专利名称：一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法
技术领域：
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法。
背景技术：
由于金80%锡20%共晶合金的熔点(280°C )适中，强度高，导热和导电性能好，浸润性优良，低粘性，易焊接，抗腐蚀，抗蠕变，无须无需助焊剂等优点，因此，在微电子器件和光电子器件的陶瓷封装封盖，芯片粘接，金属封装的陶瓷绝缘子焊接，大功率半导体激光器的芯片焊接中有着广泛的应用。金锡焊料的不足之处在于:熔炼预合金化时容易被氧化、性能较脆，延伸率很小，用常规制造方法很难制出符合微电子器件使用要求的薄带材及其深加工产品，所以严重的制约了金锡焊料在我国的发展。针对金锡焊料熔炼时容易被氧化的技术问题，专利号为201110198333.6的中国发明专利就公开了 “一种金锡钎料熔炼保护方法”。可用于微电子封装的钎焊料有很多形式，最主要的有丝、片、焊膏和预成型片等形式。基于金锡合金很脆的特性，丝或片的这些形式很难按照规格加工成型。在这些所有的形式里，钎焊膏是用于电子封装最理想的形式。然而，钎焊膏的成分之一是助焊剂，这在许多应用领域是被禁止的。即使在可以使用助焊剂的情况下，在钎焊过程完成以后也要对组装的元器件进行其残留物的清理。因此，为了获得诸如器件生产及封装等应用的稳定性，正确的选择应该是冲压成型的预成型片。预成型片能够确保钎焊料的精确用量和准确位置，以达到在最低成本情况下获得最佳的质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，该方法能有效解决金锡合金熔炼时容易氧化、脆性合金难以压延和冲裁成型的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，包括如下步骤:
(1)将电阻炉、坩埚、铸模和石英棒设置于真空手套箱内，其中电阻炉的炉温控制柜放置于所述真空手套箱的外面，所述电阻炉、坩埚、铸模、石英棒和真空手套箱构成了一个保护预合金化体系；
(2)将预先配好的金锡料(金与锡的重量比为80:20)放入已配置好的保护预合金化体系中;
(3)启动真空泵抽真空，直至压力为-0.1MPa或者-0.1MPa以下，然后将真空泵停机；
(4)充入N2+ H2的混合气(H2在混合气中的体积百分比例为5% —10%)至大气压；
(5)启动电阻炉，并通过所述炉温控制柜设定预合金化温度(预合金化温度为350°C—500 0C)；
(6)先后往坩埚中加入锡料与金料，并适时通过石英棒进行搅拌；
(7)待预合金化好后将熔液浇铸到锭模中形成铸锭； (8)将上述步骤(7)所获得的铸锭加热并保温，连续压延至厚度为0.015mm至0.4mm的薄带材;
(9)将上述步骤(8)所获得的薄带材进行退火处理；
(10)将上述退火后的薄带材冲裁成型焊片。优选的技术方案是，所述铸锭的厚度为5mm。进一步优选的技术方案是，所述步骤(8)中将所获得的铸锭加热至180-220°C并保温进行连续压延。所述步骤(9)退火的温度为260°C。所述步骤(9)的退火处理是在隔氧还原性气氛中进行。所述隔氧还原性气氛是N2+H2的混合气体。所述混合气体中N2和H2的体积百分比是25:75。所述步骤(9)的退火时间为3个小时。更进一步优选的技术方案是，所述薄带材的厚度是0.15mm。所述焊片是方形，方框，圆片，圆环形，长条形或异形焊片。本发明由于采用在真空熔炼保护系统中注入队+ H2的混合保护气进行预合金化，金锡合金熔炼时不容易氧化；由于采用将预合金化的金锡料进行热轧和退火冲裁，使得加工出来的金锡焊片成分精准、形状完整精确、焊接使用性能优异。同时，具有工艺工序精简，生产成本更加合理，生产效率更高的优点。
具体实施例方式本发明一种制备金锡合金预成型焊片的制造方法，其过程主要包括:原料配制、预合金化、热轧、退火及冲裁成型等五个步骤。其中，原料配制和预合金化包括如下步骤:
(1)将电阻炉、坩埚、铸模和石英棒设置于真空手套箱内，其中电阻炉的炉温控制柜放置于所述真空手套箱的外面，所述电阻炉、坩埚、铸模、石英棒和真空手套箱构成了一个保护预合金化体系；
(2)将预先配好的金锡料(金与锡的重量比为80:20)放入已配置好的保护预合金化体系中;
(3)启动真空泵抽真空，直至压力为-0.1MPa或者-0.1MPa以下，然后将真空泵停机；
(4)充入N2+ H2的混合气(H2在混合气中的体积百分比例为5% —10%)至大气压；
(5)启动电阻炉，并通过所述炉温控制柜设定预合金化温度(预合金化温度为350°C—500 0C)；
(6)先后往坩埚中加入锡料与金料，并适时通过石英棒进行搅拌；
(7)待预合金化好后将熔液浇铸到锭模中。下面结合具体实施例，对本发明做进一步的阐述说明。实施例1
(1)原料配制
将IOOg纯度为99.99%的金、25g纯度为99.99%的锡的原料配好；
(2)预合金化
将上述步骤(I)所得原料放入气氛保护真空手套箱中的坩埚内，在N2+H2保护气氛(H2在混合气中的体积百分比为10%，气压为一个大气压)下加热到350°C熔化成均匀的液态金锡合金进行预合金化，并浇铸到锭模内形成尺寸为(长X宽X厚)115χ15χ5_的板型合金铸锭；整个过程应在气氛保护的真空手套箱中完成，确保合金铸锭没有氧化。(3)热轧
将上述步骤(2)中制得的板型预合金化金锡合金铸锭加热到220°C，，采用精密热轧机压延金锡合金铸锭，将铸锭保温在220°C，连续压至厚度为0.015mm的薄带材。(4)退火
将上述步骤(3)中热轧所得的薄带材，加热并保温在260°C进行退火处理3个小时；上述退火过程须在持续的隔氧还原性气氛保护下进行，上述的隔氧还原性气氛是将压力
0.02Mpa的液态氨气在880°C的温度下分解成的N2 + H2混合气体，该混合气体的体积百分比为:N2占比25%、H2占比75%。(5)冲裁
经过上述步骤(4)降低金锡薄带材的硬度和增加韧性后，通过光学精密模具冲裁，得到尺寸为0.25*0.25*0.015mm的方形焊片。实施例2
(1)原料配制
将200g纯度为99.99%的金、50g纯度为99.99%的锡的原料配好；
(2)预合金化
将步骤(I)所得原料放入气氛保护真空手套箱中的坩埚内，在在N2+H2保护气氛(H2在混合气中的体积百分比为5%，气压为一个大气压)下加热到420°C熔化成均匀的液态金锡合金进行预合金化，并浇铸到锭模内形成尺寸为(长X宽X厚)140x25x5mm的板型合金铸锭；整个过程应在气氛保护的真空手套箱中完成，确保合金铸锭没有氧化。(3)热轧
将步骤(2)中制得板型预合金化金锡合金铸锭，加热到200°C，采用精密热轧机压延金锡合金铸锭，将铸锭保温在200°C，连续压至厚度为0.15mm的薄带材。(4)退火
将上述步骤(3)中热轧所得的薄带材，加热并保温在260°C进行退火处理3个小时；上述退火过程须在持续的隔氧还原性气氛保护下进行，上述的隔氧还原性气氛是将压力
0.02Mpa的液态氨气在880°C的温度下分解成的N2 + H2混合气体，该混合气体的体积百分比为:N2占比25%、H2占比75%。(5)冲裁
经过上述步骤(4)降低金锡薄带材的硬度和增加韧性后，通过光学精密模具冲裁，得到尺寸为Φ2.9*Φ2.22*0.15mm的圆环形焊片。实施例3
(1)原料配制
将300g纯度为99.99%的金、75g纯度为99.99%的锡的原料配好；
(2)预合金化
将步骤(I)所得原料放入气氛保护真空手套箱中的坩埚内，在N2+H2保护气氛(H2在混合气中的体积百分比为7%，气压为一个大气压)下加热到500°C熔化成均匀的液态金锡合金进行预合金化，并浇铸到锭模内形成尺寸为(长X宽X厚)175x30x5mm的板型合金铸锭；整个过程应在气氛保护的真空手套箱中完成，确保合金铸锭没有氧化。
(3)热轧
将步骤(2)中制得板型预合金化金锡合金铸锭，加热到180°C，采用精密热轧机压延金锡合金铸锭，将铸锭保温在180°C，连续压至厚度为0.4mm的薄带材。(4)退火
将上述步骤(3)中热轧所得的薄带材，加热并保温在260°C进行退火处理3个小时；上述退火过程须在持续的隔氧还原性气氛保护下进行；上述的隔氧还原性气氛是将压力
0.02Mpa的液态氨气在880°C的温度下分解成的N2 + H2混合气体，该混合气体的体积百分比为:N2占比25%、H2占比75%。(5)冲裁
经过上述步骤(4)降低金锡薄带材的硬度和增加韧性后，通过光学精密模具冲裁，得到尺寸为Φ0.76*Φ0.38*0.25mm的圆环焊片。除上述实施例外，本发明步骤(5)冲裁的后的焊片，还可以是方框，圆片，长条形或异形焊片。最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，而不是对本发明技术方案的限定，任何对本发明技术特征所做的等同替换或相应改进，仍在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，包括如下步骤: (1)将电阻炉、坩埚、铸模和石英棒设置于真空手套箱内，其中电阻炉的炉温控制柜放置于所述真空手套箱的外面，所述电阻炉、坩埚、铸模、石英棒和真空手套箱构成了一个保护预合金化体系； (2)将预先配好的金锡料(金与锡的重量比为80:20)放入已配置好的保护预合金化体系中; (3)启动真空泵抽真空，直至压力为-0.1MPa或者-0.1MPa以下，然后将真空泵停机； (4)充入N2+ H2的混合气(H2在混合气中的体积百分比例为5% —10%)至大气压； (5)启动电阻炉，并通过所述炉温控制柜设定预合金化温度(预合金化温度为350°C—500 0C)； (6)先后往坩埚中加入锡料与金料，并适时通过石英棒进行搅拌； (7)待预合金化好后将熔液浇铸到锭模中形成铸锭； 其特征在于，还包括如下步骤: (8)将上述步骤(7)所获得的铸锭加热并保温，连续压延至厚度为0.015mm至0.4mm的薄带材; (9)将上述步骤(8)所获得的薄带材进行退火处理； (10)将上述退火后的薄带材冲裁成型焊片。
2.如权利要求1所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述铸锭的厚度为5mm。
3.如权利要求1所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述步骤(8)中将所获得的铸锭加热至180-220°C并保温进行连续压延。
4.如权利要求1所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述步骤(9)退火的温度为260°C。
5.如权利要求4所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述步骤(9)的退火处理是在隔氧还原性气氛中进行。
6.如权利要求5所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述隔氧还原性气氛是N2+H2的混合气体。
7.如权利要求6所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述混合气体中N2和H2的体积百分比是25:75o
8.如权利要求4至7所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述步骤(9)的退火时间为3个小时。
9.如权利要求1所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述薄带材的厚度是0.15mm。
10.如权利要求1所述的一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其特征在于:所述焊片是方形，方框，圆片，圆环形，长条形或异形焊片。
全文摘要
本发明提供了一种预合金化金锡预成型焊片的制备方法，其过程主要包括原料配制、预合金化、热轧、退火及冲裁成型等五个步骤。本发明由于采用在真空熔炼保护系统中注入N2+H2的混合保护气进行预合金化，金锡合金熔炼时不容易氧化；由于采用将预合金化的金锡料进行热轧和退火冲裁，使得加工出来的金锡焊片成分精准、形状完整精确、焊接使用性能优异。同时，具有工艺工序精简，生产成本更加合理，生产效率更高的优点。
文档编号B23P15/00GK103100825SQ20131000439
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者陈卫民 申请人:广州先艺电子科技有限公司