CN101417374A - 一种无铅焊料减渣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以保持长效作用而操作十分简单的无铅焊料减渣方法，该方法首先用中间合金法制造出包含Sn和P且P含量为0.1－0.8wt％的抗渣合金，然后分析待改造锡炉内焊料P含量，进行锡炉成分改造，即在不含P或P含量低于0.008wt％的无铅焊料中添加上述抗渣合金，使锡炉内P含量达到0.008－0.015wt％，然后每隔一工作时间段在锡炉内取样分析，确定锡炉内P含量及P含量的损失量，当锡炉内P含量低于0.008－0.015wt％时，再补加根据P含量的损失量计算出的维持锡炉内原P含量所需的上述抗渣合金的量，最终使锡炉内P含量保持在0.008－0.015wt％。本发明方法适用于当今电子领域所使用的无铅焊料，可以获得最小量的出渣效果，有很大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铅焊料的减渣方法。
背景技术
焊料无铅化之后，市场上出现的无铅焊料品种繁多。但与传统Sn-Pb焊料相比，无铅焊料存在Sn含量高(95wt％以上)，熔点也比Sn-Pb合金高以及使用焊料温度高等因素，因此造成出渣量巨增，直接影响焊接质量和造成很大经济损失。
目前，业界正在针对波峰焊、浸焊和热风整平的不同工艺特点采用各种措施减渣，如：1)覆盖抗氧化油：抗氧化油属非离子表面活性剂，通过游离基与臭氧作用，减少在高温下锡的氧化，其缺点是使用时间长后发生变质，污染线路板，锡缸烟大，气氛不好，业界不推荐使用；2)氮气保护：优点是效果显著，出渣量少，其缺点是电路板表面产生的锡珠增多，要求氮气纯度增加，设备投资大；3)改进波峰机结构——电磁泵：优点是不存在剧烈的机械搅拌作用，槽内没有强烈的漩涡运动和液面翻滚——减少了吸氧现象，缺点是技术不稳定，价格高，设备成本每台约增加投资30-50％；4)在合金中添加微量的抗氧化元素：P、Ga、Ge等等，其优点是效果好，技术成熟，操作容易，节约成本，但这种措施存在的缺点是产品抗氧化寿命不长，即所谓非“长效”结果，在一段不长的时间内，抗渣效果从起始的良好至完全消失，使这种方法的实际应用效果大打折扣。
以上几种减渣方法各有适用范围，综合考虑效果最佳的就是第4种方法。若能针对其缺点加以改进，则使用效果更加满意。
发明内容
本发明的目的是提供一种无铅焊料的减渣方法，该方法采用易于操作的工艺，在实际生产条件下，保证无铅焊料具有长期稳定的抗渣效果。
本发明的目的基于以下抗渣机理：
(1)P、Ga、Ge微量元素在液态焊料中分布具有“集肤效应”，这些元素本身与O2的结合自由能都比Sn与O2的结合自由能低得多，从而造成在氧化膜形成时，P、Ga、Ge的氧化膜要优先于SnO2膜。还有由于P、Ga、Ge的氧化膜的特点是致密、坚固，它覆盖在液态焊料表层，起到严密隔绝空气中O2与焊料接触的效果，使O2不能不断氧化液态焊料；
(2)“长效”作用问题：由于P、Ga、Ge这些元素的“集肤效应”，任何时刻它在焊料中最表层分布浓度永远大于里层，这样就使它可以不断被液面锡渣带走，使P、Ga、Ge含量不断减小，直至抗渣失效。
基于上述原因，本发明提出一种可以保持长效作用而操作十分简单的无铅焊料减渣方法，该方法是：首先用中间合金法制造出包含Sn和P且P含量为0.1-0.8wt％的抗渣合金，然后分析待改造锡炉内焊料的P含量，进行锡炉成分改造，即在不含P或P含量低于0.008wt％的无铅焊料中添加上述抗渣合金，使锡炉内P含量达到0.008-0.015wt％，然后每隔一工作时间段在锡炉内取样分析，确定锡炉内P含量及P含量的损失量，当锡炉内P含量低于0.008-0.015wt％时，再补加根据P含量的损失量计算出的维持锡炉内原P含量所需的上述抗渣合金的量，最终使锡炉内P含量保持在0.008-0.015wt％。
作为本发明的具体实施方式，所述的无铅焊料为包含Sn和Ag的合金焊料、包含Sn和Cu的合金焊料或包含Sn、Ag和Cu的合金焊料等，例如Sn-3-3.5Ag合金焊料、Sn-0.7Cu合金焊料、Sn-0.7Cu-Ti合金焊料、Sn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cu合金焊料等。
作为本发明的具体实施方式，所述的包含Sn和P且P含量为0.1-0.8wt％的抗渣合金为Sn-0.1-0.8P合金、Sn-3-3.5Ag-0.1-0.8P合金、Sn-0.7Cu-Ti-0.1-0.8P合金或Sn-0.7Cu-0.1-0.8P合金或Sn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cu-0.1-0.8P合金等。
本发明提出的抗渣合金成分设计必需确保锡炉里P及相关合金成分的最优浓度，以及抗渣合金在锡炉正常工作温度下能容易熔化，即像普通锡条一样加入锡炉使用，不需额外工艺条件。本发明方法适用于当今电子领域所使用的无铅焊料，可以获得最小量的出渣效果，具有很大的经济效益。本发明方法不仅适用于波峰焊工艺，也适用于浸焊及热风整平工艺。
具体实施方式
以下实施例采用的无铅焊料减渣方法是：首先用中间合金法制造出包含Sn和P且P含量为0.1-0.8wt％的抗渣合金，然后分析待改造锡炉内焊料的P含量，进行锡炉成分改造，即在不含P或P含量低于0.008wt％的无铅焊料中添加上述抗渣合金，使锡炉内P含量达到0.008-0.015wt％，然后每隔一工作时间段在锡炉内取样分析，确定锡炉内P含量及P含量的损失量，当锡炉内P含量低于0.008-0.015wt％时，再补加根据P含量的损失量计算出的维持锡炉内原P含量所需的上述抗渣合金的量，最终使锡炉内P含量保持在0.008-0.015wt％。以下比较例采用的方法中除焊料中不添加抗渣合金外，其余工艺条件均与上述实施例相同。除非有特别说明，以下实施例出现的百分数均为重量百分数。
实施例1
1.改造锡炉成分：
在不含P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.013wt％P，使锡炉内P含量达到0.013wt％
波峰焊锡炉容量：360公斤
锡炉工作温度：250℃
抗渣合金成分：Sn-3.5Ag-0.5P
改造用抗渣合金重量：
需要补入P量：360kg×0.013％＝0.0468kg
需要抗渣合金重量：100×0.0468kg/0.5＝9.36kg
2.每工作24小时添加量：
试验分析，锡炉每工作24小时P损失量为0.001％
锡炉容量：360kg
抗渣合金成分：Sn-3.5Ag-0.5P
需要补充P量：360kg×0.001％＝0.0036kg
每工作24小时补加抗渣合金重量：100×0.0036kg/0.5＝0.72kg，当添加该重量的抗渣合金后，锡炉内P含量恢复至0.013wt％
实施例2
1.改造锡炉成分：
在不含P的Sn-3-3.5Ag无铅焊料中添加0.010wt％P，使锡炉内P含量达到0.010wt％
浸焊锡炉容量：10公斤
锡炉工作温度：260℃
抗渣合金成分：Sn-0.5P
改造用抗渣合金重量：
需要补入P量：10kg×0.010％＝0.001kg
需要抗渣合金重量：100×0.001kg/0.5＝0.2kg
2.每工作24小时添加量：
试验分析，锡炉每工作24小时P损失量为0.00086％
锡炉容量：10kg
抗渣合金成分：Sn-0.5P
需要补充P量：10kg×0.00086％＝0.000086kg
每工作24小时补加抗渣合金重量：100×0.000086kg/0.5＝0.0172kg，当添加该重量的抗渣合金后，锡炉内P含量恢复至0.010wt％
实施例3
1.改造锡炉成分：
在不含P的Sn-0.7Cu无铅焊料中添加0.008wt％P，使锡炉内P含量达到0.008wt％
热风整平锡炉容量：400公斤
锡炉工作温度：265℃
抗渣合金成分：Sn-0.6P
改造用抗渣合金重量：
需要补入P量：400kg×0.008％＝0.032kg
需要抗渣合金重量：100×0.032kg/0.6＝5.33kg
2.每工作24小时添加量：
试验分析，锡炉每工作24小时P损失量为0.003％
锡炉容量：400kg
抗渣合金成分：Sn-0.6P
需要补充P量：400kg×0.003％＝0.012kg
每工作24小时补加抗渣合金重量：100×0.012kg/0.6＝2kg，当添加该重量的抗渣合金后，锡炉内P含量恢复至0.008wt％
实施例4
1.改造锡炉成分：
在含0.003wt％P的Sn-0.7Cu-Ti无铅焊料中添加0.010wt％P，使锡炉内P含量达到0.013wt％
锡炉容量：460公斤
锡炉工作温度：255℃
抗渣合金成分：Sn-0.5P
改造用抗渣合金重量：
需要补入P量：460kg×0.010％＝0.046kg
需要抗渣合金重量：100×0.046kg/0.5＝9.2kg
2.每工作24小时添加量：
试验分析，锡炉每工作24小时P损失量为0.0011％
锡炉容量：460kg
抗渣合金成分：Sn-0.5P
需要补充P量：460kg×0.0011％＝0.00506kg
每工作24小时补加抗渣合金重量：100×0.00506kg/0.5＝1.012kg，当添加该重量的抗渣合金后，锡炉内P含量恢复至0.013wt％
实施例5
1.改造锡炉成分：
在含0.002wt％P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.010wt％P，使锡炉内P含量达到0.012wt％
锡炉容量：360公斤
锡炉工作温度：250℃
抗渣合金成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.4P
改造用抗渣合金重量：
需要补入P量：360kg×0.010％＝0.036kg
需要抗渣合金重量：100×0.036kg/0.4＝9.0kg
2.每工作48小时添加量：
试验分析，锡炉每工作48小时P损失量为0.0022％
锡炉容量：360kg
抗渣合金成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.4P
需要补充P量：360kg×0.0022％＝0.00792kg
每工作48小时补加抗渣合金重量：100×0.00792kg/0.4＝1.98kg，当添加该重量的抗渣合金后，锡炉内P含量恢复至0.012wt％
实施例6
1.改造锡炉成分：
在含0.005wt％P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.008wt％P，使锡炉内P含量达到0.013wt％
锡炉容量：460公斤
锡炉工作温度：250℃
抗渣合金成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
改造用抗渣合金重量：
需要补入P量：460kg×0.008％＝0.0368kg
需要抗渣合金重量：100×0.0368kg/0.5＝7.36kg
2.每工作48小时添加量：
试验分析，锡炉每工作48小时P损失量为0.0023％
锡炉容量：460kg
抗渣合金成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
需要补充P量：460kg×0.0023％＝0.01058kg
每工作48小时补加抗渣合金重量：100×0.01058kg/0.5＝2.116kg，当添加该重量的抗渣合金后，锡炉内P含量恢复至0.013wt％
实施例1-6与对比例1-6的实验结果列表如下：
| 编号 | 抗渣合金 | 实验时间h | 总出渣量kg | 减渣率％ |
| 对比例1 | 无 | 120 | 66 | — |
| 实施例1 | 有 | 120 | 27.5 | 58.3 |
| 对比例2 | 无 | 120 | 3.4 | — |
| 实施例2 | 有 | 120 | 0.92 | 72.6 |
| 对比例3 | 无 | 120 | 93.7 | — |
| 实施例3 | 有 | 120 | 65.3 | 30.2 |
| 对比例4 | 无 | 96 | 41.3 | — |
| 实施例4 | 有 | 96 | 21.7 | 47.5 |
| 对比例5 | 无 | 96 | 49.2 | — |
| 实施例5 | 有 | 96 | 24 | 51.2 |
| 对比例6 | 无 | 96 | 31.4 | — |
| 实施例6 | 有 | 96 | 23.1 | 26.4 |
总之，本发明例举了上述优选实施方式，但是应该说明，本领域的技术人员可以进行各种变化和改型。因此，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种无铅焊料减渣方法，其特征是，首先用中间合金法制造出包含Sn和P且P含量为0.1-0.8wt％的抗渣合金，然后分析待改造锡炉内焊料的P含量，进行锡炉成分改造，即在不含P或P含量低于0.008wt％的无铅焊料中添加上述抗渣合金，使锡炉内P含量达到0.008-0.015wt％，然后每隔一工作时间段在锡炉内取样分析，确定锡炉内P含量及P含量的损失量，当锡炉内P含量低于0.008-0.015wt％时，再补加根据P含量的损失量计算出的维持锡炉内原P含量所需的上述抗渣合金的量，最终使锡炉内P含量保持在0.008-0.015wt％。
2.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的无铅焊料为包含Sn和Ag的合金焊料。
3.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的无铅焊料为包含Sn和Cu的合金焊料。
4.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的无铅焊料为包含Sn、Ag和Cu的合金焊料。
5.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的无铅焊料为Sn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cu合金焊料。
6.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的抗渣合金为Sn-0.1-0.8P合金。
7.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的抗渣合金为Sn-3-3.5Ag-0.1-0.8P合金。
8.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的抗渣合金为Sn-3-3.5Ag-0.5-0.7Cu-0.1-0.8P合金。
9.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，所述的工作时间段为8-48小时。
10.根据权利要求1所述的无铅焊料减渣方法，其特征是，该方法适用于波峰焊、浸焊及热风整平工艺。
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