Sn-Ag-Cu-Cr合金无铅焊料制造技术

一种Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｃｒ合金无铅焊料，属于电子材料技术领域。本发明专利技术组分及其质量百分比为：Ｃｒ为０．００５－１％，Ａｇ为０－５％，Ｃｕ为０－２％，余量为Ｓｎ。Ｃｒ具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，解析表明，在Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ焊料中引入合金元素Ｃｒ后，表面Ｓｎ或Ｃｕ氧化层与基底金属之间形成了Ｃｒ的阻挡层；在高温或腐蚀环境中，该阻挡层可以阻止Ｓｎ、Ｃｕ向外扩散，进而提高了焊料的抗氧化性和耐腐蚀性；Ｃｒ与Ｓｎ元素能形成Ｓｎ３Ｃｒ２金属间化合物，这在焊料中可起到弥散强化、细化晶粒和阻止Ａｇ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５相长大的作用，因而可防止焊料的劣化，增加焊料的抗拉强度、延展性等机械性能。本发明专利技术使抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能得到改善，同时对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种焊接
的制备方法，具体地说，是一种Sn-Ag-Cu-Cr合金无铅焊料。
技术介绍
到目前为止，大量用于微电子封装及组装的焊料主要是传统的Sn-Pb系焊料。然而，电子产品、设备作为一般工业废弃物和生活垃圾被丢弃时，在自然环境中焊料中的Pb成分会溶解出来，浸入地下水，从而对环境和人类造成极大地危害。因此，近年来包括我国在内的许多国家纷纷制定或正在制定法律、法规，限制含铅物质的使用，用无铅焊料替代传统的Sn-Pb系含铅焊料已成为全球微电子制造领域不可逆转的大趋势，积极寻找无毒无害的新型焊料也成了当前电子行业的重要任务。迄今为止，已经开发的无铅焊料种类很多，但都存在着这样和那样的问题，具有实际应用价值的并不多。其中，在共晶组成为Sn-3.5Ag-0.75Cu附近的Sn-Ag-Cu三元合金，熔点217℃，与其它无铅焊料相比，润湿性好，机械强度高，具有较高的耐疲劳和热冲击性，实用价值较大，是当前公认的最具替代Sn-Pb传统焊料的无铅焊料，并有可能成为今后标准的无铅钎料。经对现有技术文献的检索发现，菅沼克昭在《无铅焊接技术》(科学出版社，2004.7)第39页，提到Sn-Ag-Cu系焊料，该焊料除熔点偏高，价格较贵以外，还存在着一些有待解决的问题。如在冷却速度较低或Ag含量偏高的条件下，易形成粗大的脆性Ag3Sn、Cu6Sn5相，造成脆性增加，延展性降低，疲劳强度下降。再有，BGA焊球等Sn-Ag-Cu系合金产品，在放置或在腐蚀环境中表面易氧化发黄，造成焊接性能下降。还有，在用于波峰焊时，对不锈钢焊锡槽等设备腐蚀严重，不得不换成高成本的钛或钛合金材料。以上问题如不加以解决，将会严重影响该系焊料的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种Sn-Ag-Cu-Cr合金无铅焊料，使其抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能得到改善，同时对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术的组分及其质量百分比为Cr为0.005-1％，Ag为0-5％，Cu为0-2％，余量为Sn。Cr的质量百分比进一步限定为0.01-0.8％。Cr的质量百分比再进一步限定为0.02-0.5％。所述的Ag或Cu的含量仅可一个为零，即本专利技术也适用于Sn-Ag-Cr和Sn-Cu-Cr合金焊料。Cr是不锈钢的重要组成元素，具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，解析表明，在Sn-Ag-Cu焊料中引入合金元素Cr后，表面Sn或Cu氧化层与基底金属之间形成了Cr的阻挡层。在高温或腐蚀环境中，该阻挡层可以阻止Sn、Cu向外扩散，进而提高了焊料的抗氧化性和耐腐蚀性。另外，有报道Cr与Sn元素能形成Sn3Cr2金属间化合物，这在焊料中可起到弥散强化、细化晶粒和阻止Ag3Sn、Cu6Sn5相长大的作用，因而可防止焊料的劣化，增加焊料的抗拉强度、延展性等机械性能。再有，Sn-Ag-Cu、Sn-Cu等无铅焊料腐蚀不锈钢焊槽主要是Sn对不锈钢的溶蚀作用，焊料中Cr元素的存在，会大大降低焊料对含Cr合金的溶解速度，避免或改善对不锈钢焊锡槽材料的溶蚀。当Sn-Ag-Cu-Cr合金焊料中Cr的含量小于0.005％时，无弥散强化作用，在焊料的表面附近很难形成Cr的阻挡层，对焊料的化学性能和机械性能的改善不够明显；当含量高于1％时，易造成成分偏析，这种偏析使Cr阻挡层不均匀，局部过厚，对润湿性和机械性能等的负面影响较大。如果控制焊料中Cr的含量在0.02-0.5％范围内时，阻止Zn氧化的Cr阻挡层均匀，厚度适中，既能产生弥散强化作用，降低对不锈钢等的溶蚀，又没有明显的偏析现象，使焊料的化学性能和机械性能均处于最佳状态。本专利技术提供的Sn-Ag-Cu-Cr合金新型无铅焊料可以用很多方法制备，即可用四种金属直接混合熔炼的直接熔炼法，也可用先制取Sn-Cr，Ag-Cr，Cu-Cr、Sn-Cu-Cr、Sn-Ag-Cr、Sn-Ag-Cu等二元或三元中间合金，再制备Sn-Ag-Cu-Cr最终焊料的分步熔炼方法。在制备时，熔炼的最高温度要以所有金属或合金能够全部溶化为准，否则会引起焊料的化学组成或金相组织不均匀，影响焊料的性能。由于合金在制备时Cr易氧化烧损，因此熔炼时最好在真空或有惰性或还原性气体、熔盐等保护条件下熔炼。熔炼时所用的原材料可以是粉末状纯金属、粒状纯金属，也可以是块状纯金属。采用粉末状金属熔炼时，熔炼速度较快，但容易烧损，而块状金属熔炼时，熔炼温度较高，时间较长，但不易烧损，各有利弊。本专利技术特点在于通过在Sn-Ag-Cu合金中加入Cr元素，使焊料在保持Sn-Ag-Cu合金原有良好润湿性，高机械强度等优点的同时，使焊料的抗氧化性和耐腐蚀性提高一倍以上，焊料的延展性提高5-30％，对铜焊点及不锈钢焊锡槽的腐蚀性降低50％以上，并克服了在使用过程中抗蠕变性能较差的缺点，使焊料的可靠性得到进一步提高。本专利技术提供的焊料可以用在很多领域，如做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏等。这些产品可以用在电子封装或组装中的各个焊接环节，如电子封装中芯片上丝网印刷形成电极凸点(Bump)、芯片粘贴，BGA、CSP焊球，回流焊、波峰焊等SMT组装，各种电子封装用基板、印刷电路板焊点的形成，以及各种修补焊、手工焊等等。总之，本专利技术提供的焊料，其应用领域广阔。具体实施例方式实施例1本专利技术的组分及其质量百分比为Cr＝0.005％，Ag＝3.5％，Cu＝0.75％，余量为Sn，通过直接熔炼法或分步熔炼法制成Sn-3.5Ag-0.75Cu-0.005Cr合金焊料。各种性能测定表明该焊料的熔点、润湿性、抗拉强度与Sn-3.5Ag-0.75Cu合金焊料基本相同；在85℃，湿度为85％的腐蚀条件下经24小时实验后，发黄氧化现象减少，且经250℃×25小时抗高温氧化实验后，光泽性好于Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料；对304不锈钢溶蚀较少；延展性比Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料提高约5％；在缓慢冷却后脆性增加现象不明显。实施例2本专利技术的组分及其质量百分比为Cr＝0.01％，Ag＝3.5％，Cu＝0.75％，余量为Sn，通过直接熔炼法或分步熔炼法制成Sn-3.5Ag-0.75Cu-0.01Cr合金焊料。各种性能测定表明该焊料的熔点、润湿性、抗拉强度与Sn-3.5Ag-0.75Cu合金焊料基本相同；在85℃，湿度为85％的腐蚀条件下经24小时实验后，发黄氧化现象进一步减少，且经250℃×25小时抗高温氧化实验后，光泽性也好于Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，对304不锈钢溶蚀较少；延展性比Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料提高5-10％；在缓慢冷却后无脆性增加现象。实施例3本专利技术的组分及其质量百分比为Cr＝0.02％，Ag＝3.5％，Cu＝0.75％，余量为Sn，通过直接熔炼法或分步熔炼法制成Sn-3.5Ag-0.75Cu-0.02Cr合金焊料。各种性能测定表明该焊料的熔点、润湿性、抗拉强度与Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料基本相同；在85℃，湿度为85％的腐蚀条件下经24小时实验后，无明显发黄氧化现象，且经250℃×25小时抗高温氧化实验后，光泽性远好于Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料；对304不锈钢无明显溶蚀；延展性比S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｃｒ合金无铅焊料，其特征在于，组分及其质量百分比为：Ｃｒ为０．００５－１％，Ａｇ为０－５％，Ｃｕ为０－２％，余量为Ｓｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，任晓雪，陈熹，毛大立，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]