CN101642857A - 镉银高强度低温焊料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镉银高强度低温焊料，其特征是所述焊料由以下重量份的组份组成：镉77－81；锌15－17；银4.5－5.5；银、镉、锌三种金属作为该低温焊接的焊料成份。其成份的选择和比例的选配是查阅大量的资料，根据所需焊料的特性通过优化组合，经过多次的工艺试验最终得出的结果。以镉为基体的钎料具有很好的耐热性和抗腐性能，含锌的镉基钎料极易形成二元合金，从而提高强度和抗腐性能。而含银的镉基钎料在低温钎料中具有较高的强度及耐热性，虽然塑性稍次于银钎料，但其流动性及钎焊工艺性好，在铜及铜合金上具有良好的流动性及填满间隙能力，适合于钎焊铜及铜合金的高频元件，其钎焊后焊缝镀银性能良好。

Description

镉银高强度低温焊料

技术领域：

本发明涉及一种焊料，具体地说是一种镉银高强度低温焊料。

背景技术：

高频元件一般要求尺寸精度高、形位公差高、粗糙度高，而这类高精度要求的零部件一般都通过多道工序精加工完成的。由于焊接等原因，一些零部件在精加工即将完成时出现一些缺陷，而这些缺陷是不允许出现的，所以只能报废。

馈源喇叭是雷达产品中的核心部件，其加工质量、加工精度直接影响雷达产品的各项电讯指标。馈源喇叭按雷达产品的需要，通常分为铝制材料和铜制材料两种。铝制材料馈源喇叭一般采用胶接和铝钎焊的方法，而铜制材料馈源喇叭一般需采用银钎焊的方法。

某雷达产品中的馈源喇叭由铜制材料采用银钎焊的方法连接，表面处理为：镀银后立即涂9205保护剂，以往加工精度要求高的调整片采取普通银钎焊后，其馈源喇叭外形严重变形，孔口尺寸及其中加工精度要求高的零件调整片要求在喇叭焊接和精加工后，再与喇叭内腔连接，连接后要求保证喇叭基本不变形。为满足以上要求，若采取普通银钎焊，其焊后变形无法消除，只能试采取胶接或锡焊的方法，但这二种方法对上述产品也不适用。

采用胶接的方法连接，虽然不变形，但易产生老化，连接强度不够，而且表面不能镀银，从而不能满足电性能要求。

采用锡焊的方法连接，虽然不变形，但焊接处镀银后发黑且强度低，满足不了电性能要求，因此采取胶接或锡焊的方法都不适用。

为了解决以上关键技术问题，通过多次分析试验可以得出结论：对上述产品只能采取低温银钎焊的方法，这样既可保证较高的焊接强度，又可控制较低的焊接温度，减小焊接过程中的变形，此方法对焊料具有以下性能要求：

a、焊接温度在350℃±5℃，施焊后焊体不变形；

b、焊接抗拉强度σ_b≥150N/mm²，抗剪强度τ≥51N/mm²；

c、焊接时要求较好的流动性及浸润性；

d、焊后焊缝镀银工艺性好。

而满足上述性能的低温银钎焊料目前还没有。

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种镉银高强度低温焊料，以解决电子设备中的高频器件的高强度低温焊接问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

镉银高强度低温焊料，所述焊料由以下重量份的组份组成：

镉                77-81

锌                15-17

银                4.5-5.5

制备步骤如下：

A、将镉、锌加工成小块状，银加工成颗粒状，按上述重量份配比取料；

B、将步骤A中的三种原料银、锌、镉依次放入陶瓷坩埚中，然后在上面覆盖一层经筛选过的干净草木灰，送入熔炼炉中熔炼，升温至320℃±3℃使镉熔化，继续升温至430℃±3℃并恒温熔炼待锌充分熔化形成镉、锌二元合金；

C、将陶瓷坩埚取至炉边并用石墨棒缓慢搅拌，使二元合金充分混合；

D、将陶瓷坩埚再次送入熔炼炉中熔炼，升温至580℃±3℃，恒温熔炼1.5h，将陶瓷坩埚取至炉边并用石墨棒再次搅拌；

E、自陶瓷坩埚中出料并冷却后，即可得到高强度低温焊料。

步骤A中小块状镉、锌的大小为：

镉：5mm×20mm×20mm，锌：5mm×10mm×10mm，颗粒状银的大小为：φ1mm×1mm。本发明所使用原料的物理性能如下：

镉(Cd)比重8.64    熔点321℃    沸点765℃

锌(Zn)比重7.14    熔点419℃    沸点906℃

银(Ag)比重10.5    熔点960.5℃  沸点2170℃

由于镉、锌与银的熔沸点的差别较大，镉锌的沸点皆低于银的熔点，若银熔化则镉、锌早已蒸发，所以温度控制很重要，即使不能达到镉、锌的沸点，也应使银原子足够活泼、原子间的扩散速度加快，且搅拌过程极其重要，保证银的细小颗粒均匀分散在镉、锌的二元熔液中。熔炼注意事项：由于镉、锌、银三种金属元素的熔点差异较大，因此如按照常规的熔炼方法，势必会产生银还没有熔解，而镉、锌二种金属元素早已蒸发完，因此在熔炼中，依次将银、锌、镉放入陶瓷坩埚内，然后在上面覆盖一层经筛选过的干净草木灰，主要成份为碳酸钙CaCO₃，它的作用就是防止在加温到镉、锌二种金属元素的熔点后不被蒸发的目的，因此在加温、搅拌、直到浇铸时，都不要去除草木灰，否则就起不到保护镉、锌二种金属元素不被蒸发的目的，在搅拌过程中草木灰始终漂浮在上面，与呈液态的金属元素互不相溶，即使再充分搅拌也不会发生相溶现象，浇铸时呈液态的三元合金就顺势而下地流到呈V字形的模具上，而草木灰会很自然地留在陶瓷坩埚底座内，产生这一现象的原因是由于三元合金的金属元素与碳酸钙为主的草木灰二者间比重上的差异过大，同时金属液态后，其表面很光滑明亮，一般非金属物质特别类似草木灰这种比重小的漂浮物无法溶入其中。

至于为什么选取主要成份为碳酸钙CaCO₃的干净草木灰，主要考虑到以下的原因，一是碳酸钙为主的草木灰与三元合金的金属元素二者间比重上的差异较大，二者间就不容易成为混合物，同时浇铸时与三元合金分层不相溶合；二是草木灰在高温状态下不会溶解、变质、反应；三是草木灰能起到很好的覆盖作用达到防止蒸发之目的；四是取材比较方便实用。选取草木灰也是经若干次试验后决定的。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、银、锌、镉三种金属作为该低温焊接的焊料成份。其成份的选择和比例的选配是查阅大量的资料，根据所需焊料的特性通过优化组合，经过多次的工艺试验最终得出的结果。以镉为基体的钎料具有很好的耐热性和抗腐性能，含锌的镉基钎料极易形成二元合金，从而提高强度和抗腐性能。而含银的镉基钎料在低温钎料中具有较高的强度及耐热性，虽然塑性稍次于银钎料，但其流动性及钎焊工艺性好，在铜及铜合金上具有良好的流动性及填满间隙能力，适合于钎焊铜及铜合金的高频元件，其钎焊后焊缝镀银性能良好。

2、焊料的工艺试验，工艺试件：黄铜板H62≠2×25×60共12件。

A、按钎焊产品的特征要求进行模拟焊接，钎料在焊剂的配合下，在铜板上的流动性、浸润性良好，温度也远低于普通银钎焊。

B、对焊件焊缝处强度进行拉伸、剪切试验。

经焊接试片进行拉伸、抗剪对比试验，其结果如下：

抗拉强度：

1#            163N/mm²

2#            162.5N/mm²

3#            160.5N/mm²

抗剪强度：

1#            71N/mm²

2#            73N/mm²

3#            72.5N/mm²

普通锡焊钎料：

抗拉强度：    52N/mm²

抗剪强度      17N/mm²

通过以上试验分析，该镉银低温银钎料的抗拉、抗剪强度均大大优于现有的锡钎焊料。

C、焊后焊缝镀银试验：

为了观察试件镀银的效果，部分试件焊上低温银钎料后，未做任何砂抛处理经镀银效果很好。

3、本发明的镉银高强度低温钎料具有较高的强度(σ_b＝162N/mm²，抗剪强度τ＝72N/mm²)、低温、耐热、良好的漫流性及填满间隙性能，满足了雷达馈源喇叭焊接强度较高、变形量≤0.1mm、镀银工艺性好等的焊接要求，成品率达到100％。

以下通过具体实施方式，对本发明作进一步说明。

具体实施方式，非限定实施例如下所述：

实施例1：熔炼前，将镉、锌加工成小块状，镉：5mm×20mm×20(mm)，锌：5mm×10mm×10mm，银加工成颗粒状，银：φ1mm×1mm。然后取镉77g、锌17g、银4.5g，称好后放在相应的容器内并做标记，检查确保各设备完好，将配制好的各成份按银镉锌依次放入陶瓷坩埚内，然后在上面覆盖一层经筛选过的干净草木灰，盖上盖子，用坩埚钳将坩埚缓慢送入熔炼炉中，熔炼时，当温度升至320℃±3℃时，镉已开始熔化，继续升至430℃±3℃时已形成镉、锌二元合金，用坩埚钳将坩埚从熔炼炉中缓慢取至炉边，打开坩埚盖用石墨棒缓慢搅拌，以增加各成份之间的扩散速度，再盖上坩埚盖，用坩埚钳重新送入熔炼炉中，当温度升至580℃±3℃时，熔炼约1.5小时。这个温度从理论上讲银是无法熔解的，由于锌、镉、银三种元素的熔点差异过大，如升温到银的熔点，要保护锌、镉不被蒸发就比较困难，为此采取了如下工艺措施来保证银的适当熔解，同时又便于焊料的成形：

①、将银做成粉末状颗粒：颗粒状银的大小为：φ1mm×1mm，基本上成粉末状，这样做的目的就是为了有利于银呈现出快速溶解的态势。

②、依靠分子的扩散原理：在熔炼中要不断地用石墨棒充分地搅拌，一方面是为了使各成份间充分地相溶成均匀体，另一方面最重要的是为了增加各成份内分子运动的扩散速度，特别是有利于加速银溶解于其中。

③、超长的保温时间：选取保温时间1.5h，对常规熔炼铸造来说是没必要这样长的时间区间，而在这儿选取保温时间1.5h，目的也是为了让银分子的扩散有足够的时间保证。

④、适宜的熔炼温度：580℃±3℃是一个高于镉(Cd)的熔点温度321℃(高出259℃)和锌(Zn)的熔点温度419℃(高出161℃)的一个温度，目的也是为了充分兼顾在银的熔解上，但又要考虑到锌与镉的蒸发，从而在二者难点上找到一个合适的平衡温度点。熔炼约1.5小时后，用坩埚钳将坩埚从炉中慢慢取出，并用石墨棒再次搅拌，使银均匀融合在镉、锌二元合金中，而后浇铸于呈V字形的角铁(模具，角铁两端必须封闭)上，且应使角铁倾斜约5°左右，目的是为了防止浇铸时从陶瓷坩埚内将熔料倒入V形角铁内时产生飞溅，有这样一个小角度可以快速地让熔料沿着这个小角度在V形角铁内顺势流动而浇铸成形，而这个小角度还不至于产生焊丝一端粗一端细现象，可极大地方便浇铸。待冷却后，取出成型的焊丝即可，熔炼过程完成，熔炼前后重量比达99.3％。

实施例2：取镉81g、锌15g、银5.5g，熔炼方法同实施例1。

实施例3：取镉78g、锌16g、银5g，熔炼方法同实施例1。

实施例4：取镉80g、锌16.5g、银5.2g，熔炼方法同实施例1。

Claims (3)

1、镉银高强度低温焊料，其特征是所述焊料由以下重量份的组份组成：

镉    77-81

锌    15-17

银    4.5-5.5

2、一种制备如权利要求1所述的镉银高强度低温焊料的方法，其特征在于步骤如下：

A、将镉、锌加工成小块状，银加工成颗粒状，按上述重量份配比取料；

B、将步骤A中的三种原料银、锌、镉依次放入陶瓷坩埚中，然后在上面覆盖一层经筛选过的干净草木灰，送入熔炼炉中熔炼，升温至320℃±3℃使镉熔化，继续升温至430℃±3℃并恒温熔炼待锌充分熔化形成镉、锌二元合金；

C、将陶瓷坩埚取至炉边并用石墨棒缓慢搅拌，使二元合金充分混合；

D、将陶瓷坩埚再次送入熔炼炉中熔炼，升温至580℃±3℃，恒温熔炼1.5h，将陶瓷坩埚取至炉边并用石墨棒再次搅拌；

E、自陶瓷坩埚中出料并冷却后，即可得到高强度低温焊料。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A中小块状镉、锌的大小为：

镉：5mm×20mm×20mm，锌：5mm×10mm×10mm，颗粒状银的大小为：φ1mm×1mm。