專利名稱：低蒸汽壓、低熔點銀基釬料合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及銀基釬料合金。特別是涉及電真空器件及某些半導(dǎo)體器件組裝用的釬料合金。
作為釬接幾種零件用的釬料，一般要求其具有良好的加工性能，對被釬接件良好的潤濕性和漫流性。以及焊接接頭的高強度。近年來，為了釬接時節(jié)省能源或減輕被纖件所受的熱應(yīng)力，降低對爐子和被纖件的污染，還要求釬料具有低的熔點及低蒸汽壓，此外，在電真空器件及某些半導(dǎo)體器件的組裝過程中，尤其是在釬接結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件時，往往采用二級、三級或更多級釬焊操作。即選用熔點不同的釬料，由高溫到逐級將復(fù)雜結(jié)構(gòu)多種零件焊接成一整體。在進行下一級釬焊時，其釬焊操作溫度不應(yīng)影響上一級釬接頭性能及接頭質(zhì)量。各級釬焊所用釬料的熔點就必須一定的間隔。
不管焊接時使用的氣氛如何，過去作為穩(wěn)定的，適用的釬料，主要是Ag-Cu共晶合金，即在Ag中加入Cu28重量％，形成所謂Ag72-Cu28二元共晶合金。但是，這種合金的熔點高達779℃，故其釬焊作業(yè)溫度必須在800℃以上，往往發(fā)生被釬接件承受不住熱應(yīng)力的情況。所以，應(yīng)使焊接作業(yè)溫度控制在750℃以下，相應(yīng)地釬料的熔點應(yīng)再降低幾十度，最好在700℃以下。特別是近二十年來，在電真空器件釬焊要求方面，更希望有熔化溫度位于450～600℃左右區(qū)間的釬料，但迄今為止，能用常規(guī)加工方法成材的、熔點位于450～600℃的電真空釬料還是空白。
為了降低釬料的熔點，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISBAg－2提出了一種釬料合金，其成份為(重量％)Ag35,Cu26,Zn21,Cd18,此種合金的液相溫度約700℃。這種釬料雖然有效地降低了熔化溫度，但由于含有Zn、Cd等高蒸汽壓元素，故污染焊接爐的內(nèi)壁及被釬接件，對人體也有害。
為除去對人體有害的Cd,一些日本專利公開了一些新的合金組成，使用了In、Sn、Ni等。如特開昭50－74551(含Ag45～60%、Cu15～25%,Zn19～29%,SnO.5～4%,InO.5～5%)，特開昭51－62164(含Ag25～37%,Cu35～72%P1～7%,及In1～7%、Zn1～27％中之一種或二種)、特開昭51～117148(含Ag18～48%,Cu15～40%,Zn20～35%Sn0.5～7%,另含下列元素中之至少二種In0.5～7%,Mn0.15～2%,Li0.15～5%)等。這些材料雖含有In、Sn等降低蒸汽壓的元素，但同時又含有Zn這一高蒸汽壓元素，在這一點上，這與JISBAg-2具有相同的缺點。此外，特開昭56－4394和特開昭56－4395提出了另二種無Zn、Cd的合金。前者的成份為(重量%)Ag63～69和Sn0.05～4.5、In0.05～4.5中之一種，余量為Cu;后者成份為(重量%)Ag73～90和Ni0.05～2.5、Sn0.05～4.5、In0.05～4.5三種組元中選擇的一種，余量為Cu。此二專利的合金實為Ag-Cu-Sn或Ag-Cu-In或Ag-Cu-Ni三元合金，二者的主要目的均在于改善釬焊后的表面光潔度，而不在于降低焊料的熔點，故其熔點仍較高，不屬于低熔點釬料。
降低釬料熔點的其他技術(shù)還有以Ag、Cu為基體，同時添加In和Sn，形成Ag-Cu-In-Sn四元合金。如特開昭51～132147(含Ag70～47，Cu25～40，Sn2～6，In3～7重量%)，是加工性能良好的銀釬料合金，但由于合金中Sn、In含量最高分別為6%和7%，故其熔點仍偏高，焊接溫度在750℃以上，由于熱應(yīng)力的作用，要得到良好的焊接結(jié)果是困難的。另外，如該專利所指出的，如果Sn大于6%，In大于7%，那么將產(chǎn)生加工性能下降的缺點。又如特公昭44-11009，在Ag-Cu共晶合金中加入Sn+In＝30～60%，其中Sn＝15～30%，In＝15～30%，且Sn∶In＝1∶1，以改善對Ag-CdO系統(tǒng)接點合金的潤濕性。但其缺點是，由于使用了大量的Sn和In，要將合金加工成適用的線材或片材極其困難。特公昭63-49598公開了另一種成份的合金，其成份為(重量%)Ag53.9～66.1，Cu21.1～25.9，In7～20，Sn1～5。這種合金在改善加工性能和降低熔點方面均較上述材料有所進步，但其可加工的合金材料的液相線溫度均在650℃以上，其釬焊溫度均在730～750℃內(nèi)，對電真空器件的釬焊仍然偏高。
此外，上述改進技術(shù)都側(cè)重于降低釬料的熔點，而對同時提高釬接頭的強度則考慮甚少。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種熔點更低的、加工性能良好的、釬接接頭強度更高的低蒸汽壓、低熔點銀基釬料合金，該合金可用于Ag72～Cu28釬料(熔點779℃)的下一級釬焊。
本發(fā)明的另一目的是改善釬料對Ni基或Cu基母材的潤濕性及漫流性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，改變合金的組成元素及其含量。本發(fā)明的具體方案是，以Ag-Cu合金共晶成份為基礎(chǔ)，加入適量的In、Sn、Ni，形成五元合金，以降低釬料的熔點，提高釬料的焊接強度，改善對Ni基和Cu基母材的潤濕性及漫流性，并保持釬料良好的可加工性。
本發(fā)明在Ag、Cu、In、Sn四元系研究中，發(fā)現(xiàn)了一個固-液相線間隔非常狹窄的成份區(qū)域、該區(qū)域的合金特別適合作為焊料合金。這個區(qū)域是Ag+Cu＝80重量%和In+Sn＝20重量%，其中Ag∶Cu＝72∶28。該成份區(qū)域如

圖1所示。在上述區(qū)域內(nèi)，可以加工成焊料并具有工業(yè)應(yīng)用價值的In和Sn的成份范圍是In+Sn≤20%，其中In＝8～20%，Sn＝0～12%，超出此范圍，合金加工困難，成品率太低，無工業(yè)應(yīng)用價值。研究還發(fā)現(xiàn)，在符合上述特定成份范圍內(nèi)的合金中。添加Ni0.1～1.5%，使合金中In+Sn+Ni＝20%，Ag+Cu＝80%，雖使合金固-液相線略有升高，但卻顯著改善了合金的加工性能，并使釬焊接頭強度和釬料對Ni等母材的潤濕性和漫流性提高?；谝陨锨闆r，本發(fā)明的合金的具體成份為(重量%)Ag57.0～58.1，Cu21.0～22.9，In7.0～18.5，Sn3.0～12.0，Ni0.1～1.5，優(yōu)先推薦的合金成份為(重量%)Ag57.6，Cu22.4，In7.7～14.9，Sn4.9～12.0，Ni0.1～0.5，最好在上述合金成份內(nèi)保持Ag+Cu＝80重量%，In+Sn+Ni＝20重量%。
在本發(fā)明中，Ag、Cu的含量范圍使其基本處于Ag-Cu二元合金的共晶成份(即Ag∶Cu＝72∶28＝2.57∶1)附近，從而使整個合金的熔點有效地處于可能的最低點附近，在此二元合金基礎(chǔ)上加入低蒸汽壓元素In、Sn，可以進一步降低其熔點，限定In的含量不低于7.0%，Sn不低于3%的原因在于，若低于此下限，則不能有效地進一步降低合金的熔點，限定In、Sn的上限分別為18.5%和12%的原因在于，In主要溶于Ag中，其最大固溶度在673℃時為20%若超過此限，會形成過多的脆性中間相，導(dǎo)致加工困難;Sn在Ag中的最大固溶度在724℃時為12.5%。超過此限，合金脆性增大，加工困難。在合金加入0.1～1.5%的低蒸汽壓元素Ni雖使合金的熔點略有升高(由于加入量不大，升高不明顯)，但卻可顯著地改善合金的加工性能及提高釬接頭的強度。
同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點1.合金的熔點更低，在加工性良好的合金成份范圍內(nèi)，合金的固相線溫度范圍為556～582℃，液相線溫度為586～636℃之間，固-液相線溫度間隔△T＝30～50℃，均低于前述對比文獻。
2.加工性能良好，本發(fā)明的合金可以冷加工成厚度達0.1mm的片材，便于各種應(yīng)用。
3.由于合金中加入了少量的鎳，其力學(xué)性能，特別是抗拉強度和抗剪強度均顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的AgCuInSn四元合金，表2的結(jié)果充分說明了這一優(yōu)點。
4.由于固-液相線溫度間隔小，合金的漫流性好，△S值(合金熔化后的面積與熔化前的面積之差)大。
5.由于加入了Ni，改善了合金對Ni基和Cu基母材的潤濕性。
附圖1為Ag57.6-Cu22.4-(In+Sn)20%四元合金的成份-溫度垂直截面圖。圖中L為液相線，S為固相線。
實施例用純度99.9%以上的Ag、Cu、In、Sn、Ni配制成如表1所示的不同成分的釬料合金。在真空電爐中熔化、鑄錠，然后熱加工和冷加工成片材，測定其各種性能，其結(jié)果如表1～3所示，此外，工業(yè)性氣密試驗表明，本發(fā)明的合金的蒸汽壓在600℃≤10-10mmHg。各表中S系列試樣為不含Ni的比較例，SN系列樣為本發(fā)明的實施例。
權(quán)利要求
1.一種低蒸汽壓、低熔點銀基釬料合金，其特征是所說的合金成份為(重量%)Ag57.0～58.1，Cu21.0～22.9，In7.0～18.9，Sn3.0～12.0，Ni0.1～1.5。
2.如權(quán)利要求1的合金，其特征是合金的成份為(重量%)Ag57.6，Cu22.4，In7.7～14.9，Sn4.9～12.0Ni0.1～0.5。
3.如權(quán)利要求1和2的合金，其特征是在所說的合金中，Ag-Cu之和為80重量%，In+Sn+Ni之和為20重量%。
全文摘要
一種低蒸汽壓、低熔點銀基釬料合金，其成分為(重量％)Ag57.0-58.1，Cu21.0-22.9，In7.0-18.9，Sn3.0-12.0，Ni0.1-1.5。本發(fā)明的合金具有熔點低(586-636℃)、低蒸汽壓(C≤10
文檔編號B23K35/30GK1046194SQ8910601
公開日1990年10月17日 申請日期1989年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月9日
發(fā)明者劉澤光, 王文祥, 唐敏, 林倩云, 張寶鴻, 楊富陶 申請人:中國有色金屬工業(yè)總公司昆明貴金屬研究所