CN1239290C - 波峰焊用无铅软钎焊料合金 - Google Patents
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Abstract
波峰焊用无铅软钎焊料合金，它涉及一种无铅软钎焊料，特别是一种波峰焊用无铅软钎焊料。它包含以下重量百分比的成分：Cu 0.1～2.0%、P 0.001～1%、Sn余量。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1%的Ni。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1%的La和Ce混合稀土Re。它解决了现有的Sn-Cu系无铅钎焊料在使用时焊料锅表面金属氧化物产生量过高、焊点桥联发生的可能性高的问题。本发明的焊料合金可以通过传统工艺加工形成焊锡条、焊锡棒、焊锡丝、焊锡球及焊膏等的形式，从而能够满足PCB组装、SMT微电子表面封装及表面贴装等所需要的焊料合金。
Description
技术领域：本发明涉及一种无铅软钎焊料，特别是一种波峰焊用无铅软钎焊料。
背景技术：目前，用于电子工业中电子封装与组装的典型焊料是Sn-Pb合金。虽然Sn-Pb合金具有优异的润湿性及焊接性、导电性、力学性能、成本较低等特点，但是Pb及含Pb物为危害人类健康和污染环境的有毒有害物质。随着环境保护法规的日趋完善和严格，禁止使用铅的呼声日趋高涨，日本、欧盟及美国都相继制订了自己的焊料无铅化进程，其中日本企业在其产品中已开始使用无铅软钎焊料。2003年2月，欧洲议会和欧盟委员会正式批准WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)和RoHS(Restriction ofHazardous Subsfances)的官方指令生效，强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品。因此，在电子工业中需要一种无铅的焊料合金来代替传统的Sn-Pb焊料合金。在当前的波峰焊用无铅软钎焊料中，Sn0.7Cu共晶合金由于价格便宜、原材料供应充足、焊料合金元素易回收、良好的机械性能及可加工性以及较传统SnPb焊料焊点可靠性高等一系列优点而能作为主要的无铅软钎焊料(焊料的227℃较高熔点在波峰焊时对设备和元器件影响则相对较小)。然而，对于Sn-Cu系钎料来说，在焊料熔炼过程中易产生组织偏析现象。另外Sn0.7Cu无铅软钎焊料在进行波峰焊时存在比较突出的问题包括两点，一点是焊点的桥联，另一点是印刷电路基片中的Cu向熔融焊料内的溶解，这不仅改变了熔融焊料的成分，并且与Sn形成的Cu6Sn5金属间化合物相由于Cu6Sn5相密度较Sn0.7Cu低，会沉淀于熔融焊料锅底部使得去除异常困难，这就缩短了焊料的使用寿命。因此日本Nihon在美国专利6,180,055中在以SnCu共晶成分的基础上提出由Sn-(0.3～0.7)Cu-(0.04～0.1)Ni组成的无铅软钎焊料合金，元素Ni可抑制Cu向熔融焊料中的溶解，降低Cu向熔融钎料中的溶解速度以及桥联发生的可能性。另一方面，由于Sn-Cu系无铅软钎焊料合金中Sn的含量高达99wt％以上，在使用过程中与传统Sn-37Pb焊料相比会大大增加金属氧化物的产生量。
发明内容：为解决现有的Sn-Cu系无铅钎焊料在使用时焊料锅表面金属氧化物产生量过高、焊点桥联发生的可能性高的问题，本发明提供一种波峰焊用无铅软钎焊料合金。本发明的波峰焊用无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Sn余量。在该钎焊料合金中还有不可避免的杂质。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的Ni。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土Re。本发明所涉及的无铅软钎焊料合金，在作为焊料基本组合物的锡和铅中不使用剧毒性的铅，具有比现有的焊料更加优良的软钎焊性。下面详细说明本发明中各添加元素的作用及其最佳含量。添加Cu在0.7％重量、227℃时可与Sn形成二元共晶以降低焊料的熔点。如前所述，与传统SnPb焊料相比，Sn-Cu共晶有着一系列优点，包括焊料的密度(7.4g/mm3)较SnPb(8.4g/mm3)低、高热导率、低电阻率、机械性能及焊点可靠性等。铜含量的优选是0.5～1.0％，更优选的是0.3～0.7％。由于本发明以Cu元素代之不含铅而含有大量的锡(达99％以上)，在实际使用时会因此增加焊料锅熔融焊料表面金属氧化物的产生量。因此，添加有0.001～1％的元素P可以有效地阻止焊料合金的氧化，因为元素P的集肤效应，在焊料锅内熔融焊料合金的上表面形成一层极薄膜，通过在焊料表面发生的氧化反应： ； ；可以阻碍焊料合金直接与周围空气的相互接触。另一方面，焊料中元素Cu的存在也促进了P的集肤效应，从而防止焊料表面进一步的氧化。如果元素P的加入量少于0.001％，这种防氧化作用就不明显，添加1％以上的元素P会劣化焊料合金的软钎焊性。添加P时，在合金中P含量优选的是0.005～0.5％，更优选的是0.005～0.1％。本发明中在SnCu软钎焊料添加元素P的基础上可以进一步添加微量元素Ni，Ni主要起着两方面的作用。一方面可以抑制印刷电路Cu基片和元器件引脚中的Cu向钎料中的溶解，减少了熔融焊料中Cu6Sn5的生成量，延长了焊料的使用寿命；另一方面由于Ni向Cu6Sn5化合物相中的溶解，可以改变金属间化合物形态，即由针状转变为球状，而球状化合物相对熔融钎料的流动影响要小得多，从而减少桥联的形成。如果Ni含量小于0.001％，其作用就不明显，添加1％以上Ni会使焊料性能变差，熔点升高。添加Ni时，在合金中Ni含量的优选的是0.01～0.5％。本发明中还添加适量的稀土元素Re以改善钎料的组织，由于Re元素可以促进钎料在凝固过程中的形核，对钎料的组织起着变质均匀化的作用，从而改善钎料合金的力学性能。Re的加入还可以显著提高钎料抗蠕变疲劳性能。如果Re含量小于0.001％，其作用就不明显，添加1％以上Re会使钎料性能变差，熔点升高。添加Re时，在合金中Re含量的优选的是0.05～0.5％。根据以上各成分的作用，本发明的焊料不含有Pb，与现有的Sn-Cu焊料合金相比，无论在焊料的凝固组织、力学性能还是焊料的抗蠕变疲劳特性方面都显示了优越的特性。具有上述组成的本发明的无铅软钎焊料可通过传统方法冶炼，即Sn、Cu以金属原料供应，而Ni、P和Re则要求通过以中间合金的形式加入，在坩埚中加热并搅动，浇铸即可得到焊料合金。本发明的焊料合金可以通过传统工艺加工形成焊锡条、焊锡棒、焊锡丝、焊锡球及焊膏等的形式，从而能够满足PCB组装、SMT微电子表面封装及表面贴装等所需要的焊料合金。本发明的目的在于提供一种无铅软钎焊料合金，在SnCu系无铅软钎焊料的基础上，加入元素P，P元素在熔融的焊料锅内所呈现的集肤效应，可以减少焊料锅表面金属氧化物的产生量，降低PCB电路板焊接时的不良率；在添加P的基础上进一步添加元素Ni和La、Ce混合稀土Re，Ni可以降低焊点桥联发生的可能性，并抑制Cu向钎料中的溶解，加入Re可以使合金凝固组织中的粗大富Sn相得到抑制，即通过对钎料凝固结晶过程的变质作用，实现凝固组织的均匀化，从而提高钎料合金的力学性能及抗蠕变疲劳特性。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的波峰焊用无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Sn余量。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，上述无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Ni 0.001～1％、Sn余量。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，上述无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Ni 0.001～1％、La和Ce混合稀土Re 0.001～1％、Sn余量。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，铜含量为0.5～1.0％。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，P含量是0.005～0.5％。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二不同的是，Ni含量是0.01～0.5％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三不同的是，Re含量是0.05～0.5％。
具体实施方式八：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.7％、P 0.01～1％、Sn余量。
具体实施方式九：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.7％、P 0.05％、Sn余量。
具体实施方式十：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.7％、P 0.01％、Ni 0.05％、Sn余量。
具体实施方式十一：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.7％、P 0.01％、Re 0.05％、Sn余量。
对上述实施方式的无铅软钎焊料合金与传统的无铅软钎焊料合金(其成分为Cu0.7％、Sn余量)进行了抗氧化性能试验，即将焊料在280℃温度下保温50小时观察焊料的烧损率，具体的试验结果见表1。从中可以看出在传统SnCu(比较例)中添加元素P(实施例8和实施例9)可以明显增强焊料的抗氧化性能，尤其是在P含量在0.01％条件下；相反当P含量较高时焊料的抗氧化能力降低，但仍要高于不添加元素P的传统例。
表1本发明实施例与传统SnCu无铅软钎焊料抗氧化性能比较
| 合金成分(重量％) | 原重量(g) | 剩余重量(g) | 烧损率(％) | 保温时间(h) | 保温温度(℃) | |||||
| Sn | Cu | P | Ni | Re | ||||||
| 实施方式8 | 99.29 | 0.7 | 0.01 | 50 | 49.53 | 0.928 | 50 | 280 | ||
| 实施方式9 | 99.25 | 0.7 | 0.05 | 50 | 49.18 | 1.627 | 50 | 280 | ||
| 实施方式10 | 99.24 | 0.7 | 0.01 | 0.05 | 50 | 49.30 | 1.396 | 50 | 280 | |
| 实施方式11 | 99.24 | 0.7 | 0.01 | 0.05 | 50 | 49.24 | 1.520 | 50 | 280 | |
| 传统方式 | 99.3 | 0.7 | 50 | 47.02 | 5.952 | 50 | 280 | |||
Claims (10)
1、波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于它由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Sn余量。
2、根据权利要求1所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于铜含量为0.5～1.0％。
3、根据权利要求1所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于P含量是0.005～0.5％。
4、波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于它由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Ni 0.001～1％、Sn余量。
5、根据权利要求4所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于Ni含量是0.01～0.5％。
6、波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于它由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、Ni 0.001～1％、La和Ce混合稀土Re 0.001～1％、Sn余量。
7、根据权利要求6所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于Ni含量是0.01～0.5％。
8、根据权利要求6所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于Re含量是0.05～0.5％。
9、波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于它由以下重量百分比的成分组成：Cu 0.1～2.0％、P 0.001～1％、La和Ce混合稀土Re 0.001～1％、Sn余量。
10、根据权利要求9所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于Re含量是0.05～0.5％。
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