CN114918574B - 一种锡基复合钎料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锡基复合钎料，该锡基复合钎料由三层组成，上、下两层均为Sn‑P‑Ni三元合金；中间层为Sn‑Ag‑Ti三元合金；Sn‑P‑Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.01‑0.15％、Ni为0.02‑2.5％，余量为Sn；Sn‑Ag‑Ti三元合金按重量百分比包括：Ag 2.0‑4.5％、Ti 3.0‑5.0％，余量为Sn。所述锡基复合钎料是按Sn‑P‑Ni三元合金带材/Sn‑Ag‑Ti三元合金带材/Sn‑P‑Ni三元合金带材顺序叠合得到三明治结构，经轧制复合，扩散退火，精轧，得到。相较于现有的Sn‑Ag‑Ti三元合金具有更优异的抗氧化性、润湿性、铺展性。

Description

一种锡基复合钎料及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种锡基复合钎料及其制备方法。
背景技术
Sn-Pb焊料以其焊接性能好、在Cu基板上的润湿性能良好、熔点低等优点，长期以来被广泛应用于现代电子线路板的连接和组装中。但由于铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害，因此，在电子制造业实行无铅化已势在必行。
近年来，开发的无铅焊料主要包括Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系无铅焊料。其中，Sn-3.5Ag钎料由于具有较好的综合性能，成为应用较广泛的Sn-Pb钎料替代品。但是，由于相较于传统的Sn-37Pb共晶钎料，Sn-3.5Ag钎料中Sn含量高达90％以上，更易被氧化。经分析所形成的氧化膜主要成分为SnO、SnO2等，这种氧化膜形成后对保护熔体表面防止进一步氧化的作用不强，抗氧化性较差。除此之外，现有的无铅焊料与Sn-Pb焊料相比，在润湿性、铺展性方面也有较大差距。特别是，随着陶瓷材料在集成电路基板、电子封装等电子领域应用越来越多，如何提高无铅焊料的浸润性，尤其是对陶瓷材料的浸润性，显得尤为重要。
因此，亟待开发一种高性能的无铅焊料，以适应其在不同场景下的应用需要。
发明内容
基于上述技术问题，本发明以Sn-P-Ni三元合金与Sn-Ag-Ti三元合金复合，得到的三层结构锡基复合钎料，相较于现有的Sn-Ag-Ti三元合金具有更优异的抗氧化性、润湿性、铺展性。
本发明具体方案如下：
本发明提供了一种锡基复合钎料，该锡基复合钎料由三层组成，上、下两层均为Sn-P-Ni三元合金；中间层为Sn-Ag-Ti三元合金；
Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.01-0.15％、Ni为0.02-2.5％，余量为Sn；Sn-Ag-Ti三元合金按重量百分比包括：Ag 2.0-4.5％、Ti 3.0-5.0％，余量为Sn。
优选地，上、中、下三层的厚度比为0.2-0.5:1.5-2.5:0.2-0.5。
优选地，Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.01-0.08％，Ni 1.0-1.6％，余量为Sn。
优选地，Sn-Ag-Ti三元合金按照重量百分比包括，Ag 3.5％、Ti 4％，余量为Sn。
本发明还提供了所述锡基复合钎料的制备方法，是按Sn-P-Ni三元合金带材/Sn-Ag-Ti三元合金带材/Sn-P-Ni三元合金带材顺序叠合得到三明治结构，经轧制复合，扩散退火，精轧，得到。
与现有技术相比，本发明有益效果为：
本发明通过钎料结构以及组成、配比设计提供了一种兼具润湿性、铺展性以及抗氧化性的锡基复合钎料，为无铅焊料在电子封装等领域应用提供了更多的选择。
(1)润湿、铺展性：本发明以Sn-P-Ni三元合金作为上、下层的钎料成分与Sn-Ag-Ti三元合金复合；在焊接过程中，一方面钎料中少量的P、Ni在焊接过程中发挥自熔性，能够破坏母材表面的致密的氧化膜，提高对母材的润湿性；另一方面，位于上、下层的Sn-P-Ni合金在钎焊过程中能够先润湿母材并在母材上形成液体通道，有利于中间层Sn-Ag-Ti合金的铺展；由此得到的锡基复合钎料具有优异的润湿和铺展性能；
(2)抗氧化性：Sn-Ag-Ti钎料中易氧化成分主要是Sn和活性成分Ti，将其作为中间层，含有少量P、Ni的Sn-P-Ni作为上下层能够使得复合钎料抗氧化性能显著提高，抗氧化性提高原因主要在于：P在熔融合金液中易于富集在液态合金的表面，能够优先与大气中的氧反应，反应形成的表面氧化层相较于SnO/SnO2更为致密为保护性氧化层可以组织液态合金继续氧化；
(3)接头强度：复合钎料中的Ti与Ni在熔融状态下容易结合反应生成塑性相，在消耗一部分活性Ti的同时生成的塑性相能够提高钎料的润湿性和焊缝的塑性变形能力；并且能够降低复合钎料与陶瓷母材如氧化铝的热膨胀系数差，从而使陶瓷能够在钎焊过程中松弛残余应力，得到高强度的连接接头。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
以下实施例所述锡基复合钎料均采用如下方法制备得到：按Sn-P-Ni三元合金带材/Sn-Ag-Ti三元合金带材/Sn-P-Ni三元合金带材顺序叠合得到三明治结构，经轧制复合，扩散退火，精轧，得到。
实施例1
一种锡基复合钎料，该锡基复合钎料由三层组成，上、下两层均为Sn-P-Ni三元合金；中间层为Sn-Ag-Ti三元合金；上、中、下三层的厚度比为0.5:1.5:0.5；其中：
Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.08％、Ni为1.0％，余量为Sn；Sn-Ag-Ti三元合金按重量百分比包括：Ag 3.5％、Ti 4.0％，余量为Sn。
实施例2
一种锡基复合钎料，该锡基复合钎料由三层组成，上、下两层均为Sn-P-Ni三元合金；中间层为Sn-Ag-Ti三元合金；上、中、下三层的厚度比为0.3:1.5:0.3；其中：
Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.15％、Ni为0.05％，余量为Sn；Sn-Ag-Ti三元合金按重量百分比包括：Ag 2.0％、Ti 3.0％，余量为Sn。
实施例3
一种锡基复合钎料，该锡基复合钎料由三层组成，上、下两层均为Sn-P-Ni三元合金；中间层为Sn-Ag-Ti三元合金；上、中、下三层的厚度比为0.5:2:0.5；其中：
Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.05％、Ni为1.6％，余量为Sn；Sn-Ag-Ti三元合金按重量百分比包括：Ag 4.5％、Ti 3.0％，余量为Sn。
对比例1
一种锡基钎料，按重量百分比包括：Ag 3.5％、Ti 4.0％、P 0.08％、Ni 1.0％，余量为Sn。
分别采用实施例1-3和对比例1的钎料真空钎焊连接氧化铝陶瓷与铜，得到钎焊接头。对以上钎料的润湿性、铺展性、抗氧化性、接头强度进行测试，测试方法以及测试结果如下所示：
(1)润湿性/铺展性：参照GB/T 11364-2008《钎料润湿性试验方法》进行测试。
(2)抗氧化性：本发明采用DTA设备中热重分析功能对抗氧化性能进行测试。样品为30mg的块体，测试温度为300℃，升温速率为10K/min，在300℃温度下保温1h，测试结果以样品增重百分比显示。
(3)接头强度：采用万能试验机对得到的钎焊接头的剪切强度进行测试。
表1、实施例1-3及对比例1的性能数据
润湿角/° 氧化增重/％ 剪切强度/MPa
实施例1 18.5 2.0 32
实施例2 20.8 2.8 26
实施例3 21.3 3.1 27
对比例1 28.6 3.7 21
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种锡基复合钎料，其特征在于，该锡基复合钎料由三层组成，上、下两层均为Sn-P-Ni三元合金；中间层为Sn-Ag-Ti三元合金；
Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.01-0.15％、Ni为0.02-2.5％，余量为Sn；Sn-Ag-Ti三元合金按重量百分比包括：Ag 2.0-4.5％、Ti 3.0-5.0％，余量为Sn；
上、中、下三层的厚度比为0.2-0.5:1.5-2.5:0.2-0.5。
2.根据权利要求1所述的锡基复合钎料，其特征在于，Sn-P-Ni三元合金按重量百分比包括：P 0.01-0.08％，Ni 1.0-1.6％，余量为Sn。
3.根据权利要求1或2所述的锡基复合钎料，其特征在于，Sn-Ag-Ti三元合金按照重量百分比包括，Ag 3.5％、Ti 4％，余量为Sn。
4.权利要求1-3任一项所述锡基复合钎料的制备方法，其特征在于，是按Sn-P-Ni三元合金带材/Sn-Ag-Ti三元合金带材/Sn-P-Ni三元合金带材顺序叠合得到三明治结构，经轧制复合，扩散退火，精轧，得到。
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