專(zhuān)利名稱(chēng)：Sn－Zn－Cr合金無(wú)鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種焊接技術(shù)領(lǐng)域的焊料，具體地說(shuō)，是一種Sn-Zn-Cr合金無(wú)鉛焊料。
背景技術(shù)：
目前，能夠使用的無(wú)鉛焊料主要有Sn-Ag系和Sn-Zn系或以這兩種合金為基派生出來(lái)的三元或四元合金焊料合金焊料，如Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi等。但Sn-Ag系焊料與傳統(tǒng)的含鉛Sn-Pb系焊料相比，熔點(diǎn)高出近40℃，價(jià)格提高2倍，且與現(xiàn)有設(shè)備、工藝的兼容性差，存在著許多自身難以克服的缺點(diǎn)。與此相比，Sn-Zn系無(wú)鉛焊料，由于其熔點(diǎn)接近Sn-Pb系焊料，可兼容現(xiàn)有的工藝、設(shè)備，以及高強(qiáng)度、資源豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)而備受矚目，但由于該系焊料中的Zn元素反應(yīng)活性較大，易發(fā)生選擇性氧化，使Sn-Zn系無(wú)鉛焊料存在容易氧化、耐腐蝕性差等問(wèn)題，進(jìn)而影響了該種焊料的潤(rùn)濕性和使用壽命，應(yīng)用受到了限制。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朜o.6,361,626，專(zhuān)利名稱(chēng)為“Solder alloy and soldered bond”，(合金焊料及其釬焊)，該專(zhuān)利公開(kāi)了一種Sn-Zn-Al焊料，通過(guò)在Sn-Zn焊料中添加0.002-0.008質(zhì)量％的微量元素Al，使焊料在氧化時(shí)，更活性的Al取代Zn氧化，在表面形成致密的Al氧化膜，從而改善了焊料的抗氧化性和潤(rùn)濕性。眾所周知，金屬Al所形成的氧化膜極為致密，是一種很好的抗氧化保護(hù)膜，但如果該氧化膜過(guò)厚，會(huì)嚴(yán)重降低焊料的可焊性。因此，上述專(zhuān)利將焊料中的Al含量只能限制在成分極難控制的0.002-0.008質(zhì)量％范圍內(nèi)。例如熔煉或使用過(guò)程中Al容易氧化燒損，本來(lái)Al含量就低，加上焊料對(duì)Al含量要求過(guò)于苛刻，使該焊料不利于實(shí)際應(yīng)用。任曉雪，李明，毛大立在“合金元素對(duì)Sn-Zn基無(wú)鉛釬料高溫抗氧化性的影響”(電子元器件與材料，Vol.23，No.11，2004，P40-44)一文中曾報(bào)道過(guò)在Sn-9Zn合金中添加0.24質(zhì)量％的Cr元素可改善該系無(wú)鉛焊料的抗氧化性。但該文獻(xiàn)僅僅對(duì)組成為9質(zhì)量％Zn，0.24質(zhì)量％Cr，余量是Sn的Sn-9Zn-0.24Cr無(wú)鉛焊料進(jìn)行了研究，并沒(méi)有給出Sn-Zn-Cr焊料的最佳組成范圍，可以說(shuō)其組成的選定帶有一定的隨機(jī)性。另外該文獻(xiàn)提及的Sn-9Zn-0.24Cr無(wú)鉛焊料也只是改善了焊料的抗氧化性，焊料的潤(rùn)濕性并沒(méi)有得到提高，其它性能也沒(méi)有進(jìn)行詳盡的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種Sn-Zn-Cr合金無(wú)鉛焊料，使其不但抗氧化性和耐腐蝕性得到進(jìn)一步的改善，而且在保證熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度基本不變的前提下，其焊料的潤(rùn)濕性和延展性等性能也均有明顯的提高。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr為0.005-0.22％，Zn為3-12％，余量為Sn。
Cr的質(zhì)量百分比進(jìn)一步限定為0.01-0.20％。
Cr的質(zhì)量百分比再進(jìn)一步限定為0.05-0.18％。
Cr是不銹鋼的重要組成元素，具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性。另外，Cr與Zn元素可形成較穩(wěn)定性的Zn13Cr、Zn7Cr等金屬間化合物，可以進(jìn)一步起到穩(wěn)定焊料中的Zn，降低其反應(yīng)活性的作用。由于這兩個(gè)原因，在Sn-Zn焊料中引入合金元素Cr，可使焊料的抗氧化、耐腐蝕性得到明顯提高。同時(shí)這些金屬間化合物在合金中的彌散存在，可細(xì)化晶粒，改變焊料的金相組織結(jié)構(gòu)，使焊料的延展性等機(jī)械性能有較大的改善。再有，Sn-Zn系焊料的潤(rùn)濕性較差的原因之一是由于Zn的大量氧化在表面形成的氧化膜所致。因此，本發(fā)明的Sn-Zn-Cr合金焊料所具有的高抗氧化性和耐腐蝕性，也將會(huì)改善焊料的潤(rùn)濕性。解析表明，該焊料之所以具有高的抗氧化性和耐腐蝕性，是由于在表面Zn氧化層與基底金屬之間形成了Cr的阻擋層。在高溫或腐蝕環(huán)境中，該阻擋層可以降低Zn的活性，阻止Zn向外擴(kuò)散，進(jìn)而減少了Zn的氧化腐蝕，降低了Zn氧化層的厚度。當(dāng)Sn-Zn-Cr焊料中Cr的含量小于0.005質(zhì)量％時(shí)，在焊料的表面附近很難形成Cr的阻擋層，抗氧化效果不夠明顯；當(dāng)含量高于0.2質(zhì)量％時(shí)，易造成金屬間化合物等的偏析，這種偏析使Cr阻擋層不均勻，局部過(guò)厚，對(duì)抗氧化性和潤(rùn)濕性有負(fù)面影響、也會(huì)使延展性下降。如果控制焊料中Cr的含量在0.005-0.22質(zhì)量％范圍內(nèi)時(shí)，阻止Zn氧化的Cr阻擋層均勻，厚度適中，又沒(méi)有偏析現(xiàn)象發(fā)生，使焊料的抗氧化性、延展性和潤(rùn)濕性均均有明顯的提高。如果焊料中Cr的含量為0.05-0.18％，那么本發(fā)明的效果將處于最佳狀態(tài)，可獲得優(yōu)良的綜合性能。
本發(fā)明提供的Sn-Zn-Cr新型無(wú)鉛焊料可以用很多方法制備，即可用三種金屬直接混合熔煉的直接熔煉法，也可用先制取Sn-Cr等中間合金，再制備Sn-Zn-Cr合金的分步熔煉方法。由于合金在制備時(shí)Zn、Cr易氧化燒損，因此熔煉時(shí)最好在真空或氣體、熔鹽等保護(hù)條件下熔煉。熔煉時(shí)所用的原材料可以是粉末狀純金屬、粒狀純金屬，也可以是塊狀純金屬。采用粉末狀金屬熔煉時(shí)，熔煉速度較快，但容易燒損，而塊狀金屬熔煉時(shí)，熔煉溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)，但不易燒損，各有利弊。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過(guò)在Sn-Zn合金中加入少量的Cr元素，Cr與焊料中的Zn元素形成穩(wěn)定的Zn13Cr、Zn7Cr相，以降低Zn的化學(xué)反應(yīng)活性，同時(shí)這些金屬間化合物在合金中的彌散存在，又可阻止粗大葉片狀Zn共晶相的生成，形成細(xì)晶組織，使焊料在保持Sn-Zn合金原有低熔點(diǎn)、良好抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，克服原Sn-Zn合金焊料自身難以克服的缺點(diǎn)，使抗氧化性、耐腐蝕性提高1到兩倍、延展性提高5-50％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-Zn合金焊料的平均8秒縮短到1-4秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
本發(fā)明提供的焊料由于克服了現(xiàn)有Sn-Zn合金焊料自身難以克服的缺點(diǎn)，故其應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)寬，如可用在原Sn-Zn合金焊料無(wú)法應(yīng)用的波峰焊、手工焊等新領(lǐng)域?？傊?，本發(fā)明提供的焊料及其相關(guān)焊料制品，與Sn-Zn合金焊料相比，開(kāi)拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，其應(yīng)用前景廣闊。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.005％，Zn3％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-3Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的高溫腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)已有減少，經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性略好于Sn-3Zn焊料。而延展性比Sn-3Zn焊料提高5％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-3Zn合金焊料的6秒縮短到4秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例2本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.01％，Zn7％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-7Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)進(jìn)一步減少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性明顯好于Sn-7Zn焊料。而延展性比Sn-7Zn焊料提高10％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-7Zn合金焊料的8秒縮短到3秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例3本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.05％，Zn9％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-9Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)明顯減少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性遠(yuǎn)好于Sn-9Zn焊料。而延展性比Sn-9Zn焊料提高30％，比Sn-9Zn-0.24Cr焊料提高10％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-9Zn合金焊料的8秒縮短到1.5秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例4本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.1％，Zn12％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-12Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)明顯減少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性遠(yuǎn)好于Sn-12Zn焊料。而延展性比Sn-12Zn焊料提高50％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-12Zn合金焊料的12秒縮短到1.5秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例5本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.18％，Zn9％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-9Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)極少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Sn-9Zn焊料。而延展性比Sn-9Zn焊料提高40％，比Sn-9Zn-0.24Cr焊料提高10％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-9Zn合金焊料的8秒縮短到1.5秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例6本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.20％，Zn9％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-9Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)極少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Sn-9Zn焊料。而延展性比Sn-9Zn焊料提高40％，比Sn-9Zn-0.24Cr焊料提高10％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-9Zn合金焊料的8秒縮短到2.0秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例7本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.22％，Zn9％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-9Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)極少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Sn-9Zn焊料。而延展性比Sn-9Zn焊料提高30％，比Sn-9Zn-0.24Cr焊料提高6％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-8Zn合金焊料的8秒縮短到3.5秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例8本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr0.20％，Zn9％，余量為Sn。
各種性能測(cè)定表明該焊料的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度與Sn-9Zn合金焊料基本相同。在85℃，濕度為85％的腐蝕條件下經(jīng)24小時(shí)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕斑點(diǎn)極少，且經(jīng)250℃×25小時(shí)抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)后，光澤性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Sn-9Zn焊料。而延展性比Sn-9Zn焊料提高40％，比Sn-9Zn-0.24Cr焊料提高10％，潤(rùn)濕時(shí)間由Sn-7Zn合金焊料的8秒縮短到2.5秒，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。
權(quán)利要求
1.一種Sn-Zn-Cr合金無(wú)鉛焊料，其特征在于，組分及其質(zhì)量百分比為Cr為0.005-0.22％，Zn為3-12％，余量為Sn。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sn-Zn-Cr合金無(wú)鉛焊料，其特征是，所述的Cr為0.01-0.20％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Sn-Zn-Cr合金無(wú)鉛焊料，其特征是，所述的Cr為0.05-0.18％。
全文摘要
一種Sn－Zn－Cr合金無(wú)鉛焊料，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr為0.005－0.22％，Zn為3－12％，余量為Sn。Cr是不銹鋼的重要組成元素，具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性。另外，Cr與Zn元素可形成較穩(wěn)定性的Zn13Cr、Zn7Cr等金屬間化合物，可以進(jìn)一步起到穩(wěn)定焊料中的Zn，降低其反應(yīng)活性的作用。本發(fā)明不但使抗氧化性和耐腐蝕性得到進(jìn)一步的改善，而且在保證熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度基本不變的前提下，其焊料的潤(rùn)濕性和延展性等性能也均有明顯的提高。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1730229SQ20051002844
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者李明, 任曉雪, 陳熹, 毛大立 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)