CN109079363A - 一种低蒸气压低熔点的封接焊料 - Google Patents

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Abstract

一种用于真空电子器件钎焊的Au‑Cu‑Ga系钎料合金，属于新材料技术领域。钎料合金组分的重量百分含量：Au 67～79wt％，Cu 15～25wt％，Ga 6～8wt％。本发明与现有的72Ag‑28Cu钎料相比，熔点相近，但其蒸气压比Ag‑28Cu钎料低2个数量级；钎料加工性好，在铜和镀镍不锈钢上均有良好的润湿性，焊接接头具有良好的力学性能。适于要求低蒸气压真空电子器件的封接。

Description

一种低蒸气压低熔点的封接焊料
技术领域
本发明涉及一种可用于真空电子器件钎焊的低蒸气压钎料。
背景技术
近年来，世界各主要国家为使雷达满足现代作战需要，适应日趋复杂的作战环境，加紧开发高新技术，摆脱雷达的“四大威胁”，需要雷达具有超高分辨率并以多模式工作，具有突出的距离探测和对目标特性进行测量的能力。真空管发射机为雷达整机或电子对抗设备提供大功率脉冲或连续波射频信号，是雷达系统最重要的组成部分之一，其性能决定雷达系统的主要技术指标和可靠性指标。
真空管发射机在未来的雷达、武器装备、电子对抗系统中占据非常重要的地位。随着高工作频率和高稳定性的脉冲发射冷阴极技术的发展，其电流频率可达10-30GHz，导致电子真空器件的工作温度有时可以达到500℃以上，长期在这样高的温度下工作，导致电子真空器件的可靠性受到影响。
目前，真空电子器件的连接多采用72AgCu钎料，它的使用量占电真空器件总钎料量的80％以上。但其饱和蒸气压较高，主要是因为钎料含银量高，而银的蒸气压又比较高，因此在较高的温度下长期工作时，由于钎料中银的挥发导致器件“阴极中毒”，电子枪无法正常工作，器件失效。表1列出了Ag和72Ag-28Cu钎料在不同温度下的蒸气压。
表1 Ag和72Ag-28Cu钎料的熔点及蒸气压
为了降低钎料的蒸气压，必须采用其它基体的钎料，表2列出了一些低蒸气压的钎料。
表2低蒸气压钎料成分、熔化温度和蒸气压
表2列出的低蒸气压钎料主要是铜基和金基钎料。这些钎料的蒸气压较低，但熔化温度比72Ag-28Cu的熔化温度要高得多，钎焊温度也随之升高。目前尚没有一款合适的低蒸气压钎料能取代72Ag-28Cu钎料。
发明内容
本发明是要解决现有高真空电子器件用钎料蒸气压过高以及现有低蒸气压钎料熔化温度过高的问题。为了解决该问题，本发明提供了一种用于真空电子器件钎焊和封装的低蒸气压、低熔点的钎料合金，钎焊温度和72Ag-28Cu钎料相当。它的工艺性能和加工性能和72Ag-28Cu钎料相当，接头强度高，但蒸气压明显降低，适用于高真空电子器件的真空钎焊。其重量百分含量由以下化学成分组成：Au 67～79wt％，Cu 15～23wt％，Ga 6～8wt％。
Au-Cu钎料中添加Ga元素有以下优点，首先Ga元素熔点低，可作为降熔元素降低钎料熔点，而且Ga本身的蒸气压较低；参考Cu-Ga二元合金相图可知，Ga在Cu中的溶解度约为18％，一定量的Ga可以溶解在Au-Cu二元合金中形成固溶体组织，不会出现脆性金属间化合物相，从而保证合金钎料的良好加工性。
本发明所涉及的低蒸气压钎料与现有72Ag-28Cu钎料相比，蒸气压可以降低至少2个数量级。
具体实施方式
以下例子是本发明的进一步阐述，但是本发明范围并不是限于这里所提出的实施案例。在以下的描述中，所有关于钎料合金组成的百分数均为质量百分数。
具体实施例1：
Au-Cu-Ga钎料合金元素质量百分含量如下：Au：74wt％，Cu：20wt％，Ga：6wt％。根据公式计算钎料的蒸气压。
将纯度为99.99％的Au、Cu、Ga金属按照成分配比称量，放入真空感应熔炼炉中，炉内真空度达到4×10-1～4×10-2后开始加热，将炉温升高到1100～1200℃.待合金全部融化后，充入氩气，保温20～30min，再降温到1000℃，然后将熔融金属倒入模具中，得到钎料合金铸锭。对铸锭进行剥皮，去除铸锭表面的氧化皮，然后进行冷轧，轧到1～2mm厚。在600℃温度下退火，然后冷轧成0.1mm厚的箔材。按照国标中规定的标准对上述钎料合金进行熔点、润湿性能、强度和硬度等方面的测试。
固相线在776℃，液相线在805℃。在铜板上的铺展率在75％以上，在镀镍不锈钢上的铺展率能达到80％以上。得到的Cu-Cu钎焊接头的剪切强度超过了母材的强度，断口在母材上；镀镍不锈钢钎焊接头剪切拉伸后断面为镀层，强度大约为125MPa左右。钎料的硬度为200HV；钎料变形量可达到90％，加工性能良好。上述配比得到的钎料在800℃时的蒸气压为6.10×10-5。
具体实施例2：
Au-Cu-Ga钎料合金元素质量百分含量如下：Au：73wt％，Cu：20wt％，Ga：7wt％。合金熔炼方法和性能测试方法同实施例1。固相线在749℃，液相线在781℃。在铜板上的铺展率在75％以上，在镀镍不锈钢上的铺展率接近90％。得到的Cu-Cu钎焊接头的剪切强度超过了母材的强度，断口在母材上；镀镍不锈钢钎焊接头剪切拉伸后断面为镀层，强度大约为125MPa左右。钎料的硬度为209HV；钎料变形量可达到90％，加工性能良好。上述配比得到的钎料在800℃时的蒸气压为7.05×10-5。
具体实施例3：
Au-Cu-Ga钎料合金元素质量百分含量如下：Au：68wt％，Cu：25wt％，Ga：7wt％。合金熔炼方法和性能测试方法同实施例1。固相线在776℃，液相线在818℃。在铜板上的铺展率在75％以上，在镀镍不锈钢上的铺展率达到80％。得到的Cu-Cu钎焊接头的剪切强度超过了母材的强度，断口在母材上；镀镍不锈钢钎焊接头剪切拉伸后断面为镀层，强度大约为125MPa左右。钎料的硬度为124HV；钎料变形量可达到90％，加工性能良好。上述配比得到的钎料在800℃时的蒸气压为7.14×10-5。
具体实施例4：
Au-Cu-Ga钎料合金元素质量百分含量如下：Au：67wt％，Cu：25wt％，Ga：8wt％。合金熔炼方法和性能测试方法同实施例1。固相线在777℃，液相线在801℃。在铜板上的铺展率在75％左右，在镀镍不锈钢上的铺展率在80％以上。得到的Cu-Cu钎焊接头的剪切强度超过了母材的强度，断口在母材上；镀镍不锈钢钎焊接头剪切拉伸后断面为镀层，强度大约为125MPa左右。钎料的硬度为126HV；钎料变形量可达到90％，加工性能良好。上述配比得到的钎料在800℃时的蒸气压为8.09×10-5。
具体实施例5：
Au-Cu-Ga钎料合金元素质量百分含量如下：Au：78wt％，Cu：15wt％，Ga：7wt％。合金熔炼方法和性能测试方法同实施例1。固相线在777℃，液相线在801℃。在铜板上的铺展率在75％左右，在镀镍不锈钢上的铺展率在80％以上。得到的Cu-Cu钎焊接头的剪切强度超过了母材的强度，断口在母材上；镀镍不锈钢钎焊接头剪切拉伸后断面为镀层，强度大约为125MPa左右。钎料的硬度为230HV；钎料变形量可达到80％，加工性能良好。上述配比得到的钎料在800℃时的蒸气压为8.09×10-5。
具体实施例6：
Au-Cu-Ga钎料合金元素质量百分含量如下：Au：79wt％，Cu：15wt％，Ga：6wt％。合金熔炼方法和性能测试方法同实施例1。固相线在777℃，液相线在801℃。在铜板上的铺展率在75％左右，在镀镍不锈钢上的铺展率在80％以上。得到的Cu-Cu钎焊接头的剪切强度超过了母材的强度，断口在母材上；镀镍不锈钢钎焊接头剪切拉伸后断面为镀层，强度大约为125MPa左右。钎料的硬度为230HV；钎料变形量可达到80％，加工性能良好。上述配比得到的钎料在800℃时的蒸气压为8.09×10-5。
以上实施例的性能总结如下：
表3钎料蒸气压对照表
表4钎料性能对照表

Claims (4)

1.一种金铜镓低蒸气压钎料，其化学组成的质量百分含量为：Au67～79wt％，Cu15～25wt％，Ga6～8wt％。
2.根据权利要求1所述的一种Au-Cu-Ga钎料，其特征在于：Au在所述合金中更合适的重量百分含量为69～75wt％。
3.根据权利要求1所述的一种Au-Cu-Ga钎料，其特征在于：Cu在所述合金中更合适的重量百分含量为18～22wt％。
4.根据权利要求1所述的一种Au-Cu-Ga钎料，其特征在于：Ga在所述合金中更合适的重量百分含量为6～7wt％。
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