一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂及使用方法

摘要

本发明公开了一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂，该变质剂为铜钴合金粉末，钴的重量百分比为7—9%，其余为铜，合金粉末的粒径为10—100μm。该变质剂可以改善Ag

说明书

技术领域

本发明属于低温合金冶炼及软钎焊材料领域，具体来说，涉及一种用于锡银 铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂及使用方法。

背景技术

锡银铜（SnAgCu）焊料是目前主流的无铅焊料合金。然而，由于合金微观组 织中存在易于一维生长的Ag₃Sn金属间化合物，影响了合金作为焊点的可靠性， 特别是其耐冲击性能。此外，随着低银焊料的开发，合金成分偏离共晶，材料凝 固时会出现微观不均匀收缩和产生偏析现象，微观组织中出现Cu₆Sn₅化合物的不 均匀分布。

参考专利1（专利号：CN01131644.6）公开了一种用于锌及锌合金熔体处理 工艺的锌变质剂，重量百分比Al：20—40%，Ti：2—5%，B：0.5—1.5%，Xt：0.5 —1%，Zn：55—75%，可以使锌及锌合金实现同时均匀结晶而形成等轴细晶粒组 织，提高产品使用性能。

参考专利2（专利号：CN200810223968.5）公开了一种SnAgCu无铅焊料， 添加质量百分比La：0.02—0.2%、P：0.0001—0.2%、Co：0.01—0.05%微量元 素改善抗氧化性能和润湿性能，提高接头剪切性能和抗冲击性能。其中Co元素 加入后形成CoSn₂金属间化合物，增大凝固过程过冷度，有利于形核。

参考专利3（专利号：CN200780005120.9）公开了一种锡铜（SnCu）系无铅 合金焊料，消除由于金属间化合物为核的浮渣，消除产生角状物等钎焊缺陷。在 Sn基焊料合金中添加0.01重量%以上且不足0.05重量%的Co可以抑制Cu向焊 料中溶出，并且金属间化合物以微粒状态分散而成，焊料的蠕变强度提高。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于锡银铜焊料或锡铜 焊料熔炼的变质剂，该变质剂可以改善Ag₃Sn和Cu₆Sn₅等金属间化合物的结晶形 态和分布；同时，还提供用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂的使用方法， 该使用方法一方面可以提高变质效率；另一方面改善焊料的不均匀收缩，焊料制 粉后可以获得尺寸更加均匀，球形度高的焊粉。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂，该变质剂为铜钴合金粉末， 其中，钴的重量百分比为7—9%，其余为铜，合金粉末的粒径为10—100μm。

一种上述用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂的使用方法，该使用方法 的过程是：将锡银铜焊料或锡铜焊料由熔炼温度500℃降温至280—300℃保温， 浇铸或喷粉前加入变质剂，变质剂与锡银铜焊料或锡铜焊料的重量比为1:100， 并施加频率为50—60KHz、磁场强度为6—8kA/m的交变磁场，搅拌焊料与变质 剂的混合液，搅拌5—10分钟后，去除变质剂，对锡银铜焊料或锡铜焊料进行浇 铸或喷粉；所述变质剂为铜钴合金粉末，其中，钴的重量百分比为7—9%，其余 为铜，合金粉末的粒径为10—100μm。

有益效果：本专利是一种专门用于锡银铜焊料或锡铜焊料熔炼的变质剂。与 背景技术中提及的参考专利1不同，本专利的材料成分以铜钴基合金为主，适用 于SnAgCu和SnCu软钎焊合金的熔炼。与参考专利2和参考专利3不同的是，本 专利将CuCo合金粉作为一种变质剂使用，并不限定Co在焊料中的含量，即并不 以Co元素溶入焊料而起到本专利所申明的改善效果。事实上有别于合金化的方 式在焊料中增加Co或Ni等成分。本发明的变质剂的优点在于不改变焊料合金的 成分，但能够优化焊料合金的组织并提高性能。具体来说，选择CuCo合金粉末 加入的方式大幅提高了变质效率。本发明的变质剂是Cu和Co包晶合金，微观组 织中的Co是从Cu基体中固溶析出的，尺寸细小。尤其是这种合金被加工成 10～100μm的颗粒，增大了表面积。这些都为非均匀形核提供了有利条件。变质 剂加入焊料合金后需要施加交变磁场并搅拌。磁场的作用是改变焊料结晶相与变 质剂界面的界面能，帮助形核。搅拌一方面限制了形成的晶体快速长大，另一方 面使得变质剂表面上的晶核被冲刷下来，有利于再次形核。因此，变质剂通过这 种工艺获得了更好的变质效果。本发明的变质剂可以改善焊料的不均匀收缩，焊 料制粉后可以获得尺寸更加均匀，球形度高的焊粉。

附图说明

图1为未加入本发明变质剂的焊料的组织图。

图2为加入本发明变质剂后的焊料的组织图。

图3为本发明变质剂的颗粒形貌图。

图4为本发明实施例1的焊粉组织及颗粒形貌图。

图5为未进行变质处理的焊粉组织及颗粒形貌图。

图6为本发明实施例5焊点表面收缩的效果图。

图7为未进行变质处理的焊点表面收缩的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

如图3所示，本发明的一种用于锡银铜或锡铜焊料熔炼的变质剂，为铜钴合 金粉末，其中，钴的重量百分比为7—9%，其余为铜，合金粉末的粒径为10—100 μm。作为优选，所述合金粉末粒径为20—50μm。当合金粉末粒径为20—50μm 时，可使锡银铜（SnAgCu）焊料或锡铜（SnCu）焊料获得优化的变质效果，即焊 料组织中金属间化合物分布更均匀。

上述用于SnAgCu焊料或SnCu焊料熔炼的变质剂的使用方法的过程是：将 SnAgCu焊料或SnCu焊料由熔炼温度500℃降温至280—300℃保温，浇铸或喷粉 前加入变质剂，变质剂与SnAgCu焊料或SnCu焊料的重量比为1:100，并施加频 率为50—60KHz，磁场强度为6—8kA/m的交变磁场，搅拌焊料与变质剂的混合 液，搅拌5—10分钟后，去除变质剂，对SnAgCu焊料或SnCu焊料进行浇铸或喷 粉；所述变质剂由包晶成分铜和钴（Co）两种合金粉末混合组成，其中，钴的重 量百分比为7—9%，其余为铜，合金粉末的粒径为10—100μm。

作为一种高熔点金属元素，Co在300℃以下难以溶入合金。在本专利申请的 使用方法下，变质剂能够改变形核相（即金属间化合物）的界面能，有效改善 Ag₃Sn和Cu₆Sn₅等金属间化合物的结晶形态和分布。如图1和图2所示，与没有 进行变质处理的合金相比，Ag₃Sn颗粒转变为等轴晶，而Cu₆Sn₅颗粒分布更加均 匀。

选择Cu和Co合金粉末加入的方式大幅提高了变质效率。本发明的变质剂是 Cu和Co包晶合金，微观组织中的Co是从Cu基体中固溶析出的，尺寸细小。如 图2所示，这种合金被加工成10～100μm的颗粒，增大了表面积。这些都为非均 匀形核提供了有利条件。同时，变质剂的颗粒不宜小于10μm，否则会增加粉末 表面氧化的倾向，不利于形核。

变质剂加入焊料合金后需要施加交变磁场并搅拌。磁场的作用是改变焊料结 晶相与变质剂界面的界面能，帮助形核。搅拌一方面限制了形成的晶体快速长大， 另一方面使得变质剂表面上的晶核被冲刷下来，有利于再次形核。因此，变质剂 通过这种工艺获得了更好的变质效果。

此外，在300℃以下加入变质剂是为了控制变质剂中的元素溶入焊料当中， 同时便于分离出变质剂，以便使焊料合金中的Cu、Co浓度符合ISO9453-2006 等成分标准，实际成分如下表所示。

采用本发明的使用方法，

将锡银铜焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温，浇铸或喷粉前加入变质 剂，变质剂与锡银铜焊料的重量比为1:100，并施加频率为60KHz、磁场强度为 6kA/m的交变磁场，搅拌焊料与变质剂的混合液，搅拌10分钟后，去除变质剂， 对锡银铜焊料进行浇铸或喷粉；所述变质剂为铜钴合金粉末，其中，钴的重量百 分比为9%，其余为铜，合金粉末的粒径为100μm。

采用火花直读光谱仪，对上述添加变质剂后的锡银铜焊料进行检测，检测结 果如表1所示，各元素的含量符合ISO9453-2006标准的要求。

表1

下面例举实施例。

实施例1

一种用于SnAgCu焊料（焊料中Ag的重量比为3%，Cu的重量比为0.5%，其 余为Sn）熔炼的变质剂，其中Co重量百分比为7%，其余为Cu，合金粉末的粒 径为10μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温，浇铸或喷粉前 加入所述的变质剂粉末与SnAgCu焊料按照重量比为1:100混合，并施加频率为 50KHz，磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌，5分钟后去除变质剂进行浇铸或 喷粉。

实施例2

一种用于SnAgCu焊料（焊料中Ag的重量比为3%，Cu的重量比为0.5%，其 余为Sn）熔炼的变质剂，其中Co重量百分比为8%，其余为Cu，合金粉末的粒 径为20μm。将Sn-3%Ag-0.5%Cu焊料由熔炼温度500℃降温至290℃保温，浇铸 或喷粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-3%Ag-0.5%Cu焊料按照重量比为1:100混 合，并施加频率为50KHz，磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌，5分钟后去除 变质剂进行浇铸或喷粉。

实施例3

一种用于SnAgCu焊料（焊料中Ag的重量比为3%，Cu的重量比为0.5%，其 余为Sn）熔炼的变质剂，其中Co重量百分比为9%，其余为Cu，合金粉末的粒 径为50μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至280℃保温，浇铸或喷粉前 加入所述的变质剂粉末与Sn-3%Ag-0.5%Cu焊料按照重量比为1:100混合，并施 加频率为60KHz，磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌，5分钟后去除变质剂进 行浇铸或喷粉。

实施例4

一种用于SnAgCu焊料（焊料中Ag的重量比为1%，Cu的重量比为0.7%，其 余为Sn）熔炼的变质剂，其中Co重量百分比为8%，其余为Cu，合金粉末的粒 径为100μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温，浇铸或喷粉 前加入所述的变质剂粉末与Sn-1%Ag-0.7%Cu焊料按照重量比为1:100混合，并 施加频率为55KHz，磁场强度6kA/m的交变磁场进行搅拌，5分钟后去除变质剂 进行浇铸或喷粉。

实施例5

一种用于SnAgCu焊料（焊料中Ag的重量比为0.3%，Cu的重量比为0.7%， 其余为Sn）熔炼的变质剂，其中Co重量百分比为8%，其余为Cu，合金粉末的 粒径为100μm。将SnAgCu焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温，浇铸或喷 粉前加入所述的变质剂粉末与Sn-0.3%Ag-0.7%Cu焊料按照重量比为1:100混合， 并施加频率为56KHz，磁场强度7kA/m的交变磁场进行搅拌，7分钟后去除变质 剂进行浇铸或喷粉。

实施例6

一种用于SnCu焊料（焊料中Cu的重量比为0.7%，其余为Sn）熔炼的变质 剂，其中Co重量百分比为8%，其余为Cu，合金粉末的粒径为80μm。将SnCu 焊料由熔炼温度500℃降温至300℃保温，浇铸或喷粉前加入所述的变质剂粉末 与Sn-0.7%Cu焊料按照重量比为1:100混合，并施加频率为60KHz，磁场强度 8kA/m的交变磁场进行搅拌，10分钟后去除变质剂进行浇铸或喷粉。

对实施例1经过变质处理的焊料，进行金相显微镜拍照，结果如图4所示。 对同样的焊料，不经过本发明的变质处理，其焊粉组织及颗粒形貌图如图5所示。 通过对比图4和图5，本实施例1的焊料能够在喷粉时得到尺寸更加均匀的颗粒， 焊粉的球形度也有所提高。

对实施例5经过变质处理的焊料进行金相显微镜拍照，如图6所示。对同样 的焊料，不经过本发明的变质处理，其焊点表面收缩图如图7所示。通过对比图 6和图7，本实施例1的焊料获得的焊点不均匀收缩得到改进。

对其他实施例经过变质处理的焊料，进行同样的测试，均能得到同样的结果， 即尺寸更加均匀的颗粒，焊粉的球形度也有所提高，且焊点不均匀收缩得到改进。