CN1390672A

CN1390672A - 锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金

Info

Publication number: CN1390672A
Application number: CN 02109623
Authority: CN
Inventors: 赵杰; 黄明亮; 于大全; 王来
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: CN1175956C

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，特别涉及到一种低成本的无铅钎料合金。其特征在于合金由以下成分组成：5－10重量％的Zn；0.05－1重量％的稀土元素，稀土元素包括La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种元素；任选含有0.1－6重量％的Bi，0.1－3重量％的Cu、0.5－3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

锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金

技术领域

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，特别涉及到一种适用于电子工业尤其是家用电器用的低成本无铅钎料合金。

背景技术

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。在当前所知的二元及多元合金体系中，对Sn-Ag，Sn-Bi-Ag，Sn-Ag-Cu钎料及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钎料的熔点183℃相比较高。此外，这些合金成本较高，是锡铅合金造价的3倍左右。对于一些钎料应用场合，例如家用电器或要求条件不是特别高的应用领域，需要开发低成本的钎料来满足要求。

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。但是由于Zn元素比较活泼，使该合金的润湿性和抗腐蚀性较差，影响了应用。

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，尤其是家用电器当中。

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，可以用钎焊烙铁进行钎焊。

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。

现在详细描述本发明，在以下的描述中，所有关于合金成分的百分数都是重量百分数。

根据本发明的无铅钎料合金可以用作传统的Sn-Pb合金的替代材料。这些合金的熔点与Sn-Pb合金共晶183℃温度相近，在185～200℃之间；这些合金组织明显细化，力学性能优越；合金的润湿性能比Sn-Zn合金相比有了很大提高；抗氧化，抗腐蚀性也明显改善。

合金成分根据以下理由是：

RE：0.05％～1.0％

稀土元素由La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种元素组成，微量稀土元素可以抑制粗大的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。选用RA松香活性钎剂，在245℃空气中，添加0.05％的混合稀土元素可以使润湿力提高5～6倍。RE含量优选的是0.05％～0.5％，更优选的是0.05％～0.25％。

Bi：0.1％～6％，In：0.5％～3％

任选的In、Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点。少量的Bi元素加入即可有效降低合金的融化温度，并能起到固溶强化的作用。但是过多的Bi元素会使合金的熔点范围加宽，延展性急剧下降。因此Bi元素优选的是0.1％～6％，更优选的是1％～3％。

铟(In)可起到降低熔点，提高润湿性的作用，但In是贵金属，添加时含量优选的是1％～3％，更优选的是2％～3％

Cu：0.1％～3％，Ni：0.01％～1％

Cu、Ni的加入可以细化合金凝固组织中晶粒，有效提高合金的力学性能。Cu含量优选的是0.1％～3％，更优选的是0.7％～1.5％；Ni含量优选的是0.01％～1％，更优选的是0.05％～0.2％。小于或超出这个范围效果都不明显。

Al：0.1％～1％，P：0.001％～1％

Al、P作为合金化元素来提高合金的抗氧化、抗腐蚀性能。向含Zn的钎料合金中添加Al、P的作用是有效地阻止钎料合金的氧化，提高抗腐蚀作用。尤其是在有稀土元素同时作用下，可促进Al在钎料表面形成氧化膜，阻碍钎料合金直接与空气接触。但Al、P含量过多，会降低合金的可焊性。因此Al含量优选的是0.1％～1％，更优选的是0.1％～0.5％。P含量优选的是0.001％～0.5％，更优选的是0.001％～0.1％。

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。

图中粗大的β-Sn白色晶粒可达到100μm。

图2是Sn-9Zn-0.05RE合金显微组织图。

图中β-Sn晶粒只有几微米大小。

图3是微量稀土元素显著改善Sn-Zn合金润湿性示意图。

图中横坐标表示温度，纵坐标表示润湿力。数据是利用润湿性测试仪ST50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；(0.05～1)RE；(0～6)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，真空度为10^-3Pa，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，真空度为10^-3Pa。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

1、一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金，其特征是钎料合金由以下成分组成：

5～10重量％的Zn；0.05～1重量％的稀土元素(至少包括La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种元素)；0～6重量％的Bi；0～3重量％的C；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。

2、根据权利要求1所述的的无铅钎料合金，其特征是含有0.2～6重量％的Bi，0.2～3重量％的In中的一种或两种。

3、根据权利要求1所述的无铅钎料合金，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1所述的无铅钎料合金，其特征是含有0.2～6重量％的Bi，同时含有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。