CN101224524A

CN101224524A - 无铅钎料

Info

Publication number: CN101224524A
Application number: CNA2007100667551A
Authority: CN
Inventors: 王大勇; 顾小龙
Original assignee: Zhejiang Asia General Soldering & Brazing Material Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Brazing Material and Technology Key Lab
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-23

Abstract

本发明无铅钎料对熔丝管具有优良的封装性能，可显著降低封装过程中熔融焊锡的溢出程度，提高封装产品的尺寸稳定性。以其重量为基准，其一含：Cu0.5％－2.5％，Bi0.1％－2.5％，Ni0.002％－0.5％，余量为Sn；其二含：Cu0.5％－2.5％，Bi0.1％－2.5％，Ni0.002％－0.5％，RE0.002％－0.2％，余量为Sn；其三含：Cu0.5％－1.9％，Bi0.1％－2.5％，Ni0.002％－0.5％，Sb0.05％－1.2％，余量为Sn；其四含：Cu0.5％－1.9％，Bi0.1％－2.5％，Ni0.002％－0.5％，Sb0.05％－1.2％，RE0.002％－0.2％，余量为Sn。本发明适用于电子行业无铅化封装。

Description

无铅钎料

本发明涉及软钎料合金，特别是无铅钎料，主要用于电子行业的无铅化组装和封装。

背景技术

熔丝管是用来作为过载和短路保护用的电器，保护设备和电器的安全使用，广泛应用于电气安装、供电行业、设备制造和工业控制系统等领域。传统熔丝管封装用软钎料合金为锡铅软钎料合金，然而近几年来，人们越来越关注铅对环境的污染和对身体健康的损害，世界各国相继出台一系列法令和法规来防治电子产品所带来的生态问题，限制铅在电子产品中的使用。在无铅化绿色制造这一大趋势下，熔丝管也已开始了无铅化封装。

目前已开发出的无铅钎料主要有Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Zn和Sn-Ag-Cu等，并通过添加Ag、Cu、P、Ni、In、Bi等元素获得性能不同的系列产品。如千住金属工业株式会社的JS3027441专利和艾奥瓦州立大学的US5527628专利，分别公开了各自的Sn-Ag-Cu系列无铅钎料；松下电器产业株式会社的CN1087994C专利和北京工业大学的CN1586793A专利申请公开了各自开发的锡锌系列无铅钎料；千住金属工业株式会社的CN1496780A专利申请公开了一种锡铜系列无铅钎料；韩国三星电机株式会社的CN1040302C、CN1040303C专利和CN1139607A专利申请公开了锡铋系列无铅钎料等。

无铅钎料的种类较多，但目前适用、并应用于熔丝管封装的无铅钎料是Sn-0.7Cu。虽然在现有无铅软钎料中，Sn-0.7Cu对熔丝管封装工艺的适用性相对较高，成本也较低，但其对熔丝管上镀镍铜帽的焊接性仍然较差；用Sn-0.7Cu软钎料封装过程中锡溢出现象非常严重，焊后需要割锡工艺将溢出的锡珠割掉，不仅增加了工艺复杂性和生产成本，又降低了生产效率、破坏了产品外观；用Sn-0.7Cu钎料封装时熔丝管的尺寸稳定性也较差，尺寸偏差率较大。上述这些原因导致熔丝管封装产品的成品率较低。

发明内容

本发明要解决已知技术中熔丝管无铅封装时焊接性差、溢锡率高，封装后的尺寸偏差率大等问题，为此提供本发明的无铅钎料，这种钎料对熔丝管封装时的焊接能力强，并可大大降低封装过程中的溢锡率和尺寸偏差率，提高产品的成品率。

为解决上述问题，本发明分为以下数种钎料。

其一特殊之处是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-2.5％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

余量为Sn。

其二特殊之处是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-2.5％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

RE 0.002％-0.2％；

余量为Sn。

其三特殊之处是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-1.9％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

Sb 0.05％-1.2％；

余量为Sn。

其四特殊之处是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-1.9％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

Sb 0.05％-1.2％；

RE 0.002％-0.2％；

余量为Sn。

本发明无铅钎料组成成份及其重量百分含量根据以下理由确定：

添加元素Cu可提高钎料的力学性能并加大熔化温度区间。然而Cu含量少于0.5％时，其作用不明显；而Cu含量超过2.5％时，钎料的润湿铺展性较差，塑性也校差，难以进行拔丝等机械加工。本发明无铅钎料Cu含量选择在0.5％-2.5％范围内。

添加元素Bi可降低钎料的熔化温度，提高润湿铺展能力。Bi含量少于0.1％时，其作用不明显。然而Bi含量超过2.5％时，钎料塑性较差，难以进行拔丝等机械加工。本发明无铅钎料Bi含量选择在0.1％-2.5％范围内。

添加RE元素能细化钎料合金的晶相组织，提高软钎料的力学性能。RE含量少于0.002％时，其作用不明显；然而RE含量超过0.2％时，RE易偏聚于晶界，导致钎料力学性能较差。本发明无铅钎料RE含量选择在0.002％-0.2％范围内。

Ni与Cu可无限固溶，添加Ni元素既能细化软钎料合金组织，又能提高钎料的塑性，进而提高钎料的机械加工性能。Ni含量少于0.002％时，其作用不明显；Ni含量大于0.5％时，会弱化软钎料的润湿性。本发明无铅钎料Ni含量选择在0.002％-0.5％范围内。

添加元素Sb可提高钎料的润湿性，并可进一步提高钎料的强度。Sb含量少于0.05％时，这些作用不明显；然而Sb含量超过1.2％时钎料合金变硬，塑性较差，难以进行拔丝等机械加工。本发明无铅钎料Sb含量选择在0.05％-1.2％范围内。

本发明无铅钎料，经对以下本发明实施例钎料的测试与计算表明，其对熔丝管无铅封装可焊性好，封装过程中熔丝管溢锡率和尺寸偏差率低，产品成品率高。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明的无铅钎料。

实施例1

将40.0Kg的Sn和10.0Kg的Cu放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度800℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含20％Cu的Sn-Cu中间合金。将45.0Kg的Sn和5.0Kg的Sb放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度400℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含10％Sb的Sn-Sb中间合金。将30.0Kg的Sn和20.0Kg的Bi放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度400℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含40％Bi的Sn-Bi中间合金。将48.0Kg的Sn和2.0Kg的RE放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1000℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含4％RE的Sn-RE中间合金。将48.0Kg的Sn和2Kg的Ni放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为800℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含4％Ni的Sn-Ni中间合金。

取上述Sn-Cu中间合金0.150Kg，Sn-Bi中间合金0.300Kg，Sn-Ni中间合金0.125Kg和纯锡4.425Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为550℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅钎料条。

实施例2

取实施例1中Sn-Cu中间合金0.375Kg，Sn-Bi中间合金0.088Kg，Sn-Ni中间合金0.063Kg，Sn-RE中间合金0.225Kg和纯锡4.249Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为550℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅钎料条。

实施例3

取实施例1中Sn-Cu中间合金0.300Kg，Sn-Bi中间合金0.100Kg，Sn-Ni中间合金0.525Kg，Sn-RE中间合金0.006Kg，Sn-Sb中间合金0.325Kg和纯锡3.744Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为550℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅钎料条。

实施例4

取实施例1中Sn-Cu中间合金0.450Kg，Sn-Bi中间合金0.025Kg，Sn-Ni中间合金0.300Kg，Sn-Sb中间合金0.035Kg和纯锡4.190Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为550℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅钎料条。

实施例5

取实施例1中Sn-Cu中间合金0.600Kg，Sn-Bi中间合金0.163Kg，Sn-Ni中间合金0.063Kg，Sn-RE中间合金0.125Kg和纯锡4.049Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为550℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅钎料条。

实施例6

取实施例1中Sn-Cu中间合金0.150Kg，Sn-Bi中间合金0.025Kg，Sn-Ni中间合金0.013Kg，Sn-RE中间合金0.013Kg，Sn-Sb中间合金0.550Kg和纯锡4.249Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为550℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅钎料条。

选用目前熔丝管封装上使用较多的Sn-0.7Cu无铅钎料作为对比，实施例和对比例的成份见下表1所示。

表1 无铅钎料组分与含量

熔丝管封装的第一步是首先对镀镍铜帽进行上锡，无铅钎料对熔丝管上镀镍铜帽润湿性的优劣直接表现为铜帽上锡过程中缺陷率的多少，润湿性好则铜帽上锡过程中的缺陷率就少，润湿性差则上锡过程中钎料不易铺展铜帽底部而易形成铺展不完全缺陷，因而在镀镍铜帽上锡过程中产生缺陷率的多少能直接反应出所使用钎料润湿性的好坏，可将上锡缺陷率作为评价钎料润湿性优劣的指标，其含义为：

采用表1中的无铅钎料封装熔丝管(焊接温度为305℃)，封装过程中的上锡缺陷率测试结果见表2。由表2可见，本发明无铅钎料的上锡缺陷率均远低于对比例，即本发明钎料对熔丝管具有优良的焊接性能。

表2 软钎料合金封装性能测试结果

实施例与对比例	上锡缺陷率(％)	溢锡率(％)	尺寸偏差率(％)
实施例与对比例	上锡缺陷率(％)	溢锡率(％)	尺寸偏差率(％)	实施例1	1.91	0.92	2.40
实施例2	0.84	0.85	0.33	实施例1	1.91	0.92	2.40
实施例2	0.84	0.85	0.33	实施例3	0.25	1.01	0.38
实施例4	1.22	0.72	0.46	实施例3	0.25	1.01	0.38
实施例4	1.22	0.72	0.46	实施例5	2.51	0.37	0.29
实施例6	0	1.46	1.01	实施例5	2.51	0.37	0.29
实施例6	0	1.46	1.01	对比例	9.70	95.33	15.5

用溢锡率作为评价熔丝管封装过程中熔融焊锡溢出程度的指标，其含义为：

溢锡率越高，表明封装过程中熔融焊锡溢出的程度越大。目前使用的Sn-0.7Cu钎料在封装熔丝管时，其溢锡率高达95.33％，封装后需要专门的割锡工序将熔丝管上溢出的焊锡割掉，这不仅增加了生产工艺的复杂性，降低了生产效率，而且增加了生产成本。采用表1中本发明的无铅钎料封装熔丝管(焊接温度为305℃)，封装过程中的溢锡率在2％以下，均远远低于对比例，即本发明软钎料合金在降低溢锡率方面的优势非常明显。

熔丝管封装后的尺寸容许偏差为±0.2mm，即尺寸偏差的绝对值大于0.2mm的熔丝管均为尺寸不合格的产品。采用熔丝管尺寸偏差率作为熔丝管封装尺寸稳定性的评价指标，尺寸偏差率的含义为：

采用表1中无铅钎料封装熔丝管后的尺寸偏差率测试结果见表2所示。由表2可见，本发明钎料封装后的熔丝管尺寸偏差率均低于对比例，即本发明钎料有利于提高熔丝管封装过程中的尺寸稳定性。

本发明无铅钎料的显著优点是：对熔丝管具有优良的封装性能，可大幅提高焊接性，显著降低封装过程中的锡溢出程度和提高封装尺寸稳定性，有利于降低溢锡率和封装尺寸偏差率，尤其是在降低锡溢出方面优势非常明显，不仅有利于大幅提高熔丝管封装产品的成品率，而且有利于提高生产效率，降低生产成本。

Claims

1.一种无铅钎料，其特征是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-2.5％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

余量为Sn。

2.一种无铅钎料，其特征是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-2.5％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

RE 0.002％-0.2％；

余量为Sn。

3.一种无铅钎料，其特征是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-1.9％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

Sb 0.05％-1.2％；

余量为Sn。

4.一种无铅钎料，其特征是以该钎料总重量计它由以下重量百分数的组分组成：

Cu 0.5％-1.9％；

Bi 0.1％-2.5％；

Ni 0.002％-0.5％；

Sb 0.05％-1.2％；

RE 0.002％-0.2％；

余量为Sn。