CN101554684A - 一种无铅焊料的减渣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以保持长效作用的无铅焊料减渣方法，该方法包括以下步骤：(1)制备包含Sn和P且P含量为0.008－5wt％的无铅焊料，其中分为开缸料、改造料和补充料；(2)对于新开缸即不含焊料的空锡缸，使用P含量达到0.010－0.015wt％的开缸料，使锡缸内焊料的P含量达到目标值0.010－0.015wt％；(3)随后根据锡缸消耗的P含量添加补充料，其操作过程是先使用添加有开缸料或改造料的锡缸一段时间，通过测定该锡缸内P浓度在单位时间内的变化规律，计算出该锡缸单位时间所对应的P的消耗量，再结合该锡缸单位时间实际需补充焊料的量计算出添加的补充料所应具备的P浓度，随后生产或定制这种特定P浓度的补充料来维持锡缸消耗，就能达到锡缸内P浓度在目标范围内的动平衡，从而实现锡缸内焊料持续稳定的抗渣效果。
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
与传统Sn-Pb焊料相比，无铅焊料存在Sn含量高(95wt％以上)，成分复杂，熔点以及使用焊料温度比Sn-Pb合金高，氧化出渣量巨增，直接影响焊接质量和造成很大经济损失。
针对无铅焊料的这种氧化损耗，目前业界也有采取各种应对措施，如：1)覆盖抗氧化油或还原剂：其抗氧化效果不错，但缺点明显即使用时间长后发生变质，污染线路板，锡缸烟大，气氛不好，维护不当有失火的危险，业界一般不推荐使用；2)氮气保护：抗氧化效果显著，出渣量少，其缺点是电路板表面产生的锡珠增多，在焊接工作面氮气浓度高才有显效(打开波峰机的次数受到限制，给生产操作增加了难度)，设备投资大；3)减少氧化机会，改进波峰机结构——电磁泵：减少了吸氧现象并有一定减渣效果，缺点设备成本高(每台约增加投资30-50％)且效果不稳定；4)改造无铅焊料，使其自身具有良好的抗氧化能力：在合金中添加微量的抗氧化元素例如：P、Ga、Ge等等，其优点是效果好，技术成熟，操作容易，节约成本，其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。
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。
本发明基于以下抗渣机理：
(1)P元素在液态焊料中分布具有“集肤效应”，且与O2的结合自由能比Sn与O2的结合自由能低得多，从而造成在氧化膜形成时，P的氧化膜要优先于SnO2膜。还有由于P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，阻断了O2持续氧化焊料的进程，因此具有显著的抗氧化效果。
(2)含P无铅焊料抗氧化性能的实际表现为非“长效”。由于P元素在焊料中的“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，这样就使它不断随液面氧化渣大量消耗，使焊料中P含量迅速减小，导致液态焊料表面P浓度达不到显效抗氧化所需最低值——抗渣失效。
基于上述原因，本发明提出一种可以保持“长效”抗渣作用的无铅焊料减渣方法，该方法包括以下步骤：
(1)制备包含Sn和P且P含量为0.008-5wt％的无铅焊料，其中分为开缸料、改造料和补充料；
(2)对于新开缸即不含焊料的空锡缸，使用P含量达到0.010-0.015wt％的开缸料，使锡缸内焊料的P含量达到目标值0.010-0.015wt％；对于含有焊料且焊料中不含P或P含量低于0.010-0.015wt％的锡缸，先根据锡缸原有P含量来计算出将该锡缸焊料改造为含0.010-0.015wt％的P所需的P量，再选择P含量为0.020-5wt％的改造料一次加入锡缸，实现锡缸内焊料的P含量达到开缸料目标值0.010-0.015wt％；
(3)根据锡缸消耗的P含量添加补充料，补充料中P含量的确定来源于对该具体锡缸P含量变化规律的测定及分析计算，其操作过程是先使用添加有开缸料或改造料的锡缸一段时间，通过测定该锡缸内P浓度在单位时间内的变化规律，计算出该锡缸单位时间所对应的P的消耗量，再结合该锡缸单位时间实际需补充焊料的量计算出添加的补充料所应具备的P浓度，随后生产或定制这种特定P浓度的补充料来维持锡缸消耗，就能达到锡缸内P浓度在目标范围内的动平衡，从而实现锡缸内焊料持续稳定的抗渣效果。
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，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-X(X＝Ti、Ni、Si、Co等)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0.008-5wt％的无铅焊料为包含Sn、Cu和P且P含量为0.008-5wt％的合金焊料，包含Sn、Ag和P且P含量为0.008-5wt％的合金焊料，包含Sn、Cu、X(X＝Ti、Ni、Si、Co等)和P且P含量为0.008-5wt％的合金焊料等。
本发明提出的无铅焊料减渣方法，不需额外工艺设备，简单实用。低成本地改善了含P元素的抗氧化无铅焊料的使用效果。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
以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。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。
以下实施例采用的无铅焊料减渣方法包括以下步骤：(1)制备包含Sn和P且P含量为0.008-5wt％的无铅焊料，其中分为开缸料、改造料和补充料；(2)对于新开缸即不含焊料的空锡缸，使用P含量达到0.010-0.015wt％的开缸料，使锡缸内焊料的P含量达到目标值0.010-0.015wt％；对于含有焊料且焊料中不含P或P含量低于0.010-0.015wt％的锡缸，先根据锡缸原有P含量来计算出将该锡缸焊料改造为含0.010-0.015wt％的P所需的P量，再选择P含量为0.020-5wt％的改造料一次加入锡缸，实现锡缸内焊料的P含量达到开缸料目标值0.010-0.015wt％；(3)根据锡缸消耗的P含量添加补充料，补充料中P含量的确定来源于对该具体锡缸P含量变化规律的测定及分析计算，其操作过程是先使用添加有开缸料或改造料的锡缸一段时间，通过测定该锡缸内P浓度在单位时间内的变化规律，计算出该锡缸单位时间所对应的P的消耗量，再结合该锡缸单位时间实际需补充焊料的量计算出添加的补充料所应具备的P浓度，随后生产或定制这种特定P浓度的补充料来维持锡缸消耗，就能达到锡缸内P浓度在目标范围内的动平衡，从而实现锡缸内焊料持续稳定的抗渣效果。
以下比较例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。
实施例1
1.改造锡缸成分：
在不含P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.013％P，使锡缸内P含量达到0.013wt％
波峰炉锡缸容量：360公斤
锡缸工作温度：250℃
需要补入P量：360kg×0.013％＝0.0468kg
改造料成分：Sn-3.5Ag-0.5P
需要改造料重量：100×0.0468kg/0.5＝9.36kg
2.补充料含P量的确定：
试验分析，锡缸每工作24小时P浓度变化量为减少0.001％
锡缸容量：360kg
锡缸每工作24小时损失P量(即需要补充的P量)：360kg×0.001％＝0.0036kg
已知锡缸每工作24小时需补充锡条25kg
补充料应该含P浓度：0.0036kg÷25kg＝0.0144％
补充料的成分为：Sn-3.5Ag-0.0144P
每工作24小时添加补充料25kg，锡缸内P浓度可在0.012wt％-0.013wt％之间波动，维持很好的抗渣效果。
实施例2
1.改造锡缸成分：
在不含P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.01％P，使锡缸内P含量达到0.01wt％
浸锡缸锡缸容量：10公斤
锡缸工作温度：270℃
需要补入P量：10kg×0.01％＝0.001kg
改造料成分：Sn-3.5Ag-0.5P
需要改造料重量：100×0.001kg/0.5＝0.2kg
2.补充料含P量的确定：
试验分析，锡缸每工作24小时P浓度变化量为减少0.0013％
锡缸容量：10kg
锡缸每工作24小时损失P量(即需要补充的P量)：10kg×0.0013％＝0.00013kg
已知锡缸每工作24小时需补充锡条0.7kg
补充料应该含P浓度：0.00013kg÷0.7kg＝0.0186％
补充料的成分为：Sn-3.5Ag-0.0186P
每工作24小时添加补充料0.7kg，锡缸内P浓度可在0.009wt％-0.01wt％之间波动，维持很好的抗渣效果。
实施例3
1.改造锡缸成分：
在不含P的Sn-0.7Cu无铅焊料中添加0.015％P，使锡缸内P含量达到0.015wt％
热风平整锡缸容量：400公斤
锡缸工作温度：265℃
需要补入P量：400kg×0.015％＝0.06kg
改造料成分：Sn-4 P
需要改造料重量：100×0.06kg/4＝1.5kg
2.补充料含P量的确定：
试验分析，锡缸每工作24小时P浓度变化量为减少0.002％
锡缸容量：400kg
锡缸每工作24小时消耗P量(即需要补充的P量)：400kg×0.002％＝0.008kg
已知锡缸每工作24小时需补充锡条30kg
补充料应该含P浓度：0.008kg÷30kg＝0.027％
补充料的成分为：Sn-0.027P(使用中Cu会大量溶入焊料，故不含铜)
每工作24小时添加补充料30kg，锡缸内P浓度可在0.013wt％-0.015wt％之间波动，维持很好的抗渣效果。
实施例4
1.新开锡缸成分：
新开锡缸焊料(开缸料)成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.013％P
锡缸容量：460公斤
锡缸工作温度：255℃
2.补充料含P量的确定：
试验分析，锡缸每工作24小时P浓度变化量为减少0.0011％
锡缸容量：460kg
锡缸每工作24小时消耗P量(即需要补充的P量)：460kg×0.0011％＝0.00506kg
已知锡缸每工作24小时需补充锡条20kg
补充料应该含P浓度：0.00506kg÷20kg＝0.025％
补充料的成分为：Sn-0.025P-Ti
每工作24小时添加补充料20kg，锡缸内P浓度可在0.012wt％-0.013wt％之间波动，维持很好的抗渣效果。
实施例5
1.改造锡缸成分：
在含0.001％P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.012％P，使锡缸内P含量达到0.013wt％
锡缸容量：590公斤
锡缸工作温度：255℃
需要补入P量：590kg×0.012％＝0.0708kg
改造料成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.55P
需要改造料重量：100×0.0708kg/0.55＝12.87kg
2.补充料含P量的确定：
试验分析，锡缸每工作24小时P浓度变化量为减少0.002％
锡缸容量：590kg
锡缸每工作24小时消耗P量(即需要补充的P量)：590kg×0.002％＝0.0118kg
已知锡缸每工作24小时需补充锡条40kg
补充料应该含P浓度：0.0118kg÷40kg＝0.03％
补充料成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.03P
每工作24小时添加补充料40kg，锡缸内P浓度可在0.011wt％-0.013wt％之间波动，维持很好的抗渣效果。
实施例6
1.改造锡缸成分：
在含0.005％P的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料中添加0.008％P，使锡缸内P含量达到0.013wt％
锡缸容量：460公斤
需要补入P量：460kg×0.008％＝0.0368kg
改造料成分：Sn-0.7Cu-Ti-0.5P
需要改造料重量：100×0.0368kg/0.5＝7.36kg
2.补充料含P量的确定：
试验分析，锡缸每工作24小时P浓度变化量为减少0.0025％
锡缸容量：460kg
锡缸每工作24小时消耗P量(即需要补充的P量)：460kg×0.0025％＝0.0115kg
已知锡缸每工作24小时需补充锡条29kg
补充料应该含P浓度：0.0115kg÷29kg＝0.04％
补充料成分：Sn-3Ag-0.5Cu-0.04P
每工作24小时添加补充料29kg，锡缸内P浓度可在0.012wt％-0.013wt％之间波动，维持很好的抗渣效果。
实施例1-6与对比例1-6的实验结果列表如下：
| 编号 | 抗氧化改造 | 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 | 28.2 | 57.3 |
| 对比例2 | 无 | 120 | 3.4 | - |
| 实施例2 | 有 | 120 | 0.96 | 71.6 |
| 对比例3 | 无 | 120 | 93.7 | - |
| 实施例3 | 有 | 120 | 64.2 | 31.4 |
| 对比例4 | 无 | 96 | 41.3 | - |
| 实施例4 | 开缸是抗氧化料 | 96 | 22.5 | 45.5 |
| 对比例5 | 无 | 168 | 105.5 | - |
| 实施例5 | 有 | 168 | 59 | 44 |
| 对比例6 | 无 | 96 | 31.4 | - |
| 实施例6 | 有 | 96 | 22.6 | 28 |
Claims (9)
1.一种无铅焊料的减渣方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)制备包含Sn和P且P含量为0.008-5wt％的无铅焊料，其中分为开缸料、改造料和补充料；
(2)对于新开缸即不含焊料的空锡缸，使用P含量达到0.010-0.015wt％的开缸料，使锡缸内焊料的P含量达到目标值0.010-0.015wt％；对于含有焊料且焊料中不含P或P含量低于0.010-0.015wt％的锡缸，先根据锡缸原有P含量来计算出将该锡缸焊料改造为含0.010-0.015wt％的P所需的P量，再选择P含量为0.020-5wt％的改造料一次加入锡缸，实现锡缸内焊料的P含量达到开缸料目标值0.010-0.015wt％；
(3)根据锡缸消耗的P含量添加补充料，补充料中P含量的确定来源于对该具体锡缸P含量变化规律的测定及分析计算，其操作过程是先使用添加有开缸料或改造料的锡缸一段时间，通过测定该锡缸内P浓度在单位时间内的变化规律，计算出该锡缸单位时间所对应的P的消耗量，再结合该锡缸单位时间实际需补充焊料的量计算出添加的补充料所应具备的P浓度，随后生产或定制这种特定P浓度的补充料来维持锡缸消耗，就能达到锡缸内P浓度在目标范围内的动平衡，从而实现锡缸内焊料持续稳定的抗渣效果。
2.根据权利要求1所述的无铅焊料的减渣方法，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所述的无铅焊料的减渣方法，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所述的无铅焊料的减渣方法，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所述的无铅焊料的减渣方法，其特征是，所述的包含Sn和P且P含量为0.008-5wt％的无铅焊料为包含Sn、Cu和P且P含量为0.008-5wt％的合金焊料。
6.根据权利要求1所述的无铅焊料的减渣方法，其特征是，所述的包含Sn和P且P含量为0.008-5wt％的无铅焊料为包含Sn、Ag和P且P含量为0.008-5wt％的合金焊料。
7.根据权利要求1所述的无铅焊料的减渣方法，其特征是，所述的包含Sn和P且P含量为0.008-5wt％的无铅焊料为包含Sn、Cu、X和P且P含量为0.008-5wt％的合金焊料，其中X＝Ti、Ni、Si或Co。
8.根据权利要求1-7任一项所述的无铅焊料的减渣方法，其特征是，所述的一段时间为24-48小时。
9.根据权利要求8所述的无铅焊料的减渣方法，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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2009
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