CN101733577A - Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料，属焊接及焊接材料技术领域。本发明的合金无铅焊料，特征在于具有以下的合金元素组分及其重量百分比：Zn 0.50-5.00％，Cr 0.05-1.50％，Ag 2.00-4.00％，Cu 0.50-1.50％，Sn余量。各组分金属原料的纯度为99.99％。五元合金无铅焊料的制备方法如下：利用高频感应炉按传统常规的熔制温度制度进行熔制；先熔制Sn-Cr中间合金，经化学分析得Cr的具体含量后，根据设计成分计算并称取适量的所述Sn-Cr中间合金，并加入到Ag、Cu、Sn和Zn的混合料中，然后将此混合料进行混合熔炼，最终制成Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料。该焊料的熔点较低、可细化合金组织、有效抑制金属间化合物的过度生长、且成本低，具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料，属焊接及焊接材料技术领域。
背景技术
Sn-Pb焊料(共晶成分为Sn-37Pb)以其焊接性能好、在Cu基板上的润湿性能良好、熔点低、价格便宜等优点，长期以来广泛地运用于现代电子线路板的连接和组装中。但随着微细间距器件的发展，组装密度愈来愈高，焊点愈来愈小，而其所承载的力学、电学和热学负荷则愈来愈重，对可靠性要求日益提高，传统的Sn-Pb合金由于其抗蠕变性差，剪切强度较低等，已经难以满足现代电子工业对可靠性的要求。同时，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害，欧美及日本等国家都相继出台了较为严格的“禁铅”法令，因此，基于地区立法、市场竞争及人们对自身健康和生存环境的关注，在电子制造业实行无铅化已势在必行。
近年来的不断研究和挑选，运用比较广泛的是Sn-Ag，Sn-Cu和Sn-Ag-Cu系无铅焊料。其中Sn-Ag-Cu被认为是最有可能取代传统Sn-37Pb合金的无铅焊料。它具有良好的力学性能以及较大成分范围的熔化温度都接近三元共晶温度，在生产和制备上有很好的可控性。如欧盟推荐的Sn-3.8Ag-0.7Cu，美国NEMI推荐的Sn-3.9Ag-0.6Cu以及日本JEITA推荐的Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料。但是这些合金存在着熔点高，组织粗大，金属间化合物易粗化，成本也较高等缺点。这些都在一定程度上限制了该系列合金的推广应用。尽管已有相关研究发现，在Sn-Ag-Cu中加入Cr可以形成致密氧化层，提高合金的抗氧化性能，且具有细化合金组织的作用。然而，这种Sn-Ag-Cu-Cr焊料的熔点会进一步升高，使得该焊料不能很好地适用于现有的封装工艺。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有合金焊料的缺陷和不足，提供一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料及其制备方法。
本发明一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料，其特征在于具有以下的各组分及其重量百分比：
Zn 0.50-5.00％，
Cr 0.05-1.50％，
Ag 2.00-4.00％，
Cu 0.50-1.50％，
Sn 余量；
各组分金属原料的纯度分别为：Zn≥99.99％，Cr≥99.5％，Ag≥99.99％，Cu≥99.99％，Sn≥99.99％。
上述的一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料，其特征在于上述合金成分中作为辅助添加的合金元素Zn和Cr的优选用量为：Zn 1.00-3.00％，Cr 0.05-1.00％。
本发明一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料的制备方法，其特征在于具有以下过程：首先按上述配方称取各组分金属原料粉体；随后利用高频高频感应炉按传统常规的熔制温度制度进行熔制；先熔制Sn-Cr中间合金，经化学分析得Cr的具体含量后，根据上述设计成分计算并称取适量的所述Sn-Cr中间合金，并加入到Ag、Cu、Sn和Zn的混合料中，然后将此混合料进行混合熔炼，最终制成Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料。
本发明的合金是在Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料的基础上同时添加合金元素Zn和Cr而制成。
有研究表明，在Sn-Ag-Cu中加入Cr，因其固溶强化和弥散强化，可以改善焊料的力学性能，而且能够有效控制金属间化合物的生长，使焊料的组织细化，以及提高焊料的热稳定性和抗蠕变性能等。同时，添加Zn可以降低焊料的熔点，尤其是在引入Cr后引起的熔点升高问题得以控制，而且Zn还可以与Cu形成Cu5Zn8金属间化合物，可以有效减缓Cu6Sn5和Cu3Sn的长大。而Ag，Cu和Cr的存在，可以有效克服Zn易氧化的缺陷，实现了各元素作用的优势互补。另外，由于加入的合金元素的价格都比Sn便宜，又在一定程度上减少了贵金属Ag的用量，从而降低了焊料的成本。
本发明的优点是，所用的原料均为市场销售的规范产品，容易获得；而且本发明方法工艺简单，操作方便。本发明制得的焊料可以做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏等多种形式的产品，可用于电子封装或组装的各个焊接环节。
附图说明
图1为本发明以高频感应炉真空熔炼的Sn-Cr中间合金的金相组织照片图。
图2为本发明Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金的金相组织照片图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
五元合金无铅焊料各组分重量百分比为：
Zn：1.0％，Cr：0.05％，Ag：3.0％，Cu：0.5％，Sn为95.45％。
制备过程如下：采用高频感应炉按传统常规的熔制温度制度进行熔制；先熔制Sn-Cr中间合金，经化学分析得Cr的具体含量后，根据上述设计成分计算并称取适量的所述Sn-Cr中间合金加入到Ag、Cu、Sn和Zn的混合料中，然后将此混合料进行混合熔炼，最终制成Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料。
实施例2
各组分重量百分比：
Zn：0.5％，Cr：0.05％，Ag：3％，Cu：0.5％，Sn为95.95％。
其制备方法同实施例1。
实施例3
各组分重量百分比：
Zn：1.5％，Cr：0.1％，Ag：2.5％，Cu：0.5％，Sn为95.40％。
其制备方法同实施例1。
实施例4
各组分重量百分比：
Zn：2％，Cr：0.5％，Ag：3％，Cu：1％，Sn为93.50％。
其制备方法同实施例1。
实施例5
各组分重量百分比：
Zn：3％，Cr：1％，Ag：3％，Cu：1.5％，Sn为91.50％。
其制备方法同实施例1。
实施例6
各组分重量百分比：
Zn：3％，Cr：1.5％，Ag：3.5％，Cu：0.5％，Sn为91.50％。
其制备方法同实施例1。
比较例1
各组分重量百分比：
Ag：3％，Cu：0.5％，Sn为96.50％
比较例2
各组分重量百分比：
Ag：3％，Cu：0.5％，Cr：0.05％，Sn为96.45％
本发明实施例1和比较例1，比较例2的熔点和铸态组织的比较数据如表1所示：
表1
| 成分(wt.％) | 熔点(℃) | 铸态组织 | |
| 实施例1 | Sn-3Ag-0.5Cu-1Zn-0.05Cr | 213-219 | 细小、均匀 |
| 比较例1 | Sn-3Ag-0.5Cu | 220 | 粗大 |
| 比较例2 | Sn-3Ag-0.5Cu-0.05Cr | 218-225 | 较细 |
熔点的测定是称取7.0mg左右的合金，利用差示扫描量热仪(DSC)在氩气保护气氛下，设定升温速率为10℃/min，有效记录温度区间为：150℃-260℃。
本发明实施例中熔炼所得的中间合金Sn-Cr的金相组织参见图1。
本发明实施例中所得的Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金的金相组织参见图2。
Claims (3)
1.一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料，其特征在于具有以下金属元素的组分及其重量百分比：
Zn 0.50-5.00％，Cr 0.05-1.50％，
Ag 2.00-4.00％，Cu 0.50-1.50％，
Sn 余量；
各组分金属原料的纯度分别为：Zn≥99.99％，Cr≥99.5％，Ag≥99.99％，Cu≥99.99％，Sn≥99.99％。
2.如权利要求1所述的一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料，其特征在于上述合金成分中作为辅助添加的合金元素Zn和Cr的优选用量为：Zn 1.00-3.00％，Cr 0.05-1.00％。
3.一种Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料的制备方法，其特征在于具有一下过程：首先按上述配方称取各组分金属原料粉体；随后利用高频高频感应炉按传统常规的熔制温度制度进行熔制；先熔制Sn-Cr中间合金，经化学分析得Cr的具体含量后，根据上述设计成分计算并称取适量的所述Sn-Cr中间合金，并加入到Ag、Cu、Sn和Zn的混合料中，然后将此混合料进行混合熔炼，最终制成Sn-Ag-Cu-Zn-Cr五元合金无铅焊料。
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| CN109352207A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-02-19 | 清华大学 | 一种SnZn基低温无铅焊料的制备方法 |
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