CN108788510B - 无铅焊料合金及其制备方法和应用、玻璃组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无铅焊料合金，属于焊料合金技术领域，该无铅焊料合金的组分及其质量百分比为铟In：60％～64％，银Ag：3.65％～7.35％，铜Cu：0.01％～5％，钛Ti：0.03％～4％，余量为锡Sn。本发明的无铅焊料合金强度和延展性方面的性能优越，焊接应力小，尤其适合在玻璃上焊接应用。

Description

无铅焊料合金及其制备方法和应用、玻璃组件

技术领域

本发明属于无铅焊料技术领域，涉及一种无铅焊料合金及其制备方法和应用、使用该无铅焊料合金的玻璃组件。

背景技术

有铅焊料在焊接时具有焊锡扩散性好、熔点低、价格便宜的优点，然而，由于欧盟2002/95/EG等规定，整车中电子元器件和电子连接件使用的焊料对铅、汞、镉和铬等有害物质有明确限制；韩国也颁布了类似的法规，美国日本也都在跟进。因此，无铅焊料取代有铅焊料成为一种趋势。

已知的无铅焊料合金，例如，高锡无铅焊料，尤其不适于应用在玻璃上；一方面，这些无铅焊料合金不能获得高粘合强度；另一方面，这些无铅焊料合金具有较差的塑性形变特性，容易产生较大的焊接应力，例如，玻璃和类似铜舌片属于热膨胀系数区别很大的两种材料，无铅焊料合金将玻璃和电子元器件的连接件焊接在一起后，在随后的冷却过程中，由于该焊料具有较差的塑性变形，不能抵消电子元器件的连接件和玻璃之间产生的应力，从而，产生焊接应力，在相对较大的温度波动情况下该焊接应力会致使玻璃破裂。

发明内容

为克服以上不足的至少一个方面，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的一方面，提供一种无铅焊料合金，其特征在于，该无铅焊料合金的组分及其质量百分比为铟In：60％～64％，银Ag：3.65％～7.35％，铜Cu：0.01％～5％，钛Ti：0.03％～4％，余量为锡Sn。

进一步，一实施例的无铅焊料合金的组分中还包含铋Bi，其质量百分比为0.03％～2％。

进一步，一实施例的无铅焊料合金的组分中还包含钴Co，其质量百分比为0.01％～2％。

按照本发明的又一方面，提供一种以上所述的无铅焊料合金的制备方法，其包括步骤：

（a）向熔炉中加入锡金属，加热至锡金属完全熔化；

（b）根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的钛金属，并且搅拌均匀；

（c）将所述熔炉升温至约1600±50°F，停止加热；

（d）根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的铜金属、银金属和铟金属，搅拌均匀并使它们完全熔化；

（e）将所述熔炉在380±20°F加热一段时间以平衡所述熔炉内的金属溶液；以及

（f）将所述熔炉内金属溶液倒出进行浇铸，冷却形成合金坯料。

在一实施例中，在所述（d）步骤中，根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的钴金属。

在一实施例中，在所述（e）步骤中，加热时间可以为4分钟至6分钟。

在之前任一实施例的制备方法中，还包括在所述（d）步骤之后的步骤：

（d1）将所述熔炉升温至约1600±50°F，停止加热；以及

（d2）根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的铋金属，搅拌均匀并使其完全熔化。

在之前任一实施例的制备方法中，在所述（f）步骤之后还包括步骤：

（g）将所述合金坯料进行挤压以挤压出焊料合金丝线；和

（h）对所述焊料合金丝线进行拉丝处理。

在之前任一实施例的制备方法中，在所述（g）步骤中，在将所述合金坯料进行挤压之前，去除所述合金坯料的表面氧化层。

按照本发明的还一方面，提供一种以上任一所述的无铅焊料合金的应用，其中，使用所述无铅焊料合金将电子元器件的连接件焊接到玻璃上的电接触表面。

按照本发明的再一方面，提供玻璃组件，其包括玻璃基体和被焊接固定在所述玻璃基体上的电子元器件，其特征在于，还包括：位于所述电子元器件与所述玻璃基体之间的用于焊接固定所述电子元器件的以上任一所述的无铅焊料合金。

下面对本发明实施例的无铅焊料合金中所含元素在合金中所起的作用，以及其优选的含量（质量百分比范围）做详细的描述：

In：In元素具有低硬度、较低熔点等特性，In元素的大量加入可以降低该无铅焊料合金在焊接后的焊接应力；因此，本发明无铅焊料合金中的In含量控制在60％～64％，进一步优选为61%～64%。

Ag：Ag元素的加入可以适当降低该无铅焊料合金的热膨胀系数；因此，本发明无铅焊料合金中的Ag含量控制在3.65％～7.35％，进一步优选为4%～7%。

Cu：Cu元素的加入，即使以极少量例如0.01重量%加入，也可以有效地提高该无铅焊料合金的强度；因此，本发明无铅焊料合金中的Cu含量控制在0.01％～5％，进一步优选为0.03%～4%。

Ti：Ti元素的加入，即使以极少量例如0.03重量%加入，也可以提高该无铅焊料合金的固相线温度和液相线温度；因此，本发明无铅焊料合金中的Ti含量控制在0.03％～4％，进一步优选为0.03%～3%。

Bi：Bi元素的加入，即使以例如0.03重量%加入，其与其他元素相结合，可以有效地提高该无铅焊料合金的可加工性；因此，本发明无铅焊料合金中的Bi含量控制在0.03％～2％，进一步优选为0.03%～1.5%。

Co：Co元素的加入，即使以例如0.01重量%加入，其与其他元素相结合，可以有效地提高该无铅焊料合金的强度。因此，本发明无铅焊料合金中的Co含量控制在0.01％～2％，进一步优选为0.03%～1.5%。

本发明具有以下积极效果的至少一方面：

（1）该无铅焊料合金环保。

（2）该无铅焊料合金在强度和延展性方面的性能优越，以及焊接时流动性和润湿性都可以和有铅焊料相媲美，焊接应力小，其提供了可以在汽车玻璃上焊接的应用可能。

（3）应用该无铅焊料合金将电子元器件的连接件焊接到玻璃的电接触表面时，可以使用较低的焊接温度即可实施，而在焊接完成后，焊料合金又可以承受用户所期望的更高的工作环境温度而不熔化。

（4）成本低、价格便宜。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的无铅焊料合金制备方法流程图。

图2是按照本发明一实施例的玻璃组件的平面结构示意图。

图3是图2中的A-A截面示意图。

符号说明

90—玻璃组件 900—玻璃基体 920—电接触表面

930—含银加热丝 980—加热工作区域 800—电子元器件

840—电源线 850—连接件 700—无铅焊料合金。

具体实施方式

下面具体说明上述渗碳合金钢及其制备方法的实施例，这些实施例实质用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

本发明实施例的无铅焊料合金包含铟（In）、银（Ag）、铜（Cu）、钛（Ti）和锡（Sn）等作为构成组分，进一步还包含铋（Bi）和/或钴（Co）。需要说明的是，本发明以下实施例中关于无铅焊料合金的组成描述中，均是按质量百分比来计的。

本发明实施例的无铅焊料合金的组分体系中，In元素具有低硬度、较低熔点，其在焊接时具有极好的流动性（浸润性）等特性，并且较低的熔点会降低焊接温度，从而会减小焊接热膨胀系数不匹配的不利影响，在冷却过程中会减小焊接应力；所以In元素的大量加入可以降低该无铅焊料合金在焊接后的焊接应力。因此，本发明无铅焊料合金中的In含量控制在60％～64％，进一步优选为61%～64%。

本发明实施例的无铅焊料合金的组分体系中，Ag元素的加入可以适当降低该无铅焊料合金的热膨胀系数，这是因为Ag的热膨胀系数要低于In；并且，Ag元素的加入也有利于焊接时更好的和含银的电接触表面结合；因此，本发明无铅焊料合金中的Ag含量控制在3.65％～7.35％，进一步优选为4%～7%。

本发明实施例的无铅焊料合金的组分体系中，Cu元素的加入，即使以极少量例如0.01 %加入，也可以有效地提高该无铅焊料合金的可锻性，这是由于Cu具有很好的可锻性，即锻压时不易产生裂纹，且焊接时更易和含铜的电子元器件结合；因此，本发明无铅焊料合金中的Cu含量控制在0.01％～5％，进一步优选为0.03%～4%。

本发明实施例的无铅焊料合金的组分体系中，Ti元素的加入，即使以极少量例如0.03 %加入，也可以提高该无铅焊料合金的固相线温度和液相线温度，这是由于，Ti的固相线温度和液相线温度要高于主要元素In、Sn、Ag等；因此，本发明无铅焊料合金中的Ti含量控制在0.03％～4％，进一步优选为0.03%～3%。

本发明实施例的无铅焊料合金的组分体系中，Bi元素的加入，即使以例如0.03%加入，其与其他元素相结合，可以有效地提高该无铅焊料合金的可加工性，这是由于，Bi可以防“锡疫”，少量的加入都可以避免无铅焊料合金的加工过程中出现开裂问题；因此，本发明无铅焊料合金中的Bi含量控制在0.03％～2％，进一步优选为0.03%～1.5%。

本发明实施例的无铅焊料合金的组分体系中，Co元素的加入，即使以例如0.01%加入，其与其他元素相结合，可以有效地提高该无铅焊料合金的强度，这是由于，Co的硬度要高于主要元素In、Sn、Ag等; 因此，本发明无铅焊料合金中的Co含量控制在0.01％～2％，进一步优选为0.03%～1.5%。

其中，余量锡的Sn的质量百分比在30.5％～34.5％范围内可选。

本发明实施例的无铅焊料合金的可以具有约120℃至约145℃的固相线温度和约130℃至约155℃的液相线温度。

以下具体给出本发明实施例的无铅焊料合金的多个实施例。

实施例1

本实施例的无铅焊料合金的组分及其质量百分比为：铟In：61％，银Ag：4.5％，铜Cu：0.8％，钛Ti：0.5％，余量为锡和不可避免的杂质。

上述组合物的熔点或者液相线温度为127.24℃，固相线温度为117.64℃，抗拉强度为34778 PSI，洛氏硬度为55。

实施例2

本实施例的无铅焊料合金的组分及其质量百分比为：In：61.8％，银Ag：5％，铜Cu：1.2％，钛Ti：1.1％，铋Bi：1.5%，余量为锡和不可避免的杂质。

上述组合物的熔点或者液相线温度为133.18℃，固相线温度为121.94℃，抗拉强度为34791 PSI，洛氏硬度为55.5。

实施例3

本实施例的无铅焊料合金的组分及其质量百分比为：In：63％，银Ag：7％，铜Cu：2.2％，钛Ti：2.8％，铋Bi：0.5%，钴Co：1.5%，余量为锡和不可避免的杂质。

上述组合物的熔点或者液相线温度为138.82℃，固相线温度为127.40℃，抗拉强度为34812 PSI，洛氏硬度为56.2。

实施例4

本实施例的无铅焊料合金的组分及其质量百分比为：In：63.5％，银Ag：6.5％，铜Cu：1.6％，钛Ti：2.6％，铋Bi：1%，钴Co：1.2%，余量为锡和不可避免的杂质。

上述组合物的熔点或者液相线温度为139.66℃，固相线温度为128.21℃，抗拉强度为34829 PSI，洛氏硬度为56.8。

以下具体描述本发明的无铅焊料合金的制备方法实施例。

图1所示为按照本发明一实施例的无铅焊料合金制备方法流程图。

如图1所示，首先步骤S110，向高温熔炉中加入期望量的锡金属，逐渐加热至锡金属完全熔化；其中，熔炉具体采用电加热方式来实现。

进一步，步骤S120，根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的钛金属，并且搅拌均匀。具体地，在该步骤中，出于安全考虑，关闭加热熔炉的电流。

进一步，步骤S130，将熔炉升温至约1800±50°F，停止加热，例如，再次关闭加热熔炉的电流。

进一步，步骤S140，根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的铜金属、银金属和铟金属，可选地还加入钴金属，搅拌均匀并使它们完全熔化；在搅拌过程中，在某一方向搅拌10分钟至20分钟后，可以调整为反方向进行搅拌，搅拌速度尽量保持均匀一致，确保搅拌无死角，直到加入的金属熔于熔炉内金属溶液中。

进一步，步骤S150，将熔炉升温至约1600±50°F，停止加热，例如，再一次关闭加热熔炉的电流。

进一步，步骤S160，根据无铅焊料合金的组分和含量向熔炉中加入相应量的铋金属，搅拌均匀并使其完全熔化。

进一步，步骤S170，将熔炉在380±20°F加热一段时间（例如4min~6min），平衡所述熔炉内的金属溶液。

进一步，步骤S180，将熔炉内金属溶液倒出进行浇铸，冷却形成合金坯料。具体地，在静置一段时间后，倾倒熔炉内金属溶液进入锭（例如，圆柱模腔）中，浇铸圆柱，从而形成圆柱形的合金坯料。在确定圆柱形的合金坯料已完全冷却后，或在规定冷却时间到达后，将圆柱形的合金坯料倒出。

进一步，步骤S190，去除合金坯料表面的氧化层。具体地，在合金坯料放入挤压机之前，将合金坯料的圆柱表层进行剥皮处理，有效去除圆柱表层的氧化物及杂物等，更加能够保证焊料合金最终成品的可靠性。

进一步，步骤S210，将合金坯料进行挤压，在该实施例中，挤压操作可以在挤压机上进行，具体是为了挤压出焊料合金丝线。具体地，在放入挤压机前，优选地在圆柱形的合金坯料的表层上擦一层润滑油，确保挤压过模时能够顺利通过，减少焊料与模孔之间的摩擦力，这样，既能保证挤压出丝速度的均匀性，同时也能有效延长模具使用的寿命。

另外，在挤压操作过程中，优选地，用于挤压的压力应尽量保持均衡，从而使出丝的速度始终保持匀速，避免时快时慢的情形发生；如果在正常挤压过程中发现出丝速度突变时，应该立即中止挤压操作，检查并重新调整后再继续进行挤压操作。

进一步，步骤S220，对焊料合金丝线进行拉丝处理。以生产出丝状的无铅焊料合金产品为示例，在生产线中，挤压操作后得到直径约9mm-10mm的焊料合金丝线，即焊丝，通过多次拉伸操作逐渐细化焊丝直径，例如，经过第一次拉伸操作后焊丝直径达到约5mm，经过第二次拉伸操作后，焊丝直径被控制在5mm至2mm，经过第二次拉伸操作后，焊丝直径达到1.2mm。

至此，本发明实施例的无铅焊料合金产品基本形成。

需要说明的是，以上实施例制备形成的合金坯料并不限于制备形成丝状的最终焊料合金产品，根据具体需要，例如也可以将合金坯料压制成片状、条状、带状或者块状等。

根据本发明一实施例的无铅焊料合金的应用实施例，其中，使用无铅焊料合金将电子元器件的连接件焊接到玻璃上的电接触表面。在应用时，利用加热部件加热无铅焊料合金使其熔化，将熔化的无铅焊料合金置于电子元器件的连接件焊接到玻璃上的电接触表面之间，实现焊接电子元器件与玻璃的焊接连接。具体地，玻璃为汽车玻璃，例如，挡风玻璃。

图2所示为按照本发明一实施例的玻璃组件的平面结构示意图，图3所示为图2中的A-A截面示意图。图2所示的玻璃组件是基于以上应用方法形成的， 以下结合图2和图3所示对该玻璃组件进行详细示例说明。

如图2所示，玻璃组件90示例为汽车玻璃组件，其具体为车厢上安装的挡风玻璃组件，该玻璃组件具有加热功能，因此，在玻璃组件90的玻璃基体900上设置有加热工作区域980，具体为含银加热丝的加热工作区域980，加热工作区域980中设置有如图2所示的含银加热丝930，其设置在玻璃基体900的表面上，示例地为13条。

为给含银加热丝930加热，通过在玻璃基体900表面上设置例如两个电接触表面920，每根含银加热丝930的两端分别与电接触表面920电连接，每个电接触表面920上焊接固定有电子元器件800。电子元器件800上设置有连接件850，连接件850例如可以是天线接头、加热丝舌片、编织带等电子连接件，并通过电源线840供电。连接件850通过无铅焊料合金700焊接玻璃基体900上，无铅焊料合金700为本发明以上实施例的无铅焊料合金，在焊接过程中，流动性和润湿性好，焊接应力小，不但在焊接过程中玻璃基体900不易破碎，而且在后续工作加热工作过程或者在极端恶劣高温环境中，无铅焊料合金700也不容易熔化。因此，玻璃组件90可靠性好、容易满足耐久老化的相关要求。

需要理解的是，以上实施例的无铅焊料合金并不限于应用于玻璃基体900与电子元器件800的焊接连接，其也可以应用于其他的类似于玻璃基体900与电子元器件800的连接件之间膨胀系数区别大的两种材料之间的焊接连接。

以上例子主要说明了本发明的无铅焊料合金及其制备方法和应用、使用该无铅焊料合金的玻璃组件。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (6)

1.一种无铅焊料合金的制备方法，其中，所述无铅焊料合金的组分及其质量百分比为铟In：60％～64％，银Ag：3.65％～7.35％，铜Cu：0.01％～5％，钛Ti：0.03％～4％，余量为锡Sn；其特征在于，所述方法包括步骤：

（a）向熔炉中加入锡金属，加热至锡金属完全熔化；

（b）根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的钛金属，并且搅拌均匀；

（c）将所述熔炉升温至1800±50°F，停止加热；

（d）根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的铜金属、银金属和铟金属，搅拌均匀并使它们完全熔化；

（e）将所述熔炉在380±20°F加热一段时间以平衡所述熔炉内的金属溶液；以及

（f）将所述熔炉内金属溶液倒出进行浇铸，冷却形成合金坯料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述（d）步骤中，根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的钴金属，钴的质量百分比为0.01％～2％。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述（e）步骤中，加热时间为4分钟至6分钟。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括在所述（d）步骤之后的步骤：

（d1）将所述熔炉升温至1600±50°F，停止加热；以及

（d2）根据所述无铅焊料合金的组分和含量向所述熔炉中加入相应量的铋金属，搅拌均匀并使其完全熔化，其中，铋的质量百分比为0.03％～2％。

5.如权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，在所述（f）步骤之后还包括步骤：

（g）将所述合金坯料进行挤压以挤压出焊料合金丝线；和

（h）对所述焊料合金丝线进行拉丝处理。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述（g）步骤中，在将所述合金坯料进行挤压之前，去除所述合金坯料的表面氧化层。

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