CN102990250A - 一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料，其组分及重量百分比构成为：Cu0.5-5.0%，Cr0.06-1.0%，Ce0.01-1.0%，Ni0.01-0.15%，其余为Sn。进一步优化Cr的含量为0.2-0.7wt%。该无铅焊料的特点在于相对Sn-Cu-Ni-Ce无铅焊料锡渣产率高，利用了Cr元素的特性，调节Cr的含量改善了锡渣产率，得到机械性能良好、润湿性优良、抗氧化能力强的无铅焊料，可广泛用于电子材料技术领域。

Description

一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种锡铜系无铅焊料，特别涉及一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料。 

背景技术

    在焊料的无铅化进程中，无铅焊料主要有SnAg系、SnCu系、SnZn系、SnBi系二元合金以及SnAgCu系三元合金等体系，与传统的SnPb焊料相比都存在固有缺点。SnAg（SnAgCu）系焊料在耐疲劳性和抗拉强度方面优于SnPb焊料，蠕变性和延展性皆好，但其熔点偏高，含银较多，成本偏高，且抗氧化腐蚀性能差。SnCu系焊料相对其他无铅焊料成本最低，但在合金熔点、焊接可靠性、工艺良率和抗氧化方面存在不足。SnBi系焊料熔点低，抗拉伸强度和蠕变性能优越，润湿性良好，但是成本偏高、热稳定性能不足。SnZn系焊料成本低，熔点与SnPb焊料最为接近，但是易氧化、出渣多，焊剂难配制。 

    针对上述无铅焊料的诸多缺陷，添加其他金属元素或是引入第二相等方法可在一定程度上增强和改善焊料性能。其中，在中国专利200510011703.5一种SnCuNiCe合金焊料中，通过在SnCu合金中加入适量Ce和Ni，较好地克服了熔点高，润湿性差等缺点，较好地降低了生产成本，但是在生产过程中抗氧化能力差的缺点仍旧明显，出渣率高达每吨原料会产出45-55公斤锡渣。 

发明内容

    本发明的目的是针对SnCuNiCe合金焊料抗氧化性差的缺点，提出一种保持了SnCuNiCe合金焊料原有熔点低、润湿性好、成本低等优点，又能改善抗氧化和电性能的无铅焊料，很好地降低焊锡的出渣率。 

    本发明的目的是通过下述技术方案达到的： 

    一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料，其特征在于它采用了下述重量百分比的原料制成：

Cu 0.5-5.0%，Cr 0.06-1.0%，Ce 0.01-1.0%，Ni 0.01-0.15%， 其余为Sn。

所述的一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料，其特征在于Cr 的重量百分比为0.2-0.7%。 

    本发明在原有SnCuNiCe合金焊料的基础上加入了Cr元素，Cr在合金中有着良好的抗氧化性和抗腐蚀能力。在稀土元素Ce的影响下，熔融状态的Cr元素由于表面张力的作用，聚集在合金表面，与氧元素形成致密的Cr₂O₃氧化膜，有效提高了高温抗氧化性。氧化膜极薄，可以清晰的看到合金焊料的光泽。Cr作为一种表面活性元素，在焊接时起到降低液态金属的表面张力和液-固界面能的作用，提高了润湿性能。同时Cr、Ni两种元素的组合能够提高合金本身的电极电位，降低化学腐蚀和电化学腐蚀的可能性。 

    SnCuNiCeCr合金焊料中Cr的含量小于0.06wt%时，由于Sn的Gibbs自由能低，Ni的扩散速度也比Cr大，在合金表面形成分层的氧化物，氧化膜稀薄不均，不能有效的阻挡空气中氧的进入以及与Sn元素的接触，抗氧化能力没有明显改变，熔炉过程中生成的锡渣多。当Cr含量高于1.0wt%时，合金表面的氧化膜薄厚不均，降低了润湿性和延展性能。而控制Cr的含量在0.06-1.0wt%之间时，合金表面发生选择性氧化，形成单一致密的Cr₂O₃氧化层，阻止Sn和Ni的进一步氧化，提高了焊料的抗氧化性能、机械性能、电性能。控制焊料中Cr的含量为0.2-0.7wt%，得到的合金含量性能较好，抗氧化性能等保持稳定，润湿性能提高。 

本发明提供的Sn-Cu-Ni-Ce-Cr合金焊料可以由下述方法制备而成： 

（1）将含锡99.95%的精锡加入石墨坩埚内进行熔化后升温至1050~1150^oC，加入含铜99.95%的精铜，其铜用量与锡的重量比为10:90，用木质搅拌棒搅拌均匀熔炼成液态锡铜合金，静置30分钟后铸成含铜10%的锡铜中间合金锭；

（2）将含锡99.95%的精锡加入石墨坩埚内进行熔化后升温至900~950^oC，加入氯化钾覆盖液面，再加入含铈99.99%的金属铈，其铈用量与锡的重量比为10:90，再将金属铈揿入液态锡内，用木质搅拌棒搅拌熔炼成液态锡铈合金后，静置30分钟后铸成含铈10%的锡铈中间合金锭；

（3）将含锡99.95%的精锡加入石墨坩埚内进行熔化后升温至1550~1650^oC，再加入含镍99.95%的金属镍，其镍用量与锡的重量比为10:90，用木质搅拌棒搅拌均匀熔炼成液态锡镍合金，静置30分钟后铸成含镍10%的锡镍中间合金锭；

（4）将含锡99.95%的精锡加入石墨坩埚内进行熔化后升温至1950~2050^oC，再加入含铬99.95%的金属铬，其铬用量与锡的重量比为10:90，用木质搅拌棒搅拌均匀熔炼成液态锡铬合金，静置30分钟后铸成含铬10%的锡铬中间合金锭；

（5）取（1）项的锡铜中间合金锭5-50重量份，（2）项的锡铈中间合金锭0.1-10重量份，（3）项锡镍中间合金锭0.1-1.5重量份和（4）项锡铬中间合金锭0.6-10重量份和补加余量锡的不足锡量 28.5-94.2重量份，加入不锈钢锅内进行熔炼，浇注成无铅焊料棒，得到含有铜、铈、镍、铬、余量为锡的无铅焊料。经后续拉条拉丝工艺，可制成无铅锡条、无铅锡丝。

    从图1的测试结果可以看出，本发明所述的Sn-Cu-Ni-Ce-Cr焊料合金有优良的抗氧化性能、电性能，均匀的金相结构，润湿性好，成本低，整个工艺过程出渣率低。 

附图说明

图1为原料力学性能、焊点拉伸、剪切应力、润湿性能、扩展率、锡渣率、金相检测结果。 

具体实施方式

    实施例1 

    取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭50kg，锡铬合金锭10kg，锡铈合金锭10kg，锡镍合金锭1.5kg和不佳余量锡的不足锡量28.5kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡92.85%、铜5%、铬1%、铈1%、镍0.15%为原来制成的本发明产品。

实施例2 

    取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭40kg，锡铬合金锭8kg，锡铈合金锭0.8kg，锡镍合金锭0.8kg和补加余量锡的不足锡量50.4kg加入不锈钢锅进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡95.04%、铜4%、铬0.8%、铈0.08%、镍0.08%为原料制成的本发明产品。

实施例3 

取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭30kg，锡铬合金锭5kg，锡铈合金锭8kg，锡镍合金锭1.2kg和补加余量锡的不足锡量55.8kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡95.58%、铜3%、铬0.5%、铈0.8%、镍0.12%为原料制成的本发明产品。

实施例4 

    取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭10kg，锡铬合金锭7kg，锡铈合金锭5kg，锡镍合金锭1.0kg和补加余量锡的不足锡量77kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡97.7%、铜1%、铬0.7%、铈0.5%、镍0.1%为原料制成的本发明产品。

实施例5 

    取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭15kg，锡铬合金锭0.8kg，锡铈合金锭2kg，锡镍合金锭0.3kg和补加余量锡的不足锡量81.9kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡98.19%、铜1.5%、铬0.08%、铈0.2%、镍0.03%为原料制成的本发明产品。

实施例6 

    取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭8kg，锡铬合金锭2kg，锡铈合金锭0.5kg，锡镍合金锭0.5kg和补加余量锡的不足锡量89kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡98.9%、铜0.8%、铬0.2%、铈0.05%、镍0.05%为原料制成的本发明产品。

实施例7 

取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭5kg，锡铬合金锭0.6kg，锡铈合金锭0.1kg，锡镍合金锭0.1kg和补加余量锡的不足锡量94.2kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡99.42%、铜0.5%、铬0.06%、铈0.01%、镍0.01%为原料制成的本发明产品。

对比例 

取本发明提供的制备方法中所述的锡铜合金锭7kg，锡铈合金锭0.1kg，锡镍合金锭1kg和补加余量锡的不足锡量91.9kg加入不锈钢锅内进行熔炼，浇铸成无铅焊料，得到由锡99.19%、铜0.7%、铈0.01%、镍0. 1%为原料制成的锡铜镍铈无铅焊料。

经检测，熔点在225-226^oC左右，原料力学性能、焊点拉伸、剪切应力、最大润湿力、锡丝扩展率，不添加高温抗氧化剂产生的锡渣含量，金相结构如表1所示。从图1中可以看出，与锡铜镍铈合金焊料相比，原料力学性能、拉伸强度、剪切强度均较稳定，润湿性有较好的提升，锡渣产率明显下降。 

Claims (2)

1.一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料，其特征在于它采用了下属重量百分比的原料制成：

Cu 0.5-5.0%，Cr 0.06-1.0%，Ce 0.01-1.0%，Ni 0.01-0.15%，其余为Sn。

2.根据权利要求1所述的一种Sn-Cu-Ni-Ce-Cr无铅焊料，其特征在于Cr 的重量百分比为0.2-0.7%。

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