CN1962157A - 自适应无铅焊料成份及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料成份及制备方法，在纯度为99.99％的质量比为96.5－93∶3.0－4.5∶0.5－2.5锡银锌无铅焊料中，存在具有形状记忆性能的银锌金属间化合物相，在此基础上为提高润湿性可加入0－2.5的镓及0－4的铟。本发明优点是通过锡银锌自适应无铅焊料中析出的银锌热弹性马氏体使焊料具有了形状记忆效应，可以更好的在热冲击环境工作条件下服役，同时与镍钛形状记忆合金颗粒增强型无铅焊料相比，其结合紧密、分布均匀且不存在润湿性问题。
Description
技术领域
本发明涉及具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料成份及制备方法，属于无铅焊料技术。
背景技术
重视环保、提倡绿色产品是当今世界经济发展的大趋势。传统铅锡焊料的使用已有约两千年的历史，并在现代电子装配工业中更是得到广泛应用。但由于铅对人体神经***的损害给人类健康带来不可忽视的危害，铅污染问题日益受到人们的重视，以至于目前在国际上实现电子产品无铅化呼声很高。欧盟领导下的电子电气设备废弃组织(WEEE)要求在2006年停止在电子装配工业中使用含铅材料。美国国家电子制造协会(NEMI)为此专门实施一个名为“NEMI的焊接无铅化计划”来***研究无铅装配在电子工业中的使用问题；日本的主要消费电子制造企业也纷纷承诺尽快全面实现无铅电子装配，这一切使无铅焊料的研究迫在眉睫。为迎接全球同步焊接无铅化的浪潮，避开国际上已发展的无铅焊料专利壁垒，制定适合中国国情的无铅焊料发展战略已成为中国电子装配工业的当务之急。2005年，我国电子信息产业经济运行状况良好，全年实现销售收入38411亿元，同比增长24.8％，进出口4887亿美元，同比增长25.8％。国际上相关法令法规的实施已关系到中国相关铅产品的出口，也直接关系到我国生态环境和人体健康的保护。国内电子产品无铅化势在必行。我国政府高度重视电子产品环境污染问题，为此出台了《电子信息产品污染防治管理办法》，以确保我国电子信息产业持续健康发展。但我国电子产品无铅化技术的研究起步较晚，有自主知识产权的商业化无铅电子产品更是寥寥无几，因此，材料科学工作者面临着使用无铅焊料取代传统铅锡焊料的挑战，新型无铅焊料的研发已成为材料科学的前沿课题之一。
如图1所示将硅片1焊在基板3上，焊料与硅片及基板上的凸点结合形成焊球凸点2，其作为电路板上起连接、导电及导热作用的结构。电子设备工作时，电流经过产生热，导致电路板温度升高4，由于硅片与基板材料热膨胀系数不同，焊点承受着由此产生的大部分剪切应力5；电子设备断电，电路板温度降低，膨胀回复，剪切应力消失。当电子设备反复运行时，处于热循环中的焊点将受到剪切力的交替作用，导致焊点开裂，使的电子***故障，因此，美国海军研究生院研究人员采用搅拌法将通过淬冷诱发马氏体形成后的镍钛形状记忆合金颗粒加入锡银铜共晶无铅焊料制得复合焊料。在达到工作温度时，焊点受到由于连接组件热膨胀系数差异而引发的外剪切应力，但同时焊点内形状记忆材料由马氏体向奥氏体转变所产生的回复力将引起焊点膨胀来抵消焊点所受的外剪切应力，使焊料的弹性得到提高，降低了焊料与基板材料热膨胀系数不同所产生的大部分剪切应力。但由于镍钛形状记忆合金颗粒与焊料及基板间的润湿性很差，成功将镍钛形状记忆合金颗粒均匀复合于基体中十分困难，虽然采取镍钛颗粒表面镀铜或加入氢氟酸基焊剂来改善其润湿性，但一方面收效甚微，另一方面成本增加也是一个难题。
发明内容
本发明目的是提供具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料成份及制备方法，该焊料在工作温度变化时具有形状记忆效应，能提高焊点服役寿命，其制备方法简单。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料，其特征在于，在纯度为99.99％的质量比为96.5-93∶3.0-4.5∶0.5-2.5锡银锌无铅焊料中，存在具有形状记忆性能的银锌金属间化合物相，在此基础上为提高润湿性可加入0-2.5的镓及0-4的铟。
上述的具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料的制备方法，其特征在于包括以下过程：
将纯度为99.99％的锡、银、锌及各个合金元素镓、铟按质量比为96.5-86.5∶3.0-4.5∶0.5-2.5∶0-2.5∶0-4在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到230-280℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在20℃和120℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料，其中部分成份自适应无铅焊料的显微金相照片如图2、3所示，银锌金属间化合物颗粒在基体上均匀分布，且可以看出自身生成的银锌金属间化合物颗粒与焊料基体结合良好。
本发明优点是通过锡银锌自适应无铅焊料中析出的银锌热弹性马氏体使焊料具有了形状记忆效应，可以更好的在热冲击环境工作条件下服役，同时与镍钛形状记忆合金颗粒增强型无铅焊料相比，其结合紧密、分布均匀且不存在润湿性问题。
附图说明
图1：在热循环过程中焊点所受剪切应变图；
图2：95.4％Sn-3.7％Ag-0.9％Zn自适应无铅焊料的显微金相图；
图3：94.9％Sn-3.7％Ag-0.9％Zn-0.5％In自适应无铅焊料的显微金相图；
图4：96.1％Sn-3.4％Ag-0.5％Zn自适应无铅焊料的显微金相图。
1.硅片，2.焊球凸点，3.基板，4.工作状态受热，5.焊点所受剪切力。
具体实施方式
实施例1：
将纯度为99.99％的锡、银、锌按质量比为95.4∶3.7∶0.9在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1200℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到230℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在20℃和100℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。制备后所得到的自适应无铅焊料的显微金相如图2所示。
实施例2：
将纯度为99.99％的锡、银、锌、铟按质量比为94.9∶3.7∶0.9∶0.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1300℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1300℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到250℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在30℃和110℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。制备后所得到的自适应无铅焊料的显微金相如图3所示。
实施例3：
将纯度为99.99％的锡、银、锌按质量比为96.1∶3.4∶0.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1350℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1350℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到255℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在35℃和115℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。制备后所得到的自适应无铅焊料的显微金相如图4所示。
实施例4：
将纯度为99.99％的锡、银、锌、镓按质量比为92.5∶4∶2∶1.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1400℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1400℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到260℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在40℃和120℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。
实施例5：
将纯度为99.99％的锡、银、锌按质量比为96.5∶3.0∶0.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1450℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1450℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到270℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在45℃和125℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。
实施例6：
将纯度为99.99％的锡、银、锌、镓、铟按质量比为86.5∶4.5∶2.5∶2.5∶4在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成份均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的钮扣状的锡银锌无铅焊料；将锡银锌无铅焊料放入真空保护下的坩埚中加热到280℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在50℃和130℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。
本发明公开和提出的自适应无铅焊料成份及制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变参数等环节实现。本发明的自适应无铅焊料成份及制备方法已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的内容进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (2)
1.一种自适应无铅焊料成分，其特征是组份和重量百分比如下：
锡 86.5-96.5，
银 3.0-4.5，
锌 0.5-2.5，
镓 0-2.5，
铟 0-4；
其中：锡银锌镓铟纯度为99.99％。
2.如权利要求1所述的自适应无铅焊料成分制备焊料的方法，其特征是：将按比例配制的组分在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀，然后水冷凝固；再将合金翻转后重新加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷；这样反复操作直到得到直径为3.0-3.5cm的钮扣状的无铅焊料；将焊料放入真空保护下的容器中加热到230-280℃，快速将其通过水淬使焊料中生成银锌热弹性马氏体，使其在20℃-120℃之间具有双程形状记忆效应，得到具有形状记忆性能的锡银锌自适应无铅焊料。
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