CN102107339A

CN102107339A - 一种低银无铅焊料合金

Info

Publication number: CN102107339A
Application number: CN2009102142913A
Authority: CN
Inventors: 徐金华; 马鑫; 吴建雄; 吴家家
Original assignee: DONGGUAN CITY YIK SHING TAT INDUSTRIAL Co Ltd; YICHENGDA INDUSTRIAL Co Ltd SHENZHEN CITY
Current assignee: DONGGUAN CITY YIK SHING TAT INDUSTRIAL Co Ltd; YICHENGDA INDUSTRIAL Co Ltd SHENZHEN CITY
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明公开了一种低银无铅焊料合金。该合金以重量百分含量计由以下化学成分组成：Ag 0.01～1.0wt％，Cu 0.1～3.0wt％，Ni 0.001～0.1wt％，P 0.001～0.1wt％，Sn为余量。进一步优化Ni的含量为0.005～0.08wt％，进一步优化P的含量为0.005～0.08wt％。并可进一步添加Ga元素。该焊料合金的特点在于相对于普通无铅成分Sn3.0Ag0.5Cu合金由于银含量使用低，降低了原材料成本，由于添加并优化了Ni和P等元素的含量，该合金能够有效降低波峰焊中过程中元器件焊盘铜元素向锡炉的溶解，较少更换锡炉中焊料的频率，延长了焊料的使用寿命，为生产线节省了使用成本。

Description

一种低银无铅焊料合金

技术领域

本发明涉及一种无铅焊料合金，特别涉及波峰焊用低银无铅焊料合金。

背景技术

电子组装行业实现无铅化制程转换后，在波峰焊制程中普遍使用的无铅焊料合金由传统的Sn-37Pb转变成由Sn-Cu组成的二元合金和Sn-Ag-Cu组成的三元合金。

无铅化制程转变后给电子工艺技术带来了新的问题：

问题一是，工艺温度的提高对组装中耐热件的考验。

传统的Sn-37Pb为共晶成分合金，熔点183℃，而Sn0.7Cu为Sn-Cu系共晶合金，熔点227℃，以Sn-Ag-Cu系为主的焊料合金主要有Sn3.8Ag0.7Cu、Sn3.0Ag0.5Cu、Sn1.0Ag0.5Cu、Sn0.3Ag0.7Cu，熔点为217～227℃，对于常规的波峰焊工艺，实际的工作温度一般都要设置为高于焊料熔点温度30～50℃。

对于使用无铅焊料而言，锡槽温度就要高达260～270℃，如果温度再升高将会有很多的元器件因为热的左右被损伤。

问题二是，铜的溶解问题。

对于波峰焊工艺中，由于使用的无铅焊料合金大部分为Sn-Cu或SnAgCu系合金，合金中铜的含量都比较少，约为0.5～0.7wt％，而焊盘或引脚大多为铜成分组成，在焊接的过程中，焊盘或引脚上的铜元素会不断的向锡槽中溶解，导致锡槽中的焊料的铜含量升高，成分发生变化，熔点升高，流动性变恶劣，焊接不良率升高，焊点可靠性变差。

为了解决该问题，现有技术中常用的解决办法是定期地从锡槽中取样化验根据其中的铜含量来添加Sn-Ag合金来稀释，并且稀释一定次数后该批锡槽焊料需要重新更换为新焊料。

问题三是，由于焊料熔点的升高导致用电量的消耗增加而引起成本方面的增加。

国内电子组装行业的焊料的研究起步较晚，主要是使用目前不受专利限制的二元共晶成分合金Sn0.7Cu，针对焊料铜溶解的问题，国内的研究成果较少。日本Nihon公司对在Sn0.7Cu合金中添加元素Ni等元素的研究较多，根据研究结果表明，添加元素Ni可以有效降低焊料的铜溶解量，从而改善焊料的流动性。该公司并就Sn0.7CuNi和Sn0.7CuNiGe申请了专利，专利号为JPNNO.3152945/US6180055。

但目前国内外针对Ni等元素对Sn-Ag-Cu系列合金的在铜溶解方面的研究较少。

发明内容

本发明提供了一种适合于波峰焊和手工浸焊用的低成本的高性能的无铅焊料合金。它解决了现有Sn-(3.0～4.0)Ag-(0.5～0.7)Cu系列焊料合金成本偏高的问题，同时又解决了波峰焊中一直存在的铜溶解至铜含量升高的问题，既节省了原料成本又延长了焊料的使用寿命。

本发明的无铅焊料合金以重量百分含量计由以下化学成分组成：Ag0.01～1.0wt％，Cu 0.1～3.0wt％，Ni 0.001～0.1wt％，P 0.001～0.1wt％，Sn为余量。在该焊料合金中还可进一步添加合金元素Ga，以重量百分比计为0～0.5wt％。

本发明所涉及的焊料合金成分中不添加Pb元素，Pb的存在只以杂质元素的形式存在，在原材料的选择中控制Pb杂质的含量在300PPM以下。

本发明所涉及的无铅焊料合金通过熔点测试，可焊性测试、铜溶解测试及金属性能测试，并同目前无铅电子组装中主流使用的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料合金进行对比。本发明所涉及的焊料合金达到了无铅电子组装的要求，可以作为无铅焊料合金替代传统的Sn-Pb合金使用。

并且，本发明所涉及的焊料合金还具有以下特点：

一、成本降低，其成本相对于Sn-3.0Ag-0.5Cu合金成本降低了30～40％。

二、有效拟制铜溶解，延长无铅焊料的使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明对比例中对比例和各施例提供的低银无铅焊料合金的润湿性能的比示意图；

图2本发明对比例中对比例和实施例提供的低银无铅焊料合金的溶铜量的比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在以下的描述中，所有关于焊料合金组分的百分数均为重量百分数。

实施例1：

无铅焊料合金组成及元素重量百分含量如下：Ag：0.01wt％，Cu：3.0wt％，Ni：0.1wt％，P：0.1wt％，Ga：0.02％，Sn为余量。

实施例2：

无铅焊料合金元素组成的重量百分含量如下：Ag：0.5wt％，Cu：0.7wt％，Ni：0.02wt％，P：0.02wt％，Sn为余量。

实施例3：

无铅焊料合金元素组成重量百分含量如下：Ag：1.0wt％，Cu：0.1wt％，Ni：0.001wt％，P：0.001wt％，Ga：0.08％，Sn为余量。

对比例：

Sn-Ag-Cu焊料合金系中典型的无铅焊料合金Sn3.0Ag0.5Cu，其化学元素组成：Ag：3.0wt％，Cu：0.5wt％，Sn为余量。

(一)熔点测试(差热分析)

试验按照日本工业标准JIS Z 3198《无铅焊料试验方法》中第1部分：“熔化温度范围测定方法”，对所有实施例和对比例的无铅焊料合金采用差热分析仪进行熔点测试，测试结果见表一。

表一：各实施例和对比例提供的焊料合金的熔点测试结果

焊料合金	实施例1	实施例2	实施例3	对比例
					熔点(℃)	225.9	220.7	220.1	217.5

实施例1、实施例2和实施例3所描述的焊料合金熔点都较对比例所描述的焊料合金要高，约有3-8℃的温差。这主要是由Ag元素和铜元素含量不同引起的，在0～3.0wt％范围内随着Ag的含量的增加焊料合金的熔点随之降低。

(二)润湿试验(可焊性试验)

按照日本工业标准JIS Z3198“无铅焊料试验方法”中第4部分“基于润湿平衡法及接触角法的润湿性试验方法”对所有实施例和对比例的无铅焊料合金采用润湿平衡仪进行润湿性测试。测试基材为无氧铜片，使用亿铖达公司无卤素型助焊剂NH-4，测试条件及参数如表二、三，测试结果见图1。

表二：各实施例和对比例提供的焊料合金的可焊性条件参数

项目	温度	浸入深度	浸入速度	测试时间
					参数	250℃	2mm	5mm/s	10s

润湿平衡曲线中曲线与横坐标的交叉时间代表焊料合金的润湿时间(T0)，它与曲线的最大润湿力(Fmax)共同表征出焊料合金的润湿能力，润湿时间越短、润湿力越大，表明软钎焊料合金的润湿性越好。

实施例1所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为1.41s和2.34mN，实施例2所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为1.02s和2.97mN，实施例3所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为1.10s和3.05mN。对比例1所描述的焊料合金的润湿时间和润湿力分别为0.65s和3.45mN。

在润湿力方面，实施例2和实施例3的数值接近对比例1，在润湿时间值方面，实施例1，实施例2和实施3的数值都较对比例大。这是由于银含量较低的原因引起的。相比而言，实施例2和实施例3更接近对比例。接近的润湿力和相接近的润湿时间反映了本发明所涉及的无铅焊料合金在润湿性能方面接近典型的Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料合金。

表三：各实施例和对比例提供的焊料合金的润湿性能的比较

序号	最大润湿力Fmax/mN	润湿时间T0/s
			实施例1	2.34	1.41
实施例2	2.97	1.02
			实施例3	3.05	1.10
对比例	3.45	0.65

(三)铜溶解测试(半小时溶铜量)

试验方法：将所有实施例和对比例焊料合金分别置于锡槽中，设定锡槽温度为245±3℃，至焊料合金熔化，并且温度稳定，刮开焊料表面氧化层，取固定长度和固定线径的铜线浸入熔化的焊料中并保持相同的时间(30min)后取出。搅拌钎料，空冷放置至焊料凝固。使用直度光谱仪测焊料溶铜后的焊料合金中铜元素百分含量，计算其铜的增量，计为30分钟熔铜量。所有实施例和对比例所涉及的焊料合金的30分钟溶铜量数据如表四和图2所示。

表四：各对比例和实施例提供的焊料合金的溶铜量

焊料合金	30分钟溶铜量(％)
		实施例1	0.4012
实施例2	0.3656
		实施例3	0.3186
对比例1	0.5108

从表四和图2可见，对比例的30分钟溶铜量达到0.5018，而所有实施例的30分钟溶铜量都相对于对比例有减小。实施例的30分钟溶铜量相比对比例下降了37.63％。由此可见，本发明所涉及的焊料合金可以有效降低铜的溶解量。

(四)价格对比

随之电子技术的发展、电子产品的普及金属原料的价格的上涨，电子组装行业的竞争也越来越剧烈，并由以前的技术竞争转变为现在技术和价格的双重竞争。并且，国际原油的价格一路飙升，原材料的开采和运输成本也随之增加。因此电子制造商不得不考虑以降低产品生产成本来维持日益降低的企业利润。

根据2009年11月30日有色金属网公布的价格计算，实施例1、实施例2、实施例3和对比例所涉及的无铅焊料合金的人民币成本价格列于表五。

实施例1、实施例2和实施例3所涉及的焊料合金成本的价格分别为对比例的比值分别为0.550、0.584和0.636。实施例所涉及的焊料合金相对于对比例可以节省30％-40％之间的原料成本。

表五：各实施例和对比例所提供的焊料合金的成本价对比表

	价格/元(RMB)	同对比例成本的比值
			实施例1	127	0.550
实施例2	135	0.584
			实施例3	147	0.636
对比例	231	1

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种低银无铅焊料合金，其特征在于，

所述焊料合金按重量百分含量由以下化学成分组成：Ag 0.01～1.0wt％，Cu0.1～3.0wt％，Ni 0.001～0.1wt％，P 0.001～0.1wt％，Sn为余量。

2.根据权利要求1所述的低银无铅焊料合金，其特征在于，

所述焊料合金中Ni的重量百分含量为0.005～0.05wt％。

3.根据权利要求1所述的低银无铅焊料合金，其特征在于，

所述焊料合金中P的重量百分含量为0.005～0.05wt％。

4.根据权利要求1所述的低银无铅焊料合金，其特征在于，

所述焊料合金可进一步添加重量百分含量为0～0.5wt％的Ga。