專利名稱：金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料及其制備方法屬于金屬基復(fù)合釬料技術(shù)領(lǐng)域。
錫鉛共晶或近共晶釬料熔點(diǎn)較低(183℃)，價格低廉，釬焊工藝性能好，但抗蠕變性能差。為提高錫鉛釬料的力學(xué)性能，常采用兩種方法沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化要求所加入的成分必須與金屬基體相適應(yīng)，而且合金元素的加入不能過分破壞釬料的物理性能和釬焊的工藝性能。另外，沉淀強(qiáng)化釬焊縫的顯微組織不穩(wěn)定，沉淀相隨時間容易粗化，而且粗化的沉淀相對焊縫的力學(xué)性能可能是有害的。而彌散強(qiáng)化，彌散體是外加的，具有較大的選擇余地，且能較好的控制顯微組織。
日本專利JP11333590提出在錫鉛釬料中加入重量比為0.3-1.0％的銻，0.001-0.15％的鈣，0.5-3.0％的銀，0.1-0.8％的銅和0.3-2.0％的銦，形成一種七元合金釬料。另外，日本在中國申請的專利CN1110203A提出，在錫鉛合金釬料中含重量比為15-80％的鉛，0.1-5％的銀，0.1-10％的銻，0.0005-0.3％的磷，其余為錫，形成一種五元合金釬料。上述兩種釬料都是在錫鉛釬料的基礎(chǔ)上添加銀、銅、銻、銦等元素合金化，通過在焊后組織中沉淀出銀、銅、銻、銦等元素的金屬間化合物實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。但由于焊后顯微組織不穩(wěn)定，沉淀相粗化，導(dǎo)致釬焊金屬的力學(xué)性能降低。另外，這兩種釬料在提高錫鉛釬料的抗蠕變性能的同時，也較大程度地改變了錫鉛釬料良好的物理性能。荷蘭菲力浦光燈制造公司在中國申請的專利CN1059372A提出，在錫鉛合金釬料中加入最高可到5％(體積)的金屬間化合物，例如Ni3Sn4和CuNiSn3微粒，形成彌散強(qiáng)化的合金。該發(fā)明專利說明焊后100℃，保溫29小時，晶粒并無明顯粗化和長大，并由此推測出現(xiàn)疲勞和斷裂的可能性會減小，但沒給出性能數(shù)據(jù)。
本發(fā)明所提供的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料，包括顆粒狀的錫鉛基體和顆粒狀的增強(qiáng)體，其特征在于所述的顆粒狀的錫鉛基體尺寸在35-74μm之間，其中錫的重量比為5-95％，其余為鉛；所述的顆粒狀的增強(qiáng)體為尺寸在0.5-5μm之間的Ag、尺寸在0.5-5μm之間的Ni或尺寸在0.5-38μm之間的Cu，該增強(qiáng)體在復(fù)合釬料中的體積比為1-15％。
本發(fā)明所提供的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料的制備方法，其特征在于將錫鉛釬料、增強(qiáng)體顆粒及膏狀釬劑機(jī)械混合均勻，攪拌15min以上，使增強(qiáng)體彌散分布于錫鉛基體中，得到膏狀金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料。
本發(fā)明提供的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料，成分相對簡單，增強(qiáng)體采用純金屬顆粒。在再流焊過程中，增強(qiáng)體與基體界面發(fā)生冶金反應(yīng)，形成一薄層金屬間化合物，抗蠕變性能大幅度提高，且熔化溫度、潤濕性及釬焊工藝性能等與相應(yīng)的現(xiàn)行錫鉛釬料相當(dāng)，保持錫鉛釬料熔化溫度低、潤濕性好、釬焊工藝性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，而且釬料制備簡單。
四

圖167Sn-37Pb釬料與本發(fā)明例1的金屬顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料平均蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖；圖267Sn-37Pb釬料與本發(fā)明例2的金屬顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料平均蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖；圖367Sn-37Pb釬料與本發(fā)明例3的金屬顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料平均蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖；圖467Sn-37Pb釬料與本發(fā)明例4的金屬顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料平均蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖；圖567Sn-37Pb釬料與本發(fā)明例5的金屬顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料平均蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖。，下面通過附圖及相應(yīng)的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的五種釬料的蠕變性能有較大的改善。為了模擬實(shí)際印刷電路板釬焊接頭的尺寸與冷卻條件，在蠕變試驗(yàn)中采用的是微型單搭接接頭，焊接接頭的搭接面積為1mm2，釬縫厚度為0.15mm。蠕變載荷為11-17MPa，溫度為10-40℃。連接材料為紫銅箔，厚度為0.1mm。再流焊溫度230-240℃。實(shí)施例中五種金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料試樣與67Sn-37Pb釬料試樣都是在上述相同的條件下制備和測試的。
圖1本發(fā)明例1的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料與67Sn-37Pb釬料用再流焊形成的微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖。蠕變試件的制備及蠕變壽命的試驗(yàn)條件如上述。兩種釬料蠕變試件均12件。橫坐標(biāo)1表示67Sn-37Pb釬料，橫坐標(biāo)2表示本發(fā)明例1的金屬顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料；縱坐標(biāo)表示微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值。由圖1可以看出本發(fā)明例1復(fù)合釬料的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值是67Sn-37Pb釬料的10倍。
圖2本發(fā)明例2的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料與67Sn-37Pb釬料用再流焊形成的微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖。蠕變試件制備及蠕變壽命試驗(yàn)條件如上述。兩種釬料蠕變試件均12件。橫坐標(biāo)1表示67Sn-37Pb釬料，橫坐標(biāo)2表示本發(fā)明例2的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料；縱坐標(biāo)表示微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值。由圖2可以看出本發(fā)明例2的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值是67Sn-37Pb釬料的9倍。
圖3本發(fā)明例3的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料與67Sn-37Pb釬料用再流焊形成的微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖。蠕變試件的制備及蠕變壽命的試驗(yàn)條件如上述。67Sn-37Pb釬料和本發(fā)明例3的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料的蠕變試件分別為12件和6件。橫坐標(biāo)1表示67Sn-37Pb釬料，橫坐標(biāo)2表示本發(fā)明例3的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料；縱坐標(biāo)表示微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值。由圖3可以看出本發(fā)明例3的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值是67Sn-37Pb釬料的21倍以上。
圖4本發(fā)明例4的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料與67Sn-37Pb釬料用再流焊形成的微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖。蠕變試件的制備及蠕變壽命的試驗(yàn)條件如上述。67Sn-37Pb釬料和本發(fā)明例4的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料的蠕變試件分別為12件和6件。橫坐標(biāo)1表示67Sn-37Pb釬料，橫坐標(biāo)2表示本發(fā)明例4的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料；縱坐標(biāo)表示微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值。由圖4可以看出本發(fā)明例4的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值是67Sn-37Pb釬料的21倍以上。
圖5本發(fā)明例5的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料與67Sn-37Pb釬料用再流焊形成的微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)圖。蠕變試件的制備及蠕變壽命的試驗(yàn)條件如上述。67Sn-37Pb釬料和本發(fā)明例5的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料的蠕變試件分別為12件和6件。橫坐標(biāo)1表示67Sn-37Pb釬料，橫坐標(biāo)2表示本發(fā)明例5的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料；縱坐標(biāo)表示微型單搭接試樣的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值。由圖5可以看出本發(fā)明例5的蠕變壽命統(tǒng)計(jì)平均值是67Sn-37Pb釬料的12倍。
例2稱取1.40g的Ag(尺寸為1μm)和1.5g市售的免清洗軟釬劑，放入坩堝中機(jī)械混合10min以上，待混合均勻后，再加入10g的67Sn-37Pb釬料(尺寸為46μm)，機(jī)械攪拌15min以上，金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料膏制成，同時要求低溫保存。
例3稱取0.56g的Ni(尺寸為1μm)和1.36g市售的免清洗軟釬劑，放入坩堝中機(jī)械混合10min以上，待混合均勻后，再加入10g的67Sn-37Pb釬料(尺寸為46μm)，機(jī)械攪拌15min以上，金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料膏制成，同時要求低溫保存。
例4稱取1.18g的Ni(尺寸為1μm)和1.5g市售的免清洗軟釬劑，放入坩堝中機(jī)械混合10min以上，待混合均勻后，再加入10g的67Sn-37Pb釬料(尺寸為46μm)，機(jī)械攪拌15min以上，金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料膏制成，同時要求低溫保存。
例5稱取0.56g的Cu(尺寸為38μm)和1.36g市售的免清洗軟釬劑，放入坩堝中機(jī)械混合10min以上，待混合均勻后，再加入10g的67Sn-37Pb釬料(尺寸為46μm)，機(jī)械攪拌15min以上，金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料膏制成，同時要求低溫保存。
權(quán)利要求
1.一種金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料，包括顆粒狀的錫鉛基體和顆粒狀的增強(qiáng)體，其特征在于所述的顆粒狀的錫鉛基體尺寸在35-74μm之間，其中錫的重量比為5-95％，其余為鉛；所述的顆粒狀的增強(qiáng)體為尺寸在0.5-5μm之間的Ag、尺寸在0.5-5μm之間的Ni或尺寸在0.5-38μm之間的Cu，該增強(qiáng)體在復(fù)合釬料中的體積比為1-15％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料的制備方法，其特征在于將錫鉛釬料、增強(qiáng)體顆粒及膏狀釬劑機(jī)械混合均勻，攪拌15min以上，使增強(qiáng)體彌散分布于錫鉛基體中，得到膏狀金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料。
全文摘要
一種金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料及其制備方法屬于金屬基復(fù)合釬料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所提供的金屬顆粒增強(qiáng)的錫鉛基復(fù)合釬料,包括顆粒狀的錫鉛基體和顆粒狀的增強(qiáng)體,其特征是:所述的顆粒狀的錫鉛基體尺寸在35－74μm之間,其中錫的重量比5－95%,其余為鉛;所述的顆粒狀的增強(qiáng)體為尺寸在0.5－5μm之間的Ag、尺寸在0.5－5μm之間的Ni或尺寸在0.5－38μm之間的Cu,該增強(qiáng)體在復(fù)合釬料中的體積比為1－15%。該釬料通過將錫鉛釬料、增強(qiáng)體顆粒及膏狀釬劑機(jī)械混合均勻,攪拌15min以上制得。該釬料抗蠕變性能大幅度提高,并保持了錫鉛釬料熔化溫度低、潤濕性好、釬焊工藝性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),且釬料制備簡單。該釬料廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)。
文檔編號B23K35/00GK1358606SQ0114448
公開日2002年7月17日 申請日期2001年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月19日
發(fā)明者史耀武, 閻焉服, 劉建萍, 夏志東, 陳志剛, 雷永平, 李曉延 申請人:北京工業(yè)大學(xué)