[发明专利]一种Sn‑Cu‑Al系无铅焊料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无铅焊料技术领域，具体涉及Sn-Cu系无铅焊料合金的制备方法。

背景技术

传统锡铅焊料中的铅作为有毒的重金属在电子产品废弃过程中，严重污染环境，威胁人类健康，而含铅焊料的禁用与限用已经成为电子行业发展的硬性要求。无铅焊料的研究与开发需要从以下方面考虑其是否满足使用性能的要求：1)低熔点；2)合适的电导率、热导率、热膨胀系数等物理性能；3)与现有元件基板、引线及PCB材料的润湿性良好；4)足够的机械力学性能：剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性。除了满足性能的要求之外，研发的新型无铅焊料还需要考虑经济适用性。

在一系列已被开发和研究的无铅焊料中，Sn-Cu系价格最为低廉，且易于回收利用，但由于其共晶成分中Sn的含量较多，组织中形成大量的富锡相，且形成的IMC(Cu₆Sn₅)分布较为集中，导致锡铜焊料的常温下表现出较差的力学性能。微量Al元素的添加不仅形成了新的增强相，而且使IMC的分布更为分散，从而提高Sn-Cu共晶焊料的力学性能。

然而在制备Sn-Cu-Al合金方面，由于该体系在热力学上表现出相当大的互熔斥力，若使用传统铸造熔炼工艺，微量铝元素难以均匀分布在合金当中，达不到成分设计的理想效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种Sn-Cu-Al系无铅焊料的制备方法，采用球磨压片与真空电弧熔炼技术相结合；严格控制球磨过程中的各项参数，使球磨混合性好，保证后续熔炼过程中组织的均匀性，解决了传统铸造熔炼工艺中互熔斥力较大的Sn-Cu-Al体系合金组织不够均匀的难题。

本发明的Sn-Cu-Al系无铅焊料的制备方法，包括如下步骤：

(1)原料称取，根据各原料组分的重量百分比分别称取锡粉、铜粉、铝粉放入球磨罐中；

(2)球磨混料，按照10～15:1的球料比，将磨球放入装好原料的球磨罐中，磨球采用直径4mm和6mm的两种规格的不锈钢球，相互间配比为1:1～2；然后对球磨罐抽真空，真空度控制为5～10Pa；再充入惰性气体，最后放入球磨机中进行球磨混料30～80min，控制转速为80～150r/min；

(3)粉末压片，取混合均匀的粉末放入压片模具中进行压片，加压至8～12MPa，保持5～10min，得到金属压片；

(4)真空熔炼，将金属压片放入非自耗真空电弧炉内的坩埚中，对电弧炉抽真空，真空度控制在1×10^-3～7×10^-3Pa；再充入惰性气体进行洗气；最后在惰性气体的保护下进行熔炼，熔炼电压为220V，熔炼电流控制在10～50A，保持30～60s后关闭电弧，得到液态合金；

(5)液态合金的冷却，在惰性气体保护下，对坩埚底部通水，利用流动的水对合金进行快速冷却，合金由液态到固态的冷却时间为5～30秒，冷却至室温后取出，即可得到Sn-Cu-Al系无铅焊料合金。

作为技术方案的优选，球磨机采用行星式球磨机，球磨机交替运转时间为5～10min，交替暂停时间为5～10min。

作为技术方案的优选，所述惰性气体为氩气。

在球磨过程中，球料比决定了球磨过程中磨球对粉体所施加的机械撞击力是否足够引发晶粒的破碎和细化，从而达到纳米级粒子。一般来说，球料比越大，磨球碰撞的几率也越大，使得在单位时间和单位体积内粉末可吸收的机械能越多，相应地达到同等球磨效果的球磨时间也较短。但如果球料比过高，则球罐内的碰撞就变成以磨球与罐壁之间的碰撞为主体的过程，反而降低了球磨效率，还会使得球磨介质有所损耗，生成一些污染物。作为技术方案的优选，所述步骤(2)的球料比为10:1；直径4mm和6mm的不锈钢磨球的配比为1:1.3，磨球的尺寸及配比对原料球磨细化有促进作用，采用这样的配比，对于产品性能具有提高作用，能够促进组织均匀细化。

作为技术方案的优选，本发明的原料重量百分比为铜0.62～0.85％，铝0.055％～0.084％，余量为锡。其中铜0.70％，铝0.075％，余量为锡的原料配比，制备出来的Sn-Cu-Al系无铅焊料合金组织更为均匀细化。

本发明制备出来的Sn-Cu-Al系无铅焊料合金显微维氏硬度为17～23HV。