CN115647648A - 一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子材料制备技术领域，具体涉及一种低成本高性能Ag‑Cu‑Sn‑In中温无镉焊料及制备方法，包括对Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料；将混合原料放入真空电弧熔炼炉中使用电弧喷枪进行熔炼，得到半成品；对半成品进行四轮熔炼后进行冷却，得到合金铸锭，在室温条件下，将四种金属原料混合，通过真空电弧熔炼炉制备，本发明基于Ag‑Cu共晶合金焊料，引入Sn元素和In元素，制备的焊料合金熔化范围为580℃～600℃，接近于含镉的BAg40CuZnCdNi和BAg40CuZnCd焊料，对母材具有良好的润湿性、铺展性优良、塑性和力学性能优异，可达到环境友好目的，同时降低了焊料合金生产成本，从而解决现有的中温无镉焊料成本较高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料制备技术领域，尤其涉及一种低成本高性能 Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料及制备方法。
背景技术
近年来，随着电子行业的迅猛发展，各种电子产品充斥着人们的生活，其中不乏尺寸逐渐变小的微电子产品，越精细的电子产品需要用到更合适的焊料进行焊接。焊接对电子产品的可靠性和性能有着至关重要的作用。
在航空航天和家电领域，熔化温度范围为450℃～600℃的中温焊料应用最为广泛。目前，如BAg40CuZnCdNi和BAg40CuZnCd焊料等含镉的银铜中温焊料的熔化温度范围在590℃～650℃左右，而且含镉的银铜中温焊料工艺性能优良，钎焊接头力学性能较好且稳定，耐腐蚀性能较好，镉的价格还不高，使得含镉的银铜中温焊料在制造领域得到大规模应用。然而，镉是有毒元素，会对人体造成极大危害，且短时间内不可降解，我国信息产业部发布的第39号令，要求家电等产业禁用包括镉在内的六种有毒金属元素。
元素Sn和In拥有较低的熔点(Sn的熔点是231.9℃，In的熔点是156.6 ℃)，作为中温焊料较为常用的合金元素，可让焊料的熔点降低而达到使用要求。传统的Ag-Cu基中温焊料合金普及难度较大，因为Ag-Cu合金作为银基焊料的基础合金，购买成本太高，所以很难推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料及制备方法，旨在解决现有的中温无镉焊料成本较高的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In 中温无镉焊料的制备方法，包括以下步骤：
对Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料；
将所述混合原料放入真空电弧熔炼炉中使用电弧喷枪进行熔炼，得到半成品；
对所述半成品进行四轮熔炼后进行冷却，得到合金铸锭。
其中，所述对Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料的具体方式为:
按照预设配比称取Ag、Cu、Sn和In；
对称取的Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料。
其中，所述Ag的比例为57.6％，所述Cu的比例为22.4％，所述Sn的比例为5％～14％，所述In的比例为6％～15％。
其中，所述电弧喷枪在进行熔炼时的温度为800摄氏度-1000摄氏度。
第二方面，一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，采用第一方面所述的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法制备；
包括Ag、Cu、Sn和In。
本发明的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料及制备方法，对Ag、 Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料；将所述混合原料放入真空电弧熔炼炉中使用电弧喷枪进行熔炼，得到半成品；对所述半成品进行四轮熔炼后进行冷却，得到合金铸锭，在室温条件下，将四种金属原料混合，通过真空电弧熔炼炉制备，本发明基于Ag-Cu共晶合金焊料，引入Sn元素和In元素，制备的焊料合金熔化范围为580℃～600℃，接近于含镉的BAg40CuZnCdNi和BAg40CuZnCd 焊料，对母材具有良好的润湿性、铺展性优良、塑性和力学性能优异，可达到环境友好目的，同时降低了焊料合金生产成本，从而解决现有的中温无镉焊料成本较高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法的流程图。
图2是第一扫描电子显微镜图。
图3是第一差示扫描量热曲线图。
图4是第二扫描电子显微镜图。
图5是第二差示扫描量热曲线图。
图6是第三扫描电子显微镜图。
图7是第三差示扫描量热曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，第一方面，本发明提供一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法，包括以下步骤：
S1对Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料；
S11按照预设配比称取Ag、Cu、Sn和In；
所述Ag的比例为57.6％，所述Cu的比例为22.4％，所述Sn的比例为 5％～14％，所述In的比例为6％～15％。
具体的，选取纯度99.99％的Ag、Cu、Sn、In作为原料，以质量百分比称量出各组Ag-Cu-Sn-In合金焊料的原料重量。
S12对称取的Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料。
具体的，将称量好的各组原料混合均匀。
S2将所述混合原料放入真空电弧熔炼炉中使用电弧喷枪进行熔炼，得到半成品；
具体的，放入非自耗式真空电弧熔炼炉中起弧，开始熔炼，整个熔炼过程大约30min，将电弧喷枪的温度缓慢升高至800℃～1000℃，熔炼过程需要不断转动喷枪让各组样品充分熔化，混合均匀，第一次熔炼后，翻样，再次起弧熔炼，确保样品两面成分均匀，此时第一轮熔炼完成；
S3对所述半成品进行四轮熔炼后进行冷却，得到合金铸锭。
具体的，如此反复进行四轮熔炼，确保焊料合金成分均匀，随炉冷却后得到球状的合金铸锭，且保证合金铸锭的烧损率小于1wt.％。
请参阅图2至图7，第二方面，一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，采用所述的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法制备；
进一步的，包括Ag、Cu、Sn和In。
有益效果：
本发明低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的主要元素为Ag和Cu，质量比为57.6％Ag和22.4％Cu是Ag-Cu合金的共晶成分，合金组织均匀，性能较好，此时Ag-Cu共晶合金的熔点为779℃。主要合金化元素为Sn和In，这两种元素可以显著降低Ag-Cu合金的熔化温度。Sn元素可以改善焊料的流动性和润湿性，同时提升焊接稳定性。In元素可以提高焊料的润湿性，还可以使焊料组织细化，改善焊料合金中金属间化合物的形态和分布，避免产生粗大的金属间化合物，从而提高焊料力学性能。本发明焊料的液相线温度约为600℃和固相线温度约为580℃相比于Ag-Cu共晶焊料得到降低，焊料的熔化范围为 580℃～600℃，在真空精密焊接的大规模生产当中焊接温度降低能够节约大量能源，从而降低了焊料的使用成本。其次，加入合金化元素也可以降低焊料的生产成本，相比于Ag-Cu共晶焊料成本大约减低20％。
中温无镉焊料的化学成分按照质量百分比为：
1、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:5％～14％、In：6％～15％，熔化范围为：450℃～600℃。
2、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:14％、In:6％，熔化范围为：601.1℃～608.1℃。
3、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:12％、In:8％，熔化范围为：583.2℃～599.1℃。
4、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:10％、In:10％，熔化范围为：581.5℃～606.6℃。
5、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:9％、In:11％，熔化范围为：600.2℃～604.5℃。
6、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:8％、In:12％.，熔化范围为：582.8℃～603.4℃。
7、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:7％、In:13％，熔化范围为：584.4℃～596.3℃。
8、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:6％、In:14％，熔化范围为：568.6℃～598.7℃。
9、Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:5％、In:15％，熔化范围为：567.9℃～587.7℃。
本发明中低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，不同实施例及每一个实施例中的成分及质量百分比如表1所示。
表1低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料实施例质量百分比组成表
下面结合实验，进一步说明各组焊料之间的性能差异。
实施例1
本实施例所述低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，化学成分按照质量百分比为：Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:14％、In:6％。
本实施例所述中温无镉焊料合金扫描电子显微镜(SEM)图片见图2，如图所示存在两种不同衬度的相，其中浅灰色为α-Ag相，黑色为富Cu,Sn相。
本实施例所述中温无镉焊料合金差示扫描量热曲线(DSC)见图3，如图所示存在两个相变点，其中处于高温部分为初生相α-Ag的相变点，低温部分为共晶组织相变点。
实施例4
本实施例所述低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，化学成分按照质量百分比为：Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:9％、In:11％。
本实施例所述中温无镉焊料合金扫描电子显微镜(SEM)图片见图4，如图所示存在两种不同衬度的相，其中浅灰色为α-Ag相，黑色为富Cu,Sn相。
本实施例所述中温无镉焊料合金差示扫描量热曲线(DSC)见图5，如图所示存在两个相变点，其中处于高温部分为初生相α-Ag的相变点，低温部分为共晶组织相变点。
实施例7
本实施例所述低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，化学成分按照质量百分比为：Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:6％、In:14％。
本实施例所述中温无镉焊料合金扫描电子显微镜(SEM)图片见图6，如图所示存在两种不同衬度的相，其中浅灰色为α-Ag相，黑色为富Cu,Sn相。
本实施例所述中温无镉焊料合金差示扫描量热曲线(DSC)见图7，如图所示存在两个相变点，其中处于高温部分为初生相α-Ag的相变点，低温部分为共晶组织相变点。
通过比较实施例1，实施例4，实施例7的扫描电子显微镜(SEM)图片，可以看出随着实施例中In元素含量的增加和Sn元素含量的减少，共晶的α-Ag组织得到显著细化，且分布更加均匀，但是当In元素含量超过11wt.％时，共晶的α-Ag组织反而变得粗大。
通过比较实施例1，实施例4，实施例7的差示扫描量热曲线(DSC)，可以看出随着实施例中In元素含量的增加和Sn元素含量的减少，液相线温度和固相线温度先增加后减低，其中实施例4的液相线温度和固相线温度分别为 604.5℃，600.2℃，熔程为4.3℃，熔化范围小。
综上所述，采用实施例4组分质量百分比为：Ag:57.6％、Cu:22.4％、Sn:9％、 In:11％时，Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的相成分简单，具有细小均匀的晶粒，而且熔化范围小，作为中温焊料来说润湿性好、流动性好、机械强度高、焊接性能优异，能够替代含镉的BAg40CuZnCdNi和BAg40CuZnCd中温焊料。
以上所揭露的仅为本发明一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料及制备方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料；
将所述混合原料放入真空电弧熔炼炉中使用电弧喷枪进行熔炼，得到半成品；
对所述半成品进行四轮熔炼后冷却，得到合金铸锭。
2.如权利要求1所述的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法，其特征在于，
所述对Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料的具体方式为:
按照预设配比称取Ag、Cu、Sn和In；
对称取的Ag、Cu、Sn和In进行混合，得到混合原料。
3.如权利要求2所述的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法，其特征在于，
所述Ag的比例为57.6％，所述Cu的比例为22.4％，所述Sn的比例为5％～14％，所述In的比例为6％～15％。
4.如权利要求3所述的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法，其特征在于，
所述电弧喷枪在进行熔炼时的温度为800摄氏度-1000摄氏度。
5.一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料，采用权利要求1-4中所述的一种低成本高性能Ag-Cu-Sn-In中温无镉焊料的制备方法制备，其特征在于，
包括Ag、Cu、Sn和In。
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