无镉中温银基钎料的低电压电磁压制及烧结工艺研究

摘要

无镉中温银基钎料具有良好的润湿和填缝性能,不高的钎焊温度,钎焊接头的强度、塑性、导电性以及耐腐蚀性都十分优异,且不含有毒元素,在微电子封装、家电、航天、军工等行业中具有广阔的应用前景。目前,制备无镉中温银基钎料的主要方法是传统的轧制工艺以及快速凝固技术。传统的轧制工艺步骤多,生产周期长,效率低,成材率低;快速凝固技术是材料制备领域的一种突破性新技术,但在国内对此研究较少,尚无生产企业采用该技术来制备钎料。
　　 基于本课题组的研究特长,本文将粉末冶金技术引入无镉中温银基钎料的制备领域,采用低电压电磁压制工艺来制备无镉中温银基钎料,为得到高致密度的无镉中温银基钎料开辟全新的加工方法,克服了传统轧制工艺生产周期长等缺点,避免了传统的高温熔铸环节,减少脆性相的产生,提高成材率,这对实际生产应用有重大的意义。
　　 压制实验在本课题组自行研制的低电压粉末脉冲成形机上对Ag-22Cu-17Zn-5Sn系无镉中温银基钎料的粉末进行了低电压电磁压制,系统地分析了放电电压、电容、压制次数、压坯径高比以及线圈匝数等对压坯密度的影响规律,并对比分析了常规压制和电磁压制对压坯密度的影响。
　　 压制实验结果表明,通过提高放电电压、电容等提高放电能量以及增加线圈匝数来提高放电能量的利用率都能有效提高无镉中温银基钎料压坯的致密度;通过增加压坯径高比以及压制次数也能在一定程度上提高无镉中温银基钎料压坯的致密度。相较于传统的静压制,通过增加放电能量及其利用率可获得的压坯密度远高于静压制所能够获得的压坯密度,所以低电压电磁压制是一种获得高致密的无镉中温银基钎料的有效方法。
　　 本文研究了无镉中温银基钎料压坯的液相烧结机制,观察压坯的密度随加热温度的变化规律。液相烧结实验表明,Ag-22Cu-17Zn-5Sn系无镉中温银基钎料的压坯在液相烧结过程中会发生膨胀,密度降低的反致密化现象。结合热膨胀测试、SEM观看断口形貌、XRD物相测试、电子探针测试以及分析二元相图,揭示了Ag-22Cu-17Zn-5Sn系无镉中温银基钎料的压坯在液相烧结过程中发生膨胀的原因是由于Zn在Ag中的溶解度较大,烧结过程中液态Zn会向Ag颗粒内部扩散后使Ag颗粒体积变大,而Zn原来所占据的位置成为孔洞,导致压坯体积变大。这种元素间的溶解度不匹配引起元素原子间的不等量扩散,造成固一液界面间的物质迁移,是导致固相颗粒体积长大和烧结膨胀发生的根本原因。