CN104923951A - 一种新型抗氧化无铅焊料 - Google Patents

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曾柄程
赵晓然
尹彩流
祝金明
唐轶媛
蒙洁丽
王昊
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    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent

Abstract

本发明公开了一种适用于于波峰焊的新型抗氧化无铅焊料，它采用下述重量百分比的原料制成：Cu0.5-1.5％，Ni0.02-0.12％，Fe0.01-0.10％，P0.002-0.01％，同时添加一种或多种微量元素：Mn、Al、Si、S，余量为Sn。本发明的新型无铅焊料具有较低的熔点，较好的抗氧化性、润湿性，具备较高的抗拉强度、抗蠕变能力。本发明使用Cu主要形成锡铜共晶合金基体，Ni的加入可以抑制晶须生长，适量的Fe或者Mn可以形成弥散分布的第二相粒子，提高焊料的抗拉强度和抗蠕变性能；P优先和0形成致密的氧化层，阻止熔融锡铜无铅焊料的氧化，使用S能进一步提高焊料的抗氧化性能和流动性能；适量的Al或Si加强P的抗氧化作用，降低波峰焊时的锡渣产量。

Description

一种新型抗氧化无铅焊料
技术领域
本发明涉及一种适用于波峰焊的新型抗氧化Sn-Cu系无铅焊料，属于焊接材料技术领域。
背景技术
传统的Sn-Pb焊料具有很好的焊接性能和使用性能，但Pb具有一定的毒性，长期使用会给人类的生活环境和安全带来危害。
自2006年7月1日起，欧盟彻底禁止在电子产品使用含铅的焊料。作为替代Sn-Pb合金的新一代无铅焊料，Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn系等二元合金及Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni等三元合金，其机械性能与传统Sn-Pb合金相当，在电子工业领域得到了广泛的应用。Sn-Ag系无铅焊料的机械性能、拉伸强度、蠕变特性、延展性皆好，耐疲劳性和抗拉强度比Sn-Pb共晶焊料稍差，导电性好。但熔点偏高，润湿性差，含银较多，成本偏高，熔融状态下抗氧化腐蚀性能差。Sn-Zn系焊料熔点与Sn-Pb接近，机械性能好，拉伸强度比Sn-Pb共晶焊料好，可拉制成丝材使用，具有良好的蠕变特性，变形速度慢，断裂时间长，成本低。但易氧化，润湿性和稳定性差，出渣多，焊剂难配制，具有腐蚀性。
目前最有市场前景的Sn-Cu系无铅焊料，由于金属间化合物高温下热稳定性相对较差，极易发生粗化，从而降低焊料的强度和塑性。该系焊料在一定程度上解决了高成本的问题，但润湿性能和力学性能都达不到传统的Sn-Pb焊料的标准，抗氧化性和金属塑性等方面还存在不足。Sn-Cu-Ni系焊料虽然具有良好的焊接性能、成本低等优点，但流动性能、抗拉强度较弱，难以可靠地广泛运用于波峰焊电子生产。
根据波峰焊电子生产的发展和运用来看，从有铅波峰焊到无铅波峰焊的转换过程中，由于焊料中锡含量较高，导致波峰焊过程中产生大量的氧化渣。氧化渣的大量产生不仅会造成生产中的浪费，还会影响焊料的力学性能和焊接质量，因此在生产过程中控制无铅焊料的氧化和氧化渣的产生量是无铅波峰焊技术要解决的一个重要问题。
上述无铅焊料，都存在波峰焊时易于氧化，锡渣产量较高的不足。改善合金的显微组织，提高焊料的焊接性能，增强抗氧化性，减少焊接生产的锡渣产率，对提高电子产品可靠性与安全性，降低生产成本，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明是为了解决Sn-Ag、Sn-Cu系等焊料在波峰焊中存在的不足，设计出一种新型抗氧化无铅焊料，该焊料能够有效地控制氧化作用，改善抗氧化性能和腐蚀性能，并能够提高润湿性和机械性能，增强金属塑性和抗拉强度。
本发明是通过下属技术方案实现的：
一种新型抗氧化无铅焊料，其特征在于，该新型抗氧化无铅焊料采用了下述成分重量百分比的原料制成：
Cu0.5-1.5％，Ni0.02-0.12％，Fe0.01-0.10％，P0.002-0.01％
同时添加一种或多种微量元素：
Mn0.01-0.15％
Al0.015-0.3％
Si0.02-0.15％
S0.001-0.01％
余量为Sn和不可避免杂质。
本发明是在原有的Sn-Cu合金焊料的基础上加入P、S、Ni、Fe、Mn、Al、Si等一种或多种微量元素熔炼而成。该新型抗氧化无铅焊料能较好地增强焊料的抗氧化性能和抗腐蚀性能，改善焊料的润湿性、流动性，降低焊料熔点，减少锡渣产量，提高焊接性能、金属塑性和抗拉强度等性能，是一种新型低成本高性能抗氧化无铅焊料。
一种新型抗氧化无铅焊料的制造方法，是将上述重量百分比的原料加入高频炉中熔化，搅拌均匀，除去锡渣，再将炉中的合金焊料浇注成锭，经过挤压获得条状产品。
本发明的产品采用的原料均为市场销售规范产品，严格控制标量、合金配比和工艺参数，充分搅拌，具有稳定的化学成分。
综上所述，本发明的新型抗氧化无铅焊料具有以下优良性能：
1.本发明的新型抗氧化无铅焊料合金，不含铅和银，具有环保、低成本的优点，机械性能好、抗拉强度高的效果。
2.本发明的新型无铅焊料具有较好的抗氧化性、润湿性和延展性，且抗拉强度、机械性能和金属塑性较高，成本低。本发明使用Cu主要形成锡铜共晶合金基体，Ni的加入可以抑制晶须生长，适量的Fe或者Mn可以形成弥散分布的第二相粒子，提高焊料的抗拉强度和抗蠕变性能；P优先和0形成致密的氧化层，阻止熔融锡铜无铅焊料的氧化，使用S能进一步提高焊料的抗氧化性能和流动性能；适量的Al或Si加强P的抗氧化作用，降低波峰焊时的锡渣产量。
具体实施方式
下面结合具体实施例来详细说明本发明，下述实施例用来解释本发明，但不限于以下实施例。
根据国标GB／T11364-2008《钎料润湿性试验方法》，利用铺展试验法检测得焊料铺展面积，以此作为润湿性能检测结果。
由于锡渣产量不仅与暴露时间有关，还和波峰焊的面积等因素有关。本专利的具体实施例是引用国标ST／113192005锡焊料动态条件氧化渣定量试验方法。将500g焊料在260℃下保温6小时，刮下焊料液态表面的氧化膜，用标准精确天平称量，记录数据。利用直角坐标制图，横坐标为单位时间，纵坐标为锡渣量，多次测量求平均得出产渣率。
实施例1
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu0.5％，Ni0.01％，P0.002％，Fe0.04％，Si0.02％，Al0.02％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料的检测结果：铺展面积为45.25mm2，延伸率为25.2％，抗拉强度为41.2MPa，剪切强度为39.3MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为11.2N，熔点为226℃，锡渣产率为1.82％，合金组织晶粒细化不够均匀。
实施例2
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu0.6％，Ni0.03％，P0.004％，Fe0.07％，Al0.015％.S0.004％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为46.12mm2，延伸率为26.1％，抗拉强度为42.6MPa，剪切强度为39.6MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为11.8N，熔点为228℃，锡渣产率为1.76％，合金组织晶粒细化均匀。
实施例3
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu0.7％，Ni0.05％，P0.006％，Fe0.10％，Mn0.07％，A10.3％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为46.31mm2，延伸率为26.8％，抗拉强度为42.9MPa，剪切强度为39.9MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为12.0N，熔点为229℃，锡渣产率为1.71％，组织晶粒细化均匀。
实施例4
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu0.8％，Ni0.06％，P0.005％，Fe0.03％，Mn0.05％，Al0.15％，Si0.06％，S0.006％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为46.66mm2，延伸率为28.5％，抗拉强度为44.1MPa，剪切强度为41.2MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为12.8N，熔点为233℃，锡渣产率为1.62％，组织品粒细化均匀。
实施例5
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu0.4％，Ni0.1％，P0.007％，Fe0.06％，Mn0.06％，Si0.1％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为47.20mm2，延伸率为27.8％，抗拉强度为43.6MPa，剪切强度为40.3MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为12.4N，熔点为227℃，锡渣产率为1.69％，组织晶粒细化均匀。
实施例6
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu1.0％，Ni0.12％，P0.01％，Fe0.02％，Mn0.15％，，Al0.2％，S0.01％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为46.50mm2，延伸率为28.5％，抗拉强度为44.1MPa，剪切强度为40.6MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为11.0N，熔点为235℃，锡渣产率为1.80％，组织晶粒细化均匀。
实施例7
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu1.2％，Ni0.09％，P0.004％，Fe0.08％，Mn0.06％，Si0.15％，Al0.1％，S0.005％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为45.36mm2，延伸率为26.5％，抗拉强度为43.0MPa，剪切强度为39.2MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为11.5N，熔点为239℃，锡渣产率为1.74％，组织晶粒细化均匀。
实施例8
无铅焊料合金组成和元素重量百分含量如下：Cu0.7％，Ni0.08％，P0.008％，Fe0.001％，Si0.08％，Al0.25％，S0.003％，余量为Sn。该配料比的无铅焊料合金的检测结果：润湿性检测中铺展面积为46.88mm2，延伸率为27.6％，抗拉强度为43.6MPa，剪切强度为40.8MPa，QFP引脚焊点的拉伸力为12.6N，熔点为226℃，锡渣产率为1.66％，组织晶粒细化均匀。
以上已将本发明做一详细说明，上述仅为本发明的几个实施例而已，不能限定本发明实施范围，即凡按照本发明范围做均等变化与修饰的，都属于本发明覆盖范围。

Claims (1)

1.一种新型抗氧化无铅焊料，其特征在于，该新型抗氧化无铅焊料采用了下述成分重量百分比的原料制成：
Cu0.5-1.5％，Ni0.02-0.12％，Fe0.01-0.10％，P0.002-0.01％
同时添加一种或多种微量元素：
Mn0.01-0.15％
Al0.015-0.30％
Si0.02-0.15％
S0.001-0.01％
余量为Sn和不可避免杂质。
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