CN105750758A - 一种高可靠性的低温无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高可靠性的低温无铅焊料及其制备方法。其各组分按重量百分比为：Ag：0.3?2.5%、Ge：0.05?0.4%、Nd：0.01?0.1%、Sn：50?60%、In：余量。本发明中所述的低温无铅焊料以锡铟焊料为主，导热导电性能好、流动性好、胀缩率小、环保无毒性等特点。在高低温循环环境或高低温差变化大的环境下，焊料焊点在?45℃至+125℃下无开裂及脱落，耐热循环性优异。

Description

一种高可靠性的低温无铅焊料及其制备方法
技术领域
本发明涉及连接材料领域，具体的说是一种高可靠性的低温无铅焊料及其制备方法。
背景技术
焊料作为一种电器元件连接材料，使用极为广泛，不同元器件因使用要求、工作环境、电器特性的不同，对焊料的要求也有所不同。对于LED产业和一些不能承受高温焊接的电子零件芯片、电子材料和基板来说，主要使用的焊接材料是低温焊料。因此，市场上对低温焊料的需求越来越多。
目前，市面上使用的低温焊料主要是Sn-Bi58、Sn-Pb40-Bi40，这两种焊料的熔点分别是Sn-Bi58138℃、Sn-Pb40-Bi40113℃。对于Sn-Bi58焊料来说，其熔点低，润湿性能好。但是Bi本身具有脆性，高含量的Bi使得Sn-Bi系焊料拥有较高的脆性，焊接后的焊点强度低，机械性能差，在外力的作用下，焊点容易脱落，从而使电子器件、设备失效。对于Sn-Pb40-Bi40焊料来说，其熔点低、焊接性能优异、价格低廉，但是该焊料不仅含有Bi，使得焊料具有Sn-Bi系焊料的特点——高脆性、低强度，同时还含有国际禁用的元素Pb，因为Pb及Pb的化合物对人体有害，且不易排除。
综上所述，开发一款无铅环保的、抗热疲劳性能好、焊接性能优异的低温焊料是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有焊料所存在的不足，提供一种熔点低、无铅环保，同时具有高可靠性能的低温焊料以及用于制备该焊料的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种低温无铅焊料，其各组分按重量百分比为：
Ag：0.3-2.5%
Ge：0.05-0.4%
Nd：0.01-0.1%
Sn：50-60%
In：余量。
优选地：
Ag：0.8-2.5%
Ge：0.05-0.2%
Nd：0.01-0.08%
Sn：50-57%
In：余量。
本发明所述的低温无铅焊料按照下列的方法制备。
（1）分别称取一定量的In、Ag、Ge、Nd、Sn。
（2）在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌至少10分钟，保温至少10分钟，使Sn、Nd两种元素混合均匀。
（3）降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌至少15分钟，保温至少15分钟，使四种元素混合均匀。
（4）降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌至少25分钟，保温至少20分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在模具中，得到本发明的低温无铅焊料。
进一步的说，所述焊料还可以加工成焊料丝、焊料球或焊料粉。
本发明中所述的低温无铅焊料以锡铟焊料为主，添加In元素，是因为In元素的熔点只有156.61℃，沸点为2080℃，同时导热导电性能好、流动性好、胀缩率小、环保无毒性等特点。In元素的使用可以降低焊料合金的熔点，并且无铅无毒环保。焊料还添加了Ag、Ge、Nd三种元素。添加的Ag元素，其重量百分比0.3-2.5%，熔点为961.78℃，延展性好，对基板的润湿性好，抗腐蚀性能优异等。Ag元素的使用可以增加焊料的延伸率，提高焊料的焊接性能、抗腐蚀性能，Ag与Sn在高温下可以形成弥散均匀的Ag3Sn，细化晶粒，增强焊料的强度。添加Ge元素，其重量百分比0.05~0.4%，熔点为938.25℃。锗比较活泼，表面活性使其聚集在液态焊料表面呈现正吸附，使液态焊料表面自由能降低，进而改善焊料的润湿性。此外，Ge对氧的亲和力较高，在焊接过程中会形成GeO2，由于重力的差异会从基体中排除，从而提高了焊料抗氧化、抗腐蚀能力。添加稀土Nd元素，其重量百分比0.01~0.1%，熔点为1024℃，熔点高，抗腐蚀性能良好，Nd元素的使用提升了焊料的耐高温性能，在高低温循环环境或高低温差变化大的环境下，焊料焊点在-45℃至+125℃下无开裂及脱落，耐热循环性优异。
具体实施方式
为方便对本发明作进一步的理解，现举出如下实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1：
称取In4.029kg，Ag0.25kg，Ge0.02kg，Nd0.001kg，Sn5.7kg，在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌10分钟，保温10分钟。降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌15分钟，保温15分钟，使四种元素混合均匀。降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌25分钟，保温20分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在模具中，得到本发明的低温无铅焊条。检测结果见表1。
实施例2：
称取In4.29kg，Ag0.2kg，Ge0.005kg，Nd0.005kg，Sn5.5kg，在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌15分钟，保温12分钟。降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌18分钟，保温20分钟，使四种元素混合均匀。降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌25分钟，保温25分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在模具中，得到的低温无铅焊料柱。将制得的焊料柱经过液压、辊轧、拉丝，得到本发明的低温无铅锡线。检测结果见表1。
实施例3：
称取In4.526kg，Ag0.15kg，Ge0.016kg，Nd0.008kg，Sn5.3kg，在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌12分钟，保温15分钟。降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌20分钟，保温15分钟，使四种元素混合均匀。降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌30分钟，保温25分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在球形模具中，得到本发明的低温无铅焊料球。检测结果见表1。
实施例4：
称取In4.765kg，Ag0.12kg，Ge0.012kg，Nd0.003kg，Sn5.1kg，在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌18分钟，保温20分钟。降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌15分钟，保温18分钟，使四种元素混合均匀。降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌28分钟，保温30分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在模具中，得到低温无铅焊料柱。将获得的低温无铅焊料柱在离心式喷粉机上制得本发明所需的低温无铅焊料粉。检测结果见表1。
实施例5：
称取In4.904kg，Ag0.08kg，Ge0.01kg，Nd0.006kg，Sn5.0kg，在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌20分钟，保温16分钟。降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌23分钟，保温25分钟，使四种元素混合均匀。降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌32分钟，保温20分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在模具中，得到本发明的低温无铅焊料。检测结果见表1。
对比例1：
采用已有方法制备Sn-Bi58合金，测试其性能，检测结果见表1。
对比例2：
采用已有方法制备Sn-Pb40-Bi40合金，测试其性能，检测结果见表1。
表1实施例检测结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1 对比例2
熔点/℃ 142-147 138-145 127-134 123-130 120-127 138 113
抗热冲击次数 1650 1400 1800 1700 1500 600 1200
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种低温无铅焊料，其特征在于：各组分按重量百分比为：
Ag：0.3-2.5%
Ge：0.05-0.4%
Nd：0.01-0.1%
Sn：50-60%
In：余量。
2.如权利要求1中所述的一种低温无铅焊料，其特征在于：
Ag：0.8-2.5%
Ge：0.05-0.2%
Nd：0.01-0.08%
Sn：50-57%
In：余量。
3.一种低温无铅焊料的制备方法，其特征在于：
（1）分别称取一定量的In、Ag、Ge、Nd、Sn；（2）在1050±50℃下加入Sn和Nd，待它们完全熔化，缓慢搅拌至少10分钟，保温至少10分钟，使Sn、Nd两种元素混合均匀；（3）降温至950±50℃，加入Ag、Ge，待其完全熔化，缓慢搅拌至少15分钟，保温至少15分钟，使四种元素混合均匀；（4）降温至300±50℃，加入In，待其完全熔化，缓慢搅拌至少25分钟，保温至少20分钟，待所有元素混合均匀，浇铸在模具中，得到本发明的低温无铅焊料。
4.如权利要求4中所述一种低温无铅焊料的制备方法，其特征在于：所述焊料还可以加工成焊料丝、焊料球或焊料粉。
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