專利名稱：銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料及制備方法，屬于復合無鉛焊料技術。
背景技術：
重視環(huán)保、提倡綠色產(chǎn)品是當今世界經(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。歐盟領導下的電子電氣設備廢棄組織(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。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)的當務之急。據(jù)估算，2004年中國電子信息產(chǎn)業(yè)銷售收入達2.73萬億元，其中出口占一半左右。國際上相關法令法規(guī)的實施已關系到中國相關鉛產(chǎn)品的出口，也直接關系到我國生態(tài)環(huán)境和人體健康的保護。國內(nèi)電子產(chǎn)品無鉛化勢在必行。我國政府高度重視電子產(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)品無鉛化技術的研究起步較晚，有自主知識產(chǎn)權的商業(yè)化無鉛電子產(chǎn)品更是寥寥無幾，因此，材料科學工作者面臨著使用無鉛焊料取代傳統(tǒng)鉛錫焊料的挑戰(zhàn)，新型無鉛焊料的研發(fā)已成為材料科學的前沿課題之一。
焊點作為電路板上起連接、導電及導熱作用的結構，承受著電子器件與基板材料熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的大部分剪切應力，當電子設備反復運行時，處于熱循環(huán)中的焊點將受到剪切力的交替作用，導致焊點開裂，使的電子系統(tǒng)故障，因此，美國海軍研究生院研究人員采用攪拌法將通過淬冷誘發(fā)馬氏體形成后的鎳鈦形狀記憶合金顆粒加入錫銀銅共晶無鉛焊料制得復合焊料。在達到工作溫度時，焊點受到由于連接組件熱膨脹系數(shù)差異而引發(fā)的外剪切應力，但同時焊點內(nèi)形狀記憶材料由馬氏體向奧氏體轉變所產(chǎn)生的回復力將引起焊點膨脹來抵消焊點所受的外剪切應力，使焊料的彈性得到提高，降低了焊料與基板材料熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的大部分剪切應力。但由于鎳鈦形狀記憶合金顆粒與焊料及基板間的潤濕性很差，成功將鎳鈦形狀記憶合金顆粒均勻復合于基體中十分困難，雖然采取鎳鈦顆粒表面鍍銅或加入氫氟酸基焊劑來改善其潤濕性，但一方面收效甚微，另一方面成本增加也是一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料及其制備方法，該焊料在工作溫度變化時具有形狀記憶效應，能提高焊點服役壽命。其制備方法簡單。
本發(fā)明是通過下述技術方案加以實現(xiàn)的，一種銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料，其特征在于，在純度為99.99％的質量比為96.5∶3.5錫和銀共晶無鉛焊料中，含有質量比為1％-5％的銅鋅鋁質量比為74-66∶24-28∶2-6的粒徑為20-50μm的形狀記憶合金。
上述的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料制備方法，其特征在于包括以下過程將純度為99.99％的錫和銀按質量比為96.5∶3.5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉后重新加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的紐扣狀的錫銀共晶無鉛焊料；將質量比為74-66∶24-28∶2-6的粒徑為20-50μm的銅鋅鋁形狀記憶合金在真空環(huán)境中加熱到800℃，保溫10分鐘，快速將其通過水淬使合金中生成熱彈性馬氏體，使其在20℃和100℃之間具有雙程形狀記憶效應。然后將質量比為1％到5％的制得的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料一起放入真空保護下的坩鍋中加熱到230-280℃并攪拌均勻，再通過水冷就得到復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料。
本發(fā)明優(yōu)點是通過將銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒加入錫銀無鉛焊料使焊料具有了形狀記憶效應，可以更好的在熱沖擊環(huán)境工作條件下服役，同時比起鎳鈦形狀記憶合金顆粒增強型錫銀無鉛焊料，銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與錫銀基體有良好的潤濕性，且經(jīng)濟性較好。


圖1為復合焊料的顯微金相照片，其中均勻分布著銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒(白亮區(qū)域為銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒)。
圖2為復合焊料的顯微金相照片，其中銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒在50℃時的光滑形貌，顆粒為母相。
圖3為復合焊料的顯微金相照片，其中銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒在20℃時顯現(xiàn)熱彈性馬氏體浮凸，顆粒為馬氏體相。
圖4為復合焊料的差熱分析曲線，曲線中在從20℃升溫到150℃和從150℃降溫到20℃時，焊料都有相應的吸放熱峰，表明焊料具備形狀記憶效應。
圖5為將錫銀焊料和銅鋅鋁形狀記憶合金焊接后在150℃保溫16小時后的界面微觀形貌掃描電鏡照片，其良好的結合說明錫銀焊料和銅鋅鋁形狀記憶合金有良好的潤濕性。
具體實施例方式
例1將純度為99.99％的錫和銀按質量比為96.5∶3.5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1200℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻。然后水冷凝固。為了使合金充分均勻，將合金翻轉后重新加熱到1200℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的紐扣狀的錫銀共晶無鉛焊料。將質量比為74∶22∶4銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒(大小為20-50μm)在真空環(huán)境中加熱到800℃，保溫10分鐘，快速將其通過水淬使合金中生成熱彈性馬氏體，使其在25℃和60℃之間具有雙程形狀記憶效應。然后將質量比為1％的制得的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料一起放入真空保護下的坩鍋中加熱到230℃并攪拌均勻，再通過水冷就得到復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料。
例2將純度為99.99％的錫和銀按質量比為96.5∶3.5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1500℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻。然后水冷凝固。為了使合金充分均勻，將合金翻轉后重新加熱到1500℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的紐扣狀的錫銀共晶無鉛焊料。將質量比為74∶22∶4銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒(大小為20-50μm)在真空環(huán)境中加熱到800℃，保溫10分鐘，快速將其通過水淬使合金中生成熱彈性馬氏體，使其在30℃和80℃之間具有雙程形狀記憶效應。然后將質量比為5％的制得的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料一起放入真空保護下的坩鍋中加熱到250℃并攪拌均勻，再通過水冷就得到復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料。
例3將純度為99.99％的錫和銀按質量比為96.5∶3.5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1400℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻。然后水冷凝固。為了使合金充分均勻，將合金翻轉后重新加熱到1400℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的紐扣狀的錫銀共晶無鉛焊料。將質量比為66∶28∶6銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒(大小為20-50μm)在真空環(huán)境中加熱到800℃，保溫10分鐘，快速將其通過水淬使合金中生成熱彈性馬氏體，使其在20℃和70℃之間具有雙程形狀記憶效應。然后將質量比為3％的制得的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料一起放入真空保護下的坩鍋中加熱到260℃并攪拌均勻，再通過水冷就得到復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料。
例4將純度為99.99％的錫和銀按質量比為96.5∶3.5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1300℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻。然后水冷凝固。為了使合金充分均勻，將合金翻轉后重新加熱到1300℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷。這樣反復五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的紐扣狀的錫銀共晶無鉛焊料。將質量比為66∶28∶6銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒(大小為20-50μm)在真空環(huán)境中加熱到800℃，保溫10分鐘，快速將其通過水淬使合金中生成熱彈性馬氏體，使其在35℃和100℃之間具有雙程形狀記憶效應。然后將質量比為4％的制得的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料一起放入真空保護下的坩鍋中加熱到280℃并攪拌均勻，再通過水冷就得到復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料。
權利要求
1.一種銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料，其特征在于，在純度為99.99％的質量比為96.5∶3.5錫和銀共晶復合無鉛焊料中，含有質量比為1％-5％的銅鋅鋁質量比為74-66∶24-28∶2-6的粒徑為20-50μm的形狀記憶合金。
2.一種銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料的制備方法，其特征在于包括以下過程將純度為99.99％的錫和銀按質量比為96.5∶3.5在氬氣保護下的真空熔煉爐中加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固，再將合金翻轉后重新加熱到1200℃-1500℃熔化，同時加以磁攪拌并水冷，這樣反復至少五次，得到直徑約為3.0-3.5cm的紐扣狀的錫銀共晶無鉛焊料；將質量比為74-66∶24-28∶2-6的粒徑為20-50μm的銅鋅鋁形狀記憶合金在真空環(huán)境中加熱到800℃，保溫10分鐘，快速將其通過水淬使合金中生成熱彈性馬氏體，使其在20℃和100℃之間具有雙程形狀記憶效應；然后將質量比為1％到5％的制得的銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料一起放入真空保護下的坩鍋中加熱到230-280℃并攪拌均勻，再通過水冷就得到復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀復合焊料及制備方法，屬于復合無鉛焊料技術。所述的復合焊料，是在純度為99.99％的質量比為96.5∶3.5錫和銀共晶復合無鉛焊料中，含有質量比為1％－5％的銅鋅鋁質量比為74－66∶24－28∶2－6的粒徑為20－50μm的形狀記憶合金。該焊料制備方法，包括以下過程質量比為96.5∶3.5的純度為99.99％的錫和銀共晶無鉛焊料熔煉；質量比為74－66∶24－28∶2－6的粒徑為20－50μm的銅鋅鋁形狀記憶合金熱彈性馬氏體的制備；銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒與熔配而成的錫銀共晶無鉛焊料熱混和水冷。制得的復合銅鋅鋁形狀記憶合金顆粒增強型錫銀合金焊料，在工作溫度變化時具有形狀記憶效應，能提高焊點服役壽命，其制備方法簡單。
文檔編號B23K35/26GK1672858SQ200510013429
公開日2005年9月28日 申請日期2005年5月9日 優(yōu)先權日2005年5月9日
發(fā)明者沈駿, 劉永長, 高后秀 申請人:天津大學