CN101947701A - 一种高温低溶铜率无铅焊料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温低溶铜率无铅焊料，该无铅焊料以Sn为基体，还包括以下重量百分数含量的成分：3.5-8wt％Cu、2-6wt％Bi、1-3wt％Sb、0.005-0.1wt％P、0.008-0.2wt％Ga。本发明提供的无铅焊料具有以下技术效果：(1)在焊接温度高达400～480℃的情况下，仍具有极低的Cu溶解速度，使得在实施漆包线自熔漆搪锡过程中，具有很低的熔铜率，因此在电子元器件生产采用自熔漆搪锡工艺时，在400～480℃的高温下进行浸焊，不会造成漆包线导线被熔断，而且能够获得一层结合牢固、表面光滑的焊层以及结实的焊点；(2)在400-480℃工作温度下，保持了作业过程中高温液态焊料表面无锡渣或极少量锡渣产生，降低了焊料中Sn的损耗；(3)不含贵金属成分，大大降低成本，能够带来诱人的经济效益。

Description

一种高温低溶铜率无铅焊料

技术领域

本发明涉及一种无铅焊料，尤其是涉及一种高温低溶铜率无铅焊料。

背景技术

在电子领域的无铅化以来，世界各国针对各种工艺技术要求，推出各种各样的无铅焊料，如波峰焊料，表面贴装无铅锡膏，以及高低温浸焊用的低出渣量、低溶铜率、表面光亮细腻的焊料等。虽然有大量焊料成分合金，但目前依然存在的主要问题是焊接困难，尤其在高焊接温度下，更是困难。

目前对漆包线导线脱漆处理，普遍采用自熔漆搪锡工艺(而以往对导线漆皮采用机械剥除或药物溶解等法再焊接)，因此如何确保在高温熔漆时不使铜线被熔断，特别对细线径的漆包线，这就涉及到焊料组成的技术。研究铜的溶解机理，以及选择合适的金属元素以抑制铜溶解速率是多年来金属材料工作者的努力方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温低溶铜率无铅焊料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高温低溶铜率无铅焊料，其特征在于，该无铅焊料以Sn为基体，还包括以下重量百分数含量的成分：3.5-8wt％Cu、2-6wt％Bi、1-3wt％Sb。

下面对本发明所添加的元素作进一步的说明：

当焊料的溶入Cu量太高时，它会使焊料流动性变低，从而使焊接质量差，出现了大量的焊接缺陷，如搭桥，锡瘤，锡刺，凹坑等。为降低溶铜率，在焊料中加入Cu是一般抗溶铜焊料首先考虑的重要方面，经实践证明，Cu在焊料中含量与导线往焊料中的溶铜速率有着极大的关系。焊料中的Cu含量越大，焊料对Cu的溶解速率越小。而实际上影响Cu在液态焊料中的溶解的因素有三个，即Cu导线的浸入时间，液态焊料温度高低以及焊料中铜的含量大小。但是这里所述的浸入时间长短、液态焊料温度高低是工艺要求所决定的，不能随意更改，那只有对焊料中预先含Cu量的多少进行选择。根据Dybkoviso提出的Cu-Sn合金中铜溶入液态焊料的溶解速率公式：

$\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\κ}\frac{S}{V}(\mathrm{Cs}-C)$

式中：溶解速率：

κ-溶解常数

V-液态焊料体积；

S-接触面积；

Cs-在焊接温度下，铜在液态焊料的溶解度；

C-焊料的含铜量。

由上式可知：当C越大时，(Cs-C)的值就越小，从而可以抑制Cu的溶解度。可见，在焊料合金中可以用增多添加Cu来控制铜溶解度。但当Cu含量过高，则会恶化焊料可焊性。因此本发明中将Cu铜的含量控制在3.5-8wt％之间，使产品具有很低溶Cu速率同时，保持着优秀的扩散率。

在本发明提供的焊料组成中，还含有Sb，Bi两种元素，分别在对降低Cu溶解速率，以及提高焊接性能有补充的作用。发明人研究过在Sn-3Cu合金中Sb的含量对铜溶解入焊料的影响，发现当Sb含量为2wt％时，Cu的溶解率为最低值。可见，在焊料中加入Sb可以有效地降低Cu在液态焊料的溶解率。而从Cu-Bi二元合金相图可见，二元合金全过程中Bi与Cu是互不发生任何冶金反应，这有利于抑制Cu的溶解，而且在焊料中添加Bi可降低焊料合金的熔点，同时也改善焊料焊接时的流动性。

作为本发明的进一步改进，还包括有以下重量百分数含量的成分：0.005-0.1wt％P和0.008-0.2wt％Ga。在无铅焊料中添加微量抗渣元素P和Ga，可以使液态焊料在焊接过程中有极好的抗氧化作用。由于P和Ga在液态焊料焊接过程中分布在液面上，使得P和Ga与Sn、O₂等元素作用生成一层很薄又十分致密的含氧酸盐保护膜。该保护膜可阻碍O₂对焊料的氧化，使得焊料在焊接过程中处于新鲜状态，从而确保了焊点的质量，并能够防止大量Sn渣产生，确保焊料在相应温度下有着良好的抗渣效果，并降低了焊料中Sn的损耗。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明提供的无铅焊料在焊接温度高达400～480℃的情况下，仍具有极低的Cu溶解速度，使得在实施漆包线自熔漆搪锡过程中，具有很低的熔铜率，因此在电子元器件生产采用自熔漆搪锡工艺时，在400～480℃的高温下进行浸焊，不会造成漆包线导线被熔断，而且能够获得一层结合牢固、表面光滑的焊层以及结实的焊点。

(2)本发明提供的无铅焊料中添加了微量抗渣元素P和Ga，在400-480℃工作温度下，保持了作业过程中高温液态焊料表面无锡渣或极少量锡渣产生，降低了焊料中Sn的损耗。

(3)本发明提供的无铅焊料中不含贵金属成分，大大降低成本，能够带来诱人的经济效益。

具体实施方式

以下通过对比例以及实施例对本发明进行阐述，然而本发明的保护范围并非仅仅局限于以下实施例。所属技术领域的普通技术人员依据本发明公开的内容，均可实现本发明的目的。

本发明的无铅焊料采用以Sn为基体的无铅焊料的常规生产方法进行制备，各成分的重量百分数含量如以下实施例所示。

实施例1

Cu 3wt％    Bi 5wt％    Sb 2wt％    Sn 90wt％。

实施例2

Cu 5wt％    Bi 5wt％    Sb 2wt％    Sn 88wt％。

实施例3

Cu 8wt％    Bi 5wt％    Sb 2wt％    Sn 85wt％。

实施例4

Cu 5wt％    Bi 2wt％    Sb 2wt％    Sn 91wt％。

实施例5

Cu 5wt％    Bi 5wt％    Sb 2wt％    Sn 88wt％。

实施例6

Cu 5wt％    Bi 6wt％    Sb 2wt％    Sn 87wt％。

实施例7

Cu 7wt％    Bi 4wt％    Sb 1wt％    Sn 88wt％。

实施例8

Cu6wt％    Bi 3wt％    Sb 3wt％    Sn 88wt％。

实施例9

Cu 3.5wt％    Bi 3.5wt％    Sb 2.5wt％    Sn 90.5wt％。

实施例10

Cu 5wt％    Bi 5wt％    Sb 2wt％    P 0.008wt％    Ga 0.016wt％    Sn 87.976wt％。

实施例11

Cu 8wt％    Bi 6wt％    Sb 3wt％    P 0.005wt％    Ga 0.01wt％    Sn 82.985wt％。

实施例12

Cu 3wt％    Bi 2wt％    Sb 1wt％    P 0.1wt％    Ga 0.2wt％    Sn 93.7wt％。

实施例13

Cu 3.5wt％    Bi 4wt％    Sb 1.5wt％    P 0.05wt％    Ga 0.1wt％    Sn 90.85wt％。

实施例14

Cu 7wt％    Bi 3wt％    Sb 2.5wt％    P 0.01wt％    Ga 0.02wt％    Sn 87.47wt％。

实施例15

Cu 6wt％    Bi 4.5wt％    Sb 2wt％    P 0.06wt％    Ga 0.12wt％    Sn 87.32wt％。

实施例16

Cu 4wt％    Bi 3.5wt％    Sb 2wt％    P 0.006wt％    Ga 0.012wt％    Sn 90.482wt％。

对比例1

Cu 5wt％    Sn 95wt％。

对比例2

Cu 5wt％    Sb 1wt％    Sn 94wt％。

对比例3

Cu 5wt％    Sb 3wt％    Sn 92wt％。

对比例4

Cu 6wt％    Ag 2wt％    Sn 92wt％。

对比例5

Cu 6wt％    Ni 0.2wt％    Sn 93.8wt％。

以实施例1～6以及10与对比例1～5对在不同温度下的铜溶解率、扩散率以及抗渣效果进行对比试验。结果见表一、表二和表三。

其中，铜溶解率的测试方法：①将φ0.5mm的纯铜丝，经表面酸洗干净后，用千分尺重测线径尺寸，选择尺寸一致的铜线备用。②分别在所指的焊料中，在400℃，450℃，480℃将涂有助焊剂铜丝插入1s，3s。焊料温度控制±2℃范围。③将浸焊后的铜丝，用脱锡水，浸泡将锡层脱去，洗净，烘干。④再用千分尺测量铜丝尺寸。⑤按(S1-S2)/S1×100％计算。(S1：溶铜前铜丝面积；S2：溶铜后铜丝面积)

焊料的扩散率的测试方法JIS Z 3197，实验时使用的助焊剂为：专用助焊剂A10

抗渣实验的实验条件：浸焊炉，容量8kg，表面积16×8cm2；

刮渣频率：每30秒后刮一次(实际生产操作周期)；

刮渣次数：120次(时间1小时)。

表一：不同组成焊料在不同温度下铜的溶解率

表二不同合金成分对焊料扩散率影响

表三微量抗渣元素P，Ga对焊料抗渣影响

由表一试验数据，可知：焊料中铜含量大小，对铜溶解率是很明显的，铜含量越小，铜溶解率越大；焊料温度越高，铜溶解率越大；浸焊时间越长，铜溶解率越大。而本发明提供的无铅焊料相对于比较例1～5的焊料具有更低的溶铜率。

表二显示了本发明的无铅焊料具有最好的扩散率。而表三则说明了在无铅焊料中添加P和Ga两种元素可以得到良好的抗渣效果。

从实施例与所举的比较例对比的结果证明：本发明的无铅焊料在溶铜率及可焊性都优于比较例的无铅焊料，说明本发明的无铅焊料是一种溶铜率低，可焊性好的焊料合金。

Claims (2)

1.一种高温低溶铜率无铅焊料，其特征在于，该无铅焊料以Sn为基体，还包括以下重量百分数含量的成分：3.5-8wt％Cu、2-6wt％Bi、1-3wt％Sb。

2.根据权利要求1所述的高温低溶铜率无铅焊料，其特征在于，该无铅焊料还包括以下重量百分数含量的成分：0.005-0.1wt％P、0.008-0.2wt％Ga。