CN105436738A - 一种低温焊料合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊料技术领域，具体公开了一种低温焊料合金及其制备方法和应用，所述低温焊料合金包括如下摩尔百分比的配方组分：Sn？75.0％～80.0％；Mg？2.3％～5.8％；Zn？16.6％～20.0％；Al？0.6％～3.5％；Cu？0.1％～0.3％。所述的低温焊料合金所含元素的比例，分别称取Sn、Mg、Zn、Al、Cu单质物料，然后进行混料处理，形成混合金属物料；在真空条件下，对所述混合金属物料进行热处理1～2小时，热处理温度670℃～700℃，随后在真空条件下进行冷却处理。本发明低温焊料合金不含铅金属，合金熔点在179～182℃之间，明显低于常规无铅焊料的熔点温度，与最常用的有铅焊锡Sn63-Pb37(熔点183℃)相当，该低温焊料合金具有良好的机械性和不易氧化等特点，且制备方法简便，生产成本低廉，适合工业大规模的生产与应用。

Description

一种低温焊料合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种低温焊料及其制备方法和应用。

背景技术

焊接是制造电子产品的一项重要技术工艺，为了得到理想的钎焊连接，焊料的选择至关重要。而焊料的第一个关键指标是其熔点。对于电子工业而言，理想的焊料通常要求熔点低于200℃(普遍认为180℃左右为最佳)，以避免在焊接过程中因为过高的焊接温度而对电子器件造成破坏。

除了熔点的温度以外，焊料的机械强度、抗氧化性等也对焊料焊接的可靠性具有重要影响。

目前熔点略低于200℃的低温焊料大多都是含有铅的合金材料，最常见的是Sn-Pb，由于其价格低廉，具有良好的导电性，优良的力学性能和可焊性，Sn-Pb焊料已经成为连接器件和印刷电路板的首选焊接连接材料。然而，由于铅对人体具有很大的毒性，极易造成人体血铅含量升高甚至铅中毒，同时也容易污染环境。面对国际上对电子产品无铅化要求越来越高以及人们的健康意识不断提升的大环境，电子焊接的无铅化已经成为微电子技术的未来发展趋势。于是基于Sn的二元合金及三元合金材料，如Sn-Zn，Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Zn等已成为无铅焊料研究的重点。然而，这些Sn的二元合金及三元合金并不是不存在缺陷，如大多数二元合金及三元合金无法做到温度、成本、力学性能、浸润性和抗氧化性等多方面的兼顾。

发明内容

本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种低温焊料合金及其制备方法。

本发明实施例的另一目的在于提供该低温焊料合金的应用。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

一种低温焊料合金，该低温焊料合金包括如下摩尔百分比的配方组分：

以及，上述低温焊料合金的制备方法，包括如下步骤：

按照上述的低温焊料合金所含元素的比例，分别称取Sn、Mg、Zn、Al、Cu单质物料，然后进行混料处理，形成混合金属物料；

在真空条件下，对所述混合金属物料进行热处理1～2小时，热处理温度670℃～700℃，随后在真空条件下进行冷却处理。

以及，上述低温焊料合金在电子焊接中的应用。

上述实施例的低温焊料合金，不含铅金属元素，熔点在179～182℃之间，明显低于常规焊料的熔点，且该低温焊料合金机械性能和浸润性能均有提升。尤其是Zn和Cu组分相互配合更进一步的提高了焊料合金的浸润性能，Mg的加入使得焊料的机械性能获得极大的提升。另外，采用差热分析仪器分析合金氧化状况，测出的DSC曲线平坦无氧化放热峰，主要原因是本发明实施例采用了微量的Al，使得合金接触氧气时，Al形成氧化铝保护层，有效的阻止氧气对合金内部的氧化。

采用上述低温焊料合金的制备方法，只需常规设备，操作简便，熔炼温度不高于700℃，热处理能耗低，生产成本低，适合大规模的工业生产。

上述实施例中，低温焊料合金在电子焊接领域方面的应用，具有熔点低，不易出现焊接温度过高导致电子产品的损坏，且Zn和Cu组分的低温焊料合金还能增强焊接的浸润性，提高焊料与被焊接物体的接触面积，使得焊接更加牢固；而Mg组分的低温焊料合金则因具有良好的机械性能，使得电子焊接过程中不容易出现断裂等问题。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种低温焊料合金的配方，该低温焊料按照摩尔百分比的配方组分：

上述配方组分实施例中Mg的加入，则有利于增强该低温焊料合金的机械强度，使得该焊料具有更好的机械强度、更优异的屈服强度和良好的弹性，远远超过Sn-37Pb的机械性能。而加入微量的相对活泼的金属Al，容易在焊料合金表面形成氧化铝保护层，有效阻止氧气侵入合金内部，从而避免该低温焊料在使用过程中由于氧化而降低焊接的可靠性。Cu的加入有利于改善该低温焊料的浸润性，在焊接过程中，熔融的焊料能够很好的铺散于待焊物体表面，结合强度好。

此外，由于上述配方组分中，所采用的金属原料均为低成本金属，不含稀土元素及其他贵重金属，因此原料成本不高。

相应地，在上述本发明实施例低温焊料合金配方的基础上，本发明实施例还提供了该低温焊料合金的制备方法。在一实施例中，该低温焊料合金的制备方法具体包含如下步骤：

步骤S01，按照上述合金配方比例分别称取Sn、Mg、Zn、Al、Cu单质物料物料，然后混合均匀，并将混合均匀的金属物料置于热处理装置内。

步骤S02，向热处理装置中充入惰性气体，然后抽真空；

步骤S03，在真空条件下，对所述混合金属物料进行热处理1～2小时，热处理温度为670℃～700℃。

具体地，本发明实施例的上述步骤S01中单质物料纯度均在99.9％及以上，且所述单质物料均为粉末状或颗粒状。采用粉末状或颗粒状的单质物料，在热处理过程中，易熔融，从而减少低温焊料合金生产过程中的能耗。

在具体实施例中，上述步骤S01中热处理装置应当设有氧化铝器皿或氮化硼器皿或石墨坩埚器皿。该氧化铝器皿或氮化硼器皿或石墨坩埚器皿均具有耐高温，不易与发明实施例所采用的金属单质发生任何反应的特点。

上述步骤S01中热处理装置选用可抽真空的高温炉，高温炉期加热方式可以是电阻式加热，也可以是电磁感应式加热。

上述步骤S02中惰性气体为氮气或氦气或氖气或氩气中的任一种。上述四种惰性气体，均不会与本发明实施例中所采用的单质金属发生任何反应，避免了单质金属与惰性气体反应产生的杂质，能够最大限度的保证了合金的有效性。

在一具体实施例中，上述步骤S02抽真空过程，最终保持热处理装置的空气压力在0.01Bar及以下。在该真空压力下，可以尽量排除因空气中氧气的存在而对低温焊料合金的热处理产生不良影响，也避免空气与合金反应而可能引入的氧化物杂质。

在一具体实施例中，上述步骤S03的热处理的温度最高为700℃，有利于节省熔融能耗。同时，最低的热处理温度应保证不低于670℃，如果温度过低，不能保证所有物料均能够熔融，或即使熔融，也不能确保熔融金属液体具有良好的流动性，而造成最终合金内组分不均一，影响合金在使用过程中的浸润性和机械性能。

为了使本发明实施例在制备时更加安全，避免制备过程潜在的对操作者人身安全可能造成的危害，同时，为了使得制备的低温焊料合金不含有杂质及确保合金晶型的均一性，在一实施例中，上述热处理结束时，停止加热，采用真空自然冷却的方式进行冷却。真空自然待冷却至室温，充入空气后，再取出冷凝结晶的合金。采用先真空冷却至室温再充入空气的顺序，主要是为了避免因冷却过程中热处理装置中存在的空气可能造成低温焊料合金的氧化；而采用自然冷却，主要是为了保证冷却时低温焊料合金具有较均一的合金晶型。

以下通过多个实施例来举例说明上述低温焊料合金及其制备方法。

实施例1

一种低温焊料合金及其制备方法。其中，低温焊料合金包括按照摩尔分数比计的如下组分：

该低温焊料合金的制备方法包括如下步骤：

步骤S01，将99.9％以上纯度的Sn，Mg，Zn，Al和Cu的粉末按照摩尔分数比例为

的组分配好，然后均匀混合，将其盛入氧化铝器皿中，并将氧化铝器皿置于高温炉中。

步骤S02，向高温炉中充入氮气作为惰性隔绝气体，然后抽真空至气压降至0.01Bar。

步骤S03，将高温炉缓慢升温到700℃，保持在此温度条件下加热1.0小时。

在上述步骤S03后，然后停止加热，使高温炉和熔融产物自然冷却，自然冷却约耗时2个小时，冷却至室温后，将产物从高温炉取出。对获得的产物进行熔化温度测试和300℃的DSC曲线测试，熔化温度为182℃，DSC曲线上无氧化放热峰。

实施例2

一种低温焊料合金及其制备方法。其中，低温焊料合金包括按照摩尔分数比计的如下组分：

该低温焊料合金的制备方法包括如下步骤：

步骤S01，将99.9％以上纯度的Sn，Mg，Zn，Al和Cu的粉末按照摩尔分数比例为

的组分配好，然后均匀混合，将其盛入氮化硼器皿中，然后将氮化硼器皿置于高温炉中。

步骤S02，向高温炉中充入氦气作为惰性隔绝气体，然后抽真空至气压降至0.01Bar。

步骤S03，将高温炉缓慢升温到670℃，保持在此温度条件下加热1.5小时。

在上述步骤S03后，然后停止加热，使高温炉和熔融产物自然冷却，自然冷却约耗时2个小时，冷却至室温后，将产物从高温炉取出。对获得的产物进行熔化温度测试和300℃的DSC曲线测试，熔化温度为179℃，DSC曲线上没有观察到氧化放热峰。

实施例3

一种低温焊料合金及其制备方法。其中，低温焊料合金包括按照摩尔分数比计的如下组分：

该低温焊料合金的制备方法包括如下步骤：

步骤S01，将99.9％以上纯度的Sn，Mg，Zn，Al和Cu的粉末按照摩尔分数比例为

的组分配好，然后均匀混合，将其盛入石墨坩埚器皿中，并将石墨坩埚器皿置于高温炉内。

步骤S02，向高温炉中充入氖气作为惰性隔绝气体，然后抽真空至气压降至0.01Bar。

步骤S03，将高温炉缓慢升温到690℃，保持此温度条件下加热2.0小时。

在上述步骤S03后，然后停止加热，使高温炉和熔融产物自然冷却，自然冷却约耗时2个小时，冷却至室温后，将产物从高温炉取出。对获得的产物进行熔化温度测试和300℃的DSC曲线测试，熔化温度为181.5℃，DSC曲线上未观察到氧化放热峰。

实施例4

一种低温焊料合金及其制备方法。其中，低温焊料合金包括按照摩尔分数比计的如下组分：

该低温焊料合金的制备方法包括如下步骤：

步骤S01，将99.9％以上纯度的Sn，Mg，Zn，Al和Cu的粉末按照摩尔分数比例为

的组分配好，然后均匀混合，将其盛入石墨坩埚器皿中，并将石墨坩埚器皿置于高温炉内。

步骤S02，向高温炉中充入氖气作为惰性隔绝气体，然后抽真空至气压降至0.01Bar。

步骤S03，将高温炉缓慢升温到685℃，保持此温度条件下加热1.8小时。

在上述步骤S03后，然后停止加热，使高温炉和熔融产物自然冷却，自然冷却约耗时2个小时，冷却至室温后，将产物从高温炉取出。对获得的产物进行熔化温度测试和300℃的DSC曲线测试，熔化温度为180.5℃，DSC曲线上未观察到氧化放热峰。

实施例5

一种低温焊料合金及其制备方法。其中，低温焊料合金包括按照摩尔分数比计的如下组分：

该低温焊料合金的制备方法包括如下步骤：

步骤S01，将99.9％以上纯度的Sn，Mg，Zn，Al和Cu的粉末按照摩尔分数比例为

的组分配好，然后均匀混合，将其盛入石墨坩埚器皿中，并将石墨坩埚器皿置于高温炉内。

步骤S02，向高温炉中充入氖气作为惰性隔绝气体，然后抽真空至气压降至0.01Bar。

步骤S03，将高温炉缓慢升温到695℃，保持此温度条件下加热2.0小时。

在上述步骤S03后，然后停止加热，使高温炉和熔融产物自然冷却，自然冷却约耗时2个小时，冷却至室温后，将产物从高温炉取出。对获得的产物进行熔化温度测试和300℃的DSC曲线测试，熔化温度为180℃，DSC曲线上未观察到氧化放热峰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低温焊料合金，其特征在于：该低温焊料合金包括如下摩尔百分比的配方组分：

2.一种低温焊料合金的制备方法，包括如下步骤：

按照权利要求1所述的低温焊料合金所含元素的比例，分别称取Sn、Mg、Zn、Al、Cu单质物料，然后进行混料处理，形成混合金属物料；

在真空条件下，对所述混合金属物料进行热处理1～2小时，热处理温度670℃～700℃，随后在真空条件下进行冷却处理。

3.如权利要求2所述的低温焊料合金的制备方法，其特征在于：所述真空条件的气压≤0.01Bar。

4.如权利要求2所述的低温焊料合金的制备方法，其特征在于：所述真空条件的实现方法是先向所述热处理的系统中通入惰性气体，再进行抽真空处理。

5.如权利要求4所述的低温焊料合金的制备方法，其特征在于：所述惰性气体可为氮气、氦气、氩气及氖气中的任一种。

6.如权利要求2所述的低温焊料合金的制备方法，其特征在于：所述Sn、Mg、Zn、Al和Cu单质物料的纯度均在99.9％及以上。

7.如权利要求1～6任一项所述低温焊料合金在电子焊接中的应用。