CN101914702A - 一种强化无铅钎料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种强化无铅钎料的制备方法，它涉及一种无铅钎料的制备方法。本发明解决现有Sn-58Bi共晶合金焊料仅通过添加第三元素的途径改善Bi元素的结晶粗化以提高焊料合金强度的问题。本发明方法：一、称取原料；二、将模具清理干燥后，将原料和覆盖剂添加至模具，进行熔炼得熔炼钎料；三、将熔炼钎料粉碎细化后，再与焊膏搅拌均匀后进行低温熔炼得强化无铅钎料。本发明的方法采用熔炼钎料重熔的方法实现了不添加第三元素，而达到改善Bi的结晶粗化，降低Bi的脆性的目的，得到的Sn-58Bi二元强化无铅钎料合金的抗弯强度达到165~171.3MPa。而且本发明工艺简单，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铅钎料的制备方法。
背景技术
长期以来，Sn-37Pb共晶合金焊料，因具有成本低、力学性能好、导电性强、工艺性好以及可焊性等优点而被广泛用于汽车业、电子工业等领域,已成为目前电子组装行业中主要的软钎焊材料。但是，Sn-Pb焊料中的Pb是危害人类健康和环境的有害物质之一。随着绿色运动的兴起，人们越来越重视铅对人类和环境的影响。许多国家相继提出有关法律，禁止铅的使用，欧盟通过的电子电气设备废弃法令(WEEE)明确规定，自2006年7月1日起，电子电气产品必须实现无铅化。因此，电子工业中迫切需要研制新的无铅焊料来代替传统的Sn-Pb焊料。
Sn-58Bi共晶合金焊料的熔点（熔点139℃）低于传统的Sn-37Pb焊料（熔点183℃），低熔点使其在分级封装中的外层封装和靠近对温度敏感的材料钎焊中有很大优势。由于Bi本身很脆,使得合金脆性大，延展性小。Bi在合金中易结晶形成粗大不规则的形状，特别是在长期高温工作时粗化更严重,导致合金塑性降低,甚至出现脆性破坏，从而严重影响焊接接头性能，因此细化晶粒降低合金的脆性，改善Sn-Bi合金的综合性能需要进一步研究。鉴于Sn-Bi合金的局限性,大多数研究人员通常采用添加第三元素减缓Bi的粗化，降低Bi的脆性，以改善合金性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有Sn-58Bi共晶合金焊料仅通过添加第三元素的途径改善Bi元素的结晶粗化以提高焊料合金强度的问题，本发明提供了一种强化无铅钎料的制备方法。
本发明一种强化无铅钎料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按质量百分比称取42%的Sn和58%的Bi；二、将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥，然后将步骤一称取的Sn和Bi放入井式电炉的模具中，再加入覆盖剂，然后设定熔炼参数为：加热温度为300~530℃，保温时间为25~35min，进行熔炼，再随炉冷却得熔炼钎料，其中覆盖剂由氯化钾与氯化锂以质量比1.3:1的比例混合，在熔炼过程中每5分钟搅拌一次；三、将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于1000目的熔炼钎料粉末；四、将步骤三得到的熔炼钎料粉末和助焊膏按8:2的质量比例混合并搅拌均匀，放入井式电炉中在165~185℃的条件下保温60~80s后取出，空冷即得强化无铅钎料。
本发明中Sn的质量纯度为99.999%、Bi的质量纯度为99.999%。本发明步骤三中对熔炼钎料的粉碎采用粉碎机即可实现。
现有无铅钎料的熔炼通常是先加入高熔点物质，然后再加入低熔点物质。但Sn、Bi的熔点差别小，且防止较高元素在熔炼过程中由于量少易氧化的弊端，本发明中将Sn和Bi同时加入进行熔炼，同时以氯化钾与氯化锂形成的共晶盐作为覆盖剂，以最大限度的减少金属的氧化和烧损。
本发明将步骤二得到的熔炼钎料（Sn-58Bi熔炼合金钎料）再粉碎细化后进行重熔，得到最终的强化无铅钎料，即Sn-58Bi钎料。得到的强化无铅钎料成分均匀，合金组织大幅度细化，改善了Bi粗化，降低Bi的脆性，使制备得到的强化无铅钎料合金的抗弯强度达到165~171.3MPa，比本发明步骤二得到的Sn-58Bi的熔炼钎料合金的抗弯强度（151.9MPa）提高了8.6%~12.8%。而且钎料总烧损系数小于0.1％。
本发明并不通过添加第三元素减缓Bi的粗化，而是一种工艺简单，操作方便的方法使Sn-58Bi合金的强度提高，达到改善合金性能的目的。本发明的方法可广泛应用于Sn-Ag、Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Zn、Sn-Ag-Cu等二元、三元及多元Sn基钎料合金中，也可应用于其它合金如Cu基、Ni基、Ag基钎料中。
附图说明
图1是具体实施方式十六中步骤二得到的熔炼钎料的组织形貌图；图2是具体实施方式十六得到的强化无铅钎料（Sn-58Bi钎料）的组织形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式强化无铅钎料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按质量百分比称取42%的Sn和58%的Bi；二、将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥，然后将步骤一称取的Sn和Bi放入井式电炉的模具中，再加入覆盖剂，然后设定熔炼参数为：加热温度为300~530℃，保温时间为25~35min，进行熔炼，再随炉冷却得熔炼钎料，其中覆盖剂由氯化钾与氯化锂以质量比1.3:1的比例混合，在熔炼过程中每5分钟搅拌一次；三、将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于1000目的熔炼钎料粉末；四、将步骤三得到的熔炼钎料粉末和助焊膏按8:2的质量比例混合并搅拌均匀，放入井式电炉中在165~185℃的条件下保温60~80s后取出，空冷即得强化无铅钎料。
本实施方式并不通过添加第三元素减缓Bi的粗化，而是采用熔炼钎料再低温重熔的方法实现了不添加第三元素，而达到改善Bi的结晶粗化，降低Bi的脆性，改善合金性能的目的，是一种简单，方便的方法。本实施方式的方法得到的强化无铅钎料的抗弯强度达到165~171.3MPa。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中Sn的质量纯度为99.999%、Bi的质量纯度为99.999%。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥的具体操作方式为：用砂纸将模具打磨，然后用去离子水清洗干净后，再烘干即可。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
本实施方式对模具进行处理的原因是：浇铸过程中，由于锡遇水会产生炸锡现象，故一定要确保模具干燥，同时为避免污染，必须保持模具的干净。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤二和步骤四中的井式电炉为洛阳天创实验电炉厂生产的JKS-1J井式电炉。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中加热温度为320~500℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中加热温度为350~450℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中加热温度为400℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中保温时间为28~32min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中保温时间为30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中焊膏为焊膏Flux 55。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中放入井式电炉中在170~180℃的条件下保温65~75s后取出。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中放入井式电炉中在170℃的条件下保温70s后取出。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是步骤三中将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于800目的熔炼钎料粉末。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式强化无铅钎料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按质量百分比称取42%的Sn和58%的Bi；二、将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥，然后将步骤一称取的Sn和Bi放入井式电炉的模具中，再加入覆盖剂，然后设定熔炼参数为：加热温度为350℃，保温时间为30min，进行熔炼，再随炉冷却得熔炼钎料，其中覆盖剂由氯化钾与氯化锂以质量比1.3:1的比例混合，在熔炼过程中每5分钟搅拌一次；三、将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于1000目的熔炼钎料粉末；四、将步骤三得到的熔炼钎料粉末和助焊膏Flux 55按8:2的质量比例混合并搅拌均匀，放入井式电炉中在165℃的条件下保温80s后取出，空冷即得强化无铅钎料。
本实施方式得到的强化无铅钎料为Sn-58Bi二元合金。步骤三中粉碎采用粉碎机进行。
本实施方式对得到的强化无铅钎料Sn-58Bi二元合金进行弯曲性能测试，测试方法为：将得到的钎料合金线切割成三点弯曲试样，尺寸为长21 mm、宽4.5 mm和高0.6mm。所用试验仪器为INSTRON MODEL 1186电子万能试验机，压头移动速率为2mm/min。测试得到强化无铅钎料二元合金的弯曲强度为165MPa。采用上述相同的弯曲性能测试方法对步骤二得到的熔炼钎料合金进行测试，得熔炼钎料的弯曲强度为151.9MPa。本实施方式得到的强化无铅钎料Sn-58Bi二元合金的弯曲强度比熔炼钎料合金的弯曲强度提高了8.6%。
具体实施方式十五：本实施方式强化无铅钎料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按质量百分比称取42%的Sn和58%的Bi；二、将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥，然后将步骤一称取的Sn和Bi放入井式电炉的模具中，再加入覆盖剂，然后设定熔炼参数为：加热温度为530℃，保温时间为30min，进行熔炼，再随炉冷却得熔炼钎料，其中覆盖剂由氯化钾与氯化锂以质量比1.3:1的比例混合，在熔炼过程中每5分钟搅拌一次；三、将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于1000目的熔炼钎料粉末；四、将步骤三得到的熔炼钎料粉末和焊膏Flux 55按8:2的质量比例混合并搅拌均匀，放入井式电炉中在180℃的条件下保温60s后取出，空冷即得强化无铅钎料。
本实施方式得到的强化无铅钎料为Sn-58Bi二元合金。步骤三中粉碎采用粉碎机进行。
采用具体实施方式十三中所述弯曲性能测试方法对本实施方式的强化无铅钎料进行弯曲性能测试，测试结果为弯曲强度达到170.2MPa，比熔炼钎料合金的弯曲强度（151.9MPa）提高了12%。
具体实施方式十六：本实施方式强化无铅钎料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按质量百分比称取42%的Sn和58%的Bi；二、将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥，然后将步骤一称取的Sn和Bi放入井式电炉的模具中，再加入覆盖剂，然后设定熔炼参数为：加热温度为300℃，保温时间为30min，进行熔炼，再随炉冷却得熔炼钎料，其中覆盖剂由氯化钾与氯化锂以质量比1.3:1的比例混合，在熔炼过程中每5分钟搅拌一次；三、将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于1000目的熔炼钎料粉末；四、将步骤三得到的熔炼钎料粉末和焊膏Flux 55按8:2的质量比例混合并搅拌均匀，放入井式电炉中在170℃的条件下保温70s后取出，空冷即得强化无铅钎料。
本实施方式得到的强化无铅钎料为Sn-58Bi二元合金。步骤三中粉碎采用粉碎机进行。
采用具体实施方式十三中所述弯曲性能测试方法对本实施方式的强化无铅钎料进行弯曲性能测试，测试结果为弯曲强度达到171.3MPa，比熔炼钎料合金的弯曲强度（151.9MPa）提高了12.8%。
本实施方式对步骤二得到的熔炼钎料合金和步骤四经过低温重熔后得到的强化无铅钎料（Sn-58Bi二元合金钎料）分别用金相显微镜进行组织形貌观察，得到的金相显微照片分别如图1和图2所示。对比图1和图2可知，将熔炼钎料合金粉碎细化后重熔得到的强化无铅钎料（Sn-58Bi二元合金）的组织更加细化均匀，Bi元素结晶大幅度细化，使Bi的脆性降低，强化无铅钎料的弯曲性能得到很大的提高，弯曲强度达171.3MPa。
Claims (10)
1.一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于强化无铅钎料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按质量百分比称取42%的Sn和58%的Bi；二、将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥，然后将步骤一称取的Sn和Bi放入井式电炉的模具中，再加入覆盖剂，然后设定熔炼参数为：加热温度为300~530℃，保温时间为25~35min，进行熔炼，再随炉冷却得熔炼钎料，其中覆盖剂由氯化钾与氯化锂以质量比1.3:1的比例混合，在熔炼过程中每5分钟搅拌一次；三、将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于1000目的熔炼钎料粉末；四、将步骤三得到的熔炼钎料粉末和助焊膏按8:2的质量比例混合并搅拌均匀，放入井式电炉中在165~185℃的条件下保温60~80s后取出，空冷即得强化无铅钎料。
2. 根据权利要求1所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤一中Sn的质量纯度为99.999%、Bi的质量纯度为99.999%。
3. 根据权利要求1或2所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤二中将井式电炉的模具清洗干净后，再干燥的具体操作方式为：用砂纸将模具打磨，然后用去离子水清洗干净后，再烘干即可。
4. 根据权利要求3所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤二中加热温度为350~450℃。
5. 根据权利要求3所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤二中加热温度为300℃。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤二中保温时间为28~32min。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤三中将步骤二得到的熔炼钎料粉碎，然后分筛，得粒度细于800目的熔炼钎料粉末。
8.根据权利要求6所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤四中焊膏为焊膏Flux 55。
9.根据权利要求1、2、4、5或8所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤四中放入井式电炉中在170~180℃的条件下保温65~75s后取出。
10.根据权利要求1、2、4、5或8所述的一种强化无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤四中放入井式电炉中在170℃的条件下保温70s后取出。
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