專利名稱：無鉛釬料活性合金添加劑及無鉛合金釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金，特別是用于電子封裝釬焊料的合金。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電子封裝釬焊材料為錫鉛釬料，其含有對人體和環(huán)境具有極大危害的鉛。為了消除鉛的污染，人們相繼研究出多種用于取代錫鉛釬料的無鉛釬料，如Sn-Ag Sn-Bi-Ag Sn-Ag-Cu等，這些釬料合金雖不含鉛，但其價(jià)格十分昂貴，是錫鉛合金價(jià)格的3倍左右。為此，在波峰焊中廣泛使用的是Sn-Cu釬料合金，該釬料雖價(jià)格便宜、成本低廉，但其潤濕性差、而且釬焊接頭組織粗大、力學(xué)性能較差。目前也有人向錫基合金中加入具有獨(dú)特作用的稀土無素來改善無鉛釬料的性質(zhì)，如專利號為6361742的美國專利，其所采用的稀土元素主要是鑭、鈰及其混合物。它的不足之處是鑭、鈰等稀土金屬的密度較小，熔煉過程中容易浮在液態(tài)合金表面，導(dǎo)致在合金中分布不均。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能明顯改善錫基無鉛釬料合金潤濕性、力學(xué)性、使焊點(diǎn)獲得優(yōu)良的可焊性和可靠性，并且稀土元素在合金中分布均勻的無鉛釬料活性合金添加劑及無鉛合金釬料。本發(fā)明的添加劑它是一種包含有釹、鎳、銦的錫基合金。其中釹在釬料合金中是以金屬間化合物形式存在，它可使合金組織明顯細(xì)化，進(jìn)而提高釬料合金的力學(xué)性能，同時(shí)它還能顯著地改善釬料合金的潤濕性。另外釹的密度為7克/厘米3，與大多錫基無鉛釬料合金密度(7.3克/厘米3)相接近，因此有利于其在金相中的均勻分布。上述釹在添加劑合金中所占的重量比為2-5％比較適宜。鎳是作為合金化元素來細(xì)化釬料合金組織，并提高釬料合金的抗氧化、抗腐蝕能力。上述鎳在添加劑合金中所占的重量比為1-2％比較適宜。銦是作為合金化元素來提高釬料合金的潤濕性并降低熔點(diǎn)，其在添加劑合金中所占的重量比為0-3％比較適宜。除上述三種成分外，該合金余下的成分為錫，其為上述成分的載體，它能迅速熔于融熔的釬料合金中，并使上述成分均勻分布在釬料合金中。
本發(fā)明添加劑的制備方法1冶煉將上述各種成分的原料按比例加入工業(yè)真空感應(yīng)爐中，并將該感應(yīng)爐內(nèi)的空氣全部由氬氣置換，最好使用如氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑，通電升溫，于800℃溫度保持4-6小時(shí)，出爐澆鑄成型，得到的即為添加劑合金錠。
2鍛造將上述添加劑合金錠進(jìn)行鍛壓，使其成為1-3毫米厚的薄片。
本發(fā)明添加劑的使用方法是向熔融的無鉛合金釬料中加入該無鉛釬料活性合金添加劑，并且添加劑與釬料的重量比為1∶100-1000。具體方式如下1.用于波峰焊接時(shí)向無鉛合金釬料(如Sn-Cu或Sn-Ag-Cu)波峰焊熔池內(nèi)直接加入上述添加劑合金，該添加劑合金與無鉛合金的重量比為1∶500-1000。
2.用于制備新的無鉛合金釬料時(shí)在冶煉無鉛合金(如Sn-Ag或Sn-Cu或Sn-Ag-Cu或Sn-Zn-Cu，或Sn-Bi)時(shí)，在合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，并且該添加劑合金與無鉛合金的重量比為1∶100-1000，得到的新的無鉛合金釬料不僅含有無鉛合金原組分及含量(錫除外，錫的含量＝錫原有的含量-釹及鎳的含量)，而且還含有釹0.002～0.05％(重量比)、鎳0.001～0.02％(重量比)。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1 本發(fā)明添加劑合金不含有毒、有害物質(zhì)。
2 本發(fā)明添加劑合金組織穩(wěn)定性好、無腐蝕性。
3 本發(fā)明添加劑各組分能均勻分布在無鉛合金釬料中，并能明顯改變現(xiàn)有無鉛合金釬料的綜合性能，如潤濕性、力學(xué)性能等，使其獲得優(yōu)良的可焊性和可靠性。
4 采用加有本發(fā)明添加劑的無鉛合金釬料釬焊的接頭，組織穩(wěn)定性優(yōu)良，具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，并且焊點(diǎn)光亮美觀。
具體實(shí)施例方式


圖1是Sn-5Nd-2Ni合金顯微組織，合金內(nèi)含有Nd3Sn和Ni3Sn4兩種金屬間化合物，基體為Sn。
圖2是Sn-3Ag-0.5Cu合金光學(xué)照片，圖中粗大的β-Sn白色晶?？蛇_(dá)到50μm。
圖3是Sn-3Ag-0.5Cu-0.1Nd-0.004Ni合金顯微組織，圖中β-Sn晶粒只有10微米左右，合金組織得到細(xì)化。
圖4微量元素顯著改善了Sn-0.7Cu合金的潤濕性。
圖中橫座標(biāo)表示時(shí)間，縱座標(biāo)表示潤濕力，數(shù)據(jù)是利用MemiscoST50采用潤濕平衡法測得，使用的釬劑是RMA松香釬劑，在260℃的溫度下，用純銅片測得，潤濕力越大，代表合金潤濕性越好，因此，可見，含微量元素Sn-0.7Cu合金潤濕性能較好。
圖5微量元素改善了Sn-3Ag-0.5Cu合金的潤濕性。
圖中橫座標(biāo)表示時(shí)間，縱座標(biāo)表示潤濕力，數(shù)據(jù)是利用MemiscoST50采用潤濕平衡法測得的，使用的釬劑是RMA松香釬劑，在250℃的溫度下，用純銅片測得，潤濕力越大，代表合金潤濕性越好。因此，可見，含微量元素Sn-3Ag-0.5Cu-Nd-Ni合金潤濕性能較好。
例1
取純金屬釹(純度99.9％)0.2千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.05千克、純金屬銦(純度99.9％)0.3千克及純金屬錫(純度99.9％)9.45千克，氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后充入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電，使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫4小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成1毫米薄片。向Sn-0.6Cu無鉛合金釬料波峰焊熔池內(nèi)加入上述添加劑合金片，其與釬料的重量比為1∶1000。
例2取純金屬釹(純度99.9％)0.5千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.2千克、純金屬銦(純度99.9％)0.3千克及純金屬錫(純度99.9％)9.0千克，氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后充入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電，使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫6小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。向Sn-3.5Ag-0.6Cu無鉛合金釬料波峰焊熔池內(nèi)加入上述添加劑合金片，其與釬料的重量比為1∶500。
例3取純金屬釹(純度99.9％)0.2千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.2千克、純金屬錫(純度99.9％)9.6千克，氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫6小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成2毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-0.7Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶1000，出爐后得到的合金為Sn-Cu-Nd-Ni無鉛合金釬料，其中合金成分具體為0.002wt.％Nd，0.002wt.％Ni，0.7wt.％Cu余量為Sn。
例4取純金屬釹(純度99.9％)0.5千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.1千克、純金屬錫(純度99.9％)9.4千克，氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫6小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成2毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-4Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶1000，出爐后得到的合金為Sn-Cu-Nd-Ni無鉛合金釬料，其中合金成分具體為0.005wt.％Nd，0.001wt.％Ni，4wt.％Cu余量為Sn。
例5取純金屬釹(純度99.9％)0.2千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.2千克、純金屬錫(純度99.9％)9.6千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫4小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-0.5Ag-4Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶1000，出爐后得到的合金為Sn-Ag-Nd-Ni無鉛合金釬料，其合金成分具體為0.002wt.％Nd，0.002wt.％Ni，0.5wt.％Ag，4wt.％Cu余量為Sn。
例6
取純金屬釹(純度99.9％)0.5千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.1千克、純金屬錫(純度99.9％)9.4千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫4小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-3.5Ag合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶1000，出爐后得到的合金為Sn-Ag-Nd-Ni無鉛合金釬料，其合金成分具體為0.005wt.％Nd，0.001wt.％Ni，3.5wt.％Ag余量為Sn。
例7取純金屬釹(純度99.9％)0.5千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.1千克及純金屬錫(純度99.9％)9.4千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫5小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。另在工業(yè)真空感應(yīng)爐中冶煉Sn-8Zn-2Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶500，出爐后得到的合金為Sn-Zn-Cu-Nd-Ni無鉛合金釬料，其合金成分具體為0.01wt.％Nd，0.002wt.％Ni，8wt.％Zn，2wt.％Cu，余量為Sn。
例8取純金屬釹(純度99.9％)0.25千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.2千克及純金屬錫(純度99.9％)9.55千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中。將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫5小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。另在工業(yè)真空感應(yīng)爐中冶煉Sn-6Zn-4Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶500，出爐后得到的合金為Sn-Zn-Cu-Nd-Ni無鉛合金釬料，其合金成分具體為0.005wt.％Nd，0.004wt.％Ni，6wt.％Zn，4wt.％Cu，余量為Sn。
例9取純金屬釹(純度99.9％)0.5千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.2千克、及純金屬錫(純度99.9％)9.3千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫5小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成1毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-3Ag-0.5Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶100，出爐后得到的合金為Sn-Ag-Cu-Nd-Ni無鉛合金釬料，其合金成分具體為0.05wt.％Nd，0.02wt.％Ni，3wt.％Ag，0.5wt.％Cu，余量為Sn。
例10取純金屬釹(純度99.9％)0.2千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.1千克、及純金屬錫(純度99.9％)9.7千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫5小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成1毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-2.5Ag-1Cu合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶250，出爐后得到的合金為Sn-Ag-Cu-Nd-Ni無鉛合金釬料，其合金成分具體為0.008wt.％Nd，0.004wt.％Ni，2.5wt.％Ag，1wt.％Cu，余量為Sn。
例11取純金屬釹(純度99.9％)0.5千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.1千克、及純金屬錫(純度99.9％)9.4千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫5小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-60Bi合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶500，出爐后得到的合金為Sn-Bi-Nd-Ni無鉛合金釬料。其合金成分具體為0.01wt.％Nd，0.002wt.％Ni，60wt.％Bi余量為Sn。
例12取純金屬釹(純度99.9％)0.2千克、純金屬鎳(純度99.9％)0.2千克、及純金屬錫(純度99.9％)9.6千克及氯化鋰氯化鉀保護(hù)性覆蓋劑1千克加入真空感應(yīng)爐中將感應(yīng)爐抽真空使其內(nèi)壓力小于1×10-3pa，然后注入氬氣，充到壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓為止。通電使感應(yīng)爐升溫，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)保溫5小時(shí)。然后將熔融的合金出爐，澆鑄成合金錠。將上述合金錠鍛壓成3毫米薄片。另在工業(yè)感應(yīng)爐中冶煉Sn-58Bi合金，熔煉溫度為400℃。當(dāng)該合金熔煉結(jié)束前向其內(nèi)加入上述添加劑合金，其與釬料的重量比為1∶500，出爐后得到的合金為Sn-Bi-Nd-Ni無鉛合金釬料。其合金成分具體為0.004wt.％Nd，0.004wt.％Ni，58wt.％Bi余量為Sn。
表一是幾種釬料合金的潤濕性能比較。表明對Sn-Cu，Sn-Ag，Sn-Ag-Cu，Sn-Zn-Bi幾種合金，Nd，Ni的加入都得到了較好效果。
表一幾種釬料合金的潤濕性能比較

權(quán)利要求
1 一種無鉛釬料活性合金添加劑，其特征在于它是由如下重量比的成分組成釹 2-5％鎳 1-2％銦 0-3％錫 余下量
2 上述無鉛釬料活性合金添加劑，其特征在于向熔融的無鉛合金釬料中加入上述無鉛釬料活性合金添加劑的重量與釬料的重量比為1∶100-1000。
3 一種無鉛合金釬料，其特征在于該加有上述添加劑的無鉛合金釬料含有重量比為0.002~0.05％的釹、重量比為0.001~0.02％的鎳以及無鉛合金原組分及含量，其中錫的含量＝錫原有的含量-釹及鎳的含量。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及到電子封裝釬焊材料技術(shù)領(lǐng)域。金屬添加劑其特征在于合金由以下成分組成2－5重量％的Nd稀土元素，1－2重量％的Ni，0－3重量％的In，其余為Sn。本發(fā)明效果和益處是，利用該金屬添加劑獲得的釬料合金具有優(yōu)良的潤濕性、力學(xué)性能、可焊性和可靠性。通過添加劑制備的釬料無毒、無污染，價(jià)格便宜，焊后焊點(diǎn)光亮、美觀，可滿足電子封裝領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茆F料的要求。
文檔編號B23K35/26GK1654159SQ20051004579
公開日2005年8月17日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者于大全 申請人:于大全