一種Sn－Ag－Cu－Ce無鉛釺料合金及其製備方法
2023-05-29 13:14:41 2
專利名稱：一種Sn－Ag－Cu－Ce無鉛釺料合金及其製備方法
技術領域：
本發明屬於焊接技術領域，涉及一種Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金，還涉及該種Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金的製備方法。
背景技術：
Sn-Ag-Cu系無鉛釺料被公認為是代替Sn-Pb釺料最有前途的釺料之一。它的合金釺料熔化溫度範圍在217℃附近，熔點溫度偏高，有良好的延展性，外觀光亮。它有以下幾方面優點(1)耐疲勞性明顯地優於Sn-Pb共晶釺料；(2)抗拉強度、初期強度和長期強度變化都比Sn-Pb共晶釺料優越；(3)蠕變具有變形速度慢，斷裂時間長等特性；(4)延展性，由於添加降低熔點的金屬使延展性有所下降，但不存在長期劣化問題；(5)力學性能良好，可焊性良好。雖然Sn-Ag-Cu系無鉛釺料存在著許多優點，但也存在熔點過高，潤溼性能差，成本較大等不足之處，因此限制了其在工業生產上的應用。
發明內容
本發明的目的是，提供一種Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金，來解決Sn-Ag-Cu系無鉛釺料熔點過高，成本較大的問題。
本發明的另一目的是提供該Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金的製備方法。
本發明的一個技術方案是，一種Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金，按重量百分比由以下組分組成Ag為2％～3％，Cu為2.5％～3％，Ce為0.01％～0.1％，其餘為Sn，各組分的重量之和為100％。
本發明所述的合金，其組分Ag純度為99.99％。
本發明所述的合金，其組分Cu純度為99.99％。
本發明所述的合金，其組分Ce的純度為99％。
本發明所述的合金，其組分Sn為雲錫。
本發明的另一技術方案是，所述的Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金的製備方法，按照以下步驟進行，1.將LiCl和KCl按照1.0～1.2∶1.0～1.5的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；2.分別按質量比例稱取Ag 2％～3％、Cu 2.5％～3％、稀土Ce 0.01％～0.1％，其餘為Sn，總重量100％，並放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到450℃～700℃時，保溫70分鐘～100分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；3.將上述澆鑄好的合金在300℃～500℃下進行重熔，保溫40分鐘～60分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
本發明的有益效果是降低了無鉛釺料合金的成本，潤溼性能優良，力學性能優異。
圖1是本發明合金進行焊接，其接口的顯微組織圖；圖2是本發明合金的DSC曲線圖；
圖3是本發明合金的拉伸曲線圖；圖4是本發明合金的斷裂形貌及微觀組織圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
本發明所述的Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金，按重量百分比由以下組分組成Ag為2％～3％，Cu為2.5％～3％，Ce為0.01％～0.1％，其餘為Sn，各組分的重量之和為100％，其中組分Ag純度為99.99％，組分Ce的純度為99％，組分Sn為雲錫。
Ag元素可以提高合金的機械性能和抗腐蝕性能。超過某一定量的含量時，可以降低Sn-Ag-Cu系焊料的液相線。為使Ag與Cu、Sn形成共晶或近共晶形態以降低焊接溫度保證電子元件不受損，Ag的含量控制在2～3％，過多則會使液相線溫度升高，而且Ag作為貴金屬會增加生產成本；形成Ag3Sn粒子可以強化基體。此外Ag還可以提高電導率。
Cu元素可以提高合金焊接性能，同時對合金的塑性性能也有改善；所形成的Cu6Sn5金屬間化合物粒子分布於錫基體上，起到強化作用。
控制Ce元素加入量在某一範圍內可增加熔化後的焊料的潤溼能力，克服某些無鉛焊料的潤溼性不足的缺點。在合金熔煉過程中起到淨化作用，作為非均質形核結晶的質點促使晶粒細化，保證焊接強度。Ce本身熔點低，不會提高焊接溫度。從經濟性角度考慮Ce的添加量不可過多。
Sn為基料，Sn具有低熔點，與其它低熔點金屬形成的合金也就具有相對較低的熔點，避免焊接過程對於電子元器件的熱燒蝕或熱損傷。Sn來源豐富，價格低廉，為各種電子封裝材料用焊料基材。
本發明所述的Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金的製備方法，按以下步驟進行1.將LiCl和KCl按照1.0～1.2∶1.0～1.5的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；2.分別按質量比例稱取Ag 2％～3％、Cu 2.5％～3％、稀土Ce 0.01％～0.1％，其餘為Sn，總重量100％，全部放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到450℃～700℃時，保溫70分鐘～100分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；3.將上述澆鑄好的合金在300℃～500℃下進行重熔，保溫40分鐘～60分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
實施例一1.將LiCl和KCl按照1.1∶1.4的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；2.稱量試樣，其中Ag、Cu、Ce的質量分別為2.0g(2％)、3.0g(3％)、0.05g(0.05％)，其餘為Sn，總量100％，質量總共為100g，全部放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到700℃時，保溫90分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；3.將上述澆鑄好的合金在400℃下進行重熔，保溫40分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
將澆鑄好的錠進行試樣製備，對其各方面性能進行檢測。合金熔點219.7℃，焊點光亮，鋪展面積201.6mm2(相同條件下Sn37Pb合金為236.5mm2)，顯微組織為細小均勻的共晶組織，抗拉強度為36.46MPa，延伸率為11.3％，焊接接頭在50℃，載荷為8.75MPa條件下，蠕變壽命為98小時。
實施例二1.將LiCl和KCl按照1.0∶1.0的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；2.稱量試樣，其中Ag、Cu、Ce的質量分別為2.5g(2.5％)、2.8g(2.8％)、0.1g(0.1％)，其餘為Sn，總量100％，質量總共為100g，全部放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到450℃時，保溫70分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；3.將上述澆鑄好的合金在500℃下進行重熔，保溫50分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
將澆鑄好的錠進行試樣製備，對其各方面性能進行檢測。合金熔點218.8℃，焊點光亮，鋪展面積220.6mm2(相同條件下Sn37Pb合金為236.5mm2)，顯微組織為細小均勻的共晶組織，抗拉強度為38.24MPa，延伸率為13.6％，焊接接頭在50℃，載荷為8.75MPa條件下，蠕變壽命為124小時。
實施例三1.將LiCl和KCl按照1.2∶1.5的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；
2.稱量試樣的其中Ag、Cu、Ce的質量分別為3.0g(3％)、3.0g(3％)、0.01g(0.01％)，其餘為Sn。總量100％，質量總共為100g，全部放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到600℃時，保溫100分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；3.將上述澆鑄好的合金在300℃下進行重熔，保溫60分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
將澆鑄好的錠進行試樣製備，對其各方面性能進行檢測。合金熔點220.3℃，焊點光亮，鋪展面積207.3mm2(相同條件下Sn37Pb合金為236.5mm2)，顯微組織為細小均勻的共晶組織，抗拉強度為40.58MPa，延伸率為15.7％，焊接接頭在50℃，載荷為8.75MPa條件下，蠕變壽命為85小時。
實施例四1.將LiCl和KCl按照1.0∶1.0的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；2.稱量試樣，其中Ag、Cu、Ce的質量分別為2.5g(2.5％)、2.5g(2.5％)、0.1g(0.1％)，其餘為Sn，總量100％，質量總共為100g，全部放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到450℃時，保溫70分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；3.將上述澆鑄好的合金在500℃下進行重熔，保溫50分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
將澆鑄好的錠進行試樣製備，對其各方面性能進行檢測。合金熔點218.8℃，焊點光亮，鋪展面積220.6mm2(相同條件下Sn37Pb合金為236.5mm2)，顯微組織為細小均勻的共晶組織，抗拉強度為38.24MPa，延伸率為13.6％，焊接接頭在50℃，載荷為8.75MPa條件下，蠕變壽命為124小時。
圖1是本發明合金進行焊接，其接口的顯微組織圖；表明焊接組織非常均勻，所形成的第二相粒子顆粒細小，可起到良好的強韌效果，提高合金的焊接強度及焊接可靠性，滿足無鉛焊接要求。
圖2是本發明合金的DSC曲線圖；表明本合金焊料的熔點小於無鉛焊接所要求的低於220℃的要求。
圖3是本發明合金的拉伸曲線圖；表明本合金焊料在一定載荷下具有適當的延伸性，有利於元器件的連接。
圖4是本發明合金的斷裂形貌及微觀組織圖。其拉伸斷裂面為纖維狀形貌表明本合金焊料本合金焊料斷裂方式為非脆性斷裂。這也是本焊料有著良好焊接強度和實用價值的重要原因之一。
綜上所述，本發明的無鉛焊錫合金成本較低，潤溼性能優良，其鋪展面積可達到傳統Sn37Pb合金的89％，合金熔點為218.8-220.3℃，力學性能優異，可作為電子封裝材料廣泛使用。
權利要求
1.一種Sn-Ag-Cu-Ce無鉛釺料合金，其特徵在於按重量百分比由以下組分組成Ag為2％～3％，Cu為2.5％～3％，Ce為0.01％～0.1％，其餘為Sn，各組分的重量之和為100％。
2.如權利要求1所述的合金，其特徵在於其組分Ag純度為99.99％。
3.如權利要求1所述的合金，其特徵在於其組分Cu純度為99.99％。
4.如權利要求1所述的合金，其特徵在於其組分Ce的純度為99％。
5.如權利要求1所述的合金，其特徵在於其組分Sn為雲錫。
6.一種製備權利要求1所述合金的方法，其特徵在於該方法按以下步驟進行，a.將LiCl和KCl按照1.0～1.2∶1.0～1.5的質量比例分別稱取，並將稱量好的LiCl和KCl混合均勻，配製得到保護熔鹽；b.分別按質量比例稱取Ag 2％～3％、Cu 2.5％～3％、稀土Ce 0.01％～0.1％，其餘為Sn，總重量100％，並放入剛玉坩鍋中攪拌混合，將上述配製好的保護熔鹽覆蓋在坩鍋中的混合物上，放入電阻爐中加熱熔煉，待溫度達到450℃～700℃時，保溫70分鐘～100分鐘，在此期間每10分鐘攪拌一次，熔煉完後將坩鍋取出，對坩鍋裡的合金進行預冷、澆鑄；c.將上述澆鑄好的合金在300℃～500℃下進行重熔，保溫40分鐘～60分鐘，攪拌，最後再進行澆鑄成錠，即得。
全文摘要
本發明公開了一種Sn－Ag－Cu系無鉛釺料合金，同時還公開了該種合金的製備方法，通過在Sn－Ag系合金中添加Cu元素和稀土Ce元素，得到的無鉛釺料合金組成成分是Ag為2.5～3.5％，Cu為2.5～3.0％，稀土Ce為0.01～0.1％，其餘為Sn。其中的Cu元素可以提高合金焊接性能，同時對合金的塑性性能也有改善；Ce元素加入量控制在一定範圍內可增加熔化後的釺料的潤溼能力，Ag元素可以提高合金的機械性能和抗腐蝕性能。因此，本發明的Sn－Ag－Cu系無鉛釺料合金具有較好的焊接性能、抗腐蝕性能和良好的力學性能。可應用於電子封裝材料領域。
文檔編號C22C1/02GK101077553SQ20071001799
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月5日 優先權日2007年6月5日
發明者趙麥群, 趙小豔, 許天旱 申請人:西安理工大學