專利名稱：含稀土Er的SnZn基無鉛釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種含稀土Er的SnZn基無鉛釬料及其制備方法屬于微電子行業(yè)電子組裝用無鉛釬料制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近十年來，國(guó)內(nèi)外已研究開發(fā)出了多種無鉛釬料合金，專利就涉及上百種。目前研究的無鉛釬料合金主要集中在三個(gè)溫度段及若干個(gè)合金系列上。其中，最有代表性的是中溫段無鉛釬料合金，如Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn二元系合金，Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi、Sn-Zn-Bi等三元系合金或更多元合金。
對(duì)無鉛釬料的基本要求應(yīng)該包括熔化溫度應(yīng)接近SnPb共晶溫度，且熔化溫度間隔宜小；要有較好的潤(rùn)濕性或釬焊工藝性能，好的潤(rùn)濕性可以減少焊接缺陷、提高釬焊生產(chǎn)率；良好的物理力學(xué)性能，如強(qiáng)度、抗蠕變性能、熱力疲勞抗力、金屬學(xué)組織的穩(wěn)定性，滿足電子產(chǎn)品的可靠性要求；此外還應(yīng)有良好的電導(dǎo)、熱導(dǎo)等性能；化學(xué)性能也很重要，使釬焊接頭有良好的抗腐蝕性能；無鉛釬料不應(yīng)包含新的有毒成分；釬料成本要低，以利推廣應(yīng)用等。
從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀看，在應(yīng)用最廣的中溫段短期內(nèi)能在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)無鉛替代的將是Sn-Cu、Sn-Ag二元合金系及Sn-Ag-Cu三元合金系或以此為基礎(chǔ)的更多元合金釬料。Sn-Cu釬料將主要用于波峰焊，Sn-Ag-Cu系釬料將主要用于再流焊。
目前，釬料合金的選擇實(shí)際上仍處于摸索階段，主要和產(chǎn)品或應(yīng)用對(duì)象有關(guān)，主要影響因素仍然是焊接溫度和價(jià)格。在焊接溫度是必須考慮的關(guān)鍵問題時(shí)，日本就采用SnZn基合金釬料用于家電產(chǎn)品制造，熔化溫度191℃-195℃，而且成本低。在Sn8Zn3Bi合金中，用Bi代替部分Zn，可提高潮濕環(huán)境中Zn的耐腐蝕性能。日本普遍接受含Bi的釬料。
目前國(guó)際上出現(xiàn)的SnZn系釬料合金種類很多，代表性的專利釬料合金有Sn-(6.7-19.2)Zn-(2.7-19.4)In[美國(guó)專利USP 5242658]，Sn-(16-30)Zn-(2-11)Ag[美國(guó)專利USP 5698160]，Sn-(7-11)Zn-(1-5)Bi[美國(guó)專利USP 6391123]以及Sn-(4-10)Zn-(0.05-1)RE[中國(guó)專利ZL 01131275.0]等。
SnZn共晶合金的優(yōu)點(diǎn)是熔化溫度低，且接近SnPb共晶釬料。在SnZn合金的基礎(chǔ)上添加In、Bi，可改善釬料的潤(rùn)濕性能，降低釬料熔化溫度，用Bi替代部分Zn，還能改善SnZn合金釬料的腐蝕性能。但過多的Bi，會(huì)增大結(jié)晶溫度范圍，可能導(dǎo)致焊點(diǎn)形成熱裂紋，或降低焊點(diǎn)塑性。另外，In是稀有金屬，在地殼中的豐度很低，且價(jià)格昂貴，不適合大規(guī)模使用。RE的添加，有改善冶金組織與性能的作用，還可能改善鋪展的釬焊工藝性能。目前主要是添加Ce、La混和稀土。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的效果和優(yōu)勢(shì)是，在熔化溫度低的共晶或近共晶SnZn合金的基礎(chǔ)上，添加少量稀土Er，或同時(shí)添加Ag或Bi。由于稀土Er的變質(zhì)作用，可使釬料顯微組織細(xì)化、均勻，純凈度增加，冶煉方便，價(jià)格低廉，改善釬料的鋪展工藝性能等作用。
本發(fā)明所涉及的含稀土Er的SnZn基無鉛釬料，其特征在于該材料含有重量百分比為5～9％的Zn，0～1.5％的Ag，0.05～1％的稀土Er，或同時(shí)含有3～5％的Bi，其余為Sn。
本發(fā)明提供了一種含稀土Er的SnZn基無鉛釬料的制備方法，其特征在于(1)按重量比將氯化鉀∶氯化鋰＝(1～1.6)∶(0.8～1.2)的混合鹽在450℃～550℃下熔化后澆在稱好的錫上；(2)將溫度升至600℃～800℃，待錫熔化后，將稱好的Zn、或還有Bi或Ag加入到熔融的錫液當(dāng)中，攪拌，形成合金；(3)待其熔化均勻后，用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將市售稀土Er迅速壓入上述熔融的合金中，轉(zhuǎn)動(dòng)鐘罩；(4)待稀土完全熔化后，保溫1～2小時(shí)，攪拌，使合金均勻化，靜置出爐，凝固后去除表面的混合鹽。
下面通過若干實(shí)例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖表的形式說明本發(fā)明含稀土Er無鉛釬料改進(jìn)后的性能，并與在相同條件下獲得的傳統(tǒng)的SnZn釬料進(jìn)行比較。
表1是8種含稀土Er的SnZn基無鉛釬料及傳統(tǒng)SnZn釬料成分表，表中組成均為重量百分比，Er表示稀土鉺，同時(shí)還給出了各釬料的液相線溫度及固相線溫度。釬料的液相線及固相線溫度是通過緩慢冷卻曲線測(cè)得的。從表1中可以看出，本發(fā)明實(shí)例1～8具有與SnZn無鉛釬料相近的熔化溫度范圍，適合目前無鉛釬焊工藝條件。
表2是本發(fā)明實(shí)例1～8與傳統(tǒng)SnZn無鉛釬料剪切強(qiáng)度及鋪展面積的比較。從表中可以看出，本發(fā)明實(shí)例1～8的剪切強(qiáng)度和鋪展面積與傳統(tǒng)SnZn釬料相當(dāng)或有所改善，適用于微電子行業(yè)表面組裝。
圖1和圖2分別是本發(fā)明的含稀土Er的錫基無鉛釬料與傳統(tǒng)SnZn釬料顯微組織的比較。可以看出，添加稀土Er的釬料顯微組織細(xì)小，未添加稀土Er的結(jié)晶組織粗大、方向性強(qiáng)、脆性大。這也從微觀角度揭示了含稀土Er無鉛釬料能夠提高釬料冶金質(zhì)量的原因。
另外，由于Er的密度略大于Sn，合金冶煉時(shí)，稀土不會(huì)漂浮在Sn基合金的表面，使得冶煉過程更方便進(jìn)行。


圖1含稀土Er的SnZn基無鉛釬焊金屬的顯微組織。
圖2傳統(tǒng)SnZn無鉛釬焊金屬的顯微組織。
具體實(shí)施例方式
例1將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在460℃下熔化后澆在94克錫上。將爐溫升至620℃，使錫及混合鹽熔化后將5克Zn加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將1克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至360℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例2將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在460℃下熔化后澆在92.5克錫上。將爐溫升至780℃，使錫及混合鹽熔化后將7克Zn加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.5克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1.5小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至380℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例3將23.4克的氯化鉀和18克氯化鋰混合鹽在490℃下熔化后澆在90.75克錫上。將爐溫升至680℃，使錫及混合鹽熔化后將9克Zn加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.25克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至360℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例4將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在510℃下熔化后澆在89.95克錫上。將爐溫升至720℃，使錫及混合鹽熔化后將10克Zn加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.05克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫2小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至400℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例5將32.5克的氯化鉀和25克氯化鋰混合鹽在500℃下熔化后澆在88.75克錫上。將爐溫升至720℃，使錫及混合鹽熔化后將8克Zn及3克Bi加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.25克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1.5小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至380℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例6將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在460℃下熔化后澆在86.5克錫上。將爐溫升至800℃，使錫及混合鹽熔化后將8克Zn及5克Bi加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.5克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫2小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至400℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例7將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在550℃下熔化后澆在90.25克錫上。將爐溫升至800℃，使錫及混合鹽熔化后將9克Zn及0.5克Ag加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.25克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫2小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至400℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
例8將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在450℃下熔化后澆在89克錫上。將爐溫升至600℃，使錫及混合鹽熔化后將9克Zn及1.5克Bi加入到錫液當(dāng)中，同時(shí)不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將0.5克的稀土Er迅速壓入上述的熔融合金當(dāng)中，并不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫2小時(shí)，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固后去除表面的混合鹽。把爐溫降至400℃將釬料塊重新加熱熔化，然后在角鐵上澆成條狀待用。
表1 釬料合金成分及熔化溫度


圖1為新型塑鋼配重的正視示意圖，圖2為新型塑鋼配重的后視示意圖，圖3為新型塑鋼配重的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明用下列實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例1將廢聚乙烯顆粒24公斤與粉狀鐵礦石36公斤在混合機(jī)中混配均勻。然后用擠塑機(jī)于150℃擠塑成條狀，再將條狀物料置于模具中，用萬能四柱油壓機(jī)壓塑成型，冷卻后得塑鋼配重。
實(shí)施例2-6的步驟相同于實(shí)施例1，不同的是塑料、重質(zhì)料、配重重量、熱擠塑溫度為下表所例

權(quán)利要求
1.一種含稀土Er的SnZn基無鉛釬料，其特征是含有重量百分比為5～9％的Zn，0～1.5％的Ag，0.05～1％的市售稀土Er，或同時(shí)含有3～5％的Bi，其余為Sn。
2.一種含稀土Er的SnZn基無鉛釬料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)按重量比將氯化鉀∶氯化鋰＝(1～1.6)∶(0.8～1.2)的混合鹽在450℃～550℃下熔化后澆在稱好的錫上；(2)將溫度升至600℃～800℃，待錫熔化后，將稱好的Zn、或還有Bi或Ag加入到熔融的錫液當(dāng)中，攪拌，形成合金；(3)待其熔化均勻后，用壁上帶孔的不銹鋼鐘罩將市售稀土Er迅速壓入上述熔融的合金中，轉(zhuǎn)動(dòng)鐘罩；(4)待稀土完全熔化后，保溫1～2小時(shí)，攪拌，使合金均勻化，靜置出爐，凝固后去除表面的混合鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的溫度范圍是490℃～510℃，步驟(2)中的溫度范圍是680℃～720℃。
全文摘要
一種含稀土Er的SnZn基無鉛釬料及其制備方法屬于微電子行業(yè)電子組裝用無鉛釬料制造技術(shù)領(lǐng)域。該材料含有重量百分比為5～9％的Zn，0～1.5％的Ag，0.05～1％的市售稀土Er，或同時(shí)含有3～5％的Bi，其余為Sn。該制備方法是按重量比將氯化鉀∶氯化鋰＝(1～1.6)∶(0.8～1.2)的混合鹽熔化后澆在Sn上，待Sn熔化后，將稱好的Zn、或還有Bi或Ag加入Sn液中使之熔化，再將上述市售稀土Er用壁上有孔的鐘罩壓入上述混合鹽和SnZn基合金中，轉(zhuǎn)動(dòng)鐘罩，待完全熔化后，保溫1－2小時(shí)，攪拌，靜置，凝固后除去表面的混合鹽。本發(fā)明的釬料具有顯微組織細(xì)化、均勻，純凈度增加，冶煉方便，價(jià)格低廉，無污染，而且潤(rùn)濕工藝性能及冶金質(zhì)量得到改善。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1621195SQ200410101248
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者史耀武, 郝虎, 雷永平, 田君, 夏志東, 李曉延, 郭福 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)