專利名稱：自適應(yīng)無鉛焊料成份及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料成份及制備方法，屬于無鉛焊料技術(shù)。
背景技術(shù)：
重視環(huán)保、提倡綠色產(chǎn)品是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢。傳統(tǒng)鉛錫焊料的使用已有約兩千年的歷史，并在現(xiàn)代電子裝配工業(yè)中更是得到廣泛應(yīng)用。但由于鉛對人體神經(jīng)系統(tǒng)的損害給人類健康帶來不可忽視的危害，鉛污染問題日益受到人們的重視，以至于目前在國際上實現(xiàn)電子產(chǎn)品無鉛化呼聲很高。歐盟領(lǐng)導(dǎo)下的電子電氣設(shè)備廢棄組織(WEEE)要求在2006年停止在電子裝配工業(yè)中使用含鉛材料。美國國家電子制造協(xié)會(NEMI)為此專門實施一個名為“NEMI的焊接無鉛化計劃”來系統(tǒng)研究無鉛裝配在電子工業(yè)中的使用問題；日本的主要消費電子制造企業(yè)也紛紛承諾盡快全面實現(xiàn)無鉛電子裝配，這一切使無鉛焊料的研究迫在眉睫。為迎接全球同步焊接無鉛化的浪潮，避開國際上已發(fā)展的無鉛焊料專利壁壘，制定適合中國國情的無鉛焊料發(fā)展戰(zhàn)略已成為中國電子裝配工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。2005年，我國電子信息產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)運行狀況良好，全年實現(xiàn)銷售收入38411億元，同比增長24.8％，進(jìn)出口4887億美元，同比增長25.8％。國際上相關(guān)法令法規(guī)的實施已關(guān)系到中國相關(guān)鉛產(chǎn)品的出口，也直接關(guān)系到我國生態(tài)環(huán)境和人體健康的保護(hù)。國內(nèi)電子產(chǎn)品無鉛化勢在必行。我國政府高度重視電子產(chǎn)品環(huán)境污染問題，為此出臺了《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》，以確保我國電子信息產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。但我國電子產(chǎn)品無鉛化技術(shù)的研究起步較晚，有自主知識產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化無鉛電子產(chǎn)品更是寥寥無幾，因此，材料科學(xué)工作者面臨著使用無鉛焊料取代傳統(tǒng)鉛錫焊料的挑戰(zhàn)，新型無鉛焊料的研發(fā)已成為材料科學(xué)的前沿課題之一。
如圖1所示將硅片1焊在基板3上，焊料與硅片及基板上的凸點結(jié)合形成焊球凸點2，其作為電路板上起連接、導(dǎo)電及導(dǎo)熱作用的結(jié)構(gòu)。電子設(shè)備工作時，電流經(jīng)過產(chǎn)生熱，導(dǎo)致電路板溫度升高4，由于硅片與基板材料熱膨脹系數(shù)不同，焊點承受著由此產(chǎn)生的大部分剪切應(yīng)力5；電子設(shè)備斷電，電路板溫度降低，膨脹回復(fù)，剪切應(yīng)力消失。當(dāng)電子設(shè)備反復(fù)運行時，處于熱循環(huán)中的焊點將受到剪切力的交替作用，導(dǎo)致焊點開裂，使的電子系統(tǒng)故障，因此，美國海軍研究生院研究人員采用攪拌法將通過淬冷誘發(fā)馬氏體形成后的鎳鈦形狀記憶合金顆粒加入錫銀銅共晶無鉛焊料制得復(fù)合焊料。在達(dá)到工作溫度時，焊點受到由于連接組件熱膨脹系數(shù)差異而引發(fā)的外剪切應(yīng)力，但同時焊點內(nèi)形狀記憶材料由馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的回復(fù)力將引起焊點膨脹來抵消焊點所受的外剪切應(yīng)力，使焊料的彈性得到提高，降低了焊料與基板材料熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的大部分剪切應(yīng)力。但由于鎳鈦形狀記憶合金顆粒與焊料及基板間的潤濕性很差，成功將鎳鈦形狀記憶合金顆粒均勻復(fù)合于基體中十分困難，雖然采取鎳鈦顆粒表面鍍銅或加入氫氟酸基焊劑來改善其潤濕性，但一方面收效甚微，另一方面成本增加也是一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料成份及制備方法，該焊料在工作溫度變化時具有形狀記憶效應(yīng)，能提高焊點服役壽命，其制備方法簡單。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料，其特征在于，在純度為99.99％的質(zhì)量比為96.5-93∶3.0-4.5∶0.5-2.5錫銀鋅無鉛焊料中，存在具有形狀記憶性能的銀鋅金屬間化合物相，在此基礎(chǔ)上為提高潤濕性可加入0-2.5的鎵及0-4的銦。
上述的具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料的制備方法，其特征在于包括以下過程將純度為99.99％的錫、銀、鋅及各個合金元素鎵、銦按質(zhì)量比為96.5-86.5∶3.0-4.5∶0.5-2.5∶0-2.5∶0-4在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到230-280℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在20℃和120℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料，其中部分成份自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相照片如圖2、3所示，銀鋅金屬間化合物顆粒在基體上均勻分布，且可以看出自身生成的銀鋅金屬間化合物顆粒與焊料基體結(jié)合良好。
本發(fā)明優(yōu)點是通過錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料中析出的銀鋅熱彈性馬氏體使焊料具有了形狀記憶效應(yīng)，可以更好的在熱沖擊環(huán)境工作條件下服役，同時與鎳鈦形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)型無鉛焊料相比，其結(jié)合緊密、分布均勻且不存在潤濕性問題。


圖1在熱循環(huán)過程中焊點所受剪切應(yīng)變圖；
圖295.4％Sn-3.7％Ag-0.9％Zn自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相圖；圖394.9％Sn-3.7％Ag-0.9％Zn-0.5％In自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相圖；圖496.1％Sn-3.4％Ag-0.5％Zn自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相圖。
1.硅片，2.焊球凸點，3.基板，4.工作狀態(tài)受熱，5.焊點所受剪切力。
具體實施例方式
實施例1將純度為99.99％的錫、銀、鋅按質(zhì)量比為95.4∶3.7∶0.9在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1200℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1200℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到230℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在20℃和100℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。制備后所得到的自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相如圖2所示。
實施例2將純度為99.99％的錫、銀、鋅、銦按質(zhì)量比為94.9∶3.7∶0.9∶0.5在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1300℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1300℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到250℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在30℃和110℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。制備后所得到的自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相如圖3所示。
實施例3將純度為99.99％的錫、銀、鋅按質(zhì)量比為96.1∶3.4∶0.5在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1350℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1350℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到255℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在35℃和115℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。制備后所得到的自適應(yīng)無鉛焊料的顯微金相如圖4所示。
實施例4
將純度為99.99％的錫、銀、鋅、鎵按質(zhì)量比為92.5∶4∶2∶1.5在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1400℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1400℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到260℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在40℃和120℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。
實施例5將純度為99.99％的錫、銀、鋅按質(zhì)量比為96.5∶3.0∶0.5在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1450℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1450℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到270℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在45℃和125℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。
實施例6將純度為99.99％的錫、銀、鋅、鎵、銦按質(zhì)量比為86.5∶4.5∶2.5∶2.5∶4在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1500℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成份均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1500℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復(fù)至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的鈕扣狀的錫銀鋅無鉛焊料；將錫銀鋅無鉛焊料放入真空保護(hù)下的坩堝中加熱到280℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在50℃和130℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。
本發(fā)明公開和提出的自適應(yīng)無鉛焊料成份及制備方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改變參數(shù)等環(huán)節(jié)實現(xiàn)。本發(fā)明的自適應(yīng)無鉛焊料成份及制備方法已通過較佳實施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的內(nèi)容進(jìn)行改動或適當(dāng)變更與組合，來實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)無鉛焊料成分，其特征是組份和重量百分比如下錫86.5-96.5，銀3.0-4.5，鋅0.5-2.5，鎵0-2.5，銦0-4；其中錫銀鋅鎵銦純度為99.99％。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)無鉛焊料成分制備焊料的方法，其特征是將按比例配制的組分在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷；這樣反復(fù)操作直到得到直徑為3.0-3.5cm的鈕扣狀的無鉛焊料；將焊料放入真空保護(hù)下的容器中加熱到230-280℃，快速將其通過水淬使焊料中生成銀鋅熱彈性馬氏體，使其在20℃-120℃之間具有雙程形狀記憶效應(yīng)，得到具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有形狀記憶性能的錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料成份及制備方法，在純度為99.99％的質(zhì)量比為96.5－93∶3.0－4.5∶0.5－2.5錫銀鋅無鉛焊料中，存在具有形狀記憶性能的銀鋅金屬間化合物相，在此基礎(chǔ)上為提高潤濕性可加入0－2.5的鎵及0－4的銦。本發(fā)明優(yōu)點是通過錫銀鋅自適應(yīng)無鉛焊料中析出的銀鋅熱彈性馬氏體使焊料具有了形狀記憶效應(yīng)，可以更好的在熱沖擊環(huán)境工作條件下服役，同時與鎳鈦形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)型無鉛焊料相比，其結(jié)合緊密、分布均勻且不存在潤濕性問題。
文檔編號C22F1/00GK1962157SQ20061012978
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者韋晨, 劉永長 申請人:天津大學(xué)