專利名稱：超細(xì)微粒無鉛釬料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金釬料及其制作方法，特別涉及一種超細(xì)微粒無鉛粉體釬料和它的制作方法。
背景技術(shù)：
在微連接技術(shù)中，所用軟釬焊材料多為傳統(tǒng)的軟釬料Sn-Pb合金和有機(jī)軟釬劑，焊后一般須清洗。由于世界各國近年來對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，焊接“無鉛化”、有關(guān)無鉛釬料的研究工作進(jìn)展很快。發(fā)達(dá)國家除了政府立法“禁鉛”外，世界上許多著名公司、國家實(shí)驗(yàn)室和研究院所都投入了相當(dāng)?shù)牧α块_展無鉛釬料的研究。在開發(fā)無鉛釬料成分的進(jìn)程中，開發(fā)無Pb釬料的技術(shù)關(guān)鍵在于找到一種或幾種合金元素，使其與Sn形成的合金具有近似的熔點(diǎn)，從而不必改變現(xiàn)有工藝條件而實(shí)現(xiàn)即時(shí)替代，同時(shí)其潤濕性能應(yīng)與Sn-Pb合金相當(dāng)。經(jīng)過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析以及長時(shí)間驗(yàn)證，Sn-Ag-Cu系釬料合金被公認(rèn)為是最有希望成為替代Sn-Pb釬料的主導(dǎo)合金系。但是Sn-Ag-Cu系釬料合金的熔點(diǎn)較Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)高出約38℃，潤濕性、鋪展性能較Sn-Pb釬料差距較大，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。同時(shí)，采用Sn-Ag-Cu系釬料合金后，對(duì)現(xiàn)有的工藝設(shè)備提出了更高的要求，如現(xiàn)有再流焊設(shè)備需要增加更多的溫區(qū)。特別是現(xiàn)有的電子產(chǎn)品中的絕大部分元器件和印制板的耐溫不夠，目前，大多數(shù)元器件的耐溫為235℃～240℃，印制板的耐溫在230℃～240℃，采用現(xiàn)在較成熟的Sn-Ag-Cu系釬料合金后，焊接溫度必須大于是242℃，已經(jīng)到了元器件和印制板的耐溫極限，所以開發(fā)一種與傳統(tǒng)含鉛釬料熔點(diǎn)接近或更低的釬料是十分緊迫和必要的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，在制作釬料過程中采用納米技術(shù)方法，制備出一種使釬焊性能得到顯著提高、熔點(diǎn)接近或低于傳統(tǒng)含鉛釬料，綜合性能達(dá)到傳統(tǒng)的Sn60Pb40含鉛釬料合金性能水平的無鉛釬料。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種超細(xì)微粒無鉛釬料，其合金成分中包括錫、銀、銅，其特征在于，所述合金中還含有稀土金屬，該合金為超細(xì)微粒的粉體。
所述的“超細(xì)微?！笔侵钙骄睆皆?0μm～50nm范圍內(nèi)的粒子。
本發(fā)明上述關(guān)于釬料的技術(shù)方案可以有以下優(yōu)化方案1、所述超細(xì)微粒的直徑在1μm～20μm之間。
Sn-Ag-Cu-Re合金的超細(xì)微粒的直徑設(shè)置在1μm～20μm之間，即合金粉體為微米級(jí)Sn-Ag-Cu-Re合金粉體，其固相線溫度為190.643℃～193.645℃，液相線溫度為216.963℃～218.368℃，已經(jīng)接近傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)183℃。
2、進(jìn)一步優(yōu)化，所述Sn-Ag-Cu-Re合金的超細(xì)微粒的直徑設(shè)置在0.1μm～0.5μm(100nm～500nm)之間。
合金粉體超細(xì)微粒的直徑在0.1μm～0.5μm之間，即為納米級(jí)Sn-Ag-Cu-Re合金粉體，其固相線溫度為170.435℃～173.465℃，已經(jīng)低于傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)183℃，液相線溫度為188.753℃～190.638℃，已經(jīng)與傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的液相線溫度相當(dāng)。
3、所述的“合金中還含有稀土金屬”是指含有微量的鑭或鈰或鑭和鈰。即，所述的稀土金屬，可以是單獨(dú)采用鑭；或單獨(dú)采用鈰；或同時(shí)采用鑭和鈰。
4、所述的微量鑭或鈰是指Sn-Ag-Cu-Re合金粉體中，鑭或鈰所占比例為0.001～0.1％(質(zhì)量比)，加入量以0.05％(wt.％)為佳。
5、使合金粉體的顆粒形狀成為圓形球狀，其性能可進(jìn)一步提高。
Sn-Ag-Cu合金中沒有稀土元素時(shí)，無法將Sn-Ag-Cu合金制備成球形粉體。加入稀土元素后，由于稀土元素偏析在晶界，起著表面活性劑的作用，使得Sn-Ag-Cu合金易于制成球狀粉體。
納米金屬及其合金在現(xiàn)代工業(yè)特別是在高新技術(shù)發(fā)展中充當(dāng)著重要的角色。作為納米科學(xué)的一個(gè)分支，納米材料的研究工作在金屬領(lǐng)域開展得較多，當(dāng)金屬或合金制備成納米微粒后，會(huì)呈現(xiàn)出一系列獨(dú)特的性質(zhì)，熔點(diǎn)降低，即是納米金屬及其合金超細(xì)微粒的重要特性之一。對(duì)納米合金粉體材料制備的研究還鮮見報(bào)道，特別是對(duì)于Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金粉體的制備的研究，國內(nèi)外均未見報(bào)到。
本發(fā)明推薦采用以下合金合金中錫、銀、銅所占的比例，在申請(qǐng)?zhí)枮?2129643.X的專利文獻(xiàn)中已經(jīng)詳細(xì)公開，其中錫占94.7～98％，銀占1～3.5％，銅占0.5～1.7％。在錫、銀、銅內(nèi)加入微量的稀土金屬，例如鑭、鈰、鑭和鈰等，按質(zhì)量計(jì)，稀土金屬占0.001～0.1％。
但以上所述的超微顆粒無鉛釬料，以及以下所述的制作方法，均不受此推薦組合物組分或比例的限制。
對(duì)于本發(fā)明的上述釬料，特提供以下制備方法。
無鉛釬料制作方法，包括以下步驟1、采用傳統(tǒng)的冶煉方法，將上述錫、銀、銅和微量的稀土金屬冶煉成合金，澆鑄成條狀；2、利用加熱源將合金加熱熔融；3、將合金加工呈霧狀散發(fā)狀態(tài)；4、霧狀合金進(jìn)入冷介質(zhì)中冷凝，制備出超細(xì)微粒Sn-Ag-Cu-Re合金粉體。
上述步驟2中的合金中各金屬占質(zhì)量比為錫占94.7～98％，銀占1～3.5％，銅占0.5～1.7％。在錫、銀、銅內(nèi)加入微量的稀土金屬，可以是鑭、鈰、鑭和鈰等，按質(zhì)量計(jì)，占0.001～0.1％。
上述步驟3中采用的方式可以是，進(jìn)一步用熱源加熱將熔融的合金蒸發(fā)，其中加熱源包括微弧等離子體、真空加熱、激光加熱、高頻感應(yīng)加熱和電子束照射等等；也可以是利用高壓氣體霧化器將的氦氣和氬氣以超音速射入熔融合金的液流內(nèi)，熔體被破碎成極細(xì)顆粒的射流。
上述步驟4中冷介質(zhì)包括氣體或液體介質(zhì)，氣體可以是高純度惰性氣體Ar、He等。
在采用微弧等離子體加熱制備裝置時(shí)，能通過控制等離子微弧的斑點(diǎn)直徑和功率來控制合金粉體為圓形球狀顆粒。
上述方案中涉及的“約束弧等離子體制備金屬納米粉體裝置”是蘭州大學(xué)等離子體與金屬材料研究所所長閆鵬勛教授利用“等離子體高溫?zé)嵩醇ぐl(fā)高能粒子的化學(xué)反應(yīng)，與驟冷的應(yīng)用組合成一個(gè)制備金屬納米粉體材料的等離子體過程”的原理，研制出的適用于工業(yè)化生產(chǎn)的“萬能”納米技術(shù)生產(chǎn)裝置?！凹s束弧等離子體制備金屬納米粉體裝置”就是把高頻和直流放電有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)等離子體大功率穩(wěn)定放電，對(duì)混合氣體產(chǎn)生的高溫?zé)岬入x子體進(jìn)行空間約束，形成高溫、高電離度和高能量密度的熱等離子體，與低溫收集裝置實(shí)現(xiàn)超高溫和低溫的有機(jī)結(jié)合。目前“萬能”納米技術(shù)已經(jīng)在甘肅金昌市實(shí)現(xiàn)了初步產(chǎn)業(yè)化。
無鉛釬料也可以通過機(jī)械合金法即利用高能球磨方法控制適當(dāng)?shù)那蚰l件獲得微粒的方法獲得。
本發(fā)明有益效果在于現(xiàn)有的Sn-Ag-Cu合金在銅的表面能夠較好地潤濕，但潤濕性能、鋪展性能仍然不佳，且熔點(diǎn)為221℃，較傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)183℃高出38℃，現(xiàn)有工藝、設(shè)備均不能完全滿足電子行業(yè)以及其它相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。本發(fā)明就是在錫-銀-銅合金中，加入微量稀土金屬后，采用約束弧等離子體加熱的方法，制備出的Sn-Ag-Cu-Re合金超細(xì)微粒粉體，完全克服了上述缺點(diǎn)。
Sn-Ag-Cu合金中沒有稀土元素時(shí)，無法將Sn-Ag-Cu合金制備成球形粉體。加入稀土元素后，由于稀土元素偏析在晶界，起著表面活性劑的作用，使得Sn-Ag-Cu合金易于制成球狀粉體。在本發(fā)明中，稀土元素的加入量以0.05％(wt.％)為佳。Sn-Ag-Cu-Re合金制備成微米及納米級(jí)粉體后，由于“表面效應(yīng)”的作用，在熔點(diǎn)降低至接近或低于/等于傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)183℃的同時(shí)，一方面降低了釬料合金在銅表面的潤濕角θ(改善了潤濕性能)，另一方面又使釬料合金的力學(xué)性能有所提高。而按照GB/T11363-1989《釬料鋪展性及填縫性試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定所測(cè)定的有關(guān)數(shù)據(jù)，新發(fā)明的錫-銀-鉛-銅-鈰(鑭)釬料合金的鋪展性能，潤濕角接近了傳統(tǒng)的錫-鉛合金，力學(xué)性能超過了傳統(tǒng)的錫-鉛合金。本合金在銅表面具有優(yōu)良的鋪展性能、潤濕性能和力學(xué)性能。
這一發(fā)明，對(duì)無鉛釬料的研究與應(yīng)用，具有重要的意義。
本發(fā)明可用于電子元器件(印刷電路板、電子元件引線等)的釬焊或其它行業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品的連接應(yīng)用，特別適用于制造SMT所用的釬焊膏。本發(fā)明的無鉛釬焊材料，其熔點(diǎn)、拉伸性能、蠕變性能及疲勞性能均與Sn-Pb合金相當(dāng)，且符合電子裝置基本的浸潤要求。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種超細(xì)微粒無鉛釬料，其合金成分中包括錫、銀、銅，所述合金中還含有微量的鈰，按質(zhì)量計(jì)，錫占94.7％，銀占3.5％，銅占1.7％，鈰占0.1％。
采用傳統(tǒng)的冶煉方法，將上述金屬材料冶煉成合金，澆鑄成條狀；采用微弧等離子體將合金加熱；將熔融的合金蒸發(fā)；合金蒸汽進(jìn)入超冷介質(zhì)中冷凝，通過控制等離子微弧的斑點(diǎn)直徑和功率來控制合金粉體為圓形球狀顆粒，制備出超細(xì)微粒的Sn-Ag-Cu-Re合金粉體。合金顆粒直徑在1μm～20μm之間，即釬料為微米級(jí)Sn-Ag-Cu-Re合金粉體，合金粉體為圓形球狀顆粒。
本實(shí)施例中釬料的固相線溫度為190.643℃～193.645℃，液相線溫度為216.963℃～218.368℃，已經(jīng)接近傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)183℃。
實(shí)施例2一種超細(xì)微粒無鉛釬料，其合金成分中包括錫、銀、銅，所述合金中還含有微量的鈰，按質(zhì)量計(jì)，錫占98％，銀占1％，銅占0.5％，鈰占0.001％，合金顆粒直徑在0.1μm～0.5μm(100nm～500nm)之間，即釬料為納米級(jí)Sn-Ag-Cu-Re合金粉體，合金粉體為圓形球狀顆粒。
本實(shí)施例中釬料的固相線溫度為170.435℃～173.465℃，已經(jīng)低于傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的熔點(diǎn)183℃，液相線溫度為188.753℃～190.638℃，已經(jīng)與傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料的液相線溫度相當(dāng)。
實(shí)施例3一種超細(xì)微粒無鉛釬料，其合金成分中包括錫、銀、銅，在錫、銀、銅內(nèi)加入微量的鈰和鑭，按質(zhì)量計(jì)，錫占96.26％，銀占2.8％，銅占0.9％，鈰占0.02％，鑭占0.02％，合金顆粒直徑在0.1μm～0.5μm(100nm～500nm)之間，即釬料為納米級(jí)Sn-Ag-Cu-Re合金粉體，合金粉體為圓形球狀顆粒。
實(shí)施例4與實(shí)施1基本相同，所不同的是用金屬鑭替代鈰。
實(shí)施例5與實(shí)施2基本相同，所不同的是用金屬鑭替代鈰。
實(shí)施例6與實(shí)施1基本相同，所不同的是合金粉體的超細(xì)微粒直徑在0.1μm～5μm之間。
實(shí)施例7，與實(shí)施2基本相同，所不同的是合金粉體的超細(xì)微粒直徑在1μm～20μm之間。
實(shí)施例8，與實(shí)施3基本相同，所不同的是合金粉體的超細(xì)微粒直徑在1μm～20m之間。
實(shí)施例9，與實(shí)施3基本相同，所不同的是錫占96.26％，銀占2.8％，銅占0.939％，鈰與鑭各占0.0005％。比例最好在0.01％～0.03％，可以放到0.05％。
實(shí)施例10，與實(shí)施1基本相同，所不同的是錫占95.35％，銀占3.0％，銅占1.6％，鈰占0.05％。
實(shí)施例11與實(shí)施例3基本相同，所不同的是，錫占95.68％，銀占3.1％，銅占1.2％，鈰占0.015％，鑭占0.015％，合金顆粒直徑在1μm～20μm之間，即釬料為微米級(jí)Sn-Ag-Cu-Re合金粉體，其他同上。
實(shí)施例12-15分別與上述實(shí)施例1-4基本相同，所不同的是，制備方法中取消制成“圓形球狀”的步驟，超細(xì)微粒為不規(guī)則形狀，不限于圓形球狀顆粒。
實(shí)施例16-19分別與上述實(shí)施例1-4基本相同，所不同的是，制備方法采用真空蒸發(fā)-冷凝法對(duì)制成的釬料合金棒進(jìn)行真空加熱蒸發(fā)，然后在高純度惰性氣體(Ar，He)中冷凝形成超細(xì)微粒。超細(xì)微粒為不規(guī)則形狀，不限于圓形球狀顆粒。
實(shí)施例20-23分別與上述實(shí)施例1-4基本相同，所不同的是，制備方法采用激光加熱蒸發(fā)法以激光為快速加熱源，使氣相反應(yīng)合金內(nèi)部很快地吸收和傳遞能量，在瞬間完成氣相反應(yīng)的成核\長大\和終止。超細(xì)微粒為不規(guī)則形狀，不限于圓形球狀顆粒。
實(shí)施例23-26分別與上述實(shí)施例1-4基本相同，所不同的是，制備方法采用高壓氣體霧化法利用高壓氣體霧化器將的氦氣和氬氣以超音速射入熔融合金的液流內(nèi)，熔體被破碎成極細(xì)顆粒的射流，然后急劇冷凝而得到超微粒。超細(xì)微粒為不規(guī)則形狀，不限于圓形球狀顆粒。
實(shí)施例27-30分別與上述實(shí)施例1-4基本相同，所不同的是，制備方法采用電子束照射法利用高能電子束照射合金，蒸發(fā)的合金通過瞬間冷凝\成核\長大.形成微粒。超細(xì)微粒為不規(guī)則形狀，不限于圓形球狀顆粒。
權(quán)利要求
1.一種超細(xì)微粒無鉛釬料，其合金成分中包括錫、銀、銅，其特征在于，所述合金中還含有稀土金屬，該合金為超細(xì)微粒的粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述超細(xì)微粒的直徑在0.1μm～20μm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的超細(xì)微粒的直徑設(shè)置在1μm～20μm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的超細(xì)微粒的直徑設(shè)置在0.1μm～0.5μm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬的含量為占Sn-Ag-Cu-Re合金質(zhì)量比0.001～0.1％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的釬料采用以下合金按質(zhì)量計(jì)，合金中錫占94.7～98％，銀占1～3.5％，銅占0.5～1.7％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬的含量為占Sn-Ag-Cu-Re合金質(zhì)量比0.05％。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的合金粉體的顆粒形狀為圓形球狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬是金屬鑭。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬是金屬鈰。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬是金屬鑭和鈰。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬是金屬鑭。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬是金屬鈰。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，所述的稀土金屬是金屬鑭和鈰。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，鑭和鈰所占質(zhì)量比分別為0.025％。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超細(xì)微粒無鉛釬料，其特征在于，鑭和鈰所占質(zhì)量比分別為0.025％.
17.一種權(quán)利要求1所述的超細(xì)微粒無鉛釬料的制作方法，包括以下步驟(1)采用傳統(tǒng)的冶煉方法，將錫、銀、銅和微量的稀土金屬冶煉成合金，澆鑄成條狀；(2)利用加熱源將合金加熱熔融；(3)將合金加工呈霧狀散發(fā)狀態(tài)；(4)霧狀合金進(jìn)入冷介質(zhì)中冷凝，制備出超細(xì)微粒Sn-Ag-Cu-Re合金粉體。
18.按照權(quán)利要求17所述的超細(xì)微粒無鉛釬料的制作方法，其特征在于，步驟(1)中的合金中各金屬占質(zhì)量比為錫占94.7～98％，銀占1～3.5％，銅占0.5～1.7％，稀土金屬占0.001～0.1％。
19.按照權(quán)利要求18所述的超細(xì)微粒無鉛釬料的制作方法，其特征在于，步驟(2)中的加熱源為微弧等離子體加熱裝置。
20.按照權(quán)利要求18所述的超細(xì)微粒無鉛釬料的制作方法，其特征在于，步驟(2)中的加熱源為激光加熱裝置。
21.按照權(quán)利要求18所述的超細(xì)微粒無鉛釬料的制作方法，其特征在于，在上述步驟(4)后面假如以下步驟控制合金粉體為圓形球狀顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種合金釬料及其制作方法，技術(shù)方案為一種超細(xì)微粒無鉛釬料，其合金成分中包括錫、銀、銅，所述合金中還含有稀土金屬，該合金為超細(xì)微粒的粉體。無鉛釬料制作方法，包括以下步驟1.采用傳統(tǒng)的冶煉方法，將上述金屬材料冶煉成合金，澆鑄成條狀；2.利用加熱源將合金加熱熔融；3.將合金加工呈霧狀散發(fā)狀態(tài)；4.霧狀合金進(jìn)入冷介質(zhì)中冷凝，制備出超細(xì)微粒Sn－Ag－Cu－Re合金粉體。該無鉛釬料可用于電子元器件的釬焊或其它行業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品的連接應(yīng)用，使釬焊性能得到顯著的提高。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1657225SQ20041006614
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者禹勝林, 薛松柏 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所