一种制备SnAgCu无铅焊料的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备SnAgCu无铅焊料的方法，是将各原料按配比量混合，在覆盖剂保护、氮气保护或真空条件下升温至500℃熔炼0.5-1小时得到合金熔体，将合金熔体升温至不低于所述合金熔体发生液态结构转变的温度范围以上保温15-30分钟，然后降温至500℃保温0.5小时，随后浇注凝固得到无铅焊料合金锭，最后通过传统机械加工的方式将所述合金锭加工成无铅焊料。本发明专利技术制备的无铅焊料的凝固组织显著细化并分布均匀，施焊过程中，接头交界处的反应层明显减薄且粗糙度降低，焊料易于熔化且铺展性及其与铜基材的润湿性得以明显改善，此外，焊接接头组织的热稳定性也明显得以改善，从而提高相关产品服役过程中的运行可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无铅焊料的制备方法，具体地说是一种SnAgCu系三元合金无铅焊料的制备方法。
技术介绍
锡-铅(Sn-Pb)金属焊料(焊条、焊丝、焊膏等)由于各项性能优越，加之其工艺性能好及成本低廉，一直在各国得到广泛应用，如各种电子(电脑、显示器、彩电、手机等)、电器及仪器产品，微电子封装，印制电路板(PCB)的组装，包括插装(THT)和表面安装(SMT)。 然而，由于含铅等有害物的电子垃圾对人类有巨大危害，铅中毒可诱发白血病、肾病、心脏病、精神异常等疾病，因此，禁用铅已成为全人类的共识。欧盟WEEE与RoHS指令(电气、电子产品中禁用Pb等6种有害物质)于2006年7月1日正式实施。我国信息产业部也通过了相关管理方法，规定自2006年7月1日起列入电子信息产品污染重点防治目录的电子信息产品中不能含铅等有害物。自1998年，日本HITACHI ,PANASONIC，SONY，TOSHIBA，FUJITSU 等电子公司积极推行无铅化，目前产品已分别完全或部分达到无铅。美国虽未通过立法来推行无铅焊，但因受到日、欧竞争压力，美国各大公司也在积极寻求无铅焊的解决方案。焊料的“无铅化”已成为一种必然趋势。近年来，国内外在无铅焊料材质本身及相关工艺与设备方面做了大量研究与调整。无铅焊料通常以Sn为基础，添加Ag、Cu、Bi、Zn、In等第2金属元素组成合金，并通过微量添加第3第4种元素来调整其力学性能(强度、韧性、抗疲劳性等)、物理化学性能(导电性、导热性、抗氧化性、抗腐蚀性等)和工艺性能(润湿性、流动性、熔点、熔化温度范围等)。 根据使用温度，无铅焊料主要可分为三类高温Sn-Ag(Cu)系；中温Sn-Zn系；低温Sn-Bi 系。Sn-Ag-Cu系焊料是在Sn-Ag焊料的基础上加入Cu而成，由于具有熔点低、润湿性相对较高和综合性能优良等优点，被公认为是目前综合性能最佳、应用最广的无铅焊料合金。当前使用的Sn-Ag-Cu系主要有日本千住和美国爱华州立大学所持有的 Sn3. OAgO. 5Cu(合金组分中Ag的添加量为原料总质量的3%，Cu的添加量为原料总质量的 0. 5%，余量为Sn ；下文中合金组分的表述按照此方法类推)和Sn3. 8AgO. 7Cu专利产品和在其基础上发展的四元合金焊料 Sn-Ag-Cu-Sb、Sn-Ag-Cu-Bi (USP4879096 和 CAP1299471)、 Sn-Ag-Cu-Ni (USP4758407)和 NCMS推荐使用的 Sn-Ag-Cu-Zn。Sn-Ag-Cu三元共晶合金，成分越接近共晶点(目前确切共晶点仍然模糊，只能提供近共晶区，其熔化温度是217-221°C)， 其熔点就越低，且其熔化区间(即液固两相区)也越窄。虽然添加低熔点组元(Bi、In等) 可以降低合金的熔点，但其熔化区间要增大，对焊缝可靠性不利。而添加其他组元虽然可以改善其他方面的性能，但又增加熔炼制备生产的难度。况且Sn-Ag-Cu焊料的力学性能本来就比Sn-Pb焊料优越，需要关注的当是焊料的润湿性以及组装温度窗口(降低熔点，或减小熔化区间宽度以降低回流峰值温度)问题。Sn-Ag-Cu焊料在铜板上铺展过程中反应润湿起主导作用，焊料熔化开始时，液态Sn原子沿基板表面迅速扩散，且与基板上Cu反应结合率先在熔滴铺展前沿形成一薄层反应物薄膜(IMC)，文献上称之为先驱膜(precursor film)，焊料熔滴实际上是在先驱膜上铺展，而铺展过程中基板的Cu原子通过反应薄层向焊料熔滴中扩散，同时熔滴中的Sn-Cu类固团簇向薄层附着促进反应层形核增长大。这样，熔滴中熔体结构对焊缝反应层生长情况影响显著，常规熔炼制备方法的焊料熔滴中的团簇尺寸较大，尤其是Sn-Cu类固团簇向基板附着有利于金属间化合物Cu6Sn5形核长大，而且反应物生长界面显得粗糙，更加促进反应层增厚；同时熔滴中因团簇尺寸较大而粘度较大，不利于在粗糙的反应物界面上流动铺展。总之，常规方法制备的焊料一方面铺展润湿性能有待进一步提高，另一方面其焊缝反应层偏厚，与焊料的界面也相对粗糙，组织缺陷容易产生，对焊缝可靠性不利。总之，焊料及其形成接头的可靠性、焊接或印刷作业的工艺性能，属无铅焊料的关键范畴。而无铅焊料及其接头的凝固组织决定着强度、韧性、抗疲劳性等可靠性参数，施焊过程中焊料对基料的铺展、润湿性也是焊料作业工艺性能的重要因素之一。针对上述主要问题，国内外资料显示，对无铅焊料的研究主要集中在成分选择、配比的优化以及微量元素(如稀土)对诸种性能的影响上。很少有人关注无铅金属焊料本身的制备条件，比如影响金属熔体结构与性质的热历史条件。而在材料生产及科研实际中，人们早就注意到结构与性能方面往往存在液_固遗传性。
技术实现思路
本专利技术旨在提供，以得到易熔化、铺展快、对铜基板润湿性好、机械性能优良、接头组织稳定性好的无铅焊料。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案本专利技术制备SnAgCu无铅焊料的方法的特点在于按以下步骤操作将各原料按配比量混合，在覆盖剂保护、氮气保护或真空条件下升温至50(TC熔炼 0. 5-1小时得到合金熔体，将合金熔体升温至不低于所述合金熔体发生液态结构转变的温度保温15-30分钟，然后降温至500°C保温0. 5小时；随后浇注凝固得到无铅焊料合金锭； 最后通过常规机械加工的方式将所述合金锭加工成无铅焊料。本专利技术制备SnAgCu无铅焊料的方法的特点也在于所述不低于所述合金熔体发生液态结构转变的温度为1050-1100°C。所述各原料按质量百分比构成为Ag3. 0-4. 0%,Cu0. 5-1. 0%，余量为Sn。具体制备时焊料成分配比及微量杂质的控制由生产商产品要求而定。所述配比量是按各原料的构成及限定的比例计量后称取的量。所述覆盖剂为硼酸或硼砂等常规覆盖剂。所述机械加工的方式为压轧、拉丝或其他常规机械加工的方式。所述焊料按照常规的机械加工方式加工成箔、片、棒、丝或粉状等形式的焊料。本专利技术的科学依据及技术基础近年，专利技术人和其他研究者以多种手段研究表明，一些二元合金熔体升温过程会发生温度诱导非连续液_液结构转变，其中包括粘度、热容、电阻、内耗等结构敏感物理量的异常变化，而且一些合金熔体的衍射结果表明，其原子间距rl、配位数Ni、有序度ξ、团簇内原子数NC等结构参数发生突然改变(F.Q.Zu et al，PHYSICAL REVIEWLETTERS 89,125505(2002) ；U. Dahlborg et al, Journal of Non-Crystalline Solids 353(2007)3005-3010 ;F.Q Zu et al, New physical phenomena :temperature_induced liquid-liquid transition in alloys and its effects upon solidification, Symposium on Extraction and Processing Division held at the TMS 2009 Annual Meeting and Exhibition, FEB 15-19，2009 San Francisco CA，EPD 本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种制备ＳｎＡｇＣｕ无铅焊料的方法，其特征在于按以下步骤操作：将各原料按配比量混合，在覆盖剂保护、氮气保护或真空条件下升温至５００℃熔炼０．５－１小时得到合金熔体，将合金熔体升温至不低于所述合金熔体发生液态结构转变的温度保温１５－３０分钟，然后降温至５００℃保温０．５小时，随后浇注凝固得到无铅焊料合金锭，最后通过机械加工的方式将所述合金锭加工成无铅焊料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：祖方遒，刘永驰，李小蕴，李先芬，席赟，黄中月，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34