專利名稱：Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料，屬焊接及焊接材料技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
Sn-Pb焊料(共晶成分為Sn-37Pb)以其焊接性能好、在Cu基板上的潤濕性能良 好、熔點低、價格便宜等優(yōu)點，長期以來廣泛地運(yùn)用于現(xiàn)代電子線路板的連接和組裝中。但 隨著微細(xì)間距器件的發(fā)展，組裝密度愈來愈高，焊點愈來愈小，而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和 熱學(xué)負(fù)荷則愈來愈重，對可靠性要求日益提高，傳統(tǒng)的Sn-Pb合金由于其抗蠕變性差，剪切 強(qiáng)度較低等，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代電子工業(yè)對可靠性的要求。同時，鉛及其化合物屬于有毒物 質(zhì)，長期使用會給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害，歐美及日本等國家都相繼出臺了 較為嚴(yán)格的"禁鉛"法令，因此，基于地區(qū)立法、市場競爭及人們對自身健康和生存環(huán)境的關(guān) 注，在電子制造業(yè)實行無鉛化已勢在必行。 近年來的不斷研究和挑選，運(yùn)用比較廣泛的是Sn-Ag， Sn-Cu和Sn-Ag-Cu系無鉛焊 料。其中Sn-Ag-Cu被認(rèn)為是最有可能取代傳統(tǒng)Sn-37Pb合金的無鉛焊料。它具有良好的 力學(xué)性能以及較大成分范圍的熔化溫度都接近三元共晶溫度，在生產(chǎn)和制備上有很好的可 控性。如歐盟推薦的Sn-3. 8Ag-0. 7Cu，美國NEMI推薦的Sn_3. 9Ag_0. 6Cu以及日本JEITA 推薦的Sn-3. OAg-0. 5Cu無鉛焊料，同時Sony公司也推出并使用了 Sn_2. 5Ag_0. 5Cu_lBi合 金，其熔點是222°C 。正是由于這些合金存在著熔點高，組織粗大，金屬間化合物易粗化，成 本也較高等缺點。使得該系列合金在實際中的推廣應(yīng)用受到了一定程度的限制。盡管已有 相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在Sn-Ag-Cu中加入Cr可以形成致密氧化層，提高合金的抗氧化性能，且具 有細(xì)化合金組織的作用。然而，這種Sn-Ag-Cu-Cr焊料的熔點會進(jìn)一步升高，使得該焊料不 能很好地適用于現(xiàn)有的封裝工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有合金焊料的缺陷和不足，提供一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr 五元合金無鉛焊料及其制備方法。 本發(fā)明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料，其特征在于具有以下的組分及 其重量百分比
Bi 1.0-10.0%， Cr 0.05-1.50%， Ag 2.0-4.0%， Cu 0.50-1.50%， Sn 余量；




各組分金屬原料的純度分別為Bi > 99. 99%， Cr > 99.5%， Ag > 99. 99%，
Cu > 99. 99%， Sn > 99. 99%。
上述的一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料，其特征在于上述合金成分中作
為輔助添加的合金元素Bi和Cr的優(yōu)選用量為Bi 3. 0-10. 0%，Cr 0.05-1.0%。 本發(fā)明一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料的制備方法，其特征在于具有以
下過程首先按上述配方稱取各組分金屬原料粉體；隨后利用高頻高頻感應(yīng)爐按傳統(tǒng)常規(guī)
的熔制溫度制度進(jìn)行熔制；先熔制Sn-Cr中間合金，經(jīng)化學(xué)分析得Cr的具體含量后，根據(jù)上
述設(shè)計成分計算并稱取適量的所述Sn-Cr中間合金，并加入到Ag、Cu、Sn和Bi的混合料中，
然后將此混合料進(jìn)行混合熔煉，最終制得Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料。本發(fā)明的合金是在Sn-3Ag-0. 5Cu無鉛焊料的基礎(chǔ)上同時添加合金元素Bi和Cr
而制成。 有研究表明，在Sn-Ag-Cu中加入Cr，因其固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，可以改善焊料的 力學(xué)性能，而且能夠有效控制金屬間化合物的生長，使焊料的組織細(xì)化，以及提高焊料的熱 穩(wěn)定性和抗蠕變性能等。同時，添加Bi可以降低焊料的熔點，尤其是在引入Cr后引起的熔 點升高問題得以控制，從而使焊料適用于現(xiàn)有的焊接工藝，另外，Bi還可以提高無鉛焊料的 潤濕性。而Ag， Cu和Cr的存在，可以有效抑制Bi的偏析，實現(xiàn)了各元素作用的優(yōu)勢互補(bǔ)。 而且加入合金元素的價格都比Sn便宜，又在一定程度上減少了貴金屬Ag的用量，從而降低 了焊料的成本。 本發(fā)明五元合金無鉛焊料可有效降低Sn-Ag-Cu傳統(tǒng)合金的熔點，能細(xì)化焊料金 相組織，抑制金屬間化合物的粗化和抑制所形成焊點界面的金屬間化合物層的生長速率。
本發(fā)明提供的優(yōu)點是，所用的原料均為市場銷售的規(guī)范產(chǎn)品，容易獲得；而且本發(fā) 明方法工藝簡單，操作方便。本發(fā)明制得的焊料可以做成焊條、焊絲、焊片、焊球、焊粉、焊膏 等多種形式的產(chǎn)品，可用于電子封裝或組裝的各個焊接環(huán)節(jié)。


圖1為本發(fā)明以高頻感應(yīng)爐真空熔煉的Sn-Cr中間合金的金相組織照片圖。
圖2為本發(fā)明Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金的金相組織照片圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。
實施例1 五元合金無鉛焊料各組分重量百分比為Bi :3. 0%， Cr :0. 05%， Ag :3. 0%， Cu :0. 5%， Sn為93. 45%。
制備過程如下采用高頻感應(yīng)爐按傳統(tǒng)常規(guī)的熔制溫度制度進(jìn)行熔制；先熔制
Sn-Cr中間合金，經(jīng)化學(xué)分析得Cr的具體含量后，根據(jù)上述設(shè)計成分計算并稱取適量的所
述Sn-Cr中間合金加入到Ag、Cu、Sn和Bi的混合料中，然后將此混合料進(jìn)行混合熔煉，最終
制得Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料。 實施例2 各組分重量百分比Bi :1%， Cr :0. 05%， Ag :3%， Cu :0. 5%， Sn為95. 45%。 其制備方法同實施例l。
實施例3 各組分重量百分比 Bi :5%， Cr :0. 1%， Ag :2. 5%， Cu :0. 5%， Sn為91. 90%。 其制備方法同實施例l。 實施例4 各組分重量百分比 Bi :6%， Cr :0. 5%， Ag :2%， Cu :0. 5%， Sn為91. 0%。 其制備方法同實施例l。 實施例5 各組分重量百分比 Bi :7%， Cr :1%， Ag :3%， Cu :1. 5%， Sn為87. 5%。 其制備方法同實施例l。 實施例6 各組分重量百分比 Bi :9%， Cr :1. 25%， Ag :3%， Cu :1%， Sn為85. 75%。 其制備方法同實施例l。 比較例1 各組分重量百分比 Ag :3%， Cu :0. 5%， Sn為96. 5%。 比較例2 各組分重量百分比 Ag :3%， Cu :0. 5%， Cr :0. 05%， Sn為96. 45%。 本發(fā)明實施例1和比較例1，比較例2的熔點和鑄態(tài)組織的比較數(shù)據(jù)如表1 表1
成分(wt% )熔點(°c )鑄態(tài)組織
實施例1Sn-3Ag-0. 5Cu-3Bi-0. 05Cr205-216細(xì)小、均勻
比較例1Sn-3Ag-0. 5Cu220粗大
比較例2Sn-3Ag-0. 5Cu-0. 05Cr218-225較細(xì) 熔點的測定是稱取7. Omg左右的合金，利用差示掃描量熱儀(DSC)在氬氣保護(hù)氣氛下，設(shè)定升溫速率為10°C /min，有效記錄溫度區(qū)間為15(TC _260°C 。
本發(fā)明實施例中熔煉所得的中間合金Sn-Cr的金相組織參見圖1。
本發(fā)明實施例中所得的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金的金相組織參見圖2。
權(quán)利要求
一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料，其特征在于具有以下金屬元素的組分及其重量百分比Bi1.0-10.0％，Cr 0.05-1.50％，Ag2.0-4.0％， Cu 0.50-1.50％，Sn余量；各組分金屬原料的純度分別為Bi≥99.99％，Cr≥99.5％，Ag≥99.99％，Cu≥99.99％，Sn≥99.99％。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料，其特征在于上述合金成分中作為輔助添加的合金元素Bi和Cr的優(yōu)選用量為Bi 3.0-10.0%， Cr0. 05-1. 0%。
3. —種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料的制備方法，其特征在于具有一下過程首先按上述配方稱取各組分金屬原料粉體；隨后利用高頻高頻感應(yīng)爐按傳統(tǒng)常規(guī)的熔制溫度制度進(jìn)行熔制；先熔制Sn-Cr中間合金，經(jīng)化學(xué)分析得Cr的具體含量后，根據(jù)上述設(shè)計成分計算并稱取適量的所述Sn-Cr中間合金，并加入到Sn、Ag、Cu和Bi的混合料中，然后將此混合料進(jìn)行混合熔煉，最終制成Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料，屬焊接及焊接材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的合金無鉛焊料，本發(fā)明合金無鉛焊料的金屬元素組分及其重量百分比為Bi 1.0-10.0％，Cr 0.05-1.50％，Ag 2.0-4.0％，Cu 0.50-1.50％，Sn余量。各組分金屬原料的純度為99.99％。五元合金無鉛焊料的制備方法是按上述配方配制的原料，首先通過高頻感應(yīng)爐按傳統(tǒng)常規(guī)的熔制溫度制度進(jìn)行熔制；先熔制Sn-Cr中間合金，經(jīng)化學(xué)分析得Cr的具體含量后，根據(jù)設(shè)計成分計算并稱取適量的所述Sn-Cr中間合金，并加入到Ag、Cu、Sn和Bi的混合料中，然后將此混合料進(jìn)行混合熔煉，最終制得Sn-Ag-Cu-Bi-Cr五元合金無鉛焊料。本發(fā)明的合金焊料，其熔點較低、可細(xì)化合金組織、有效抑制金屬間化合物的過度生長、且成本低，具有實用價值。
文檔編號B23K35/40GK101733576SQ200910199580
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者張慶, 王春燕, 蘇國彪, 鞠國魁, 韋習(xí)成, 韓永久 申請人:上海大學(xué)