CN101392337B

CN101392337B - 一种低熔点无铅焊料合金

Info

Publication number: CN101392337B
Application number: CN2008102187801A
Authority: CN
Inventors: 张宇航; 赵四勇; 戴贤斌; 蔡志红; 韩振峰
Original assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Current assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: CN101392337A

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

一种低熔点无铅焊料合金

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

1.一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。