一种低锌Ｓｎ－Ｚｎ基无铅钎焊材料制造技术

本发明专利技术涉及一种低锌Ｓｎ－Ｚｎ基无铅钎焊材料，该种材料的重量百分比组成为：０．１％～４．５％Ｚｎ，０．１％～０．８％Ｃｕ，０．１％～５％Ｂｉ，０．１％～０．５％Ｃｅ，０．０１％～０．３％Ｉｎ，余量的Ｓｎ。该种材料熔化温度低，润湿性好，熔点为１８９．６℃～１９３．９℃；钎料在紫铜上的润湿性优良，润湿角约１２．０３°，并具有优良的电导率和力学性能，钎焊接头剪切强度为４２．４ＭＰａ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钎焊材料，属于金属材料

技术介绍
随着电子焊接技术的发展，对钎焊材料的要求越来越高，传统的含铅钎焊材料对 人体和环境的危害较大，已被国家禁止使用。近年来对无铅钎料的研究较热，当前研究的多 元合金中有Sn-Ag-Cu，Bi-Sn-Ag，Sn-Zn-Cu等，这些合金的熔点较高，在200°C以上，与含铅 钎料(约183°C)比较熔点较高。Sn是熔点较低的有色金属，其熔点只有231. 9°C，且导电性好，并能够和一些金属 形成熔点更低的合金。因此，Sn基合金是电子连接材料的首选，同时也是无铅钎料的主要 替代品。但含银Sn基钎料合金的成本高，而二元Sn-Zn共晶钎料的润湿性和物理化学性能 并不能满足要求，因此必须通过加入其他的合金元素，进行必要的合金化处理才能满足使 用要求。在Sn-Zn-Cu合金中，加入Zn元素的主要作用是降低合金的熔点，加入Cu的主要 作用是提高钎料合金的润湿性和力学性能。由于Zn很容易氧化和蒸发，在钎料的熔炼过程 中，单质的Zn很容易氧化烧损，若仅仅是通过降低钎料中配方中Zn加入量往往会使钎料中 Zn的含量很难达到要求，势必要通过增加Zn的加入量，来保证钎料中Zn的含量，这不仅会 增加锌的损耗和成本，而且会是钎料的润湿性降低。如果能够通过合金化改变锌的存在形 式含和提高钎料成分的稳定性，降低钎料中锌的含量，则可以大幅度地提高钎料的性能。公 开号为CN1390672A的中国专利，公开了一种钎料5_10重量；0. 05_1重量％的稀土 元素，任选含有0. 1-6重量％的财，0. 1-3重量％的01、0. 5-3重量％的111、0. 1-1重量％的 A1、0. 01-1重量％的Ni、0. 001-1重量％的P中的一种或几种；其余为Sn。该种铅料含锌量 高，润湿性较差，高的含锌量会使钎料的成分稳定性差，在钎焊过程中很容易出现缺陷，同 时会降低焊点和钎缝的耐腐蚀性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料，通过合金化，改变了 Zn在 钎料中的存在形式，提高了钎料的成分稳定性，可以使钎料中Zn的含量低于5%，从而大大 提高了钎料的润湿性、强度和和导电性等性能。本专利技术采取的技术方案为一种低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料，其重量百分比组成为0. 1 % 4. 5 % Zn， 0. 0. 8% Cu，0. 5% Bi，0. 0. 5% Ce，0. 01% 0. 3% In,余量的 Sn。一种低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料，其重量百分比组成优选-4% Zn,0. 2-0. 8% Cu，0. 3% 5% Bi，0. 3% 0. 5% Ce，0. 0. 3% In,余量的 Sn。所述的低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料的制备方法第一步，低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料的制备方法的第一步也是最关键和最重要的步骤是熔炼，在该钎料的熔炼过程当中主要存在下面两个问题，一是钎料合金中的组成元 素Zn的蒸发和氧化；二是高熔点的Cu和稀土 Ce如何向低熔点的基体中添加，同时保证Cu 和Ce不会被氧化。为了解决Zn的蒸发和氧化问题，熔炼采取向坩锅中加入ZnCl2。ZnCl2 熔点低，在加热过程中会熔化成粘稠的液体薄膜漂浮在液态合金的表面上，阻止了 Zn与空 气的接触，有效的阻止了 Zn的氧化和蒸发；同时ZnCl2可以还原锌，使得钎料中Zn的含量 不会有太大的波动。Cu和Ce属于高熔点的金属，在高温下与空气接触很容易氧化。这两种 元素的加入量比较少，是作为溶质溶解在基体当中，所以将Cu和Ce放入液态基体里面，液 态基体阻止了 Cu和Ce与外面空气接触，防止了氧化，同时使Cu和Ce能更好的溶解到基体 当中。所以要先将Sn进行熔化，然后将Cu和Ce用陶瓷棒压入液态Sn当中，直到Cu和Ce 完全溶解以后再向合金中加入低熔点的Bi ；最后加入Zn，同时加入适量的ZnCl2。混和好的 钎料经过几次搅拌后进行浇注。具体的熔炼过程如下(1)将钎料中的各组分按照其在钎料中的百分比进行称量、配料，其质量精确到 0. Olgo(2)将箱式电阻炉的温度调至400°C，放入熔炼坩锅进行预热，15min后取出坩锅， 将称量好的Sn放入坩锅中，并加入少量的覆盖剂ZnCl2(用量为钎料质量的-25%), lOmin后打开炉门，此时Sn已经完全熔化。(3)将称量好的纯Cu和Ce用陶瓷试棒迅速压入熔化的Sn当中，并盖上坩锅盖，然 后迅速将坩锅放入电阻炉中，整个过程一般不能超过15s。lOmin后，拿出坩锅进行搅拌，发 现Cu和Ce已经溶解。然后放入炉中，5min后再次进行搅拌，目的是使钎料合金能够混和均 勻。(4)等到钎料合金完全混和好后，取出坩锅加入称量好的Bi，然后盖上坩锅盖放 入炉中。由于Bi的熔点比较低，很快就熔化进入基体。5min后取出坩锅进行搅拌，过5min 再搅拌一次。(5)最后向液态合金中加入Zn，同时再次加入适量的覆盖剂ZnCl2(用量为钎料质 量的1 % -25 % )，使ZnCl2熔化后能够覆盖在钎料表面上。lOmin后取出，发现熔化的ZnCl2 在钎料表面鼓起一个大气泡完全罩住了钎料，证明ZnCl2的保护性能良好。对钎料合金进 行搅拌，然后放入炉中盖上坩锅盖。5min后再搅拌一次，如此搅拌三次后，将坩锅中的液态 钎料浇注到模具中。(6)待液态钎料凝固后，取出钎料块用清水进行冲洗，目的是除掉钎料上面残留的 ZnCl20经过上述步骤，可以得到条状钎料合金铸件。大量熔炼时，基本步骤和上述的一 样，只不过是熔炼设备变成了感应炉。第二步，把熔炼好的液态钎料放入铸模中，铸模可以是钢或石墨制成的模具，浇注 温度不低于300°C，把液态钎料合金铸成不同尺寸的棒、条和颗粒状。第三步，把铸棒和铸条采用拉拔、挤压等工艺进一步加工成不同尺寸的丝、环、箔 等，可以满足不同的需要。本专利技术钎料的微观组织中不存在单质的Zn，Zn主要是以Cu-Zn化合物的形式存 在，这不仅可以减少Zn的氧化，提高了钎料的润湿性和成分稳定性，而且可以提高焊点或 钎缝的抗腐蚀性。钎料的熔点低为189.6°C 193. 9°C ；钎料在紫铜上的润湿性优良，润湿角约12. 03°，并具有优良的电导率和力学性能，钎焊接头剪切强度为42. 4MPa。 附图说明图1为本专利技术钎料的X射线衍射图；图2为润湿性试验钎焊接头宏观照片；图3为本专利技术无铅钎料的DSC曲线图；图4为本专利技术钎料热膨胀系数测定曲线。具体实施例方式实施例1一种低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料，其重量百分比组成为4% Zn,0. 8%Cu,5%Bi, 0. 3% Ce，0. 3% In，余量的 Sn。低锌Sn-Zn基无铅钎焊材料的制备方法，包括如下步骤(1)将钎料中的各组分按照其在钎料中的百分比进行称量；(2)将箱式电阻炉的温度调至400°C，放入熔炼坩锅进行预热，15min后取出坩锅， 将称量好的Sn放入坩锅中，并加入钎料质量的1 %的ZnCl2，lOmin后打开炉门，将称量好的 纯Cu和Ce用陶瓷试棒迅速压入熔化的Sn当中，并盖上坩锅盖，然后迅速将坩锅放入电阻 炉中，整个过程一般不能超过15s ； lOmin后，拿出坩锅进行搅拌，使Cu和Ce溶解，然后放入 炉中，5min后再次进行搅拌；(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低锌Ｓｎ－Ｚｎ基无铅钎焊材料，其特征是，它的重量百分比组成为：０．１％～４．５％Ｚｎ，０．１％～０．８％Ｃｕ，０．１％～５％Ｂｉ，０．１％～０．５％Ｃｅ，０．０１％～０．３％Ｉｎ，余量的Ｓｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘秀忠，刘性红，武雪梅，杨敏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]