CN107538149B - 一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Sn‑Cu‑Co‑Ni无铅焊料，所述无铅焊料中Cu占焊料重量百分比为0.5～0.8%，Co占焊料重量百分比为0.01～2.0%，Ni占焊料重量百分比为0.01～2.0%，其余为Sn，杂质含量小于0.2%。本发明通过调整合金材料中锡、铜、钴和镍的含量比例，在较宽凝固速率范围内，获得具有不同过饱和固溶体的钎料，改善了Sn‑Cu系焊料的不足，提高其接头强度，改善和提高钎料的综合指标。

Description

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无铅焊料，特别是涉及一种新型Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金及其制备方法，属于焊接材料技术领域。

背景技术

随着钎料无铅化的提出，近年来出现了多种无铅焊料的新品种，但总体上依然存在熔点偏高、浸润性偏差、成本较高等问题。目前，市场上主流的具有优良的综合性能无铅钎料合金为Sn-Ag-Cu系焊料与Sn-Cu系无铅焊料，这些无铅钎料屈服强度、拉伸强度、断裂塑性应变、塑性性能、弹性模量等部分机械性能指标接近甚至超过锡铅焊料，但熔点偏高，润湿性较差，这对元器件、板卡、生产设备及制作过程都是一个考验。此外，对于使用性能较好的Sn-Ag-Cu系焊料，因使用了较多的Ag，提高了生产成本。Sn-Cu系焊料价格便宜，从经济角度来说具有很大的应用前景。Sn-0.7Cu焊料在焊点亮度、外观粗糙度等方面和传统锡铅焊料焊接后的相似。而且Sn-Cu系焊料构成简单，供给性好且成本低。由于Sn中融入了少量的铜，抑制了焊料在工作时对PCB盘上Cu层和Cu引脚的侵蚀，可提高其可靠性，因此，大量用于基板焊接中。虽然，这种合金由于形成金属间化合物Cu₆Sn₅的微细弥散相而获得很高的初期强度，但是当温度超过100℃，弥散相会变粗大，这将降低其接头的力学性能和导电性能。因此，开发抗拉强度较高、润湿性较好且组织稳定的Sn-Cu系焊料是当务之急。

在专利CN10114726A中，为了改善Sn-Cu合金外观暗沉且没有光泽，提出了添加0.005～5wt%的Co。

在专利CN103406687A中公开了Sn-Cu-Ni系合金，添加Ni的Sn-Cu焊料在高温焊接环境下的氧化程度较低，提高了其在焊接工艺中的焊接效果。

在专利CN102430872A和CN102066042A中分别公开了添加了不同量Bi和Ni的Sn-Cu系焊料，由于添加Bi和Ni的量不同，一种是防止低温下锡瘟的发生，并且润湿性和耐冲击性良好的无铅焊料，一种是重在降低焊料熔点，提高润湿性和力学性能。

在专利CN1864908A公开了同时添加Co、Ni和镧系混合稀土（RE）的锡铜无铅钎料，其制备是将相应成分直接放入高温熔炉中冶炼而得。

发明内容

本发明的目的是提供一种组织稳定、铺展性及机械性能等综合性能优良的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料。

本发明采用的技术方案具体为：

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料中Cu占焊料重量百分比为0.5～0.8%，Co占焊料重量百分比为0.01～2.0%，Ni占焊料重量百分比为0.01～2.0%，其余为Sn，杂质含量小于0.2%。

进一步的Cu占焊料重量百分比为0.7%。

进一步的Co占焊料重量百分比为0.5～1.5%。

进一步的Ni占焊料重量百分比为0.5～1.5%。

Co和Ni的重量百分比之和不大于2.5%。

所述的Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料的制备方法，具体包括如下步骤，

（1）在真空条件下，按照配比称量混合后在电弧炉内熔炼得到二元Sn-Cu母合金，合金反复熔炼至少6次，最后一次复熔后通过水冷铜模吸铸法制备得到不同冷却速度下的母合金；

（2）在步骤（1）制得的母合金的基础上添加Co，在真空条件下，在电弧炉内熔炼得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Co三元合金；

（3）在步骤（1）制得的母合金的基础上添加Ni，在真空条件下，在电弧炉内熔炼得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Ni三元合金；

（4）将上述制得的Sn-Cu、Sn-Cu-Co和Sn-Cu-Ni合金按照配比混合，在真空条件下熔配即可得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料。

相对于现有技术，本发明的技术效果为，采用现有的制备焊料的通用方法在真空条件下，在电弧炉内熔炼，得到熔配成合适尺寸的铸态母合金，将不同成分合金的母合金熔化后通过水冷铜模吸铸法制备得到。本发明通过调整合金材料中锡、铜、钴和镍的含量比例，在较宽凝固速率范围内，获得具有不同过饱和固溶体的钎料，改善了Sn-Cu系焊料的不足，提高其接头强度，改善和提高钎料的综合指标。改进后的无铅焊料具有更高的接头强度、良好的导电性，较高的使用温度，同时铺展性能也得到了提升，具有优良的综合性能。本发明实施提供的焊料可做成焊丝、焊粉、焊条、焊球、焊膏以及其他所需形状，可应用于多种领域。

附图说明

图1是添加0.5%Co的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金的显微组织图。

图2为添加1.0%Co的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金的显微组织图。

图3为添加1.5%Co的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金的显微组织图。

图4为添加2.0%Co的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金的显微组织图。

图5为Sn-0.7Cu无铅焊料合金的显微组织图。

具体实施方式

以下结合具体实施案例对本发明的技术方案进一步详细描述。但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.5%Cu，0.5%Co，1.5%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的制备方法如下：

（1）在真空条件下，按照配比称量混合后在电弧炉内熔炼得到二元Sn-Cu母合金，为保证合金成分的均匀性，合金反复熔炼6次以上，最后一次复熔后通过水冷铜模吸铸法制备得到不同冷却速度下的母合金；

（2）在步骤（1）制得的母合金的基础上添加一定百分比质量的Co，在真空条件下，在电弧炉内熔炼得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Co三元合金；

（3）在步骤（1）制得的母合金的基础上添加一定百分比质量的Ni，在真空条件下，在电弧炉内熔炼得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Ni三元合金；

（4）将上述制得的Sn-Cu、Sn-Cu-Co和Sn-Cu-Ni合金按照配比称量混合，在真空条件下熔配即可得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，从而得到不同强度的焊料合金。

实施例2

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.6%Cu，2.0%Co，0.01%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

实施例3

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.8%Cu，1.0%Co，1.0%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

实施例4

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.5%Cu，0.01%Co，2.0%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

实施例5

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.7%Cu，1.5%Co，0.5%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

实施例6

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.7%Cu，1.0%Co，1.0%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

实施例7

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.7%Cu，0.5%Co，1.5%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

实施例8

一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：0.7%Cu，2.0%Co，0.5%Ni，余量为Sn，还包含不可避免的杂质。

本实施例的无铅焊料合金的制备方法同实施例1的方法一致，区别仅在于Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料合金的各成分的重量百分比按照本实施例中的比例加入，这里不再赘述。

本发明提供的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料，在Sn-Cu焊料中加入适量的Co和Ni，加入Co能够稳定其微观组织，增加合金的抗拉强度，加入Ni可以防止焊料使用过程中产生的氧化，改善了焊料的塑性和流动性，进而提升了焊料铺展性，提高了焊料的抗拉及蠕变强度。通过组合添加 Co、Ni元素后增加了其组织稳定性，明显地抑制了界面金属间化物的生成，得到综合性能优良的焊料。Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料的性能如表1所示。在使用过程中，可以根据使用条件选择不同配比的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料。

表1 Sn-0.7Cu (Co, Ni)合金的物性参数

采用现有的制备焊料的通用方法在真空条件下，在电弧炉内熔炼，得到熔配成合适尺寸的铸态母合金，将不同成分合金的母合金熔化后通过水冷铜模吸铸法制备得到。

综上所述，本发明具有以下优点：

（1）本发明的Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金，不含铅和银，具有更环保，成本较低的优点，机械性能好，具有抗拉强度、延展性及当蠕变性能高的特点。

（2）本发明Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金同时加入Cu和Ni之间具有协同作用，使铺展率得到提高。Ni的添加还可防止焊料在使用过程中产生氧化。加入元素Co能够起到稳定组织，改善接头的热稳定性。

（3）本发明Sn-Cu-Co-Ni四元无铅焊料合金在Sn-Cu系合金的基础上同时添加Co和Ni形成四元无铅焊料合金，相比较包含五种及更多种元素的无铅焊料，在回收利用方面较方便且成本较低。

（4）本发明通过控制铜模冷水的流量能够得到不同冷却速度下的合金，冷却速度不同得到的合金的强度也不同，能够根据焊料需要的强度进行灵活控制。

（5）本发明中增加了Co和Ni的量，同时控制两者的重量百分比和不大于2.5%，防止合金因Co和Ni的量增加而熔点升高，流动性变差，同时能够扩大焊料的使用范围，使其能够应用在航天等其他行业中。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，其特征在于：所述无铅焊料中Cu占焊料重量百分比为0.5～0.8%，Co占焊料重量百分比为0.5～1.5%，Ni占焊料重量百分比为0.5～1.5%，其余为Sn，杂质含量小于0.2%，Co和Ni的重量百分比之和不大于2.5%。

2.如权利要求1所述的Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料，其特征在于：进一步的Cu占焊料重量百分比为0.7%。

3.如权利要求1所述的Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤，

（1）在真空条件下，按照配比称量混合后在电弧炉内熔炼得到二元Sn-Cu母合金，合金反复熔炼至少6次，最后一次复熔后通过水冷铜模吸铸法制备得到不同冷却速度下的母合金；

（2）在步骤（1）制得的母合金的基础上添加Co，在真空条件下，在电弧炉内熔炼得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Co三元合金；

（3）在步骤（1）制得的母合金的基础上添加Ni，在真空条件下，在电弧炉内熔炼得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Ni三元合金；

（4）将上述制得的Sn-Cu、Sn-Cu-Co和Sn-Cu-Ni合金按照配比混合，在真空条件下熔配即可得到不同冷却速度下的Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料。