一种电子元件焊接用的无铅焊料合金制造技术

本发明专利技术涉及一种电子元件焊接用的无铅焊料合金，其特征在于：各种合金元素的重量百分比如下：锌为５～１０％，镓为０．１～５％，稀土元素为０．１～１％，余量为锡。本发明专利技术优点是合金成本低，熔点接近传统Ｓｎ－３７Ｐｂ焊料，不仅使抗氧化性有较大提高，润湿性能也较好，并且力学性能优良，无毒，无污染，综合性能优良，可满足电子工业，特别是家用电器等无铅钎料应用领域的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料
，涉及到电子封装钎焊材料技术， 特别涉及一种适用于钎焊电子元器件而不造成热损伤的低成本无铅钎料合金。
技术介绍
无铅化己经成为一种趋势，焊接材料的无铅、无毒化方向已定， 我国又是电子装配大国，开展先进电子无铅连接材料及工艺的研究， 实现无铅产品的开发应用，促进信息产业及电子产业的技术进步，提 高我国电子产品在国际市场上的竞争力，其经济和社会效益是不言而喻的。另外，欧盟已经从2006年7月1日开始全面禁止含有铅、镉等 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满足相关法规要求，并具有和传统Sn-Pb钎 料相差不大的熔点，优良的力学性能和可靠性，优良的合金组织稳定 性等特点，无铅焊料的研究正逐步深入，目前焊料的研究重点集中在 SnAgCu和SnZn系。但是Sn-Ag系焊料合金成本较高，是传统锡铅钎 料的3倍左右。而Sn-Zn系焊料因为熔化温度区间与Sn-Pb最相近， 两者在焊接工艺上设备可以共享；并且Sn、 Zn都属于塑韧性组元， Sn-Zn系合金的机械性能，包括抗拉强度、抗疲劳与抗蠕变性能均优 于Sn-Pb共晶合金，延展性大体与Sn-Pb共晶合金相同，又因为SnZn 合金具有成本低、储量丰富，无毒无污染等优点，被誉为很有发展前 途的钎料合金。但是Sn-Zn系产品还存在抗氧化性差等不足由于Zn活性高易被 氧化生成氧化膜，导致Sn-Zn焊料在焊接过程中润湿性不佳以及较多焊渣，且容易产生电腐蚀，所以制备过程常常需要在保护气氛下进行， 并且须使用活性较强的助焊剂。针对这些问题，已有很多人展开研究，申请号为200510028447. 0 的中国专利公开的SnZnCr合金无铅焊料通过添加Cr来提高钎料的抗 氧化性。申请号为03129619. X的中国专利公开的抗氧化无铅焊料通过 添加Cu， Ag， Ga等合金元素提高钎料抗氧化性，但缺点是熔点过高。 美国和日本等的研究人员认为Al的添加有利于提高润湿性，但投入使 用的钎料中Al的含量很低，因为添加的A1含量过高，会使氧化膜过 厚，严重影响钎料可焊性，但微量A1含量的控制比较困难。另外含稀 土的锡基无铅焊料通过添加稀土元素，可以细化组织，增加可焊性， 但是耐腐蚀性不佳。因此研制一种润湿性好，抗腐蚀性及力学性能进一步改善的锡锌 焊料就成为该
急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种润湿性好，抗腐蚀性及力学性能优良的 电子元件焊接用的无铅焊料合金。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的一种电子元器件焊接用的无铅焊料合金，其特征在于各种合金 元素的重量百分比如下锌为5 10%，镓为0. 1~5%，稀土元素为 0. 01 1%，余量为锡。一种优选技术方案，其特征在于所述稀土元素为La， Ce， Gd 中的一种或多种。一种优选技术方案，其特征在于所述锡锌焊料中还包括0~5% 的Bi。一种优选技术方案，其特征在于所述锡锌焊料中还包括重量百分比为0. 1~2%的Ni。一种优选技术方案，其特征在于所述锡锌焊料中还包括重量百分比为0-5%的Ge。本专利技术的原理为对Sn-Zn 二元共晶合金在高温条件下的氧化行 为研究结果表明，合金的氧化首先是Zn的氧化，其次是Sn的氧化， 氧化膜的主体成分为锌的氧化物，这种氧化膜钝化能力较弱，随着高 温停留时间的延长，氧化增重曲线保持近似线形规律。基于此，本发 明的技术原理是在SnZn合金中添加某种特定的表面活性元素或抗氧 化元素，借助于这些合金元素与合金基体的交互作用使其偏聚在液态 合金的表面，形成一层表面富集层，在高温条件下，这一富集微量元 素的表面富集层不易氧化或优先氧化，改变了表面膜特性，减缓了液 面的进一步氧化，从而达到减少合金表面氧化速度的目的，促进表面 钝化的同时还要兼顾钎焊时液态钎料与基板的润湿铺展性能，避免合 金元素的添加和钝化氧化膜的形成带来表面张力的增大，钎焊时氧化 膜在钎剂作用下易于去除。本专利技术的专利技术点是针对目前Sn-Zn系焊料普遍存在的问题，通 过添加合金元素镓、锗、镍等增强焊料合金的可焊性，提高合金的抗 氧化性；另外添加合金元素Ni还可降低焊料和基板间界面化合物的厚 度，提高机械性能和抗蚀性。添加合金元素Bi可以提高焊料的可焊性， 降低熔点。加入稀土元素(如Ce)可以从以下三个方面优化合金焊料 的性能1、 Ce是一种活性元素，液态下容易聚集在表面，降低合金 的表面能，从而降低合金元素与铜基体之间的界面张力，降低润湿角， 改善焊接条件；2、 Ce的添加能抑制粗大e-Sn晶粒的生成，细化晶 粒，显著提高合金的力学性能；3、熔炼过程中焊料中气体首先与稀土 元素化合，形成稀土化合物以渣的形式浮于熔融金属液面，从而起到 除气的作用，使合金结构致密。本专利技术提供的锡锌镓铈系无铅钎料合金有很多种制备方法，既可 以将几种单质金属直接混合熔炼的直接熔炼法，也可用先制备的Sn-Re等中间合金，再制备成钎料合金的分步熔炼法。由于合金在制备时Zn， Re易氧化烧损，因此熔炼时最好在真空或惰性气体、熔盐等 保护条件下熔炼。又由于Zn、 Bi在低蒸气压下容易蒸发，采用惰性气 体保护效果比直接冶炼或真空冶炼好，惰性气体为氮气、氩气等。可 以有效避免Zn、 Bi等元素的蒸发和活泼金属的氧化而导致的组分偏 离。熔炼时所需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。本专利技术的优点是(1) Ga， Ge， Re， Bi， Ni等合金化元素能优 化SnZn系钎料合金的抗氧化性、润湿性和力学性能，并且熔点适宜， 可广泛应用于电子工业，尤其是家电，汽车等领域的无铅化需求；(2) 熔炼过程中，合金元素Ga的添加能优先在表面形成一层致密氧化膜， 防止合金继续氧化；同时合金中添加少量活泼的稀土元素，焊料中气 体首先与稀土元素化合，形成稀土化合物以渣的形式浮出熔融金属液 面，从而起到除气的作用，使合金结构致密，从而细化合金组织，提 高焊料合金的力学性能；(3)本专利技术所提供的无铅钎料主要成份Sn 和Zn资源丰富，成本低，有利于工业化的推广应用。下面通过具体实施方式对本专利技术做进一步说明，但并不意味着对 本专利技术保护范围的限制。 具体实施例方式以下技术方案详细叙述了本专利技术的优选实施例，表1是本专利技术实 施例的化学成分分析结果列表，表2是本专利技术实施例的力学性能和物 理性能列表。其中焊料的拉伸实验参照国标GB/T228-2002进行，用型号为 AG-50KNE—日本制造万能材料实验机对焊料进行力学性能测试，计 算出钎料的抗拉强度、延伸率和断面收縮率。将试样加工成①6X100咖的圆柱棒，其表面用粒度为600#SiC砂 纸打磨，仔细打磨光滑，并用酒精洗去试样表面的油脂等杂物，使用 TH2513A型直流电阻测试仪测得电阻值。电阻率按公式P =RA/L计 算。焊料的铺展面积是将0.3土0.01 g钎料小球置于Cu片上，在250'C恒温电热板上熔化后保温15 S，冷却后测得。实施例l:含稀土的锡锌镓无铅钎料100g，其组分及重量百分比 分别为5%Zn、 0. l%Ga、 0. l%Ce，余量为Sn。称取质量百分比为1.3: 1的LiCl和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子元件焊接用的无铅焊料合金，其特征在于：所述无铅焊料合金中合金元素的重量百分比如下：锌为５～１０％，镓为０．１～５％，稀土元素为０．０１～１％，余量为锡。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宏，张品，杨福宝，徐骏，石力开，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，北京康普锡威焊料有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]