[发明专利]稀土元素变质锡银锌系焊料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用稀土元素变质锡银锌系无铅焊料的制备方法，属于无铅焊料技术。

背景技术

Sn-Pb合金广泛用于现代电子封装工艺中，但由于铅对人体神经系统的损害给人类健康带来不可忽视的危害，铅污染问题日益受到人们的重视，以至于目前在国际上实现电子产品无铅化呼声很高。近年来纷纷推出了法律、法规来限制并逐步禁止含铅焊料的使用，并研究新型的焊料来替代含铅焊料的使用。美国国家电子制造协会(NEMI)为此专门实施一个名为“NEMI的焊接无铅化计划”来系统研究无铅装配在电子工业中的使用问题；而欧盟领导下的电子电气设备废弃组织(WEEE)明确宣布：自2006年7月1日起电子电器产品必须实现无铅化；日本作为全球最大的消费电子制造国，虽然没有通过国家立法来直接限制使用含铅焊料，但其主要消费电子制造商积极响应，纷纷承诺尽快实现电子装配无铅化。为紧随世界工业和技术的发展，我国在2003年正式出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》，自2007年3月1日起正式实施，其中限制包括铅在内的6种有毒害物质在电子产品的使用，直至它们被替代。但我国电子产品无铅化技术的研究起步较晚，有自主知识产权的商业化无铅电子产品更是寥寥无几，因此，新型无铅焊料的研发已成为材料科学的前沿课题之一。

Sn-Ag-Zn合金中，Zn可与抗腐蚀元素Ag结合生成金属间化合物，使腐蚀电位急剧降低，且润湿性与Sn-Ag共晶焊料相当。与Sn-Ag相比，Sn-Ag-Zn在许多方面都可提供优越的机械性能，其具有较好的强度而不损失丝毫延展性，高温蠕变性能显著提高，并稍微降低合金熔点。鉴于以上优点，我们开发了Sn-Ag-Zn系无铅焊料，以及为了减少成本开发了低Ag含量的无铅焊料体系。并在此基础上，为了提高焊料的性能，采用了微合金化(In、Al等)和颗粒增强(SiC、Cu等)的方法。

稀土元素是一个极其活泼的元素，包括铒(Er)、钇(Y)、铈(Ce)、镧(La)和铌(Nd)等，能够以极少的量使得金属材料的性能得到较大的提高。它们在材料的发展中占有举足轻重的地位，在钢铁行业已经得到了广泛的使用。正是因为其独特的性能，许多研究者对无铅焊料中添加微量稀土元素进行了大量工作，以期望使焊料的性能得到很大的改善。在以前的研究中，我们将其作为附属元素加入到焊料中，以细化焊料的组织。但经过进一步研究发现，合理的配比焊料与稀土元素的比例，直接能获得高性能的焊料合金。因此，本发明以Sn-Ag-Zn系高Ag焊料合金为基体，利用稀土元素来改善其综合性能，获得高性能的无铅焊料，以满足更高的工业应用要求。

发明内容

本发明目的是提供使用稀土元素变质锡银锌系无铅焊料，该焊料在锡银锌系无铅焊料中加入稀土元素作为变质相，以提高焊料的综合性能，其制备方法简单。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：

本发明的稀土元素变质锡银锌系无铅焊料制备方法，将纯度为99.99％的锡、银、锌及稀土元素按质量比为96.49～85∶3～5∶0.5～5∶0.01～5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1000-1300℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀，然后水冷凝固；再将合金翻转后重新加热到300-600℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次。

所述的稀土元素以预配好的锡稀土中间合金的形式加入。

在此基础上为提高抗氧化性可加入0-2.5的镓及0-3磷。

上述的稀土元素变质型锡银锌系焊料的制备方法：

本发明优点是通过稀土变质锡银锌系无铅焊料使焊料具有更好的综合性能，其中维氏硬度达到25左右，提高了近50％；拉伸强度达到70MPa左右，提高了一倍。同时，与Cu基板有着良好的润湿性与连接强度，连接强度可达20MPa左右。

附图说明

图1：实施例1无铅焊料的显微组织；

图2：实施例2无铅焊料的显微组织；

图3：实施例3无铅焊料的显微组织；

图4：实施例4无铅焊料的显微组织。

具体实施方式

例1

将纯度为99.99％的锡、银、锌、钇按质量比为96.49∶3∶0.5∶0.01在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1000℃熔化，其中稀土元素钇以预配好的锡钇中间合金的形式加入，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷，这样翻转加热至少五次得到稀土变质型锡银锌系无铅焊料。其显微组织如图1所示，颗粒为Ag₃Sn相，合金的维氏硬度为16左右，熔点218℃左右。