專利名稱：顆粒增強(qiáng)的SnCu基復(fù)合釬料膏及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顆粒增強(qiáng)的SnCu基復(fù)合釬料膏及其制備方法，屬于無鉛基復(fù)合釬料制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
含鉛釬料(主要是63Sn-37Pb和60Sn-40Pb)在電子行業(yè)中一直處于優(yōu)勢(shì)地位，主要由于其優(yōu)良的釬焊工藝性能，滿意的力學(xué)性能及物理性能，加上成本低廉，因而在電子行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
然而，鉛是一種有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境及人體健康威脅很大。目前，歐盟(EU)已通過了電氣電子設(shè)備廢棄法令(WEEE)，并明確宣布自2006年1月1日起電氣電子產(chǎn)品必須實(shí)現(xiàn)無鉛化。中國(guó)也擬訂了《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》。規(guī)定電子信息產(chǎn)品制造者應(yīng)當(dāng)保證，自2003年7月1日起實(shí)行有毒有害物質(zhì)的減量化生產(chǎn)措施；自2006年7月1日起投放市場(chǎng)的國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管目錄內(nèi)的電子信息產(chǎn)品不能含有鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、聚合溴化聯(lián)苯(PBB)或者聚合溴化聯(lián)苯乙醚(PBDE)等有害物質(zhì)。
目前，國(guó)內(nèi)外許多公司、科研機(jī)構(gòu)對(duì)無鉛釬料的研究都非常重視。Indium公司開發(fā)了77.2Sn-20In-2.8Ag無鉛釬料。96.5Sn-3.5Ag釬料合金的力學(xué)性能和蠕變抗力好，但由于In為稀有元素，難以推廣使用。IBM及AT&T開發(fā)了87Sn-8Zn-5In合金，熔點(diǎn)較低，力學(xué)性能好，但抗氧化性能及潤(rùn)濕性差，難以滿足生產(chǎn)需要。
中國(guó)專利也曾公布了多種無鉛焊料，如公告號(hào)CN1139607的專利，研發(fā)了具有優(yōu)越力學(xué)性能的無鉛焊料，其組成4-9wt％Zn，2-5wt％In，1-24wt％Bi，其余為Sn。該無鉛焊料是在Sn中加入Zn、In、Bi來替代鉛，因而成本高，且易氧化。專利公告號(hào)CN1198117公開了松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的《無鉛釬料合金》，第一種無鉛焊料組成7-10wt％Zn，0.01-1wt％Ni；0.4-6.5wt％Ag和0.4-6wt％Cu中至少一種；任選的是含有0.2-6wt％Bi；0.5-3wt％In和0.001-1wt％P中的一種，其余為Sn。第二種無鉛釬料由以下成分組成2-10wt％Zn，10-30wt％Bi；0.05-2％wt％Ag，任選的是含有0.01-1wt％Bi，其余為Sn。該無鉛焊料由于含Zn，抗腐蝕性能差。同時(shí)，以上發(fā)明釬料合金均屬于通過冶金結(jié)合而形成的多元合金釬料。
Sn-3.5Ag和Sn-0.7Cu二元共晶合金，以及Sn-Ag-Cu三元共晶或近共晶合金，因較好的釬焊工藝性能、良好的物理力學(xué)性能，已成為國(guó)際公認(rèn)的最有應(yīng)用前景的錫鉛共晶釬料的替代合金。與Sn-3.5Ag二元共晶合金以及Sn-Ag-Cu三元共晶或近共晶合金相比，成本低廉且制備簡(jiǎn)單。
為了進(jìn)一步提高無鉛釬料的力學(xué)性能，使無鉛釬料具有更高的抗蠕變性能及長(zhǎng)期服役的尺寸穩(wěn)定性，以適應(yīng)汽車電子及宇航電子的應(yīng)用，以及光電子器件連接對(duì)尺寸穩(wěn)定性特別高的要求，本發(fā)明研制一種顆粒增強(qiáng)的、以SnCu共晶或近共晶合金為基的無鉛復(fù)合釬料。目前，國(guó)內(nèi)外尚無這種無鉛基復(fù)合焊料的專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋪展性能好、蠕變抗力高、力學(xué)性能好，制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏及其制備方法。
本發(fā)明所提供的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏，其特征在于，包括體積百分比為85％-90％的顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料和的10-16％市售釬劑，其中顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料由市售顆粒狀SnCu釬料和在顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料中體積百分比為1-5％市售顆粒狀增強(qiáng)體組成，顆粒狀增強(qiáng)體為尺寸在0.5-5μm之間的Ag或尺寸在1-10μm之間的Cu。
本發(fā)明提供了一種上述顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)將尺寸在0.5-5μm之間的Ag或尺寸在1-10μm之間的Cu的顆粒狀增強(qiáng)體和市售釬劑混合5-10min，混合均勻；(2)再加入顆粒尺寸在20-46μm之間的市售顆粒狀SnCu釬料混合10-20min，制成本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏。
其中市售顆粒狀SnCu釬料Cu的含量為0.2-0.8wt％，其余均為Sn，顆粒尺寸在20-46μm之間。
本發(fā)明提供的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏，成分相對(duì)簡(jiǎn)單，增強(qiáng)體采用金屬顆粒。在釬焊過程中，增強(qiáng)體與SnCu界面發(fā)生冶金反應(yīng)，形成一薄層金屬間化合物，從而獲得力學(xué)性能與釬焊工藝性能良好，抗蠕變性能大幅度提高的無鉛復(fù)合釬料。與傳統(tǒng)的SnCu釬料相比，不僅保持其良好的物理性能，而且鋪展性能和力學(xué)性能得到改善，蠕變抗力大幅度提高。
具體實(shí)施例方式
對(duì)比例稱取1.57g市售市售軟釬劑和10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu共晶或近共晶釬料攪拌15min，SnCu釬料膏制成，要求低溫保存。
例1稱取0.124g的顆粒尺寸為1-10μm的顆粒狀增強(qiáng)體Cu和1.57g市售中活性免清洗軟釬劑，放入容器中混合5min，待混合均勻后，再加入10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu釬料，攪拌10min，Cu(1vol％)顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏制成，要求低溫保存。
例2稱取0.38g的顆粒尺寸為1-10μm的顆粒狀增強(qiáng)體Cu和1.6g市售中活性軟釬劑，放入容器中混合7min，待混合均勻后，再加入10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu釬料，攪拌15min，Cu(3vol％)顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏制成，要求低溫保存。
例3稱取0.65g顆粒尺寸為1-10μm的顆粒狀增強(qiáng)體Cu和1.64g市售松香基軟釬劑，放入容器中混合10min，待混合均勻后，再加入10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu釬料，攪拌20min，Cu(5vol％)顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏制成，要求低溫保存。
例4稱取0.15g顆粒尺寸為0.5-5μm的顆粒狀增強(qiáng)體Ag和1.57g市售中活性免清洗軟釬劑，放入容器中混合5min，待混合均勻后，再加入10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu釬料，攪拌10min，Ag(1vol％)顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏制成，要求低溫保存。
例5稱取0.44g顆粒尺寸為0.5-5μm的顆粒狀增強(qiáng)體Ag和1.6g市售中活性軟釬劑，放入容器中混合7min，待混合均勻后，再加入10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu釬料，攪拌15min，Ag(3vol％)顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏制成，要求低溫保存。
例6稱取0.76g的顆粒尺寸為0.5-5μm的顆粒狀增強(qiáng)體Ag和1.64g市售松香基軟釬劑，放入容器中混合10min，待混合均勻后，再加入10g顆粒尺寸為20-46μm的市售SnCu釬料，攪拌20min，Ag(5vol％)顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏制成，要求低溫保存。
本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏和對(duì)比例釬料膏的鋪展試驗(yàn)和剪切強(qiáng)度分別是按照GB11364-89和GB11363-89測(cè)定的。為了模擬實(shí)際印刷電路板釬焊接頭的尺寸與冷卻條件，蠕變?cè)囼?yàn)采用的是微型單搭接接頭，焊接接頭的搭接面積為1mm2，釬縫厚度為0.15mm。蠕變應(yīng)力為16.2MPa，溫度為50℃。連接材料為紫Cu箔，厚度為0.1mm。釬焊溫度270-280℃。為了便于比較，本發(fā)明顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏和傳統(tǒng)的SnCu釬料膏都是在上述相同的條件下制備和測(cè)試的。
下面通過附表1及相應(yīng)的具體實(shí)施例，來說明本發(fā)明無鉛基復(fù)合釬料膏釬焊的鋪展性能、剪切強(qiáng)度和蠕變性能。
本發(fā)明例1的Cu顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的鋪展面積為123.9mm2。與對(duì)比例釬料膏相比，潤(rùn)濕角變小，鋪展面積提高了8％，說明本發(fā)明例1的復(fù)合釬料膏的鋪展性能優(yōu)越；同時(shí)，本發(fā)明例1復(fù)合釬料膏的剪切強(qiáng)度提高了18％，釬焊接頭蠕變壽命提高了3倍，說明本發(fā)明例1的復(fù)合釬料膏的抗剪性能和抗蠕變性能較好。
本發(fā)明例2的Cu顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的鋪展面積為稍小于對(duì)比例釬料膏，但完全可以滿足生產(chǎn)需要；同時(shí)，本發(fā)明例2復(fù)合釬料膏的剪切強(qiáng)度提高了46％，釬焊接頭蠕變壽命提高了7倍，說明本發(fā)明例2的復(fù)合釬料膏的鋪展性能與對(duì)比例釬料膏相當(dāng)，同時(shí)，具有良好的抗剪性能和較高的抗蠕變性能。
本發(fā)明例3的Cu顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏釬焊接頭蠕變壽命與對(duì)比例釬料膏相當(dāng)，但該復(fù)合釬料膏的鋪展面積為183.1mm2，較對(duì)比例釬料膏的鋪展面積提高了60％，同時(shí)，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度也提高了16％，說明本發(fā)明例3的復(fù)合釬料膏具有優(yōu)良的鋪展性能，且較高的剪切強(qiáng)度。
與對(duì)比例釬料膏相比，本發(fā)明例4的Cu顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的鋪展面積提高了8％，同時(shí)潤(rùn)濕角減小，說明本發(fā)明例4的復(fù)合釬料膏的鋪展性能優(yōu)于對(duì)比例釬料膏；同時(shí)，本發(fā)明例4復(fù)合釬料膏的剪切強(qiáng)度提高了21％，釬焊接頭蠕變壽命提高了11倍，說明本發(fā)明例1的復(fù)合釬料膏的抗剪性能較好，抗蠕變性能大幅度提高。
與對(duì)比例釬料膏相比，本發(fā)明例5的Cu顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的鋪展面積提高了17％，同時(shí)，潤(rùn)濕角減小，說明本發(fā)明例5的復(fù)合釬料膏的鋪展性能優(yōu)于對(duì)比例釬料膏；同時(shí)，本發(fā)明例4復(fù)合釬料膏的剪切強(qiáng)度提高了47％，釬焊接頭蠕變壽命提高了12倍，說明本發(fā)明例5的復(fù)合釬料膏的抗剪性能較好，抗蠕變性能大幅度提高。
本發(fā)明例6的Cu顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的鋪展面積為165mm2。與對(duì)比例釬料膏相比，潤(rùn)濕角變小，鋪展面積提高了44％，說明本發(fā)明例6的復(fù)合釬料膏的鋪展性能優(yōu)越；同時(shí)，該復(fù)合釬料膏的剪切強(qiáng)度提高了62％，釬焊接頭蠕變壽命提高了22倍，說明本發(fā)明例6的復(fù)合釬料膏的抗剪性能較好，抗蠕變性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于對(duì)比例釬料膏。
附表1

權(quán)利要求
1.一種顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏，其特征在于，包括體積百分比為85％-90％的顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料和的10-16％市售釬劑，其中顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料由市售顆粒狀SnCu釬料和在顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料中體積百分比為1-5％市售顆粒狀增強(qiáng)體組成，顆粒狀增強(qiáng)體為尺寸在0.5-5μm之間的Ag或尺寸在1-10μm之間的Cu。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)將尺寸在0.5-5μm之間的Ag或尺寸在1-10μm之間的Cu的顆粒狀增強(qiáng)體和市售釬劑混合5-10min，混合均勻；(2)再加入顆粒尺寸在20-46μm之間的市售顆粒狀SnCu釬料混合10-20min，制成本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)SnCu基復(fù)合釬料膏。
全文摘要
一種顆粒增強(qiáng)的SnCu基復(fù)合釬料膏及其制備方法屬于無鉛基復(fù)合釬料制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明釬料膏包括體積百分比為85％－90％的顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料和的10－16％市售釬劑，其中顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料由市售顆粒狀SnCu釬料和在顆粒狀SnCu基復(fù)合釬料中體積百分比為1－5％市售顆粒狀增強(qiáng)體組成，顆粒狀增強(qiáng)體為尺寸在0.5－5μm之間的Ag或尺寸在1－10μm之間的Cu。其制備方法包括以下步驟將尺寸在0.5－5μm之間的Ag或尺寸在1－10μm之間的Cu的顆粒狀增強(qiáng)體和市售釬劑混合5－10min，混合均勻；再加入顆粒尺寸在20－46μm之間的市售顆粒狀SnCu釬料混合10－20min。與傳統(tǒng)SnCu釬料膏相比，釬焊性能有所改善，剪切強(qiáng)度和蠕變抗力大大提高，制備簡(jiǎn)單，成本低廉，適于抗蠕變性能好、尺寸穩(wěn)定性要求高的電子產(chǎn)品的無鉛化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B23K35/00GK1544198SQ200310116809
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者史耀武, 閆焉服, 劉建萍, 郭福, 夏志東, 雷永平, 李曉延 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)