CN101564803B - 一种无银的锡铋铜系无铅焊料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种无银的锡铋铜系无铅焊料及其制备方法，涉及无铅焊料的制备技术领域，由锡、铋、铜、稀土元素铈及镍组成，按重量百分比计，含铋1～6.5％、含铜0.5～0.8％、含铈0.01～0.1％、含镍0.01～0.2％，余量为锡，按比例称取精锡锭、纯铋、及Sn-Cu、Sn-Ce、Sn-Ni中间合金锭，先将锡锭熔化，然后再依次加入纯铋、Sn-Cu、Sn-Ce、Sn-Ni中间合金锭，待完全熔化且成分均匀后浇注成焊料锭或其他形状的焊料坯料。本发明提供的无银的锡铋铜系无铅焊料不仅具有良好的焊接性能、机械力学性能，更具有成本低廉的优势。
Description
技术领域
本发明涉及无铅焊料的制备技术领域，特指一种无银的锡铋铜系无铅焊料及其制备方法。
背景技术
长期以来，近共晶Sn-Pb焊料(共晶成分为Sn-37Pb)以其焊接性能好，在Cu基上的润湿性能良好，熔点低，价格也较适宜而一直被广泛地运用于现代电子线路板的连接和组装中。但由于Pb及其化合物的剧毒性对人类健康和生活环境的危害，人类如果长期接触会给生活环境和安全带来较大的危害。现存的含铅焊料的替代品问题已破在眉睫。作为一种新型的无铅电子封装焊料，应具有工艺性能好、工艺良品率高、焊点可靠性好、成本低廉，无毒性等特点。
根据以上要求，目前大多数的无铅焊料都是以Sn为基础成分来发展的，主要有Sn-Ag系，Sn-Zn系，Sn-Bi系，Sn-Cu系四大体系中。这些体系中大多加入了Bi，In，Al，Ag，Cu，Mg，Cr，Ni，Mn和Re等合金元素构成三元或四元合金等焊料。Sn-Zn系焊料的优点为熔点较低、延展性和抗抗强度及蠕变性能都与传统的锡铅焊料相似，成本较低，目前主要存在的问题就是焊料的湿润能力差。Sn-Bi系焊料可以实现很低的熔点，但是其可靠性限制了其适用范围。Sn-Cu系焊料虽然熔点比较高(227℃)，但是以Sn-Ag-Cu系为代表的无铅焊料因具有优异的焊接性能、力学性能、抗氧化性能等而成为目前使用最广的无铅焊料。但Sn-Ag-Cu系因为含有贵重的银而成本太高，越来越多的无银Sn-Cu系焊料的研发应用得到迅猛的发展。如中国专利CN101014726提出了一种含钴的Sn-Cu焊料；专利CN1721123提出了一种含铈、镍元素的Sn-Cu焊料；专利CN1806997提出了含镍、铟、磷的Sn-Cu焊料；这些专利所保护的焊料在焊接性能尤其是熔点没有优越性。而中国专利CN1927525提出了含有很高比例铋元素的Sn-Cu焊料可以实现较低的熔点，但是高铋含量所带来的脆性则不容忽视。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述的缺点，提供一种无银的锡铋铜系无铅焊料及其制备方法，借助合金化元素铋显著降低熔点的同时，镍与铈的共同作用使得焊料不仅具有良好的焊接性能、机械力学性能，更具有成本低廉的优势。
一种无银的锡铋铜系无铅焊料，其特征在于：由锡、铋、铜、稀土元素铈及镍组成，按重量百分比计，含铋1～6.5％、含铜0.5～0.8％、含铈0.01～0.1％、含镍0.01～0.2％，余量为锡。
上述的一种无银的锡铋铜系无铅焊料，其特征在于：铋含量优选为5％，铜含量优选为0.7％，铈含量优选为0.1％，镍含量优选为0.15％，余量为锡。
上述无银的锡铋铜系无铅焊料的制备方法，具体步骤如下：
1.借助惰性气体保护炉或在真空炉内熔化按比例称重的精锡锭，然后加入称量好的合金元素铜，待合金完全熔化浇注成Sn-Cu中间合金锭。
2.借助惰性气体保护炉或在真空炉内熔化按比例称重的精锡锭，然后加入称量好的合金元素铈，待合金完全熔化浇注成Sn-Ce中间合金锭。
3.借助惰性气体保护炉或在真空炉内熔化按比例称重的精锡锭，然后加入称量好的合金元素镍，待合金完全熔化浇注成Sn-Ni中间合金锭。
4.按比例称取精锡锭、纯铋、及按照步骤1至3制备的Sn-Cu、Sn-Ce、Sn-Ni中间合金锭，先将锡锭熔化，然后再依次加入纯铋、Sn-Cu、Sn-Ce、Sn-Ni中间合金锭，待完全熔化且成分均匀后浇注成焊料锭或其他形状的焊料坯料。
本发明与现有技术相比较，具有以下优势和改进成果。
1.适中的铋元素加入量，比未添加铋元素的Sn-Cu系无铅焊料具有更低的熔点。
2.适中的Bi元素加入量，可以避免因高铋元素加入量所带来的脆性、塑性及可靠性的下降。
3.加入适量的铈元素，可以使合金的显微组织得到细化，在机械和力学性能上得到提高，但对焊料合金的熔点和润湿性不会带来影响。
4.加入适量的镍元素，在对熔点则没有明显的影响的前提下，显著提高焊料合金的机械和力学性能。
5.由于合金中没有贵金属Ag等的加入，以及Bi元素加入量的降低，都使得焊料合金的成本得到降低，因此本焊料合金在各方面性能及生产成本上具有综合性能上优势。
6.中间合金采用重量百分比Sn-10％Cu、Sn-2.5％Ce、Sn-1％Ni配比，方便目标焊料成分的精确配料。
具体实施方式
在真空或惰性气氛保护条件下熔炼中间合金。中间合金的制备方法如下：
锡铜中间合金：将含锡为99.9％的精锡和含铜为99.95％的精铜按9∶1的质量比配制。
锡铈中间合金：将含锡为99.9％的精锡和含铈为99.5％的纯铈按97.5∶2.5的质量比配制。
锡镍中间合金：将含锡为99.9％的精锡和含镍为99.99％的电解镍按99∶1的质量比配制。
制备完成中间合金后，通过中间合金制备本发明的最终产品。
按照本发明的成分配比表称取纯锡、纯铋、锡铜中间合金、锡铈中间合金、锡镍中间合金，将纯锡熔化后加入称量好的纯铋、锡铜中间合金、锡铈中间合金、锡镍中间合金，并升温至400℃进行熔炼，经充分搅拌后浇入钢模铸成焊料合金锭。
实施例1
按照本发明的无铅焊料成分配比表1所示的3号焊料。按照合计配料1000克，则称取SnCu10中间合金70克，纯铋10克，SnCe2.5中间合金8克，SnNi1中间合金30克，余量锡料882克。按照先熔化纯锡及铋，后添加中间合金的原则可以方便的制备出目标焊料。该无银的无铅焊料熔点约221℃，铺展性与广泛使用的SnAg3Cu0.5焊料相当，力学性能更优，焊点拉伸及剪切强度均更优。
实施例2
按照本发明的无铅焊料成分配比表1所示的4号焊料。按照合计配料1000克，则称取SnCu10中间合金65克，纯铋30克，SnCe2.5中间合金12克，SnNi1中间合金60克，余量锡料833克。按照先熔化纯锡及铋，后添加中间合金的原则可以方便的制备出目标焊料。该无银的无铅焊料熔点约218℃，铺展性与广泛使用的含银SnAg3Cu0.5焊料相当，力学性能更优，焊点拉伸及剪切强度均更优。
实施例3
按照本发明的无铅焊料成分配比表1所示的5号焊料。按照合计配料1000克，则称取SnCu10中间合金55克。纯铋50克。SnCe2.5中间合金24克，SnNi1中间合金120克，全量锡料751克。按照先熔化纯锡及铋后添加中间合金的原则可以方便制备出目标焊料。该无银的无铅焊料熔点约215℃。铺展性与广泛使用的含银SnAg3Cu0.5焊料相当，力学性能更优，焊点拉伸及剪切强度均更优。
表1本发明的无铅焊料成分配比表
| 编号 | Cu | Bi | Ce | Ni | Ag | Sn | 备注 |
| 1# | 0.7 | / | / | / | / | 余量 | 对比样 |
| 2# | 0.4 | / | / | / | 3 | 余量 | 对比样 |
| 3# | 0.7 | 1 | 0.01 | 0.03 | 余量 | ||
| 4# | 0.65 | 3 | 0.05 | 0.1 | 余量 | ||
| 5# | 0.55 | 5 | 0.1 | 0.2 | 余量 |
将上述实施案例根据国家标准GB/T 20422-2006进行测试，各项性能指标如下(表2)：
| 案例编号 | 熔点(℃) | 焊点剪切(Mpa) | 铺展率(％) |
| 1# | 227 | 29.7 | 67 |
| 2# | 220 | 36 | 76 |
| 3# | 221 | 37.5 | 77 |
| 4# | 218 | 42.1 | 79 |
| 5# | 215 | 43.5 | 78 |
Claims (6)
1.一种无银的锡铋铜系无铅焊料，其特征在于：由锡、铋、铜、稀土元素铈及镍组成，按重量百分比计，含铋5％、含铜0.55％、含铈0.06％、含镍0.12％，余量为锡。
2.一种无银的锡铋铜系无铅焊料，其特征在于：由锡、铋、铜、稀土元素铈及镍组成，按重量百分比计，含铋3％、含铜0.65％、含铈0.03％、含镍0.06％，余量为锡。
3.如权利要求1或2所述的一种无银的锡铋铜系无铅焊料的制备方法，其特征在于：
(1)借助惰性气体保护炉或在真空炉内熔化按比例称重的精锡锭，然后加入称量好的合金元素铜，待合金完全熔化浇注成Sn-Cu中间合金锭；
(2)借助惰性气体保护炉或在真空炉内熔化按比例称重的精锡锭，然后加入称量好的合金元素铈，待合金完全熔化浇注成Sn-Ce中间合金锭；
(3)借助惰性气体保护炉或在真空炉内熔化按比例称重的精锡锭，然后加入称量好的合金元素镍，待合金完全熔化浇注成Sn-Ni中间合金锭；
(4)按比例称取精锡锭、纯铋、及按照步骤1至3制备的Sn-Cu、Sn-Ce、Sn-Ni中间合金锭，先将锡锭熔化，然后再依次加入纯铋、Sn-Cu、Sn-Ce、Sn-Ni中间合金锭，待完全熔化且成分均匀后浇注成焊料锭或其他形状的焊料坯料。
4.如权利要求3所述的一种无银的锡铋铜系无铅焊料的制备方法，其特征在于：锡铜中间合金是将含锡为99.9％的精锡和含铜为99.95％的精铜按9∶1的质量比配制。
5.如权利要求3所述的一种无银的锡铋铜系无铅焊料的制备方法，其特征在于：锡铈中间合金是将含锡为99.9％的精锡和含铈为99.5％的纯铈按97.5∶2.5的质量比配制。
6.如权利要求3所述的一种无银的锡铋铜系无铅焊料的制备方法，其特征在于：锡镍中间合金将含锡为99.9％的精锡和含镍为99.99％的电解镍按99∶1的质量比配制。
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