CN101380699B

CN101380699B - 锡锌系无铅合金焊膏及其制备方法

Info

Publication number: CN101380699B
Application number: CN2008102318117A
Authority: CN
Inventors: 赵麦群; 卢加飞; 吕娟; 李涛
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: CN101380699A

Abstract

本发明公开的一种锡锌系无铅合金焊膏及其制备方法，按重量百分比，由85％～90％的焊锡合金粉末和10％～15％的助焊剂组成；其中的焊锡合金粉末；按重量百分比，由锌8％～10％、稀土元素0.005％～1.0％、铝0.001％～0.1％和锡组成，各组份总量100％；其中的助焊剂，按重量百分比，由改性松香15％～60％、活性剂3％～20％、成膏剂1％～10％、触变剂2％～10％、苯并三唑0.1％～3％、三氯异氰脲酸0.1％～8％和有机溶剂组成，各组份总量100％。分别制备焊锡合金粉末和助焊剂，然后混合均匀，制得锡锌系无铅焊膏。本发明无铅焊膏，润湿性良好，不易氧化，具有优良的焊接性能，适用于SMT工艺过程。

Description

锡锌系无铅合金焊膏及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及一种用于焊接电子元器件的焊接材料，具体涉及一种锡锌系无铅合金焊膏，本发明还涉及该合金焊膏的制备方法。

背景技术

随着微型电子元件及高密度精细间距集成电路芯片的出现，表面组装技术SMT迅速发展，在许多领域已经完全取代传统的电子组装技术，成为电子产品整机组装的主流技术，并向窄间距、高密度、高精度、多功能、免清洗和无铅化方向发展。

焊锡膏作为一种重要的焊接材料，广泛应用于表面组装工艺，具有固定电子元器件、去除表面氧化膜、形成可靠焊点等作用，其质量的优劣直接关系到表面组装组件的品质好坏。统计表明，60％～70％的焊接缺陷与焊锡膏的质量有关，为保证焊接质量，焊锡膏普遍使用Sn-Pb钎料。

铅对环境的污染和对人体的伤害已引起社会的广泛关注。为减少电子行业使用含铅材料造成的环境污染，对电子产品中的铅含量进行限制。因此，Sn-Cu钎料系列成为最可能替代Sn-Pb钎料的产品。无铅钎料的物理性能、钎焊工艺性能、焊接头的力学性能等方面应与Sn-Pb钎料接近，而且成本不能过高。目前，有的无铅钎料合金可以直接使用，或对现行焊接工艺进行微调就可替代含铅钎料。但也有一些很有前景的钎料合金，在使用时需对现行焊接工艺做较大调整。

Sn-Zn系焊料在目前所开发出的焊料合金系中，以其较低的熔点、低廉的成本、优异的机械性能和丰富的资源受到重视。由于其熔点与传统Sn-Pb系焊料接近，可直接使用现有焊接工艺和设备，具有很大的开发潜力和市场前景。但其存在易氧化、耐腐蚀性差、在基板上的润湿性相对较低、可焊性差等缺陷，在应用上受到限制。大量研究证明，通过添加合金元素，可以提高Sn-Zn系焊料的抗氧化性和耐腐蚀性，从而提高润湿性。

现有的Sn-Zn系焊锡膏在SMT工艺过程中容易氧化，存在不能形成焊点或焊点质量差的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种锡锌系无铅合金焊膏，将其应用于SMT工艺过程中，具有抗氧化和较高的焊接质量。

本发明的另一目的是提供一种上述合金焊膏的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种锡锌系无铅焊膏，按重量百分比，

由以下组份组成：

焊锡合金粉末 85％～90％

助焊剂 10％～15％

上述组份总量100％；

其中的焊锡合金粉末，按重量百分比，由8％～10％的锌、0.005％～1.0％的稀土元素、0.001％～0.1％的铝和余量Sn组成，上述组份总量100％，

其中的助焊剂，按重量百分比，由15％～60％的改性松香、3％～20％的活性剂、1％～10％的成膏剂、2％～10％的触变剂、0.1％～3％的苯并三唑、0.1％～8％的三氯异氰脲酸和余量的有机溶剂组成，上述组份总量100％。

本发明所采用的另一技术方案是，一种上述无铅焊膏的制备方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：焊锡合金熔炼

按重量百分比，分别取锌8％～10％、稀土元素0.005％～1.0％、铝0.001％～0.1％和锡，上述组份总量100％，将各组份混合，进行熔炼，得到合金；

步骤2：制备焊锡合金粉末

采用雾化法，以氮气作为雾化气体，将步骤1得到的合金置于压力为0.5MPa～1.0MPa、温度为400℃～500℃的条件下，雾化制得合金粉末，将该合金粉末，通过筛选，制得粒度小于74μm的焊锡合金粉末；

步骤3：制备助焊剂

按重量百分比，分别取改性松香15％～60％、活性剂3％～20％、成膏剂1％～10％、触变剂2％～10％、缓蚀剂0.1％～3％、添加剂0.1％～8％和溶剂，各组份总量100％，将改性松香缓慢加入有机溶剂中，同时，加热并搅拌，至改性松香完全溶解后，分别加入其它组份，继续加热搅拌，至所有组份完全溶解，混合均匀，静置，制得助焊剂；

步骤4：制备焊膏

按重量百分比，分别取步骤2制得的焊锡合金粉末85％～90％和步骤3制得的助焊剂10％～15％，混合均匀，即制得锡锌系无铅合金焊膏。

本发明焊膏的有益效果是，采用合金化的方法，在Sn-Zn焊锡合金中添加合金元素，并采用特制的助焊剂，使得焊膏应用于SMT工艺过程中，不易氧化，避免了焊点不能形成或焊点质量差的现象发生，应用不受限制。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明焊膏，按重量百分比，由以下组份组成：

焊锡合金粉末 85％～90％

助焊剂 10％～15％

各组份总量100％；

其中的焊锡合金粉末，按重量百分比，由8％～10％的锌、0.005％～1.0％的稀土元素、0.001％～0.1％的铝和余量Sn组成，上述组份总量为100％，

其中的助焊剂，按重量百分比，由15％～60％的改性松香、3％～20％的活性剂、1％～10％的成膏剂、2％～10％的触变剂、0.1％～3％的缓蚀剂、0.1％～8％的添加剂和余量的有机溶剂组成，上述组份总量100％。

焊锡合金中的稀土元素为La、Ce中的一种或两种。

助焊剂中，

改性松香为部分聚合松香、氢化松香、脂松香、岐化松香、马来松香和水白松香中的至少一种。

活性剂为乙二酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、葵二酸、戊二酸、庚二酸、水杨酸、马来酸和苯甲酸中的至少一种以及二甲胺盐酸盐，该二甲胺盐酸盐按重量百分比占活性剂总重量的0.01％～0.8％。

成膏剂为聚乙二醇2000、聚乙二醇4000和聚乙二醇6000中的至少一种。

触变剂为氢化蓖麻油、改性氢化蓖麻油和蜂蜡中的至少一种。

缓蚀剂为苯并三唑。

添加剂为三氯异氰脲酸。

有机溶剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、乙二醇、二甘醇、二甘醇单丁基醚和二甘醇单己基醚中的至少一种。

研究表明，添加合金元素可以提高Sn-Zn系焊料的抗氧化性和耐腐蚀性，提高其润湿性。本发明焊膏通过在Sn-Zn系焊锡膏中添加铝和稀土元素并采用助焊剂来改善其焊接性能。

铝可显著改善Sn-Zn系无铅钎料的抗氧化性，Al在Sn-Zn钎料表面选择性的偏析会形成致密的钝化膜，具有抑制锌被氧化的效果。另外，焊接后Al在锡晶界中产生偏析，并存在于锡晶界，获得与Sn-Zn钎料强度相当，但延伸率更优良的效果，显著提高Sn-Zn钎料的力学性能。

稀土被称为金属的维他命，将其添加于Sn-Zn系无铅钎料，可以提高钎料组织的均匀性、抗拉强度、抗蠕变性能和润湿性。

松香的成分比较复杂，主要成分为松香酸，用于助焊剂中，可起部分活性作用和在焊点表面成膜的作用。

活性剂在焊膏中起到活性作用，去除焊锡粉末和铜接头表面的氧化膜。

触变剂的添加主要是为了满足焊锡膏的印刷性。

有机溶剂用于溶解助焊剂各组分。

本发明焊膏的制备方法，按以下步骤进行：

步骤1：制备焊锡合金

按重量百分比，分别取锌8％～10％、稀土元素0.005％～1.0％、铝0.001％～0.1％和锡，各组份总量100％，将各组份混合，进行熔炼，得到焊锡合金；

步骤2：制备焊锡合金粉末

以氮气为雾化气体，将步骤1制得的焊锡合金置于压力为0.5～1.0MPa、温度为400～500℃的条件下，采用超音速气体雾化法，雾化得到合金粉末，将该合金粉末，通过筛选，制得粒度小于74μm的焊锡合金粉末。

步骤3：制备助焊剂

步骤4：制备焊膏

实施例1

按重量百分比，分别取铝0.001％、镧0.005％、锌8％和锡91.994％，混合均匀，置于温度为600℃、氮气保护的环境中熔炼，得到焊锡合金，采用超音速气体雾化法，以氮气为雾化气体，将该焊锡合金置于压力为0.5MPa、温度为400℃的环境中，雾化制得合金粉末，将该合金粉末，通过筛选，制得粒度小于74μm的焊锡合金粉末；分别取乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚和乙二醇，配制成有机溶剂，分别取水白松香和氢化松香，配制成改性松香，分别取丁二酸、乙二酸、葵二酸和二甲胺盐酸盐，配成活性剂，该活性剂中二甲胺盐酸盐的重量占活性剂总重量的0.01％，然后，按重量百分比，分别取氢化蓖麻油2％、苯并三唑0.1％、三氯异氰脲酸0.1％、聚二乙醇20001％以及制得的改性松香60％、活性剂3％和有机溶剂33.8％，将改性松香缓慢加入有机溶剂中，同时，进行加热并搅拌，至改性松香完全溶解后，再分别加入其它组份，继续加热搅拌，直至加入的所有组份完全溶解，混合均匀，静置，制得助焊剂；按重量百分比，分别取制得的焊锡合金粉末85％和制得的助焊剂15％，混合均匀，制备得到锡锌系无铅合金焊膏。经测试，上述制备的焊锡膏具有优良的印刷性能，良好的润湿性和贮存稳定性，能够满足SMT工艺的要求。

实施例2

按重量百分比，分别取铝0.1％、铈1％、锌10％和锡88.9％，混合均匀，置于温度为600℃、氮气保护环境下的熔炼，得到焊锡合金，采用超音速气体雾化法，以氮气为雾化气体，将该焊锡合金置于压力为1.0MPa、温度为500℃的环境中，雾化制得合金粉末，将该合金粉末，通过筛选，制得粒度小于74μm的焊锡合金粉末；分别取乙二醇丁醚和二甘醇，配成有机溶剂，分别取岐化松香和脂松香，配成改性松香，分别取丙二酸、己二酸、葵二酸和二甲胺盐酸盐，配成活性剂，该活性剂中二甲胺盐酸盐的重量占活性剂总重量的0.8％，然后，按重量百分比，分别取改性氢化蓖麻油10％、苯并三唑3％、三氯异氰脲酸8％、聚二乙醇400010％以及制得的改性松香38％、活性剂12％和有机溶剂19％，将改性松香缓慢加入有机溶剂中，同时，进行加热并搅拌，至改性松香完全溶解后，再分别加入其它组份，继续加热搅拌，直至加入的所有组份完全溶解，混合均匀，静置，制得助焊剂；按重量百分比，分别取制得的焊锡合金粉末90％和制得的助焊剂10％，混合均匀，制备得到锡锌系无铅合金焊膏。经测试，上述制备的焊锡膏具有优良的印刷性能，良好的润湿性和贮存稳定性，能够满足SMT工艺的要求。

实施例3

按重量百分比，分别取铝0.0505％、铈0.5025％、锌9％和锡90.447％，混合均匀，置于温度为600℃、氮气保护环境下的熔炼，得到焊锡合金，采用超音速气体雾化法，以氮气为雾化气体，将该焊锡合金置于压力为0.75MPa、温度为450℃的环境中，雾化制得合金粉末，将该合金粉末，通过筛选，制得粒度小于74μm的焊锡合金粉末；分别取乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚和乙二醇，配成有机溶剂，分别取二聚松香和氢化松香，配成改性松香，分别取丁二酸、己二酸、葵二酸和二甲胺盐酸盐，配成活性剂，该活性剂中二甲胺盐酸盐的重量占活性剂总重量的0.405％，然后，按重量百分比，分别取改性蜂蜡6％、苯并三唑1.55％、三氯异氰脲酸4.05％、聚二乙醇6000 5.5％以及制得的改性松香15％、活性剂20％和有机溶剂47.9％，将改性松香缓慢加入有机溶剂中，同时，进行加热并搅拌，至改性松香完全溶解后，再分别加入其它组份，继续加热搅拌，直至加入的所有组份完全溶解，混合均匀，静置，制得助焊剂；按重量百分比，分别取制得的焊锡合金粉末87.5％和制得的助焊剂12.5％，混合均匀，制备得到锡锌系无铅合金焊膏。经测试，上述制备的焊锡膏具有优良的印刷性能，良好的润湿性和贮存稳定性，能够满足SMT工艺的要求。

本发明焊膏，润湿性良好，不易氧化，具有优良的焊接性能，适用于SMT工艺过程。

Claims

1.一种锡锌系无铅合金焊膏，按重量百分比，由以下组份组成：

焊锡合金粉末 85％～90％

助焊剂 10％～15％

上述组份总量100％；

2.按照权利要求1所述的无铅合金焊膏，其特征在于，所述的稀土元素为La、Ce中的一种或两种组合。

3.按照权利要求1所述的无铅合金焊膏，其特征在于，所述的改性松香为部分聚合松香、氢化松香、脂松香、岐化松香、马来松香和水白松香中的至少一种。

4.按照权利要求1所述的无铅合金焊膏，其特征在于，所述的活性剂为乙二酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、葵二酸、戊二酸、庚二酸、水杨酸、马来酸和苯甲酸中的至少一种以及二甲胺盐酸盐，该二甲胺盐酸盐按重量百分比占活性剂总重量的0.01％～0.8％。

5.按照权利要求1所述的无铅合金焊膏，其特征在于，所述的成膏剂为聚乙二醇2000、聚乙二醇4000和聚乙二醇6000中的至少一种。

6.按照权利要求1所述的无铅合金焊膏，其特征在于，所述的触变剂为氢化蓖麻油、改性氢化蓖麻油和蜂蜡中的至少一种。

7.按照权利要求1所述的无铅合金焊膏，其特征在于，所述的有机溶剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、乙二醇、二甘醇、二甘醇单丁基醚和二甘醇单己基醚中的至少一种。

8.一种权利要求1所述的无铅合金焊膏的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：

步骤1：焊锡合金熔炼

步骤2：制备焊锡合金粉末

步骤3：制备助焊剂

步骤4：制备焊膏

按重量百分比，分别取步骤2制得的焊锡合金粉末85％～90％和步骤3制得的助焊剂15％～10％，混合均匀，即制得锡锌系无铅合金焊膏。