[發明專利]一種用于鋁銅軟釬焊的Sn-Zn-Ni無鉛釬料合金

有效

• 申請號: 201310746684.5
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103706962A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 黃明亮;董闖;侯憲林;趙寧;馬海濤;趙杰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 花向陽

技術領域

本發明涉及一種用于鋁銅軟釬焊的Sn-Zn-Ni無鉛釬料合金，屬于新材料技術領域。?

背景技術

近年來，由于銅資源短缺導致銅價居高不下，為了降低成本，在制冷、電力傳輸、機械制造、電子制造等行業中采用導電性和導熱性與銅較接近的鋁代替銅。在鋁代銅的應用中，鋁銅異種金屬連接的問題尤為重要。?

目前，鋁銅釬焊的主要方式是硬釬焊（釬焊溫度高于450℃），使用鋁硅系釬料，例如Al-12.6wt.%Si共晶釬料（共晶溫度577℃）及添加第三組元的釬料，通常采用真空加熱或自動火焰加熱。但是，硬釬焊存在著許多不足：1）鋁的熔點為660℃，釬焊溫度控制不當，鋁管會局部融化導致管壁變薄，此外，較高的釬焊溫度會加劇釬焊接頭的燒蝕，特別是鋁側的燒蝕更加嚴重，從而影響了釬焊接頭的力學性能；2）釬焊溫度一般在500℃以上，Al、Cu原子擴散比較快，容易形成脆性的CuAl₂金屬間化合物，導致釬焊接頭強度降低；3）一般使用強腐蝕性的釬劑去除鋁表面的氧化膜，釬焊后釬劑的殘渣具有強烈的腐蝕性，對釬焊接頭造成腐蝕且難于清理；4）真空釬焊、火焰釬焊對技術要求較高，釬焊接頭的質量不能保證。?

軟釬焊通常是指釬料液相線溫度低于450℃所進行的釬焊。由于釬焊溫度較低，軟釬焊對基體材料的氧化和燒蝕作用小；同時，可以根據具體情況選用不同的釬料，得到不同強度以及不同工作溫度需求的釬焊接頭，適應性強、靈活性好，可以滿足新形勢下環境保護對釬焊無鉛化的要求。因此，研發出適用于鋁銅異種金屬軟釬焊，并滿足環保要求的無鉛釬料是實現鋁銅釬焊連接的關鍵。?

錫鉛（Sn-Pb）合金是傳統軟釬焊的首選材料。上世紀70年代，Gordon?Francis?Arbib等人開發出一種使用Pb-Sn-Ag（至少35wt%Pb，至少10wt%Sn?和X%Ag，X=0.1+(5×10^-4)(Sn%)²+（1×10^-5）(Sn%)³）軟釬料來釬焊鋁的方法（Gordon?Francis?Arbib，Bernard?Michael?Allen，Aluminum?soldering?composition，美國專利號：US4070192，授權公告日：Jan.24，1978）。Duane?J.Schmatz等人使用成分為95Pb-3Sn-2Ag的釬料合金來釬焊鋁與銅（Duane?J.Schmatz，Dearborn?Heights，Aluminum?soldering，美國專利號：US3855679，授權公告日：Dec.24，1974）。但是，鉛作為一種有毒有害的重金屬元素會隨著廢棄的產品進入自然界，通過溶解到酸性的雨水中，滲入土壤，最終溶入地下水和食物鏈。含鉛的地下水或食物會損害人體健康。為防止鉛對自然環境的污染和人類健康的危害，各國相繼對鉛在工業中的應用進行了嚴格的限制。因此，采用無鉛材料代替含鉛材料已成為必然的選擇。?

國際上目前公認的無鉛釬料的定義是：以Sn為基體，添加了Ag、Cu、In、Bi、Zn等合金元素的軟釬料合金。現有的無鉛釬料主要以Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-In、Sn-Bi、Sn-Zn等二元和三元合金為主。其中，Sn-Ag釬料的共晶成分為Sn-3.5Ag，用其釬焊鋁銅時，在鋁側界面附近會形成Ag-Al化合物，但是該化合物與鋁界面中間還有一層富Sn層，因此鋁側界面的結合依然是Sn-Al較弱的固溶結合，要消除Ag-Al之間的富Sn層，必須增加釬料中Ag的含量，而Ag的成本較高，增加Ag的含量勢必會大大增加釬料的成本。Sn-Cu釬料中的Cu理論上能夠與Al生成金屬間化合物，但是其共晶成分為Sn-0.7Cu，含Cu量很小，用其釬焊鋁銅時，在鋁側界面無法形成Al-Cu金屬間化合物，從而無法形成有效結合。Sn-3Ag-0.5Cu釬料目前是微電子工業中廣泛應用的釬料，但是使用其釬焊鋁銅時，存在與Sn-Ag和Sn-Cu二元合金相同的問題，即Al-Ag和Al-Cu金屬間化合物不容易在鋁界面上形成，所以，鋁側界面的結合依然很弱。Sn-In合金的共晶溫度為120℃，Sn-Bi合金共晶溫度為139℃，具有比Sn-Pb共晶釬料更低的熔點，但是采用Sn-In或Sn-Bi釬料釬焊鋁銅時，由于Al與Sn、In、Bi的互溶度極低，且無金屬間化合物生成，因此鋁側界面無法形成有效結合。?