CN102862000A

CN102862000A - 含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料

Info

Publication number: CN102862000A
Application number: CN2012103444132A
Authority: CN
Inventors: 顾立勇; 顾文华; 顾建昌
Original assignee: HUAYIN WELDING MATERIAL CO Ltd CHANGSHU CITY
Current assignee: HUAYIN WELDING MATERIAL CO Ltd CHANGSHU CITY
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: CN102862000B

Abstract

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，属于金属材料类及冶金领域的钎焊材料。其组成为按质量百分比的6.0~10.5%的Zn，0.005~0.5%的Nd，0.005~0.05%的Ga，0.001~0.01%的Te，余量为Sn。优点：由于合理控制了Nd、Ga和Te的加入量，因而可使钎料熔点低于或等于Sn-Zn二元合金的熔点；由于加入了Te，因此可显著地提高Sn-Zn无铅钎料的抗氧化性能；由于Ga与Te取量合理，因而具有极佳的润湿性能和铺展性能；配合市售的RMA钎剂，钎缝力学性能可达到65MPa～90MPa；由于钎料中不含有RoHS指令限制使用的有害元素，因而能体现绿色环保。

Description

含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料

技术领域

本发明涉及一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，属于金属材料类及冶金领域的钎焊材料。主要用于电子行业元器件的组装及封装，是一种钎焊性能（如润湿性能）良好、焊点（钎缝）力学性能优良的新型绿色、环保型无铅钎料。

背景技术

随着RoHS（The Restriction of the Use of certain Hazardous Substance in Electrical and Electronic Equipment）指令的生效，锡铅钎料的替代问题一直是电子行业技术人员研究的热点。目前具有代表性的无铅钎料有Sn-Ag-Cu、Sn-Cu和Sn-Cu-Ni等合金系，这种合金系无铅钎料各有所长，但是与锡铅钎料相比，在钎料成本和钎料熔点等方面仍有一定的差距。Sn-Zn系钎料具有熔点以及原材料成本均低于Sn-Ag-Cu、Sn-Cu和Sn-Cu-Ni系钎料的长处，特别是Sn-Zn钎料熔点非常接近锡铅钎料，但是由于Sn-Zn系钎料润湿性能较差，因此目前还难以应用于工业化生产，仍需研究改进。

近年来国内外在Sn-Zn基础上开发出了“Sn-Zn-Ga-Ce无铅钎料”（中国发明专利申请公开号，CN101269446A）、“一种锡锌基无铅钎料合金”（中国发明专利申请公开号，CN101585120A）、“一种Sn-Zn系无铅钎料合金及其制备方法”（中国发明专利申请公开号，CN101058131A）以及“锡锌基含稀土元素的无铅钎料合金”（中国发明专利申请公开号，CN1390672A）等多种“多元合金体系”的Sn-Zn钎料，它们与二元Sn-Zn合金相比在某些性能上有所改善，但在综合性能上还是不如传统的Sn-Pb钎料，因此，Sn-Zn系钎料仍需进一步改进。为此本申请人作了有益的研究，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗氧化性能强、润湿性能良好和钎缝力学性能优良而藉以适用于电子行业的诸如波峰焊、再流焊、浸焊和手工焊接并且有助于体现绿色环保而藉以满足RoHS指令要求的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料。

本发明的目的是这样来达到的，一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，其组成为按质量百分比的6.0 ~ 10.5%的Zn，0.005 ~ 0.5%的Nd，0.005~ 0.05% 的Ga，0.001~ 0.01%的Te，余量为Sn。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的Ga与Te的质量比为Ga∶Te=4.8-5.2∶1。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的Ga与Te的质量比为Ga∶Te=5∶1。

本发明提供的技术方案所具的技术效果在于：由于合理控制了Nd、Ga和Te的加入量，因而可使钎料熔点低于或等于Sn-Zn二元合金的熔点；由于加入了Te，因此可显著地提高Sn-Zn无铅钎料的抗氧化性能；由于Ga与Te取量合理，因而具有极佳的润湿性能和铺展性能；配合市售的RMA（即中等活性的助焊剂）钎剂，钎缝力学性能可达到65MPa～90MPa；由于钎料中不含有RoHS指令限制使用的有害元素，因而能体现绿色环保。

具体实施方式

采用常规方法制备钎料，即使用市售的锡锭、锌锭、金属镓、金属钕、浅灰色碲锭，各种金属原料按上述配方即质量百分比配比，冶炼时加入经优化筛选确定的“覆盖剂”或采用“惰性气体”保护进行冶炼、浇铸，可得到棒材。通过挤压、拉拔，即得到丝材(也可加入助焊剂，制成“药芯焊丝”)。铅（即Pb）元素作为锡锭、电解铜等原材料中的“杂质元素”，总量（质量百分数）控制在Pb≤0.1 wt.%范围内，以满足符合中华人民共和国国家标准GB/T 20422-2006《无铅钎料》的规定（标准中规定Pb≤ 0.1wt.%）。

考虑到金属镓熔点低，金属钕熔点高且极易氧化，根据生产需要也可将金属镓、金属钕预先冶炼成中间合金，以Sn-Ga和Sn-Nd的形式加入，以保证镓和钕在钎料中成分的准确性。

金属碲准确地说应该是非金属元素。它有两种“同素异形体”。一种为无定形褐色粉末，且不太稳定，不利于保存和生产时准确添加。而另一种为结晶形、具有银白色金属光泽的碲较为稳定，其熔点约为449.5℃，沸点约为1390℃，密度约为6.25，在Sn-Zn钎料冶炼时，较容易准确添加。

本发明过程使用的碲均为银白色金属光泽的碲。本发明的钎料组织均匀，易于加工成各种形状，如条状、棒状、丝状、焊球，以适应不同生产条件的需要。

实施例一

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：6.0%的Zn，0.5%的Nd，0 .005% 的Ga，0.001%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在206℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有优良的润湿性能。

实施例二

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：10.5%的Zn，0.005 %的Nd，0.05% 的Ga，0.01%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在207℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有优良的润湿性能。

实施例三

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：8.5%的Zn，0.25 %的Nd，0.01% 的Ga，0.002%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在204℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有优良的润湿性能。

实施例四

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：7.2%的Zn，0.05 %的Nd，0.015% 的Ga，0.003%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在205℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有优良的润湿性能。

实施例五

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：9.8%的Zn，0.18 %的Nd，0.04% 的Ga，0.008%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在203℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有优良的润湿性能。

实施例六

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：8.5%的Zn，0.25 %的Nd，0.024% 的Ga，0.005%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在204℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有较为优良的润湿性能。

实施例七

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：7.2%的Zn，0.05 %的Nd，0.026% 的Ga，0.005%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在205℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上具有较为优良的润湿性能。

实施例八

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：9.8%的Zn，0.18 %的Nd，0.047% 的Ga，0.01%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在203℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上润湿性能较差。

实施例九

一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：10.5%的Zn，0.005 %的Nd，0.0106% 的Ga，0.002%的Te，余量为Sn。

上述成分配比得到的“含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料”固相线温度在198℃左右，液相线温度在207℃左右（均考虑了试验误差）。配合市售RMA钎剂在紫铜板上润湿性能较差。

上述实施例1-9得到的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料可概括为以下两个方面的特点：

1）发现了可显著提高Sn-Zn钎料“抗氧化性能”的Te元素。

在本发明的试验过程中，研究发现，Te加入到Sn-Zn系无铅钎料中，可显著地提高Sn-Zn钎料的“抗氧化性能”。进一步研究发现，如果同时加入Nd和Ga元素，Sn-Zn钎料的“抗氧化性能”更加优良。通过优化Nd、Ga和Te以及Sn、Zn的化学成分，得到了“抗氧化性能”优良、对铜板润湿性能良好的Sn-Zn-Nd-Ga-Te无铅钎料。由于Nd、Ga、Te的加入量很少，新发明的钎料熔点低于或等于Sn-Zn二元合金的熔点。

以往的研究一致认为，Ga（镓元素）和/或P（磷元素）的加入，可以显著提高Sn-Pb钎料、Sn-Ag-Cu钎料的“抗氧化”能力（参见中国发明专利“具有抗氧化能力的无铅焊料”， CN1439480A）；还有研究指出，同时添加Ga和稀土元素Ce，能够显著提高Sn-Zn钎料的抗氧化能力（参见中国发明专利“Sn-Zn-Ga-Ce无铅钎料”，CN101269446A）。但是对于Sn-Zn钎料来说，无论Ga和/或P的加入，还是同时添加Ga和稀土元素Ce，Sn-Zn钎料的“抗氧化”能力的提高或改善仍然达不到“满足波峰焊要求”的效果。然而，本发明含Nd、Ga、Te的Sn-Zn无铅钎料即Sn-Zn-Nd-Ga-Te无铅钎料，由于微量Te元素的“特殊作用”，其“抗氧化”能力满足了波峰焊要求。

进一步研究发现，微量Te元素的“特殊作用”，是由于Te可与Sn形成稳定的金属间化合物SnTe（SnTe的熔点约为806℃）；Te可与Zn形成稳定的金属间化合物ZnTe（ZnTe的熔点约为1292℃）；Te可与Ga形成稳定的金属间化合物GaTe（GaTe的熔点约为635℃）。上述金属间化合物的形成，一方面“减缓”了Sn、Zn与氧发生氧化反应的几率，从而提高了新发明钎料的“抗氧化”能力；另一方面，由于上述金属间化合物细小、稳定，在钎料钎焊冷却过程中，起着“形核质点”的作用，从而细化了钎料（或焊点）的组织，使得钎料组织均匀，易于加工成各种形状。

2）试验验证并优选了Ga与Te元素的添加范围和比例关系.

通过“序贯实验设计”方法发现了向Sn-Zn无铅钎料中加入适量“Ga元素”和“Te元素”对Sn-Zn无铅钎料“抗氧化性能”的影响规律：即Ga与Te的添加量为5︰1（即Ga︰Te = 5︰1，下同）时，本发明的无铅钎料具有最佳的“抗氧化性能”，从而具有最佳的润湿性能。在本发明所选定的Sn-Zn-Nd-Ga-Te无铅钎料的成分范围内，加入稀土元素Nd，由于Nd具有“表面活性”作用能够降低液态钎料的表面张力，同时影响液态钎料的传质作用从而抑制钎料与基板的反应、润湿过程，从而提高Sn-Zn-Nd-Ga-Te无铅钎料的润湿、铺展性能。试验结果表明，当Ga与Te的添加量达到Ga︰Te = 4.8～5.2︰1时，本发明的无铅钎料具有良好的“抗氧化性能”，而在Ga︰Te = 5︰1时，新发明的无铅钎料具有最佳的“抗氧化性能”。

本发明的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料与已有技术中的Sn-Zn钎料相比经测试具有下表所示的技术效果。

Claims

1.一种含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，其特征在于其组成为按质量百分比的6.0 ~ 10.5%的Zn，0.005 ~ 0.5%的Nd，0.005~ 0.05% 的Ga，0.001~ 0.01%的Te，余量为Sn。

2.根据权利要求1所述的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，其特征在于所述的Ga与Te的质量比为Ga∶Te=4.8-5.2∶1。

3. 根据权利要求2所述的含Nd、Ga和Te的Sn-Zn无铅钎料，其特征在于所述的Ga与Te的质量比为Ga∶Te=5∶1。