铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料及制备方法

摘要

本发明公开了一种铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料及制备方法，属于复合无铅焊料技术。所述的复合焊料，是在纯度为99.99％的质量比为96.5∶3.5锡和银共晶复合无铅焊料中，含有质量比为1％－5％的铜锌铝质量比为74－66∶24－28∶2－6的粒径为20－50μm的形状记忆合金。该焊料制备方法，包括以下过程：质量比为96.5∶3.5的纯度为99.99％的锡和银共晶无铅焊料熔炼；质量比为74－66∶24－28∶2－6的粒径为20－50μm的铜锌铝形状记忆合金热弹性马氏体的制备；铜锌铝形状记忆合金颗粒与熔配而成的锡银共晶无铅焊料热混和水冷。制得的复合铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银合金焊料，在工作温度变化时具有形状记忆效应，能提高焊点服役寿命，其制备方法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料及制备方法，属于复合无铅焊料技术。

背景技术

重视环保、提倡绿色产品是当今世界经济发展的大趋势。传统铅锡焊料的使用已有约两千年的历史，并在现代电子装配工业中更是得到广泛应用。但由于铅对人体神经系统的损害给人类健康带来不可忽视的危害，铅污染问题日益受到人们的重视，以至于目前在国际上实现电子产品无铅化呼声很高。欧盟领导下的电子电气设备废弃组织(WEEE)要求在2006年停止在电子装配工业中使用含铅材料。美国国家电子制造协会(NEMI)为此专门实施一个名为“NEMI的焊接无铅化计划”来系统研究无铅装配在电子工业中的使用问题；日本的主要消费电子制造企业也纷纷承诺尽快全面实现无铅电子装配，这一切使无铅焊料的研究迫在眉睫。为迎接全球同步焊接无铅化的浪潮，避开国际上已发展的无铅焊料专利壁垒，制定适合中国国情的无铅焊料发展战略已成为中国电子装配工业的当务之急。据估算，2004年中国电子信息产业销售收入达2.73万亿元，其中出口占一半左右。国际上相关法令法规的实施已关系到中国相关铅产品的出口，也直接关系到我国生态环境和人体健康的保护。国内电子产品无铅化势在必行。我国政府高度重视电子产品环境污染问题，为此出台了《电子信息产品污染防治管理办法》，以确保我国电子信息产业持续健康发展。但我国电子产品无铅化技术的研究起步较晚，有自主知识产权的商业化无铅电子产品更是寥寥无几，因此，材料科学工作者面临着使用无铅焊料取代传统铅锡焊料的挑战，新型无铅焊料的研发已成为材料科学的前沿课题之一。

焊点作为电路板上起连接、导电及导热作用的结构，承受着电子器件与基板材料热膨胀系数不同所产生的大部分剪切应力，当电子设备反复运行时，处于热循环中的焊点将受到剪切力的交替作用，导致焊点开裂，使的电子系统故障，因此，美国海军研究生院研究人员采用搅拌法将通过淬冷诱发马氏体形成后的镍钛形状记忆合金颗粒加入锡银铜共晶无铅焊料制得复合焊料。在达到工作温度时，焊点受到由于连接组件热膨胀系数差异而引发的外剪切应力，但同时焊点内形状记忆材料由马氏体向奥氏体转变所产生的回复力将引起焊点膨胀来抵消焊点所受的外剪切应力，使焊料的弹性得到提高，降低了焊料与基板材料热膨胀系数不同所产生的大部分剪切应力。但由于镍钛形状记忆合金颗粒与焊料及基板间的润湿性很差，成功将镍钛形状记忆合金颗粒均匀复合于基体中十分困难，虽然采取镍钛颗粒表面镀铜或加入氢氟酸基焊剂来改善其润湿性，但一方面收效甚微，另一方面成本增加也是一个难题。

发明内容

本发明目的是提供一种铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料及其制备方法，该焊料在工作温度变化时具有形状记忆效应，能提高焊点服役寿命。其制备方法简单。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料，其特征在于，在纯度为99.99％的质量比为96.5∶3.5锡和银共晶无铅焊料中，含有质量比为1％-5％的铜锌铝质量比为74-66∶24-28∶2-6的粒径为20-50μm的形状记忆合金。

上述的铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银复合焊料制备方法，其特征在于包括以下过程：

将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀，然后水冷凝固。再将合金翻转后重新加热到1200℃-1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复至少五次，得到直径约为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料；将质量比为74-66∶24-28∶2-6的粒径为20-50μm的铜锌铝形状记忆合金在真空环境中加热到800℃，保温10分钟，快速将其通过水淬使合金中生成热弹性马氏体，使其在20℃和100℃之间具有双程形状记忆效应。然后将质量比为1％到5％的制得的铜锌铝形状记忆合金颗粒与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到230-280℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银合金焊料。

本发明优点是通过将铜锌铝形状记忆合金颗粒加入锡银无铅焊料使焊料具有了形状记忆效应，可以更好的在热冲击环境工作条件下服役，同时比起镍钛形状记忆合金颗粒增强型锡银无铅焊料，铜锌铝形状记忆合金颗粒与锡银基体有良好的润湿性，且经济性较好。

附图说明

图1为复合焊料的显微金相照片，其中均匀分布着铜锌铝形状记忆合金颗粒(白亮区域为铜锌铝形状记忆合金颗粒)。

图2为复合焊料的显微金相照片，其中铜锌铝形状记忆合金颗粒在50℃时的光滑形貌，颗粒为母相。

图3为复合焊料的显微金相照片，其中铜锌铝形状记忆合金颗粒在20℃时显现热弹性马氏体浮凸，颗粒为马氏体相。

图4为复合焊料的差热分析曲线，曲线中在从20℃升温到150℃和从150℃降温到20℃时，焊料都有相应的吸放热峰，表明焊料具备形状记忆效应。

图5为将锡银焊料和铜锌铝形状记忆合金焊接后在150℃保温16小时后的界面微观形貌扫描电镜照片，其良好的结合说明锡银焊料和铜锌铝形状记忆合金有良好的润湿性。

具体实施方式

例1

将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1200℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1200℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径约为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。将质量比为74∶22∶4铜锌铝形状记忆合金颗粒(大小为20-50μm)在真空环境中加热到800℃，保温10分钟，快速将其通过水淬使合金中生成热弹性马氏体，使其在25℃和60℃之间具有双程形状记忆效应。然后将质量比为1％的制得的铜锌铝形状记忆合金颗粒与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到230℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银合金焊料。

例2

将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1500℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1500℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径约为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。将质量比为74∶22∶4铜锌铝形状记忆合金颗粒(大小为20-50μm)在真空环境中加热到800℃，保温10分钟，快速将其通过水淬使合金中生成热弹性马氏体，使其在30℃和80℃之间具有双程形状记忆效应。然后将质量比为5％的制得的铜锌铝形状记忆合金颗粒与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到250℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银合金焊料。

例3

将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1400℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1400℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径约为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。将质量比为66∶28∶6铜锌铝形状记忆合金颗粒(大小为20-50μm)在真空环境中加热到800℃，保温10分钟，快速将其通过水淬使合金中生成热弹性马氏体，使其在20℃和70℃之间具有双程形状记忆效应。然后将质量比为3％的制得的铜锌铝形状记忆合金颗粒与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到260℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银合金焊料。

例4

将纯度为99.99％的锡和银按质量比为96.5∶3.5在氩气保护下的真空熔炼炉中加热到1300℃熔化，同时加以磁搅拌，以使合金成分均匀。然后水冷凝固。为了使合金充分均匀，将合金翻转后重新加热到1300℃熔化，同时加以磁搅拌并水冷。这样反复五次，得到直径约为3.0-3.5cm的纽扣状的锡银共晶无铅焊料。将质量比为66∶28∶6铜锌铝形状记忆合金颗粒(大小为20-50μm)在真空环境中加热到800℃，保温10分钟，快速将其通过水淬使合金中生成热弹性马氏体，使其在35℃和100℃之间具有双程形状记忆效应。然后将质量比为4％的制得的铜锌铝形状记忆合金颗粒与熔配而成的锡银共晶无铅焊料一起放入真空保护下的坩锅中加热到280℃并搅拌均匀，再通过水冷就得到复合铜锌铝形状记忆合金颗粒增强型锡银合金焊料。