一种铟锡合金焊料、焊接方法和制备方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种铟锡合金焊料、焊接方法和制备方法。

背景技术

目前，针对玻璃陶瓷等产品，超声波钎焊是一种有利的钎焊方式，相对于传统的金属化镀膜，可以降低钎焊成本和简化工艺流程。但针对超声波钎焊所使用的铟锡合金，如52%In48%Sn，虽然可以用于超声波钎焊，但耐湿性能较差，且自身强度低。

在申请号为CN00800883的专利中公开了一种无铅焊料，该焊料虽然可以用于玻璃陶瓷的超声钎焊，但该焊料含有钛，钛是一种难溶金属，加大的合金熔炼的难度，制备焊料的成本高。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铟锡合金焊料、焊接方法和制备方法。本发明提供的铟锡合金焊料可用于玻璃、陶瓷等氧化物材料的焊接，能够很好地润湿并结合玻璃、陶瓷等氧化物材料，提升焊接性能，具有较好的结合强度和气密性；此外该铟锡合金焊料的熔炼温度低，易于制备。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种铟锡合金焊料，其原料按质量百分计含有如下组分：50~95%的锡（Sn）、5~20%的铟（In）、1~5%的锌（Zn）、1~5%的锑(Sb)以及0.001-1%的稀土元素。

In是一种活性的易氧化元素，表面能极低，可以与玻璃、陶瓷这些材料润湿并结合。但In是稀有金属，成本高昂，因此需要降低其使用量，此外，In强度小，熔点低，难以满足耐高温、耐湿等性能要求。本发明的铟锡合金焊料通过添加同样活性的Zn可以降低In的用量并减少In的氧化，从而提升焊接性能。另外Zn的硬度较高，可以提升焊料硬度，加强润湿，方便加工，以及在自动焊锡机上可进行自动送丝。

铟易氧化，表面氧化膜很薄，且这层氧化膜可以避免铟进一步被氧化，在融化后，一旦击破氧化膜，铟就可以润湿玻璃和陶瓷等氧化物材料，因为其具有极低的表面能，可以在玻璃、陶瓷这些氧化物材料表面铺展开来。本发明的铟锡合金焊料虽然铟含量不超过20%，但通过添加Zn保持了这一活性，从而保障了焊料的结合强度和气密性。

锑(Sb) 可以提升材料的耐高温和耐湿性能；通过添加稀土元素，可以细化材料的晶粒，提高材料强度以及连接性能。

总之，本发明的铟锡合金焊料通过科学合理地选用各元素，并控制其在合适的含量范围内，焊接时，能够很好地润湿并结合玻璃、陶瓷等氧化物材料，提升焊接性能，提高结合强度和气密性；此外该铟锡合金焊料不含钛，其熔炼温度低，易于制备。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述稀土元素选自铈(Ce)、镧(La)、镨(Pr)和钕(Nd)中的一种或两种的组合。

上述稀土元素的加入能够提高材料的活性，更好润湿氧化物并提升焊接强度。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述原料还含有0.01-1%的铜（Cu）。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述原料还含有0.001-0.1%的硅（Si）。

Si是无机元素，与玻璃陶瓷的性状相同，可以加强润湿并降低膨胀系数。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述原料还含有0.001-1%的铝（Al）。

Al是活性元素，微量的添加可以进一步提升焊料活性，并降低铟的使用量。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述原料含有：8%的铟、4%的锌、3%的锑、0.5%的稀土元素、0.1%的铜、0.05%的硅、0.2%的铝、以及余量为锡。

另一方面，本发明提供如上任一项所述的铟锡合金焊料在焊接氧化物材料或者表面镀有氧化物膜层的材料中的应用。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述氧化物材料为玻璃、陶瓷或二者形成的复合材料。

另一方面，本发明提供一种氧化物材料的焊接方法，其使用如上任一项所述的铟锡合金焊料进行焊接。

可选地，在本发明的一些实施方案中，采用超声波钎焊进行焊接。

另一方面，本发明提供制备如上所述的铟锡合金焊料的方法，其包括：将所述原料加热熔炼制得所述铟锡合金焊料。

可选地，在本发明的一些实施方案中，当所述原料中含有铝或硅时，所述方法包括：将所述原料中的锡与铝或硅制备成中间合金，再将所述中间合金与其他组分加热熔炼制得所述铟锡合金焊料。

可选地，在本发明的一些实施方案中，加热熔炼的温度为300-600℃，时间为5-30分钟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为采用实施例中的焊接材料对纳钙玻璃进行焊接的焊接结构示意图；图中：1-纳钙玻璃，2-支承夹具，3-按压夹具，4-合金焊料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例和对比例

实施例1-5以及对比例1-3提供的铟锡合金焊料的含量配比（质量百分比）如下表所示：

实施例和对比例所用稀土元素为镧。

上述实施例铟锡合金焊料的制备方法如下：

当原料中使用Al时，先将Sn和Al添加到真空感应炉，熔炼温度600-800℃，并保温5-30分钟，然后浇铸成中间合金。

当原料中使用Si时，先将Sn和Si添加到真空感应炉，熔炼温度800-1500℃，并保温5-30分钟，然后浇铸成中间合金。

再将中间合金与其他原料加入真空感应炉后进行加热熔炼，熔炼温度300-600℃，并保温5-30分钟，完成熔炼后浇铸成锭，得到可用于玻璃、陶瓷等氧化物材料焊接的铟锡合金焊料。

实验例1

焊接性能的检测：为了测定焊料与氧化物的焊接强度，使用两块纳钙玻璃1（长50mm×宽50mm×厚3mm），使用60khz超声波烙铁将焊料4涂覆在纳钙玻璃之间并形成图1的连接结构。该实验样品利用支承夹具2和按压夹具3进行3点弯曲试验，从而测定结合部剥落或破坏时的强度。各实施例和对比例的焊接强度检测结果见表1。

可以看出，采用实施例1的焊料进行焊接的焊接强度高于对比例的焊料。

综上，本发明实施例提供的铟锡合金焊料具有如下优点：

传统的SnAgCu或PbSn焊料难以润湿并锡焊玻璃陶瓷，因此首先需要在玻璃陶瓷的表面通过磁控溅射镀膜的方式镀一层金属层，然后再进一步锡焊，这增加了工艺复杂度和成本。本发明实施例提供的铟锡合金焊料可以降低稀有金属铟的使用量，并提高活性强度，加强对氧化物的焊接性能，从而实现低成本和高性能。

传统的Sn-In合金虽然可以润湿玻璃陶瓷，但太软，难以加工，也难以在自动化焊锡设备上送丝，本发明实施例提供的铟锡合金焊料通过添加Zn进一步提升硬度和活性，通过添加Sb进一步提升耐高温老化性能，从而实现了高品质的锡焊。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。