專利名稱：一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用于鋁軟釬焊的無鉛焊料合金。該釬料合金適用于電子封裝等 行業(yè)中將鋁質結構或元件通過釬焊方式連接和固定在設定結構或框架上，所屬技術領域為 電子電氣產品的軟釬焊。
背景技術：
隨著電子和電器產品不斷向小型化、輕量化、低能耗方向發(fā)展，要求所使用的材料 應愈來愈輕，同時要求仍應具有良好的綜合性能。雖然銅具有良好的導電性、導熱性、耐蝕 性以及優(yōu)良的力學性能，已廣泛應用于各種工業(yè)領域且隨著經濟的迅速發(fā)展而需求量越來 越大，但其在自然界的蘊藏量不多，開采和加工成本高。因此，長期以來，人們一直希望在某 些工業(yè)領域采用性能相近且蘊藏豐富的輕金屬替代銅。鋁及其合金具有密度小、質量輕、導 熱和導電性能良好(僅次于Ag、Cu、Au)、耐腐蝕性好、成本低等優(yōu)點，無疑成為銅的最佳替 代者。在汽車、艦船、航空航天、建筑等行業(yè)，鋁及鋁合金的應用已經非常廣泛與成熟。隨著 銅價格持續(xù)攀升，在電子封裝領域以鋁代銅也越來越受到關注。電子封裝中鋁軟釬焊技術 有著廣闊的應用前景，但也面臨著不少問題，例如釬焊時如何有效地去除鋁表面致密而穩(wěn) 定的氧化膜，如何提高焊料與鋁的釬焊接頭的抗腐蝕性以及如何解決鋁軟釬焊工藝較復雜 等問題。現有應用于鋁軟釬焊的焊料主要有Sn-Pb、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn等系焊料。從Sn-Al 相圖以及Pb-Al相圖來看，Sn與Al基本不互溶，在β -Sn固溶體中可以溶解原子百分數約 為的Al，而Pb與Al幾乎完全不能互溶。因此，Sn-Pb焊料在釬劑作用下與鋁基板的潤濕 很好，但是釬焊接頭的結合強度非常低(Sn和Pb與Al的固溶度極低，界面難形成化合物)。 同時，Sn-Pb焊料合金與Al基板的電極電位相差很大，電化學作用引起的腐蝕問題很嚴重， 例如，釬焊接頭在3襯％鹽水中浸泡數天后即發(fā)生破壞。另外，值得指出的是，隨著全球環(huán)保 意識的增強，各國已立法或頒布法規(guī)禁止含有毒性物質Pb的釬料的使用。Sn-Ag-Cu系無鉛 焊料是目前全球業(yè)界普遍認同的代替?zhèn)鹘y(tǒng)含鉛焊料的首選，廣泛應用于銅的軟釬焊。鋁軟 釬焊方面，Sn-Ag-Cu焊料由于含有一定量的Ag，采用該焊料釬焊鋁基板后接頭的抗腐蝕性 比未添加Ag的焊料合金要提高很多。但該系合金與鋁的互溶度小，且Ag與Al形成的金屬 間化合物在偏離鋁基板的一側，所以采用該系焊料釬焊鋁基板后接頭的強度及韌性稍差， 釬焊接頭的可靠性也有所降低。雖然采用Sn-Zn焊料釬焊鋁基板后的釬焊接頭具有很高的 強度，但Sn-Zn焊料中由于Zn的易氧化特性，使得該焊料的抗氧化性以及其在鋁基板的潤 濕性非常差，不利于該焊料的生產及應用。此外，Sn-Zn焊料與鋁材的釬焊接頭抗腐蝕也較 差，一般常溫下在3. 鹽水中浸泡不到一周即發(fā)生斷裂。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于克服現有無鉛釬料軟釬焊鋁材時的技術缺點，提供 一種具有良好抗腐蝕及抗氧化的無鉛焊料合金。
本發(fā)明一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金按重量百分比計包括以下 成分Zn 0.5 5.0%，AgO. 05 2.8%，Ga 0.05 0.8%，Al 0. 01 0.5%，P 0. 002 0. 02%, Sn為余量。
進一步的，所述用于鋁軟釬焊的無鉛釬料合金澆鑄成釬料塊或釬料條。進一步的，所述用于鋁軟釬焊的無鉛釬料合金加工成釬料絲、釬料箔片或釬料粉。進一步的，該合金成分中的Al、Ga、P元素均采用Zn-Al、Sn-Ga及Sn-P中間合金。一種如以上技術方案所述的鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的生產方 法，包括以下過程(1)將按比例稱好的純Sn錠放入熔煉爐中，熔爐升溫至330 360°C，然后加入Ag 并均勻攪拌15 25分鐘；(2)升高爐溫，待熔爐的溫度達到380 390°C時，按比例加入Al后并攪拌15 25分鐘；(3)待熔爐溫度升到390 410°C，按比例加入抗氧化組分Ga及P并攪拌15 20 分鐘；(4)將熔爐溫降到330 360°C，按比例加入Zn并攪拌15 25分鐘，撈渣、出爐 該無鉛焊料合金；在上述(1)至(4)過程中，均采用攪拌器以320 360轉/分鐘的速度進行攪拌， 以保證合金成分的均勻性。進一步的，將該合金澆鑄成釬料條或釬料。進一步的，將該合金進一步加工成錫線或錫粉。進一步的，所添加的Al、Ga、P元素均采用Zn-Al、Sn-Ga及Sn-P中間合金。該鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的熔化溫度為198 225°C，在鋁基 板上潤濕性良好且釬焊接頭強度較高。
具體實施例方式本發(fā)明一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金按重量百分比計包括以下 成分Zn 0. 5 5. 0%，Ag 0. 05 2. 8%，Ga 0. 05 0. 8%，A1 0. 01 0. 5%，P 0. 002 0. 02%, Sn為余量。由于Al與Zn固溶度度大，在很大含量范圍內形成固溶體，因此添加Zn能明顯提 高焊料合金與Al基板的結合強度。但焊料合金中Zn的含量不能太高，Zn含量過高時一方 面造成焊料的抗氧化性差(主要由于Zn金屬的易氧化性造成)，另一方面將導致焊料的潤 濕性差，主要由于高含量的Zn導致焊料抗氧化性差及焊料與Al基板的界面反應劇烈造成。 實驗結果表明，Zn的添加量在0. 5 5. 0%較好，優(yōu)選為0. 8 3. 0% (均為重量百分比， 下同)。鋁軟釬焊接頭的抗腐蝕性差是阻礙鋁軟釬焊技術廣泛應用的主要原因之一。研究 表明，焊料合金中添加微量的Ag能明顯地提高焊料合金與鋁基體釬焊接頭的抗腐蝕性。含 Ag焊料合金在與Al基體界面形成一層連續(xù)的Ag-Al的富Ag層，由于Ag-Al化合物的存在使 接頭界面層的電極電位明顯高于Al和焊料的電極電位，可大大增強釬焊接頭的抗腐蝕性。 此外，研究還表明，在Sn-Zn亞共晶焊料合金中添加少量的Ag能明顯細化焊料合金的組織，同時縮短焊料的熔程。實驗結果表明，Ag的添加量為0. 05 2. 8%，優(yōu)選為1. 0 2. 5%。如前所述，含Zn焊料合金的抗氧化性較差，為了改善焊料合金的抗氧化性能，本 發(fā)明的鋁軟釬焊用無鉛焊料成分設計時，一方面Zn的含量限制在0. 5 5. 0%，另一方面 在焊料合金中添加微量的表面活性元素P、Ga及Al作為焊料的抗氧化劑。元素P作為抗氧 化劑已普遍應用于焊料合金中，其抗氧化的主要原因是元素P在液態(tài)釬料表面富集并優(yōu)先 與氧反應生成致密氧化膜隔離SruZn與氧的直接接觸；P的添加量為0. 002 0. 020%，優(yōu) 選為0. 008 0. 02%。P的抗氧化作用溫度一般低于350°C，所以當焊料合金熔融后溫度 超過350°C時P元素提供的抗氧化性作用不明顯。Ga具有熔點低、沸點高以及密度低的特 點，當焊料中添加微量的G a元素后，焊料熔化時Ga覆蓋熔融焊料表面起到隔離焊料與空氣 中氧氣接觸的作用以達到提高焊料抗氧化性的目的；由于Ga的沸點高使其抗氧化作用即 使是在高溫狀態(tài)下也非常明顯。本發(fā)明的鋁軟釬焊用無鉛焊料中，Ga的添加量為0. 05 0. 8%，優(yōu)選為0. 10 0. 45%。Al在焊料合金釬焊時優(yōu)先于Zn相氧化，并且在焊料表面形 成致密的氧化膜，阻礙焊料的進一步氧化從而提高焊料合金的抗氧化性，但Al含量過高會 影響焊料的潤濕性；本發(fā)明的無鉛焊料中，Al的添加量為0. 01 0. 5%。下面結合具體的實施例對本發(fā)明作進一步的描述。 以上實施例均可按以下步驟進行(1)將按比例稱好的純Sn錠放入熔爐中熔爐加熱到330 360°C，然后加入Ag并 以攪拌15 25分鐘；(2)升高爐溫，待熔爐的溫度達到380 390°C時，加入比例的Al并攪拌15 25 分鐘；(3)待熔爐溫度升到390 410°C，加入抗氧化藥劑Ga及P并攪拌15 20分鐘，(4)將熔爐溫度降到330 360°C，按比例加入Zn并攪拌15 25分鐘，撈渣、出 爐澆注錫條或進一步用于錫線或錫粉的生產。在上述(1)至(5)過程中，均采用攪拌器以320 360轉/分鐘的速度進行攪拌， 以保證合金成分的均勻性。1)鋪展面積的測試方法(1)將重為0. 5g的待測焊料合金沾上適量制備的助焊劑后，置于事先清理(用 脫脂棉蘸丙酮進行去污處理)后的1060鋁板試驗片上；1060鋁板試驗片的長寬高為 40mm X 40mm X0. 5mm ；(2)將放置有焊料及助焊劑的鋁板試驗片置于溫度設定為260°C的熱板電爐上并保持30秒左右，確保助焊劑和焊料球熔化并鋪展；(3)從熱板電爐上取下試驗片，清洗后對試樣及同一已知面積的參照拍照并利用 圖像分析處理軟件計算試樣的鋪展面積。2)抗腐蝕試驗試樣制備及試驗方法 本抗腐蝕試驗中釬焊接頭試樣的形狀即尺寸如附

圖1所示。釬焊接頭抗腐蝕試樣 的長、寬、高尺寸為2謹X2謹Xl謹，釬焊溫度為260°C。釬焊接頭抗腐蝕試驗方法如下將釬焊接頭試樣浸泡于3. 0襯％的鹽水中，密封 并置于70士 1°C的恒溫箱中(每24小時更換一次相同初始濃度的鹽水)，根據接頭試樣斷 開時對應的腐蝕時間(浸泡天數)來評價釬焊接頭的抗腐蝕性，也即斷裂時對應的浸泡天 數多則表明其抗腐蝕性好，反之則差。注鋪展試驗及抗腐蝕試驗采用的助焊劑主要由鋅 鹽、亞錫鹽及有機胺組成。雖然上面已經揭示了本發(fā)明的具體實施方式
，但是它們不是本發(fā)明范圍的局限， 熟知本技術領域的人員對以上所述具體實施的修改和變化也包含在本發(fā)明的范圍之內。
權利要求
一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金，其特征在于按重量百分比計其包括以下成分Zn0.5～5.0％；Ag0.05～2.8％；Ga0.05～0.8％；Al0.01～0.5％；P 0.002～0.02％；Sn余量。
2.如權利要求1所述的一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金，其特征在于 所述用于鋁軟釬焊的無鉛釬料合金澆鑄成釬料塊或釬料條。
3.如權利要求1或2所述的一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金，其特征在 于所述無鉛釬料合金加工成釬料絲、釬料箔片或釬料粉。
4.如權利要求1所述的一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金，其特征在于 Al、Ga、P元素均采用Zn-Al、Sn-Ga及Sn-P中間合金。
5.一種如權利要求1所述的鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的生產方法，包 括以下過程(1)將按比例稱好的純Sn錠放入熔煉爐中，熔爐升溫至330 360°C，然后加入Ag并 均勻攪拌15 25分鐘；(2)升高爐溫，待熔爐的溫度達到380 390°C時，按比例加入Al后并攪拌15 25分鐘；(3)待熔爐溫度升到390 410°C，按比例加入抗氧化組分Ga及P并攪拌15 20分鐘；(4)將熔爐溫降到330 360°C，按比例加入Zn并攪拌15 25分鐘，撈渣、出爐該無 鉛焊料合金；在上述(1)至(4)過程中，均采用攪拌器以320 360轉/分鐘的速度進行攪拌，以保 證合金成分的均勻性。
6.如權利要求5所述的鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的生產方法 將該合金澆鑄成釬料條或釬料。
7.如權利要求5或6所述的鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的生產方法 將該合金進一步加工成錫線或錫粉。
8.根據權利要求5所述的一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金的生產方法， 其特征在于所添加的Al、Ga、P元素均采用Zn-Al、Sn-Ga及Sn-P中間合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁軟釬焊用抗腐蝕及抗氧化無鉛焊料合金及其生產方法，按重量百分比計，該無鉛焊料合金由以下組分組成Zn 0.5～5.0％、Ag0.05～2.8％、Ga 0.05～0.8％、Al 0.01～0.5％、P 0.002～0.020％，Sn為余量。本發(fā)明的無鉛焊料合金熔化區(qū)間為198～225℃，與現有Sn-Zn焊料及Sn-Ag-Cu焊料相比具有更好的抗腐蝕性，同時具有良好的抗氧化性、潤濕性，采用該焊料釬焊鋁材后獲得的釬焊接頭強度高。
文檔編號C22C1/03GK101880792SQ20101019437
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權日2010年6月7日
發(fā)明者劉亮岐, 張新平, 徐金華, 陳 勝, 馬鑫 申請人:深圳市億鋮達工業(yè)有限公司;東莞市億鋮達焊錫制造有限公司;華南理工大學