CN105965172A - 一种低温焊接材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温焊接材料，包括以下重量百分比的组份：Sn为38‑45％，Bi为10‑18％，In为2.2‑10％，其余为Pb，通过对Sn、Pb、Bi、In四种元素进行合理配比，制备了Sn‑Pb‑Bi‑In四元合金，该合金焊料具有低熔点、焊后强度高、耐温性好、韧性好、成本适中的特点。

Description

一种低温焊接材料
技术领域
本发明涉及一种低温焊接材料，具体涉及LED照明行业组装用焊料制造技术领域。
背景技术
半导体照明以其明显的节能特点和环保功能，已经被广泛认为是最具发展潜力的高技术领域之一。随着LED技术的发展及产业化进程的加快，以及政府相关部门的引导和推动，LED照明技术在国内应用得以迅速推广，市场规模不断扩大，作为实现半导体照明的核心技术，更大的功率输出、光能输出，更高的光电转换效率是未来的发展趋势。
LED灯珠与基板的焊接一直是LED所面临的技术壁垒。在某些特殊的领域(如医疗)，由于其特殊用途的LED灯珠不耐高温，当温度高于150℃时，灯珠易被烧坏，造成不良。所以采用锡膏作为焊接材料时，传统的锡银铜和锡铅共晶由于其熔点过高而不能满足使用要求，必须采用低熔点焊料。在含In钎料中，如三元合金Sn-Bi-In、Sn-Pb-In，均存在熔点和成本的矛盾，要想使熔点降低至150℃以下，In的含量至少在20％以上，而In属于贵金属，如此高In含量的钎料，行业通常不予接受；含有In的二元合金，锡铟共晶(SnIn52)合金熔点合适、塑性好，但其强度相比较低，且稀缺元素In含量过高造成成本太高，也不适宜大规模应用。而SnBi系列的合金中，锡铋共晶(SnBi58)焊料熔点为138℃，可满足焊接温度要求，但其焊点很脆，在使用过程中容易造成灯珠脱落，无法满足LED灯珠与基板之间的焊接接头的强度要求；而Sn-Pb-Bi合金存在合金脆性和熔点的矛盾，当熔点较低时，脆性差，当脆性好时，熔点又偏高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种低温焊接材料，通过对Sn、Pb、Bi、In四种元素进行合理配比制备了Sn-Pb-Bi-In四元合金，该合金焊料具有低熔点、焊后强度高、耐温性好、韧性好、成本适中的特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种低温焊接材料，包括以下重量百分比的组份：Sn为38-45％，Bi为10-18％，In为2.2-10％，其余为Pb。
进一步地，所述低温焊接材料包括以下重量百分比的组份：Sn为38-43％，Bi为13.0-18.0％，In为4.0-8.0％，其余为Pb。
进一步地，还包括添加剂，所述添加剂包括Cd、Zn、P、Ge、Ga、RE中的一种或两种以上组份，其中，按重量百分比计，Cd为0-2.0％，Zn为0-4.0％，P为0-0.5％，Ge为0-0.5％，Ga为0-0.5％，RE为0-0.5％。
优选地，所述添加剂为Cd，其重量百分比为0.05-2.0％。
优选地，所述添加剂包括Zn、P，其中，按重量百分比计，Zn为0.05-4.0％，P为0.01-0.5％。
优选地，所述添加剂包括Cd、Ge和RE，其中，按重量百分比计，Cd为0.05-2.0％，Ge为0.01-0.5％，RE为0.01-0.5％。
本发明所述技术方案相对于现有技术，取得的有益效果是：
(1)本发明通过对Sn、Pb、Bi、In四种元素的合理配比，在保证低温熔点、较高强度和韧性的前提下，降低了该低温焊料中稀贵金属铟的含量(2.2-10％)，而现有低温焊料中含有In的二元或三元合金中In含量至少在20％以上，成本居高不下，而本发明通过降低In的含量满足了规模实用化应用的成本要求；另一方面，In的加入使合金的塑形变形能力大幅度增强，抗冲击韧性提高，满足恶劣条件下的使用要求。
(2)本发明通过对Sn、Pb、Bi、In四种元素的合理配比，避免了不利金属间化合物(IMC)的粗大形态及合金内部氧化的出现，使其能显著降低熔化温度的同时不增加焊料的熔程，提升焊后的耐温性能；且能够实现固溶强化、细晶强化和原位生成IMC弥散强化，三种强化机制的共同交互作用使得焊料的抗冲击性和韧性大幅提升。
(3)为进一步提升应用性能指标，还可少量添加强化类或抗氧化类元素Cd，Zn，P、Ge、Ga、RE中的一种或几种组合，所述的RE为通用的富La或富Ce的稀土；Cd，Zn等元素的添加进一步提升了焊料的结合性能和焊后抗疲劳性，P、Ge、Ga、RE等添加能够进一步提升焊料的抗氧化性，并细化焊料组织，进一步提升焊后产品的可靠性。
附图说明
图1为Sn-36Pb-14Bi-8In焊料的扫描电镜组织照片；
图2为Sn-36Pb-14Bi-8In的DSC曲线和时间温度曲线(冷却过程)；
图3为Sn-40Pb-13Bi-5In-0.05Zn-0.01P的时间温度曲线(冷却过程)；
图4为Sn-39Pb-16Bi-4In-2Cd-0.01Ge-0.01RE的时间温度曲线(冷却过程)；
图5为Sn-40Pb-13Bi-7In的时间温度曲线(冷却过程)。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述的一种低温焊接材料，包括以下重量百分比的组份：Sn为38-45％，Bi为10-18％，In为2.2-10％，其余为Pb。
进一步地，所述低温焊接材料包括以下重量百分比的组份：Sn为38-43％，Bi为13.0-18.0％，In为4.0-8.0％，其余为Pb。
进一步地，还包括添加剂，所述添加剂包括Cd、Zn、P、Ge、Ga、RE中的一种或两种以上组份，其中，按重量百分比计，Cd为0-2.0％，Zn为0-4.0％，P为0-0.5％，Ge为0-0.5％，Ga为0-0.5％，RE为0-0.5％。
优选地，所述添加剂为Cd，其重量百分比为0.05-2.0％。
优选地，所述添加剂包括Zn、P，其中，按重量百分比计，Zn为0.05-4.0％，P为0.01-0.5％。
优选地，所述添加剂包括Cd、Ge和RE，其中，按重量百分比计，Cd为0.05-2.0％，Ge为0.01-0.5％，RE为0.01-0.5％。
本发明所述的一种低温焊接材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在熔炼炉中按比例加入称好的Sn、Pb、Bi、In原料，并加入适量熔炼覆盖剂，加热至250-300℃，保温10-20min；
步骤2：除掉步骤1所得熔液的表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯，备用。
步骤3：将上述步骤2所得焊料锭坯直接作为焊料应用，或制成条带、丝板或轧片使用；或将上述步骤2所得焊料锭坯在200-300℃熔化、喷粉，制备成球形合金焊粉，用作焊膏基料。
本发明所述的一种低温焊接材料,其加入了添加剂，所述添加剂包括Cd、Zn、P、Ge、Ga、RE中的一种或两种以上组份，该低温焊接材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将添加剂制备成中间合金，所述中间合金为Pb-17Cd、Sn-9Zn、Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5Ga、Sn-5RE；
步骤2：在熔炼炉中加入按比例称好的Sn、Pb、Bi、In原料和步骤1制备的中间合金，，并加入适量熔炼覆盖剂，加热至250-300℃，保温10-20min；；
步骤3：除掉步骤3所得熔液的表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯，备用。
步骤4：将上述步骤3所得焊料锭坯直接作为焊料应用，或制成条带、丝板或轧片使用。或将上述步骤3所得焊料锭坯在200-300℃熔化、喷粉，制备成球形合金焊粉，用作焊膏基料。
实施例1
本实施例所述的低温焊接材料，包括以下重量百分比的组份：40％Sn、40％Pb、13％Bi和7％In。其制备过程如下：
步骤1：在200kg熔炼炉中加入称好的40份纯Sn、40份纯Pb、13份纯Bi、7份纯In原料，共计100kg，加入100g的ZnCl2熔炼覆盖剂，加热至250℃，并保温20min；
步骤2：对上述所得熔液进行搅拌3-5min后除掉表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。
步骤3：在挤压机上将步骤2所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。
实施例2
本实施例所述的低温焊接材料，包括以下重量百分比的组份：42％Sn、36％Pb、14％Bi和8％In。其制备过程如下：
步骤1：在200kg熔炼炉中加入称好的42份纯Sn、36份纯Pb、14份纯Bi、8份纯In原料，共计100kg，加入100g的ZnCl2熔炼覆盖剂，加热至250℃，并保温20min；
步骤2：对上述所得熔液进行搅拌3-5min后除掉表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。
步骤3：在挤压机上将步骤2所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。
实施例3
本实施例所述的低温焊接材料，包括以下重量百分比的组份：38.95％Sn、36％Pb、15％Bi和10％In、0.05％Cd。其制备过程如下：
步骤1：采用真空感应熔炼的方式，在400℃条件下熔炼制备Pb-17Cd中间合金；
步骤2：按表1所列配比，将纯Sn、纯Pb、纯Bi、纯In和Pb-17Cd合金的加料顺序依次加入熔炼炉中，并加入ZnCl2覆盖剂在熔炼炉中加热至300℃，熔化后保温20min；
步骤3：除掉表面覆盖剂，将合金熔体浇铸于模具中，凝固，制备出低温焊料锭坯。
步骤4：在挤压机上将步骤3所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。
实施例4-7
按照表1中列出的各合金成分的质量百分比，分别制备实施例4-7的低温焊接材料。
步骤1：制备Pb-17Cd、Sn-9Zn、Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5RE、Sn-5Ga等二元中间合金，其制备方法是采用真空感应熔炼的方式；
步骤2：按表1所列配比，按照纯Sn、纯Pb、纯Bi、纯In和所需种类的中间合金、ZnCl2覆盖剂的加料顺序依次加入熔炼炉中，在熔炼炉中加热至300℃，熔化后保温20min；
步骤3：除掉表面覆盖剂，将合金熔体浇铸于模具中，凝固，制备出实施例4-7的系列低温焊料锭坯。
步骤4：在挤压机上将步骤3所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。
实施例 Sn Pb Bi In Cd Zn P Ge Ga RE
1 40 40 13 7 / / / / / /
2 42 36 14 8 / / / / / /
3 38.95 36 15 10 0.05 / / / / /
4 42.75 37 18 2.2 / 0.05 / / / /
5 41.94 40 13 5 / 0.05 0.01 / / /
6 38.98 39 16 4 2 / / 0.01 / 0.01
7 40.5 31 16 8 / 4 / / 0.2 0.3
表1实施例配比数据(重量百分比％)
表2部分实施例与传统主流焊料的熔点和力学性能比较
从表2数据看出本发明所述的低温焊接材料在熔化温度、延伸率、抗拉强度和屈服强度等综合方面评估，相比传统焊料具有优势，在保证其可焊性前提下，提高焊料的抗拉强度和屈服强度，并能够提高焊点的结合可靠度。
图1为Sn-36Pb-14Bi-8In焊料的扫描电镜组织照片。从图中可以看出该焊料组织均匀、组织中分布着大量细小的析出强化相，这也是该类低温焊料具有较高强度的根本原因；图2是Sn-36Pb-14Bi-8In的时间温度曲线(冷却过程)，图3是Sn-40Pb-13Bi-5In-0.05Zn-0.01P的时间温度曲线(冷却过程)，图4和图5分别是Sn-39Pb-16Bi-4In-2Cd-0.01Ge-0.01RE和Sn-40Pb-13Bi-7In的时间温度曲线(冷却过程)，从图中可看出该类焊料的熔化温度较低，在150℃条件通过保温时间可以实现熔化焊接，并且焊料在低于100℃均未见有吸热峰出现，说明该类低温焊料在低于100℃条件具有稳定的固态组织。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低温焊接材料，其特征在于：包括以下重量百分比的组份：Sn为38-45％，Bi为10-18％，In为2.2-10％，其余为Pb。
2.根据权利要求1所述的一种低温焊接材料，其特征在于：包括以下重量百分比的组份：Sn为38-43％，Bi为13.0-18.0％，In为4.0-8.0％，其余为Pb。
3.根据权利要求1或2所述的一种低温焊接材料，其特征在于：还包括添加剂，所述添加剂包括Cd、Zn、P、Ge、Ga、RE中的一种或两种以上组份，其中，按重量百分比计，Cd为0-2.0％，Zn为0-4.0％，P为0-0.5％，Ge为0-0.5％，Ga为0-0.5％，RE为0-0.5％。
4.根据权利要求3所述的一种低温焊接材料，其特征在于：所述添加剂为Cd，其重量百分比为0.05-2.0％。
5.根据权利要求3所述的一种低温焊接材料，其特征在于：所述添加剂包括Zn、P，其中，按重量百分比计，Zn为0.05-4.0％，P为0.01-0.5％。
6.根据权利要求3所述的一种低温焊接材料，其特征在于：所述添加剂包括Cd、Ge和RE，其中，按重量百分比计，Cd为0.05-2.0％，Ge为0.01-0.5％，RE为0.01-0.5％。
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