CN1175956C - 锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金 - 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,特别涉及到适用于钎焊电子元件而不造成热损伤的无铅钎料合金。其特征在于合金由以下成分组成:5-10重量%的Zn;0.05-0.2重量%的稀土元素,包括La,Ce,Pr,Nd中的一种或几种元素;含有0.1-6重量%的Bi,0.1-3重量%的Cu、0.1-3重量%的In、0.1-1重量%的Al、0.01-1重量%的Ni、0.001-1重量%的P中的一种或几种;其余为Sn。本发明效果和益处是合金其润湿性较好,组织细密,力学性能优良,无毒、无污染,价格便宜,综合性能优良,可满足电子工业,尤其是家用电器等无铅钎料应用领域的要求。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,涉及到电子封装钎焊材料技术领域,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
由于传统的锡铅钎料含有对人体和环境具有极大危害的铅元素,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。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2008年1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。因而,为了消除铅的污染,迫切需要无铅的钎料来取代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和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。但是这些合金的熔点在216℃-227℃之间,与Sn-37Pb钎料的183℃相比较高。较高的熔点必将提高钎焊温度升高,而较高的钎焊温度会使电子元件及线路板受到损伤。更重要的是这些合金十分昂贵,是锡铅合金造价的3倍左右。
Sn-9Zn合金具有199℃的共晶温度,非常接近Sn-37Pb钎料熔点。而且Sn-9Zn合金具有良好的经济性和力学性能。但是Zn元素具有活拨的化学性质和冶金性,使该合金的润湿性和抗腐蚀性很差,极大影响了应用。近年来,为了改善Sn-9Zn合金的性能,研究者将In、Bi、Al等元素作为合金化元素添加到合金中,但是作用不够显著。而且,Sn-9Zn合金组织中含有粗大的β-Sn晶粒,由于润湿性差钎焊接头结合强度也较低。
发明内容
本发明的目的是,提供一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料,以解决目前制约锡锌合金存在的问题,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。
本发明的更为具体的目的是提供具有以下性质的无铅钎料合金:
1)250℃以下钎焊温度使用,在钎焊过程中避免电子元件的热损伤;
2)具有良好的可焊性;
3)形成的钎焊接头具有足够高的结合强度,钎焊接头组织稳定性优良;
4)容易加工形成线材,使其可以用钎焊烙铁进存钎焊。
本发明的技术方案是,在Sn-Zn合金中添加了微量稀土元素RE(由La,Ce,Pr,Nd中的一种或几种元素组成),同时任选含有0.1-6重量%的Bi、0.1-3重量%的Cu、0.1-3重量%的In、0.1-1重量%的Al、0.01-1重量%的Ni、0.001-1重量%的P中的一种或几种。
钎料合金成分根据以下理由是: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。虽然以往的研究表明0.3%稀土元素添加对润湿性能不利,但在我们的研究表明当稀土元素在0.05-0.2%范围内时,能够显著改善合金的润湿性。所选的In、Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点,Cu、Al、Ni、P作为合金化元素来提高合金的抗氧化、抗腐蚀性能。
本发明的效果和益处是,由于RE、Bi及其他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,能够满足电子工业,尤其是家用电器的无铅化需求。
附图说明
图1是Sn-9Zn合金显微组织。
图中粗大的β-Sn白色晶粒可达到100μm。
图2是Sn-9Zn-0.05%RE合金显微组织。
图中β-Sn晶粒只有几微米大小。
图3是反应了微量稀土元素显著改善了Sn-Zn合金的润湿性。
图中横坐标表示温度,纵坐标表示润湿力。数据是利用MemiscoST50采用润湿平衡法测得的。使用的钎剂是RA松香活性钎剂,测得的润湿力是实验中10秒中所对应的实验值。三条折线由上往下代表的是Sn-9Zn-0.05RE,Sn-9Zn-0.1RE,Sn-9Zn合金的润湿力随温度的变化。在245℃,260℃,290℃三个不同的温度下,含微量稀土元素Sn-9Zn合金润湿性能较好。
具体实施方式
本发明的锡锌基含稀土元素的无铅钎料的化学成分(%)如下:(5-10)Zn;(0.05-0.2)RE;(0.1-6)Bi,(0-3)Cu,(0-3)In,(0-1)Al,(0-1)Ni,(0-1)P;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,500℃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。
以下详细叙述本发明的最佳实施方案:
选取下列化学成分(%):(7-9)Zn;(0.05-0.15)RE;(0.5-3)Bi;(0.2-0.5)Al,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,500℃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 (5)
1.一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金,其特征在于成分由以下组成:
5-10重量%的Zn,0.05-0.2重量%的稀土元素,稀土元素至少包括La,Ce,Pr,Nd中的一种或几种,0.1-6重量%的Bi,0-3重量%的Cu,0-3重量%的In,0-1重量%的Al,0-1重量%的Ni,0-1重量%的P,其余为Sn,所说的钎料合金具有大于40MPa的拉伸强度和大于20%的延伸率。
2.根据权利要求1所述的一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金,其特征在于成分含有0.2-6重量%的Bi,0.2-3重量%的In。
3.根据权利要求1所述的一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金,其特征是含有0.1-3重量%的Cu、0.1-1重量%的Al、0.01-1重量%的Ni、0.001-1重量%的P中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金,其含有0.1-3重量%的Cu、0.1-1重量%的Al、0.01-1重量%的Ni、0.001-1重量%的P中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金,熔化温度范围在185℃-196℃之间。
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