一种微合金化金锡合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微合金化金锡合金材料及其制备方法，属新材料领域。本发明专利技术通过向金锡共晶合金中添加微量元素，经高频感应熔炼制备微合金化金锡共晶合金，冷模浇注，球化退火，恒温热轧后可获得微合金化金锡合金箔带材。本方法制备工艺简单，合金组织可控，热加工性能好，生产过程及材料本身对环境无污染，容易实现规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种微合金化金锡合金材料及其制备方法
本专利技术涉及一种锡合金材料，尤其是一种微合金化金锡合金，还涉及其制备方法，属于新材料领域。
技术介绍
金锡共晶(Au-20wt.%Sn)合金具有焊接强度高、浸润性好、导电和导热性高、耐蚀及抗氧化性好等优点，适宜作钎焊材料，用于高可靠微电子器件和光电子器件封装。Au-20wt.%Sn钎料焊接温度在300℃左右，温度适中易于焊接，是目前梯度封装的最佳焊料。但含Sn量为20wt.%的Au-20wt.%Sn合金凝固过程中在280℃发生共晶反应L→ζ-Au5Sn+δ-AuSn，形成由ζ’-Au5Sn和δ-AuSn两个硬脆相组成的共晶组织，且凝固组织中通常含有粗大的ζ’-Au5Sn初生相，导致该合金的脆性较大，加工成型困难。常规工艺很难制备出符合微电子器件要求的箔材及预成型片。目前金锡合金钎料的制备方法主要有叠层复合法、合金熔铸轧制法、电子束蒸发或沉积镀膜法、甩带快速凝固法等制备方法和工艺，其中叠层复合法已用于实际生产。CN1026394C公开了采用叠层复合法制备金锡箔材，但该方法中制备的箔材中Au和Sn的相对含量会发生变化，难以满足共晶成分的要求。此外，在Au/Sn叠层界面处发生组元扩散和组织演变，会形成AuSn4、AuSn2、AuSn和Au5Sn脆性相，使合金加工性能变差，在冷轧过程中Sn层容易氧化，使箔材中氧含量偏高。在合金熔铸轧制法方面：CN106975737A公开了一种金锡共晶材料的压铸制备方法，该方法在真空电弧熔炼过程中加入电磁搅拌后得到金锡合金铸锭，然后在热室压铸机内将合金重熔后填充到压铸模具内，获得金锡合金片材。该方法在真空电弧熔炼过程中加入电磁搅拌，对合金制备设备有严格要求，压铸模具为动定模，且压铸后金锡合金组织中存在粗大的初生相，后续加工易发生脆断，需要进行长时间退火，影响生产效率。CN103938013B利用电弧熔炼制备金锡合金锭，对铸锭退火处理后进行多次热压缩，制备金锡共晶片材。该方法从合金铸锭到片材需要经历多次热压缩，每次热压缩后必须要在240℃～260℃范围内进行道次间退火，每次退火时间在20min以上，能耗高，效率低。CN101428390A提出将熔融金锡合金液浇注入石英铸模内，然后在250℃条件下对铸锭在进行热轧，该方法可细化合金的铸态组织晶粒，但铸态组织中仍会出现粗大树枝晶，不利于金锡合金的加工成型性。轧制道次变形量小于0.5%，加热时间大于10min，生产效率有待提高。CN106834782A利用连铸设备和结晶器制备得到金锡合金线材，CN104785957A提出将金锡合金熔化后浇注成棒材，再用热轧丝机轧成丝材，但这两种工艺仅适于制备金锡合金线材，不能制备金锡合金箔材。在电子束蒸发和沉积镀膜法方面：CN102560371A利用电子束蒸镀法在氧化铝或氮化铝陶瓷基片上蒸镀多层Au和Sn，再通过热处理得到金锡合金薄膜。该方法受到电子束蒸发材料利用率低，蒸镀速度较慢，且电镀反应不好控制的限制。CN103170765B采用磁控溅射技术在CuW次热沉上沉积Au和Sn多层膜，再高温烧结。该方法需要在CuW次热沉上首先沉积Ti/Pt/Au或Ni/Pt/Au作为底层金属膜，工艺过程复杂，需要用到多种高纯金属靶材，原材料利用率低，靶材回收使生产成本增加。在甩带快速凝固法方面：CN102114584A中公开了甩带快速凝固法制备金锡共晶合金的方法，该方法要求整个制备过程在真空条件下进行，对真空度和设备有严格要求，不利于工业批量生产。CN103290251A采用双辊甩带快速凝固技术制备金锡共晶钎料，由于甩带过程中金属液快速冷却使其流动性降低，带材表面存在较多的鱼骨纹状轧痕，带材边沿凹凸不平。为了满足新的市场要求，目前急需提升金锡合金加工成型性能及箔材质量的方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，调控金锡合金的微观组织，提升金锡合金加工成型性能及箔材质量，本专利技术提出了一种微合金化金锡合金材料及其制备方法，向金锡共晶合金添加Pt、Pd、Cu、Ag等微量元素，经高频感应熔炼制备微合金化金锡共晶合金，冷模浇注，球化退火，恒温热轧后可获得微合金化金锡合金箔带材。本专利技术采用的技术方案具体如下：一种微合金化金锡合金材料，包括金锡共晶合金和微量元素，其中，金锡共晶合金中，金（Au）和锡（Sn）的质量比为80：20，微量元素的质量浓度为50~500ppm。进一步地，微量元素为铂（Pt）、钯（Pd）、铜（Cu）、镨（Pr）、铈（Ce）或银（Ag）。本专利技术还涉及的微合金化金锡合金材料的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）、金锡共晶合金制备按常规方法制备成分均匀的金锡共晶合金Au-20wt.%Sn；步骤（2）、中间合金制备称取Au和微量元素，将Au和微量添加元素按照质量比99：1备好后进行熔炼，得到成分均匀的中间合金，其中微量元素的质量百分比的1%；步骤（3）、微合金化金锡共晶合金制备称取步骤（1）中制备的金锡共晶合金和步骤（2）中制备的中间合金，其中，中间合金与金锡共晶合金的质量比小于5%，然后进行熔炼，得到成分均匀的微合金化金锡共晶合金；步骤（4）、冷模浇注将空的石墨坩锅在高温下保温一段时间，取出石墨坩锅，迅速将步骤（3）得到的微合金化金锡共晶合金迅速置于热坩锅中，待合金完全熔化后，迅速将合金液体注入到冷石墨铸模中，待石墨铸模冷却至室温后取出合金；步骤（5）、将步骤（4）得到的微合金化金锡合金材料进行球化退火热处理；步骤（6）、恒温热轧对步骤（5）得到的微合金化金锡合金进行恒温热轧，获得组织均匀、表面光洁平整、边沿整齐、厚度可控的微合金化金锡合金箔材。进一步地，步骤（1）-（3）中，所述熔炼具体为：将称好的材料置于石墨坩锅中，然后将石墨坩锅置于真空高频感应炉的感应线圈中部，抽真空至3.6×10-4Pa，打开电源进行真空感应熔炼，熔炼完成后随炉冷却，重复熔炼过程2～4次。进一步地，步骤（2）中，微量元素为Pt、Pd、Cu或Ag，质量浓度为50ppm~500ppm。进一步地，步骤（4）中，铸模内腔形状为圆柱型或长方体型，内腔尺寸根据浇注合金熔体的量可调。进一步地，步骤（5）中，球化退火温度为220℃～240℃，退火时间不小于45min。进一步地，步骤（6）中，使用恒温热轧机进行热轧，轧辊温度为200℃～265℃，轧辊线速度为1.0m/s～6m/s，单次进给量为5～200μm，道次变形量控制在5%～30%。进一步地，步骤（6）中，得到的微合金化共晶合金箔材厚度为20μm～100μm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术通过添加微量元素、冷模浇注和球化退火处理有效抑制金锡共晶合金凝固组织中大尺寸ζ’-Au5Sn初生相的析出，凝固组织均匀，共晶组织细化，显著提升了金锡合金的加工成型性能。（2）本专利技术进行处理后，利用恒温轧机对微合金化金锡合金进行恒温热轧，在大道次变形量热轧情况下金锡合金也不会脆断，可方便快速地制备出厚度达20μm，表面光洁平整、边沿整齐的金锡合金箔材。（3）本专利技术通过成分微调配置Sn含量为20.0～21.0wt.%的金锡合金，再采用冷漠浇注和热轧后获得厚度为0.02mm～0.1mm的金锡合金箔材，能满足现有微电子及光电子封装应用对金锡合金箔材的高性能要求。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微合金化金锡合金材料，其特征在于：包括金锡共晶合金和微量元素，其中，金锡共晶合金中，Au和Sn的质量比为80：20，微量元素的质量浓度为50~ 500ppm。

【技术特征摘要】
1.一种微合金化金锡合金材料，其特征在于：包括金锡共晶合金和微量元素，其中，金锡共晶合金中，Au和Sn的质量比为80：20，微量元素的质量浓度为50~500ppm。2.根据权利要求1所述的微合金化金锡合金材料，其特征在于：微量元素为Pt、Pd、Cu、Pr、Ce或Ag。3.一种微合金化金锡合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤（1）、金锡共晶合金制备按常规方法制备成分均匀的金锡共晶合金Au-20wt.%Sn；步骤（2）、中间合金制备称取Au和微量元素，将Au和微量添加元素按照质量比99：1备好后进行熔炼，得到成分均匀的中间合金，其中微量元素的质量百分比的1%；步骤（3）、微合金化金锡共晶合金制备称取步骤（1）中制备的金锡共晶合金和步骤（2）中制备的中间合金，其中，中间合金与金锡共晶合金的质量比小于5%，然后进行熔炼，得到成分均匀的微合金化金锡共晶合金；步骤（4）、冷模浇注将空的石墨坩锅在高温下保温一段时间，取出石墨坩锅，迅速将步骤（3）得到的微合金化金锡共晶合金迅速置于热坩锅中，待合金完全熔化后，迅速将合金液体注入到冷石墨铸模中，待石墨铸模冷却至室温后取出合金；步骤（5）、将步骤（4）得到的微合金化金锡合金材料进行球化退火热处理；步骤（6）、恒温热轧对步骤（5）得到的微合金化金锡合金进行恒温热轧，获得组织均匀、表面光洁平整、...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛勇，熊凯，郭磊，张顺猛，许思勇，郭锦新，姚伟，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53