本發(fā)明屬于無(wú)鉛焊料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及Sn-Cu系無(wú)鉛焊料合金的制備方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)錫鉛焊料中的鉛作為有毒的重金屬在電子產(chǎn)品廢棄過(guò)程中，嚴(yán)重污染環(huán)境，威脅人類健康，而含鉛焊料的禁用與限用已經(jīng)成為電子行業(yè)發(fā)展的硬性要求。無(wú)鉛焊料的研究與開發(fā)需要從以下方面考慮其是否滿足使用性能的要求：1)低熔點(diǎn)；2)合適的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等物理性能；3)與現(xiàn)有元件基板、引線及PCB材料的潤(rùn)濕性良好；4)足夠的機(jī)械力學(xué)性能：剪切強(qiáng)度、蠕變抗力、等溫疲勞抗力、熱機(jī)疲勞抗力、金屬學(xué)組織的穩(wěn)定性。除了滿足性能的要求之外，研發(fā)的新型無(wú)鉛焊料還需要考慮經(jīng)濟(jì)適用性。

在一系列已被開發(fā)和研究的無(wú)鉛焊料中，Sn-Cu系價(jià)格最為低廉，且易于回收利用，但由于其共晶成分中Sn的含量較多，組織中形成大量的富錫相，且形成的IMC(Cu₆Sn₅)分布較為集中，導(dǎo)致錫銅焊料的常溫下表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能。微量Al元素的添加不僅形成了新的增強(qiáng)相，而且使IMC的分布更為分散，從而提高Sn-Cu共晶焊料的力學(xué)性能。

然而在制備Sn-Cu-Al合金方面，由于該體系在熱力學(xué)上表現(xiàn)出相當(dāng)大的互熔斥力，若使用傳統(tǒng)鑄造熔煉工藝，微量鋁元素難以均勻分布在合金當(dāng)中，達(dá)不到成分設(shè)計(jì)的理想效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料的制備方法，采用球磨壓片與真空電弧熔煉技術(shù)相結(jié)合；嚴(yán)格控制球磨過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，使球磨混合性好，保證后續(xù)熔煉過(guò)程中組織的均勻性，解決了傳統(tǒng)鑄造熔煉工藝中互熔斥力較大的Sn-Cu-Al體系合金組織不夠均勻的難題。

本發(fā)明的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料的制備方法，包括如下步驟：

(1)原料稱取，根據(jù)各原料組分的重量百分比分別稱取錫粉、銅粉、鋁粉放入球磨罐中；

(2)球磨混料，按照10～15:1的球料比，將磨球放入裝好原料的球磨罐中，磨球采用直徑4mm和6mm的兩種規(guī)格的不銹鋼球，相互間配比為1:1～2；然后對(duì)球磨罐抽真空，真空度控制為5～10Pa；再充入惰性氣體，最后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨混料30～80min，控制轉(zhuǎn)速為80～150r/min；

(3)粉末壓片，取混合均勻的粉末放入壓片模具中進(jìn)行壓片，加壓至8～12MPa，保持5～10min，得到金屬壓片；

(4)真空熔煉，將金屬壓片放入非自耗真空電弧爐內(nèi)的坩堝中，對(duì)電弧爐抽真空，真空度控制在1×10^-3～7×10^-3Pa；再充入惰性氣體進(jìn)行洗氣；最后在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電壓為220V，熔煉電流控制在10～50A，保持30～60s后關(guān)閉電弧，得到液態(tài)合金；

(5)液態(tài)合金的冷卻，在惰性氣體保護(hù)下，對(duì)坩堝底部通水，利用流動(dòng)的水對(duì)合金進(jìn)行快速冷卻，合金由液態(tài)到固態(tài)的冷卻時(shí)間為5～30秒，冷卻至室溫后取出，即可得到Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料合金。

作為技術(shù)方案的優(yōu)選，球磨機(jī)采用行星式球磨機(jī)，球磨機(jī)交替運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為5～10min，交替暫停時(shí)間為5～10min。

作為技術(shù)方案的優(yōu)選，所述惰性氣體為氬氣。

在球磨過(guò)程中，球料比決定了球磨過(guò)程中磨球?qū)Ψ垠w所施加的機(jī)械撞擊力是否足夠引發(fā)晶粒的破碎和細(xì)化，從而達(dá)到納米級(jí)粒子。一般來(lái)說(shuō)，球料比越大，磨球碰撞的幾率也越大，使得在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)粉末可吸收的機(jī)械能越多，相應(yīng)地達(dá)到同等球磨效果的球磨時(shí)間也較短。但如果球料比過(guò)高，則球罐內(nèi)的碰撞就變成以磨球與罐壁之間的碰撞為主體的過(guò)程，反而降低了球磨效率，還會(huì)使得球磨介質(zhì)有所損耗，生成一些污染物。作為技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(2)的球料比為10:1；直徑4mm和6mm的不銹鋼磨球的配比為1:1.3，磨球的尺寸及配比對(duì)原料球磨細(xì)化有促進(jìn)作用，采用這樣的配比，對(duì)于產(chǎn)品性能具有提高作用，能夠促進(jìn)組織均勻細(xì)化。

作為技術(shù)方案的優(yōu)選，本發(fā)明的原料重量百分比為銅0.62～0.85％，鋁0.055％～0.084％，余量為錫。其中銅0.70％，鋁0.075％，余量為錫的原料配比，制備出來(lái)的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料合金組織更為均勻細(xì)化。

本發(fā)明制備出來(lái)的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料合金顯微維氏硬度為17～23HV。

球磨的過(guò)程中主要是靠球罐的轉(zhuǎn)動(dòng)引起其中的磨球運(yùn)動(dòng)，碰撞，進(jìn)而對(duì)粉料進(jìn)行破碎。通常來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速越快，產(chǎn)生的能量越大，其工作效率也就越高，但當(dāng)轉(zhuǎn)速大于某一臨界值以后，磨球所受的離心力過(guò)大，大多時(shí)間都是貼在罐壁上的，反而降低了工作效率。因此需要根據(jù)材料的不同，對(duì)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速取一個(gè)比較恰當(dāng)?shù)闹担虼吮景l(fā)明采用的轉(zhuǎn)速為90～150r/min，其中轉(zhuǎn)速為90r/min的時(shí)候效果最佳。

本發(fā)明通過(guò)球磨過(guò)程將微量鋁元素均勻混合在基體粉末中，再對(duì)粉末進(jìn)行壓片保壓處理后，最后進(jìn)行真空熔煉，這一系列步驟使得鋁易于在基體中形成彌散均勻分布的增強(qiáng)相，有效提高了基體的顯微硬度。而傳統(tǒng)鑄造熔煉或真空熔煉工藝過(guò)程中由于鋁和錫存在相當(dāng)大的熱力學(xué)互熔斥力，當(dāng)液態(tài)鋁和液態(tài)錫在凝固過(guò)程中，易分別獨(dú)立凝固，微量鋁不易形成彌散分布的增強(qiáng)相，起不到微量合金化的作用。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明結(jié)合粉末冶金與真空熔煉技術(shù)來(lái)制備Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料，使得制備出來(lái)的Sn-Cu-Al合金組織固溶效果與均勻化效果理想，性能優(yōu)良，硬度強(qiáng)。

2、本發(fā)明在球磨過(guò)程中，嚴(yán)格控制球磨的球料比、轉(zhuǎn)速及粒徑，有利于原料粉末的細(xì)化，促進(jìn)組織的細(xì)化，改善合金粉末的均勻性。

3、本發(fā)明添加微量的鋁元素，通過(guò)球磨參數(shù)的優(yōu)化均勻混合在粉末中，使其在后續(xù)真空電弧熔煉過(guò)程中形成的增強(qiáng)相均勻分布在錫銅基體中成為可能，克服了傳統(tǒng)工藝中鋁在錫合金中獨(dú)立凝結(jié)、不易互熔、不易形成彌散分布的增強(qiáng)相的技術(shù)問(wèn)題，得到的Sn-Cu-Al合金成品組織中含有鋁增強(qiáng)相，晶粒也更為細(xì)化，合金維氏顯微硬度值為22.16HV，與使用傳統(tǒng)的熔煉鑄造工藝獲得的維氏顯微硬度值13HV相比，提高了170％。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例2的顯微組織照片。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的XRD譜線。

具體實(shí)施例

下面結(jié)合具體實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限實(shí)施例表示的范圍。

實(shí)施例1

1.原料配方

原料組分及重量百分比為：銅0.70％，鋁0.075％，余量為錫。錫、銅、鋁原料均為200目的金屬粉末，純度高于99.9％。

2.制備方法

(1)原料稱取，根據(jù)各原料組分的重量百分比分別稱取錫粉、銅粉、鋁粉放入球磨罐中，每種粉末重量精度控制在±0.00005g內(nèi)。

(2)球磨混料，按表1-1所列球料比，將直徑4mm和6mm兩種規(guī)格的不銹鋼球按質(zhì)量比1:1.3放入裝好原料的球磨罐中；然后對(duì)球磨罐抽真空，真空度控制為5～10Pa；再充入氬氣，把球磨罐放入行星式球磨機(jī)中，球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)為交替運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間5min，交替暫停時(shí)間5min，最后按表1-1對(duì)球磨主要參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表1-1 球磨主要參數(shù)正交設(shè)計(jì)表

(3)粉末壓片，取混合均勻的粉末10±1g放入直徑為8mm的壓片模具中進(jìn)行壓片，加壓至10MPa，保持5min。

(4)真空熔煉，將金屬壓片放入非自耗真空電弧爐內(nèi)的坩堝中，對(duì)電弧爐抽真空，真空度控制在2×10^-3～6×10^-3Pa；再充入氬氣進(jìn)行洗氣，充洗氣重復(fù)2～3次；最后在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電壓為220V，熔煉電流控制在10～50A，保持30～60s后關(guān)閉電弧，得到液態(tài)合金。

(5)液態(tài)合金的冷卻，在氬氣保護(hù)下，對(duì)坩堝底部通水，利用流動(dòng)的水對(duì)合金進(jìn)行快速冷卻，合金由液態(tài)到固態(tài)的冷卻時(shí)間為5～30秒。

(6)重復(fù)步驟(4)最后的熔煉和步驟(5)2～3次，再等電弧爐冷卻至室溫后取出，分別得到與試驗(yàn)號(hào)1～4對(duì)應(yīng)的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品1、樣品2、樣品3、樣品4。

3.材料性能分析檢測(cè)

將上述制備方法制得的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品采用HVT-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷0.2N，加載時(shí)間10s，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析，分析結(jié)果見表1-2。

表1-2 球磨主要參數(shù)正交試驗(yàn)極差分析

在正交試驗(yàn)極差分析中，因素對(duì)應(yīng)極差的數(shù)值越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，水平對(duì)應(yīng)的均值表示硬度，而硬度越高越好，說(shuō)明此次試驗(yàn)均值越大，對(duì)應(yīng)的水平為最佳。由表1-2可知球磨參數(shù)對(duì)Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料硬度的影響由大到小依次是轉(zhuǎn)速、球磨時(shí)間、球料比，三因素兩水平正交試驗(yàn)最佳參數(shù)為轉(zhuǎn)速90r/min、球磨時(shí)間35min、球料比10:1。

實(shí)施例2

1.原料配方：原料組分及重量百分比為：銅0.70％，鋁0.075％，余量為錫。錫、銅、鋁原料均為200目的金屬粉末，純度高于99.9％。

2.制備方法

(1)原料稱取，根據(jù)各原料組分的重量百分比分別稱取錫粉、銅粉、鋁粉放入球磨罐中，每種粉末重量精度控制在±0.00005g內(nèi)。

(2)球磨混料，按球料比10:1，將直徑4mm和6mm兩種規(guī)格的不銹鋼球按質(zhì)量比1:1.3放入裝好原料的球磨罐中；然后對(duì)球磨罐抽真空，真空度控制為5～10Pa；再充入氬氣，放入行星式球磨機(jī)中，球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)為交替運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間5min，交替暫停時(shí)間5min，球磨時(shí)間35min，最后對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速設(shè)置為80、90、100r/min。

(3)粉末壓片，取混合均勻的粉末10±1g放入直徑為8mm的壓片模具中進(jìn)行壓片，加壓至10MPa，保持5min。

(4)真空熔煉，將金屬壓片放入非自耗真空電弧爐內(nèi)的坩堝中，對(duì)電弧爐抽真空，真空度控制在2×10^-3～6×10^-3Pa；再充入氬氣進(jìn)行洗氣，充洗氣重復(fù)2～3次；最后在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電壓為220V，熔煉電流控制在10～50A，保持30～60s后關(guān)閉電弧，得到液態(tài)合金。

(5)液態(tài)合金的冷卻，在氬氣保護(hù)下，對(duì)坩堝底部通水，利用流動(dòng)的水對(duì)合金進(jìn)行快速冷卻，合金由液態(tài)到固態(tài)的冷卻時(shí)間為5～30秒。

(6)重復(fù)步驟(4)最后的熔煉和步驟(5)2～3次，再等電弧爐冷卻至室溫后取出，分別得到與轉(zhuǎn)速80、90、100r/min對(duì)應(yīng)的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品5、樣品6、樣品7。

3.材料性能分析檢測(cè)

將上述制備方法制得的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品采用HVT-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷0.2N，加載時(shí)間10s，樣品5、樣品6、樣品7的顯微維氏硬度分別為19.58、22.16、19.08HV。圖1是樣品6的顯微組織照片，圖中基體為典型Sn-0.7Cu合金組織，為花瓣?duì)瞀?Sn相+Cu6Sn5/β-Sn共晶相，含鋁的細(xì)小條狀增強(qiáng)相則彌散分布在基體中。圖2是樣品6的X射線衍射圖譜，表明相含量較多的β-Sn以及Cu6Sn5的存在。

實(shí)施例3

1.原料配方：原料組分及重量百分比為：銅0.62％，鋁0.055％，余量為錫。錫、銅、鋁原料均為200目的金屬粉末，純度高于99.9％。

2.制備方法

(1)原料稱取，根據(jù)各原料組分的重量百分比分別稱取錫粉、銅粉、鋁粉放入球磨罐中，每種粉末重量精度控制在±0.00005g內(nèi)。

(2)球磨混料，按球料比12:1，將直徑4mm和6mm兩種規(guī)格的不銹鋼球按質(zhì)量比1:1放入裝好原料的球磨罐中；然后對(duì)球磨罐抽真空，真空度控制為5～10Pa；再充入氬氣，放入行星式球磨機(jī)中，球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)為交替運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8min，交替暫停時(shí)間8min，球磨時(shí)間50min，轉(zhuǎn)速設(shè)置為80、90、150r/min。

(3)粉末壓片，取混合均勻的粉末10±1g放入直徑為8mm的壓片模具中進(jìn)行壓片，加壓至8MPa，保持10min。

(4)真空熔煉，將金屬壓片放入非自耗真空電弧爐內(nèi)的坩堝中，對(duì)電弧爐抽真空，真空度控制在1×10^-3～4×10^-3Pa；再充入氬氣進(jìn)行洗氣，充洗氣重復(fù)2～3次；最后在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電壓為220V，熔煉電流控制在10～20A，保持30～40s后關(guān)閉電弧，得到液態(tài)合金。

(5)液態(tài)合金的冷卻，在氬氣保護(hù)下，對(duì)坩堝底部通水，利用流動(dòng)的水對(duì)合金進(jìn)行快速冷卻，合金由液態(tài)到固態(tài)的冷卻時(shí)間為5～10秒。

(6)重復(fù)步驟(4)最后的熔煉和步驟(5)2～3次，再等電弧爐冷卻至室溫后取出，分別得到與轉(zhuǎn)速80、90、150r/min對(duì)應(yīng)的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品8、樣品9、樣品10。

3.材料性能分析檢測(cè)

將上述制備方法制得的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品采用HVT-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷0.2N，加載時(shí)間10s，樣品8、樣品9、樣品10的顯微維氏硬度分別為19.96、21.85、19.23HV。

實(shí)施例4

1.原料配方：原料組分及重量百分比為：銅0.85％，鋁0.084％，余量為錫。錫、銅、鋁原料均為200目的金屬粉末，純度高于99.9％。

2.制備方法

(1)原料稱取，根據(jù)各原料組分的重量百分比分別稱取錫粉、銅粉、鋁粉放入球磨罐中，每種粉末重量精度控制在±0.00005g內(nèi)。

(2)球磨混料，按球料比15:1，將直徑4mm和6mm兩種規(guī)格的不銹鋼球按質(zhì)量比1:2放入裝好原料的球磨罐中；然后對(duì)球磨罐抽真空，真空度控制為5～10Pa；再充入氬氣，放入行星式球磨機(jī)中，球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)為交替運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10min，交替暫停時(shí)間10min，球磨時(shí)間60min，轉(zhuǎn)速設(shè)置為80、90、150r/min。

(3)粉末壓片，取混合均勻的粉末10±1g放入直徑為8mm的壓片模具中進(jìn)行壓片，加壓至12MPa，保持8min。

(4)真空熔煉，將金屬壓片放入非自耗真空電弧爐內(nèi)的坩堝中，對(duì)電弧爐抽真空，真空度控制在3×10^-3～7×10^-3Pa；再充入氬氣進(jìn)行洗氣，充洗氣重復(fù)2～3次；最后在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電壓為220V，熔煉電流控制在40～50A，保持40～60s后關(guān)閉電弧，得到液態(tài)合金。

(5)液態(tài)合金的冷卻，在氬氣保護(hù)下，對(duì)坩堝底部通水，利用流動(dòng)的水對(duì)合金進(jìn)行快速冷卻，合金由液態(tài)到固態(tài)的冷卻時(shí)間為20～30秒。

(6)重復(fù)步驟(4)最后的熔煉和步驟(5)2～3次，再等電弧爐冷卻至室溫后取出，分別得到與轉(zhuǎn)速80、90、150r/min對(duì)應(yīng)的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品11、樣品12、樣品13。

3.材料性能分析檢測(cè)

將上述制備方法制得的Sn-Cu-Al系無(wú)鉛焊料樣品采用HVT-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷0.2N，加載時(shí)間10s，樣品11、樣品12、樣品13的顯微維氏硬度分別為19.85、21.97、19.51HV。