CN103406687A - Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种焊接用的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料及其应用，具体涉及一种应用于电子行业高温焊接，并具有良好抗氧化性的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料及其应用。所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料主要由以下组分组成，各组分的含量以重量百分比表示：3.5-5.0%的Cu，0.015-0.5%的Ni，余量为Sn；所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料的熔程为230-310℃。本发明Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料可以有效地应用于380-480℃的高温焊接工艺中，并且在此高温焊接环境下焊料的氧化程度较低，从而提高Sn-Cu-Ni系列在高温焊接工艺中的焊接效果。

Description

Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种焊接用的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料及其应用，具体涉及一种应用于电子行业高温焊接，并具有良好抗氧化性的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料及其应用。

背景技术

锡铜焊料为锡铅焊料的无铅型替代产品，前者较后者更具环保及市场价值，因此，锡铜焊料得到较为广泛的应用。

但在实际应用过程中，由于锡铜焊料本身的局限性，后续进一步研制出了衍伸产品，如Sn-Cu-Ni系列、Sn-Cu-Ag系列等。在上述现有的焊料中，无论是Sn-Cu系列，Sn-Cu-Ni系列或者是Sn-Cu-Ag系列，所得的合金材料的适用温度均较低，多为300℃以下。例如：现有的Sn99.3Cu0.7，该成分作为目前使用较为广泛的一种常用牌号锡铜系无铅焊料，其建议使用温度在270℃左右，可用于大元器件及元器件组装密度较小印制板的波峰焊接（目前主要是音响、节能灯领域用得比较多）、引线低温浸焊，手工焊接等；但由于某些特殊工艺要求，例如在某些网络变压器引线高温浸焊过程中，其焊接工艺要求温度会在380℃以上，甚至达到420℃，在此温度下，Sn99.3Cu0.7成分的常规焊料一方面会因使用温度过高产生剧烈氧化，从而严重影响焊接效果；另一方面，由于高温下Cu在熔融焊料中的溶蚀速率会极大加快。焊接过程中Cu引线极易因快速溶蚀而损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其可以有效地应用于380-480℃的高温焊接工艺中，在此高温焊接环境下焊料的氧化程度较低，从而提高Sn-Cu-Ni系列在高温焊接工艺中的焊接效果。

为解决以上技术问题，本发明提供的第一方面的技术方案是采用一种Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料主要由以下组分组成，各组分的含量以重量百分比表示：

3.5-5.0%的Cu，0.015-0.5%的Ni，余量为Sn；

所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料的熔程为230-310℃。

本发明还提供第一方面技术方案的优选方案，即在第一方面技术方案的基础上采用所述Cu的含量为4.0%。

本发明还提供第一方面技术方案的优选方案，即在第一方面技术方案的基础上采用所述Ni的含量为0.05-0.2%。

本发明提供的第二方面的技术方案为前述第一方面任一技术方案中所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料在电子器件高温焊接中的应用。

本发明还提供第二方面的应用技术方案的优选方案，即在第二方面的应用技术方案中采用所述高温焊接为引线高温浸焊；所述电子器件为网络变压器。

本发明提供的第三方面的技术方案为一种Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料主要由以下组分组成，各组分的含量以重量百分比表示：

3.5-5.0%的Cu，0.015-0.5%的Ni，0.005-0.05%的P，0.008-0.05%的Ga，余量为Sn；

所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料的熔程为230-310℃。

本发明还提供第三方面技术方案的优选方案，即在第一方面技术方案的基础上采用所述Cu的含量为4.0%；所述Ni的含量为0.05-0.2%。

本发明还提供第三方面技术方案的优选方案，即在第一方面技术方案的基础上采用所述P的含量为0.02-0.03%，Ga的含量为0.01-0.03%。

本发明提供的第四方面的技术方案为前述第三方面任一技术方案中所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料在电子器件高温焊接中的应用。

本发明还提供第四方面的应用技术方案的优选方案，即在第三方面的应用技术方案中采用所述高温焊接为铜引线高温浸焊；所述电子器件为网络变压器。

与现有技术相比，本发明的详细说明如下：

现有技术中的Sn-Cu系合金焊锡材料、Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料或者是Sn-Cu-Ag系合金焊锡材料等大部分是采用将所得合金制备成共晶合金的方式，将合金制备成共晶后，所得合金混合物的熔点低于合金组成成分中单物质的熔点约100℃左右；并且共晶后的合金几乎熔程较短，有的甚至于可以是缩短至熔点温度。从而导致了现有的焊锡材料的适用温度范围较低。

例如：现有常用的Sn-Cu系合金焊锡材料中经常使用的合金材料——Sn99.3Cu0.7；该种合金材料铜含量为0.7%，由于共晶的原因，熔点类似纯金属的熔点，即只有一个温度点，其熔点为226.5℃，因此其建议使用温度为270℃左右，不能满足高温焊接的要求。

本发明所提供的技术方案中主要改进点在于调整合金材料中锡、铜以及镍的含量比例，从而得到非共晶的合金材料，延长所得合金的熔程，最终提高合金的适用温度范围。

具体到本发明的技术方案则为，通过调整焊料成分中金属Cu的含量，提高至3.5～5.0%，形成锡铜过共晶合金，由于非共晶的原因，熔点是一个温度区间230～310℃，即液相线温度（合金开始凝固的温度）和固相线温度（合金凝固完毕的温度），利用其熔点区间大的特点，保证高的焊接温度下，合金仍能保持良好的镜面，抗氧化性能较好，建议使用温度高达380～480℃，是一种新型的适用于高温焊接的合金焊锡材料。

另外，现有Sn-Cu系列、Sn-Cu-Ni系列、Sn-Cu-Ag系列等合金材料作为高温条件下焊接的焊料时，由于金属铜在高温下的熔融焊料中溶蚀速率会加快，并且焊接中引线材质为纯铜时，焊接过程中铜引线则因快速溶蚀而损坏。

本发明人经过大量的研究发现，本发明所提供的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料可以有效地降低铜引线的溶蚀速率，从而让焊接过程得以顺利完成，尤其是需要使用铜引线的焊接工艺，例如铜引线高温浸焊等；更进一步适用于网络变压器等的铜引线高温浸焊工艺。

本发明所提供的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料通过进一步优化的改进后可以得到抗氧化性能更加优异的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，具体实现方案为在本发明提供的第一方面技术方案的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料中添加某些微量成分，如磷（P）：0.005-0.05%；镓（Ga）：0.008-0.05%；所述磷和镓的含量为合金焊锡材料的重量百分比。现有的微量抗氧化改性元素种类较多，本发明优选上述两种，所得合金能够在保证高的焊接温度下，仍能保持良好的镜面，抗氧化性能优异。

本发明所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料可以采用现有制备焊料的通用方法，也可采用本发明后续实施方式中所提供的方法进行制备。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一——本发明Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料优选制备工艺

1、配料

主原材料为1#精锡、1#电解铜。按500kg/炉、1000kg/炉计算主原材料以及配料的实际需要量。

2、熔炼

A、使用设备及模具

锡铜系列高温无铅焊锡条实用50kW无铅钛合金电磁感应熔锡炉，专用不锈钢工具和专用锡条浇注模。

B、准备

每一批次产品投料前，均须对熔炼设备及全部工模具做全面清洁处理。

C、投料

将原料锭逐层整齐码放在坩埚内。

D、升温熔炼

先投一半锡，完毕即可通电升温、开始熔炼，炉温设定上限为560℃；

待锡熔化后，投入经处理的铜块，完全熔化后，充分搅拌5分钟；

投入余下的锡原料，降温至400-410℃。

E、精炼

炉料完全熔化，金属液温达400-410℃时开始精炼处理，处理步骤如下：

一次精炼：将锯木面与松香的混合物（锯木面：松香=4:1，体积比）一瓢（约L），用钟罩压入金属液底部，并在底部缓慢移动，直至锯木面完全碳化，清渣；

二次精炼：将锯木面与氯化铵的混合物（500公斤称取10克氯化铵，1000公斤称取15克氯化铵）一瓢（约2L），用钟罩压入金属液底部，并在底部缓慢移动，直至锯木面完全碳化，清渣；

加入其它成分：将配料（金属镍、磷、金属镓）用钟罩压入金属液，并在金属液内缓慢移动，直至配料完全熔化；

升温：将控制温度设定为420-440℃的浇筑温度；

F、浇铸

浇铸前准备：清理浇铸模，将浇铸模、印字板均匀喷涂一层乙炔烟灰；

浇铸：用浇铸瓢将金属液匀速注入模槽，然后立即刮去头部表面氧化渣，待完全冷却后挑出；开始浇铸两轮后，开启冷却水直至浇铸结束，得到产品。

上述制备工艺中按照下表中各原料的重量含量百分比进行配制。

表一

实施例二——产品熔程（熔点）测定实验

将实施例一所得到的产品1-13分别进行熔程（熔点）测定实验，实验所采用的仪器为显微熔点测定仪，型号为XT6。

所测定的结果列于下表二中。

表二

实施例三——产品抗氧化性能测定实验

实验方法：

1、称取实施例一种所得的焊料产品1-13各12kg，每个产品按质量均分成两组，分别置于清洁的不锈钢坩埚内，分别加热至熔化，熔化温度分别为380-420℃和460-480℃，然后注入平面焊锡机的锡槽内。

2、设定平面焊锡机的锡槽温度，接通电源，直至锡槽温度恒定时，用宽度与锡槽相匹配的专用不锈钢刮渣器撇去表面浮渣，弃去。

3、启动计时器，每隔60秒用刮渣器撇渣一次，每5分钟从锡槽表面取渣一次，持续60分钟。

4、观察整个实验过程中锡槽表面的颜色情况。

5、用分析天平称量渣的质量。

6、结果评价：

以一定温度下单位时间、单位面积产生的氧化渣量进行评价，即：D=m/(tS)，其中D—出渣率；M—渣质量；t—试验时间；S—氧化面积。所得各数据及观察结果列于下表三中。

表三——产品抗氧化性能测定结果

从表一中可以得出，产品1为现有的Sn-Cu系合金焊锡材料中的代表例，产品2-13为本发明的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，2-7为本发明不含有磷和镓的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，8-13为本发明含有磷和镓的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料；其中，产品3-6为在产品2-7上的进一步优化的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，产品4为不含有磷和镓的最佳配比；产品9-12为在产品8-13上进一步优化的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，产品10为含有磷和镓的最佳配比。

从上表三中可以看出，本发明技术方案的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料可以有效地提高其在高温条件下的抗氧化性能，出渣率可以较为明显的显示出各优化技术方案的抗氧化性能。

实施例四——铜引线熔解速率测定试验

将实施例一所得产品1-13进行铜引线熔解速率测定实验，采用将产品1-13分别进行铜引线浸焊的方式，焊接的电子器件为网络变压器；每个产品重量及铜引线重量相同，分别测定铜引线熔解的时间，计算熔解速率，所得结果列于下表四中。

表四——铜引线熔解速率测定结果

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其特征在于：所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料主要由以下组分组成，各组分的含量以重量百分比表示：

3.5-5.0%的Cu，0.015-0.5%的Ni，余量为Sn；

所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料的熔程为230-310℃。

2.根据权利要求1所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其特征在于：所述Cu的含量为4.0%。

3.根据权利要求1所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其特征在于：所述Ni的含量为0.05-0.2%。

4.权利要求1-3中任一权利要求所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料在电子器件高温焊接中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述高温焊接为铜引线高温浸焊；所述电子器件为网络变压器。

6.一种Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其特征在于：所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料主要由以下组分组成，各组分的含量以重量百分比表示：

3.5-5.0%的Cu，0.015-0.5%的Ni，0.005-0.05%的P，0.008-0.05%的Ga，余量为Sn；

所述Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料的熔程为230-310℃。

7.根据权利要求6所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其特征在于：所述Cu的含量为4.0%；所述Ni的含量为0.05-0.2%。

8.根据权利要求6所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料，其特征在于：所述P的含量为0.02-0.03%，Ga的含量为0.01-0.03%。

9.权利要求6-8中任一权利要求所述的Sn-Cu-Ni系合金焊锡材料在电子器件高温焊接中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述高温焊接为引线高温浸焊；所述电子器件为网络变压器。