CN106312362A - 一种led用低温焊接材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED用低温焊接材料及其制备方法，LED用低温焊接材料由以下的组分组成：Sn:38‑45wt％，Bi:4‑10wt％，In:10.5‑25wt％，其余为Pb。制备方法包括制备中间合金、加入熔炼覆盖剂，混合保温、除掉表面覆盖剂后，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。本发明合金焊料中加入了10.5％以上的In，使合金的塑形变形能力大幅度增强，抗冲击韧性提高，满足恶劣条件下的使用要求。

Description

一种LED用低温焊接材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低温焊接材料及其制备方法，属于LED照明行业组装用焊料制造技术领域。

背景技术

半导体照明以其明显的节能特点和环保功能，已经被广泛认为是最具发展潜力的高技术领域之一。随着LED技术的发展及产业化进程的加快，以及政府相关部门的引导和推动，LED照明技术在国内应用得以迅速推广，市场规模不断扩大，作为实现半导体照明的核心技术，更大的功率输出、光能输出，更高的光电转换效率是未来的发展趋势。

LED灯珠与基板的焊接一直是LED所面临的技术壁垒。在某些特殊的领域(如医疗)，由于其特殊用途的LED灯珠不耐高温，当温度高于150℃时，灯珠易被烧坏，造成不良。所以采用锡膏作为焊接材料时，传统的锡银铜和锡铅共晶由于其熔点过高而不能满足使用要求，必须采用低熔点焊料。锡铋共晶(SnBi58)焊料熔点为138℃，可满足焊接温度要求，但其焊点很脆，在使用过程中容易造成灯珠脱落，无法满足LED灯珠与基板之间的焊接接头的强度要求；而锡铟共晶(SnIn52)合金熔点合适、塑性好，但其强度相比较低，且稀缺元素In含量过高造成成本太高，不适宜大规模应用。当前应用较多的低温焊料主要有Sn-Pb-Bi、Sn-Bi-In、Sn-Pb-In等三元系合金，但鉴于该类特殊LED的可靠度要求和苛刻的使用条件，均存在很多的问题。如Sn-Pb-Bi合金存在合金脆性和熔点的矛盾，当熔点较低时，脆性差，当脆性好时，熔点又偏高。而含In钎料中，如Sn-Bi-In、Sn-Pb-In，均存在熔点和成本的矛盾，要想使熔点降低至150℃以下，In的含量至少在30％以上，而In属于贵金属，如此高In含量的钎料，行业通常不予接受。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种具有低熔点，焊后强度高、耐温性好、韧性好、成本适中特点的LED用低温焊接材料及其制备方法。

所采用的技术方案为：

一种LED用低温焊接材料，由以下的组分组成：Sn:38-45wt％，Bi:4-10wt％，In:10.5-25wt％，其余为Pb。

优选地，由以下的组分组成：Sn为38-43wt％，In为15-25wt％，Bi为5.0-8.0wt％，余量为Pb。

优选地，该焊接材料还可添加0-2.0wt％的Cd、0-4.0wt％的Zn、0-0.5wt％的P、Ge、Ga、RE中的一种或几种组分。

一种上述方案的LED用低温焊接材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备中间合金：Pb-17Cd；Sn-9Zn；Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5RE；

步骤2，在熔炼炉中按比例加入称好的Sn、Pb、Bi、In原料，并加入熔炼覆盖剂，加热至250-300℃；

步骤3，在上述步骤2的熔液中加入按比例称好的步骤1所制备的中间合金，保温10-20min；

步骤4，对步骤3的熔液进行搅拌3-5min后除掉表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。

上述步骤4所得锭坯可以直接作为焊料应用，或制成条带、丝板或轧片使用。

上述步骤4所得锭坯还可以在200-300℃熔化，制备成球形合金焊粉，用作焊膏基料。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明为Sn-Pb-Bi-In四元合金焊料，是一种新型的高强度低温焊接材料。通过Sn、Pb、Bi、In四种元素的合理配比及制备工艺控制，避免不利金属间化合物(IMC)的粗大形态及合金内部氧化的出现，使其能显著降低熔化温度的同时不增加焊料的熔程，且能够实现固溶强化、细晶强化和原位生成IMC弥散强化，三种强化机制的共同交互作用使得焊料的抗冲击性大幅提升，另外，该合金焊料中加入了10.5％以上的In，使合金的塑形变形能力大幅度增强，抗冲击韧性提高，满足恶劣条件下的使用要求。此外，为进一步提升应用性能指标，还可少量添加强化类或抗氧化类元素Cd，Zn，P、Ge、Ga、RE中的一种或几种组合，所述的RE为通用的富La或富Ce的稀土。本发明LED用低温焊料成本适中，满足规模实用化应用的成本要求。

(2)Sn、Pb、Bi、In四种元素的有效合理配比，在显著降低焊料熔化温度的同时不增加熔程，提升焊后的耐温性能，提高合金的抗冲击韧性。

(3)Cd、Zn等元素的添加进一步提升了焊料的结合性能和焊后抗疲劳性，P、Ge、Ga、RE等添加能够进一步提升焊料的抗氧化性，并细化焊料组织，进一步提升焊后产品的可靠性。

(4)本发明制备方法覆盖保护熔炼有效避免了合金熔炼过程中的内部氧化和成渣烧损，确保合金的纯净和成分的准确。

(5)本LED用低温焊料的稀贵金属铟含量仅10.5-25wt％，成本适中，满足规模实用化应用的成本要求。

附图说明

图1 Sn-36Pb-14Bi-8In焊料的扫描电镜组织照片。

图2是Sn-36Pb-14Bi-8In的DSC曲线和时间温度曲线(冷却过程)。

图3是Sn-36Pb-6Bi-18In-0.05Zn-0.01P的时间温度曲线(冷却过程)。

图4是Sn-41Pb-5Bi-15In-2Cd-0.01Ge-0.01RE的时间温度曲线(冷却过程)。

图5是Sn-34Pb-8Bi-15In的时间温度曲线(冷却过程)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明优选的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

表1为选取的实施例的原料和产品配方。另外除非特别说明，实施例配方所用的百分比均是重量百分比。

表1实施例配方

实施例	Sn/％	Pb/％	Bi/％	In/％	Cd/％	Zn/％	P/％	Ge/％	Ga/％	RE/％
											1	39	33	5	23	/	/	/	/	/	/
2	43	34	8	15		/	/	/	/	/
											3	39.95	36	6	18	0.05		/	/	/	/
4	41.75	40.7	7	10.5		0.05		/	/	/
											5	40.94	41	5	13	/	0.05	0.01	/	/	/
6	39.98	35	8	15	2	/	/	0.01	/	0.01
											7	41.5	29	7	18	/	4	/	/	0.2	0.3

实施例1：

本实施例的无铅焊料，由以下的组分组成：39％的Sn、33％的Pb、5％的Bi和23％的In。

其制备过程如下：

(1)在200kg熔炼炉中加入称好的39份纯Sn、33份纯Pb、5份纯Bi、23份纯In原料，共计100kg，加入100g的ZnCl₂熔炼覆盖剂，加热至250℃，并保温20min；

(2)对上述所得熔液进行搅拌3-5min后除掉表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。

(3)在挤压机上将步骤(2)所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。

实施例2：

本实施例的无铅焊料，由以下的组分组成：43％的Sn、34％的Pb、8％的Bi和15％的In。其制备过程如下：

(1)在200kg熔炼炉中加入称好的43份纯Sn、34份纯Pb、8份纯Bi、15份纯In原料，共计100kg，加入100g的ZnCl2熔炼覆盖剂，加热至250℃，并保温20min；

(2)对上述所得熔液进行搅拌3-5min后除掉表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。

(3)在挤压机上将步骤(2)所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。

实施例3：

(1)采用真空感应熔炼的方式，在400℃条件下熔炼制备处Pb-17Cd中间合金；

(2)按表1所列配方，将Pb-17Cd合金与锡、铅、铋和铟，按照纯Sn、纯Pb、纯Bi、纯In和Pb-Cd合金的加料顺序依次加入熔炼炉中，并加入ZnCl₂覆盖剂在熔炼炉中加热至300℃，熔化后保温20min；

(3)除掉表面覆盖剂，将合金熔体浇铸于模具中，凝固，制备出实施例3所述成分的低温焊料锭坯。

(4)在挤压机上将步骤(3)所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。

实施例4-7：

按照表1中列出的各合金成分的百分比，分别制备实施例4-7的低温焊料。

(1)制备Pb-17Cd；Sn-9Zn；Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5RE等二元中间合金，其制备方法是采用真空感应熔炼的方式；

(2)按所需合金配比，将已制成的中间合金与锡、铅、铋和铟，按照纯Sn、纯Pb、纯Bi、纯In和所需种类的中间合金、ZnCl₂覆盖剂的加料顺序依次加入熔炼炉中，在熔炼炉中加热至300℃，熔化后保温20min；

(3)除掉表面覆盖剂，将合金熔体浇铸于模具中，凝固，制备出实施例4-7的系列低温焊料锭坯。

(4)在挤压机上将步骤(3)所得锭料挤压成条状、丝状或雾化制备成球形合金焊粉。

实验数据：

表2为部分实施例与传统主流焊料的熔点和力学性能比较。

表2

从表1数据看出本发明的焊料在熔化温度、延伸率、抗拉强度和屈服强度等综合方面评估，相比传统焊料具有优势，在保证其可焊性前提下，提高焊料的抗拉强度和屈服强度，并能够有提高焊点的结合可靠度。

图1为Sn-33Pb-5Bi-23In焊料的扫描电镜组织照片。从图1中可以看出该焊料组织均匀、组织中分布着大量细小的析出强化相，这也是该类低温焊料具有较高强度的根本原因。

图2分别是Sn-33Pb-5Bi-23In的时间温度曲线(冷却过程)。

图3是Sn-36Pb-6Bi-18In-0.05Zn-0.01P的时间温度曲线(冷却过程)。

图4、图5分别是Sn-41Pb-5Bi-15In-2Cd-0.01Ge-0.01RE和Sn-34Pb-8Bi-15In的时间温度曲线(冷却过程)，该类焊料的熔化温度较低，在160℃条件通过保温时间可以实现熔化焊接，并且焊料在低于100℃均未见有吸热峰出现，说明该类低温焊料在低于100℃条件具有稳定的固态组织。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种LED用低温焊接材料，其特征在于，由以下的组分组成：Sn:38-45wt％，Bi:4-10wt％，In:10.5-25wt％，其余为Pb。

2.根据权利要求1所述的LED用低温焊接材料，其特征在于，由以下的组分组成：Sn为38-43wt％，In为15-25wt％，Bi为5.0-8.0wt％，余量为Pb。

3.根据权利要求1所述的LED用低温焊接材料，其特征在于，该焊接材料还可添加0-2.0wt％的Cd、0-4.0wt％的Zn、0-0.5wt％的P、Ge、Ga、RE中的一种或几种组分。

4.一种权利要求3所述的LED用低温焊接材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，制备中间合金：Pb-17Cd；Sn-9Zn；Sn-5P、Sn-5Ge、Sn-5RE；

步骤2，在熔炼炉中按比例加入称好的Sn、Pb、Bi、In原料，并加入熔炼覆盖剂，加热至250-300℃；

步骤3，在上述步骤2的熔液中加入按比例称好的步骤1所制备的中间合金，保温10-20min；

步骤4，对步骤3的熔液进行搅拌3-5min后除掉表面覆盖剂，浇注于模具中制成低温焊料锭坯。