CN101817126A - 一种锡-锌系无铅焊料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量比：Zn7～9％；Ga0.1～2％；余量为Sn。上述锡-锌系无铅焊料是通过二步熔炼法制成的，其制备方法为：(1)将锡和锌按比例先制备成Sn-Zn中间合金，熔炼温度为380℃～420℃。(2)再将Sn-Zn中间合金熔化，熔化后降温至180℃～220℃时加入金属Ga。(3)待合金熔化后不断搅拌，使成分均匀，保温，冷却，浇铸成合金。本发明的Sn-Zn-Ga无铅焊料合金熔点低，具有比较优良的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件焊接及表面封装材料及其生产方法，特别涉及一种锡-锌系无铅焊料及其生产方法。
背景技术
由于电子行业中传统使用的锡铅焊料中含有害物质铅，污染环境，有损操作人员的健康，随着人们环保意识的增强，欧洲RoHS的制定使其逐渐被无铅环保焊料取代。
目前电子行业使用的无铅焊料主要有Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn几种体系，但与Sn-Pb共晶焊料相比，都有明显的不足。下列表1说明。
表1各种无铅焊料优缺点
| 无铅焊料体系 | 机械性能 | 拉伸强度 | 蠕变特性 | 延展性 | 熔点 | 润湿性 | 成本 | 其它 |
| Sn-Ag-Cu | 好 | 好 | 好 | 差 | 偏高30-40℃ | 差 | 同 | |
| Sn-Cu | 好 | 好 | 偏高30-40℃ | 差 | 低 | |||
| Sn-Zn | 好 | 好 | 好 | 差 | 低 | 易氧化，易腐蚀 | ||
| Sn-Bi | 好 | 好 | 差 | 偏低 |
从表中可看出：锡银铜系焊料虽然综合性能最佳，但存在熔点高、成本高等问题；锡铜系焊料虽然廉价但熔点高，使用效果不佳。因此，这两种焊料均难以满足市场需要。锡锌系焊料熔点与传统的锡铅焊料接近，具有良好的力学性能，成本低，是替代锡铅焊料的理想型无铅焊料。但锡锌系焊料中锌是一种易氧化元素，在空气中焊接时焊料熔体表面易于形成结构松散的Zno层，并漂浮在熔体表面，增加了合金表面的表面能，使熔体表面张力较大，焊料难于与基体润湿，导致锡锌系焊料润湿性、抗氧化性差；熔体表面的Zno在潮湿大气中或者含硫化物或含卤化物的环境中则易进一步生成Zn5(Co3)2(OH)6、、Zn5(OH)8Cl2.H2O、ZnSO4.nH2O等腐蚀产物，这些产物都易于溶解而被冲刷，对内部基体起不到保护作用，导致焊料抗腐蚀性差。因此，本领域的技术人员均在研究如何有效解决锡锌系无铅焊料存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锡-锌系无铅焊料，它能有效改善和提高锡锌系焊料的润湿性，且具有低熔点，低成本，综合性能优良的优点。
本发明的另一目的在于提供一种锡-锌系无铅焊料的生产方法，它能使所生产的锡-锌系无铅焊料具有以上优点。
本发明的技术方案为：
一种锡-锌系无铅焊料，其特征在于：其组分及含量为下述重量百分比：
Zn7～9％，Ga0.1～2％，余量为Sn。
作为对本发明的进一步发明改进，其组分及含量为下述重量百分比：Zn8％；Ga1％；余量为Sn。
上述的无铅焊料的生产方法，它是先将固体锡和固体锌在380℃～420℃的条件下熔炼，制成Sn-Zn中间合金，再将Sn-Zn中间合金熔化，熔化后降温至180℃～220℃时加入固体Ga使合金各成份混合均匀，保温，冷却，浇铸成合金。
作为对本发明的进一步发明改进，所述的Sn-Zn中间合金的重量百分比为：Sn85～95％，Zn5～15％。
本发明的有益效果在于：
本发明的Sn-Zn-Ga无铅焊料合金是采用合金化的方法在锡锌系合金中加入适量的Ga金属，以降低焊料的熔点和提高焊料的润湿性。其原理在于Ga元素的原子半径较大，对基体合金的晶格能起到破坏作用，可使合金晶格发生变化，从而降低焊料的熔点；添加Ga金属有利于抑制锡锌系焊料熔体表面锌的氧化，而提高焊料的润湿性能。本发明焊料的润湿性能明显优于现有技术中的Sn-Zn二元焊料合金；申请人通过实验检测证明，本发明所制备的Sn-Zn-Ga无铅焊料合金的熔点为193℃，较现有技术中Sn-Zn二元焊料合金的熔点(198℃)更低，能更好地与使用Sn-Pb焊料的生产工艺、设备兼容，可以用于耐热性较差的元器件焊接上，且具有比较优良的润湿性能和较低的生产成本。本发明所制备的无铅焊料既具有Sn-Zn二元焊料的优点又克服了它的缺点，是一种综合性能较优异的Sn-Zn系无铅焊料。
本发明的生产方法是先制备Sn-Zn中间合金、再向Sn-Zn中间合金熔体中添加Ga的二步熔炼法，它可以根据Sn、Zn的熔点确定中间合金熔炼所需温度，再根据Ga的熔点低于Sn、Zn的熔点温度的特点，确定较低的焊料配制温度，降低对熔炼设备的要求，节约能源，并使焊料合金成分混合均匀，含量准确。
具体实施方式
实施例1
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn7％；Ga2％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在400℃的条件下制成含5％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入333克纯Zn，待完全熔化后降温至200℃时加入18.5克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
实施例2
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn8％；Ga1％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在420℃的条件下制成含7％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入250克纯Zn，待完全熔化后降温至220℃时加入8.3克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
实施例3
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn7.5％；Ga1.5％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在420℃的条件下制成含9％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入100克Sn，待完全熔化后降温至220℃时加入10克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
实施例4
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn8.8％；Ga1.2％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在420℃的条件下制成含10％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入57克Sn，待完全熔化后降温至220℃时加入6.7克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
实施例5
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn8.5％；Ga1.8％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在420℃的条件下制成含10％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入59克Sn，待完全熔化后降温至220℃时加入10克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
实施例6
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn8％；Ga0.5％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在420℃的条件下制成含12％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入250克Sn，待完全熔化后降温至220℃时加入4.2克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
实施例7
配制500克锡-锌系无铅焊料，其组分及含量为下述重量百分比：Zn9％；Ga0.1％；余量为Sn。其生产方法为以下步骤：
(1)使用坩埚电阻炉将Sn和Zn按比例放入陶瓷坩埚中，在380℃的条件下制成含15％Zn，余量为Sn的Sn-Zn中间合金500克。
(2)将500克Sn-10％Zn中间合金放入陶瓷坩埚中熔化，熔化后加入333克Sn，待完全熔化后降温至180℃时加入0.93克Ga(按10％的烧损来计算)，并不断搅拌，使成分均匀。
(3)保温，冷却，浇铸成合金。
所得无铅焊料合金的熔点为193℃，用常规的电烙铁对Sn-Zn-Ga无铅焊料进行焊接实验，能顺利上锡和焊接。
Claims (4)
1.一种锡-锌系无铅焊料，其特征在于：其组分及含量为下述重量百分比：Zn7～9％，Ga0.1～2％，余量为Sn。
2.根据权利要求1所述的锡-锌系无铅焊料，其特征在于：其组分及含量为下述重量百分比：Zn8％，Ga1％，余量为Sn。
3.一种如权利要求1或2所述的无铅焊料的生产方法，其特征在于：先将固体锡和固体锌在380℃～420℃的条件下熔炼，制成Sn-Zn中间合金，再将Sn-Zn中间合金熔化，熔化后降温至180℃～220℃时加入固体Ga，待合金熔化后不断搅拌，使合金中的各成份混合均匀，保温，冷却，浇铸成合金。
4.根据权利要求3所述的无铅焊料的生产方法，其特征在于：所述的Sn-Zn中间合金的重量百分比为：Sn85～95％，Zn5～15％。
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