一种用于电子器件封焊的低银电真空钎料

摘要

一种用于电子器件封焊的低银电真空钎料，属于钎焊材料技术领域。其化学成分按质量百分比配比为：总的百分比为100％，其中，41％～43％的Ag、51％～53％的Cu、4％～6％的Sn、≤2％的In和≤0.4％的Ni。优点：有助于降低含银量而藉以节约资源并且降低成本，有利于保障合适的熔点、优异的塑性和加工性能而藉以替代Ag72Cu钎料。

权利要求

1.一种用于电子器件封焊的低银电真空钎料，其特征在于其化学成分按质量百分比配比为：总的百分比为100％，其中，41％～43％的Ag、51％～53％的Cu、4％～6％的Sn、≤2％的In和≤0.4％的Ni。

2.根据权利要求1所述的用于电子器件封焊的低银电真空钎料，其特征在于所述的Sn和In的质量百分比之和为6％。

3.根据权利要求1所述的用于电子器件封焊的低银电真空钎料，其特征在于所述的低银电真空钎料采用纯金属Ag、Cu、Sn、In和Ni在配有石墨坩锅的真空熔炼炉中熔化并且浇注而成，铸型为金属型。

说明书

一种用于电子器件封焊的低银电真空钎料

技术领域

[0001] 本发明属于钎焊材料技术领域，涉及一种用于电子器件封焊的低银电真空钎料。 背景技术

[0002] 银基电真空钎料是制造真空电子器件的主要结构材料之一，被广泛应用于电子器件、真空开关管、气体放电管和断路器等的金属与陶瓷及金属与玻璃的封焊，封焊质量的优劣在很大程度上取决于钎料的性能。

[0003] 根据真空电子器件的使用特点，对电真空钎料有着以下几方面的苛刻要求：(1)不含高蒸气压元素如Zn、Bi、Mg、Pb和/或Cd等，以防器件在制造和使用过程中因元素蒸发而引起器件漏电和封焊失效；(2)不含氧化物夹杂或非金属杂质，以消除其对器件密封性带来的不利影响；(3)不含气体(主要是氧气)，以防焊料熔化时发生溅散而造成零件短路；(4)具有平整光洁的表面和超薄的厚度及精度以适应电子器件的小型化、薄性化、集成化以及焊封装料的自动化。为此，通常选择含银量高、焊接工艺性和加工性好、封装可靠性高的Ag72Cu共晶合金作为电真空钎料。

[0004] 但是，作为贵重金属，银是一种不可再生的国控资源(也称战略资源)，银基钎料的大量使用极大地耗取我国的贵金属资源。据统计，近年来我国的银消耗量每年以30％～40％的速率高速增长，价值高达数十亿人民币。因此，开发一种可替代Ag72Cu合金的低银电真空钎料具有重要的经济意义和显著的社会效益。

[0005] 迄今为止，国内外业已开发的电真空钎料大致分为以下三大类： [0006] (1)以低熔点的Zn、Cd为主添加元素，同时添加低熔点、低蒸气压的Sn、In等元素来形成Ag-Cu基多元合金钎料，如日本工业标准JISBAg-2、日本专利特开昭50-74551、特开昭51-62164和特开昭51-117148等。此类焊料因含有高蒸气压组元Zn、Cd元素，无法胜任电真空器件的封焊要求。

[0007] (2)不含Zn、Cd而以少量Sn、In、Ni为添加元素，以期获得满足电真空器件封焊用低蒸气压Ag-Cu基钎料，如特开昭56-4394，特开昭56-4395等，与之相类似的还有添加少量Ga和Si元素的Ag-Cu基钎料，如中国发明专利申请公开号CN101569967A。此类焊料由于合金元素含量低，Sn、In含量小于等于4.5wt％，Ge、Si含量小于等于2.5wt％， 钎料熔点较高，钎焊成本居高不下。

[0008] (3)以Ag-Cu共晶合金为基本组分，同时添加较高含量的In、Sn元素，以期获得熔点较低的Ag-Cu基电真空钎料，如特开昭51-132147、特公昭44-11009、特公昭63-49598、CN1016358B等。此类焊料由于Sn、In元素含量高，总量达20wt％～30wt％，尽管钎料熔点明显低于Ag72Cu共晶合金，但合金中金属间化合物数量增多，合金塑性变差，尤其丝材加工十分困难。

[0009] 上述可知，现有钎料存在以下不足：

[0010] (1)以降低Ag-Cu钎料熔点为目标，往往加入较多的Sn、In元素，导致钎料塑性显著下降，当WSn＞10wt％时，Ag-Cu基合金拔丝困难。

[0011] (2)以Ag-Cu共晶合金为基本组分的设计思路，其实质是在成分设计上，先锁定WAg∶WCu≈72∶28，将共晶合金视为一种主组元，按照二元合金液相线温度随成分的变化规律，通过添加低熔点组元来进一步降低共晶钎料的熔点。然而，对于Ag-Cu-Sn(In)三元合金来说，共晶线投影并非与成分三角中的Ag、Cu含量等比线相重合，而是发生较大的偏离。因此该设计思路必然导致钎料中锡、铟含量偏高，合金塑性加工性能恶化。 [0012] (3)尽管Sn、In元素对Ag-Cu合金的作用机制基本相同，但两者在熔点、原子半径、固溶度和晶体结构等方面存在较大的差异，尤其铟属于贵金属，价格高达锡的20倍之多。因此，将In作为主添加元素，无疑增大钎料的成本。

[0013] 实际上，当前电真空钎料研发所面临的关键技术问题是，既要减少钎料中的Ag含量以最大限度地降低钎料成本，又要保障钎料具有合适的熔点(避免Ag含量降低带来的合金熔点的升高)，还要确保钎料合金具有良好的塑性和加工性能以及和Ag72Cu钎料相近的焊接工艺性能。为此，In、Sn元素添加量既不能太低，也不能太高。低则导致钎焊温度升高，高则造成钎料难以成形。换句话说，低银钎料的成分设计必须兼顾良好的加工性和适中的熔点。

[0014] 为此，本申请人进行了持久而积极的探索，在钎料具有合适的熔点、良好的塑性和加工性能以及合理地节约宝贵的银资源藉以取代Ag72Cu钎料这三者之间找到了平衡点，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

[0015] 本发明的任务在于提供一种有助于降低含银量而藉以节约资源并且降低成本，有利于保障合适的熔点、优异的塑性和加工性能而藉以替代Ag72Cu钎料的用于电子器件封焊的低银电真空钎料。

[0016] 本发明的任务是这样来完成的，一种用于电子器件封焊的低银电真空钎料，其化学成分按质量百分比配比为：总的百分比为100％，其中，41％～43％的Ag、51％～53％的Cu、4％～6％的Sn、≤2％的In和≤0.4％的Ni。

[0017] 在本发明的一个具体的实施例中，所述的Sn和In的质量百分比之和为6％。 [0018] 在本发明的另一个具体的实施例中，所述的低银电真空钎料采用纯金属Ag、Cu、Sn、In和Ni在配有石墨坩锅的真空熔炼炉中熔化并且浇注而成，铸型为金属型。 [0019] 本发明提供的技术方案，各化学元素的选择及成分设计原理在于：针对电真空钎料的性能要求，综合考虑合金元素的价格、熔点、蒸气压和电导率等因素，除使用Ag和Cu为主加元素外，还选择低蒸气压的Sn、In、Ni三种元素为添加元素。其中，熔点较低的Sn元素和In元素能有效地降低合金的熔点，用以平衡银含量降低所造成的合金熔点的升高。考虑到铟的价格远高于锡，其加入量要比锡低。少量Ni元素的添加不仅可以改善钎料的润湿性和铺展性，而且有利于减小结晶温度区间、细化钎缝组织和提高接头力学性能。各元素含量的设计方法是，首先根据预实验将Ag含量确定在较低的水平(41％～43％Ag)，以利节约资源，然后根据Ag-Cu-Sn三元合金液相面投影图中等温线确定合金的液相线温度范围及与之相对应的Sn元素的含量范围，使合金的液相线温度小于等于779℃(Ag-Cu共晶温度)。在确定的成分范围内，采用高纯金属(99.9％)Ag、Cu、Sn、In、Ni在配有石墨坩锅的真空熔炼炉中熔化钎料合金，并在炉内用金属型浇注成形。采用DSC测试合金的液相线和固相线温度，同时在通用扎制机和拔丝机上测试合金的加工性能，进而在典型合金中渐次添加少量In元素(以取代部分的Sn含量)及Ni元素，再进行DSC分析和加工性测试，通过反复调整合金成分，进行熔点、润湿性和加工性测试分析，最终获得加工性良好、熔点适中的合金成分。实验发现，当Sn和In的质量之和为6％及Ni含量为小于0.4％时，合金的液相线温度在750～780℃，结晶温度区间在25～35℃，具有良好加工性能。

[0020] 附图说明

[0021] 图1为本发明的应用例示意图。

[0022] 具体实施方式

[0023] 本发明的用于电子器件封焊的低银电真空钎料，其化学成分按质量百分比为：总的百分比为100％，其中，41％～43％的Ag、51％～53％的Cu、4％～6％的Sn、≤2％In和≤0.4％的Ni。

[0024] 本发明的低银电真空钎料，母合金用高纯金属(99.9％)Ag、Cu、Sn、In、Ni在真 空熔炼炉中熔配浇注而成。选用石墨坩锅熔化，球墨铸铁型浇注。母合金锭化学成分均匀，加工性良好，经常规轧制工艺可获得厚度为30-50μm钎料箔。

[0025] 用低银电真空钎料箔封焊气体放电二级管，先将箔材夹在待焊陶瓷管和可伐合金-3片之间，装配成搭接接头后置于真空钎焊炉中，再封闭炉盖，如图1所示。抽真空至10 Pa后反充Ar气至5～10kPa。随之加热升温。当炉内温度达到800～830℃时，保温19min。
然后随炉冷却至室温，即可实现电真空器件(气体放电二级管)的钎焊连接。使用本发明的低银电真空钎料箔进行钎焊，与工厂现有的AgCu28钎焊工艺相符，产业化操作方便。以下以具体实施例来进行说明。

[0026] 实施例1：

[0027] 化学成分按质量百分比：41％的Ag、52.85％的Cu、4％的Sn、2％的In和0.15％的Ni。

[0028] 由上述成分配比得到的厚约30μm～50μm的用于电子器件封焊的低银电真空钎料(箔材)的固相线温度为690℃，液相线为766℃，温度间隔为32℃。应用该低银电真空钎料箔对气体放电二级管进行封焊。焊接方法为：请见图1，先将箔材1夹在待焊陶瓷管2和可伐合金片3之间，装配成搭接接头后置于具有抽真空口6、进气口7和配有真空表8的真空钎焊炉4内的载物台5上，再封闭炉盖。如图1所示，通过对抽真空口6抽真空至-3
10 Pa后经进气口7反充Ar气至5～10kPa。随之经加热钼丝9加热升温。当炉内温度达到800～830℃时，保温19min。然后随炉冷却至室温，即可实现气体放电二级管的封焊。对成品气体放电管进行检验，气密性合格，85℃～-40℃冷热循环水实验检验合格。 [0029] 实施例2：

[0030] 化学成分按质量百分比：41.5％的Ag、52.4％的Cu、4.5％的Sn、1.5％的In和0.10％的Ni。

[0031] 由上述成分配比得到的厚约35μm～50μm的用于电子器件封焊的低银电真空钎料(箔材)。固相线温度为692℃，液相线为765℃，温度间隔为32℃。应用该低银电真空合金钎料箔材，对电真空器件(气体放电二级管)进行封焊。焊接方法为：请见图1，先将箔材1夹在待焊陶瓷管2和可伐合金片3之间，装配成搭接接头后置于具有抽真空口6、进气口7和配有真空表8的真空钎焊炉4内的载物台5上，再封闭炉盖。如图1所示，通过对-3抽真空口6抽真空至10 Pa后经进气口7反充Ar气至5～10kPa。随之经加热钼丝9加热升温。当炉内温度达到800～830℃时，保温19min。然后随炉冷却至室温，即可实现气体放电二级管的封焊。对成品气体放电管进行检验，气密性合格，85℃～-40℃冷热循 环水实验检验合格。

[0032] 实施例3：

[0033] 化学成分按质量百分比：42％的Ag、51.8％的Cu、4％的Sn、2％的In和0.2％的Ni。

[0034] 由上述成分配比得到的厚约34μm～50μm的用于电子器件封焊的低银电真空钎料(箔材)的固相线温度为693℃，液相线为762℃，温度间隔为90℃。应用该低银电真空合金钎料箔材，对电真空器件(气体放电二级管)进行封焊。请见图1，焊接方法为：先将箔材1夹在待焊陶瓷管2和可伐合金片3之间，装配成搭接接头后置于具有抽真空口6、进气口7和配有真空表8的真空钎焊炉4内的载物台5上，再封闭炉盖。如图1所示，对抽真空-3口6抽真空至10 Pa后经进气口7反充Ar气至5～10kPa。随之经加热钼丝9加热升温。
当炉内温度达到800～830℃时，保温19min。然后随炉冷却至室温，即可实现气体放电二级管的封焊。对成品气体放电管进行检验，气密性合格，85℃～-40℃冷热循环水实验检验合格。

[0035] 实施例4：

[0036] 化学成分按质量百分比：42.5％的Ag、51.45％的Cu、5％的Sn、1％的In和0.05％的Ni。

[0037] 由上述成分配比得到的厚约45μm～50μm的用于电子器件封焊的低银电真空钎料(箔材)的固相线温度为693℃，液相线为761℃，温度间隔为76℃。应用该低银电真空合金钎料箔材，对电真空器件(气体放电二级管)进行封焊。焊接方法为：请见图1，先将箔材1夹在待焊陶瓷管2和可伐合金片3之间，装配成搭接接头后置于具有抽真空口6、进气口7和配有真空表8的真空钎焊炉4内的载物台5上，再封闭炉盖，如图1所示在本发明的-3一个具体的实施例中，所述的，通过对抽真空口6抽真空至10 Pa后经进气口7反充Ar气至
5-10kPa。随之经加热钼丝9加热升温。当炉内温度达到800～830℃时，保温19min。然后随炉冷却至室温，即可实现气体放电二级管的封焊。对成品气体放电管进行检验，气密性合格，85℃～-40℃冷热循环水实验检验合格。

[0038] 综上所述，本发明的低银电真空钎料，有效地降低了银基电真空钎料中的银含量，器件封焊效果好，大幅度降低了生产成本，成为可取代传统的AgCu28钎料的新一代电真空钎料。