專利名稱：一種含混合稀土的錫銅基無鉛釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料，具體的講是涉及一種可廣泛應(yīng)用到電子連接和封裝焊接性能要求高的領(lǐng)域的無鉛釬料。
背景技術(shù)：
工業(yè)技術(shù)的發(fā)展為人類帶來利益的同時(shí)，也給環(huán)境和資源造成很大的壓力。歐盟Rohs指令的頒布和其它各國對(duì)電子材料規(guī)定的出臺(tái)促使電子材料向無鉛方向的轉(zhuǎn)變加快。對(duì)OEM及電子代工生產(chǎn)商(EMS)來說，無鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用已是當(dāng)務(wù)之急。此外，歐盟兩項(xiàng)環(huán)保指令不僅僅只影響機(jī)電產(chǎn)品整機(jī)制造商，而且涉及到原材料、化工、包裝等上下游企業(yè)。消費(fèi)者環(huán)保、健康意識(shí)的增強(qiáng)，國際市場(chǎng)的客觀要求使得環(huán)保成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
但是，代替錫銅無鉛合金的材料都存在一定的性能或工藝缺陷。如，以錫銀為基的無鉛焊料在市場(chǎng)上占有相當(dāng)大的份額，但銀的成本較高、且潤濕性還是較差、合金組織粗大、分布不均。而錫銀銅合金在銅等金屬表面的鋪展性能、填縫性能較差。
我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，使得對(duì)有色金屬的需求急劇擴(kuò)大，給資源造成很大的壓力。我國有色金屬行業(yè)在經(jīng)歷1999-2001年的低位徘徊和2002年的小幅回暖后，2003年受供貨趨緊、需求增長等眾多因素的影響，出現(xiàn)了產(chǎn)量增長，價(jià)格穩(wěn)步上揚(yáng)的局面，國內(nèi)有色金屬市場(chǎng)資源加快增長，消費(fèi)需求旺盛，價(jià)格全面上揚(yáng)，有色金屬行業(yè)出現(xiàn)了一些緊張。2004年全國十種有色金屬繼續(xù)保持較快增長的勢(shì)頭，總產(chǎn)量達(dá)到1369.60萬噸，同比增長16.40％。而同期有色金屬價(jià)格上漲了34.84％，價(jià)格上漲幅度大于產(chǎn)量增長幅度。而2005年，有色金屬價(jià)格上漲的趨勢(shì)依然沒有改變，各主要品種的價(jià)格均出現(xiàn)不同程度的上漲。
預(yù)計(jì)今后20年中，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)有色金屬的需求仍將處于增長階段，有色金屬工業(yè)的需求量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，在電子生產(chǎn)領(lǐng)域，需求的急劇增長使生產(chǎn)廠家的成本也大幅增大。眾多電子生產(chǎn)廠家都在尋找成本較低的可替代材料。
就銀(Ag)元素而言，其資源有限，而且由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其它產(chǎn)業(yè)對(duì)銀的需求大幅提高，近幾年銀的價(jià)格大幅上揚(yáng)就是明顯例證。因此研發(fā)出可替代銀的低成本材料，是一種必然趨勢(shì)。錫銅基無鉛合金的成本較低，我國錫、銅資源蘊(yùn)藏也比較豐富，但錫銅基合金本身就存在許多缺陷。現(xiàn)今，廠家對(duì)用于電子和電工的焊料，要求是多方面的，基本的要求有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，另外還要求良好的工藝性、可靠性及工作壽命，而生產(chǎn)成本對(duì)每個(gè)制造商來說也是一個(gè)不得不慎重考慮的重要因素。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待進(jìn)一步的提高。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種成本相對(duì)較低，合金組織細(xì)致、分布均勻，在銅等金屬表面的鋪展性能及填縫性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤濕性和焊接性能好，抗氧化能力強(qiáng)，且具有良好的工藝性、可靠性及工作壽命的無鉛釬料。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案該無鉛釬料由銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鑭系混合稀土(RE)以及金屬錫(Sn)組成，其中銅(Cu)的重量百分比含量是0.1-7.0％，鈷(Co)的重量百分比含量是0.01-0.6％，鎳(Ni)的重量百分比含量是0.01-0.3％，鑭系混合稀土(RE)的重量百分比含量是0.01-1％，余量為金屬錫(Sn)。
以錫銅為基的無鉛釬料，合金中銅過少會(huì)產(chǎn)生較多的“銅蝕”，但銅較多則會(huì)使釬料的潤濕性變差。因此銅(Cu)的重量百分比含量在本專利范圍能使無鉛釬料潤濕性好。
當(dāng)將鎳(Ni)加入到錫銅(Sn-Cu)合金時(shí)，可明顯改善合金的結(jié)晶狀況，形成Ni3Sn2相，熔點(diǎn)為795℃，高于Cu6Sn5相，由于Ni3Sn2相的存在，抑制了Cu6Sn5相的長大，從而使錫銅(SnCu)焊料結(jié)晶細(xì)致有光澤，也因此使流動(dòng)性變好。同時(shí)鎳(Ni)能夠有效防止銅浸出，使合金組成比較均勻。
鎳(Ni)作為合金化元素細(xì)化釬料合金組織，還可以提高釬料合金的抗氧化、抗腐蝕能力。當(dāng)鎳(Ni)低于0.01％時(shí)不足以充分的穩(wěn)定銅混晶，同時(shí)還削弱了其抗平面腐蝕性的有利作用。而鎳(Ni)高于0.3％時(shí)，將導(dǎo)致冷成型時(shí)過高硬化及因此不利的后果，為此本發(fā)明鎳(Ni)的優(yōu)選范圍是0.01％-0.3％。
鈷(Co)對(duì)防止銅浸出非常有效，為了控制a-相的晶粒尺寸，鈷(Co)是必需的。鈷(Co)還可以改變合金元素形成的偏聚結(jié)構(gòu)單元的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，為此在錫銅鎳(Sn-Cu-Ni)合金中加入一定量的鈷(Co)可以進(jìn)一步防止銅浸出。但當(dāng)鈷(Co)含量低于0.01％時(shí)是不利的，而高于0.5％時(shí)，尤其是當(dāng)高于1％時(shí)，合金的潤濕性會(huì)大幅削弱，同時(shí)熔點(diǎn)上升，不利于工藝操作。本發(fā)明鈷(Co)的優(yōu)選范圍是0.01-0.6％。
鈷(Co)和鎳(Ni)都是活性元素，本身有一定的抗菌作用，加入到錫銅(Sn-Cu)合金中仍能保持一定抗菌性能，可以在潮濕溫暖的環(huán)境中廣泛應(yīng)用。
加入少量鑭系混合稀土(RE)，可以在錫銅晶界上偏聚，并與鈷(Co)、鎳(Ni)相互作用，引起晶界的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量的變化，影響其它元素的擴(kuò)散和新相的成核與長大，通過形成更多的晶核細(xì)化釬料的晶粒度，使釬料的延伸率得到有效提高，使釬料的力學(xué)性能大幅加強(qiáng)，同時(shí)改善了熱加工成型性。鑭系混合稀土(RE)作為表面活性元素，通過改善釬料的潤濕性、減小潤濕角，提高釬料的擴(kuò)展率，使得釬料能與焊盤很好結(jié)合，從而提高焊接質(zhì)量。
鑭系稀土是活性元素，有除氣的作用和調(diào)制合金細(xì)化的作用，對(duì)氧有一定吸附作用，可以脫硫和氧。同時(shí)可使氧化層表面由疏松變得致密，焊料不易進(jìn)一步氧化，從而提高焊料的抗氧化能力。鈷(Co)和鎳(Ni)雖然具有一定抗菌作用，但是由于它們非?；钴S，能導(dǎo)致十分強(qiáng)烈的界面反應(yīng)，加入一定量的稀土元素可以在一定程度上降低其活性，改善界面組織結(jié)構(gòu)，大幅提高了焊接表面光潔度和平整性。
采用本發(fā)明制造出來的釬料合金金相均勻、細(xì)化，其潤濕性、延展率、抗氧化能力合焊接性能都大幅提高，尤其在焊接表面平整性和光潔度方面有明顯的改善，且成本低廉并具有優(yōu)越的熱加工性能，可以制造成多種形狀的焊接材料，如錫棒、錫條、錫焊絲和BGA焊球等。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，本發(fā)明由銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鑭系混合稀土(RE)以及金屬錫(Sn)組成，其中銅(Cu)的重量百分比含量是0.1-7.0％，鈷(Co)的重量百分比含量是0.01-0.6％，鎳(Ni)的重量百分比含量是0.01-0.3％，鑭系混合稀土(RE)的重量百分比含量是0.01-1％，余量為金屬錫(Sn)。
以錫銅為基的無鉛釬料，合金中銅過少會(huì)產(chǎn)生較多的“銅蝕”，但銅較多則會(huì)使釬料的潤濕性變差。因此銅(Cu)的重量百分比含量在0.1-7％，這樣使無鉛釬料潤濕性好。
當(dāng)將鎳(Ni)加入到錫銅(Sn-Cu)合金時(shí)，可明顯改善合金的結(jié)晶狀況，形成Ni3Sn2相，熔點(diǎn)為795℃，高于Cu6Sn5相，由于Ni3Sn2相的存在，抑制了Cu6Sn5相的長大，從而使錫銅(SnCu)焊料結(jié)晶細(xì)致有光澤，也因此使流動(dòng)性變好。同時(shí)鎳(Ni)能夠有效防止銅浸出，使合金組成比較均勻。
鎳(Ni)作為合金化元素細(xì)化釬料合金組織，還可以提高釬料合金的抗氧化、抗腐蝕能力。當(dāng)鎳(Ni)低于0.01％時(shí)不足以充分的穩(wěn)定銅混晶，同時(shí)還削弱了其抗平面腐蝕性的有利作用。而鎳(Ni)高于0.3％時(shí)，將導(dǎo)致冷成型時(shí)過高硬化及因此不利的后果，為此本發(fā)明鎳(Ni)的優(yōu)選范圍是0.01％-0.3％。
鈷(Co)對(duì)防止銅浸出非常有效，為了控制a-相的晶粒尺寸，鈷(Co)是必需的。鈷(Co)還可以改變合金元素形成的偏聚結(jié)構(gòu)單元的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，為此在錫銅鎳(Sn-Cu-Ni)合金中加入一定量的鈷(Co)可以進(jìn)一步防止銅浸出。但當(dāng)鈷(Co)含量低于0.01％時(shí)是不利的，而高于0.5％時(shí)，尤其是當(dāng)高于1％時(shí)，合金的潤濕性會(huì)大幅削弱，同時(shí)熔點(diǎn)上升，不利于工藝操作。本發(fā)明鈷(Co)的優(yōu)選范圍是0.01-0.6％。
鈷(Co)和鎳(Ni)都是活性元素，本身有一定的抗菌作用，加入到錫銅(Sn-Cu)合金中仍能保持一定抗菌性能，可以在潮濕溫暖的環(huán)境中廣泛應(yīng)用。
加入少量鑭系混合稀土(RE)，可以在錫銅晶界上偏聚，并與鈷(Co)、鎳(Ni)相互作用，引起晶界的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量的變化，影響其它元素的擴(kuò)散和新相的成核與長大，通過形成更多的晶核細(xì)化釬料的晶粒度，使釬料的延伸率得到有效提高，使釬料的力學(xué)性能大幅加強(qiáng)，同時(shí)改善了熱加工成型性。鑭系混合稀土(RE)作為表面活性元素，通過改善釬料的潤濕性、減小潤濕角，提高釬料的擴(kuò)展率，使得釬料能與焊盤很好結(jié)合，從而提高焊接質(zhì)量。
鑭系稀土是活性元素，有除氣的作用和調(diào)制合金細(xì)化的作用，對(duì)氧有一定吸附作用，可以脫硫和氧。同時(shí)可使氧化層表面由疏松變得致密，焊料不易進(jìn)一步氧化，從而提高焊料的抗氧化能力。鈷(Co)和鎳(Ni)雖然具有一定抗菌作用，但是由于它們非常活躍，能導(dǎo)致十分強(qiáng)烈的界面反應(yīng)，加入一定量的稀土元素可以在一定程度上降低其活性，改善界面組織結(jié)構(gòu)，大幅提高了焊接表面光潔度和平整性。
本發(fā)明混合稀土(RE)的優(yōu)選范圍是0.01-1％。
下面以生產(chǎn)1千克(Kg)產(chǎn)品為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述例1、選擇以錫銅為基的無鉛釬料，其中銅(Cu)為1克(g)，錫(Sn)為980克(g)，加入6克(g)的鈷(Co)，3克(g)的鎳(Ni)，10克(g)的鑭系混合稀土(RE)投入高溫熔爐，冶煉即可得到具有本發(fā)明有益效果的含混合稀土的錫銅基無鉛釬料。
例2、選擇以錫銅為基的無鉛釬料，其中銅(Cu)為70克(g)，錫(Sn)為929.7克(g)，加入0.1克(g)的鈷(Co)，0.1克(g)的鎳(Ni)，0.1克(g)的鑭系混合稀土(RE)投入高溫熔爐，冶煉即可得到具有本發(fā)明有益效果的含混合稀土的錫銅基無鉛釬料。
例3、選擇以錫銅為基的無鉛釬料，其中銅(Cu)為40克(g)，錫(Sn)為948克(g)，加入5克(g)的鈷(Co)，2克(g)的鎳(Ni)，5克(g)的鑭系混合稀土(RE)投入高溫熔爐，冶煉即可得到具有本發(fā)明有益效果的含混合稀土的錫銅基無鉛釬料。
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例，上述實(shí)施例僅為其最佳實(shí)施，其中各金屬的含量均可在本說明書所提供的優(yōu)選范圍內(nèi)自由選擇，均可得到效果較好的產(chǎn)品，也均應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種含混合稀土的錫銅基無鉛釬料，其特征在于該釬料由銅、鈷、鎳、鑭系混合稀土及錫組成，其中銅的重量百分比含量是0.1-7.0％，鈷的重量百分比含量是0.01-0.6％，鎳的重量百分比含量是0.01-0.3％，鑭系混合稀土的重量百分比含量是0.01-1％，余量為金屬錫。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種含混合稀土的錫銅基無鉛釬料，所述釬料中的元素及其重量比為銅(Cu)0.1－7.0％，鎳(Ni)0.01－0.3％，鈷(Co)0.01－0.6％，鑭系混合稀土(RE)0.01－1％，錫(Sn)余量。本發(fā)明采用了多元素復(fù)合添加合金，當(dāng)將鈷(Co)和鎳(Ni)加入到錫銅(Sn－Cu)合金時(shí)，對(duì)防止銅浸出非常有效，并可明顯改善合金的結(jié)晶狀況。微量的混合稀土(RE)的加入一方面降低了釬料合金在銅表面的潤濕角，另一方面又使釬料合金的力學(xué)性能有所提高，還具有良好的熱加工性。本發(fā)明可使釬料金相均勻、細(xì)化，提高了潤濕性、延展率、抗氧化能力和焊接性能，尤其在焊接表面平整性和光潔度方面有明顯的改善，且成本低。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1864908SQ20061003595
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者包德為, 趙文川 申請(qǐng)人:東莞市普賽特電子科技有限公司