CN101491866B - 低温无铅焊锡膏 - Google Patents

Abstract

一种低温无铅焊锡膏，作为一种SMT焊料，通过在该低温无铅钎焊料合金以Sn-58Bi为主要成分的体系中添加Ag占0.5-3％或Cu占0.1-1.0％的重量百分比来改进。改进后的焊料合金提高了其润湿性能和焊点强度。含有该成分的焊料合金粉末的钎焊膏能提供良好的润湿性和可靠性，满足SMT所需钎料合金及钎料膏的要求，特别适用于需要低温应用的场合。

Description

低温无铅焊锡膏

技术领域

本发明涉及一种低温无铅焊料合金，尤其涉及一种以该焊料合金成分的制成的焊锡膏。 

背景技术

随着人们环保意识的增强，电子工业中传统所采用的Sn-Pb软钎焊料合金开始逐渐被无铅软钎焊料所代替。 

在当前所使用的无铅软钎焊料中，成分主要为Sn-Cu、Sn-Ag及Sn-Ag-Cu系。以这些体系为基础，通过添加合金元素可以提高焊料合金的性能。例如在Sn-Ag(3.5-6.0％)基础上添加微量元素Ni以抑制Cu向焊锡合金中的扩散。日本Nihon在美国专利US6180055中在以SnCu共晶成分的基础上提出由Sn-(0.3-0.7)Cu-(0.04-0.1)Ni组成的无铅软钎焊料合金，元素Ni可抑制Cu向熔融焊料中的溶解，降低Cu向熔融钎料中的溶解速度以及桥联发生的可能性。 

这些焊料成分的熔点分别介于217-227℃之间，远远高于传统使用的Sn-37Pb焊料熔点(183℃)。在使用过程中，这就需要波峰焊焊锡温度为250-265℃，回流焊过程中峰值温度为240-245℃。特别是在SMT回流焊过程中，使用了焊锡膏，焊锡膏含有与助焊剂均匀混合的焊锡粉，特别是与松香熔剂均一混合的焊锡粉。通常，在回流焊接中，通过印刷或者分散，将焊锡膏提供到印刷电路板上，利用焊锡膏的粘附作用，芯片类型的电子元件被临时吸附和连接到 印刷电路板上。因此，在回流焊接中，要安装的电子元件同样被暴露在焊接温度下。如此之高的焊接温度对焊接设备的均匀加热能力及元器件的耐热能力均是一个巨大的考验。 

鉴于此，日本Senju公司申报了专利号为US6503338，成分为Sn-8Zn-3Bi的无铅焊料合金，熔点为192-197℃，接近于Sn-37Pb焊料的熔点。然而，至今为止，仍有元器件仍不能承受如此之高的焊接温度，需要使用熔点更低的低温焊料合金。因此Sn-Bi钎料合金就成为一种选择，Sn-58Bi共晶焊料的熔点为138℃，可以满足焊接温度的要求。但是，Bi是一种易氧化的合金元素，对Sn-Bi焊料合金的助焊剂要求较高，而且焊接过程中熔融焊料沿元器件引脚的爬升能力及在焊盘上的润湿能力较差，相应也降低了焊点的强度。 

作为对策，为了提高Sn-Bi焊料合金的这些不良缺点，可以往其中添加其它的合金元素来改善其性能。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温无铅焊锡膏。 

本发明的一种低温无铅焊锡膏，焊锡膏包括有该低温无铅钎焊料合金和作为焊剂的钎料膏，该低温无铅钎焊料合金是在现有的Sn-Bi钎料体系中加入合金元素Ag和Cu，其中中Sn、Bi、Ag的重量百分比组分分别是：Sn占35-65％，Bi占35-65％，Ag占0.2-6％，该低温无铅钎焊料合金的钎料合金粉末中还含有Cu，其重量百分比组分为0.1-3.0％。 

上述的低温无铅钎焊料合金的钎料合金粉末含有以粉末计其量的Sn、Bi、Ag和Cu，该Sn、Bi、Ag和Cu为的重量百分比组分为88-91％。 

上述的Sn-58Bi为钎料合金粉末，并与Sn-3.5Ag钎料合金粉末和Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料合金粉末以按照Sn-58Bi重量百分比为65-90％，Sn-3.5Ag重量百分比为8-20％，Sn-3.8Ag-0.7Cu重量百分比4-10％的比例均匀混合 

本发明所涉及的无铅软钎焊料合金，在作为钎料基本组合物中不使用剧毒性的铅，属于环保性无铅软钎焊料合金。 

本发明所涉及的无铅软钎焊料合金，熔点介于138-155℃间，焊接所需要的温度介于170-195℃，远远低于传统Sn-37Pb及Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu无铅软钎焊料的焊接问题。对焊接设备加热能力及元器件耐热温度的要求大大降低。 

下面详细说明本实施方式中各添加元素的作用及其最佳含量。 

添加Bi可以与Sn在58wt.％Bi、138℃时形成二元低熔点共晶焊料。铋元素是与锡元素形成低温焊料合金的根本。铋含量的优选范围是40-60wt.％，更优选的含量范围是45-60wt.％。 

添加Ag可以提高焊料合金的润湿性、焊点的强度，在0.2-6.0wt.％Ag存在的条件下并不显著地改变Sn-Bi焊料合金的熔点，从而不影响所发明的无铅软钎焊料合金的低熔点或低温特性。银含量的优选范围是0.5-4wt.％，更优选的含量范围是0.5-3wt.％。 

添加Cu可以进一步提高焊料合金的强度及所形成焊点的强度。 铜含量的优选范围是0.1-2.0wt.％，更优选的含量范围是0.1-1.0wt.％。 

具有上述组成的本发明的无铅钎料可通过传统方法冶炼，即Sn、Bi、Ag、Cu以金属原料供应，在坩埚中加热并搅动，浇铸即可得到钎料合金。本发明的钎料合金可以通过传统工艺加工形成焊锡条、焊锡棒、焊锡丝、焊锡球及焊锡膏等的形式，从而能够满足PCB组装、SMT微电子表面封装及表面贴装等所需要的钎料合金，特别是需要低温应用的场合。 

在SMT中使用的焊锡膏是通过混合焊锡粉和助焊膏制造的。助焊膏的典型体系是松香基助焊膏，该松香基助焊膏是通过将松香作为主要组分，与其它添加剂例如触变剂、活化剂一起溶于溶剂而形成的。助焊膏要求具有高度可靠的绝缘性和耐蚀性。具有上述组成的本发明的无铅软钎焊料合金的焊锡粉除了按上述方法直接由纯Sn、Bi、Ag、Cu金属熔化冶炼后喷粉制作外，下面给出一种基于该焊料合金成分的焊锡膏的制作方法：把Sn-3.5Ag或其它Sn-Ag成分与Sn-58Bi或其它Sn-Bi成分，或Sn-Ag-Cu与Sn-58Bi或其它Sn-Bi成分，或Sn-3.5Ag或其它Sn-Ag成分、Sn-0.7Cu或其它Sn-Cu成分与Sn-58Bi或其它Sn-Bi成分的焊锡粉按比例混合，从而分别得到具有上述组成的Sn-Ag-Bi或Sn-Ag-Cu-Bi焊锡粉。在该发明方法中，Sn-3.5Ag或其它Sn-Ag成分、Sn-0.7Cu或其它Sn-Cu成分、Sn-Ag-Cu、Sn-58Bi或其它Sn-Bi成分相对容易制作并且不会侵犯别人的专利成分，在市场上轻易采购到，从而可以方便的制作具有上述组成的本发明的无铅软钎焊料合金的焊锡膏。 

附图说明

图1为实施例1、实施例2和对比例1所描述软钎焊料合金在180℃下的润湿平衡曲线； 

图2为低温回流焊接温度曲线； 

图3为高温回流焊接温度曲线； 

图4为QFP引脚拉脱强度试验方法。 

具体实施方式

根据本实施方式详述本发明，但是本发明范围并不是限于这里所提出的实施例。在以下的描述中，所有关于合金成分的百分数都是重量百分数。 

实施例1，无铅软钎焊料合金由58％Bi、1％Ag，其余部分为41％Sn组成。 

实施例2，无铅软钎焊料合金由58％Bi、1％Ag，0.7％Cu，其余部分为40.3％Sn组成。 

实施例3，将75％的基于Sn-58Bi无铅焊料合金的球形粉末、15％的基于Sn-3.5Ag无铅焊料合金的球形粉末与10％的基于松香的助焊膏彻底混合以制备焊锡膏，所述焊锡膏具有48.33％Bi、0.583％Ag、其余部分为51.087％Sn组成的焊锡合金成分，焊锡粉在焊锡膏内所占比例为90％。所述助焊膏基于下述组成，属于典型的松香基体系：45％氢化松香、45％丙二醇甲醚、2％二苯胍HBr、5％改性氢化蓖麻油、1％丙二酸、2％二溴丁烯二醇，经过加热完全溶解制作得到，助焊膏在焊锡膏内所占比例为10％。 

实施例4，将75％的基于Sn-58Bi无铅焊料合金的球形粉末、15％的基于Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅焊料合金的球形粉末与10％的基于松香的助焊膏彻底混合以制备焊锡膏，所述焊锡膏具有48.333％Bi、0.633％Ag、0.117％Cu、其余部分为49.083％Sn组成的焊锡合金成分，焊锡粉在焊锡膏内所占比例为90％。所述助焊膏基于下述组成，属于典型的松香基体系：45％氢化松香、45％丙二醇甲醚、2％二苯胍HBr、5％改性氢化蓖麻油、1％丙二酸、2％二溴丁烯二醇，经过加热完全溶解制作得到，助焊膏在焊锡膏内所占比例为10％。 

对比例1，无铅软钎焊料合金由58％Bi，其余部分为42％Sn。 

对比例2，将90％的基于Sn-58Bi无铅焊料合金的球形粉末与10％的基于松香的助焊膏彻底混合以制备焊锡膏。所述助焊膏基于下述组成，属于典型的松香基体系：45％氢化松香、45％丙二醇甲醚、2％二苯胍HBr、5％改性氢化蓖麻油、1％丙二酸、2％二溴丁烯二醇，经过加热完全溶解制作得到。 

(1)润湿试验 

按照日本工业标准JIS Z3198“无铅焊料试验方法”中第4部分“基于润湿平衡法及接触角法的润湿性试验方法”对实施例1和2及对比例1获得的无铅软钎焊料合金采用润湿平衡仪进行润湿性测试。测试基材为Cu板，采用活性松香基助焊剂，测试结果见图1。 

润湿平衡曲线中曲线与横坐标的交叉时间代表软钎焊料合金的润湿时间，它与曲线的最大润湿力共同表征出软钎焊料合金的润湿能力，润湿时间越短、润湿力越大，表明软钎焊料合金的润湿性越 好。实施例1所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为0.751s和3.53mN，实施例2所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为0.673s和3.47mN。对比例1所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为0.797s和2.73mN。实施例1和2较对比例1有着更短的润湿时间和更高的润湿力，反映了本发明所描述的低温焊料合金较传统Sn-58Bi焊料合金有着更好的润湿性。 

(2)回流焊温度曲线 

将实施例3和4及对比例2和3获得的焊锡膏通过丝网印刷于PCB板上，PCB上对应焊盘为208引脚、间距为0.4mm的标准QFP焊盘，然后贴上QFP元器件，过回流焊炉进行焊接并测电路板表面回流焊温度曲线，实现优良焊接的温度曲线见图2和图3。实施例3、实施例4及对比例2获得的Sn-Bi基焊锡膏在图2中所描述的温度下，焊料合金发生熔化，并实现了QFP元器件与PCB板焊盘间的优良焊接。而对比例3获得的Sn-Ag-Cu基无铅焊锡膏需要在图3所描述温度曲线下才能实现熔化焊接。图2和图3所描述回流焊温度曲线的峰值温度分别为180-190℃和245℃。说明本发明所描述的软钎焊料合金是一种低温焊料合金，其焊接峰值温度小于200℃，较常规Sn-Ag-Cu无铅焊料合金的焊接温度低约50℃。因此，采用本发明所描述的低温焊料合金对焊接设备的加热能力及元器件的耐热要求大大降低。 

(3)焊料合金所形成焊点的拉脱强度 

按照日本工业标准JISZ3198“无铅焊料试验方法”中第6部分 “QFP引线焊点的45度角拉脱试验方法”对实施例3和4及对比例2获得的无铅软钎焊料焊锡膏经上述回流焊接后，将得到的印刷电路板级QFP组装件固定于特定夹具上，而后沿45度角方法拉伸以测定焊点的强度，如图4。 

表1给出了实施例3和4及对比例2获得的无铅软钎焊料焊锡膏经过回流焊接后QFP引脚的45度拉伸强度试验结果。可以看出，本发明描述的基于Sn-Ag-Bi无铅软钎焊料合金及基于Sn-Ag-Cu-Bi无铅软钎焊料合金所形成的QFP焊点较传统Sn-58Bi无铅软钎焊料合金所形成的QFP焊点有着更高的拉脱强度。 

表1焊料合金的拉脱强度结果 

焊料合金	实施例3	实施例4	对比例2
				测定值  (gf)	418.6	422.8	409.2
540.8	613.9	524.1
				549.1	564.8	433.2
467.7	599.2	407.1
				573.1	611.8	469.8
482.1	499.9	501.1
				500.1	480.2	489.6
659.8	421.7	407.1
				531.4	458.3	441.6
553.3	467.7	434.3
				657.7	502.0	531.4
583.6	472.3	445.8
				平均值(gf)	543.1	514.0	457.8

Claims (1)

1.一种低温无铅焊锡膏，焊锡膏包括有该低温无铅钎焊料合金和作为焊剂的钎料膏，其特征在于，所述低温无铅钎焊料合金是在现有的Sn-Bi钎料体系中加入合金元素Ag和Cu，该低温无铅钎焊料合金的钎料合金粉末中Sn、Bi、Ag及Cu的重量百分比组分分别是：Bi占40％，Ag占0.2％，Cu占0.1-1.0％，余量为Sn；

所述低温无铅钎焊料合金由Sn-58Bi钎料合金粉末、Sn-3.5Ag钎料合金粉末和Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料合金粉末以按照Sn-58Bi重量百分比为65-90％，Sn-3.5Ag重量百分比为8-20％,Sn-3.8Ag-0.7Cu重量百分比4-10％的比例均匀混合。

Images