CN108705222B - 一种耐腐蚀低温焊接材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐腐蚀低温焊接材料，其特征在于，焊接材料包含以质量百分含量计的以下组分：Bi，In，Ga，Mn，Ca，B，其余为Sn，其中Mn、Ca与B的比例为1‑2:0.3‑0.5:0.6‑0.8。本发明实现不同金属相相互促进，协同作用，最终实现了焊料的耐腐蚀和力学性能增强，具有意料不到的技术效果。

Description

一种耐腐蚀低温焊接材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐腐蚀低温焊接材料及其制备方法。

背景技术

电子封装行业中，元器件之间的连接以焊接材料为主，传统的焊料主要是锡铅焊料，铅本身带有剧烈毒性，会造成长期的污染，对环境及人体的危害不言而喻，而为了满足环保要求，锡铅焊料将逐步被无铅焊料所代替。目前研究的无铅焊料体系主要有SnAg、SnCu、SnZn、SnBi等体系，熔化温度都在250℃以下，所形成的焊点在使用温度接近150℃～200℃时可靠性大大降 低，因而在有特殊需要的场合，比如在高温气氛下(例如接近车用发动机)工作 的电子元器件，就需要使用耐高温的焊料。另外在焊接工艺的前期步骤中，也需要使用高温焊料。目前，钎焊中普遍使用的高熔点焊料主要是SnPb95等含铅焊 料，能替代这种焊料的无铅焊料还没有发展，所以强烈需要一种可以替代高温含铅焊料的材料以满足需求。另外，在通常使用的焊接过程中，都需要加热到焊料的熔点温度或者熔点温 度以上，这样使得焊接部位的温度过高，易引起部件发生热变形和扭曲，所以焊接温度不能太高。为了避免这种现象发生，需要一种焊接方法和焊接材料，能够实现在相对较低的温度下焊接，而焊接后的界面和焊点能够耐高温。

异性金属熔焊的条件是母材和焊接材料必须都熔化并且共同组成焊缝金属，该焊缝金属不是一条截然的界线，它们之间存在着熔合区，熔合区包括焊缝中的未混合区和母材中的半熔化区，其成份与母材与焊缝都不同，且往往是介于两者这间，实际上形成化学成份过渡层，焊缝金属与母材金属化学成份差别愈大愈不容易充分混合，则过渡层愈明显，过渡层可以通过某些工艺措施加以适当控制。目前的低温焊接材料的耐腐蚀和力学性能都不令人满意。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种耐腐蚀低温焊接材料，制备得到焊料具有提高的耐腐蚀和力学性能增强。

一种耐腐蚀低温焊接材料，其特征在于，焊接材料包含以质量百分含量计的以下组分： Bi，In，Ga，Mn，Ca，B，其余为Sn，其中Mn 、Ca与B的比例为1-2: 0.3-0.5: 0.4-0.8。

进一步地，焊接材料组成成份如下：Mn 、Ca与B的比例为1.5: 0.4: 0.2。

进一步地，焊接材料组成成份如下： Bi为15-25%，In：4-8％，Ga：0.1-0.3％，Mn：1-2％，Ca为0.3-0.5%，B为0.4-0.8%，其余为Sn。

进一步地，焊接材料组成成份如下Bi为20%，In：6％，Ga：0.2％，Mn：1.5％，Ca为0.4%，B为0.6%，其余为Sn。

一种制造上述的焊接材料的制造方法，其特征在于，该制造方法包括:

a.将原料置入熔解用坩埚，将上述金属熔解后，充分搅拌；

b.然后将上述熔解后的金属降温至500℃-600℃，维持15-20分钟;

c.取出熔解合金表面的杂质，然后入模即可。

进一步地，步骤a中先按一定比例添加Sn，Bi，In四种金属，熔解后按一定比例添加Ga，Mn，Ca金属，最后添加B。

进一步地，制备过程为无氧环境。

进一步地，B为通过高能研磨1-2小时后制备得到。

进一步地，步骤a中坩埚的温度为700-800℃。

进一步地，步骤b中的降温速度1-5℃/min。

Ga：熔点很低，沸点很高，可以净化合金溶液，其低熔点和高沸点的特性能使焊接材料的凝固温度区间变窄改善改善合金的铸造性能，并且能够减轻焊缝开裂和提高铸件的致密性。当Ga元素低于0.1％时，对耐蚀性、流动性、导热性的改善效果有限，同时，为了保持较低的生产成本，Ga的添加量则不应过高。综合考量性能改善效果和生产成本因素，在本发明所述的Ga含量应当被设定在0.1-0.3％范围之间。

B：B元素由于其原子直径小，电子空缺多，高温下可以和Ca活泼金属结合，降低其活性。但是若B的添加量过多，反而会大大降低B的合金流动性，并且使得焊接材料产生显微缩松或热裂倾向。B含量控制为：0.4-0.8%。

钙：添加碱土元素Ca能够有利地改善冶金质量，同时，Ca元素的添加成本比较低，添加Ca的原因在于：提高合金熔体的着火温度，减轻熔炼过程中熔体以及热处理过程中合金的氧化。少量的Ca可提高焊料的抗氧化能力和耐热性能；过量的Ca反而由于其活泼性，降低焊接材料的抗氧化性。本发明的低成本高导热压铸焊料中Ca含量为0.3-0.5%。

锰：少量的Mn可以和Ca金属元素形成化合物，降低Ca的活泼性，从而提高合金的耐蚀性。在本发明所述的高导热焊接材料中中的Mn含量应当设定为1-2%。

合金相: Sn，Bi，In为基质相，添加Mn，Ca，B作为协同增强剂，具有更高的导热性和耐腐性。Mn，Ca，B形成合金相可提高合金的力学性能，具有不同比例的不同合金相相互促进，协同作用，最终实现了焊料的耐腐蚀和力学性能增强，具有意料不到的技术效果。

本发明实现不同金属相相互促进，协同作用，最终实现了焊料的耐腐蚀和力学性能增强，具有意料不到的技术效果。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

实施例1-3和对比例1-6的制备方法：

a. B为通过高能研磨1-2小时后制备得到，在惰性气体条件下，先按一定比例添加Sn，Bi，In四种金属，熔解后按一定比例添加Ga，Mn，Ca金属，最后添加B置入熔解用坩埚，升温至700-800℃将上述金属熔解后，充分搅拌；

b.然后将上述熔解后的金属按降温速度1-5℃/min降温至500℃-600℃，维持15-20分钟;

c.取出熔解合金表面的杂质，然后入模即可。

Bi为15-25%，In：4-8％，Ga：0.1-0.3％，Mn：1-2％，Ca为0.3-0.5%，B为0.4-0.8%，其余为Sn。

使用压制得到的0.1mm厚的板，在真空气氛中于830℃10mm×10mm×20mm的氧化铝之间进行钎焊后，切出3mm×4mm×40mm的试验片，通过四点弯曲试验按照JIS R1601测定各10点的断裂强度。(试验方法按照JIS R1601进行) 。

根据GB T 10125—1997标准，对制得0.1mm厚的板进行在酸性盐雾下测试6h后，测试断裂强度，与未腐蚀的比较，计算断裂强度下降程度，计为百分比。

从上表可知，实施例1的配方比例和方法制备的产品性能最优，通过不同金属配比和中间合金的添加，实现不同合金相相互促进，协同作用，最终实现了焊料的耐腐蚀和力学等其它性能增强，具有意料不到的技术效果。

Claims (8)

1.一种耐腐蚀低温焊接材料，其特征在于，焊接材料包含以质量百分含量计的以下组分：Bi，In，Ga，Mn，Ca，B，其余为Sn，其中Mn、Ca与B的比例为1-2:0.3-0.5:0.6-0.8；Bi为15-25％，In：4-8％，Ga：0.1-0.3％，Mn：1-2％，Ca为0.3-0.5％，B为0.4-0.8％，其余为Sn。

2.如权利要求1所述的焊接材料，其特征在于，焊接材料组成成份如下：Bi为20％，In：6％，Ga：0.2％，Mn：1.5％，Ca为0.4％，B为0.6％，其余为Sn。

3.一种制造权利要求1所述的焊接材料的制造方法，其特征在于，该制造方法包括:

a.将原料置入熔解用坩埚，将上述原料熔解后，充分搅拌；

b.然后将上述熔解后的原料降温至500℃-600℃，维持15-20分钟；

c.取出熔解合金表面的杂质，然后入模即可。

4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤a中先按一定比例添加Sn，Bi，In三种金属，熔解后按一定比例添加Ga，Mn，Ca金属，最后添加B。

5.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，制备过程为无氧环境。

6.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，B为通过高能研磨1-2小时后制备得到。

7.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤a中坩埚的温度为700-800℃。

8.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤b中的降温速度1-5℃/min。