CN100387741C - Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法 - Google Patents

Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，属于电子材料技术领域。本发明包括以下步骤：(1)中间合金Sn-Cr的制备：①按照Cr为0.005-1.5%，Zn为3-12%，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn；②将温度升至金属Cr的熔点以上，熔化后保温，并充分搅拌；③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温，保温，同时继续搅拌；(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼：①将上述Zn原料放入熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温；②降温，在不断搅拌条件下，保温；③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。本发明制备的Sn-Zn-Cr合金无铅焊料，其化学组成和金相组织均匀，能够最大限度地发挥Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的优良特性。

Description

Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种焊接技术领域的制备方法，具体地说，是一种Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法。
背景技术
目前，能够使用的无铅焊料主要有Sn-Ag系和Sn-Zn系或以这两种合金为基派生出来的三元或四元合金焊料合金焊料，如Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi等。但Sn-Ag系焊料与传统的含铅Sn-Pb系焊料相比，熔点高出近40℃，价格提高2倍，且与现有设备、工艺的兼容性差，存在着许多自身难以克服的缺点。与此相比，Sn-Zn系无铅焊料，由于其熔点接近Sn-Pb系焊料，可兼容现有的工艺、设备，以及高强度、资源丰富、价格低廉等特点而备受瞩目，但由于该系焊料中的Zn元素反应活性较大，易发生选择性氧化，使Sn-Zn系无铅焊料存在容易氧化、耐腐蚀性差等问题，进而影响了该种焊料的润湿性和使用寿命，应用受到了限制。
经对现有文献的检索还发现，任晓雪，李明，毛大立在“合金元素对Sn-Zn基无铅钎料高温抗氧化性的影响”(电子元器件与材料，Vol.23，No.11，2004，P40-44)一文中曾报道过在Sn-9Zn合金中添加0.24质量％的Cr元素可改善该系无铅焊料的抗氧化性。但该文中提到的Sn-Zn-Cr制备方法是采用了在Sn-Zn合金中加入Cr金属，在800℃保护气氛中熔炼的制备方法。由于Cr是高熔点金属，在800℃下熔炼，即使使用Cr粉，也很难完全熔化，不易获得组成均匀的合金。而Cr粉过于细小时，极易氧化，熔炼前已大量氧化，纯度很差。因此采用该方法，仅可作为研究目的，在实际工业生产中无法采用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，使其焊料的化学组成和金相组织更加均匀，可最大限度地发挥Sn-Zn-Cr合金焊料的优良特性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.005-1.5％，Zn为3-12％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn，并在室温下，将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在真空或有氩气、氢气保护气氛条件下，将温度升至金属Cr的熔点以上，即控制在1857-2100℃范围内，熔化后保温30分钟，并充分搅拌。此方法采用在真空或有氩气、氢气保护气氛条件下熔炼，其目的是更有效地防止金属在熔炼过程中的氧化烧损。
③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温至800℃，保温60分钟，同时继续搅拌。到此，Sn-Cr中间熔炼完成，可进行下一步最终合金的熔炼。
(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.005-1.5％，Zn为3-12％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn。将上述Zn原料放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温30分钟。
②温度降至250℃，在不断搅拌条件下，保温2小时。本步骤的目的是进一步使材料的化学组成和金相组织更加均匀。由于在高温下Zn的挥发较快，故等形成四元低熔点合金后，应尽可能降低温度，在低温下完成本步骤。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
本发明之所以选用Sn-Cr合金作为中间合金制备Sn-Zn-Cr合金焊料是由于Zn的熔点约为420℃，但沸点只有907℃，而Cr的熔点高达1857℃，远远高于Zn的沸点，在高温下不等Cr熔化，Zn已成为气态，难于制得Zn-Cr中间合金。如果制取Sn-Zn中间合金，同样加入Cr后，由于Zn的存在，无法达到Cr的熔化温度，很难获得均匀的Sn-Zn-Cr合金。与此相比，Sn的熔点虽只有231℃，但它的沸点却高达2603℃，远远高出Cr的熔点，在制取Sn-Cr中间合金时，即使熔炼温度超过Cr的熔点，也不会发生Sn大量气化的现象。因此，采取Sn-Cr中间合金制备Sn-Zn-Cr合金焊料的方法是一种最佳的选择。
通过本发明制备的Sn-Zn-Cr合金无铅焊料，其化学组成和金相组织均匀，能够最大限度地发挥Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的优良特性。本发明通过在Sn-Zn合金中加入少量的Cr元素，Cr与焊料中的Zn元素形成稳定的Zn13Cr、Zn7Cr相，以降低Zn的化学反应活性，同时这些金属间化合物在合金中的弥散存在，又可阻止粗大叶片状Zn共晶相的生成，形成细晶组织，使焊料在保持Sn-Zn合金原有低熔点、良好抗拉强度的同时，克服原Sn-Zn合金焊料自身难以克服的缺点，使抗氧化性、耐腐蚀性提高1到两倍、延展性提高5-50％，润湿时间由Sn-Zn合金焊料的平均8秒缩短到1-4秒，表现出良好的润湿性。
具体实施方式
实施例1
本发明材料的组分及其质量百分比为：Cr为0.005％，Zn为3％，余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.005％，Zn为3％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn，并在室温下，将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在氢气保护气氛条件下，将温度升至金属Cr的熔点以上，即控制在1857℃范围内，熔化后保温30分钟，并充分搅拌。此方法采用在真空或有氩气等保护气氛条件下熔炼，其目的是更有效地防止金属在熔炼过程中的氧化烧损。
③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温至800℃，保温60分钟，同时继续搅拌。到此，Sn-Cr中间熔炼完成，可进行下一步最终合金的熔炼。
(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.005％，Zn为3％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn。将上述Zn原料放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温30分钟。
②温度降至250℃，在不断搅拌条件下，保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果：经金相组织观察和ICP化学组成分析：所得合金焊料金相组织均匀，铸锭的上、中、下的化学组成一致，基本与配料组成相同，各种性能满足焊料要求。
实施例2
本发明材料的组分及其质量百分比为：Cr为0.75％，Zn为9％，余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.75％，Zn为9％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn，并在室温下，将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在氩气保护气氛条件下，将温度升至金属Cr的熔点以上，即控制在2100℃范围内，熔化后保温30分钟，并充分搅拌。此方法采用在真空或有氩气等保护气氛条件下熔炼，其目的是更有效地防止金属在熔炼过程中的氧化烧损。
③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温至800℃，保温60分钟，同时继续搅拌。到此，Sn-Cr中间熔炼完成，可进行下一步最终合金的熔炼。
(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.75％，Zn为9％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn。将上述Zn原料放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温30分钟。
②温度降至250℃，在不断搅拌条件下，保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果：经金相组织观察和ICP化学组成分析：所得合金焊料金相组织均匀，铸锭的上、中、下的化学组成一致，基本与配料组成相同，各种性能满足焊料要求。
实施例3
本发明材料的组分及其质量百分比为：Cr为1.5％，Zn为12％，余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为1.5％，Zn为12％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn，并在室温下，将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在真空条件下，将温度升至金属Cr的熔点以上，即控制在1957℃范围内，熔化后保温30分钟，并充分搅拌。此方法采用在真空或有氩气等保护气氛条件下熔炼，其目的是更有效地防止金属在熔炼过程中的氧化烧损。
③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温至800℃，保温60分钟，同时继续搅拌。到此，Sn-Cr中间熔炼完成，可进行下一步最终合金的熔炼。
(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为1.5％，Zn为12％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn。将上述Zn原料放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温30分钟。
②温度降至250℃，在不断搅拌条件下，保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果：经金相组织观察和ICP化学组成分析：所得合金焊料金相组织均匀，铸锭的上、中、下的化学组成一致，基本与配料组成相同，各种性能满足焊料要求。
实施例4
本发明材料的组分及其质量百分比为：Cr为0.15％，Zn为9％，余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.15％，Zn为9％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn，并在室温下，将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在真空条件下，将温度升至金属Cr的熔点以上，即控制在2100℃范围内，熔化后保温30分钟，并充分搅拌。此方法采用在真空或有氩气等保护气氛条件下熔炼，其目的是更有效地防止金属在熔炼过程中的氧化烧损。
③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温至800℃，保温60分钟，同时继续搅拌。到此，Sn-Cr中间熔炼完成，可进行下一步最终合金的熔炼。
(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.15％，Zn为9％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn。将上述Zn原料放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温30分钟。
②温度降至250℃，在不断搅拌条件下，保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果：经金相组织观察和ICP化学组成分析：所得合金焊料金相组织均匀，铸锭的上、中、下的化学组成一致，基本与配料组成相同，各种性能满足焊料要求。

Claims (5)

1.一种Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.005-1.5％，Zn为3-12％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn，并在室温下，将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合；
②在真空或有保护气氛条件下，将温度升至金属Cr的熔点以上，熔化后保温，并充分搅拌；
③将剩余的Sn原料加到炉中，待熔化后，降温至800℃，保温60分钟，同时继续搅拌；
(2)Sn-Zn-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.005-1.5％，Zn为3-12％，余量为Sn的Sn-Zn-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn，将上述Zn原料放入熔融的Sn-Cr中间合金中，待全部熔化后充分搅拌，并保温30分钟；
②温度降至250℃，在不断搅拌条件下，保温2小时；
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
2.根据权利要求1所述的Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的温度升至金属Cr的熔点以上，是指：控制在1857-2100℃范围内。
3.根据权利要求1所述的Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的步骤(1)中的步骤②，保温30分钟。
4.根据权利要求1所述的Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的步骤(2)中的步骤①，熔融温度为800℃。
5.根据权利要求1所述的Sn-Zn-Cr合金无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的保护气氛是氩气、氢气。
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