專利名稱：含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料,屬于金屬材料類及冶金領域的釬焊材料。主要用于電子行業(yè)元器件的組裝及封裝，是ー種釬焊性能(如潤濕性能)良好、焊點(釬縫)力學性能優(yōu)良的新型緑色、環(huán)保型無鉛釬料。
背景技術：
隨著RoHS (The Restriction of the Use of certain Hazardous Substancein Electrical and Electronic Equipment)指令的生效,錫鉛釬料的替代問題一直是電子行業(yè)技術人員研究的熱點。目前具有代表性的無鉛釬料有Sn-Ag-Cu、Sn-Cu和Sn-Cu-Ni等合金系，這種合金系無鉛釬料各有所長，但是與錫鉛釬料相比，在釬料成本和釬料熔點等方面仍有一定的差距。Sn-Zn系釬料具有熔點以及原材料成本均低于Sn-Ag-Cu、Sn-Cu和Sn-Cu-Ni系釬料的長處，特別是Sn-Zn釬料熔點非常接近錫鉛釬料，但是由于Sn-Zn系釬料·潤濕性能較差，因此目前還難以應用于エ業(yè)化生產，仍需研究改進。近年來國內外在Sn-Zn基礎上開發(fā)出了“ Sn-Zn-Ga-Ce無鉛釬料”(中國發(fā)明專利申請公開號，CN101269446A)、“一種錫鋅基無鉛釬料合金”(中國發(fā)明專利申請公開號，CN101585120A)、“ー種Sn-Zn系無鉛釬料合金及其制備方法”(中國發(fā)明專利申請公開號，CN101058131A)以及“錫鋅基含稀土元素的無鉛釬料合金”(中國發(fā)明專利申請公開號，CN1390672A)等多種“多元合金體系”的Sn-Zn釬料，它們與ニ元Sn-Zn合金相比在某些性能上有所改善，但在綜合性能上還是不如傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料，因此，Sn-Zn系釬料仍需進ー步改迸。為此本申請人作了有益的研究，下面將要介紹的技術方案便是在這種背景下產生的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種抗氧化性能強、潤濕性能良好和釬縫力學性能優(yōu)良而藉以適用于電子行業(yè)的諸如波峰焊、再流焊、浸焊和手工焊接并且有助于體現(xiàn)綠色環(huán)保而藉以滿足RoHS指令要求的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料。本發(fā)明的目的是這樣來達到的，ー種含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料，其組成為按質量百分比的6. O 10. 5%的Zn，O. 005 O. 5%的Nd，O. 005 0. 05%的Ga，0.001 0. 01%的Te，余量為Sn。在本發(fā)明的ー個具體的實施例中，所述的Ga與Te的質量比為Ga Te=4.8-5.2 I。在本發(fā)明的另ー個具體的實施例中，所述的Ga與Te的質量比為Ga Te=5 I。本發(fā)明提供的技術方案所具的技術效果在于由于合理控制了 NcUGa和Te的加入量，因而可使釬料熔點低于或等于Sn-Zn ニ元合金的熔點；由于加入了 Te，因此可顯著地提高Sn-Zn無鉛釬料的抗氧化性能；由于Ga與Te取量合理，因而具有極佳的潤濕性能和鋪展性能；配合市售的RMA (即中等活性的助焊劑)釬劑，釬縫力學性能可達到65MPa 90MPa ；由于釬料中不含有RoHS指令限制使用的有害元素，因而能體現(xiàn)綠色環(huán)保。
具體實施例方式采用常規(guī)方法制備釬料，即使用市售的錫錠、鋅錠、金屬鎵、金屬釹、淺灰色碲錠，各種金屬原料按上述配方即質量百分比配比，冶煉時加入經優(yōu)化篩選確定的“覆蓋劑”或采用“惰性氣體”保護進行冶煉、澆鑄，可得到棒材。通過擠壓、拉拔，即得到絲材(也可加入助焊劑，制成“藥芯焊絲”)。鉛(即Pb)元素作為錫錠、電解銅等原材料中的“雜質元素”，總量(質量百分數)控制在Pb く O. I wt. %范圍內，以滿足符合中華人民共和國國家標準GB/T20422-2006《無鉛釬料》的規(guī)定(標準中規(guī)定Pb ( O. Iwt. %)?？紤]到金屬鎵熔點低，金屬釹熔點高且極易氧化，根據生產需要也可將金屬鎵、金屬釹預先冶煉成中間合金，以Sn-Ga和Sn-Nd的形式加入，以保證鎵和釹在釬料中成分的準確性。
金屬碲準確地說應該是非金屬元素。它有兩種“同素異形體”。一種為無定形褐色 粉末，且不太穩(wěn)定，不利于保存和生產時準確添加。而另ー種為結晶形、具有銀白色金屬光澤的碲較為穩(wěn)定，其熔點約為449. 5°C，沸點約為1390°C，密度約為6. 25，在Sn-Zn釬料冶煉時，較容易準確添加。本發(fā)明過程使用的碲均為銀白色金屬光澤的碲。本發(fā)明的釬料組織均勻，易于加エ成各種形狀，如條狀、棒狀、絲狀、焊球，以適應不同生產條件的需要。實施例一ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為6. 0%的Zn，O. 5% 的 Nd, O · 005% 的 Ga, O. 001% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在206°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤濕性能。實施例ニー種含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為10. 5%的Zn, O. 005 % 的 Nd, O. 05% 的 Ga, O. 01% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在207°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤濕性能。實施例三ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為8. 5%的Zn，O. 25 % 的 Nd, O. 01% 的 Ga, O. 002% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在204°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤濕性能。實施例四ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為7. 2%的Zn，O. 05 % 的 Nd, O. 015% 的 Ga, O. 003% 的 Te，余量為 Sn。
上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在205°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤濕性能。實施例五ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為9. 8%的Zn，O. 18 % 的 Nd, O. 04% 的 Ga, O. 0 08% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在203°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有優(yōu)良的潤濕性能。實施例六ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為8. 5%的Zn，O. 25 % 的 Nd, O. 024% 的 Ga, O. 005% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在204°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有較為優(yōu)良的潤濕性能。實施例七ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為7. 2%的Zn，O. 05 % 的 Nd, O. 026% 的 Ga, O. 005% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在205°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上具有較為優(yōu)良的潤濕性能。實施例八ー種含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為9. 8%的Zn，O. 18 % 的 Nd, O. 047% 的 Ga, O. 01% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在203°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上潤濕性能較差。實施例九ー種含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料，按質量百分數配比，其成分為10. 5%的Zn, O. 005 % 的 Nd, O. 0106% 的 Ga, O. 002% 的 Te，余量為 Sn。上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料”固相線溫度在198°C左右，液相線溫度在207°C左右(均考慮了試驗誤差)。配合市售RMA釬劑在紫銅板上潤濕性能較差。上述實施例1-9得到的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料可概括為以下兩個方面的特點I)發(fā)現(xiàn)了可顯著提高Sn-Zn釬料“抗氧化性能”的Te元素。在本發(fā)明的試驗過程中，研究發(fā)現(xiàn)，Te加入到Sn-Zn系無鉛釬料中，可顯著地提高Sn-Zn釬料的“抗氧化性能”。進ー步研究發(fā)現(xiàn)，如果同時加入Nd和Ga元素，Sn-Zn釬料的“抗氧化性能”更加優(yōu)良。通過優(yōu)化NcUGa和Te以及Sn、Zn的化學成分，得到了“抗氧化性能”優(yōu)良、對銅板潤濕性能良好的Sn-Zn-Nd-Ga-Te無鉛釬料。由于Nd、Ga、Te的加入量很少，新發(fā)明的釬料熔點低于或等于Sn-Zn ニ元合金的熔點。以往的研究一致認為，Ga (鎵元素)和/或P (磷元素)的加入，可以顯著提高Sn-Pb釬料、Sn-Ag-Cu釬料的“抗氧化”能力(參見中國發(fā)明專利“具有抗氧化能力的無鉛焊料”，CN1439480A);還有研究指出，同時添加Ga和稀土元素Ce，能夠顯著提高Sn-Zn釬料的抗氧化能力(參見中國發(fā)明專利“Sn-Zn-Ga-Ce無鉛釬料”，CN101269446A)。但是對于Sn-Zn釬料來說，無論Ga和/或P的加入，還是同時添加Ga和稀土元素Ce，Sn-Zn釬料的“抗氧化”能力的提高或改善仍然達不到“滿足波峰焊要求”的效果。然而，本發(fā)明含Nd、Ga、Te的Sn-Zn無鉛釬料即Sn-Zn-Nd-Ga-Te無鉛釬料，由于微量Te元素的“特殊作用”，其“抗氧化”能力滿足了波峰焊要求。進ー步研究發(fā)現(xiàn)，微量Te元素的“特殊作用”，是由于Te可與Sn形成穩(wěn)定的金屬間化合物SnTe (SnTe的熔點約為806°C);Te可與Zn形成穩(wěn)定的金屬間化合物ZnTe (ZnTe的熔點約為1292°C);Te可與Ga形成穩(wěn)定的金屬間化合物GaTe(GaTe的熔點約為635°C)。 上述金屬間化合物的形成，一方面“減緩” 了 Sn、Zn與氧發(fā)生氧化反應的幾率，從而提高了新發(fā)明釬料的“抗氧化”能力；另一方面，由于上述金屬間化合物細小、穩(wěn)定，在釬料釬焊冷卻過程中，起著“形核質點”的作用，從而細化了釬料(或焊點)的組織，使得釬料組織均勻，易于加工成各種形狀。2)試驗驗證并優(yōu)選了 Ga與Te元素的添加范圍和比例關系.通過“序貫實驗設計”方法發(fā)現(xiàn)了向Sn-Zn無鉛釬料中加入適量“Ga元素”和“Te元素”對Sn-Zn無鉛釬料“抗氧化性能”的影響規(guī)律即Ga與Te的添加量為5 1(即Ga Te = 5 1，下同)時，本發(fā)明的無鉛釬料具有最佳的“抗氧化性能”，從而具有最佳的潤濕性能。在本發(fā)明所選定的Sn-Zn-Nd-Ga-Te無鉛釬料的成分范圍內，加入稀土元素Nd,由于Nd具有“表面活性”作用能夠降低液態(tài)釬料的表面張力，同時影響液態(tài)釬料的傳質作用從而抑制釬料與基板的反應、潤濕過程，從而提高Sn-Zn-Nd-Ga-Te無鉛釬料的潤濕、鋪展性能。試驗結果表明，當Ga與Te的添加量達到Ga Te = 4. 8 5. 2 I時，本發(fā)明的無鉛釬料具有良好的“抗氧化性能”，而在Ga Te = 5 I時，新發(fā)明的無鉛釬料具有最佳的“抗氧化性能”。本發(fā)明的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料與已有技術中的Sn-Zn釬料相比經測
試具有下表所示的技術效果。
權利要求
1.一種含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料，其特征在于其組成為按質量百分比的6. O 10.5% 的 Zn, O. 005 O. 5% 的 Nd, O. 005 O. 05% 的 Ga, O. 001 O. 01% 的 Te，余量為 Sn。
2.根據權利要求I所述的含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，其特征在于所述的Ga與Te 的質量比為 Ga Te=4.8_5.2 I。
3.根據權利要求2所述的含NcUGa和Te的Sn-Zn無鉛釬料，其特征在于所述的Ga與Te的質量比為Ga Te=5 I。
全文摘要
一種含Nd、Ga和Te的Sn-Zn無鉛釬料，屬于金屬材料類及冶金領域的釬焊材料。其組成為按質量百分比的6.0~10.5%的Zn，0.005~0.5%的Nd，0.005~0.05%的Ga，0.001~0.01%的Te，余量為Sn。優(yōu)點由于合理控制了Nd、Ga和Te的加入量，因而可使釬料熔點低于或等于Sn-Zn二元合金的熔點；由于加入了Te，因此可顯著地提高Sn-Zn無鉛釬料的抗氧化性能；由于Ga與Te取量合理，因而具有極佳的潤濕性能和鋪展性能；配合市售的RMA釬劑，釬縫力學性能可達到65MPa～90MPa；由于釬料中不含有RoHS指令限制使用的有害元素，因而能體現(xiàn)綠色環(huán)保。
文檔編號B23K35/26GK102862000SQ20121034441
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權日2012年9月18日
發(fā)明者顧立勇, 顧文華, 顧建昌 申請人:常熟市華銀焊料有限公司