CN100409996C - 一种能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，由0.1～6重量份的银Ag、0.5～6重量份的钛Ti、0.1～2.5重量份的钇Y和余量的锡Sn组成。本发明焊料能够在空气中不使用任何焊剂、焊接温度240℃～260℃条件下直接对同类、异类材料进行焊接。所述抗氧化锡基无铅焊料的接头剪切强度为30～50MPa。
Description
技术领域
本发明属于焊接领域，涉及一种钎焊料。具体是指一种能够在空气中不采用任何焊剂直接焊接金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属等同类和异类材料组合，尤其适合于陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属之间的焊接的具有抗氧化性的锡基无铅焊料。
背景技术
由于锡铅焊料中的铅及其化合物属于剧毒物质，严重危害人类生存环境和安全，世界各国都已经明令禁止使用含铅焊料。因此，国内外相继开发了一系列无铅焊料，如Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等，但这些焊料只能焊接金属，并且必须使用焊剂。而焊剂则可能造成环境污染，并且有的焊剂还需要焊后清洗，清洗过程同样会对环境造成一定的污染。
要从根本上解决上述问题，无焊剂钎焊技术势在必行。国外对此进行了大量的研究，如日本日立制作所通过Ar原子溅射去除氧化膜，在气氛保护环境下实现了无焊剂钎焊；日本三菱电机公司开发了无氧气氛中的激光无焊剂软钎焊方法；日本富士通公司通过在基片和芯片电极上蒸镀In，然后用再流焊方法焊接，开发了VPS无焊剂钎焊方法；IBM公司通过在被焊引线和焊盘上预先镀覆焊料，利用高温高压氮气加热实现了无焊剂钎焊等。上述方法存在如下缺点：1、需要在保护气氛条件下焊接；2、上述方法都不能直接焊接陶瓷等非金属。
专利文献WO9703789(Alloy，in particular a solder alloy，method forjoining workpieces by soldering using the solder alloy and use of the alloyfor soldering)公开的所述焊料虽然可以不使用焊剂来焊接大多数的金属、陶瓷等非金属材料组合，但该专利文献公开的组分中含有铅元素，并且在焊接过程中需要采取气体保护或去除表面氧化物的措施。
目前，电子产品生产中存在众多的陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属的连接，由于陶瓷与金属组织性能差异巨大，在较低温度条件下连接陶瓷与金属，一般采用陶瓷表面金属化、然后再进行钎焊的工艺方法。因此，为克服上述焊接技术中存在的问题，本发明提供了一种新型的无铅、可以直接在空气中不采用任何焊剂进行焊接金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属等同类和异类材料组合的焊料。
发明内容
本发明的目的是提供一种能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，所述抗氧化锡基无铅焊料通过在Sn-Ag-Ti体系中添加抗氧化元素钇Y，有效地实现了金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属等同类和异类材料组合的焊接，并且本发明的焊料能够在空气中、无焊剂、焊接温度240～260℃的条件下直接进行焊接。
本发明是一种能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，由0.1～6重量份的银Ag、0.5～6重量份的钛Ti、0.1～2.5重量份的钇Y和余量的锡Sn组成。所述的抗氧化锡基无铅焊料采用真空熔炼的方法加以制备，制备得到的Sn-0.1～6wt％Ag-0.5～6wt％Ti-0.1～2.5wt％Y焊料能够在空气中、无任何焊剂、焊接温度240～260℃的条件下直接对金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属等同类和异类材料组合的焊接对象进行焊接。
所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其焊料焊接的接头剪切强度为30～50MPa。
本发明抗氧化锡基无铅焊料的优点在于：1、焊料中不含铅、不使用任何焊剂，完全保证了焊料的绿色环保性能；2、在空气中直接焊接，并且具有一定的抗氧化性，避免了采用气体或真空保护带来的工艺和设备的复杂；3、可以直接钎焊同类、异类材料(包括金属和非金属)的组合，尤其更适合于电子产品中的陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属的组合，并且还可以焊接其他多种难焊的同异类金属或非金属材料，如钛、石墨、硅以及复合材料等；4、焊接温度在250℃左右，和当前电子产品封装制造的温度基本相同，并且工件氧化轻，提高连接质量和性能。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，由0.1～6重量份的银Ag、0.5～6重量份的钛Ti、0.1～2.5重量份的钇Y和余量的锡Sn组成。
本发明的抗氧化锡基无铅焊料采用真空熔炼的方法加以制备，
步骤一，将0.1～6重量份的银Ag、0.5～6重量份的钛Ti、0.1～2.5重量份的钇Y和余量的锡Sn材料放入非自耗真空电弧炉内；
步骤二，抽真空度至1×10-1～1×10-2Pa，然后充入高纯氩气；
步骤三，调节熔炼温度1400℃～1600℃、熔炼时间5～30min制成铸锭；
步骤四，将Sn-0.1～6wt％Ag-0.5～6wt％Ti-0.1～2.5wt％Y焊料铸锭随炉冷却后取出。
在真空熔炼的制备步骤三中，Sn、Ag、Ti、Y元素可以在炉内根据焊料的多少熔炼一至五遍左右，使焊料熔炼均匀即可。
为了对比添加抗氧化元素Y之后的焊料的抗氧化性能，本发明人对Sn-4wt％Ag-4wt％Ti焊料与Sn-4wt％Ag-4wt％Ti-0.5wt％Y焊料在焊接温度250℃条件下，进行加热后焊料表面氧化膜的厚度(采用俄歇电子能谱仪分析)，在相同的工艺规范条件下，Sn-4wt％Ag-4wt％Ti焊料表面氧化层的厚度达到了59nm，而Sn-4wt％Ag-4wt％Ti-0.5wt％Y焊料表面氧化层的厚度仅有12nm。由此证明，本发明公开的Sn-4wt％Ag-4wt％Ti-0.5wt％Y焊料具有良好的抗氧化性。抗氧化元素Y的添加解决了Sn-4wt％Ag-4wt％Ti焊料在焊接过程中由于表面氧化而必须采用气体保护，由此带来的设备的增加、工艺的复杂等问题。本发明Sn-4wt％Ag-4wt％Ti-0.5wt％Y焊料简化了焊接工艺(无保护气氛、无焊剂、直接焊接)，降低了焊接成本(无保护气设备、简化了焊接设备结构)。
本发明Sn-0.1～6wt％Ag-0.5～6wt％Ti-0.1～2.5wt％Y焊料能够实现同类、异类材料(包括金属和非金属)组合之间，在空气中不采用任何焊剂的直接焊接。焊接对象可以是铝及铝合金、铜及铜合金、钢、不锈钢、钛合金、铸铁、硬质合金、镍基合金等金属材料；也可以是金刚石、石墨、金属间化合物、金属基复合材料和非金属基复合材料；也可以是氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化铝、氮化钛、碳化硅、碳化铬、碳化钨、碳化钼等陶瓷材料。对于不同的焊接对象的焊接请参见下述公开的实施例说明，实施例仅用于说明本发明焊料的可行，不得用于限制本发明焊料的实际用途。
本发明Sn-0.1～6wt％Ag-0.5～6wt％Ti-0.1～2.5wt％Y焊料尤其适用于电子产品中的陶瓷材料与陶瓷材料之间的直接焊接，或者陶瓷材料与金属材料之间的直接焊接，焊接过程无需任何焊剂。
实施例1：制Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.5wt％Y焊料
按重量份称取Sn、Ag、Ti和Y材料，放入非自耗真空电弧炉内，抽真空度至1×10-2，充高纯氩气；调节熔炼温度1500℃，熔炼时间10min；炉内材料熔炼一片均匀后铸成锭材，随炉冷却后取出；然后，采用冷轧工艺将Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.5wt％Y焊料铸锭轧制成25mm×5mm×0.5mm的薄片。
对不同焊接对象采用上述Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.5wt％Y焊料进行焊接，并用控温电阻炉加热焊接对象，其焊接接头的剪切强度见下表：
| 焊接对象 | 焊接温度(℃) | 接头剪切强度(MPa) |
| 氧化铝陶瓷/氧化铝陶瓷 | 250℃±5℃ | 31MPa |
| 氧化锆陶瓷/氧化锆陶瓷 | 255℃±5℃ | 39MPa |
| 氮化铝陶瓷/氮化铝陶瓷 | 245℃±5℃ | 30MPa |
| 氮化硅陶瓷/氮化硅陶瓷 | 250℃±5℃ | 37MPa |
| 氧化铝陶瓷/铜 | 250℃±5℃ | 31MPa |
| 氧化铝陶瓷/铝 | 250℃±5℃ | 39MPa |
| 氧化铝陶瓷/不锈钢 | 250℃±5℃ | 30MPa |
| 氧化锆陶瓷/铝 | 255℃±5℃ | 48MPa |
| 氧化锆陶瓷/不锈钢 | 255℃±5℃ | 39MPa |
| 氧化锆陶瓷/铜 | 255℃±5℃ | 45MPa |
| 氮化硅陶瓷/不锈钢 | 250℃±5℃ | 43MPa |
| 氮化硅陶瓷/铝 | 250℃±5℃ | 35MPa |
| 氮化硅陶瓷/铜 | 250℃±5℃ | 39MPa |
| 氮化铝陶瓷/铜 | 245℃±5℃ | 30MPa |
| 铝/铝 | 245℃±5℃ | 47MPa |
| 铝/铜 | 245℃±5℃ | 48MPa |
| 铝/不锈钢 | 245℃±5℃ | 50MPa |
| 铜/铜 | 245℃±5℃ | 45MPa |
| 铜/不锈钢 | 245℃±5℃ | 42MPa |
| 不锈钢/不锈钢 | 245℃±5℃ | 47MPa |
测试条件：对上表中不同焊接对象经焊料焊接后，采用MTS-880型万能材料实验机测试上述Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.5wt％Y焊料的焊接接头的剪切强度。
实施例2：制Sn-6wt％Ag-6wt％Ti-2.5wt％Y焊料
按重量份称取Sn、Ag、Ti和Y材料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空度至5×10-2，充高纯氩气；调节熔炼温度1500℃，熔炼时间10min；炉内材料熔炼一片均匀后铸成锭材，随炉冷却后取出；然后，采用冷轧工艺将Sn-6wt％Ag-6wt％Ti-2.5wt％Y焊料铸锭轧制成25mm×5mm×0.5mm的薄片。
对不同焊接对象采用Sn-6wt％Ag-6wt％Ti-2.5wt％Y焊料进行焊接，并用控温电阻炉加热焊接对象，其焊接接头的剪切强度见下表：
| 焊接对象 | 焊接温度(℃) | 接头剪切强度(MPa) |
| 氧化铝陶瓷/氧化铝陶瓷 | 250℃±5℃ | 31MPa |
| 氧化锆陶瓷/氧化锆陶瓷 | 255℃±5℃ | 39MPa |
| 氮化铝陶瓷/氮化铝陶瓷 | 245℃±5℃ | 30MPa |
| 氮化硅陶瓷/氮化硅陶瓷 | 250℃±5℃ | 37MPa |
| 氧化铝陶瓷/铜 | 250℃±5℃ | 31MPa |
| 氧化铝陶瓷/铝 | 250℃±5℃ | 39MPa |
| 氧化铝陶瓷/不锈钢 | 250℃±5℃ | 30MPa |
| 氧化锆陶瓷/铝 | 255℃±5℃ | 48MPa |
| 氧化锆陶瓷/不锈钢 | 255℃±5℃ | 39MPa |
| 氧化锆陶瓷/铜 | 255℃±5℃ | 45MPa |
| 氮化硅陶瓷/不锈钢 | 250℃±5℃ | 43MPa |
| 氮化硅陶瓷/铝 | 250℃±5℃ | 35MPa |
| 氮化硅陶瓷/铜 | 250℃±5℃ | 39MPa |
| 氮化铝陶瓷/铜 | 245℃±5℃ | 30MPa |
| 铝/铝 | 245℃±5℃ | 47MPa |
| 铝/铜 | 245℃±5℃ | 48MPa |
| 铝/不锈钢 | 245℃±5℃ | 50MPa |
| 铜/铜 | 245℃±5℃ | 45MPa |
| 铜/不锈钢 | 245℃±5℃ | 42MPa |
| 不锈钢/不锈钢 | 245℃±5℃ | 47MPa |
测试条件：对上表中不同焊接对象经焊料焊接后，采用MTS-880型万能材料实验机测试上述Sn-6wt％Ag-6wt％Ti-2.5wt％Y焊料的焊接接头的剪切强度。
实施例3：公开不同焊料组份的接头剪切强度
对于本发明公开的Sn-0.1～6wt％Ag-0.5～6wt％Ti-0.1～2.5wt％Y焊料在对同一焊接对象采用不同组分焊料的接头剪切强度见下表：
熔炼设备：非自耗真空电弧炉
熔炼条件：真空度至1×10-2，充高纯氩气；
熔炼温度1500℃，熔炼时间10min铸锭；
焊接条件：焊接温度250℃±5℃，并用常规的台式电阻炉加热焊接对象；
测试条件：采用MTS-880型万能材料实验机测试上述Sn-6wt％Ag-6wt％Ti-2.5wt％Y焊料的焊接接头的剪切强度。
从上表可以看出，抗氧化元素钇Y的含量与活性元素钛Ti的含量变化密切相关。在实际焊接过程中，焊料表面的氧化层主要由锡和钛的氧化物构成，抗氧化元素钇Y的添加主要抑制了氧化钛的生成。
Claims (10)
1. 一种能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，包括锡Sn、银Ag、钛Ti元素，其特征在于：还包括钇Y元素，所述抗氧化锡基无铅焊料由0.1～6重量份的银Ag、0.5～6重量份的钛Ti、0.1～2.5重量份的钇Y和余量的锡Sn组成。
2. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料是在空气中、无焊剂、焊接温度240～260℃的条件下直接对金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属材料之间的焊接对象进行焊接的。
3. 根据权利要求2所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述金属材料焊接对象是铝及铝合金、铜及铜合金、钢、不锈钢、钛合金、铸铁、硬质合金和镍基合金；所述非金属材料焊接对象是金刚石、石墨、金属间化合物、金属基复合材料和非金属基复合材料，以及氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化铝、氮化钛、碳化硅、碳化铬、碳化钨或碳化钼的陶瓷材料。
4. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料为Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.5wt％Y。
5. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料为Sn-5wt％Ag-3wt％Ti-2wt％Y。
6. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料为Sn-4wt％Ag-3wt％Ti-1wt％Y。
7. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料为Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.5wt％Y。
8. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料为Sn-4wt％Ag-2wt％Ti-0.2wt％Y。
9. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料为Sn-3wt％Ag-3wt％Ti-0.4wt％Y。
10. 根据权利要求1所述的能在空气中进行无焊剂焊接的抗氧化锡基无铅焊料，其特征在于：所述抗氧化锡基无铅焊料焊接的接头剪切强度为30～50MPa。
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