專利名稱：Sn-Ag-Zn-Cr共晶無鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種焊接材料技術(shù)領(lǐng)域的焊料，具體是一種Sn-Ag-Zn-Cr共晶無 鉛焊料。
背景技術(shù)：
到目前為止，大量用于微電子封裝及組裝的焊料主要是傳統(tǒng)的Sn-Pb系焊料。然 而，電子產(chǎn)品、設(shè)備作為一般工業(yè)廢棄物和生活垃圾被丟棄時，在自然環(huán)境中焊料中的Pb 成分會溶解出來，侵入地下水，從而對環(huán)境和人類造成極大的危害。因此，近年來包括我國 在內(nèi)的許多國家紛紛制定或正在制定法律、法規(guī)，限制含鉛物質(zhì)的使用，用無鉛焊料替代傳 統(tǒng)的Sn-Pb系含鉛焊料已成為全球微電子制造領(lǐng)域不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢，積極尋找無毒無害 的新型焊料也成為了當(dāng)前電子行業(yè)的重要任務(wù)。Sn-Ag-Zn系焊料作為較有潛力的焊料合金 近兩年來越來越受到研究者的關(guān)注。相比目前最常用的Sn-Ag-Cu三元焊料，Sn-Ag-Zn三元焊料的成本和熔點與 Sn-Ag-Cu焊料相當(dāng)。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文件的檢索發(fā)現(xiàn)，在《無鉛焊接技術(shù)》(科學(xué)出版 社，2004. 7，第39頁)中提到Sn-Ag-Cu系列焊料，該焊料除熔點偏高，價格較貴外，還存 在著一些有待解決的問題。如在冷卻速度較低或Ag焊料偏高的情況下，易形成粗大的脆 性Ag3Sru Cu6SnjH，造成脆性增加，延展性降低，疲勞強度下降。而在《The effects of third alloying elements on the bulk Ag3Sn formation in slowly cooled Sn-3. 5Ag lead-free solder》(J Mater Sci =Mater Electron(2008) 19 :275_280)和其他一些文獻 中報道，Sn-Ag-Zn焊料可有效抑制脆性Ag3Sru Cu6Sn5相的生長，改善材料的力學(xué)性能和老 化 1 急定個生° 但是t艮據(jù)文獻〈〈Effect of zinc additions on structure and properties of Sn-Ag eutectic lead-free solder alloy)) (J Mater Sci :Mater Electron(2008) 19 81-84)禾口文獻《Effect of thermal ageing on (Sn_Ag，Sn—Ag—Zn)/PtAg, Cu/A1203 solder joints》(JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE :MATERIALS IN ELECTRONICS 9(1998)373-381) 及其他一些文獻報道，Sn-Ag-Zn焊料在抗氧化性能、潤濕性、焊點初始強度和對不銹鋼容 器的腐蝕性上具有一定劣勢。由于以上問題未得到解決，所以目前Sn-Ag-Zn焊料相對Sn Ag-Cu焊料不具備競爭優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種Sn-Ag-Zn-Cr共晶無鉛焊料，能 夠提高材料的抗氧化性、耐腐蝕性，同時延展性、強度等機械性能得到改善，并且對不銹鋼 焊錫槽等的腐蝕作用明顯減弱。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr為 0. 005-1 %，Ag 為 3-5%，Zn 為 0. 5-5%、調(diào)節(jié)型元素 0.5%，余量為 Sn。所述的Cr的含量優(yōu)選為0. 01-0. 8%,更進一步優(yōu)選為0. 02-0. 5%。所述的調(diào)節(jié)型元素為Ni、Ga、In或P中的任意一種。
本發(fā)明涉及上述Sn-Ag-Zn-Cr無鉛焊料的制備方法，包括直接熔煉法和分布熔煉 法，其中所述的直接熔煉法是指將所述組分直接混合后熔煉制得到無鉛焊料；所述的組分為粉末狀、粒狀或塊體狀的金屬元素；所述的分布熔煉法是指依次制備Sn-Cr合金、Ag-Cr合金、Zn-Cr合金、Sn-Zn-Cr 合金和Sn-Ag-Cr合金，然后將上述合金與調(diào)節(jié)型元素混合后熔煉得到無鉛焊料。所述的熔煉是指在真空、熔鹽或惰性氣體保護或還原氣體保護的環(huán)境下進行熔 太東。本發(fā)明通過加入Cr改善了 Sn-Ag-Zn三元共晶焊料的抗氧化性能和抗腐蝕能力， 實驗表明，Cr的加入會在表面SruCu氧化層和基底金屬之間形成Cr阻擋層，在高溫或腐蝕 環(huán)境中，該阻擋層可以阻止Sn、Cu向外擴散，從而改善了焊料的抗氧化性能和耐腐蝕性能； 此外Cr的加入使得焊料組織和焊點界面組織有了明顯的細(xì)化，提高了焊料力學(xué)性能和焊 點的可靠性；同時在焊料的凝固溫度范圍形成Sn-Zn-Cr金屬間化合物，通過金屬間化合物 的彌散強化提高了焊料的強度；另外Cr的存在會大大降低焊料對含Cr合金的溶解速度，避 免或改善對不銹鋼焊錫槽材料的溶蝕。當(dāng)Cr含量小于0. 005%時，無彌散強化作用，在焊料 表面附件難以形成Cr的阻擋層，對焊料的化學(xué)性能和機械性能改善不夠；當(dāng)含量高于
時，易造成成分的偏析，這種偏析使Cr阻擋層不均勻，局部過厚，對潤濕性和機械性能等的 負(fù)面影響較大。如果控制焊料中Cr的含量在0. 02-0. 5%范圍時，阻擋層厚度均勻、適中， 既能產(chǎn)生彌散強化作用，降低對不銹鋼等的溶蝕，又沒有明顯的偏析現(xiàn)象，使焊料的化學(xué)性 能和機械性能均處于最佳狀態(tài)。焊料合金對不銹鋼的腐蝕作用明顯減弱。本發(fā)明中加入的 Ga和In不僅可以改善焊料的潤濕性能，同時可以和Cr生成金屬間化合物，同時可以和Cr 生成CrGa4、Cr5Ga6、CrIn2等金屬間化合物，在合金中起到彌散強化的效果，從而提高焊料的 機械強度。而Ni的加入不僅可以抑制Ag3Sn金屬間化合物的生長，提高焊料的塑性，同時 還可以改善焊料的抗電遷移能力。P的加入改善了焊料的抗氧化性能，從而提高了焊料的潤 濕性。相比普通Sn-Ag-Zn焊料，本發(fā)明在抗氧化性、耐腐蝕性、延展性、耐疲勞性等機械性 能上得到改善，并且對不銹鋼焊錫槽等的腐蝕作用明顯減弱。本發(fā)明提供的焊料可以用在很多領(lǐng)域，如做成焊條、焊絲、焊片、焊球、焊粉、焊膏 等。這些產(chǎn)品可以用在電子封裝或組裝的各個焊接環(huán)節(jié)，如電子封裝中芯片上絲網(wǎng)印刷形 成電極凸點(Bump)、芯片粘貼，BGA、CSP焊球，回流焊、波峰焊等SMT組裝，各種電子封裝用 基板、印刷電路版焊點形成，以及各種修補焊、手工焊等?？傊?，本發(fā)明提供的焊料，其應(yīng)用 領(lǐng)域廣闊。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr = 0. 005%, Ag = 3.5%, Zn = 1.5%，余量 為Sn，通過直接熔煉法或者分步熔煉法制成Sn-3. 5Ag_l. 5Zn-0. 005Cr合金焊料。
各種性能測定表明該焊料的熔點、潤濕性、抗拉強度與Sn-3. 5Ag-l. 5Zn合金焊 料基本相同；在85°C，濕度為85%的腐蝕條件下進過24小時實驗后，發(fā)黃現(xiàn)象減少，且經(jīng) 2500C x25小時高溫氧化實驗后；光澤性好于Sn-3. 5Ag_l. 5Zn焊料。對304不銹鋼溶蝕較 少；延展性比Sn-3. 5Ag-l. 5Zn焊料提高約5% ；在緩慢冷卻后脆性增加現(xiàn)象不明顯。實施例2本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr = 0.01%,Ag = 3.5%,Zn = 1.5%，余量為 Sn，通過直接熔煉法或者分步熔煉法制成Sn-3. 5Ag_l. 5Zn-0. OlCr合金焊料。各種性能測定表明該焊料的熔點、潤濕性、抗拉強度與Sn-3. 5Ag-l. 5Zn合金焊 料基本相同；在85 °C，濕度為85 %的腐蝕條件下進過24小時實驗后，發(fā)黃現(xiàn)象進一步減少， 且經(jīng)250°C x25小時高溫氧化實驗后；光澤性也好于Sn-3. 5Ag_l. 5Zn焊料。對304不銹鋼 溶蝕較少；延展性比Sn-3. 5Ag-l. 5Zn焊料提高約5-10%；在緩慢冷卻后脆性增加現(xiàn)象不明 顯。實施例3本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr = 0.03%，Ag = 3. 5%，Zn = 1.5%，余量為 Sn，通過直接熔煉法或者分步熔煉法制成Sn-3. 5Ag_l. 5Zn-0. 03Cr合金焊料。各種性能測定表明該焊料的熔點、潤濕性、抗拉強度與Sn-3. 5Ag_l. 5Zn合金焊 料基本相同；在85°C，濕度為85%的腐蝕條件下進過24小時實驗后，無發(fā)黃現(xiàn)象，且經(jīng) 2500C x25小時高溫氧化實驗后；光澤性遠(yuǎn)好于Sn-3. 5Ag_l. 5Zn焊料。對304不銹鋼溶蝕 無明顯溶蝕；延展性比Sn-3. 5Ag-l. 5Zn焊料提高約15%；在緩慢冷卻后脆性增加現(xiàn)象不明 顯。實施例4本發(fā)明的組分及其質(zhì)量百分比為Cr = 0. 03%，Ag = 3. 5%，Zn = 4%，余量為Sn， 通過直接熔煉法或者分步熔煉法制成Sn-3. 5Ag-4Zn-0. 03Cr合金焊料。各種性能測定表明該焊料的抗拉強度與Sn-3. 5Ag_l. 5Zn合金焊料基本相 同；經(jīng)DSC檢測，液相線溫度降低約2°C，同時熔程擴大約1°C。通過鋪展實驗，潤濕性較 Sn-3. 5Ag-l. 5Zn焊料提高約7%。在85°C，濕度為85%的腐蝕條件下進過24小時實驗后， 無發(fā)黃現(xiàn)象，且經(jīng)250°C x25小時高溫氧化實驗后；光澤性遠(yuǎn)好于Sn-3. 5Ag_l. 5Zn焊料。對 304不銹鋼無明顯溶蝕；延展性比Sn-3. 5Ag-l. 5Zn焊料提高約20% ；在緩慢冷卻后脆性增 加現(xiàn)象明顯。
權(quán)利要求
一種Sn Ag Zn Cr共晶無鉛焊料，其特征在于，其組分及質(zhì)量百分比為Cr為0.005 1％，Ag為3 5％，Zn為0.5 5％、調(diào)節(jié)型元素0.5％，余量為Sn。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sn-Ag-Zn-Cr共晶無鉛焊料，其特征是，所述的Cr的含量為 0. 01-0. 8%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sn-Ag-Zn-Cr共晶無鉛焊料，其特征是，所述的Cr的含量為 0. 02-0. 5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sn-Ag-Zn-Cr共晶無鉛焊料，其特征是，所述的調(diào)節(jié)型元素為 Ni、Ga、In或P中的任意一種。
全文摘要
一種焊接材料技術(shù)領(lǐng)域的Sn-Ag-Zn-Cr共晶無鉛焊料，其組分及質(zhì)量百分比為Cr為0.005-1％，Ag為3-5％，Zn為0.5-5％、調(diào)節(jié)型元素0.5％，余量為Sn。本發(fā)明能夠提高材料的抗氧化性、耐腐蝕性，同時延展性、強度等機械性能得到改善，并且對不銹鋼焊錫槽等的腐蝕作用明顯減弱。
文檔編號B23K35/26GK101920406SQ20101028290
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者李明, 杭弢, 羅庭碧, 胡安民, 胡靜 申請人:上海交通大學(xué)