CN101028673A - 无铅焊料合金 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种无铅焊料合金。其主要技术特点是该无铅焊料合金包括以下组分且各组分的重量百分比是：Ag：1－4％；Cu：0.1－0.8％；Ni：0.001－0.5％；Ce：0.001－0.6％；其中至少一种的P或Ga或Ge：重量配比均为0.001－0.1％；其余为Sn。本发明的无铅焊料合金现有的无铅焊料合金相比，在抗氧化性能、流动性能、表面状态及力学性能上有很大提高，具有改善焊接缺陷及实用性的特点。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域的焊料合金，尤其是一种无铅焊料合金。
背景技术
随着世界各国对绿色环保的日益重视，实现焊料合金无铅化的呼声越来越大，各国纷纷立法限制有铅焊料合金的应用。到目前为止，Sn-Ag-Cu无铅焊料合金约占整个市场份额的64％，广泛应用于波峰焊条、无铅焊丝、焊膏、成型焊料等方面。虽然此类无铅焊料的许多性能参数接近Sn-Pb共晶焊料合金，但仍有诸多不足之处。主要是Sn-Ag-Cu三元合金在Cu基体表面的润湿性能较差，在高温特性及抗氧化性能上也差。在日益精细间距PCB的组装中，如何提高Sn-Ag-Cu无铅焊料的实用性能，及进一步提高焊接点在焊接过程中的可靠性成为迫需解决的课题。向无铅焊料中添加表面的活性元素、抗氧化元素以及改变无铅焊料性能的金属元素，以改善Sn-Ag-Cu无铅焊料合金的抗氧化性、润湿性及实用性，成为大家迫切期望早日研发出能满足所述特性的无铅焊料合金的目标。
发明内容：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种抗氧化性能与润湿性能优良、实用性好的无铅焊料合金。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
该无铅焊料合金包括以下组分且各组分的重量百分比是：
Ag：1-4％
Cu：0.1-0.8％
Ni：0.001-0.5％
Ce：0.001-0.6％
其中至少一种的P或Ga或Ge：重量配比均为0.001-0.1％
其余为Sn。
而且，各组分的优化重量配比为：
Ag：3％
Cu：0.5％
Ni：0.04％
Ce：0.1％
Ge：0.05％
其余为Sn。
而且，各组分的优化重量配比为：
Ag：3％
Cu：0.6％
Ni：0.05％
Ce：0.15％
Ge：0.05％
P：0.03％
其余为Sn。
而且，各组分的优化重量配比为：
Ag：3.5％
Cu：0.5％
Ni：0.05％
Ce：0.1％
P：0.05％
其余为Sn。
而且，各组分的优化重量配比为：
Ag：3.5％
Cu：0.7％
Ni：0.06％
Ce：0.15％
P：0.07％
Ga：0.03％
其余为Sn。
而且，上述的Ag或Cu或Ni或Ce和P或Ge或Ga均先形成中间合金后添加，即先形成Sn-10％Ag或Sn-6％Cu或Sn-2％Ni或Sn-5％P或Sn-20％Ga或与Sn-4％Ge的中间合金。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详述：
该无铅焊料合金包括以下组分且各组分的重量百分比是：
Ag：1-4％
Cu：0.1-0.8％
Ni：0.001-0.5％
Ce：0.001-0.6％
其中至少一种的P或Ga或Ge：重量配比均为0.001-0.1％
其余为Sn。
本发明的无铅焊料合金采用以Sn为基料的无铅焊料合金的常规模式进行制备。为确保化学成分加入量的精确，对Ag、Cu、Ni、Ce和P、Ge、Ga均先形成中间合金形式加入，即配备Sn-10％Ag、Sn-6％Cu、Sn-2％Ni、Sn-5％P、Sn-20％Ga与Sn-4％Ge中间合金后加入。
实施例1
各组分及重量配比为：
Sn：96.31％、Ag：3％、Cu：0.5％、Ni：0.04％、Ce：0.1％、Ge：0.05％，熔融温度217-219℃。
实施例2
各组分及重量配比为：Sn：96.12％、Ag：3％、Cu：0.6％、Ni：0.05％、Ce：0.15％、Ge：0.05％、P：0.03％，熔融温度217-219℃。
实施例3
各组分及重量配比为：
Sn：95.80％、Ag：3.5％、Cu：0.5％、Ni：0.05％、Ce：0.1％、P：0.05％，熔融温度217-217℃。
实施例4
各组分及重量配比为：
Sn：95.49％、Ag：3.5％、Ni：0.06％、Ce：0.15％、P：0.07％、Ga：0.03％熔融温度217-217℃。
本发明所提供的无铅焊料合金，通过添加3-3.5％Ag能改善焊料的熔点。从纯Sn的232℃的共晶熔点降到接近Sn-Ag的共晶熔点221℃，改善了无铅焊料的润湿性、热疲劳特性、强度及防止带Ag层电极出现迁移。
通过向本发明无铅焊料合金添加Cu，起到降低无铅焊料熔点及结晶组织微细化作用，并抑制在高温条件下熔Cu现象。当Cu＜0.5％时，对无铅焊料作用不大。当Cu＞0.8％时会促进无铅焊料延伸率下降，氧化渣量增多。因此，本发明Cu含量控制在0.5-0.8％。
本发明中，通过在无铅焊料合金添加Ni，解决了Sn与Cu反应生成的Cu6Sn5金属化合物。Sn与Ag反应生成的Ag3Sn金属化合物，影响无铅焊料润湿性及冷凝时析出所出现结晶粗糙。通过添加0.03-0.1％Ni，利用Ni与Cu以任何比例固溶的特性。控制Sn和Cu反应形成的Cu6Sn5金属化合物长大，并使该化合物溶解，从而改善Sn-Cu无铅焊料的粗糙结晶状态，使结晶表面变的细腻光泽，并提高了无铅焊料流动性，改善了波峰焊过程中出现的桥连、拉尖等不良缺陷。
通过添加活性元素Ce，可以改善无铅焊料的结晶组织，以及在冷凝过程中通过形核，对无铅焊料的结晶起到细化与变质均匀化作用。也改善了力学性能、导热导电性能及扩展性能。添加量大于0.6％时强度有所下降。通过添加0.1％Ce，可有利降低液固相区间ΔT温度降低，改善了焊接温度和焊接工艺性。其最佳添加量为0.1-0.3％Ce。
通过添加0.03-0.07％至少一种P、Ge、Ga抗氧化元素，可以有效的阻止本发明无铅焊料合金与表面氧化。由于抗氧化元素P、Ga、Ce的集肤效应作用，改善了无铅焊料液浴表面结构状态，并形成一层密致的薄膜，能有效阻止无铅焊料与空气中氧相互接触，有效防止焊料浴氧化。另一方面，由于本发明无铅焊料合金中的Ag、Cu、及Ni元素的存在，促进了抗氧化元素的集肤效应，进一步改善无铅焊料合金浴的氧化，减少氧化物的发生量，改善了无铅焊料的流动性，从而降低焊接缺陷的不良率。
下面通过本发明比较现有的无铅焊料合金的性能数据(表1为本发明无铅焊料合金实施例1、2、3、4与无铅焊料合金比较例1、2的试验数据)来进一步说明本发明的优点：
比较例1
Sn：96.65％、Ag：0.3％、Cu：0.5％，熔融温度217-219℃。
比较例2
Sn：95.8％、Ag：3.5％、Cu：0.7％、熔融温度217-217℃。
试验结果表明；
本发明的无铅焊料合金与比较例无铅焊料合金相比，在抗氧化性能、流动性能、表面状态及力学性能上有很大提高，具有改善焊接缺陷及实用性的特点。
表1
Claims (6)
1.一种无铅焊料合金，其特征在于：
该无铅焊料合金包括以下组分且各组分的重量百分比是：
Ag：1-4％
Cu：0.1-0.8％
Ni：0.001-0.5％
Ce：0.001-0.6％
其中至少一种的P或Ga或Ge：重量配比均为0.001-0.1％
其余为Sn。
2.根据权利要求1所述无铅焊料合金，其特征在于：
各组分的优化重量配比为：
Ag：3％
Cu：0.5％
Ni：0.04％
Ce：0.1％
Ge：0.05％
其余为Sn。
3.根据权利要求1所述无铅焊料合金，其特征在于：
各组分的优化重量配比为：
Ag：3％
Cu：0.6％
Ni：0.05％
Ce：0.15％
Ge：0.05％
P：0.03％
其余为Sn。
4.根据权利要求1所述无铅焊料合金，其特征在于：
各组分的优化重量配比为：
Ag：3.5％
Cu：0.5％
Ni：0.05％
Ce：0.1％
P：0.05％
其余为Sn。
5.根据权利要求1所述无铅焊料合金，其特征在于：
各组分的优化重量配比为：
Ag：3.5％
Cu：0.7％
Ni：0.06％
Ce：0.15％
P：0.07％
Ga：0.03％
其余为Sn。
6.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征在于：上述的Ag或Cu或Ni或Ce和P或Ge或Ga均先形成中间合金后添加，即先形成Sn-10％Ag或Sn-6％Cu或Sn-2％Ni或Sn-5％P或Sn-20％Ga或与Sn-4％Ce的中间合金。
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