CN100469511C - 无铅软钎料 - Google Patents
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Abstract
焊接过程中对Cu溶蚀程度低，润湿性好，力学性能优异的无铅软钎料，有以下四项，每项以其总质量计由下述质量百分数的组分组成：1、0.4%-0.9%Cu，0.005%-0.095%In，0.001%-0.15%P，余量为Sn；2、0.4%-0.9%Cu，0.005%-0.095%In，0.001%-0.15%P，0.01%-0.2%Ni，余量为Sn；3、0.4%-0.9%Cu，0.005%-0.095%In，0.001%-0.15%P，0.002%-0.2%RE，余量为Sn；4、0.4%-0.9%Cu，0.005%-0.095%In，0.001%-0.15%P，0.01%-0.2%Ni，0.002%-0.2%RE，余量为Sn。本发明适用于电子行业无铅化组装和封装。
Description
技术领域
本发明涉及软钎料，特别是无铅软钎料，主要用于电子行业的无铅化组装和封装。
背景技术
波峰焊具有高生产效率、高焊点可靠和低成本等显著优点，是电子组装中的重要工艺，而钎料性能则是电子元器件能否实现良好波峰焊接的重要前提。传统的波峰焊用钎料是锡铅钎料，然而近几年来，人们越来越关注铅对环境的污染和对身体健康的损害，许多国家已相继出台了一系列法令和法规来防治电子产品所带来的生态问题，限制铅在电子产品中的使用。在无铅绿色制造这一大趋势下，电子行业也开始了无铅波峰焊接。
目前已开发出的无铅软钎料主要有Sn—Ag，Sn—Cu，Sn—Zn和Sn—Ag—Cu等，并通过添加Ag、Cu、P、Ni、In、Bi等元素获得不同性能的系列产品。如千住金属工业株式会社的JS3027441专利和艾奥瓦州立大学的US5527628专利，分别公开了各自的Sn-Ag-Cu系无铅软钎料；松下电器产业株式会社的CN1087994C专利和北京工业大学的CN1586793A专利申请公开了各自开发的Sn—Zn系无铅软钎料；千住金属工业株式会社的CN1496780A专利申请公开了一种Sn—Cu系无铅软钎料；韩国三星电机株式会社的CN1040302C、CN1040303C专利和CN1139607A专利申请公开了Sn—Bi系无铅软钎料等。
Sn-0.7Cu(Cu占钎料总质量的0.7％)软钎料由于成本低，焊接性、物理和力学性能等方面能满足波峰焊的工艺要求，是目前波峰焊工艺上使用量最大的无铅软钎料。然而Sn—0.7Cu软钎料在波峰焊接过程中对PCB板(印制板)上的Cu溶蚀严重，导致锡液中的Cu浓度不断增大，熔点上升，易造成拉尖、锡桥等焊接缺陷，焊点可靠性差。
发明内容
本发明要解决已知技术中的无铅软钎料在波峰焊接过程中对铜溶蚀过大这一问题，为此提供本发明的无铅软钎料，这种软钎料对铜溶蚀程度低，并具有良好的力学性能和润湿性等优点。
为解决上述问题，本发明分为以下数种软钎料。
其一特殊之处是，以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
Sn 余量
其二特殊之处是，以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
Ni 0.01％—0.2％
Sn 余量
其三特殊之处是，以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
RE 0.002％—0.2％
Sn 余量
其四特殊之处是，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
Ni 0.01％—0.2％
RE 0.002％—0.2％
Sn 余量
添加Cu元素可显著降低软钎料对铜的溶蚀程度，Cu含量小于0.4％时其作用不明显；而Cu含量大于0.9％时，会导致钎料熔点过高，润湿性变差。本发明无铅锡基软钎料Cu含量选择在0.4％-0.9％范围内。
添加元素In可显著降低软钎料对铜的溶蚀程度，并能提高软钎料的润湿性和塑性。In含量小于0.005％时，其作用不明显；然而In含量大于0.095％时，其降低软钎料对铜溶蚀程度的变化不大，并且In为贵金属，含量过高会导致生产成本的大幅上升。本发明无铅软钎料In含量选择在0.005％-0.095％范围内。
添加元素P可提高软钎料的抗氧化性能，降低熔融软钎料的产渣量。P含量小于0.001％时，其作用不明显；而P含量大于0.15％时，软钎料塑性较差。本发明无铅软钎料P含量选择在0.001％-0.15％范围内。
Ni与Cu可无限固溶，添加适量的Ni元素能显著提高软钎料的塑性。Ni含量小于0.01％时，其作用不明显；然而Ni含量大于0.2％时，软钎料的强度和润湿性会降低。本发明无铅软钎料Ni含量选择在0.01％-0.2％范围内。
添加RE元素能细化软钎料合金的组织，提高软钎料的力学性能。RE含量少于0.002％时，其作用不明显；然而RE含量超过0.2％时，RE易偏聚于晶界，导致合金力学性能较差。本发明无铅软钎料RE含量选择在0.002％—0.2％范围内。
本发明无铅软钎料，经对以下本发明实施例软钎料的测试与计算表明，其在波峰焊过程中对PCB板上的Cu溶蚀程度低，可显著抑制锡液中Cu浓度的增大，且可焊性好，强度和抗氧化性能高，能大幅度提高组装产品的成品率。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明的无铅软钎料。
实施例1
将48.5Kg的Sn和1.5Kg的Cu放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度600℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含3％Cu的Sn—Cu中间合金。
将49.5Kg的Sn和0.5Kg的In放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度400℃，保温1小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含1％In的Sn—In中间合金。
将49.75Kg的Sn放入氧化铝坩锅中熔炼，熔炼温度为500℃；锡熔化后，用周边带有小孔的石墨钟罩将0.25Kg的P压入锡液中，并不断搅拌；保温6小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含0.5％P的Sn—P中间合金。
将49.5Kg的Sn和0.5Kg的Ni放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为700℃，保温1小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含1％Ni的Sn—Ni中间合金。
将49.5Kg的Sn和0.5Kg的RE放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为800℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含1％RE的Sn—RE中间合金。
取上述Sn—Cu中间合金0.750Kg，Sn—In中间合金0.030Kg，Sn—P中间合金0.020Kg和纯锡4.200Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
实施例2
取实施例1Sn—Cu中间合金1.167Kg，Sn—In中间合金0.050Kg，Sn—P中间合金1.000Kg和纯锡2.783Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
实施例3
取实施例1Sn—Cu中间合金1.167Kg，Sn—In中间合金0.250Kg，Sn—P中间合金0.500Kg，Sn—Ni中间合金0.100Kg和纯锡2.983Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
实施例4
取实施例1Sn—Cu中间合金1.000Kg，Sn—In中间合金0.150Kg，Sn—P中间合金0.750Kg，Sn—Ni中间合金0.250Kg，Sn—RE中间合金0.050Kg和纯锡2.800Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
实施例5
取实施例1Sn—Cu中间合金1.433Kg，Sn—In中间合金0.460Kg，Sn—P中间合金0.080Kg，Sn—Ni中间合金0.550Kg，Sn—RE中间合金0.500Kg和纯锡1.977Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
实施例6
取实施例1Sn—Cu中间合金0.833Kg，Sn—In中间合金0.350Kg，Sn—P中间合金0.150Kg，Sn—Ni中间合金0.700Kg，Sn—RE中间合金0.020Kg和纯锡2.947Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
实施例7
取实施例1Sn—Cu中间合金1.333Kg，Sn—In中间合金0.250Kg，Sn—P中间合金1.300Kg，Sn—Ni中间合金0.900Kg，Sn—RE中间合金0.950Kg和纯锡0.267Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅软钎料条。
选用目前波峰焊上使用量最大的Sn—0.7Cu无铅软钎料作为对比，实施例和对比例的成份见表1所示。
表1 钎料组分与含量
为评价本发明专利对PCB基板上Cu的溶蚀程度，进行了溶蚀测试实验，并用剩铜率作为评价钎料对基板上Cu溶蚀程度的评价指标：剩铜率(％)＝浸焊后的Cu线直径/Cu线原始直径，采用千分尺测量铜线直径。剩铜率越大表明钎料对Cu的溶蚀程度越低，即耐溶蚀性能越好。剩铜率的测试工艺为：将直径为0.300mm的Cu线在400℃下浸入熔融的锡液中4秒，浸入长度为4mm；对比例为波峰焊工艺上使用量最大的Sn-0.7Cu无铅钎料，测试结果见表2。由表2可见，本发明钎料实施例的剩铜率均比对比例高，其中实施例5～7的剩铜率远高于对比例，这说明本发明钎料对Cu的溶蚀程度非常低，使用本发明无铅钎料进行波峰焊接元器件可以显著降低熔融锡液对PCB上Cu板的溶蚀程度，可以有效抑制锡液中Cu浓度的增大，有利于提高组装产品的成品率。
表2 溶蚀性测试结果
采用差热分析仪测试各实施例和对比例的熔化温度，测试结果见表3。由表3可见，本发明无铅软钎料熔点较低(<230℃，与对比例熔点相近)，可在260℃的温度下进行钎焊；且熔化温度区间也较小，可确保熔融钎料在短时间内快速凝固，降低钎焊接头在凝固过程完成前因受到振动而开裂的可能性，能满足电子材料的封装要求。
表3 熔点测试结果
按GB11364-89《钎料铺展性及添缝性试验方法》国家标准进行了扩展率测试，铺展基板为0.2mm厚的紫铜薄板。各钎料扩展率测试工艺均相同，测试温度为260℃，时间为2s，并采用相同的助焊剂(由25g松香、75g异丙酮和0.39g的二乙胺盐酸配置而成)，测试结果见表4。由表4可见，本发明无铅软钎料扩展率均比对比例高，这是由于本发明无铅软钎料加入了微量抗氧化元素P，抗氧化性能较好，从而有利于钎料与铜基板间的充分反应，润湿性能得到了增强。
根据JIS拉伸试验标准，并采用电子万能材料试验机测试钎料力学性能，试验温度为25℃室温，结果见表4。由结果可见，本发明无铅软钎料的延伸率均高于对比例，即塑性比对比例好，强度与对比例相近。其中实施例2～5、实施例7的强度和塑性均高于对比例。因而本发明无铅软钎料具有优良的力学性能，不仅能满足钎焊接头的强度要求，而且很容易被加工成多种形状以满足不同的焊接需求。
表4 力学性能和润湿性测试结果
| 实施例与对比例 | 拉伸强度(MPa) | 延伸率(％) | 扩展率(％) |
| 实施例1 | 34.4 | 45.6 | 78.06 |
| 实施例2 | 43.7 | 30.4 | 78.65 |
| 实施例3 | 45.4 | 33.0 | 76.67 |
| 实施例4 | 45.5 | 33.1 | 76.04 |
| 实施例5 | 39.8 | 49.5 | 78.25 |
| 实施例6 | 36.4 | 47.8 | 78.49 |
| 实施例7 | 42.0 | 25.9 | 77.07 |
| 对比例 | 38.4 | 23.6 | 71.32 |
根据上述分析，本发明无铅软钎料在焊接过程中对PCB板上的Cu溶蚀程度非常小，不仅有利于提高焊接过程中熔融锡液成分的稳定性，而且有利于提高组装产品的成品率，可解决目前Sn-0.7Cu软钎料对铜溶蚀程度过大，严重影响焊接稳定性这一问题；同时本发明无铅软钎料还具有良好的润湿性和较高的力学性能。
Claims (4)
1.无铅软钎料，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
Sn 余量。
2.无铅软钎料，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
Ni 0.01％—0.2％
Sn 余量。
3.无铅软钎料，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
RE 0.002％—0.2％
Sn 余量。
4.无铅软钎料，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Cu 0.4％—0.9％
In 0.005％—0.095％
P 0.001％—0.15％
Ni 0.01％—0.2％
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Sn 余量。
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