CN103805795A - 一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂,该变质剂为铜钴合金粉末,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。该变质剂可以改善Ag3Sn和Cu6Sn5等金属间化合物的结晶形态和分布;同时,还提供变质剂的使用方法:将锡银铜焊料或锡铜焊料由熔炼温度500℃降温至280—300℃保温,浇铸或喷粉前加入变质剂,变质剂与锡银铜焊料或锡铜焊料的重量比为1:100,并施加交变磁场,搅拌焊料与变质剂的混合液,搅拌5—10分钟后,去除变质剂,对焊料进行浇铸或喷粉。该使用方法一方面可以提高变质效率;另一方面改善焊料的不均匀收缩,且可获得尺寸更加均匀、球形度高的焊粉。
Description
技术领域
本发明属于低温合金冶炼及软钎焊材料领域,具体来说,涉及一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂及使用方法。
背景技术
锡银铜(SnAgCu)焊料是目前主流的无铅焊料合金。然而,由于合金微观组织中存在易于一维生长的Ag3Sn金属间化合物,影响了合金作为焊点的可靠性,特别是其耐冲击性能。此外,随着低银焊料的开发,合金成分偏离共晶,材料凝固时会出现微观不均匀收缩和产生偏析现象,微观组织中出现Cu6Sn5化合物的不均匀分布。
参考专利1(专利号:CN01131644.6)公开了一种用于锌及锌合金熔体处理工艺的锌变质剂,重量百分比Al:20—40%,Ti:2—5%,B:0.5—1.5%,Xt:0.5—1%,Zn:55—75%,可以使锌及锌合金实现同时均匀结晶而形成等轴细晶粒组织,提高产品使用性能。
参考专利2(专利号:CN200810223968.5)公开了一种SnAgCu无铅焊料,添加质量百分比La:0.02—0.2%、P:0.0001—0.2%、Co:0.01—0.05%微量元素改善抗氧化性能和润湿性能,提高接头剪切性能和抗冲击性能。其中Co元素加入后形成CoSn2金属间化合物,增大凝固过程过冷度,有利于形核。
参考专利3(专利号:CN200780005120.9)公开了一种锡铜(SnCu)系无铅合金焊料,消除由于金属间化合物为核的浮渣,消除产生角状物等钎焊缺陷。在Sn基焊料合金中添加0.01重量%以上且不足0.05重量%的Co可以抑制Cu向焊料中溶出,并且金属间化合物以微粒状态分散而成,焊料的蠕变强度提高。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂,该变质剂可以改善Ag3Sn和Cu6Sn5等金属间化合物的结晶形态和分布;同时,还提供用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂的使用方法,该使用方法一方面可以提高变质效率;另一方面改善焊料的不均匀收缩,焊料制粉后可以获得尺寸更加均匀,球形度高的焊粉。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂,该变质剂为铜钴合金粉末,其中,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。
一种上述用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂的使用方法,该使用方法的过程是:将锡银铜焊料或锡铜焊料由熔炼温度500℃降温至280—300℃保温,浇铸或喷粉前加入变质剂,变质剂与锡银铜焊料或锡铜焊料的重量比为1:100,并施加频率为50—60KHz、磁场强度为6—8kA/m的交变磁场,搅拌焊料与变质剂的混合液,搅拌5—10分钟后,去除变质剂,对锡银铜焊料或锡铜焊料进行浇铸或喷粉;所述变质剂为铜钴合金粉末,其中,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。
有益效果:本专利是一种专门用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂。与背景技术中提及的参考专利1不同,本专利的材料成分以铜钴基合金为主,适用于SnAgCu和SnCu软钎焊合金的熔炼。与参考专利2和参考专利3不同的是,本专利将CuCo合金粉作为一种变质剂使用,并不限定Co在焊料中的含量,即并不以Co元素溶入焊料而起到本专利所申明的改善效果。事实上有别于合金化的方式在焊料中增加Co或Ni等成分。本发明的变质剂的优点在于不改变焊料合金的成分,但能够优化焊料合金的组织并提高性能。具体来说,选择CuCo合金粉末加入的方式大幅提高了变质效率。本发明的变质剂是Cu和Co包晶合金,微观组织中的Co是从Cu基体中固溶析出的,尺寸细小。尤其是这种合金被加工成10~100μm的颗粒,增大了表面积。这些都为非均匀形核提供了有利条件。变质剂加入焊料合金后需要施加交变磁场并搅拌。磁场的作用是改变焊料结晶相与变质剂界面的界面能,帮助形核。搅拌一方面限制了形成的晶体快速长大,另一方面使得变质剂表面上的晶核被冲刷下来,有利于再次形核。因此,变质剂通过这种工艺获得了更好的变质效果。本发明的变质剂可以改善焊料的不均匀收缩,焊料制粉后可以获得尺寸更加均匀,球形度高的焊粉。
附图说明
图1为未加入本发明变质剂的焊料的组织图。
图2为加入本发明变质剂后的焊料的组织图。
图3为本发明变质剂的颗粒形貌图。
图4为本发明实施例1的焊粉组织及颗粒形貌图。
图5为未进行变质处理的焊粉组织及颗粒形貌图。
图6为本发明实施例5焊点表面收缩的效果图。
图7为未进行变质处理的焊点表面收缩的效果图。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
如图3所示,本发明的一种用于锡银铜或锡铜焊料熔炼的变质剂,为铜钴合金粉末,其中,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。作为优选,所述合金粉末粒径为20—50μm。当合金粉末粒径为20—50μm时,可使锡银铜(SnAgCu)焊料或锡铜(SnCu)焊料获得优化的变质效果,即焊料组织中金属间化合物分布更均匀。
上述用于SnAgCu焊料或SnCu焊料熔炼的变质剂的使用方法的过程是:将SnAgCu焊料或SnCu焊料由熔炼温度500℃降温至280—300℃保温,浇铸或喷粉前加入变质剂,变质剂与SnAgCu焊料或SnCu焊料的重量比为1:100,并施加频率为50—60KHz,磁场强度为6—8kA/m的交变磁场,搅拌焊料与变质剂的混合液,搅拌5—10分钟后,去除变质剂,对SnAgCu焊料或SnCu焊料进行浇铸或喷粉;所述变质剂由包晶成分铜和钴(Co)两种合金粉末混合组成,其中,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。
作为一种高熔点金属元素,Co在300℃以下难以溶入合金。在本专利申请的使用方法下,变质剂能够改变形核相(即金属间化合物)的界面能,有效改善Ag3Sn和Cu6Sn5等金属间化合物的结晶形态和分布。如图1和图2所示,与没有进行变质处理的合金相比,Ag3Sn颗粒转变为等轴晶,而Cu6Sn5颗粒分布更加均匀。
选择Cu和Co合金粉末加入的方式大幅提高了变质效率。本发明的变质剂是Cu和Co包晶合金,微观组织中的Co是从Cu基体中固溶析出的,尺寸细小。如图2所示,这种合金被加工成10~100μm的颗粒,增大了表面积。这些都为非均匀形核提供了有利条件。同时,变质剂的颗粒不宜小于10μm,否则会增加粉末表面氧化的倾向,不利于形核。
变质剂加入焊料合金后需要施加交变磁场并搅拌。磁场的作用是改变焊料结晶相与变质剂界面的界面能,帮助形核。搅拌一方面限制了形成的晶体快速长大,另一方面使得变质剂表面上的晶核被冲刷下来,有利于再次形核。因此,变质剂通过这种工艺获得了更好的变质效果。
此外,在300℃以下加入变质剂是为了控制变质剂中的元素溶入焊料当中,同时便于分离出变质剂,以便使焊料合金中的Cu、Co浓度符合ISO9453-2006等成分标准,实际成分如下表所示。
采用本发明的使用方法,
将锡银铜焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温,浇铸或喷粉前加入变质剂,变质剂与锡银铜焊料的重量比为1:100,并施加频率为60KHz、磁场强度为6kA/m的交变磁场,搅拌焊料与变质剂的混合液,搅拌10分钟后,去除变质剂,对锡银铜焊料进行浇铸或喷粉;所述变质剂为铜钴合金粉末,其中,钴的重量百分比为9%,其余为铜,合金粉末的粒径为100μm。
采用火花直读光谱仪,对上述添加变质剂后的锡银铜焊料进行检测,检测结果如表1所示,各元素的含量符合ISO9453-2006标准的要求。
表1
下面例举实施例。
实施例1
一种用于SnAgCu焊料(焊料中Ag的重量比为3%,Cu的重量比为0.5%,其余为Sn)熔炼的变质剂,其中Co重量百分比为7%,其余为Cu,合金粉末的粒径为10μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温,浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末与SnAgCu焊料按照重量比为1:100混合,并施加频率为50KHz,磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌,5分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。
实施例2
一种用于SnAgCu焊料(焊料中Ag的重量比为3%,Cu的重量比为0.5%,其余为Sn)熔炼的变质剂,其中Co重量百分比为8%,其余为Cu,合金粉末的粒径为20μm。将Sn-3%Ag-0.5%Cu焊料由熔炼温度500℃降温至290℃保温,浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-3%Ag-0.5%Cu焊料按照重量比为1:100混合,并施加频率为50KHz,磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌,5分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。
实施例3
一种用于SnAgCu焊料(焊料中Ag的重量比为3%,Cu的重量比为0.5%,其余为Sn)熔炼的变质剂,其中Co重量百分比为9%,其余为Cu,合金粉末的粒径为50μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至280℃保温,浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-3%Ag-0.5%Cu焊料按照重量比为1:100混合,并施加频率为60KHz,磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌,5分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。
实施例4
一种用于SnAgCu焊料(焊料中Ag的重量比为1%,Cu的重量比为0.7%,其余为Sn)熔炼的变质剂,其中Co重量百分比为8%,其余为Cu,合金粉末的粒径为100μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温,浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-1%Ag-0.7%Cu焊料按照重量比为1:100混合,并施加频率为55KHz,磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌,5分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。
实施例5
一种用于SnAgCu焊料(焊料中Ag的重量比为0.3%,Cu的重量比为0.7%,其余为Sn)熔炼的变质剂,其中Co重量百分比为8%,其余为Cu,合金粉末的粒径为100μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温,浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-0.3%Ag-0.7%Cu焊料按照重量比为1:100混合,并施加频率为56KHz,磁场强度7kA/m的交变磁场进行搅拌,7分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。
实施例6
一种用于SnCu焊料(焊料中Cu的重量比为0.7%,其余为Sn)熔炼的变质剂,其中Co重量百分比为8%,其余为Cu,合金粉末的粒径为80μm。将SnCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温,浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-0.7%Cu焊料按照重量比为1:100混合,并施加频率为60KHz,磁场强度8kA/m的交变磁场进行搅拌,10分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。
对实施例1经过变质处理的焊料,进行金相显微镜拍照,结果如图4所示。对同样的焊料,不经过本发明的变质处理,其焊粉组织及颗粒形貌图如图5所示。通过对比图4和图5,本实施例1的焊料能够在喷粉时得到尺寸更加均匀的颗粒,焊粉的球形度也有所提高。
对实施例5经过变质处理的焊料进行金相显微镜拍照,如图6所示。对同样的焊料,不经过本发明的变质处理,其焊点表面收缩图如图7所示。通过对比图6和图7,本实施例1的焊料获得的焊点不均匀收缩得到改进。
对其他实施例经过变质处理的焊料,进行同样的测试,均能得到同样的结果,即尺寸更加均匀的颗粒,焊粉的球形度也有所提高,且焊点不均匀收缩得到改进。
Claims (3)
1.一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂,其特征在于,该变质剂为铜钴合金粉末,其中,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。
2.按照权利要求1所述的用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂,其特征在于,所述的合金粉末粒径为20—50μm。
3.一种权利要求1所述用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂的使用方法,其特征在于,该使用方法的过程是:将锡银铜焊料或锡铜焊料由熔炼温度500℃降温至280—300℃保温,浇铸或喷粉前加入变质剂,变质剂与锡银铜焊料或锡铜焊料的重量比为1:100,并施加频率为50—60KHz、磁场强度为6—8kA/m的交变磁场,搅拌焊料与变质剂的混合液,搅拌5—10分钟后,去除变质剂,对锡银铜焊料或锡铜焊料进行浇铸或喷粉;所述变质剂为铜钴合金粉末,其中,钴的重量百分比为7—9%,其余为铜,合金粉末的粒径为10—100μm。
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