CN101392337B - 一种低熔点无铅焊料合金 - Google Patents
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Abstract
一种低熔点无铅焊料合金。按重量百分比计,由以下组分组成∶Bi53.0~65.0,Cu 0.02~0.5,Ag 0.01~0.43,Ni 0.01~0.4,RE 0.001~0.6,余量为Sn。它是一种改善脆性,提高延展性和可塑性,易于制成丝状焊料,且焊点可靠性高的低熔点无铅焊料合金。应用于电子行业中热敏感元器件的焊接,以及电子元器件的分级钎焊。
Description
技术领域
本发明涉及一种低熔点的无铅焊料合金,特别是熔点低且无铅的焊料合金。
背景技术
在电子行业中,低温焊料广泛应用于电子行业中热敏感元器件的焊接,以及电子元器件的分级钎焊(二次焊接),也应用于电视调谐器、火警报警器、温控元件、空调安全保护器等行业中。
传统的低温钎料是以Sn、Pb、Bi、Cd等金属组成的三元或四元合金,其中Pb、Cd都属于有害金属元素。随着科学发展和社会的进步,对电子产品的环保性能已经提出了明确的要求和指标,在电子市场,没有通过环保认证的电子元器件,正在逐渐被淘汰。特别是自2006年7月1日起,欧盟制定的WEEE指令(《电气和电子产品废弃物》)和RoHS指令(《限制在电气电子设备中使用某些有害物质》)已正式实施,该指令规定在该日期之后必须向欧洲消费者出售不含铅的产品,这将会严重地限制和影响我国对欧洲等地区和国家进行的信息、家电、医疗等电气和电子产品的出口。中国于2006年2月28日颁布,2007年3月1日施行的《电子信息产品污染控制管理办法》确定了对电子信息产品中含有的铅、汞、镉、六价铬和多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)等六种有毒有害物质的控制采用目录管理的方式,循序渐进地推进禁止或限制其使用。
自20世纪80年代以来,在替代183℃Sn-Pb共晶合金的无铅软钎料方面取得了一定的进展,如Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi等无铅焊料,但对应用于上述领域中的低熔点无铅焊料合金,Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn系列的无铅焊料合金熔点太高(都在200℃以上),对于Sn-Bi系合金,共晶成分为Sn-58Bi,熔点为139℃,应用前景广泛。
对于Sn-Bi系低温钎料来说,在共晶成分的合金中,Bi含量较大,由于Sn-Bi系合金的凝固特征,Bi元素会大量偏析于晶界,Bi本身的脆性,会导致合金也变得很脆,延展性差,塑性急速下降,难以通过塑性成型工艺加工成丝状钎料。金属Bi在凝固时会发生体积膨胀,所以金属Bi可用做“冷涨合金”。当焊料合金在凝固时,由于大量偏析于晶界的Bi元素发生“冷涨”的现象,引起形变而使得焊点与焊盘发生剥离的现象,导致焊点的可靠性变差。
发明内容
本发明的目的是克服现有低温无铅焊料合金的缺陷,提供一种改善脆性,提高延展性和可塑性,易于制成丝状焊料,且焊点可靠性高的低熔点无铅焊料合金。
本发明所述的焊料合金,按重量百分比计,由以下组分组成:Bi53.0~65.0,Cu 0.02~0.5,Ag 0.01~0.43,Ni 0.01~0.4,RE 0.001~0.6,余量为Sn。RE为混合稀土元素。
由于Sn-58Bi共晶焊料合金中的Bi含量较大,Bi只能与Sn发生有限固溶,过饱和的Bi易单独存在于基体之外形成脆硬相,导致焊料合金***且脆性增加,焊点易剥离。本发明的合金在对合金的熔点和成本影响不大的前提下,添加Cu、Ag、Ni等合金元素。由于固溶强化的作用,导致基体晶体点阵发生畸变,形成较大的内应力,产生强化作用,且Bi更弥散地分布在基体上;同时添加的合金化元素能与Sn形成Sn-Cu、Sn-Ag及Sn-Ni金属间化合物(IMCs),成为了促进液态合金非均匀形核的“活化粒子”,增加了形核率,且生成的IMCs弥散地分布在晶界上,阻止晶粒进一步长大,细化了晶粒,合金的显微组织更加均匀,细腻,改善了焊料合金的塑性,提高了焊点的可靠性。
RE做为一种表面活性元素,也可促进合金凝固过程中的形核,对焊料合金起变质均匀化的作用,使得合金组织细化、均匀,能改善焊料合金的塑性,降低焊料合金成丝的难度。同时提高钎焊接头的时效服役强度,延长了焊点的使用寿命。但随着RE含量的增加,会生成硬脆的稀土金属间化合物,恶化焊料合金的性能,所以RE含量为0.001~0.6%,优选为0.001~0.5%,更进一步为0.001~0.3%。
根据需要,还可加入少量Zn、Al、P、Ga、Sb、In、Cr、Fe、Mn或Co中的一种或几种。
具体实施方式
在本发明合金的制备过程中,由于Sn、Cu、RE、Ni的熔点差异加大,且RE容易烧损,为了精确地控制合金成分,保证合金质量,采用了中间合金的形式加入各种合金元素,制备方法如下:
Sn-Cu中间合金:将99.95%的精Sn加入到石墨坩埚中,熔化后升温,至适当的温度范围,加入99.95%的纯Cu。精Sn与纯Cu的质量百分比按90∶10配制,搅拌均匀,静置,浇铸成含Cu量为10%的Sn-Cu中间合金锭。
Sn-RE中间合金:将99.95%的精Sn加入到石墨坩埚中,熔化后升温,至适当的温度范围,加入高纯RE。精Sn与RE的质量百分比按97∶3配制,搅拌均匀,静置,浇铸成含RE量为3%的Sn-RE的中间合金锭。
Sn-Ni中间合金:将99.95%的精Sn加入到石墨坩埚中,熔化后升温,至适当的温度范围,加入纯Ni。精Sn与Ni的质量百分比按97∶3配制,搅拌均匀,静置,浇铸成含Ni量为3.0%的Sn-Ni中间合金锭。
按合金成分计算称量好Sn-Cu中间合金锭、Sn-Ni中间合金锭、Sn-RE中间合金锭,将配好的合金成分采用坩锅感应熔炼,木炭或LiCl和KCl的混合熔盐覆盖。充分搅拌至完全熔化,静置一段时间,浇铸,得到的条状、球状、膏状等产品形态。或熔炼完毕后,控制熔体温度在190~230℃时浇注成锭坯,尽量保持合金的凝固冷却速度>100℃/s,因为冷却速率增加,过冷度增大,促进形核,细化晶粒,区域偏析倾向减小,很大的过冷度,使得合金的初始结晶相的成分已接近焊料的原始成分,这样能够得到成分均匀的组织。将锭坯在60~90℃进行热挤压或后继再拉制成Φ0.8~2.0mm的丝状产品。实施例见表1。
表1 实施例的元素成分
注:余量为Sn
对上述实施例中的焊料合金,采用差示扫描量热法(DSC)的方法测定熔点。测定金属塑性的方法,最常用的是机械性能试验方法,在试验中可以确定两个塑性指标——延伸率和断面收缩率,延伸率表示金属在拉伸轴方向上断裂前的最大变形量,断面收缩率反映在单向拉应力和三向拉应力作用下的塑性指标。按照日本工业标准JIS-Z-3198中的方法,在电子万能拉伸机GP-TS2000/100KW上测试合金的延伸率和断面收缩率。试验结果如表2所示:
表2 实施例的熔化特征、延伸率和断面收缩率
上表中的实施例合金和对比Sn-58Bi合金是在同一条件下制备和测试的。从表中可以看出,添加合金元素对合金的开始熔化温度(即固相线)和熔化结束温度(即液相线)影响并不是很大,保证合金在低温条件下实现顺利焊接。实施例合金的延伸率和断面收缩率相比于Sn-58Bi合金都得到了很大的提高,说明添加的合金化元素起到了细化晶粒,防止了Bi的大量偏析,改善了合金的塑性,提高了焊点的可靠性。
本发明并不局限于上述实施案例,在实际应用过程中,可根据的不同领域不同的性能要求和不同的使用场合,选择上述各实施案例中的合金成分;或者除上述实施案例以外的不同成分配比,但均不超过本发明申请的权利要求书的范围。
Claims (1)
1.一种低熔点无铅焊料合金,其特征是按重量百分比计,由以下组分组成:Bi 53.0~65.0,Cu 0.02~0.5,Ag 0.01~0.43,Ni 0.01~0.4,RE 0.001~0.6,余量为Sn。
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