CN101690995A

CN101690995A - 一种低温无铅焊锡

Info

Publication number: CN101690995A
Application number: CN200910308183A
Authority: CN
Inventors: 朱岳恩; 丁建设
Original assignee: Ningbo Xihan Tin Solder Co Ltd
Current assignee: Ningbo Xihan Tin Solder Co Ltd
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2010-04-07

Abstract

一种低温无铅焊锡，各组分的重量百分比为：铋(Bi)8～20％，铜(Cu)0.5～3％，锑(Sb)0.001～3％，铟(In)0.0～3％、银(Ag)0.0～3％，余量为锡。本发明得到的低温无铅焊锡合金熔点为190～210℃，较常用的Sn-Cu系无铅焊锡降低20～40℃，热、电学性能与传统合金相当，且润湿性和抗氧化性能良好。还由于添加磷，在焊接时可防止焊锡合金氧化，抑制碎屑的形成，提高焊接性能。还不用改变已有的生产方法而得到低温无铅焊锡，因此可以节省投资和生产成本。

Description

一种低温无铅焊锡

技术领域

本发明涉及焊接材料，具体涉及一种适合用于电子组装与封装及电子、电气设备、通讯器材、汽车、五金领域钎焊焊料的无铅焊锡。

背景技术

在焊料(钎料)的发展过程中，锡铅合金在工艺和成本方面一直是最优质的、廉价的焊接材料，无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求。但是，随着人类环保意识的加强，铅及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视。美国环境保护署(EPA)将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一，世界各国大范围内纷纷立法禁止含铅物质的使用。2003年2月13日欧盟颁布了RoHS(《禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令》)和WEEE(《废弃电气电子设备指令》)两个指令，并于2006年7月1日起正式实施。我国于2006年2月28日发布类似法规《电子信息产品污染防治管理办法》，该《办法》规定自2007年3月1日起，列入电子信息产品污染重点防治目录的产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化苯(PBB)、聚合溴化联苯***(PBDE)及其它有毒有害物质

随着环保理念的深入和上述相关法令的颁布，用无铅焊锡代替传统的SnPb系焊料已成为全球微电子制造领域不可逆转的大趋势。焊锡无铅化已演变成全球性环保要求，并成为信息电子产业的基本技术门坎，这对传统电子零件组装、SMT焊锡、波峰焊等行业将产生重大冲击。

钎料无铅化进程中遇到的一个主要困难是：目前业已广泛使用的无铅钎料熔点和焊接工艺温度偏高，令许多电子元器件和材料使用在成本和技术上面临挑战。目前的无铅焊料主要是Sn-Ag(包括Sn-Ag-Cu)系列，如Sn3.5Ag、Sn3.0Ag0.5Cu、Sn3.8Ag0.7Cu以及Sn3.9AgCu等，虽都拥有良好的机械性能和热性能，但其在铜表面的润湿性较Sn-Pb差距明显，其最大缺点是最低的熔点仍然有217℃。Sn-Cu焊料，如Sn0.7Cu，虽然价格稍低润湿性稍好，但其熔点更高，达227℃。虽然现今已有温度较低的无铅合金存在，如SnZn系合金，其固相点只有199℃左右，具有良好的机械性能和适宜的价格、与Sn-37Pb的183℃非常接近，但是锌的易氧化性和焊接点的电池腐蚀效应成了其致命的弱点。又如SnBi系合金，其固相点只有140℃左右，但SnBi系合金因为其脆性而无法实现生产加工，且可焊性十分差。

普遍使用的无铅焊锡如Sn-Ag(包括Sn-Ag-Cu)、Sn-Cu焊锡，实际上需要267～277℃条件下才能进行工艺焊接。在这么高的温度下，接近和超过了许多电子元器件、PCB和生产的机器设备的耐温极限，若要提升耐温性能，就意味着要大幅提升成本去寻找新的替代物。如此高的焊接温度还会加速焊料和母材的氧化，同时当焊料在较高温度熔化时，会加速基体金属向焊料中的溶解，形成较厚的金属间化合物，最终降低焊点的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足而提供一种熔点较低、对环境友好的低温无铅焊，以便用于对温度较敏感的电子元件的焊接，并继续沿用老的生产设备，节省开支。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种低温无铅焊锡，各组分的重量百分比为：铋(Bi)8～20％，铜(Cu)0.5～3％，锑(Sb)0.001～3％，铟(In)0.0～3％、银(Ag)0.0～3％，余量为锡。

本发明选择Bi作为主要降低焊锡合金熔点的元素，Sn-Bi共晶温度为139℃，共晶成分为42Sn58Bi，对于耐热性的电子元件焊接有利，保持稳定性也好，可使用与SnPb焊锡大体相同的助焊剂在大气中焊接，润湿性良好。不足之处在于随着Bi的加入量增大，焊锡变得硬、脆，加工性能大幅度下降，焊接可靠性变坏，当Bi含量超过21％后，其液固线区间急剧扩大，因此，必须控制其加入量在适当氛围内。

本发明在焊锡合金中添加Cu，可通过浓度平衡原理，减缓Cu向焊料合金中扩散溶解的速度，细铜丝如导线在焊接时，从细铜丝融入焊锡合金中的Cu减少，其结果就抑制细铜丝变细而可以保证机械强度。

本发明在焊锡合金中加入锑，细化组织结构，阻止晶粒长大，并可抑制Cu向焊料合金中扩散，改善焊锡合金的加工性能。

本发明可选择在焊锡合金中添加适量银，可增加焊锡的润湿性能，提高焊锡的焊接强度和焊点的延展性。

本发明可选择在焊锡合金中添加适量铟，可细化组织结构，降低焊锡合金的熔点，提高润湿性，提高钎焊接头的致密性，提高焊料的抗氧化性能。

上述低温无铅焊锡，还可添加0.001～0.1％的磷，能提高无铅焊锡的抗氧化能力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明得到的低温无铅焊锡合金熔点为190～210℃，较常用的Sn-Cu系无铅焊锡降低20～40℃，热、电学性能与传统合金相当，且润湿性和抗氧化性能良好。与传统的Sn-Pb的183℃共晶温度和当今的SnAgCu的217℃共晶温度相比较，本专利得到的低温无铅焊锡已向183℃共晶温度有了明显的靠拢。

在本发明中，还由于添加磷，在焊接时可防止焊锡合金氧化，抑制碎屑的形成，提高焊接性能。

本发明还不用改变已有的生产方法而得到低温无铅焊锡，因此可以节省投资和生产成本

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

以纯Bi、纯Cu、纯Sb、纯In、纯P、纯Sn为原料，按重量百分比配置1kg合金量，其中150gBi、8gCu、20gSb、5gIn、0.1gP，其余为Sn和不可避免的杂质。将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽空气，然后充入氩气，升温至950℃开始熔炼，溶化后浇铸成锭。

上述无铅焊锡样品的成分为15％Bi、0.8％Cu、2％Sb、0.5％In、0.01％P，其余为不可避免的杂质。

使用示差扫描量热仪(DSC)进行熔点测试，此合金的熔融温度(液相点)为203℃。

实施例2

以纯P、纯Sn为原料，于400℃在真空熔炼炉中配置Sn95P5的锡磷中间合金；按重量百分比配置1kg合金量，其中200gBi、15gCu、10gSb、10gAg、10gIn、4gSnP合金，其余为Sn和不可避免的杂质。将120g氯化钾和100g氯化锂的混合盐加热熔化后浇在锡上，加热锡并升温至300～400，将锡的中间合金Sn-Sn-P及Ag、Sb、In、Bi、Cu加入到熔融的锡液中，同时不断搅拌，保温，静置后出炉，凝固后去除表面的混合盐。

上述无铅焊锡样品的成分为Sn20Bi1.5Cu1Sb1In1Ag0.02P。

使用示差扫描量热仪(DSC)进行熔点测试，此合金的熔融温度(液相点)为191℃。

实施例3

无铅焊锡合金由11％重量的Bi、1％重量的Sb、0.8％重量的Cu、0.001％重量的P、其余部分为Sn所构成。

使用示差扫描量热仪(DSC)进行熔点测试，此合金的熔融温度(液相点)为208℃。

实施例4

无铅焊锡合金由8％重量的Bi、3％重量的Sb、3％重量的Cu、0.3％重量的Ag、其余部分为Sn所构成。使用示差扫描量热仪(DSC)进行熔点测试，此合金的熔融温度(液相点)为210℃。

Claims

1.一种低温无铅焊锡，其特征在于：各组分的重量百分比为：铋(Bi)8～20％，铜(Cu)0.5～3％，锑(Sb)0.001～3％，铟(In)0.0～3％、银(Ag)0.0～3％，余量为锡。

2.根据权利要求1所述的低温无铅焊锡，其特征在于：还添加0.001～0.1％重量的磷。