專利名稱：一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬焊料技術領域，是對現(xiàn)有技術進行改進，具體地說是涉及一種低熔點Sn-Ag-Cu 無鉛釬料及其制備方法。
背景技術：
目前，隨著國際范圍內(nèi)在電子、輕工等領域限制或禁止使用鉛的呼聲日漸高漲，無鉛釬 料的研究已經(jīng)取得了一系列的進展，但實際上還沒有一種綠色釬料能夠直接替代傳統(tǒng)Sn-Pb 釬料，主要問題包括(l)熔點方面，目前無鉛釬料的熔點多偏高，應盡量接近Sn-Pb共晶 熔點(183°C); (2)工藝性能的不足，應該配合新型焊劑的開發(fā)(包括免清洗劑)，解決目 前無鉛釬料潤濕鋪展性能普遍不如Sn-Pb釬料的問題；(3)力學性能較差，新研制的無鉛釬 料應有較高的強韌性及組織穩(wěn)定性，可抗蠕變、抗熱疲勞、抗短時機械過載能力，克服傳統(tǒng) Sn-Pb釬料強度低，組織不穩(wěn)定，在室溫環(huán)境下與基體界面產(chǎn)生金屬間化合物并長大而導致 接頭脆化的不足；(4)物理性能方面，作為電器連接件的釬料，應有良好的導電性和導熱性， 可抑制接頭過度發(fā)熱，從而提高電器結構件的可靠性。因此，開發(fā)新的無鉛釬料合金并對其性能和機制進行全面研究，進而推向產(chǎn)業(yè)化，依然 是無鉛釬料的熱點和重點。必須強調的是目前廣為使用的共晶型Sn-Ag-Cu和Sn-Cu等所有 無鉛釬料，雖然彈性模量、屈服強度、抗蠕變性能可能高于或相當于Sn-Pb焊料，但熔點較 高，延伸率相對較低，而且其潤濕性能均低于Sn-Pb焊料，在焊接性、接頭機械性、可靠性、 價格等方面仍有一定的局限性。若新型無鉛釬料更接近于傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料的熔點，并 具有更好的焊接性、接頭機械性和可靠性，則原有的Pb-Sn焊接設備可以繼續(xù)使用，對無鉛 元器件的技術要求也大大降低，從而大大降低了電子產(chǎn)業(yè)無鉛化的成本和難度，對無鉛化產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展具有重要意義。美國專利(US 6,824,039 B2, 2004.)表明Sn-Ag-Mg能形成三元共晶合金，共晶點溫度為 188.6°C，與傳統(tǒng)63Sn-37Pb共晶合金溫度(183°C)比較接近。長期以來由于容易氧化的原 因，Mg對無鉛釬料的有益作用被忽視。事實上，Sn-Ag系焊料的潤濕性比Sn-Pb釬料潤濕 性能差，這與Ag的表面張力較高有關，Ag的表面張力(0.93N/m)大于Sn和Pb的表面 張力(分別為0.55 N/m和0.48 N/m)。而Mg表面張力與Sn接近，為0.545N/m左右，且熔 點較低(649°C)，熱膨脹系數(shù)為26 X10-6/ °C，也與Sn相當(23.5 X1(K6/ °C)。此外，3由于Mg的密度小，可以顯著提高Sn-Ag釬料的比容，減少單位體積釬料的用量；Mg具有 良好的導電、導熱等物理性能，完全可以滿足電子組裝對釬料的要求。同時，有研究表明， 在無鉛釬料中添加少量的稀土元素能降低液態(tài)釬料的表面張力，提高釬料的潤濕性。但目前 關于含Mg無鉛釬料的組織和性能的研究鮮有報道，Mg、 Re聯(lián)合作用的效果更未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題為了克服上述現(xiàn)有技術存在的不足和問題，本發(fā)明的目的是通過添加微量 Mg、 Re元素，改變Sn-Ag-Cu釬料合金的組織，提供一種熔點為200-205'C，熔化溫度范圍 <3(TC，具有良好的潤濕性、抗氧化能力及導電性，焊接性、穩(wěn)定性的低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料。技術方案為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決其技術問題的技術方案是 一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料，按質量百分比由以下組分組成Ag為2.0-5.0°/。， Cu為0.1-1.5%， Mg為0.05-1.50%， La為0-0.60%，其余為Sn。上述的Ag的純度為99.90%; 上述的Cu的純度為99.90%; 上述的Mg的純度為99.95%; 上述的La的純度為99.95%; 上述的Sn的純度為99.99%。本發(fā)明解決其技術問題的另一個技術方案是， 一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料的制備方 法，按照以下步驟進行(1) 按質量百分比稱量組分Ag為2.0-5.00/。， Cu為0.1-1.50/。， Mg為0.05-1.50。/。, La為 0-0.60%，其余為Sn;(2) 將等質量的NaCl與KCl進行混合，配制得到保護熔劑；(3) 在坩堝中預熱保護熔劑，然后將Sn、 Ag、 Cu加入坩堝中待用；(4) 熔煉爐升溫到660'C之后，將上述坩堝放入熔煉爐中，同時將熔煉爐溫度升高到 IIO(TC，保溫15分鐘后取出空冷，獲得Sn-Ag-Cu中間合金；(5) 將Mg或Mg與La放入塒堝底部，同時將步驟(3)制得的Sn-Ag-Cu中間合金放入坩 堝中，補充少量保護熔劑，待熔煉爐升溫到660'C，再將坩堝放入熔煉爐中，并升溫至68(TC， 保溫30分鐘后取出空冷，獲得Sn-Ag-Cu-Mg或Sn-Ag-Cu-Mg-La無鉛釬料；(6) 將步驟(5)制得的無鉛釬料在26(TC重熔2 3次，從而得到本發(fā)明的一種低熔點 Sn-Ag-Cu無鉛釬料。上述的NaCl為分析純NaCl; 上述的KC1為分析純KC1。有益效果本發(fā)明的一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料具有的有益效果和優(yōu)點是通過在無 鉛釬料Sn-Ag-Cu中添加Mg元素，改變了釬料合金組織，獲得與傳統(tǒng)Sn-Pb釬料相近的熔 點和熔化溫區(qū)，及良好的潤濕性、導電性、熱穩(wěn)定性和較低的密度。隨Mg含量增加，釬料 的熔點明顯下降，但熔化區(qū)間增大，潤濕性有所下降。在無鉛釬料Sn-Ag-Cu-Mg中添加微量 稀土元素La改善了釬料的潤濕性能，進一步提高了其釬焊性能。因此，本發(fā)明Sn-Ag-Cli無 鉛釬料具有較低的熔點，良好的潤濕性、導電性和較低的密度，無污染、易制備，符合WEEE 和RoHS指令要求。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但是本發(fā)明的內(nèi)容不局限于實施例。 實施例1:(1) 分別按質量百分比稱量組分Ag2.8%， Cu 1.46°/。， Mg 0.06%，余量為Sn，總量100%;(2) 將等質量的NaCl與KC1進行混合，配制得到保護熔劑；(3) 在坩堝中預熱保護熔劑，然后將Sn、 Ag、 Cu加入坩堝中待用；(4) 熔煉爐升溫到660'C之后，將上述坩堝放入爐中，同時將熔煉爐溫度升高到110(TC， 保溫15分鐘后取出空冷，獲得Sn-Ag-Cu中間合金；(5) 將Mg或Mg與La放入坩堝底部，同時將步驟(4)獲得的Sn-Ag-Cu中間合金放入坩 堝中，補充少量保護熔劑，待熔煉爐升溫到660'C，再將坩堝放入熔煉爐中，并再將熔煉爐 升溫至68(TC，保溫30分鐘后取出空冷，獲得Sn-Ag-Cu-Mg或Sn-Ag-Cu-Mg-La無鉛釬料；(6) 將步驟(5)制得的無鉛釬料在26(TC重熔2 3次，從而得到本發(fā)明低熔點Sn-Ag-Cu 無鉛釬料。該實施例通過測定升溫過程的DTA曲線，獲得該無鉛釬料的固相線溫度為216.9'C，液 相線溫度為232.8°C。而對比的商用Sn-4.0Ag-0.50Cu無鉛釬料的固相線溫度為218.2°C，液 相線溫度為220.3?？梢?，本發(fā)明Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料的熔點有所下降。 實施例2:U)分別按質量百分比稱量組分Ag4.7%， Cu0.18%， Mg 1.45%,余量為Sn，總量100%;(2) 步驟(2)至步驟(6)與實施例1的步驟(2)至步驟(6)相同。 該實施例通過測定升溫過程的DTA曲線，獲得該無鉛釬料的固相線溫度為201.rC，液相線溫度為219.8°C。而對比的商用Sn-4.0Ag-0.50Cu無鉛釬料的固相線溫度為218.2°C，液 相線溫度為220.3?？梢?，本發(fā)明Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料的熔點顯著降低。 實施例3:5(1) 分別按質量百分比稱量組分Ag3.4%， Cu0.70%， Mg0.7%，余量為Sn，總量100%;(2) 歩驟(2)至步驟(6)與實施例1的步驟(2)至步驟(6)相同。 該實施例通過測定升溫過程的DTA曲線，獲得該無鉛釬料的固相線溫度為209.9'C，液相線溫度為224.8。C; 240。C下在Cu基板上的鋪展面積為61.34mm2;其密度為7.25 g/cm3， 導電性為11.10 ICAS/%。而對比的商用Sn-4.0Ag-0.50Cu無鉛釬料的固相線溫度為218.2°C， 液相線溫度為220.3; 240'C下在Cu基板上的鋪展面積為115.5 mm2;其密度為7.41g/cm3， 導電性為13.10 ICAS/%?？梢姡景l(fā)明低熔點Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料具有較低的熔點，并 保持良好的潤濕性、導電性和較低的密度。 實施例4:(1) 分別按質量百分比稱量組分Ag3.6%， Cu0.60%， Mg0.1%，余量為Sn，總量100%;(2) 步驟(2)至步驟(6)與實施例1的步驟(2)至步驟(6)相同。 該實施例通過測定升溫過程的DTA曲線，獲得該無鉛釬料的固相線溫度為213.8°C，液相線溫度為227.9°C; 24(TC下在Cu基板上的鋪展面積為75.10mm2;其密度為7.35 g/cm3， 其導電性為11.03 ICAS/。/。。而對比的商用Sn-4.0Ag-0.50Cu無鉛釬料的固相線溫度為218.2°C， 液相線溫度為220.3; 240。C下在Cu基板上的鋪展面積為115.5 mm2;其密度為7.41g/cm3， 導電性為13.10 ICAS/%。可見，本發(fā)明低熔點Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料具有較低的熔點，并 保持良好的潤濕性、導電性和較低的密度。 實施例5:(1) 分別按質量百分比稱量組分Ag3.2%， Cu0.73%， Mg0.7%， La0.25%，余量為Sn， 總量100%;(2) 步驟(2)至步驟(6)與實施例1的步驟(2)至步驟(6)相同。 該實施例通過測定升溫過程的DTA曲線，獲得該無鉛釬料的固相線溫度為213.0°C，液相線溫度為229.4°C; 240。C下在Cu基板上的鋪展面積為92.63mm2;其導電性為11.60 ICAS/%。 與前述實施例所述的Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料相比，其潤濕性提高，導電率基本不變，而熔點 略有提高，但仍然低于Sn-4.0Ag-0.50Cu無鉛釬料。可見，在Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料中添加 微量La有利于進一步改進潤濕性，并保持較低的熔點和良好的導電性。 實施例6:(1) 分別按質量百分比稱量組分Ag3.3%， Cu 0.71%， Mg 0.68%， La0.59%，余量為 Sn，總量100%;(2) 步驟(2)至步驟(6)與實施例1的步驟(2)至步驟(6)相同。 該實施例通過測定升溫過程的DTA曲線，獲得該無鉛釬料的固相線溫度為210.9'C，液相線溫度為228,8°C; 240。C下在Cu基板上的鋪展面積為66.36mm2;其導電性為10.98 ICAS/%。 與實施例5所述的Sn-Ag-Cu-Mg-La無鉛釬料相比，其熔點下降,但潤濕性有所下降，導電率 相當?？梢?，在Sn-Ag-Cu-Mg無鉛釬料中添加微量La在保持較低的熔點和良好的導電性的 前提下,有利于進一步改進潤濕性，但過多加入則不利于潤濕性。
權利要求
1、一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料，其特征在于，按質量百分比由以下組分組成Ag為2.0-5.0％，Cu為0.1-1.5％，Mg為0.05-1.50％，La為0-0.60％，其余為Sn，各組分的質量之和為100％。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種低熔點Sn-Ag-Qi無鉛釬料，其特征在于，所述的組分 Ag纟屯度為99.90%。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料，其特征在于，所述的組分 Cu純度為99.90%。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料，其特征在于，所述的組分 Mg純度為99. 95%。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料，其特征在于，所述的組分 La純度為99. 95%%。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料，其特征在于，所述的組分 Sn純度為99.99%。
7、 一種制備權利要求l所述低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料的方法，其特征在于，該方法按 以下步驟進行(1) 按質量百分比分別稱量組分:Ag為2. 0-5.0%， Cu為O. 1-1.5%， Mg為O. 05-1. 50%， La 為0-0.60%，其余為Sn;(2) 將等質量的NaCl與KC1進行混合，配制得到保護熔劑；(3) 在坩堝中預熱保護熔劑，然后將組分Sn、 Ag、 Cu加入坩堝中待用；(4) 熔煉爐升溫到66(TC時，將上述坩堝放入爐中，同時將熔煉爐溫度升高到110(TC， 保溫15分鐘后取出空冷，獲得Sn-Ag-Cu中間合金；(5) 將Mg或Mg與La放入坩堝底部，同時將步驟(3)獲得Sn-Ag-Cu中間合金放入坩堝中， 補充少量保護熔劑，待熔煉爐升到66(TC，將坩堝放入爐中，并升溫至68(TC，保溫30分鐘后 取出空冷，獲得Sn-Ag-Cu-Mg或Sn-Ag-Cu-Mg-La無鉛釬料；(6) 將步驟(5)制得的Sn-Ag-Cu-Mg或Sn-Ag-Cu-Mg-La無鉛釬料在26(TC重熔2 3次， 從而得到本發(fā)明低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料。
8、 根據(jù)權利要求7所述一種制備權利要求l所述低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料的方法，其特征 在于，所述的NaCl為分析純NaCl。
9、 根據(jù)權利要求7所述一種制備權利要求l所述低熔點Sn-Ag-Cii無鉛釬料的方法，其特征 在于，所述的KC1為分析純KC1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料及其制備方法。該種無鉛釬料按質量百分比由以下組分組成Ag為2.0-5.0％，Cu為0.1-1.5％，Mg為0.05-1.50％，La為0-0.60％，其余為Sn。其特征是在三元Sn-Ag-Cu系無鉛釬料中加入微量元素Mg，或同時添加微量稀土元素La，并相應地調整Ag、Cu含量，通過制備得到的低熔點無鉛釬料。本發(fā)明的一種低熔點Sn-Ag-Cu無鉛釬料具有較低的熔點，良好的潤濕性、導電性、熱穩(wěn)定性和較低的密度，而且無污染、易制備，符合WEEE和RoHS指令要求，是一種具有應用開發(fā)潛力的新型無鉛釬料。
文檔編號B23K35/06GK101537543SQ20081023435
公開日2009年9月23日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權日2008年11月12日
發(fā)明者衛(wèi)成剛, 王保華, 飛 羅, 笙 蘆, 靜 陳 申請人:江蘇科技大學