CN109082559A

CN109082559A - 一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金

Info

Publication number: CN109082559A
Application number: CN201811018722.4A
Authority: CN
Inventors: 白海龙; 刘宝权; 吕金梅; 赵玲彦; 严继康; 甘有为; 陈东东; 滕媛; 徐凤仙; 古列东; 朵云琨; 顾鑫
Original assignee: YUNNAN TIN MATERIAL CO Ltd
Current assignee: Yunnan Tin New Material Co ltd
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2018-12-25
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: CN109082559B

Abstract

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该合金的重量百分比组成为：0.1‑1.0％的Ag、0.3‑1.0％的Cu、0.01‑0.2％的Ni、0.01‑0.15％的Ge、0.01‑0.2％的Ce、余量的Sn以及不可避免的杂质。本发明可在保证焊料具有较好的钎焊特性特别是可靠性以及良好的力学性能的情况下，大大降低焊料的生产成本，具有广泛的应用前景。

Description

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金

技术领域

本发明属于电子焊接材料技术领域，具体涉及一种低银高可靠性焊料合金。

背景技术

随着电子产品向小型化、便携式、轻量化、高精度和高可靠性方向发展，电路集成度的大幅度提高，使得焊点数量变多、尺寸变小，对焊点的可靠性要求越来越高。由于SnAgCu无铅焊料拥有比较好的钎焊特性以及良好的力学性能等优点，并且能够与现有的电子元件相匹配，因此该无铅焊料已经成为再流焊工艺中的主导合金体系。德国Max Plank研究所公布的Sn_4.0Ag_0.5Cu、美国NEMI推荐的Sn_3.9Ag_0.6Cu、欧洲SOLDERTEC推荐的Sn_3.8Ag_0.7Cu以及日本千住/松下推荐的Sn_3.0Ag_0.5Cu焊料合金，都可以替代传统的SnPb共晶焊料合金。但是在这些无铅焊料组成中，银的成本占到40％～50％之间。近几年来，银的价格迅速增长，使高银含量的SnAgCu焊料体系的原材料成本又大大增加了，成为电子组装业的沉重负担。此外，由于较高的银含量，焊料组织Ag₃Sn金属间化合物增多导致焊料可靠性降低，润湿性变差，使用寿命减少，限制了其在实际生产中的应用。因此开发低银高可靠性无铅焊料是必然趋势。

发明内容

本发明旨在解决现有SnAgCu系焊料合金存在的不足，提供一种可降低钎料合金的生产成本并提高钎料润湿性的SnAgCuNiGeCe低温无铅焊料。

本发明采取的技术方案如下：

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料合金的重量百分比组成为：0.1-1.0％的Ag、0.3-1.0％的Cu、0.01-0.2％的Ni、0.01-0.15％的Ge、0.01-0.2％的Ce、余量的Sn以及不可避免的杂质。

本发明的低温无铅焊料合金在制备过程中，Ag、Cu、Ni、Ge、Ce分别以中间合金Sn₃Ag、Sn₁₀Cu、Sn₄Ni、Sn₁Ge、Sn_1.8Ce形式加入，不足的Sn以纯Sn添加。

本发明的无铅焊料合金是在SnAgCu系的钎料基础上进行成分调正及补充完善的，在降低银用量后加入Ni、Ge和Ce元素。Ni元素可与Sn形成Ni₃Sn、Ni₃Sn₂、Ni₃Sn₄三种金属间化合物，从而抑制Cu₆Sn₅金属间化合物的生长，并且Ni的加入也可以抑制Cu基质向熔融态焊料的溶解，显著降低焊料在基板上的润湿时间，有效改善焊料的铺展能力，Ni的含量控制在0.01-0.2％。Ce为稀土金属，其原子半径比较大，起到细化晶粒改善组织的作用，而且由于Ce元素是表面活性元素，液态时聚集在钎料表面呈现正吸附，降低液态钎料的表面自由能，使其表面张力减小，促进钎料在铜基母材上的润湿能力，提高钎料的润湿性能。但是，当含量慢慢增大到一定程度时，稀土元素Ce的氧化作用占主导地位，会使得焊料的表面张力增大，从而降低了润湿性。为提高钎料的可靠性提供有利条件，本发明的Ce含量控制在0.01-0.2％。Ge元素具有高强度的亲氧集肤效应，在焊料表面形成一层阻挡层，能阻碍焊料的进一步氧化，Ge元素的添加能防止大量的Sn₂O和SnO氧化渣生成，提高焊料的铺展率，当时当Ge元素含量过高时，大量的GeO₂生成同样也会导致焊料的表面张力增大，降低焊料的润湿性。本发明的Ge元素含量控制在0.01-0.15％。

本发明在目前应用最广的SnAgCu系钎料合金的基础上，添加微量金属元素Ni、Ge、Ce进行复配，进一步降低Ag的添加量，大大降低了钎料的成本。

本发明的SnAgCuNiGeCe系无铅焊料合金，其合金化程度高，焊料结晶组织均匀细化，焊料的润湿性、焊接性、力学性能显著提升，并且成本低，能满足波峰焊工艺的使用要求，具有广阔的应用前景。可应用于多种焊接材料产品，如焊膏用的低银无铅焊锡粉、低银无铅焊条、低银无铅焊锡丝。

附图说明

图1为实施例2的焊料合金润湿角金相图；

图2为实施例4的焊料合金金相组织图；

图3为实施例5的焊料合金金相组织图；

图4为实施例6的焊料合金焊点图。

具体实施方式

以下，进一步对本发明进行详细说明。以下说明中，关于焊料合金组成的“％”，只要没有特别限定就是“质量百分数”。

实施例1

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.3％的Ag、0.7％的Cu、0.03％的Ni、0.03％的Ge、0.01％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点219℃，抗拉强度为59Mpa，延伸率为47％，润湿时间为0.53s，最大润湿力为0.94mN，润湿角为21.2°，焊点铺展率为77.2％，产品形态为无铅焊粉。

实施例2

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.1％的Ag、0.5％的Cu、0.2％的Ni、0.05％的Ge、0.05％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点221℃，抗拉强度为57Mpa，延伸率为49％，润湿时间为0.58s，最大润湿力为0.93mN，润湿角为22.1°，焊点铺展率为73.9％，产品形态为无铅焊条。图1为本实施例的焊料合金润湿角金相图。

实施例3

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.5％的Ag、1.0％的Cu、0.05％的Ni、0.07％的Ge、0.1％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点222℃，抗拉强度为60Mpa，延伸率为47％，润湿时间为0.46s，最大润湿力为0.98mN，润湿角为21.5°，焊点铺展率为77.4％，产品形态为无铅焊锡丝。

实施例4

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.7％的Ag、0.3％的Cu、0.09％的Ni、0.01％的Ge、0.07％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点219℃，抗拉强度为63Mpa，延伸率为50％，润湿时间为0.55s，最大润湿力为0.97mN，润湿角为22.5°，焊点铺展率为74.9％，产品形态为无铅焊条。图2为本实施例的焊料合金金相组织图。

实施例5

一种SnAgCuNiGeCe低银无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：1.0％的Ag、0.8％的Cu、0.01％的Ni、0.09％的Ge、0.2％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点220℃，抗拉强度为65Mpa，延伸率为48％，润湿时间为0.53s，最大润湿力为1.1mN，润湿角为19.1°，焊点铺展率为76.8％，产品形态为无铅焊粉。图3为本实施例的焊料合金金相组织图。

实施例6

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.3％的Ag、0.7％的Cu、0.07％的Ni、0.05％的Ge、0.05％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点219℃，抗拉强度为60Mpa，延伸率为52％，润湿时间为0.56s，最大润湿力为1.0mN，润湿角为20.7°，焊点铺展率为75.2％，产品形态为无铅焊锡丝。图4为本实施例焊料的合金焊点图。

实施例7

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.5％的Ag、0.9％的Cu、0.12％的Ni、0.09％的Ge、0.05％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点221℃，抗拉强度为61Mpa，延伸率为49％，润湿时间为0.47s，最大润湿力为0.99mN，润湿角为20.6°，焊点铺展率为78.8％，产品形态为无铅焊粉。

实施例8

一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料的重量百分比组成为：0.8％的Ag、0.7％的Cu、0.03％的Ni、0.15％的Ge、0.1％的Ce其余为Sn及不可避免的杂质，该无铅焊料的熔点220℃，抗拉强度为61Mpa，延伸率为46％，润湿时间为0.49s，最大润湿力为0.99mN，润湿角为21.2°，焊点铺展率为77.9％，产品形态为无铅焊条。

以上实施例的低温无铅焊料合金在制备过程中，Ag以中间合金Sn₃Ag形式加入，C以中间合金Sn₁₀Cu形式加入，Ni以中间合金Sn₄Ni形式加入，Ge以中间合金Sn₁Ge形式加入，Ce以中间合金Sn_1.8Ce形式加入，不足的Sn以纯Sn添加。按照合金的成分比例，计算所需要的中间合金的质量，然后称取的中间合金和纯锡，在熔炼炉中进行熔化，熔炼温度为270～300℃温度，熔炼完成后保温20分钟，在熔炼过程中，为防止部分合金的氧化烧损，在熔体的表面覆盖一层防氧化溶剂，熔炼均匀后，浇铸在成型模具中。表1所列为实施例1～8的无铅焊料合金的性能数据。

表1实施例1～8的无铅焊料合金性能数据

本发明的低银无铅焊料合金通过多元化合金的复合添加，在保证SnAgCu合金优异的钎料特性前提下大大提高SnAgCu无铅焊料的润湿性能，降低生产成本。熔点在219℃左右，抗拉强度达60MPa，延伸率达48％。润湿时间为0.50s，最大润湿力为0.99mN，润湿角为21°，铺展率达77％，各项性能指标均表明本发明的低银无铅焊料可广泛应用于电子焊接领域。

Claims

1.一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠性无铅焊料合金，其特征在于，该无铅焊料合金的重量百分比组成为：0.1-1.0％的Ag、0.3-1.0％的Cu、0.01-0.2％的Ni、0.01-0.15％的Ge、0.01-0.2％的Ce、余量的Sn以及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种SnAgCuNiGeCe低银高可靠无铅焊料合金，其特征在于，所述低温无铅焊料合金在制备过程中，Ag、Cu、Ni、Ge、Ce分别以中间合金Sn₃Ag、Sn₁₀Cu、Sn₄Ni、Sn₁Ge、Sn_1.8Ce形式加入，不足的Sn以纯Sn添加。