CN101486133A

CN101486133A - 用于铝软钎焊的无铅焊料

Info

Publication number: CN101486133A
Application number: CNA2009101053221A
Authority: CN
Inventors: 冼健威; 张新平; 马鑫; 吴建雄; 徐金华
Original assignee: DONGGUAN CITY YIK SHING TAT INDUSTRIAL Co Ltd; YICHENGDA INDUSTRIAL Co Ltd SHENZHEN CITY; South China University of Technology SCUT
Current assignee: DONGGUAN CITY YIK SHING TAT INDUSTRIAL Co Ltd; YICHENGDA INDUSTRIAL Co Ltd SHENZHEN CITY; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2009-07-22

Abstract

本发明公开了一种用于铝质基板材料的低温钎焊焊料，该焊料为无铅焊料，不但凝固组织比针状锌相的锡锌共晶合金有所改善，润湿性能有所提高，而且能与铝基板形成强度很高的接头，其由以下重量百分比的化学成份组成：Zn 9－15％，Al 0.01－2％，Ag 0.01－2％，Bi1－3％，Sn为余量。本方案所获得的无铅焊料合金，不使用有毒性的铅，比现有的Sn－Zn合金抗氧化性更强、润湿性能更好，也比现有的Sn－Ag－Cu焊料合金更适用于铝软钎焊，接头性能更好、成本更低。

Description

用于铝软钎焊的无铅焊料

技术领域

本发明涉及一种焊料组合物，特别是一种用于铝软钎焊的无铅焊料组合物。

背景技术

铝及其合金具有密度小、导热导电性能出色、成本低等优点，在电子工业中的使用越来越广泛，尤其是作为功率较大、发热量大的电子产品的散热器。但是铝的表面容易形成致密的氧化膜，使得铝软钎焊与铜软钎焊相比，难以实现，需要使用活性更强、反应更剧烈的助焊剂。国外有关铝软钎焊助焊剂已经申请了一些专利，目前所使用的铝软钎焊用的焊料为Sn-Pb、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn。众所周知，Pb是有毒元素，按照我国信息产业部等七部委联合发布的《电子信息产品污染控制管理办法》的规定，我国在2007年3月1日开始实施在电子产品中使用含铅的焊料的控制，因此Sn-Pb焊料不能再使用。Sn-Ag-Cu焊料合金成本较高，而且Sn-Ag-Cu焊料合金主要用于铜软钎焊，我们以前的研究指出Sn-Ag-Cu焊料合金与铝基板形成界面处的金属化合物比较特殊，Sn-Ag-Cu焊料合金中的Ag和铝基板的铝会在偏离铝基板一侧，即在焊料基体里形成AgAl化合物，这必然使焊料与铝基板间的接头强度下降。Sn-Zn焊料合金用于铝软钎焊也有一定的历史，该焊料合金不但成本低廉、共晶点与Sn-Pb接近、力学性能好，而且锌和铝之间能相互形成固溶体，焊料合金中的Zn还会从铝基板面上生长出无数刺状固溶体晶须插入焊料作嵌入结合，使得Sn-Zn焊料合金与铝形成的接头强度很高。但是Sn-Zn共晶合金中锌相容易氧化，润湿性能差，而抗氧化性能差的焊料不但会增加焊点的缺陷率，而且还会引起焊点的可靠性问题。目前已有大量关于改善Sn-Zn焊料合金的氧化性能的研究：在Sn-Zn焊料合金中添加Bi元素能明显降低焊料合金的表面张力，从而改善其润湿性能。Sn-8Zn-3Bi焊料合金已经在电子行业中广泛使用。也有研究指出，添加质量分数为0.5％的Ag能改善Sn-Zn焊料合金的微观组织，Ag与Sn-Zn焊料合金中的Zn相形成金属间化合物AgZn3，减少Sn-Zn焊料合金表面Zn相的氧化。但是关于Sn-Zn焊料合金的研究都是基于Cu基板的，适用于铝软钎焊的Sn-Zn焊料合金的研究很少报道。

发明内容

针对以上所述，本发明只在提供一种用于铝质基板材料的低温钎焊焊料，该焊料为无铅焊料，不但凝固组织比针状锌相的锡锌共晶合金有所改善，润湿性能有所提高，而且能与铝基板形成强度很高的接头。

为解决上述技术问题，本发明的一种用于铝软钎焊的无铅焊料，由以下重量百分比的化学成份组成：Zn 9-15％，Al 0.01-2％，Ag 0.01—2％，Bi 1-3％，Sn为余量。

作为一种更好的改进，所述无铅焊料的组分中还含有P，其重量百分比为0.01-1％。

本发明所获得的无铅焊料合金，不使用有毒性的铅，比现有的Sn-Zn合金抗氧化性更强、润湿性能更好，也比现有的Sn-Ag-Cu焊料合金更适用于铝软钎焊，接头性能更好、成本更低。

具体实施方式

下面详细说明本发明中各添加元素的作用及其最佳含量。在显微组织构成方面，Sn-9Zn(wt％)共晶合金是针状的Zn相分布在Sn基体上，焊料合金中Zn能与铝基板有良好的亲和力，Zn含量提高能使合金与铝基板的结合强度提高；但Zn相容易氧化，当Zn含量超过15％时，不但使合金的抗氧化性变差，而且也会使合金的起始熔化温度提高以及熔化温度范围变大，不利于软钎焊。在Sn-Zn合金基础上添加微量Al元素后，不但能与Sn-Zn合金中容易氧化的Zn相形成固溶体从而提高Sn-Zn合金的抗氧化性，而且Al的存在会提高Sn-Zn合金与铝基板的亲和力。但是当Al含量增加到1.0％以上时，其会在Sn-Zn合金表面形成较厚的氧化膜，增大合金的表面张力，使钎料的润湿性能变差。Ag元素能与Sn-Zn合金中的Zn相形成Ag-Zn金属间化合物，并改善Sn-Zn合金的组织，提高Sn-Zn合金的润湿性能以及力学性能；但是当添加的Ag含量超过1.0％时，合金的熔化温度升高、表面张力增大，润湿性能也下降。元素Bi是表面活性元素，加入Sn-Zn合金后能降低合金的表面张力，从而改善Sn-Zn合金的润湿性能，但Bi本身是脆性金属，其在Sn-Zn合金中的含量超过5％时则会劣化钎料合金的塑性。

本发明目的在于提供一种铝软钎焊、润湿性能好、与铝基板形成良好接头的低成本无铅焊料，而且该焊料能使用传统的方法冶炼，并能控制成形，制作成焊锡条、焊锡棒、焊锡线、焊锡膏等形式，以满足表面组装技术的要求。

实施例1：

本实施方式的无铅焊料由以下重量百分比的成份组成：Zn含量9％、Al含量0.5％、Ag含量0.1％、Bi含量1％、Sn为余量。

实施例2：

本实施方式的无铅焊料由以下重量百分比的成份组成：Zn含量9％、Al含量0.5％、Bi含量1％、Sn为余量。

实施例3：

本实施方式的无铅焊料由以下重量百分比的成份组成：Zn含量9％、Al含量0.5％、Bi含量2％、Sn为余量。

实施例4：

本实施方式的无铅焊料由以下重量百分比的成份组成：Zn含量9％、Al含量1.0％、Bi含量2％、Sn为余量。

另外，为了比较本发明无铅Sn-Zn-Al-Bi焊料合金与目前采用的无铅焊料Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-9Zn合金在铝板上的润湿性能，对上述具体实施例1至4的焊料合金以及传统的Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-9Zn合金进行润湿性实验，结果见表1。实验条件如下：使用99.9％的纯Sn、Bi、Al、Ag、Cu、Zn熔炼成具体实施例中的焊料合金，熔炼时使用KC l与LiCl的共晶盐保护，在500℃熔炼3小时后浇铸到特制的不锈钢模具中，并将焊料合金制作成0.3g的圆柱状；40×40×1mm的铝基板(1060)在铺展实验前进行去膜处理，先用5％ NaCl溶液浸泡2min，再置于1:1的硝酸溶液中和，然后用无水乙醇清洗，风干待用。将放有圆柱状的焊料合金并涂覆0.05g某商用焊铝助焊剂的铝基板置于260℃熔融锡浴上加热1min，使用图形处理软件计算钎焊后焊料合金的铺展面积。

表1 本发明实施方式与传统Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-9Zn焊料的对比

由Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-9Zn焊料合金的铺展面积发现，Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料合金的铺展面积明显优于Sn-9Zn焊料合金；而由实施例1、2、3、4的焊料合金的铺展面积可以看出，添加了少量Bi、Al元素能使焊料合金比Sn-9Zn焊料合金的铺展面积有明显提高。但是Al元素含量从0.5％增加至1.0％时，焊料的铺展面积则有所下降，由实施例4可以看出。而实施例3则表明，Bi元素的含量从1％增加至2％时，对焊料合金的铺展面积影响不大。实施例2、3、4的焊料铺展面积虽然比Sn-9Zn共晶焊料合金的铺展面积有明显提高，但是尚未达到传统Sn-3.0Ag-0.5Cu的水平。而实施例1说明了添加少量的Ag元素能明显提高Sn-9Zn焊料合金的铺展面积，并且其铺展面积高于Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料合金。

Claims

1、一种用于铝软钎焊的无铅焊料，其特征在于，它由以下重量百分比的化学成份组成：Zn 9-15％，Al 0.01-2％，Ag 0.01—2％，Bi1-3％，Sn为余量。

2、根据权利要求2所述的无铅焊料，其特征在于，组分中还含有P，其重量百分比为0.01-1％。