本發(fā)明涉及一種低溫焊接材料及其制備方法，屬于LED照明行業(yè)組裝用焊料制造
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：半導(dǎo)體照明以其明顯的節(jié)能特點和環(huán)保功能，已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母?br>技術(shù)領(lǐng)域：
之一。隨著LED技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，以及政府相關(guān)部門的引導(dǎo)和推動，LED照明技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用得以迅速推廣，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，作為實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)，更大的功率輸出、光能輸出，更高的光電轉(zhuǎn)換效率是未來的發(fā)展趨勢。LED燈珠與基板的焊接一直是LED所面臨的技術(shù)壁壘。在某些特殊的領(lǐng)域(如醫(yī)療)，由于其特殊用途的LED燈珠不耐高溫，當(dāng)溫度高于150℃時，燈珠易被燒壞，造成不良。所以采用錫膏作為焊接材料時，傳統(tǒng)的錫銀銅和錫鉛共晶由于其熔點過高而不能滿足使用要求，必須采用低熔點焊料。錫鉍共晶(SnBi58)焊料熔點為138℃，可滿足焊接溫度要求，但其焊點很脆，在使用過程中容易造成燈珠脫落，無法滿足LED燈珠與基板之間的焊接接頭的強(qiáng)度要求；而錫銦共晶(SnIn52)合金熔點合適、塑性好，但其強(qiáng)度相比較低，且稀缺元素In含量過高造成成本太高，不適宜大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前應(yīng)用較多的低溫焊料主要有Sn-Pb-Bi、Sn-Bi-In、Sn-Pb-In等三元系合金，但鑒于該類特殊LED的可靠度要求和苛刻的使用條件，均存在很多的問題。如Sn-Pb-Bi合金存在合金脆性和熔點的矛盾，當(dāng)熔點較低時，脆性差，當(dāng)脆性好時，熔點又偏高。而含In釬料中，如Sn-Bi-In、Sn-Pb-In，均存在熔點和成本的矛盾，要想使熔點降低至150℃以下，In的含量至少在30％以上，而In屬于貴金屬，如此高In含量的釬料，行業(yè)通常不予接受。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提出一種具有低熔點，焊后強(qiáng)度高、耐溫性好、韌性好、成本適中特點的LED用低溫焊接材料及其制備方法。所采用的技術(shù)方案為：一種LED用低溫焊接材料，由以下的組分組成：Sn:38-45wt％，Bi:4-10wt％，In:10.5-25wt％，其余為Pb。優(yōu)選地，由以下的組分組成：Sn為38-43wt％，In為15-25wt％，Bi為5.0-8.0wt％，余量為Pb。優(yōu)選地，該焊接材料還可添加0-2.0wt％的Cd、0-4.0wt％的Zn、0-0.5wt％的P、Ge、Ga、RE中的一種或幾種組分。一種上述方案的LED用低溫焊接材料的制備方法，包括如下步驟：步驟1，制備中間合金：Pb-17Cd；Sn-9Zn；Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5RE；步驟2，在熔煉爐中按比例加入稱好的Sn、Pb、Bi、In原料，并加入熔煉覆蓋劑，加熱至250-300℃；步驟3，在上述步驟2的熔液中加入按比例稱好的步驟1所制備的中間合金，保溫10-20min；步驟4，對步驟3的熔液進(jìn)行攪拌3-5min后除掉表面覆蓋劑，澆注于模具中制成低溫焊料錠坯。上述步驟4所得錠坯可以直接作為焊料應(yīng)用，或制成條帶、絲板或軋片使用。上述步驟4所得錠坯還可以在200-300℃熔化，制備成球形合金焊粉，用作焊膏基料。本發(fā)明的有益效果在于：(1)本發(fā)明為Sn-Pb-Bi-In四元合金焊料，是一種新型的高強(qiáng)度低溫焊接材料。通過Sn、Pb、Bi、In四種元素的合理配比及制備工藝控制，避免不利金屬間化合物(IMC)的粗大形態(tài)及合金內(nèi)部氧化的出現(xiàn)，使其能顯著降低熔化溫度的同時不增加焊料的熔程，且能夠?qū)崿F(xiàn)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和原位生成IMC彌散強(qiáng)化，三種強(qiáng)化機(jī)制的共同交互作用使得焊料的抗沖擊性大幅提升，另外，該合金焊料中加入了10.5％以上的In，使合金的塑形變形能力大幅度增強(qiáng)，抗沖擊韌性提高，滿足惡劣條件下的使用要求。此外，為進(jìn)一步提升應(yīng)用性能指標(biāo)，還可少量添加強(qiáng)化類或抗氧化類元素Cd，Zn，P、Ge、Ga、RE中的一種或幾種組合，所述的RE為通用的富La或富Ce的稀土。本發(fā)明LED用低溫焊料成本適中，滿足規(guī)模實用化應(yīng)用的成本要求。(2)Sn、Pb、Bi、In四種元素的有效合理配比，在顯著降低焊料熔化溫度的同時不增加熔程，提升焊后的耐溫性能，提高合金的抗沖擊韌性。(3)Cd、Zn等元素的添加進(jìn)一步提升了焊料的結(jié)合性能和焊后抗疲勞性，P、Ge、Ga、RE等添加能夠進(jìn)一步提升焊料的抗氧化性，并細(xì)化焊料組織，進(jìn)一步提升焊后產(chǎn)品的可靠性。(4)本發(fā)明制備方法覆蓋保護(hù)熔煉有效避免了合金熔煉過程中的內(nèi)部氧化和成渣燒損，確保合金的純凈和成分的準(zhǔn)確。(5)本LED用低溫焊料的稀貴金屬銦含量僅10.5-25wt％，成本適中，滿足規(guī)模實用化應(yīng)用的成本要求。附圖說明圖1Sn-36Pb-14Bi-8In焊料的掃描電鏡組織照片。圖2是Sn-36Pb-14Bi-8In的DSC曲線和時間溫度曲線(冷卻過程)。圖3是Sn-36Pb-6Bi-18In-0.05Zn-0.01P的時間溫度曲線(冷卻過程)。圖4是Sn-41Pb-5Bi-15In-2Cd-0.01Ge-0.01RE的時間溫度曲線(冷卻過程)。圖5是Sn-34Pb-8Bi-15In的時間溫度曲線(冷卻過程)。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明優(yōu)選的實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。表1為選取的實施例的原料和產(chǎn)品配方。另外除非特別說明，實施例配方所用的百分比均是重量百分比。表1實施例配方實施例Sn/％Pb/％Bi/％In/％Cd/％Zn/％P/％Ge/％Ga/％RE/％13933523//////24334815/////339.95366180.05////441.7540.7710.50.05///540.9441513/0.050.01///639.98358152//0.01/0.01741.529718/4//0.20.3實施例1：本實施例的無鉛焊料，由以下的組分組成：39％的Sn、33％的Pb、5％的Bi和23％的In。其制備過程如下：(1)在200kg熔煉爐中加入稱好的39份純Sn、33份純Pb、5份純Bi、23份純In原料，共計100kg，加入100g的ZnCl2熔煉覆蓋劑，加熱至250℃，并保溫20min；(2)對上述所得熔液進(jìn)行攪拌3-5min后除掉表面覆蓋劑，澆注于模具中制成低溫焊料錠坯。(3)在擠壓機(jī)上將步驟(2)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。實施例2：本實施例的無鉛焊料，由以下的組分組成：43％的Sn、34％的Pb、8％的Bi和15％的In。其制備過程如下：(1)在200kg熔煉爐中加入稱好的43份純Sn、34份純Pb、8份純Bi、15份純In原料，共計100kg，加入100g的ZnCl2熔煉覆蓋劑，加熱至250℃，并保溫20min；(2)對上述所得熔液進(jìn)行攪拌3-5min后除掉表面覆蓋劑，澆注于模具中制成低溫焊料錠坯。(3)在擠壓機(jī)上將步驟(2)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。實施例3：(1)采用真空感應(yīng)熔煉的方式，在400℃條件下熔煉制備處Pb-17Cd中間合金；(2)按表1所列配方，將Pb-17Cd合金與錫、鉛、鉍和銦，按照純Sn、純Pb、純Bi、純In和Pb-Cd合金的加料順序依次加入熔煉爐中，并加入ZnCl2覆蓋劑在熔煉爐中加熱至300℃，熔化后保溫20min；(3)除掉表面覆蓋劑，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出實施例3所述成分的低溫焊料錠坯。(4)在擠壓機(jī)上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。實施例4-7：按照表1中列出的各合金成分的百分比，分別制備實施例4-7的低溫焊料。(1)制備Pb-17Cd；Sn-9Zn；Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5RE等二元中間合金，其制備方法是采用真空感應(yīng)熔煉的方式；(2)按所需合金配比，將已制成的中間合金與錫、鉛、鉍和銦，按照純Sn、純Pb、純Bi、純In和所需種類的中間合金、ZnCl2覆蓋劑的加料順序依次加入熔煉爐中，在熔煉爐中加熱至300℃，熔化后保溫20min；(3)除掉表面覆蓋劑，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出實施例4-7的系列低溫焊料錠坯。(4)在擠壓機(jī)上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。實驗數(shù)據(jù)：表2為部分實施例與傳統(tǒng)主流焊料的熔點和力學(xué)性能比較。表2從表1數(shù)據(jù)看出本發(fā)明的焊料在熔化溫度、延伸率、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等綜合方面評估，相比傳統(tǒng)焊料具有優(yōu)勢，在保證其可焊性前提下，提高焊料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并能夠有提高焊點的結(jié)合可靠度。圖1為Sn-33Pb-5Bi-23In焊料的掃描電鏡組織照片。從圖1中可以看出該焊料組織均勻、組織中分布著大量細(xì)小的析出強(qiáng)化相，這也是該類低溫焊料具有較高強(qiáng)度的根本原因。圖2分別是Sn-33Pb-5Bi-23In的時間溫度曲線(冷卻過程)。圖3是Sn-36Pb-6Bi-18In-0.05Zn-0.01P的時間溫度曲線(冷卻過程)。圖4、圖5分別是Sn-41Pb-5Bi-15In-2Cd-0.01Ge-0.01RE和Sn-34Pb-8Bi-15In的時間溫度曲線(冷卻過程)，該類焊料的熔化溫度較低，在160℃條件通過保溫時間可以實現(xiàn)熔化焊接，并且焊料在低于100℃均未見有吸熱峰出現(xiàn)，說明該類低溫焊料在低于100℃條件具有穩(wěn)定的固態(tài)組織。上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3