專利名稱：：一種Sn-Cu基無鉛釬料合金及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬有色合金材料，涉及的是一種無鉛釬焊材料，特別涉及到一種適用子電子元件釬焊用的Sn-Cu基無鉛釬料合金及其制備方法。背棄技術(shù)Sn-Pb共晶及近共晶合金由于價(jià)格低廉、熔點(diǎn)低、對(duì)銅基的潤濕性好等優(yōu)點(diǎn)而在電子工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，鉛及其化合物對(duì)環(huán)境和人類健康的危害性引起全世界的高度關(guān)注，國際社會(huì)相繼出臺(tái)了一系列法規(guī)限制或禁止含Pb釬料的使用，發(fā)展性能優(yōu)良、綠色環(huán)保的無鉛釬料勢在必行。世界各國近年來開展了大量研究，發(fā)展了多種無鉛釬料合金，大致可分為Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn等二元合金系，以及在此基礎(chǔ)上添加第三、第四組元形成的三元、四元合金系。但至今尚未找到各方面性能均令人滿意的Sn-Pb釬料替代品。其中Sn-Zn系的潤濕性和抗腐蝕性極差，Sn-Bi的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于Sn-Pb且Bi還可能使釬料產(chǎn)生脆性，目前已公認(rèn)的性能相對(duì)較好、在一些場合得到應(yīng)用的是Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金，但Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金的熔點(diǎn)(約220°C)相對(duì)于現(xiàn)行Sn-Pb共晶合金釬料熔點(diǎn)(183。C)過高，難于與現(xiàn)行電路板材、電子釬焊生產(chǎn)工藝和設(shè)備兼容，且原料成本也較高。Sn-Cu系合金的主要原料Sn、Cu的儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，大多數(shù)無鉛釬料的成本比Sn-Pb釬料高2-3倍，相比之下Sn-0.7Cu合金僅比Sn-Pb釬料高1.3倍，是目前所研究的無鉛釬料中成本相對(duì)最低的釬料之一；該合金還具有無毒副作用，易生產(chǎn)、易回收等優(yōu)點(diǎn)，Sn-Cu系合金成為最有潛力替代Sn-Pb釬料的產(chǎn)品之一。但該二元合金的共晶溫度(227°C)較高，抗氧化性、抗腐蝕性較差，綜合力學(xué)性能較差，同時(shí)Sn-Cu無鉛釬料在Cu基上的潤濕性不夠理想，這些缺點(diǎn)極大的限制了該合金的使用，目前Sn-Cu合金主要在波峰焊工藝中獲得了應(yīng)用，由于熔點(diǎn)太高，在回流焊工藝中幾乎來獲得應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是，針對(duì)Sn-Cu合金中存在的上述問題，通過添加適量的合金組元來提髙Sn-Cu合金的力學(xué)性能，抗氧化性和抗腐蝕性，并能顯著改善該合金在銅上的潤濕性，同時(shí)使該合金的熔點(diǎn)得到有效降低，以獲得具有價(jià)格低廉、綜合性能優(yōu)良的Sn-Cu基無鉛釬料合金的新型配方，并提供該種Sn-Cu基無鉛釬料合金的制備方法。本發(fā)明所述的Sn-Cu基無鉛釬料合金，其Cu含量為合金總重量的0.卜1.5%，P含量為合金總重量的0.001-1%，Bi含量為合金總重量的0-6%,Zn含量為合金總重量的0-3%,余量為Sn。本發(fā)明的較優(yōu)的技術(shù)方案是其Cu含量為合金總重量的0.1-1.5%,Bi含量為合金總重量的0.l-6yn,Zn含量為合金總重量的0.l-3^，P含量為合金總重量的0.001-1%，余量為Sn。本發(fā)明所述的制備方法如下1、按質(zhì)量比例稱取P3-8%,Sn92-97%，然后將兩者放入石墨坩堝，在其上面覆蓋保護(hù)熔鹽，將坩堝置于熔煉爐中，400~550°C的溫度下保溫30~60分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質(zhì)量為100%計(jì)，以P占0.001-P/。的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5%,Bi0-6%,Zn0-3%,余量為Sn,將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋保護(hù)熔鹽，將坩堝置于熔煉爐中，450-550。C溫度下保溫40-80分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得所需釬料合金。本發(fā)明所述的保護(hù)熔鹽，可以是KC1與LiCl的混合物，也可以是LiCl與LiF或NaCl的混合物，所用保護(hù)熔鹽的熔點(diǎn)范圍一般在300-500'C之間選擇。本發(fā)明所述保護(hù)熔鹽取KC1與LiCl的混合物時(shí)，可將KC1、LiCl以(1.2~1.5):(0.9-1.1)的質(zhì)量比例混合均勾、烘干即可。本發(fā)明提供的是一種潤濕性優(yōu)良、熔點(diǎn)較低、力學(xué)性能良好、抗氧化性較好的低成本無鉛釬料合金，添加P可以顯著提髙合金的抗氧化性能、抗腐蝕性能及其在Cu基上的潤濕性能；添加少量的Bi可在一定程度上提高合金在Cu上的潤濕性能，并降低該合金的熔點(diǎn)；添加Zn有利于提髙合金的機(jī)械性能，對(duì)提高合金與Cu形成的焊點(diǎn)可靠性也有益。采用Cu表面鋪展?jié)櫇駥?shí)驗(yàn)衡量合金在Cu上的潤濕性，發(fā)現(xiàn)添加少量P或Bi的Sn-Cu合金比單純的Sn-Cu合金潤濕性顯著提高，基本上能達(dá)到Sn-Pb合金的水平，且高于Sn-Ag(-Cu)合金的潤濕性；添加Bi可使Sn-Cu合金的熔點(diǎn)顯著降低，使其熔點(diǎn)至少能達(dá)到Sn-Ag系合金的水平，這有利于促進(jìn)Sn-Cu合金在回流焊工藝中的應(yīng)用；其強(qiáng)度接近甚或高于Sn-Pb釬料合金，因而有較長的使用壽命和較高的可靠性。相對(duì)于其他添加髙熔點(diǎn)的Ni的Sn-Cu焊料合金，本發(fā)明添加P、Bi、Zn，添加劑材料在巿場上容易購買，不采用貴重金屬，使其成本更為低廉，制備工藝簡單，容易搡作，有很好的發(fā)展?jié)摿Α＞C合考慮多種因素，本發(fā)明有較好的性價(jià)比和實(shí)用性。圖1為不同P添加量的Sn-O.7Cu釬料合金在Cu上的鋪展面積。圖2為在26(TC添加P對(duì)Sn-0.7Cu釬料合金抗氧化性的影響。圖3為添加Bi和P對(duì)Sn-O.7Cu釬料合金在Cu上潤濕性的影響。具體實(shí)施例本發(fā)明將通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步地說明。以下實(shí)施例所用保護(hù)熔鹽是將KCl:LiCl以1.3:1的質(zhì)量比例混合均勻、烘干所得。實(shí)施例1:1、按質(zhì)量比例稱取P4%,Sn96%,共為50克，然后將兩者放入石墨坩堝，并在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置于電阻爐中，溫度為450°C下保溫45分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質(zhì)量為100%計(jì)，以P占0.r/。的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.7%，余量為Sn,總重量為100克。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護(hù)熔鹽，將坩堝置于電阻爐中，450。C溫度下保溫60分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得到所需釬料合金。按上述方法熔配了一系列不同P含量的Sri-Cu合金，供潤濕性和抗氧化性測量；不同P含量的釬料合金對(duì)Cu潤濕性的影響見附圖1。P含量對(duì)釬料合金抗氧化性的影響見附圖2。潤濕性通過釬料合金在銅基上的鋪展面積來衡量。測量方法為將直徑為8mm的0.3g釬料合金圓片置于覆蓋了一層助焊劑(RMA)、尺寸為40mmx40mmx0.lmm的紫銅片中央，再在釬料合金的表面覆蓋一層同樣的自配助焊劑，將之置于回流焊爐中，在250'C下回流15秒，冷卻后取出試樣，以數(shù)碼相機(jī)攝下其在銅片上的鋪展平面，通過ImageProPlus圖像分析軟件計(jì)算出釬料合金鋪展面積；測量5次，取其平均值作為鋪展面積的測量結(jié)果。附圖l給出了所得結(jié)果。其中含量為0的點(diǎn)代表Sn-0.7Cu母材的潤濕性水平。結(jié)果顯示，幾種添加微量P的合金潤濕性相對(duì)于純Sn-0.7Cu合金都有顯著提高。用增重法來衡量各釬料合金的抗氧化性。圖2給出了測量結(jié)果。從圖中可以看出，在同等條件下，添加P可以使合金在單位面積上的增重減少，即合金的抗氧化性得到了明顯提高。實(shí)施例2:1、按質(zhì)量比例稱取P4%，Sn96%，共為50克，然后將兩者放入石墨坩堝，并在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，在溫度為500。C下保溫30分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質(zhì)量為100。/。計(jì)，以P占0.05X的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取CuO.7%，PO.05%,Bi1%，余量為Sn，總重量為100克。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護(hù)熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得到所需釬料合金。按上述方法熔配了一系列不同Bi含量和P含量的Sn-O.7Cu基合金，供潤濕性和熔點(diǎn)測量。各合金對(duì)Cu的潤濕性以其在Cu表面的鋪展面積來表征。測量方法與實(shí)施例l中所采用的方法相同。附圖3和附表1分別給出了潤濕性和熔點(diǎn)的測量結(jié)果。結(jié)果顯示添加少量Bi或同時(shí)添加Bi、P對(duì)合金的潤濕性都有較大幅度的提髙；同時(shí)添加Bi或P能降低Sn-O.7Cu釬料合金的熔點(diǎn)，使其熔點(diǎn)至少可以降低至Sn-Ag(-Cu)的水平。實(shí)施例3:1、按質(zhì)量比例稱取P4%，Sn96%,共為50克，然后將兩者放入石墨坩堝，并在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，溫度為400°C下保溫60分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質(zhì)量為100%計(jì),以P占0.05'A的量計(jì)稱取Sn-P中間合金,再稱取Cu0.7%，P0.05%,Bi1%,Zn1%，余量為Sn,總重量為100克。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護(hù)熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻后燒鑄成錠，即得到所需釬料合金。按上述方法熔配了一系列P含量的Sn-0.7Cu-lBi-lZn系合金，供潤濕性測量。各合金對(duì)Cu的潤濕性以其在Cu表面的鋪展面積來表征。測量方法與實(shí)施例1中所采用的方法相同。結(jié)果顯示添加少量P對(duì)合金的潤濕性都有較大幅度的提高。實(shí)施例4:1、按質(zhì)量比例稱取P3。/。，Sn97%，將兩者放入石墨坩堝，并在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置于電阻爐中，溫度為550°C下保溫30分鐘，攪拌均句后澆鑄，得Sri-P中間合金；2、按總質(zhì)量為100%計(jì)，以P占W的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cul.5%，余量為Sn。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護(hù)熔鹽，將坩堝置于電阻爐中，450。C溫度下保溫60分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得到所需釬料合金。實(shí)施例5:1、按質(zhì)量比例稱取P8。/。，Sn92%，將兩者放入石墨坩堝，并在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，在溫度為450。C下保溫45分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質(zhì)量為100%計(jì)，以P占0.00254的量計(jì)稱取Sn-P中間合金,再稱取Cu0.1%,Bi0.8%，余量為Sn。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護(hù)熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得到所需釬料合金。實(shí)施例6:1、按質(zhì)量比例稱取P5。/。，Sn95%,將兩者放入石墨坩堝，并在其上面覆蓋上述熔配好的熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，在溫度為450。C下保溫45分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；2、按總質(zhì)量100%計(jì)，以P占0.05y。的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.7%，Bi1%,Zn1%，余量為Sn。將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋上述保護(hù)熔鹽，將坩堝置于感應(yīng)爐中，500。C溫度下保溫30分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得到所需釬料合金。下表是本發(fā)明添加Bi或P對(duì)Sn-0.7Cu釬料合金熔點(diǎn)的影響。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種Sn-Cu基無鉛釬料，其特征是Cu含量為合金總重量的0.1-1.5％，P含量為合金總重量的0.001-1％，Bi含量為合金總重量的0-6％，Zn含量為合金總重量的0-3％，余量為Sn。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的Sn-Cu基無鉛釬料，其特征是Cu含量為合金總重量的0.1-1.5%,Bi含量為合金總重量的0.1-6%,Zn含量為合金總重量的0.1-3%,P含量為合金總重量的0.001-1%,余量為Sn。3、一種權(quán)利要求l所述Sn-Cu基無鉛釬料的制備方法，其特征是(1)按質(zhì)量比例稱取P3~8%，Sn92-97%，然后將兩者放入石墨坩堝，在其上面覆蓋保護(hù)熔鹽，將坩堝置于熔煉爐中，400~550°C的溫度下保溫30-60分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；(2)按總質(zhì)量為100%計(jì)，以P占0.001-r/。的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5%,Bi0-6%，Zn0-3%,余量為Sn,將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋保護(hù)熔鹽，將坩堝置于熔煉爐中，450-550。C溫度下保溫4080分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得所需釬料合金。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是(1)按質(zhì)量比例稱取P3~8%,Sn92-97%,然后將兩者放入石墨坩堝，在其上面覆蓋保護(hù)熔鹽，將坩堝置于熔煉爐中，400~550°C的溫度下保溫30-60分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；(2)按總質(zhì)量為100%計(jì)，以P占0.001-ly。的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5%,Bi0.1-6°/。，Zn0.1-3%,余量為Sn,將配料放入石墨坩堝中，在其上覆蓋保護(hù)熔鹽，將坩堝置于熔煉爐中，450-550。C溫度下保溫4080分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，即得所需釬料合金。全文摘要一種Sn-Cu基無鉛釬料合金及制備方法，合金的質(zhì)量含量為Cu0.1-1.5％，P0.001-1％，Bi0-6％，Zn0-3％，余為Sn，先稱取P3～8％，Sn92-97％，放入石墨坩堝，覆蓋保護(hù)熔鹽，400～550℃的溫度下保溫30～60分鐘，攪拌均勻后澆鑄，得Sn-P中間合金；然后按總質(zhì)量為100％計(jì)，以P占0.001-1％的量計(jì)稱取Sn-P中間合金，再稱取Cu0.1-1.5％，Bi0-6％，Zn0-3％，余量為Sn，放入石墨坩堝，覆蓋保護(hù)熔鹽，450-550℃溫度下保溫40～80分鐘，攪拌均勻后澆鑄成錠，本發(fā)明制備工藝簡單，易于操作，產(chǎn)品具有潤濕性優(yōu)良、熔點(diǎn)較低、力學(xué)性能良好、抗氧化性較好、低成本的等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)C22C1/03GK101381826SQ20081010722公開日2009年3月11日申請(qǐng)日期2008年9月26日優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日發(fā)明者浪周,魏秀琴,黃惠珍申請(qǐng)人:南昌大學(xué)