CN114871629A - 一种含镍球的焊锡丝及其制备方法 - Google Patents

一种含镍球的焊锡丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含镍球的焊锡丝及其制备方法，所述焊锡丝是由锡合金、镍球和助焊剂构成。本发明提供的一种含镍球的焊锡丝及其制备方法，通过直接将镍球加入助焊剂中并与锡合金挤压、拉拔形成所述焊锡丝，所得焊锡丝的焊接强度以及焊接可靠性都将得到有效增强。

Description

一种含镍球的焊锡丝及其制备方法
技术领域
本发明属于焊锡材料的技术领域，尤其涉及一种含镍球的焊锡丝及其制备方法。
背景技术
随着电子工业的蓬勃发展，电子产品的轻量化、小型化、微型化的提升，对电子产品的质量要求更加严格，特别是环保产品的出现，要求从锡铅焊料逐渐被无铅焊料取代，目前的无铅焊料发展速度很快，特别是无铅超细焊丝。在电子封装中，焊锡丝是手工焊接或半自动机器焊接的常用焊接材料。焊锡丝通常用于电气性地或机械性地连接电子设备和电子部件。在电子电器工业焊锡应用，作为无铅焊料，可以举出锡银系焊锡丝、锡铜系焊锡丝、锡锌系焊锡丝、锡银铜系焊锡丝等。
但由于电子产品不断向微型化以及高性能方向发展，电子封装密度逐渐增大，焊料凸点的尺寸和焊点间节距逐渐减小，因此现有无铅焊锡丝连接的可靠性问题变得越来越突出。尤其随着自动驾驶技术的发展，汽车电子的可靠性逐渐成为开发者关注的重要问题。目前使用广泛的焊锡丝是通过将所需目标成分的锡合金经过挤压拉拔形成焊丝后使用，这种方法得到的焊锡丝中在汽车电子等应用时，由于锡合金的微合金化金属种类和含量都受到限制，因此所制得的焊锡丝在震动、高温等使用环境下容易断裂而导致焊接效率降低，焊点可靠性大大下降。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供了一种含镍球的焊锡丝及其制备方法，通过直接将镍球加入助焊剂中并与锡合金挤压、拉拔形成所述焊锡丝，所得焊锡丝的焊接强度以及焊接可靠性都将得到有效增强。
本发明提出的一种含镍球的焊锡丝，所述焊锡丝是由锡合金、镍球和助焊剂构成。
相比于现有技术中所述含镍焊锡丝是由锡镍合金和助焊剂组成，本发明所述含镍球的焊锡丝则是由镍球和锡合金以及助焊剂组成；前者由于锡镍合金的合金化限制，镍的含量有限，最终所能发挥的改善效果也很有限，更重要的是锡镍合金本身所存在的脆性，高熔点以及不可拉伸性等特性，因此所得的焊锡丝在使用过程中容易断裂而导致焊接可靠性大大降低；而本发明中直接以镍球和锡合金进行混合，因而并不需要预先形成锡镍合金，镍含量不受合金化限制，不仅克服了现有含镍焊锡丝在焊接过程中容易断裂而导致焊接可靠性大大降低的缺陷，而且镍球可以与锡合金在焊接过程中迅速形成金属间化合物，进一步提升焊锡丝的焊点强度以及可靠性，并且镍球除了部分可以与锡合金形成金属间化合物以外，其他剩余镍金属位于焊点处，同样能进一步提升焊锡丝的焊点强度以及可靠性。
优选地，所述锡合金为锡银合金、锡铜合金或锡银铜合金中的至少一种；
优选地，所述锡银合金包括：锡96.0-99.9wt％、银0.1-4.0wt％；所述锡铜合金包括：锡98.0-99.7wt％、铜0.3-2.0wt％；所述锡银铜合金包括：锡94.0-99.6wt％、银0.1-4.0wt％、铜0.3-2.0wt％。
优选地，所述镍球的粒径为20-50μm；
优选地，所述焊锡丝中镍球的含量为0.5-2wt％。
本发明中，对镍球粒径进行控制，有利于球状镍金属有效分散在助焊剂载体中，增强作用更强；对焊锡丝中镍球含量进行控制，有助于锡-镍之间发生固相合成反应，从而提高金属间化合物的形成效率和镍金属的增强作用。
优选地，所述镍球表面包覆锡层；
优选地，所述镍球中锡的含量为5-10wt％。
本发明中，在镍球表面包覆锡层，可以增强镍球与锡合金之间的相容性，以便使得镍球与锡合金及被焊接合金能在极短的时间内形成金属间化合物，进一步提高焊点强度和可靠性。
优选地，所述助焊剂包括：松香94-98wt％、活性剂1-3wt％以及表面活性剂0.5-3wt％；
优选地，所述活性剂为丁二酸、己二酸、癸二酸、月桂酸或三乙醇胺中的至少一种；所述表面活性为季戊四醇油酸脂或聚乙二醇200中的至少一种。
优选地，所述焊锡丝中助焊剂的含量为2-5wt％。
本发明还提出一种上述含镍球的焊锡丝的制备方法，包括：将镍球与助焊剂的混合物压入锡合金中，再挤压，拉拔成丝后，即得到所述含镍球的焊锡丝。
优选地，所述制备方法具体包括：将镍球与助焊剂加热搅拌分散均匀后，得到混合物；将锡合金所需金属单质熔炼均匀后浇铸，得到锡合金的棒材；将锡合金的棒材在挤压机中进行挤压，并且通过挤压机的松香桶将所述混合物压入锡合金中，得到挤压线胚；将所述挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到所述含镍球的焊锡丝。
优选地，所述挤压机的松香桶温度为140-150℃，压力为6.0-12.0MPa。
优选地，所述含镍球的焊锡丝的直径为0.5-2mm。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明所述焊锡丝无需像传统工艺一样通过含镍锡合金来进行挤压、拉拔得到，而是通过直接将镍球与锡合金进行挤压、拉拔得到，如此不仅可以避免含镍锡合金所具有的性能缺陷，而且焊锡丝中镍球与锡合金在焊接过程中润湿性好，能够有效形成金属间化合物，因而相对传统的焊锡丝反而进一步提高了焊点强度和可靠性。
具体实施方式
下面，本发明通过具体实施例对所述技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提出一种含镍球的焊锡丝，其是通过下述方法制备得到：
(1)按重量百分比将氢化松香95wt％加入不锈钢容器中，加热至150℃后搅拌至熔化完全，再加入丁二酸1wt％和己二酸2wt％，继续搅拌至熔化完全，接着加入聚乙二醇2002wt％，保温搅拌均匀后，得到助焊剂；将镍球(镍粉，300目)加入到所得助焊剂中，镍球、助焊剂的质量比为1:3，控制在130℃下保温搅拌均匀，得到混合物；
(2)按照SnCu0.7进行配料，将锡块、铜粉加入熔炉机中，加热熔融均匀，所得熔体浇铸后得到直径为80mm的锡铜合金棒材；
(3)将上述锡铜合金棒材安装到挤压机中，再将上述混合物倒入挤压机松香桶中，对上述锡铜合金棒材进行挤压同时，通过挤压机的松香桶将所述混合物压入锡铜合金中，挤压过程中，松香桶的温度为145℃，压力为8MPa，挤压成丝状后排出，得到直径为10mm的挤压线胚，该挤压线胚中所述混合物含量为5wt％；将所得挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到直径为0.5mm的所述含镍球的焊锡丝。
实施例2
本实施例提出一种含镍球的焊锡丝，其是通过下述方法制备得到：
(1)按重量百分比将氢化松香94wt％加入不锈钢容器中，加热至150℃后搅拌至熔化完全，再加入癸二酸1wt％和三乙醇胺2wt％，继续搅拌至熔化完全，接着加入季戊四醇油酸脂3wt％，保温搅拌均匀后，得到助焊剂；将镍球(镍粉，300目)加入到所得助焊剂中，镍球、助焊剂的质量比为2:3，控制在130℃下保温搅拌均匀，得到混合物；
(2)按照SnAg0.3Cu0.7进行配料，将锡块、银粉以及铜粉加入熔炉机中，加热熔融均匀，所得熔体浇铸后得到直径为80mm的锡银铜合金棒材；
(3)将上述锡银铜合金棒材安装到挤压机中，再将上述混合物倒入挤压机松香桶中，对上述锡银铜合金棒材进行挤压同时，通过挤压机的松香桶将所述混合物压入锡银铜合金中，挤压过程中，松香桶的温度为150℃，压力为9MPa，挤压成丝状后排出，得到直径为10mm的挤压线胚，该挤压线胚中所述混合物含量为5wt％；将所得挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到直径为0.5mm的所述含镍球的焊锡丝。
实施例3
本实施例提出一种含镍球的焊锡丝，其是通过下述方法制备得到：
(1)按重量百分比将氢化松香98wt％加入不锈钢容器中，加热至150℃后搅拌至熔化完全，再加入癸二酸0.5wt％和己二酸1wt％，继续搅拌至熔化完全，接着加入聚乙二醇2000.5wt％，保温搅拌均匀后，得到助焊剂；将镍球(镍粉，300目)加入到所得助焊剂中，镍球、助焊剂的质量比为1:4，控制在130℃下保温搅拌均匀，得到混合物；
(2)按照SnAg0.3Cu0.7进行配料，将锡块、银粉以及铜粉加入熔炉机中，加热熔融均匀，所得熔体浇铸后得到直径为80mm的锡银铜合金棒材；
(3)将上述锡银铜合金棒材安装到挤压机中，再将上述混合物倒入挤压机松香桶中，对上述锡银铜合金棒材进行挤压同时，通过挤压机的松香桶将所述混合物压入锡银铜合金中，挤压过程中，松香桶的温度为140℃，压力为6MPa，挤压成丝状后排出，得到直径为10mm的挤压线胚，该挤压线胚中所述混合物含量为6wt％；将所得挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到直径为0.5mm的所述含镍球的焊锡丝。
实施例4
本实施例提出一种含镍球的焊锡丝，其是通过下述方法制备得到：
(1)按重量百分比将氢化松香95wt％加入不锈钢容器中，加热至150℃后搅拌至熔化完全，再加入丁二酸1wt％和己二酸2wt％，继续搅拌至熔化完全，接着加入聚乙二醇2002wt％，保温搅拌均匀后，得到助焊剂；将镍球(镍球表面包覆锡层)加入到所得助焊剂中，镍球、助焊剂的质量比为1:3，控制在130℃下保温搅拌均匀，得到混合物；
(2)按照SnCu0.7进行配料，将锡块、铜粉加入熔炉机中，加热熔融均匀，所得熔体浇铸后得到直径为80mm的锡铜合金棒材；
(3)将上述锡铜合金棒材安装到挤压机中，再将上述混合物倒入挤压机松香桶中，对上述锡铜合金棒材进行挤压同时，通过挤压机的松香桶将所述混合物压入锡铜合金中，挤压过程中，松香桶的温度为145℃，压力为8MPa，挤压成丝状后排出，得到直径为10mm的挤压线胚，该挤压线胚中所述混合物含量为5wt％；将所得挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到直径为0.5mm的所述含镍球的焊锡丝；
该实施例中，所述镍球表面包覆锡层是通过下述方法制备得到：将镍粉(300目)用稀硫酸(5wt％)中酸洗后，再用去离子水清洗干净，之后加入去离子水中，并加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散均匀后，得到镍粉分散液；将氯化亚锡加入去离子水中，并用盐酸调节pH为0.2，得到锡离子溶液；将氯化亚铬(新制)加入去离子水中，并用盐酸调节pH为1，得到还原剂溶液；先将所述镍粉分散液加入所述锡离子溶液中搅拌混合均匀，再加入还原剂溶液，搅拌反应完全后，将所得溶液静置，过滤，水洗，干燥，即得到锡含量为8wt％的镍球表面包覆锡层的粉末。
对比例1
本对比例提出一种焊锡丝，其是通过下述方法制备得到：
(1)按重量百分比将氢化松香95wt％加入不锈钢容器中，加热至150℃后搅拌至熔化完全，再加入丁二酸1wt％和己二酸2wt％，继续搅拌至熔化完全，接着加入聚乙二醇2002wt％，保温搅拌均匀后，得到助焊剂；
(2)按照SnCu0.7Ni1.25进行配料，将锡块、铜粉置于熔炉机中，加热熔融均匀，制得锡铜合金，再向所述锡铜合金中加入镍粉，加热熔融均匀后，所得熔体浇铸后得到直径为80mm的锡铜镍合金棒材；
(3)将上述锡铜镍合金棒材安装到挤压机中，再将上述助焊剂倒入挤压机松香桶中，对上述锡铜镍合金棒材进行挤压同时，通过挤压机的松香桶将所述助焊剂压入锡铜镍合金中，挤压过程中，松香桶的温度为145℃，压力为8MPa，挤压成丝状后排出，得到直径为10mm的挤压线胚，该挤压线胚中所述助焊剂含量为3.75wt％；将所得挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到直径为0.5mm的焊锡丝。
对比例2
本对比例提出一种焊锡丝，其是通过下述方法制备得到：
(1)按重量百分比将氢化松香95wt％加入不锈钢容器中，加热至150℃后搅拌至熔化完全，再加入丁二酸1wt％和己二酸2wt％，继续搅拌至熔化完全，接着加入聚乙二醇2002wt％，保温搅拌均匀后，得到助焊剂；
(2)按照SnCu0.7 Ni0.15进行配料，将锡块、铜粉置于熔炉机中，加热熔融均匀，制得锡铜合金，再向所述锡铜合金中加入镍粉，加热熔融均匀后，所得熔体浇铸后得到直径为80mm的锡铜镍合金棒材；
(3)将上述锡铜镍合金棒材安装到挤压机中，再将上述助焊剂倒入挤压机松香桶中，对上述锡铜镍合金棒材进行挤压同时，通过挤压机的松香桶将所述助焊剂压入锡铜镍合金中，挤压过程中，松香桶的温度为145℃，压力为8MPa，挤压成丝状后排出，得到直径为10mm的挤压线胚，该挤压线胚中所述助焊剂含量为3.75wt％；将所得挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到直径为0.5mm的焊锡丝。
对实施例和对比例所得焊锡丝的机械性能和焊接性能进行测试，结果如下表1所示：
按照国家标准GB/11364-1989，对实施例和对比例所得焊锡丝进行扩展率测试；
按照JIS-Z3197标准，采用自动焊锡机及拉力试验机对实施例和对比例所得焊锡丝在400℃下焊接100个点的焊接性能以及力学性能和绝缘电阻进行测定；
按照JESD22-A104C标准，对实施例和对比例所得焊锡丝形成焊点的牢固度进行测试，温度变化范围：-55-125℃，时间10min，1循环/h，测试5000个循环；
Figure BDA0003704963760000091
从以上实施例和对比例的测试结果可以得出，与对比例相比，实施例中焊点的抗拉强度和延伸率均得到了较大提升，焊点强度高韧性好，并且无空焊，连锡个数少、焊点牢固不脱落，焊点可靠性和稳定性都较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含镍球的焊锡丝，其特征在于，所述焊锡丝是由锡合金、镍球和助焊剂构成。
2.根据权利要求1所述的含镍球的焊锡丝，其特征在于，所述锡合金为锡银合金、锡铜合金或锡银铜合金中的至少一种；
优选地，所述锡银合金包括：锡96.0-99.9wt％、银0.1-4.0wt％；所述锡铜合金包括：锡98.0-99.7wt％、铜0.3-2.0wt％；所述锡银铜合金包括：锡94.0-99.6wt％、银0.1-4.0wt％、铜0.3-2.0wt％。
3.根据权利要求1或2所述的含镍球的焊锡丝，其特征在于，所述镍球的粒径为20-50μm；
优选地，所述焊锡丝中镍球的含量为0.5-2wt％。
4.根据权利要求3所述的含镍球的焊锡丝，其特征在于，所述镍球表面包覆锡层；
优选地，所述镍球中锡的含量为5-10wt％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的含镍球的焊锡丝，其特征在于，所述助焊剂包括：松香94-98wt％、活性剂1-3wt％以及表面活性剂0.5-3wt％；
优选地，所述活性剂为丁二酸、己二酸、癸二酸、月桂酸或三乙醇胺中的至少一种；所述表面活性为季戊四醇油酸脂或聚乙二醇200中的至少一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的含镍球的焊锡丝，其特征在于，所述焊锡丝中助焊剂的含量为2-5wt％。
7.一种权利要求1-6任一项所述的含镍球的焊锡丝的制备方法，其特征在于，包括：将镍球与助焊剂的混合物压入锡合金中，再挤压，拉拔成丝后，即得到所述含镍球的焊锡丝。
8.根据权利要求7所述的含镍球的焊锡丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括：将镍球与助焊剂加热搅拌分散均匀后，得到混合物；将锡合金所需金属单质熔炼均匀后浇铸，得到锡合金棒材；将锡合金棒材在挤压机中进行挤压，并且通过挤压机的松香桶将混合物压入锡合金中，得到挤压线胚；将挤压线胚在拉丝机中拉拔成丝，即得到所述含镍球的焊锡丝。
9.根据权利要求8所述的含镍球的焊锡丝的制备方法，其特征在于，所述挤压机的松香桶温度为140-150℃，压力为6.0-12.0MPa。
10.根据权利要求7-9任一项所述的含镍球的焊锡丝的制备方法，其特征在于，所述含镍球的焊锡丝的直径为0.5-2mm。
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