度下保溫30-60分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；(2)按總質量為100%計，以P佔0.001-ly。的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5%,Bi0.1-6°/。，Zn0.1-3%,餘量為Sn,將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋保護熔鹽，將坩堝置於熔煉爐中，450-550。C溫度下保溫4080分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，即得所需釺料合金。全文摘要一種Sn-Cu基無鉛釺料合金及製備方法，合金的質量含量為Cu0.1-1.5％，P0.001-1％，Bi0-6％，Zn0-3％，餘為Sn，先稱取P3～8％，Sn92-97％，放入石墨坩堝，覆蓋保護熔鹽，400～550℃的溫度下保溫30～60分鐘，攪拌均勻後澆鑄，得Sn-P中間合金；然後按總質量為100％計，以P佔0.001-1％的量計稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5％，Bi0-6％，Zn0-3％，餘量為Sn，放入石墨坩堝，覆蓋保護熔鹽，450-550℃溫度下保溫40～80分鐘，攪拌均勻後澆鑄成錠，本發明製備工藝簡單，易於操作，產品具有潤溼性優良、熔點較低、力學性能良好、抗氧化性較好、低成本的等優點。文檔編號C22C1/03GK101381826SQ20081010722公開日2009年3月11日申請日期2008年9月26日優先權日2008年9月26日發明者浪周,魏秀琴,黃惠珍申請人:南昌大學