CN1016358B - 低蒸汽压、低熔点银基钎料合金 - Google Patents
低蒸汽压、低熔点银基钎料合金Info
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Abstract
一种低蒸汽压、低熔点银基钎料合金,其成分为(重量%):Ag57.0~58.1,Cu21.0~22.9,In7.0~18.9,Sn3.0~12.0,Ni0.1~1.5。本发明的合金具有熔点低(586~636℃)、低蒸汽压(≤1.333×10Pa),加工性能良好(可加工成0.1mm片材)、焊接强度高、漫流性好、对Ni基和铜基母材润湿性好等优点。合金适合在真空或保护性气氛条件下钎焊电真空器件,可作为电真空器件多级钎焊末级焊料使用及漏气件补漏焊料等。
Description
本发明涉及银基钎料合金,特别是涉及电真空器件及某些半导体器件组装用的钎料合金。
作为钎接几种零件用的钎料,一般要求其具有良好的加工性能,对被钎接件良好的润湿性和漫流性,以及焊接接头的高强度,近年来,为了钎接时节省能源或减轻被钎件所受的热应力,降低对炉子和被钎件的污染,还要求钎料具有低的熔点及低蒸汽压。此外,在电真空器件及某些半导体器件的组装过程中,尤其是在钎接结构复杂的部件时,往往采用二级、三级或更多级钎焊操作。即选用熔点不同的钎料,由高温到低温逐级将复杂结构多种零件焊接成一整体。在进行下一级钎焊时,其钎焊操作温度不应影响上一级钎接头性能及接头质量。因此,各级钎焊所用钎料的熔点就必须有一定的间隔。
不管焊接时使用的气氛如何,过去作为稳定的、适用的钎料,主要是Ag-Cu共晶合金,即在Ag中加入Cu28重量%。形成所谓Ag72-Cu28二元共晶合金。但是,这种合金的熔点高达779℃,故其钎焊作业温度必须在800℃以上,往往发生被钎接件承受不住热应力的情况,所以,应使焊接作业温度控制在750℃以下,相应地钎料的熔点应再降低几十度,最好在700℃以下,特别是近二十年来,在电真空器件钎焊要求方面,更希望有熔化温度位于450~600℃左右区间的钎料,但迄今为止,能用常规加工方法成材的、熔点位于450~600℃的真空钎料还是空白。
为了降低钎料的熔点,日本工业标准JISBAg-2提出了一种钎料合金,其成份为(重量%)Ag35,Cu26,Zn21,Cd18,此种合金的液相温度约700℃。这种钎料虽然有效地降低了熔化温度,但由于含有Zn、Cd等高蒸汽压元素,故污染焊接炉的内壁及被钎接件,对人体也有害。
为除去对人体有害的Cd,一些日本专利申请公开了一些新的合金组成,使用了In、Sn、Ni等。如特开昭50~74551(含Ag45~60%,Cu15~25%,Zn19~29%,Sn0.5~4%,In0.5~5%),特开昭51-62164(含Ag25~37%,Cu35~72%P1~7%,及In1~7%、Zn1~27%中之一种或二种)、特开昭51~117148(含Ag18~48%,Cu15~40%,Zn20~35%,Sn0.5~7%,另含下列元素中之至少二种In0.5~7%,Mn0.15~2%,Li0.15~5%)等。这些材料虽含有In、Sn等降低蒸汽压的元素,但同时又含有Zn这一高蒸汽压元素,在这一点上,这与JISBAg-2具有相同的缺点。此外,特开昭56-4394和特开昭56-4395提出了另二种无Zn、Cd的合金。前者的成份为(重量%):Ag63~69和Sn0.05~4.5、In0.05~4.5中之一种,余量为Cu;后者成份为(重量%):Ag73~90和Ni0.05~2.5、Sn0.05~4.5、In0.05~4.5三种组元中选择的一种,余量为Cu。此二专利申请的合金实为Ag-Cu-Sn或Ag-Cu-In或Ag-Cu-Ni三元合金,二者的主要目的均在于改善钎焊后的表面光洁度,而不在于降低焊料的熔点,故其熔点仍较高,不属于低熔点钎料。
降低钎料熔点的其他技术还有:以Ag、Cu为基体,同时添加In和Sn,形成Ag-Cu-In-Sn四元合金。如特开昭51~132147(含Ag70~47,Cu25~40,Sn2~6,In3~7重量%),是加工性能良好的银钎料合金,但由于合金中Sn、In含量最高分别为6%和7%,故其熔点仍偏高,焊接温度在750℃以上,由于热应力的作用,要得到良好的焊接结果是困难的。另外,如该专利申请所指出的,如果Sn大于6%、In大于7%,那么将产生加工性能下降的缺点。又如特公昭44-11009,在Ag-Cu共晶合金中加入Sn+In=30~60%,其中Sn=15~30%,In=15~30%,且Sn∶In=1∶1,以改善对Ag-CdO***接点合金的润湿性。但其缺点是,由于使用了大量的Sn和In,要将合金加工成适用的线材或片材极其困难。特公昭63-49598公开了另一种成份的合金,其成份为(重量%)∶Ag53.9~66.1,Cu21.1~
25.9,In7~20,Sn1~5。这种合金在改善加工性能和降低熔点方面均较上述材料有所进步,但其可加工的合金材料的液相线温度均在650℃以上,其钎焊温度均在730~750℃内,对电真空器件的钎焊仍然偏高。
此外,上述改进技术都侧重于降低钎料的熔点,而对同时提高钎接头的强度则考虑甚少。
本发明的目的在于克服现有技术之不足,提供一种熔点更低的、加工性能良好的、钎接接头强度更高的低蒸汽压、低熔点银基钎料合金。该合金可用于Ag72~Cu28钎料(熔点779℃)的下一级钎焊。
本发明的另一目的是改善钎料对Ni基或Cu基母材的润湿性及漫流性。
本发明的技术方案是,在现有技术基础上,
改变合金的组成元素及其含量。本发明的具体方案是,以Ag-Cu合金共晶成分为基础,加入适量的In、Sn、Ni,形成五元合金,以降低钎料的熔点,提高钎料的焊接强度,改善对Ni基和Cu基母材的润湿性及漫流性,并保持钎料良好的可加工性。
本发明在Ag、Cu、In、Sn四元系研究中,发现了一个固一液相线间隔非常狭窄的成分区域、该区域的合金特别适合作为焊料合金。这个区域是:Ag+Cu=80重量%和In+Sn=20重量%,其中Ag∶Cu=72∶28。该成份区域如图1所示。在上述区域内,可以加工成焊料并具有工业应用价值的In和Sn的成份范围是In+Sn≤20%,其中In=8~20%,Sn=0~12%,超出此范围,合金加工困难,成品率太低,无工业应用价值。研究还发现,在符合上述特定成分范围内的合金中,添加Ni0.1~1.5%,使合金中In+Sn+Ni=20%,Ag+Cu=80%,虽使合金固一液相线略有升高,但却显著改善了合金的加工性能,并使钎焊接头强度和钎料对Ni等母材的润湿性和漫流性提高。基于以上情况。本发明的合金的具体成分为(重量%):Ag57.0~58.1,Cu21.0~22.9,In7.0~18.5,Sn3.0~12.0,Ni0.1~1.5,优先推荐的合金成分为(重量%):Ag57.6,Cu22.4,In7.7~14.9,Sn4.9~12.0,Ni0.1~0.5,最好在上述合金成分内保持Ag+Cu=80重量%,In+Sn+Ni=20重量%。
在本发明中,Ag、Cu的含量范围使其基本处于Ag-Cu二元合金的共晶成分(即Ag∶Cu=72∶28=2.57∶1)附近,从而使整个合金的熔点有效地处于可能的最低点附近,在此二元合金基础上加入低蒸汽压元素In、Sn,可以进一步降低其熔点,限定In的含量不低于7.0%,Sn不低于3%的原因在于,若低于此下限,则不能有效地进一步降低合金的熔点,限定In、Sn的上限分别为18.5%和12%的原因在于,In主要溶于Ag中,其最大固溶度在673℃时为20%若超过此限。会形成过多的脆性中间相,导致加工困难;Sn在Ag中的最大固溶度在724℃时为12.5%,超过此限,合金脆性增大,加工困难,在合金加入0.1~1.5%的低蒸汽压元素Ni虽使合金的熔点略有升高(由于加入量不大,升高不明显),但却可显著地改善合金的加工性能及提高钎接头的强度。
同现有技术相比,本发明有如下优点:
1.合金的熔点更低,在加工性良好的合金成分范围内,合金的固相线温度范围为556~582℃,液相线温度为586~636℃之间,固-液相线温度间隔△T=30~50℃,均低于前述对比文献。
2.加工性能良好。本发明的合金可以冷加工成厚度达0.1mm的片材,便于各种应用。
3.由于合金中加入了少量的镍,其力学性能,特别是抗拉强度和抗剪强度均显著优于现有技术的AgCuInSn四元合金。表2的结果充分说明了这一优点。
4.由于固-液相线温度间隔小,合金的漫流性好。△S值(合金熔化后的面积与熔化前的面积之差)大。
5.由于加入了Ni,改善了合金对Ni基和Cu基母材的润湿性。
附图1为Ag57.6-Cu22.4-(In+Sn)20%四元合金的成分-温度垂直截面图。图中L为液相线,S为固相线。
实施例
用纯度99.9%以上的Ag、Cu、In、Sn、Ni配制成如表1所示的不同成分的钎料合金,在真空电炉中熔化、铸锭,然后热加工和冷加工成片材,测定其各种性能,其结果如表1~3所示。此外,工业性气密试验表明,本发明的合金的蒸汽压在600℃≤1.333×10-8Pa,各表中S系列试样为不含
Ni的比较例,SN系列样为本发明的实施例。
表1
试样编号 钎料合金成份Wt% 熔化温度℃ 固一液相线间隔△T 钎焊温度℃ 加工性能
Ag Cu In Sn Ni 固相线 液相线
S2 57.6 22.4 18.0 2.0 - 586 617 31 630~650 良好
S3 55.44 21.56 20.0 3.0 - 573 592 19 600~650 较差
S5 57.6 22.4 15.0 5.0 - 571 597 26 600~650 良好
S7 57.6 22.4 13.0 7.0 - 558 590 32 600~650 良好
S10 57.6 22.4 10.0 10.0 - 558 587 29 600~650 良好
S12 57.6 22.4 8.0 12.0 - 553 587 34 600~650 尚可
S15 57.6 22.4 5.0 15.0 - 549 558 9 580~650 困难
SN5-0.15 57.6 22.4 14.9 4.95 0.15 567 617 50 630~650 良好
SN7-0.15 57.6 22.4 12.9 6.95 0.15 561 606 45 630~650 良好
SN10-0.15 57.6 22.4 9.9 9.95 0.15 560 590 30 600~650 良好
SN11-1.0 57.6 22.4 8.0 11.0 1.0 582 636 54 640~650 良好
SN12-0.1 57.6 22.4 7.95 11.95 0.1 556 586 30 600~650 良好
SN12-0.3 57.6 22.4 7.85 11.85 0.3 557 590 33 600~650 良好
SN12-0.5 57.6 22.4 7.75 11.75 0.5 571 602 31 620~650 良好
[注]加工性良好,表示成品率>60%;尚可表示成品率>50%;
较差表示成品率<40%;困难表示合金呈脆性,用常规方法难于加工成型材。
表2 SN系和S系钎料接头强度比较
试样编号 母材类型 接头抗拉强度 MPa 钎焊条件(H2保护气氛
S5 Cu/Cu 141.7 610℃保温3分钟
SN5-0.15 ″ 145.2 ″
S7 Cu/Cu 163.5 ″
Ni/Ni 125.0 ″
SN7-0.15 Cu/Cu 175.5 ″
Ni/Ni 129.5 ″
S10 Cu/Cu 123.6 600℃保温3分钟
Ni/Ni 83.9 630℃″
SN10-0.15 Cu/Cu 134.3 610℃″
Ni/Ni 124.5 ″
S12 Cu/Cu 142.4 ″
SN12-0.15 ″ 169.9 ″
SN12-0.3 ″ 173.4 ″
SN12-0.5 ″ 173.0 ″
SN12-1.0 ″ 202.4 ″
[注]接头强度值为二个试样平均值。
表3 SN和S系列钎料在Cu和Ni母材上漫流性比较
试样编号 母材类型 钎焊条件(H2气氛) 熔化前面积mm2熔化后面积mm2面积增值△Smm2
S10 Cu 640℃/3分 25 164 139
SN10-0.15 ″ ″ ″ 211 186
S10 Ni ″ ″ 141 116
SN10-0.15 ″ ″ ″ 221 196
S10 Cu 620℃/3分 ″ 173 143
SN10-0.15 ″ ″ ″ 239 214
S10 Ni ″ ″ 84 59
SN10-0.15 ″ ″ ″ 102 77
S5 Cu 640℃/3分 ″ 161 136
SN5-0.15 ″ ″ ″ 253 228
S7 Cu 610℃/3分 ″ 106 81
SN7-0.15 ″ ″ ″ 201 176
S7 Ni ″ ″ 80 55
SN7-0.15 ″ ″ ″ 108 83
S12 Cu 620℃/3分 ″ 218 193
SN12-0.15 ″ ″ ″ 267 242
S12 Ni ″ ″ 107 82
SN12-0.15 ″ ″ ″ 145 120
Claims (2)
1、一种低蒸汽压、低熔点银基钎料合金,其特征是合金成分为(重量%):Ag57.0~58.1,Cu21.0~22.9,In7.0~18.9,Sn3.0~12.0,Ni0.1~1.5。
2、如权利要求1的合金,其特征是合金的成分为(重量%):Ag57.6,Cu22.4,In7.7~14.9,Sn4.9~12.0,Ni0.1~1.5。
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