[发明专利]锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金

说明书

技术领域

本发明属于金属材料工程技术领域，涉及到电子封装钎焊材料技术领域，特别涉及到一种适用于电子工业尤其是家用电器用的低成本无铅钎料合金。

背景技术

由于传统的锡铅钎料含有对人体和环境具有极大危害的铅元素，发展无铅钎料已经成为当前材料科学工作者的一项紧迫任务。美国、日本等国家正积极立法来禁止铅的使用，欧盟根据立法案电气电子产品机械的废弃物的指令，从2008年1月1日起将全面禁止含铅、镉等有毒有害元素在电子工业中的使用。因而，为了消除铅的污染，迫切需要无铅的钎料来取代Sn-Pb钎料应用于电子封装焊接技术中。

为了使无铅钎料合金成分满足有关法规要求，并使钎料合金具有优良的力学性能和钎焊接头具有较高的可靠性，钎料合金必须具有合适的熔点，良好的润湿性，组成元素不含有毒、有害性元素，供给量充足能够满足产业化的要求，合金组织稳定性好，无腐蚀性等。在当前所知的二元及多元合金体系中，对Sn-Ag，Sn-Bi-Ag，Sn-Ag-Cu钎料及其钎焊接头研究较多，具有较好的应用前景。但是这些合金的熔点在216℃-227℃之间，与Sn-37Pb钎料的熔点183℃相比较高。此外，这些合金成本较高，是锡铅合金造价的3倍左右。对于一些钎料应用场合，例如家用电器或要求条件不是特别高的应用领域，需要开发低成本的钎料来满足要求。

Sn-9Zn合金具有199℃的共晶温度，非常接近Sn-37Pb钎料熔点。而且Sn-9Zn合金具有良好的经济性和力学性能。但是由于Zn元素比较活泼，使该合金的润湿性和抗腐蚀性较差，影响了应用。

发明内容

本发明的目的是，提供一种锡锌基含稀土元素的无铅钎料，以解决目前锡锌合金存在的问题，使其润湿性、抗腐蚀性及力学性能进一步改善，从而可以广泛应用于电子封装，尤其是家用电器当中。

本发明的更为具体的目的是提供具有以下性质的无铅钎料合金：

1)250℃以下钎焊温度使用，在钎焊过程中避免电子元件的热损伤；

2)具有良好的可焊性；

3)形成的钎焊接头具有足够高的结合强度，钎焊接头组织稳定性优良；

4)容易加工形成线材，可以用钎焊烙铁进行钎焊。

本发明的技术方案是，在Sn-Zn合金中添加了微量稀土元素RE(由La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种元素组成)，同时任选含有0.1-6重量％的Bi、0.1-3重量％的Cu、0.1-3重量％的In、0.1-1重量％的Al、0.01-1重量％的Ni、0.001-1重量％的P中的一种或几种。

现在详细描述本发明，在以下的描述中，所有关于合金成分的百分数都是重量百分数。

根据本发明的无铅钎料合金可以用作传统的Sn-Pb合金的替代材料。这些合金的熔点与Sn-Pb合金共晶183℃温度相近，在185～200℃之间；这些合金组织明显细化，力学性能优越；合金的润湿性能比Sn-Zn合金相比有了很大提高；抗氧化，抗腐蚀性也明显改善。

合金成分根据以下理由是：

RE：0.05％～1.0％

稀土元素由La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种元素组成，微量稀土元素可以抑制粗大的β-Sn晶粒生成，使合金组织明显细化，进而提高了合金的力学性能。同时稀土元素的加入显著改善合金的润湿性。选用RA松香活性钎剂，在245℃空气中，添加0.05％的混合稀土元素可以使润湿力提高5～6倍。RE含量优选的是0.05％～0.5％，更优选的是0.05％～0.25％。

Bi：0.1％～6％，In：0.5％～3％

任选的In、Bi作为合金化元素来提高合金的润湿性、降低熔点。少量的Bi元素加入即可有效降低合金的融化温度，并能起到固溶强化的作用。但是过多的Bi元素会使合金的熔点范围加宽，延展性急剧下降。因此Bi元素优选的是0.1％～6％，更优选的是1％～3％。

铟(In)可起到降低熔点，提高润湿性的作用，但In是贵金属，添加时含量优选的是1％～3％，更优选的是2％～3％

Cu：0.1％～3％，Ni：0.01％～1％

Cu、Ni的加入可以细化合金凝固组织中晶粒，有效提高合金的力学性能。Cu含量优选的是0.1％～3％，更优选的是0.7％～1.5％；Ni含量优选的是0.01％～1％，更优选的是0.05％～0.2％。小于或超出这个范围效果都不明显。

Al：0.1％～1％，P：0.001％～1％