專利名稱：錫銀鋅鉍系高性能無鉛焊料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無鉛焊料技術(shù)，涉及錫銀鋅鉍系高性能的無鉛焊料及制備方法。
背景技術(shù)：
重視環(huán)保、提倡綠色產(chǎn)品是當今世界關(guān)注的焦點，是經(jīng)濟發(fā)展的大趨勢。傳統(tǒng)鉛 錫焊料的使用已有約兩千年的歷史，并在現(xiàn)代電子裝配工業(yè)中更是得到廣泛應(yīng)用。但由于 鉛對人體神經(jīng)系統(tǒng)的損害給人類健康帶來不可忽視的危害，鉛污染問題日益受到人們的重 視，以至于目前在國際上實現(xiàn)電子產(chǎn)品無鉛化呼聲很高。歐盟領(lǐng)導(dǎo)下的電子電氣設(shè)備廢棄 組織(WEEE)要求在2006年停止在電子裝配工業(yè)中使用含鉛材料。美國國家電子制造協(xié)會 (NEMI)為此專門實施一個名為"NEMI的焊接無鉛化計劃"來系統(tǒng)研究無鉛裝配在電子工業(yè) 中的使用問題；日本的主要消費電子制造企業(yè)也紛紛承諾盡快全面實現(xiàn)無鉛電子裝配，這 一切使無鉛焊料的研究迫在眉睫。 目前，世界各國都在開展無鉛焊料的研究以替代傳統(tǒng)的錫鉛焊料，并已取得了一 定的成果。為迎接全球同步焊接無鉛化的浪潮，避開國際上已發(fā)展的無鉛焊料專利壁壘，制 定適合中國國情的無鉛焊料發(fā)展戰(zhàn)略已成為中國電子裝配工業(yè)的當務(wù)之急。我國政府也高 度重視電子產(chǎn)品環(huán)境污染問題，為此出臺了《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》，以確保我 國電子信息產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。但我國電子產(chǎn)品無鉛化技術(shù)的研究起步較晚，有自主知識 產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化無鉛電子產(chǎn)品更是寥寥無幾，因此，新型無鉛焊料的研發(fā)已成為材料科學(xué)的 前沿課題之一。 當今市場上熱、力學(xué)性能較好的無鉛焊料大多屬于Sn-Ag系，其中Sn-Ag-Cu三元 共晶焊料潤濕性好，強度和塑性高，具有優(yōu)良的耐熱疲勞特性。而Sn-Ag-Zn合金中，Zn可與 抗腐蝕元素Ag結(jié)合生成金屬間化合物，使腐蝕電位急劇降低，且潤濕性與Sn-Ag共晶焊料 相當。與Sn-Ag相比，Sn-Ag-Zn在許多方面都可提供優(yōu)越的機械性能，其具有較好的強度 而不損失絲毫延展性，高溫蠕變性能顯著提高，并稍微降低合金熔點。因此，在我們以前的 工作中研究開發(fā)了自適應(yīng)Sn-Ag-Zn系無鉛焊料，并采用In、 Al等微合金化，以及SiC、 Cu、 Ag和MgB2等顆粒增強的方法，以提高焊料合金的綜合性能。 經(jīng)過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，元素Bi能降低合金熔點，提高蠕變特性，增大合金的拉 伸強度及硬度，具有良好的穩(wěn)定性。將其加入到Sn-Ag-Zn焊料合金中，并調(diào)整各個元素間 的比例，形成Sn-Ag-Zn-Bi系無鉛焊料合金，具有更高的力學(xué)性能及熱疲勞性能，而且比顆 粒增強的方法具有更簡單的工藝，能更好的滿足較高的工業(yè)應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供高性能的錫銀鋅鉍系無鉛焊料，該焊料在硬度、熔點、拉伸強 度、可焊性等方面表現(xiàn)優(yōu)異，可滿足工業(yè)應(yīng)用要求，其制備方法簡單。 本發(fā)明的錫銀鋅鉍系高性能無鉛焊料，其特征是在焊料中含有純度為99. 99%的 鉍元素。
本發(fā)明的的錫銀鋅鉍系高性能無鉛焊料的制備方法，是將純度為99.99%的錫、 銀、鋅、鉍元素，質(zhì)量比為89 95. 5 : 3 5 : 0. 5 2 : 1 4，在氬氣保護下的真空熔 煉爐中加熱到900 130(TC熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再 將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到300 60(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉(zhuǎn)加熱至少五 次。 在原料中加入質(zhì)量比為0 2的稀土元素、0 2. 5的鎵或0 3磷。 本發(fā)明優(yōu)點是錫銀鋅鉍系無鉛焊料使焊料具有更好的綜合性能，如較低的熔點，
如圖5所示，隨著Bi含量的增加，焊料合金的熔點降低，更加接近SnPb共晶焊料合金的熔
點183t:;較高的顯微硬度，如圖6所示，Bi的加入起到了固溶強化的作用，大幅度提高了焊
料的硬度；較高的拉伸強度，如圖7所示，Bi含量的增高，焊料的拉伸強度明顯提高；以及良
好的潤濕性能等，可以更好的在熱沖擊環(huán)境工作條件下服役。


圖1實施例1無鉛焊料的顯微組織；圖2實施例2無鉛焊料的顯微組織；圖3實施例3無鉛焊料的顯微組織；圖4實施例4無鉛焊料的顯微組織；圖5Sn-3. 7%、Ag-0. 9%、Zn-x%、Bi(x =圖6Sn-3. 7%、Ag-0. 9%、Zn-x%、Bi(x =圖7Sn-3. 7%、Ag-0. 9%、Zn-x%、Bi(x =
應(yīng)力圖。
1、2、3和4)焊料的熔點曲線圖； 1、2、3和4)焊料的顯微硬度圖； 1、2、3和4)焊料的最大載荷及其拉伸
具體實施方式

例1 將純度為99.99%的錫、銀、鋅、鉍按質(zhì)量比為95. 5 : 3 : 0. 5 : 1在氬氣保護下 的真空熔煉爐中加熱到130(TC熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。 再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到50(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉(zhuǎn)加熱至少五次得 到錫銀鋅鉍系無鉛焊料。其顯微組織如圖l所示，組織由P-Sn枝晶(亮區(qū)域)和細密的 顆粒(暗區(qū)域)組成，該焊料合金具有較高的維氏硬度(30左右)和較低的熔點(215t:左 右)。 例2 將純度為99.99%的錫、銀、鋅、鉍按質(zhì)量比為89 :5:2: 4在氬氣保護下的真 空熔煉爐中加熱到IOO(TC熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將 合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到50(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉(zhuǎn)加熱至少五次得到錫 銀鋅鉍系無鉛焊料。其顯微組織如圖2所示，組織成定向凝固狀態(tài)，極為細密，該焊料合金 熔點只有20(TC左右，維氏硬度達到50左右，拉伸強度達到70MPa左右，達到很好的綜合性 能。 例3 將純度為99.99%的錫、銀、鋅、鉍按質(zhì)量比為92. 5 : 3. 5 : 1. 5 : 2. 5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到110(TC熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝 固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到50(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉(zhuǎn)加熱至少五 次得到錫銀鋅鉍系無鉛焊料.其顯微組織如圖3所示，同樣是由13 -Sn枝晶和細密的顆粒 組成，該焊料合金潤濕性好，熔點低，硬度和拉伸強度較高。
例4 可在焊料合金中中加入稀土元素以細化組織，可加鎵及磷以提高抗氧化 性。具體措施如下，將純度為99.99 %的錫、銀、鋅、鉍、鎵、磷、稀土元素按質(zhì)量比為
91.3 : 3.5 : 1.5 : 2.5 : 0.5 : 0.2 : o. 5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到i200°c
熔化(其中稀土元素以預(yù)配好的錫稀土中間合金的形式加入)，同時加以磁攪拌，以使合金
成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到50(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷， 這樣翻轉(zhuǎn)加熱至少五次得到錫銀鋅鉍系無鉛焊料。其顯微組織如圖4所示，與圖3相比，起 到了一定的細化作用，其硬度和拉伸性能也進一步提高。 本發(fā)明提出的一種錫銀鋅鉍系高性能的無鉛焊料及制備方法，已通過實施例進行 了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明的內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的制作方 法進行改動或適當變更與組合，來實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替 換和改動對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和 內(nèi)容中。
權(quán)利要求
一種錫銀鋅鉍系高性能無鉛焊料，其特征是在焊料中含有純度為99.99％的鉍元素。
2. 權(quán)利要求1的錫銀鋅鉍系高性能無鉛焊料的制備方法，其特征是將純度為99. 99%的錫、銀、鋅、鉍元素，質(zhì)量比為89 95. 5 : 3 5 : 0. 5 2 : l 4，在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到900-130(TC熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分 均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到300-60(TC熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉(zhuǎn)加熱至 少五次。
3. 如權(quán)利要求2的方法，其特征是在原料中加入質(zhì)量比為0 2的稀土元素、0 2. 5 的鎵或0 3磷。
全文摘要
本發(fā)明涉及錫銀鋅鉍系高性能的無鉛焊料及制備方法。將純度為99.99％的錫、銀、鋅、鉍元素，質(zhì)量比為89～95.5∶3～5∶0.5～2∶1～4，在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到900～1300℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到300～600℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣翻轉(zhuǎn)加熱至少五次。本發(fā)明優(yōu)點是錫銀鋅鉍系無鉛焊料使焊料具有更好的綜合性能，如較低的熔點、較高的顯微硬度、較高的拉伸強度和良好的潤濕性能，可以更好的在熱沖擊環(huán)境工作條件下服役。
文檔編號B23K35/40GK101700604SQ20091030648
公開日2010年5月5日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者余黎明, 劉永長, 王珣, 董治中, 高志明 申請人:天津大學(xué)