CN101214586B - 锡-锌基无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子器件焊接及表面封装材料领域，公开了一种锡-锌基无铅焊料，其配方为，重量百分比：Zn 2～10％；Nd和Al共0.002～0.2％，且Nd和Al的量都大于0；杂质≤0.05％；Sn余量。制备所述的锡-锌基无铅焊料，步骤为：A：按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度分别为750℃±20℃和650℃±20℃；B：采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至400℃±20℃熔化，保温30min±10min后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温10min±2min后浇注制成成品无铅焊料。中间也可以使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖防止氧化。本发明制备的锡-锌基无铅焊料具有优良的抗氧化性和润湿性。

Description

锡-锌基无铅焊料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子器件焊接及表面封装材料领域，特别涉及一种无铅焊料。

背景技术

传统电子封装领域所采用的焊料是以锡铅合金为主，这是因为它具有低熔点、低成本、工艺性和可靠性优良等众多其它焊料无法比拟的优点。但是，材料与环境的协调问题日益受到关注，锡铅焊料里铅的毒性已不容忽视。因此，无铅化电子组装得到了广泛的重视。欧盟的WEEE及ROHS指令的颁布推动了世界各国纷纷提出禁铅条令。顺应全球无铅化的趋势，我国也制订了法规开始推进电子产品无铅化生产。

已有的无铅焊料研究主要集中在Sn-Ag、Sn-Zn及Sn-Cu等合金系。其中，Sn-Zn系合金经过多年的发展，在保持已有的熔点等优势的同时，形成的新型合金在润湿性等方面得到了一定程度的改善和提高，因此被认为有潜力取代Sn-Pb焊料的无铅焊料合金系之一。然而，Zn极易氧化，在波峰焊工艺中，Sn-Zn焊料还不能完全满足长时间加热条件下抗氧化的要求，这限制了Sn-Zn的实际应用。虽然氮气保护可以在一定程度上降低氧化渣的产生量，但是它同时也带来飞溅和成本增加等系列问题。因此，解决焊料抗氧化性差这个问题的最佳办法是提高焊料本身的性能。

发明内容

为了解决现有的锡-锌基无铅焊料的抗氧化性差，润湿性差的缺点，本发明提出了一种具有优异的抗氧化性和润湿性的锡-锌基无铅焊料，其配方为，重量百分比：

Zn    2～10％；

Nd和Al共    0.002～0.2％，且Nd和Al的量都大于0；

杂质    ≤0.05％；

Sn      余量。

上述的锡-锌基无铅焊料更优选的配方为，重量百分比：

Zn    6～9％；

Nd    0.001～0.05％；

Al    0.05～0.1％；

杂质  ≤0.05％；

其余为Sn。

所述的锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    6～9％；

Nd    0.05～0.1％；

Al    0.001～0.05％；

杂质  ≤0.05％；

其余为Sn。

制备所述的锡-锌基无铅焊料，步骤为：A：按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度分别为750℃±20℃和650℃±20℃；

B：采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至400℃±20℃熔化，保温30min±10min后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温10min±2min后浇注制成成品无铅焊料。

中间也可以使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖防止氧化。

本发明的焊料可以制成丝、棒、锭、粉、片或球等各种形式，尤其适用于波峰焊中。

为了描述优选的无铅焊料的组成，除另有说明外，与百分比相关的所有数值都是重量百分比(wt％)。

当涉及到任何数值范围时，则包括所述范围内最大和最小值之间的各个数和全部数和/或部分。比如，2～10％的锌的范圈将明确地包括2％、3.8％、6.9％和9％直至10％的全部或部分中间值。这同样也适用于下文中的其它元素范围。

当术语“基本上没有”用于本文时，这指的是不含显著量的那种有意加于该焊料成份中的元素，被理解到的是，可以找到痕量的难以避免的元素和/或杂质进入所预期的最终产品中的途径。比如，由于不可避免的添加物的污染或通过与某些处理和/或盛放设备的接触，本发明的全部实施方案都是无铅的。

本发明的有益效果为：

1.成分简单，原料易得，成本低。不含有Ag、In等贵重金属元素，在达到甚至超过其它锡-锌基焊料性能的同时降低了合金的成本。

2.通过钕(Nd)、铝(Al)的复合添加提高了焊料的抗氧化性和润湿性，改变了单独添加Al时合金性能的不足，使得该焊料可以采用中活性助焊剂在无氮气保护的条件下进行焊接。钕和铝的添加缺一不可，这是因为两种元素同时加入可相互促进。在焊料中单独加入铝可提高焊料的抗氧化性，但对润湿性的作用有限。在Sn-Zn二元合金中单独加入钕对抗氧化性及润湿性无明显作用。但同时加入这两种元素后，对两项性能的改善作用极为明显。值得注意的是，钕和铝的复合加入需要注意适当的配比。例如，锌的加入量在6～9％，当铝含量偏低时，如低于0.05％，钕的加入量就需适当提高，比如可以在0.05～0.1％之间，这样焊料的抗氧化性和润湿性达到最好匹配；为应用于波峰焊，对焊料的抗氧化性要求更高，铝的加入量应增加至0.05～0.1％，钕的加入量需低于0.05％。

3.钕及铝的加入同时对焊料的熔点及熔程、延展性等性能具有良好的作用。首先，钕及铝的的加入量都很低，不高于0.1％，加入后不会导致合金的熔点升高和熔程扩大；此外，钕具有净化晶粒的作用，有利于提高合金的延展性，使合金更容易变形加工。铝与铋等导致合金脆化的元素不同，这种元素的加入更有利于合金保持良好的延展性。

附图说明

图1Nd、Al复合加入对Sn-Zn合金润湿性的影响的曲线图。

图2Sn-Zn-Nd-Al与Sn-37Pb抗氧化性比较的曲线图。

具体实施方式

以下的实施例被用来进一步说明本发明的目的和优点。并没有打算将其以任何方式限制范围。

实施例1

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    2～10％；

Nd和Al共  0.002～0.2％，且Nd和Al的量都大于0；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

其中Zn的含量可以为2％、2.5％、3％、6.2％、7.4％、8.97％、10％；Al和Nd的含量可以分别为0.001％、0.003％、0.012％、0.023％、0.034％、0.05％、0.08％、0.1％；杂质的含量小于等于0.05％，余量为锡。

实施例2

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    6～9％；

Nd    0.001～0.05％；

Al    0.05～0.1％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

其中Zn的含量可以为6.1％、6.4％、6.8％、7.2％、7.6％、8.0％、8.3％、8.5％、8.9％；Al可以为0.05％、0.058％、0.065％、0.092％；Nd含量可以为0.0012％、0.035％、0.05％；余量为锡。

实施例3

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    6～9％；

Nd    0.05～0.1％；

Al    0.001～0.05％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

其中Zn的含量可以为6.1％、6.4％、6.8％、7.2％、7.6％、8.0％、8.3％、8.5％、8.9％；Al分别为0.0015％、0.035％、0.5％；Nd含量分别为0.05％、0.06％、0.095％、0.1％；余量为锡。

实施例4

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    2％；

Nd    0.001％；

Al    0.1％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

实施例5

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    6％；

Nd    0.0018％；

Al    0.91％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

实施例6

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    7.2％；

Nd    0.05％；

Al    0.51％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

实施例7

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    9％；

Nd    0.1％；

Al    0.001％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

实施例8

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn    6.8％；

Nd    0.0078％；

Al    0.061％；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

实施例9

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn     6.8％；

Nd     0.0078％；

Al     0.0061％；

杂质   ≤0.05％；

Sn     余量。

实施例10

一种锡-锌基无铅焊料，配方为，重量百分比：

Zn     6.5％；

Nd     0.068％；

Al     0.071％；

杂质   ≤0.05％；

Sn     余量。

实施例11

由图1可以清楚的看出当复合加入Nd和Al后，焊料的润湿力显著增大，润湿时间大大缩短，表明焊料的润湿性明显提高。

图2表明在相同加热温度和时间条件下，焊料增重量越少即图中曲线越低，说明表面形成的氧化物越少，焊料的抗氧化性越好。图中Sn-Zn焊料的氧化增重量最高，表明其抗氧化性最差。而加入Nd和Al后，形成的四元合金氧化增重量下降，甚至低于Sn-37Pb，表明其抗氧化性超越了传统的Sn-37Pb焊料，抗氧化性得到极大改善。

实施例12

按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度为分别为750℃±20℃和650℃±20℃。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至400℃±20℃熔化，保温30min±10min后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温10min±2min后浇注。若需进一步防止氧化，只需使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸锭可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助焊剂混合后形成焊膏。

其中，制备锡钕中间合金的温度可以是730℃、750℃、765℃、770℃，制备锡铝中间合金的温度可以是630℃、650℃、670℃，锡、锌加热的温度可以是380℃、400℃、420℃，保温时间可以是20min、30min、40min，锡钕中间合金、锡铝中间合金加入后保温时间可以是8min、10min、12min。

实施例13

按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度为分别为750℃和630℃。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至380℃熔化，保温20min后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温8min后浇注。若需进一步防止氧化，只需使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸锭可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助焊剂混合后形成焊膏。

实施例14

按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度为分别为730℃和650℃。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至400℃熔化，保温30min后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温10min后浇注。若需进一步防止氧化，只需使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸锭可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助焊剂混合后形成焊膏。

实施例15

按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度为分别为770℃和670℃。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至420℃熔化，保温40min后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温12min后浇注。若需进一步防止氧化，只需使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸锭可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助焊剂混合后形成焊膏。

Claims (3)

1.一种制备锡-锌基无铅焊料的方法，其特征在于步骤为：

A：按质量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分别将锡和钕、还有锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡钕中间合金和锡铝中间合金，熔炼温度分别为750℃±20℃和650℃±20℃；

B：采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至熔化，保温至充分熔合后将锡钕中间合金、锡铝中间合金加入并搅拌，保温后浇注制得成品；

其中，该锡-锌基无铅焊料的配方，按重量百分比为：

Zn    2～10％；

Nd和Al共0.002～0.2％，且Nd和Al的量都大于0；

杂质  ≤0.05％；

Sn    余量。

2.如权利要求1所述的制备锡-锌基无铅焊料的方法，其特征在于所述锡-锌基无铅焊料的配方，按重量百分比为：

Zn    6～9％；

Nd    0.001～0.05％；

Al    0.05～0.1％；

杂质  ≤0.05％；

其余为Sn。

3.如权利要求1所述的制备锡-锌基无铅焊料的方法，其特征在于所述锡-锌基无铅焊料的配方，按重量百分比为：

Zn    6～9％；

Nd    0.05～0.1％；

Al    0.001～0.05％；

杂质  ≤0.05％；

其余为Sn。

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