CN1730696A - 锡锌铜镍无铅钎料合金 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料工程技术领域,涉及到电子封装钎焊材料技术领域,特别涉及到低熔点的无铅钎料合金。其特征是合金由以下成分组成(重量百分比):5~10%Zn;1~8%Cu;0.1~2%Ni;0.5~5%Bi;0.05~0.5%稀土元素,包括La,Ce,Pr或Nd元素;其余为Sn。本发明效果和益处是锡锌铜镍无铅钎料合金金润湿性较好,力学性能优良,无毒,无污染,价格便宜,综合性能优良。该合金可广泛应用于电子工业,尤其是可满足家用电器等领域对无铅钎料合金材料的要求。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域,涉及到电子封装钎焊材料技术,特别涉及到适用于钎焊电子元件而不造成热损伤的无铅钎料合金。
技术背景
传统使用的锡铅(Sn-Pb)钎料对人体和环境具有极大的危害,发展无铅钎料已经成为当前材料科学工作者的一项紧迫任务。世界上很多国家,如美国、日本等国家正积极立法来禁止铅的使用,欧盟根据立法案电气电子产品机械的废弃物的指令,从2006年7月1日起将全面禁止含铅、镉等有毒有害元素在电子工业中的使用。在我国,电子信息产业部与其它部门一起着手制定在2006年7月1日全面禁止有铅钎料的使用的法规。
监狱环保和立法的压力,迫切需要无铅钎料来取代Sn-Pb钎料应用于电子封装焊接技术中。
为了使无铅钎料合金成分满足有关法规要求,并使钎料合金具有优良的力学性能、环境稳定性,并且钎焊接头具有较高的可靠性,钎料合金必须具有合适的熔点,良好的润湿性,组成元素不含有毒、有害性元素,供给量充足能够满足产业化的要求,合金组织稳定性好,无腐蚀性等。在当前研究的二元及多元合金体系中,Sn-Ag,Sn-Bi-Ag,Sn-Ag-Cu钎料极其钎焊接头研究较多,具有较好的应用前景。但是这些合不但价格十分昂贵,是锡铅合金价格的3倍左右,地球储量也很少。
Sn-9Zn合金具有良好的经济性和力学性能,但是Zn元素较活泼,使该合金的润湿性和抗腐蚀性很差,极大影响了该钎料的大面积应用。而且,Sn-9Zn合金组织中含有粗大的β-Sn晶粒,也使得钎焊接头结合强度较低。近年来,为了改善Sn-9Zn合金的性能,研究者将In、Bi、Al以及稀土元素等作为合金化元素添加到合金中,但是作用不够显著。例如,美国发明专利US6488888,US6440288,US5017738以及日本千住公司在中国申请的发明专利(公开号:1198117)等都添加了多种元素到Sn-Zn合金中来改善性能。申请人研究发现,在Sn-9Zn体系内加入1-8%的Cu元素以及0.1~2%的Ni可以明显提高其润湿性及钎料的稳定性。其原因在于只有Cu的添加能和Zn形成较稳定的Cu-Zn化合物,极大降低了Zn元素的活泼性;Ni的添加进一步提高了钎料的可焊性;Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点;稀土元素的添加有助于提高钎料的润湿性和细化组织。该钎料具有良好的力学性能以及可靠性。其抗拉强度大于50Mpa,但塑性下降不大,具有15%以上的延伸率和断面收缩率,完全可满足钎料的力学性能要求。
发明内容
本发明的目的是,提供一种锡锌铜镍无铅钎料合金,以解决目前制约锡锌合金使用存在的问题,使其润湿性、抗腐蚀性及力学性能进一步改善,从而可以广泛应用于电子封装当中。
本发明的技术方案是,在Sn-Zn合金中添加了1~8质量%的Cu,0.1~2质量%的Ni,同时任选含有0.5~5质量%的Bi和微量稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd)。
钎料合金成分根据以下理由是:Cu元素的加入使得合金中富Zn相转变成Cu-Zn化合物,极大降低了Zn元素的活泼性,使得在钎焊过程中Zn的氧化问题得到解决,降低了液相的表面张力,因而显著提高了润湿性。
Ni元素的添加有效地提高钎料的可焊性,并降低界面金属间化合物的厚度。
微量混合稀土元素抑制了粗大的β-Sn晶粒生成,使合金组织明显细化,进而提高了合金的力学性能,同时稀土元素的加入显著改善合金的润湿性。
Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点。
本发明的效果和益处是,由于Cu,Ni,Bi,RE合金化元素的加入使得钎料合金润湿性、力学性能较好,熔点适宜,价格便宜,能够克服Sn-Zn合金的弱点,可广泛应用于电子工业,尤其是家电,汽车等领域。
附图说明
附图是(Sn-9Zn)-3Cu-3Bi-xNi的润湿角随Ni含量变化示意图。
图中:横坐标为几种钎料合金,纵坐标为润湿角。合金使用的钎剂是RMA松香活性钎剂,钎焊温度为265℃。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式和实施例。本发明的锡锌铜镍无铅钎料的化学成分(质量%)如下:
1.(5~10)%Zn;(1~8)%Cu;(0.1~2)%Ni;余量为Sn及不可避免的杂质组成;
2.(5~10)%Zn;(0.05~0.5)%RE;(0.1~2)%Ni;(1~8)%Cu;余量为Sn及不可避免的杂质组成;
3.(5~10)%Zn;(0.5~5)%Bi;(0.1~2)%Ni;(1~8)%Cu;余量为Sn及不可避免的杂质组成;
4.(5~10)%Zn;(0.5~5)%Bi;(0.1~2)%Ni;(0.05~0.5)%RE;(1~8)%Cu;余量为Sn及不可避免的杂质组成。
将上述按成分配好的原料放入工业用真空感应炉中冶炼,在常压下,600℃温度保温4~6小时,浇注即可得到焊料合金。通过喷雾制取钎料粉末,加入钎剂,便得到焊膏。
实施例:
选取下列化学成分(质量%):(7~9)%Zn;(0.05~0.5)%RE;(0.5~5)%Bi;(0.1~2)%Ni;(3~5)%Cu;余量为Sn。将上述按成分配好的原料放入工业用真空感应炉中冶炼,在常压下,600℃温度保温4~6小时,浇注即可得到焊料合金,通过喷雾制取钎料粉末,加入钎剂,便得到焊膏,可用于再流焊。
Claims (3)
1.一种锡锌铜镍无铅钎料合金,其特征是含有5~10%的Zn,1~8%的Cu,0.1~2%的Ni,其余为Sn。
2.根据权利要求1所述的一种锡锌铜镍无铅钎料合金,其特征是含有0.5~5%的Bi。
3.根据权利要求1或2所述的一种锡锌铜镍无铅钎料合金,其特征是含有0.05~0.5%的稀土元素,包括La,Ce,Pr或Nd元素。
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