專(zhuān)利名稱(chēng)：含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料,屬于金屬材料類(lèi)及冶金領(lǐng)域的釬焊材料。主要用于電子行業(yè)元器件的組裝及封裝，是ー種釬焊性能(如潤(rùn)濕性能)良好、焊點(diǎn)(釬縫)力學(xué)性能優(yōu)良的新型緑色、環(huán)保型無(wú)鉛釬料。
背景技術(shù)：
隨著RoHS(The Restriction of the Use of certain Hazardous Subs tance inElectrical and Electronic Equipment)指令的生效,錫鉛釬料的替代問(wèn)題一直是電子行業(yè)技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)。目前具有代表性的無(wú)鉛釬料有Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Cu-Ni等合金系，各有所長(zhǎng)，但是和錫鉛釬料相比，在釬料成本、釬料熔點(diǎn)方面等仍有一定的差距。Sn-Zn系釬料熔點(diǎn)、原材料成本均低于Sn-Ag-Cu、Sn-CiuSn-Cu-Ni系釬料，特別是Sn-Zn釬料熔點(diǎn)非常接近錫鉛釬料，但是由于Sn-Zn系釬料潤(rùn)濕性能較差，因此目前還難以應(yīng)用于エ業(yè)化生產(chǎn)，仍需研究改進(jìn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在Sn-Zn基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了“ Sn-Zn-Ga-Ce無(wú)鉛釬料”(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，CN101269446)、“一種錫鋅基無(wú)鉛釬料合金”(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，CN101585120)、“ー種Sn-Zn系無(wú)鉛釬料合金及其制備方法”(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，CN101058131)以及“錫鋅基含稀土元素的無(wú)鉛釬料合金”(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，CN1390672)等多種“多元合金體系”的Sn-Zn釬料，它們與ニ元Sn-Zn合金相比在某些性能上有所改善,但在綜合性能上還是不如傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料，因此，Sn-Zn系釬料仍需進(jìn)ー步改進(jìn)。本項(xiàng)發(fā)明“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”,即是在這種技術(shù)背景下完成的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抗氧化性能強(qiáng)，潤(rùn)濕性能良好，釬縫力學(xué)性能優(yōu)良，適用于電子行業(yè)波峰焊、再流焊、浸焊、手工焊等焊接方法的Sn-Zn系無(wú)鉛釬料。為達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明的含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后確定的化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比為6.0 10. 5%的Zn，0. 005 0. 5%的Nd，0. 005 1.5%的Ga，0. 00Γ O. 3% 的 Se，余量為 Sn。采用常規(guī)方法制備釬料，即使用市售的錫錠、鋅錠、金屬鎵、金屬釹、銀灰色金屬硒，各種金屬原料按需要配比，冶煉時(shí)加入經(jīng)優(yōu)化篩選確定的“覆蓋劑”或采用“惰性氣體”保護(hù)進(jìn)行冶煉、澆鑄，可得到棒材。通過(guò)擠壓、拉拔，即得到絲材(也可加入助焊劑，制成“藥芯焊絲”)。鉛(即Pb)元素作為錫錠、電解銅等原材料中的“雜質(zhì)元素”，總量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))控制在Pb彡0.1 Wt. %范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足符合中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20422-2006《無(wú)鉛釬料》的規(guī)定(標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定Pb ^ 0. Iwt. %)?？紤]到金屬鎵熔點(diǎn)低，金屬釹熔點(diǎn)高且極易氧化，根據(jù)生產(chǎn)需要也可將金屬鎵、金屬釹預(yù)先冶煉成中間合金，以Sn-Ga和Sn-Nd的形式加入，以保證鎵和釹在釬料中成分的準(zhǔn)確性。
金屬硒準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是非金屬元素。但是它的“形態(tài)”多祥，兩種無(wú)定性態(tài)(一種為紅色，一種為黑色)、兩種紅色單斜晶形態(tài)(a_Se, b_Se都是由Se3組成)硒都不穩(wěn)定,不利于保存和生產(chǎn)時(shí)準(zhǔn)確添加。而銀灰色金屬硒很穩(wěn)定，其熔點(diǎn)約為217°C，沸點(diǎn)約為685°C，密度約為4. 79，在Sn-Zn釬料冶煉時(shí)，較容易準(zhǔn)確添加。本發(fā)明過(guò)程使用的硒均為銀灰色金屬硒。本發(fā)明的釬料組織均勻，易于加工成各種形狀，如條狀、棒狀、絲狀、焊球，以適應(yīng)不同生產(chǎn)條件的需要。


附圖I本發(fā)明實(shí)施例與Sn-9Zn釬料的性能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施方案 與以往研究相比，本發(fā)明的創(chuàng)造性在于 O發(fā)現(xiàn)了可顯著提高Sn-Zn釬料“抗氧化性能”的Se元素。在本發(fā)明的試驗(yàn)過(guò)程中，研究發(fā)現(xiàn)，Se加入到Sn-Zn系無(wú)鉛釬料中，可顯著地提高Sn-Zn釬料的“抗氧化性能”。進(jìn)ー步研究發(fā)現(xiàn)，如果同時(shí)加入Nd和Ga元素，Sn-Zn釬料的“抗氧化性能”更加優(yōu)良。通過(guò)優(yōu)化NcUGa和Se以及Sn、Zn的化學(xué)成分，得到了“抗氧化性能”優(yōu)良、對(duì)銅板潤(rùn)濕性能良好的Sn-Zn-Nd-Ga-Se無(wú)鉛釬料(參見(jiàn)附圖I)。由于Nd、Ga、Se的加入量很少，新發(fā)明的釬料熔點(diǎn)低于或等于Sn-Zn ニ元合金的熔點(diǎn)。以往的研究一致認(rèn)為，Ga (鎵元素)和/或P (磷元素)的加入，可以顯著提高Sn-Pb釬料、Sn-Ag-Cu釬料的“抗氧化”能力(參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“具有抗氧化能力的無(wú)鉛焊料”，CN1439480);還有研究指出，同時(shí)添加Ga和稀土元素Ce，能夠顯著提高Sn-Zn釬料的抗氧化能力(參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“Sn-Zn-Ga-Ce無(wú)鉛釬料”，CN101269446)。但是對(duì)于Sn-Zn釬料來(lái)說(shuō)，無(wú)論Ga和/或P的加入，還是同時(shí)添加Ga和稀土元素Ce，Sn-Zn釬料的“抗氧化”能力的提高或改善仍然達(dá)不到“滿(mǎn)足波峰焊要求”的效果。然而，本發(fā)明含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料即Sn-Zn-Nd-Ga-Se無(wú)鉛釬料，由于微量Se元素的“特殊作用”，其“抗氧化”能力滿(mǎn)足了波峰焊要求。進(jìn)ー步研究發(fā)現(xiàn)，微量Se元素的“特殊作用”，是由于Se可與Sn形成穩(wěn)定的金屬間化合物SnSe (SnSe的熔點(diǎn)約為860°C);Se可與Zn形成穩(wěn)定的金屬間化合物ZnSe (ZnSe的熔點(diǎn)約為1100°C);Se可與Ga形成穩(wěn)定的金屬間化合物GaSe(GaSe的熔點(diǎn)約為938°C)。上述金屬間化合物的形成，一方面“減緩” 了 Sn、Zn與氧發(fā)生氧化反應(yīng)的幾率，從而提高了新發(fā)明釬料的“抗氧化”能力；另一方面，由于上述金屬間化合物細(xì)小、穩(wěn)定，在釬料釬焊冷卻過(guò)程中，起著“形核質(zhì)點(diǎn)”的作用，從而細(xì)化了釬料(或焊點(diǎn))的組織，使得釬料組織均勻，易于加工成各種形狀，配合市售的RMA (即中等活性的助焊劑)釬劑，釬縫力學(xué)性能可達(dá)到65MPa 90MPa。2)試驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)選了 Ga與Se元素的添加范圍和比例關(guān)系
通過(guò)“序貫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”方法發(fā)現(xiàn)了向Sn-Zn無(wú)鉛釬料中加入適量“Ga元素”和“Se元素”對(duì)Sn-Zn無(wú)鉛釬料“抗氧化性能”的影響規(guī)律即Ga與Se的添加量為5 1 (即Ga Se=5 :1，下同)時(shí)，新發(fā)明的無(wú)鉛釬料具有最佳的“抗氧化性能”，從而具有最佳的潤(rùn)濕性能。在本發(fā)明所選定的Sn-Zn-Nd-Ga-Se無(wú)鉛釬料的成分范圍內(nèi)，加入稀土元素Nd,由于Nd具有“表面活性”作用能夠降低液態(tài)釬料的表面張力，同時(shí)影響液態(tài)釬料的傳質(zhì)作用從而抑制釬料與基板的反應(yīng)、潤(rùn)濕過(guò)程，從而提高Sn-Zn-Nd-Ga-Se無(wú)鉛釬料的潤(rùn)濕、鋪展性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Ga與Se的添加量達(dá)到Ga :Se = 4. 8 5. 2 :1時(shí)，新發(fā)明的無(wú)鉛釬料具有良好的“抗氧化性能”，而在Ga :Se = 5:1時(shí)，新發(fā)明的無(wú)鉛釬料具有最佳的“抗氧化性能”。根據(jù)本發(fā)明的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”的質(zhì)量配比，敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如下。實(shí)施例一
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為6. 0%的Zn，O. 5%的 Nd, O · 005% 的 Ga, O. 001% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在206°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。 實(shí)施例ニ
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為10. 5%的Zn，O. 005% 的 Nd, I. 5% 的 Ga, O. 3% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在207°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。實(shí)施例三
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為8. 5%的Zn，O. 25% 的 Nd, I. 0% 的 Ga, O. 2% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在204°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。實(shí)施例四
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為7. 2%的Ζη，0. 05% 的 Nd, O. 01% 的 Ga, O. 002% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在205°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。實(shí)施例五
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為9. 8%的Zn，O. 18% 的 Nd, O. 05% 的 Ga, O. 01% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在203°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。實(shí)施例六
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為8. 5%的Zn，O. 25% 的 Nd, O. 96% 的 Ga, O. 2% 的 Se，余量為 Sn。
上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在204°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有較為優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。實(shí)施例七
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為7. 2%的Ζη，0. 05% 的 Nd, O. 026% 的 Ga, O. 005% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在205°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有較為優(yōu)良的潤(rùn)濕性能，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa土 15MPa。實(shí)施例八 ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為9. 8%的Zn，O. 18% 的 Nd, O. 047% 的 Ga, O. 01% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在203°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上潤(rùn)濕性能較差，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa±15MPa。實(shí)施例九
ー種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比，其成分為10. 5%的Zn，O. 005% 的 Nd, I. 06% 的 Ga, O. 2% 的 Se，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料”固相線(xiàn)溫度在198°C左右，液相線(xiàn)溫度在207°C左右(均考慮了試驗(yàn)誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上潤(rùn)濕性能較差，釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到75MPa±15MPa。
權(quán)利要求
1.一種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，其特征是成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比為6. O 10.5% 的 Zn, O. 005 O. 5% 的 Nd, O. 005 I. 5% 的 Ga, O. 001 O. 3% 的 Se，余量為 Sn ;其中Ga與Se的添加量質(zhì)量比滿(mǎn)足Ga :Se = 4. 8 5. 2 :1。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，其特征在于Ga與Se的添加量質(zhì)量比滿(mǎn)足Ga :Se = 5:1。
全文摘要
一種含Nd、Ga、Se的Sn-Zn無(wú)鉛釬料，屬于金屬材料類(lèi)及冶金領(lǐng)域釬焊材料。其化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))是6.0~10.5%的Zn，0.005~0.5%的Nd，0.005~1.5%的Ga，0.001~0.3%的Se，余量為Sn。由于該釬料具有優(yōu)良的“抗氧化性能”，因此具有良好的潤(rùn)濕性能，焊點(diǎn)(釬縫)力學(xué)性能優(yōu)良，適用于電子行業(yè)波峰焊、浸焊、手工焊、再流焊等焊接方法。
文檔編號(hào)B23K35/26GK102848097SQ20121034418
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者薛鵬, 薛松柏, 沈以赴, 龍偉民, 于新泉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)