CN103805795B - 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
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 Download PDFInfo
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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，公开日期为2003年7月9日，公开号为CN1428443的中国专利)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，公开日期为2009年3月4日，公开号为CN101376196的中国专利)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，公开日期为2009年3月11日，公开号为CN101384395的中国专利)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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