摘 要

银基钎料具有适中的熔点、良好的润湿性和钎焊性能，是当前应用最为广泛的一种中温硬钎料。含镉的Ag-Cu-Zn-Cd银基钎料的性能较佳，但是镉元素不可降解，污染环境，已被禁用。由于，银基钎料中缺失Cd元素后，各方面性能均下降，其加工难度激增。针对无镉银基钎料难成形的特点，本文采用了一种新的银基钎料制备方法，利用粉末电磁压制和液相烧结技术相结合的方法制备了Ag40Cu23Zn31In4Ni2银基钎料薄片。经过试验，压坯致密度在放电电压为1300V达到最大,烧结时在550℃下烧结0.5h后得到的钎料试样的致密度较好；在1300V放电电压下压制的压坯再经550℃烧结0.5h而成的试样其铺展面积可达到298.5mm²，呈现出良好的润湿性,焊缝的抗拉强度可达到165.7Mpa，剪切强度达到174.5Mpa，能够满足Ag40Cu23Zn31In4Ni2银基钎料的使用要求。

关键词:无镉银基钎料，电磁压制，液相烧结，钎焊性能

Abstract

Silver filler metals have moderate melting point, good wettability and better brazing performance, so it’s the most widely-used brazing filler metals. The Ag-Cu-Zn-Cd silver filler metals contained performed better solder ability, but it was prohibited from using because of it’s non-biodegradable and polluting. And the performance of the silver filler metals deceased and become difficulty to process on account of lacking of Cd element. According to the hard-forming of non-Cadmium silver filler metals, my paper uses a new method that combine electromagnetic powder compacting with liquid phase sintering to prepare laminar Ag40Cu23Zn31In4Ni2 silver filler metals. After experiment ,I find that when the discharge is 1300V and sintering under 550℃ for 0.5h, the density of green compacts is better, and the specimen that prepared by this condition showed a good performance that it’s spreading area reached 298.5 mm² ,and tensile strength of weld bead reached 165.7 MPa, shear strength reached 174.5 MPa, it’s property meet the requirement of Ag40Cu23Zn31In4Ni2 silver filler metals needed.

Key Words: Cadmium free silver filler metal, electromagnetic compaction, liquid phase sintering, brazing performance

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2银基钎料的简介 1

1.3 银基钎料的加工方法 2

1.4 粉末低电压电磁压制简介 2

1.5 选题的意义与优势 3

第2章 实验方案研究 4

2.1 实验设计 4

2.2 微量元素的影响规律及配方的选定 5

2.2.1 微量元素的影响规律 5

2.2.2 环保银基钎料配方的选定 6

2.3 电磁压制实验工装与设备 6

2.4 液相烧结实验工装与设备 7

第3章 粉末电磁压制与结果分析 9

3.1 电磁压制实验 9

3.1.1 电磁压制前的准备 9

3.1.2 电磁压制 9

3.2 电磁压制参数对压坯致密度的影响 9

3.2.1 压坯致密度计算 9

3.2.2 放电电压对压坯致密度的影响 10

3.2.3 压制次数对压坯致密度的影响 11

3.3 本章小结 12

第4章 液相烧结及其结果分析 13

4.1 引言 13

4.2 液相烧结工艺参数的选择 13

4.2.1 烧结温度的选择 13

4.2.2 烧结时间的选择 14

4.2.3 烧结气氛的选择 14

4.3 液相烧结实验 14

4.4 液相烧结实验结果分析 15

4.41 烧结参数对压坯致密度的影响 16

4.42 烧结参数对压坯显微组织的影响 16

4.5 本章小结 19

第5章 钎料的性能分析 20

5.1 钎料润湿性检验 20

5.2 钎焊接头力学性能分析 21

5.2.1 钎焊接头的抗拉强度测试 21

5.2.2 钎焊接头的剪切强度测试 23

5.3 本章小结 25

第6章 结论 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

随着科技的发展，微电子产业已经成为当今世界上最大的产业，同时在我国国民经济中占中流砥柱的作用。而微电子产业主要包括设计、制造和电子封装三大部分，其中电子封装是支持IT产业的关键技术，而电子封装中所用到的钎料的性能直接决定了封装的质量^[1]。传统的中温硬钎料含有Cd元素，虽然Cd能够降低钎料的熔化温度、提高钎料的流动性和润湿铺展性、改善成形加工性能，但是它污染环境，危害人类健康，现已明令禁止^[2][3]。但是含有Cd的钎料已经应用了许多年，早已形成一套完整体系，为了能够继续使用这套体系，现在普遍的做法是通过调整配方和添加其他合金元素来改善钎焊材料的焊接性能，使其具有与Ag-Cu-Zn-Cd钎料相似的钎焊性能。然而，通过这种方法虽然可以得到较好的中温焊接效果，但是也不可避免地产生了大量的脆性相，从而导致钎料塑性加工性能明显变差，很难利用常规的方法进行加工，这就需要我们寻找一种新的加工方法。

1.2银基钎料的简介

银基钎料是一种应用广泛的硬钎料，它具有优良的钎焊性能，可以用来钎焊低碳钢、铜及铜合金、低合金结构钢等材料，该产品广泛的应用于军工、化工、机械、电子等行业^[4]。但是传统的银基钎料在钎焊时温度较高，而这种较高的温度使得母材在钎焊过程中晶粒长大等不良现象。研究表明，在钎料中加入镉能够降低钎料的熔化温度、提高钎料的流动性和润湿铺展性、改善成形加工性能。但是镉是一种不可被生物体分解的有害元素，现在已经被禁用。因此，有必要研究出一种取代含镉银基钎料的环保银基钎料。现在普遍的做法是以Ag-Cu-Z n合金为基体，辅以添加Sn、Mn、Ni、Ga、In、Si等元素^[5]，降低合金的熔点，缩小熔化温度区间，从而改善钎焊工艺性能，主要有 Ag-Cu-Zn-Sn、Ag-Cu-Zn-Ni、Ag-Cu-Zn-In、Ag-Cu-Zn-Ga等系列^[6]。因此未来银基钎料的发展方向可能为以Ag-Cu-Zn为基本合金体系，通过调整 Ag、Cu、Zn的比例，适当加如Sn、Ni、Ga、In及稀土等元素而形成Ag-Cu-Zn-Ga-In-REX钎料^[1]。

1.3 银基钎料的加工方法

目前，银基钎料的主要加工方法为熔炼轧制和快速凝固技术^[7]。其中熔炼轧制法是最为传统且被广泛运用的方法。快速凝固技术是近几年新兴起的技术，国内对该技术的研究相对较少。

传统的熔炼轧制法一般包括熔炼、铸锭剥皮、挤压、拉丝等过程，有时由于银基钎料的配料问题，在合金中不可避免地会产生大量的脆性相，从而使加工变得更加复杂。例如，中南大学的甘卫平、陈慧、杨伏良^[8]在加工Ag-Cu-In-Sn钎料时，发现合金中出现了大量的脆性相，为了保证钎料厚度小于0.1mm，且表面质量良好，成材率高，他们首先选用在真空状态下熔炼的铸锭，进行合金均匀化退火，然后热挤压开坯，接着进行热轧，热轧后对其进行两次中间退火，最后进行冷轧，冷精轧。矫宁、李卓然^[9]在Ag-Cu-Zn三元合金中加入Sn、P、Ni、La元素，然后在真空气氛下进行熔炼，熔炼后进行铸锭剥皮，钎料化学成分分析，挤压，拉丝，酸洗，整形。