CN102848094A - 一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料及其制备方法，添加Zr的Sn-Cu基环保焊料由铜0.1-3%、锌0.1-2%、锆0.3-3%、余量为锡。本发明通过添加微量Zr元素，使得在焊料中生产新的弥散相，在钎焊接头的时效过程中，该弥散相想截面金属间化合物中沉积，使界面金属间化合物晶界增多，抑制了钎焊接头时效过程中金属间化合物颗粒的长大，提高了钎焊接头的力学性能。

Description

一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锡焊料合金领域，尤其涉及一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料及其制备方法。
 
背景技术
传统汽车中央集控器电路连接焊料为含铅钎料（以Sn-Pb应用较多），含铅钎料对环境有害，对人类健康的影响更是不容忽视。随着汽车业环保法规的制定和实施，新型无铅钎料在汽车电子元件中的应用将越来越广泛。Sn-Cu基（如Sn-Cu-Zn）焊料是替代传统Sn-Pb焊料的低成本钎料，但其钎焊接头时效后力学性能较差。
中国专利公开号CN 1799757 A，公开日2006年7月12日，名称为一种环保型无铅焊料及其制备方法的发明专利，该申请案公开了一种环保型无铅焊料及其制备方法，该无铅焊料的组成重量百分比为：2-5%Ag、0.1-2%Cu、0.001-0.1%Ce、0.001-0.5%Ni、余量为Sn。其不足之处在于，现有方法制得的无铅焊料的钎焊接头时效后力学性能较差。
 
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有方法制得的无铅焊料的钎焊接头时效后力学性能较差的缺陷而提供一种钎焊接头时效后力学性能优良的添加Zr的Sn-Cu基环保焊料。
本发明的另一个目的在于提供一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料，它采用下述质量百分比的原料制成：
铜0.1-3%、锌0.1-2%、锆0.3-3%、余量为锡。
在本技术方案中，从动力学角度看，钎焊过程是基体元素向焊料扩散反应过程；时效过程则使基体元素进一步扩散，其金属间化合物颗粒不断长大的过程。若形成的金属间化合物颗粒过大则变疏松，其接头力学性能会变差。Zr元素的添加不仅在焊料中生成新的弥散相，钎焊接头时效过程中，该弥散强化相会向界面金属间化合物中沉积，使界面金属间化合物晶界增多，进而一定程度上阻止上述的扩散反应，即抑制了钎焊接头时效过程中金属间化合物颗粒的长大。
作为优选，根据权利要求1所述的一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料，其特征在于，所述原料的质量百分比是：
铜0.7-1%、锌0.8-1.2%、锆1.0-1.5%、余量为锡。
一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料的制备方法，所述制备方法的步骤如下：
a）：将纯度为99.95%的锡、纯度为99.95%的铜与纯度为99.95%的锌按质量比92-99.95:0.1-3:0.1-2在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1300℃-1400℃熔化，同时加以搅拌，然后随炉冷却至室温，得到锡铜锌合金；
b）：将步骤a）得到的锡铜锌合金在氩气保护的真空炉中加热到500℃-650℃，然后加入总质量的0.3-3%的纯度为99.95%的锆，保温3-5h后随炉冷却至室温，制得添加Zr的Sn-Cu基环保焊料。
本发明的有益效果是，本发明通过添加微量Zr元素，使得在焊料中生产新的弥散相，在钎焊接头的时效过程中，该弥散相想截面金属间化合物中沉积，使界面金属间化合物晶界增多，抑制了钎焊接头时效过程中金属间化合物颗粒的长大，提高了钎焊接头的力学性能。
附图说明
    图1是本发明时效过程界面反应示意图。
 
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步的解释：
实施例1
一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料的制备方法，所述制备方法的步骤如下：
a）：将纯度为99.95%的锡、纯度为99.95%的铜与纯度为99.95%的锌在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1300℃熔化，同时加以搅拌，然后随炉冷却至室温，得到锡铜锌合金；
b）：将步骤a）得到的锡铜锌合金在氩气保护的真空炉中加热到500℃，然后加入纯度为99.95%的锆，保温3h后随炉冷却至室温，制得添加Zr的Sn-Cu基环保焊料。
各组分含量见表1。
 
实施例2
    一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料的制备方法，所述制备方法的步骤如下：
a）：将纯度为99.95%的锡、纯度为99.95%的铜与纯度为99.95%的锌在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1350℃熔化，同时加以搅拌，然后随炉冷却至室温，得到锡铜锌合金；
b）：将步骤a）得到的锡铜锌合金在氩气保护的真空炉中加热到550℃，然后加入纯度为99.95%的锆，保温4h后随炉冷却至室温，制得添加Zr的Sn-Cu基环保焊料。
各组分含量见表1。
 
实施例3
一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料的制备方法，所述制备方法的步骤如下：
a）：将纯度为99.95%的锡、纯度为99.95%的铜与纯度为99.95%的锌在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1400℃熔化，同时加以搅拌，然后随炉冷却至室温，得到锡铜锌合金；
b）：将步骤a）得到的锡铜锌合金在氩气保护的真空炉中加热到650℃，然后的纯度为99.95%的锆，保温5h后随炉冷却至室温，制得添加Zr的Sn-Cu基环保焊料。
各组分含量见表1。
 
实施例4
各组分含量见表1，制备方法与实施例3相同。
实施例5
各组分含量见表1，制备方法与实施例1相同。
实施例6
各组分含量见表1，制备方法与实施例2相同。
 
表1、各组分含量
  Sn Cu Zn Zr
实施例1（kg） 97.3 0.7 1 1
实施例2（kg） 96.3 1 1.2 1.5
实施例3（kg） 97.1 0.9 0.8 1.2
实施例4（kg） 92 3 2 3
实施例5（kg） 99.6 0.1 0.1 0.3
实施例6（kg） 94 2.5 1.5 2
对比实验，实验组1-6采用实施例1-6制得的添加Zr的Sn-Cu基环保焊料在纯铜表面进行钎焊，实验组7采用质量比为99.3：0.7的Sn与 Cu制得的无铅焊料在纯铜表面进行钎焊，实验组8采用质量比为98.3：0.7:1的Sn、Cu、Zn制得的无铅焊料在纯铜表面进行钎焊，之后，对实验组1-8进行150℃条件下的时效处理，分别在第一天，第三天，第五天，第十天在室温条件下，对其进行剪切强度测试，测试数据见下表：
表2、对比数据
  所用焊料 第一天（Mpa） 第三天（Mpa） 第五天（Mpa） 第十天（Mpa）
实验组1 实施例1 14.3 22.3 25.6 34.9
实验组2 实施例2 14.7 21.8 25.7 35.2
实验组3 实施例3 15.1 22.6 27.6 36.7
实验组4 实施例4 13.8 20.9 24.3 34.7
实验组5 实施例5 13.7 20.2 23.7 33.8
实验组6 实施例6 14.6 21.5 25.3 35.1
实验组7 Sn-0.7Cu 12.1 18.4 20.7 22.6
实验组8 Sn-0.7Cu-1Zn 13.4 19.6 22.4 25.3
    从表2可知，添加了锆元素后，焊料的钎焊接头明显要优于Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-1.0Zn所制得的焊料的钎焊接头，因为锆元素的加入，使得焊料中生产了新的弥散相，钎焊接头时效过程中，该弥散相会向界面金属间化合物中沉积，使界面金属间化合物晶界增多，进而在一定程度上阻止了形成的金属间化合物颗粒过大则变疏松，即抑制了钎焊接头时效过程中金属间化合物颗粒的长大，原理见图1。

Claims (3)

1.一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料，其特征在于，它采用下述质量百分比的原料制成：
铜0.1-3%、锌0.1-2%、锆0.3-3%、余量为锡。
2.根据权利要求1所述的一种添加Zr的Sn-Cu基环保焊料，其特征在于，所述原料的质量百分比是：
铜0.7-1%、锌0.8-1.2%、锆1.0-1.5%、余量为锡。
3.一种如权利要求1或2所述的添加Zr的Sn-Cu基环保焊料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤如下：
a）：将纯度为99.95%的锡、纯度为99.95%的铜与纯度为99.95%的锌按质量比92-99.95:0.1-3:0.1-2在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1300℃-1400℃熔化，同时加以搅拌，然后随炉冷却至室温，得到锡铜锌合金；
b）：将步骤a）得到的锡铜锌合金在氩气保护的真空炉中加热到500℃-650℃，然后加入锡铜锌合金总质量的0.3-3%的纯度为99.95%的锆，保温3-5h后随炉冷却至室温，制得添加Zr的Sn-Cu基环保焊料。
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