Sn基釺料合金可控凝固平臺的製作方法

2023-06-10 06:27:36

專利名稱：Sn基釺料合金可控凝固平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型為Sn基釺料合金可控凝固平臺，屬於材料性能基礎研究領域，通過控制凝固相的冷卻速率和晶粒的生長方向達到控制顯微組織的目的，從而製備各向異性釺料合金。通過研究釺料合金在不同取向上的性能差異，可以為開發高性能、高可靠性無鉛釺料奠定相關理論基礎。
背景技術：
伴隨著歐洲議會和歐盟委員會正式批准WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)和 RHS(Restriction of Hazardous Materials)的官方指令生效，無鉛釺料和無鉛電子組裝成為歷史必然。在替代傳統Sn-Pb釺料的進程中，無鉛釺料的可靠性是備受關注的議題。目前，Sn基無鉛釺料在電子組裝產業中應用廣泛。然而，相比於傳統Sn-H3釺料， 無鉛釺料的可靠性需要進一步的提高。從材料改性的角度出發，可以通過改變釺料接頭焊後顯微組織的方式實現對其宏觀性能的提升。為了避免非理想組織的形核和長大，釺料合金成份的調整和引入其它微量組元的方法最受人們的關注。目前，已經有很多研究機構和企業採用上述限制晶粒尺寸的方法，並在一定程度上抑制或緩解了釺料接頭在服役過程中顯微組織粗大的現象，且提高了釺料合金的相關力學和電學可靠性。然而，在釺料合金製備和接頭釺焊的研究領域內，較少有通過控制釺料凝固的手段來達到上述目的。定向凝固是指在液-固界面處建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到定向組織、甚至單晶。定向凝固技術被廣泛用於製備具有特殊取向的組織和優異性能的材料，其可以明顯地提高材料所需的性能。然而，目前定向凝固技術主要應用於高溫合金，半導體材料，磁性材料和複合材料等領域，對於電子封裝領域中起連接和結構支撐的釺料涉及甚少。電子封裝連接中要求特定的方向上具有優異的導電，導熱以及力學性能，對材料提出了各項異性的要求，以提高電子封裝可靠性。基於合金定向凝固技術，如將釺料合金沿某一方向凝固，即可獲得具有顯著各向異性的釺料合金，通過研究其在不同取向上的性能差異，可以為開發高性能、高可靠性無鉛釺料奠定相關理論基礎。

實用新型內容本實用新型目的在於提供一套低溫釺料可控凝固平臺。該製備平臺基於合金定向凝固技術，通過對冷卻速率的控制，獲取具有不同定向凝固顯微組織的釺料，可為不同取向釺料合金的性能差異研究提供合適的樣品，並為高性能、高可靠性無鉛釺料的開發奠定相關理論基礎。為了達到上述目的，本實用新型採取了如下技術方案。Sn基釺料合金可凝固平臺， 整個平臺圍繞定向凝固爐可分為兩個模塊，加熱模塊和冷卻模塊。定向凝固爐的加熱模塊由與控溫儀連接的側向保溫裝置和底部熱補償電爐兩部分構成，冷卻模塊由升降雲臺和冷卻水循環兩部分構成。加熱模塊控溫儀1的輸入端接入熱電偶2，該熱電偶2從定向爐蓋3的中心插入定向爐膛5，其目的是採集爐膛溫度；控溫儀1輸出端連接環形加熱器4，環形加熱器4是電阻加熱裝置，包覆定向爐膛5的側面，其目的是穩定定向爐側面溫度。熱電偶2實時採集定向爐膛5內部溫度，反饋給控溫儀1，控溫儀1控制環形加熱器4，從而達到穩定側壁溫度的目的。定向爐蓋3的作用有兩個，一是隔斷空氣，防止爐內熔融金屬氧化，二是保溫，提高加熱效率。定向爐膛5底部和鋁製散熱板8接觸，中間有高溫密封墊片7，定向爐膛5、高溫密封片7、鋁製散熱板8三者通過邊沿的定向爐卡具6結合。鋁製散熱板8的中部開孔，頂部設有凸臺，凸臺嵌入高溫密封片7的中心孔內。鋁製散熱板8的主要作用是散熱，中間開孔目的是當冷卻模塊上升，冷卻水浸沒鋁製散熱板8時，增大與鋁製散熱板8與冷卻水的接觸面積，加速散熱，凸臺設置是為了使整個熔融的金屬處在側向保溫區內部；高溫密封墊片7 的作用是隔絕冷卻水和組織定向爐膛7的膛壁和鋁製散熱板8之間的傳熱。整個定向爐用定向爐支撐卡具9夾持，固定在鐵架臺10上。鋁製散熱板8下方安裝有熱補償電爐11，熱補償電爐11通過熱補償電爐支撐卡具13夾持並固定在移動支撐架12上，熱補償電爐11 以及移動支撐架12和定向爐可分離，可移動。其目的是當金屬熔融，且定向爐處於加熱保溫階段時，為整個熔爐補償由鋁製散熱板8向空氣中損失的熱量，且當定向爐冷卻時又能夠迅速隨移動支撐架12撤離。冷卻模塊冷卻容器15安裝於熱補償電爐11的正下方，冷卻容器15兩側安裝有冷卻水進水管14和冷卻水出水管16。冷卻容器15，以及冷卻水出水管16為冷卻模塊中冷卻介質的進出的載體。為了達到最佳冷卻效果，冷卻水管與外部冷卻介質聯接形成流動循環，以保證冷卻容器15中冷卻介質的溫度。冷卻水循環可以通過水泵來控制流動速率。冷卻容器15放置在升降雲臺17上，可以通過調整雲臺升降螺母18來調節冷卻容器15的高度。本實用新型的優點在於整個裝置簡單便捷，易拆卸，可以通過使用不同的冷卻介質以及冷卻介質循環方式達到不同的冷卻速率，從而控制釺料合金的凝固顯微組織。

[0011]圖1=Sn基釺料合金可控凝固平臺組示意圖[0012]圖2=Sn基釺料合金可控凝固平臺主視圖[0013]圖3定向凝固爐主視圖[0014]圖4定向凝固俯視圖[0015]圖5鋁製散熱板主視圖[0016]圖6鋁製散熱板俯視圖[0017]圖中:1-控溫儀，2-熱電偶，3-定向爐蓋，4-環形加熱器，5-定向爐膛，6-定向爐卡具，7-高溫密封墊片，8-鋁製散熱板，9-定向爐支撐卡具，10-鐵架臺，11-熱補償電爐，12-移動支撐架，13-熱補償電爐支撐卡具，14-冷卻水出水管，15-冷卻容器，16-冷卻水進水管，17--升降雲臺，18-雲臺升降螺母。
具體實施方式
[0018]
以下結合附圖描述裝置的具體操作方式。Sn基釺料合金可凝固平臺如圖1所示，整個平臺圍繞定向凝固爐可分為兩個模塊，加熱模塊和冷卻模塊。定向爐的加熱模塊由溫度可控的側向保溫裝置和底部熱補償電爐兩部分構成，冷卻模塊由升降雲臺和冷卻水循環兩部分構成。圖2所示的可控凝固平臺主視圖展示了各模塊和零件的具體位置關係及相關功能細節。圖2中虛線上部為加熱模塊，下部為冷卻模塊。加熱模塊控溫儀1的輸入端接入熱電偶2，該熱電偶從定向爐蓋3的中心插入定向爐膛5，其目的是採集爐膛溫度；控溫儀1輸出端連接環形加熱器4，環形加熱器4是電阻加熱裝置，包覆定向爐膛5的側面，其目的是穩定定向爐側面溫度。熱電偶2實時採集定向爐膛5內部溫度，反饋給控溫儀1，控溫儀1控制環形加熱器4，從而達到穩定側壁溫度的目的。定向爐蓋-3的作用有兩個，一是隔斷空氣，防止爐內熔融金屬氧化，二是保溫，提高加熱效率。定向爐膛5底部和鋁製散熱板8接觸，中間有高溫密封墊片7，定向爐膛5、高溫密封片7、鋁製散熱板8三者通過邊沿的定向爐卡具-6結合。定向爐具體細節見圖3和圖4， 圖3是定向爐的主視圖，圖4是定向爐俯視圖。主視圖5和俯視圖6顯示鋁製散熱板8的相關細節。鋁製散熱板8的中部開孔，頂部設有凸臺，凸臺嵌入高溫密封片7的中心孔內。鋁製散熱板8的主要作用是散熱，當冷卻模塊上升，冷卻水浸沒鋁製散熱板8時，增大其與冷卻水的藉助面積，加速散熱，凸臺設置是為了使整個熔融的金屬處在側向保溫區內部；高溫密封墊片-7的作用是隔絕冷卻水和組織定向爐膛-7的膛壁和鋁製散熱板-8之間的傳熱。 整個定向爐用定向爐支撐卡具9夾持，固定在鐵架臺10上。鋁製散熱板8下方安裝有熱補償電爐11，熱補償電爐11通過熱補償電爐支撐卡具13夾持並固定在移動支撐架12上，熱補償電爐11以及移動支撐架12和定向爐可分離，可移動。其目的是當金屬熔融，且定向爐處於加熱保溫階段時，為整個熔爐補償由鋁製散熱板8向空氣中損失的熱量，且當定向爐冷卻時又能夠迅速隨移動支撐架12撤離。冷卻模塊冷卻容器15安裝於熱補償電爐11的正下方，冷卻容器15兩側安裝有冷卻水進水管14和冷卻水出水管16。冷卻容器15，以及冷卻水出水管16為冷卻模塊中冷卻介質的進出的載體。為了達到最佳冷卻效果，冷卻水管與外部冷卻介質聯接形成流動循環，以保證冷卻容器15中冷卻介質的溫度。冷卻水循環可以通過水泵來控制流動速率。冷卻容器15放置在升降雲臺17上，可以通過調整雲臺升降螺母18來調節冷卻容器15的高度。具體操作流程如下首先準備好需要熔融的釺料合金。應該充分了解釺料合金的各項物理化學性能。如釺料合金的熔點。稱量合適的釺料合金質量。若利用純釺料合金塊進行熔煉應首先利用超聲清洗器清洗金屬表面至潔淨。若採用釺料粉末應控制金屬粉末的氧化程度。預熱定向爐，如圖2所示，接通電源，調節控溫儀1上的SV鍵，設置溫度，該設定溫度依具體熔煉釺料種類而定，一般高於其熔點以上20°C為宜。同時把熱補償電爐-11 推入定向爐下方，此時應通過調節熱補償電爐支撐卡具-13調整熱補償電爐-11在移動支撐架-12的高度，使熱補償電爐-11和鋁製散熱板-8之間的距離約為5mm，以達到最佳的加熱效果。保證該距離不會影響平臺推入、撤出動作。然後觀察控溫儀-1上PV顯示的溫度數值，當達到設定溫度值並穩定後，揭開定向爐蓋-3投入預先準備好的原料，並迅速合上定向爐蓋-3。一般低熔點釺料aiiin即可熔融，也可以通過打開定向爐蓋-3實時觀察，當釺料發亮並流動時說明已經熔融完畢。然後準備冷卻。開啟冷卻介質循環系統，保證冷卻容器-15中冷卻介質的高度；然後撤離熱補償電爐-11，通過移動支撐架-12將電爐撤走；旋轉雲臺升降螺母-18將升降雲臺-17升起，使冷卻介質浸沒鋁製散熱板-8，讓熔融釺料冷卻凝固。最後取出凝固的鑄錠。切斷控溫儀-1 的電源。鑄錠的取出方式是打開定向爐卡具_6，移走鋁製散熱板-8和高溫密封墊片-7，即可取出。實例Sn-58wt. % Bi釺料定向凝固鑄錠製作。1、準備原料。原料為預先按Sn-58wt. % Bi配比熔煉好的鑄錠.取15g，用超聲波清洗器清洗5min。2、定向爐預熱。推入並打開熱補償電爐-11，打開控溫儀-1並設定溫度為 160°C (錫鉍共晶釺料合金的熔點為138°C )。3、控溫儀上PV顯示值穩定為160°C後，投入釺料。4、打開冷卻水循環，本實例採用自來水循環，冷卻水進水管-16接冰水混合物，冷卻水出水管-14接入水桶。5、待釺料熔融後，撤走熱補償電爐-11，旋轉雲臺升降螺母-18使升降雲臺-17升起，並使冷卻介質浸沒鋁製散熱板_8。6,30s後切斷控溫儀-1電源，打開定向爐卡具_6，移走鋁製散熱板_8和高溫密封墊片-7，取出鑄錠。7、鑄錠的顯微組織分析。對鑄錠橫縱兩個截面進行磨拋，製作金相試樣，並通過 SEM, EBSD等手段進行顯微組織分析。
權利要求1.Sn基釺料合金可控凝固平臺，整個平臺圍繞定向凝固爐可分為兩個模塊，加熱模塊和冷卻模塊；定向爐的加熱模塊由溫度可控與控溫儀連接的的側向保溫裝置和底部熱補償電爐兩部分構成，冷卻模塊由升降雲臺和冷卻水循環兩部分構成；其特徵在於加熱模塊控溫儀(1)的輸入端接入熱電偶O)，該熱電偶(2)從定向爐蓋(3)的中心插入定向爐膛(5)，熱電偶(2)採集爐膛溫度；控溫儀⑴輸出端連接環形加熱器，環形加熱器(4)是電阻加熱裝置，包覆定向爐膛(5)的側面，環形加熱器(4)穩定定向爐側面溫度；熱電偶⑵實時採集定向爐膛(5)內部溫度，反饋給控溫儀(1)，控溫儀⑴控制環形加熱器G)，從而達到穩定側壁溫度的目的；定向爐膛(5)底部和鋁製散熱板⑶接觸，中間有高溫密封墊片(7)，定向爐膛(5)、高溫密封片(7)、鋁製散熱板(8)三者通過邊沿的定向爐卡具(6)結合；鋁製散熱板(8)的中部開孔，頂部設有凸臺，凸臺嵌入高溫密封片(7)的中心孔內；整個定向爐用定向爐支撐卡具(9)夾持，固定在鐵架臺(10)上；鋁製散熱板(8) 下方安裝有熱補償電爐(11)，熱補償電爐(11)通過熱補償電爐支撐卡具(13)夾持並固定在移動支撐架(12)上，熱補償電爐(11)以及移動支撐架(12)和定向爐可分離，可移動；冷卻模塊冷卻容器(15)安裝於熱補償電爐(11)的正下方，冷卻容器(15)兩側安裝有冷卻水進水管(14)和冷卻水出水管(16)；冷卻容器(15)，以及冷卻水出水管(16)為冷卻模塊中冷卻介質的進出的載體；冷卻水管與外部冷卻介質聯接形成流動循環；冷卻水循環可以通過水泵來控制流動速率；冷卻容器(1 放置在升降雲臺(17)上，可以通過調整雲臺升降螺母(18)來調節冷卻容器(15)的高度。
專利摘要本實用新型公開了一種Sn基釺料合金可控凝固平臺，屬於材料性能基礎研究領域。整個平臺圍繞定向凝固爐可分為兩個模塊，加熱模塊和冷卻模塊。定向爐的加熱模塊由與控溫儀連接的側向保溫裝置和底部熱補償電爐兩部分構成，冷卻模塊由升降雲臺和冷卻水循環兩部分構成。本實用新型的優點在於整個裝置簡單便捷，易拆卸，可以通過使用不同的冷卻介質以及冷卻介質循環方式達到不同的冷卻速率，從而控制釺料合金的凝固顯微組織。
文檔編號C30B35/00GK202175744SQ20112015341
公開日2012年3月28日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者史耀武, 夏志東, 左勇, 徐廣臣, 李曉延, 郭福, 雷永平, 馬立民 申請人:北京工業大學