CN109732237A - 一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,属于电子焊接技术领域。本发明无铅焊料合金包括:Bi 10~26%、Cu 0.3~1.0%、Ag 0.1~1.0%、Ni 0.01~0.2%、Ce 0.01~0.2%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Cu、Ag、Ni、Ce分别以中间合金Sn10Cu、Sn3Ag、Sn4Ni、Sn1.8Ce的形式加入。本发明的SnBiCuAgNiCe无铅焊料合金,其合金化程度高,焊料结晶组织均匀细化,Bi的富集得到抑制,平均尺寸在5µm,且熔点控制在176‑195℃。焊料的润湿性、力学性能显著提升,并且成本低,能满足波峰焊工艺的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,属于电子焊接技术领域。
背景技术
当前较为认可的无铅焊料以SnAgCu3005为代表,因为其容易获得、技术问题相对也较少,且与传统焊料相容性较好,可靠性较高。然而使用SnAgCu系焊料完全替代锡铅焊料并不现实。银价的上涨使得含银焊料市场竞争力下降,尽管低银 (或微银 )含量的SnAgCu系列合金已经开始得到部分应用,但由于其焊接工艺条件要求更高,综合成本高,并且节能减排的要求也使得SnAgCu焊料的市场会越来越小。而且其最致命的弱点是合金熔点比原来SnPb焊料高。虽然SnBi焊料在熔点方面由独一无二的优势,最低可以达到138℃,在低温领域大量应用,并且热疲劳性能优良,Bi的物理性能优良,同时可以极大的降低固相线温度,但是Bi的质量分数高达58wt%的SnBi共晶焊料的力学性能不佳、熔点过低,较高温度应用场合又不适宜、热疲劳性能不佳,并且受到储量的限制,市场也会越来越小。另外,在今后开发的高密度信息设备与便携式机中,基板的多层化或器件内藏化等低温焊接技术是必须的。
发明内容
针对现有技术中低温无铅焊料的问题,提供一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,通过添加微量Ag、Ni、Ce掺杂SnBiCu焊料,复配后的焊料合金熔点在176~195℃,抗拉强度为79~92Mpa、延伸率为34~42%、润湿时间为0.47~0.61s、最大润湿力为0.86~1.1mN、润湿角为20.2~22.9°、铺展率为69~77.4%;组织细化很明显,抑制Bi的富集,提高焊料的力学性能和可靠性。
一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi10~26%、Cu 0.3~1.0%、Ag 0.1~1.0%、Ni 0.01~0.2%、Ce 0.01~0.2%、余量的Sn和不可避免的杂质。
进一步地,所述SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入。
Ag 的加入使SnBiCu合金组织中出现针状或颗粒状析出相Ag3Sn,Ni元素与Sn形成Ni3Sn、Ni3Sn2、Ni3Sn4三种金属间化合物,微量元素 Ag、Cu、Ni、Ce的共掺杂,可使组织细化改善组织,细晶强化,弥散强化金属间化合物,抑制Bi的富集;β-Sn枝晶相的尺寸变小,提高了焊料合金强度;同时抑制Cu6Sn5金属间化合物的生长,抑制Cu基质向熔融态焊料的溶解,显著降低焊料在基板上的润湿时间,有效改善焊料的铺展能力;降低液态钎料的表面自由能,使其表面张力减小,促进钎料在铜基母材上的润湿能力,提高钎料的润湿性能。
本发明的有益效果:
(1)本发明的SnBiCuAgNiCe无铅焊料合金,其合金化程度高,焊料结晶组织均匀细化,Bi的富集得到抑制,平均尺寸在5µm,且熔点控制在176-195℃。焊料的润湿性、力学性能显著提升,并且成本低,能满足波峰焊工艺的使用要求;
(2)本发明SnBiCuAgNiCe系无铅焊料合金,可以应用在多层电路板焊接、防雷元件焊接和其他对温度敏感性强的无铅电子产品等焊接中。可制成多种焊接材料产品,如焊膏用的低温无铅焊锡粉、低温无铅焊条、低温无铅焊锡丝以及BGA球。
附图说明
图1为实施例1的SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的焊点图;
图2为实施例2钎料合金润湿角金相图;
图3为实施例5 SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 10%、Cu 0.7%、Ag0.5%、Ni 0.03%、Ce 0.013%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的焊点图如图1所示,从图1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金形成的焊点表面圆滑饱满,能在铜片上充分扩展,润湿性良好;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点183℃,抗拉强度为86Mpa,延伸率为38%,润湿时间为0.49s,最大润湿力为0.94mN,润湿角为21.7°,焊点铺展率为73%,形态为无铅焊粉。
实施例2:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 15%、Cu 0.5%、Ag0.1%、Ni 0.2%、Ce 0.05%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例钎料合金润湿角金相图如图2所示,从图2可知,焊料的润湿角小于45°就表示此焊料具有较好的润湿性,润湿角越小润湿能力越好;本实施例的钎料合金焊点的润湿角为22.1°,且边缘区链接很紧密,无剥落现象;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点180℃,抗拉强度为88Mpa,延伸率为36%,润湿时间为0.48s,最大润湿力为0.96mN,润湿角为22.1°,焊点铺展率为73.9%,形态为无铅焊条。
实施例3:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 18%、Cu 0.3%、Ag0.3%、Ni 0.05%、Ce 0.1%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点179℃,抗拉强度为90Mpa,延伸率为39%,润湿时间为0.47s,最大润湿力为0.98mN,润湿角为21°,焊点铺展率为77.4%,形态为无铅焊锡丝。
实施例4:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 22%、Cu 0.5%、Ag0.5%、Ni 0.09%、Ce 0.07%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点177℃,抗拉强度为91Mpa,延伸率为37%,润湿时间为0.52s,最大润湿力为0.88mN,润湿角为22.5°,焊点铺展率为74.9%,形态为无铅焊条。
实施例5:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 26%、Cu 1.0%、Ag0.7%、Ni 0.01%、Ce 0.2%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的金相组织图如图3所示,从图3可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金结晶组织均匀细化,Bi的富集得到抑制,平均尺寸在5µm;组织结构的细化程度与焊料的宏观性能紧密相关,组织越细小,焊料的力学性能,可靠性能就越高,现有的SnBi58共晶焊料合金,由于存在严重的Bi枝晶偏析,导致焊料脆性很大,在实际应用中容易导致焊点剥落,而本实施例的焊料合金组织均匀细化,有效的解决了Bi的偏析;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点176℃,抗拉强度为92Mpa,延伸率为34%,润湿时间为0.59s,最大润湿力为0.86mN,润湿角为22.9°,焊点铺展率为70%,形态为无铅焊粉。
实施例6:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 18%、Cu 0.7%、Ag0.5%、Ni 0.05%、Ce 0.05%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点182℃,抗拉强度为88Mpa,延伸率为40%,润湿时间为0.53s,最大润湿力为0.92mN,润湿角为22.3°,焊点铺展率为77%,形态为无铅焊锡丝。
实施例7:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 20%、Cu 0.5%、Ag1%、Ni 0.12%、Ce 0.07%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点180℃,抗拉强度为87Mpa,延伸率为41%,润湿时间为0.51s,最大润湿力为0.89mN,润湿角为21.9°,焊点铺展率为76%,形态为无铅焊粉。
实施例8:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 12%、Cu 0.3%、Ag0.5%、Ni 0.03%、Ce 0.1%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点195℃,抗拉强度为79Mpa,延伸率为42%,润湿时间为0.61s,最大润湿力为0.86mN,润湿角为22°,焊点铺展率为69%,形态为无铅焊条。
实施例9:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 17%、Cu 1.0%、Ag0.3%、Ni 0.15%、Ce 0.15%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点184℃,抗拉强度为83Mpa,延伸率为38%,润湿时间为0.54s,最大润湿力为0.87mN,润湿角为21.8°,焊点铺展率为72%,形态为BGA小球。
实施例10:一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 23%、Cu 0.7%、Ag0.5%、Ni 0.07%、Ce 0.09%、余量的Sn和不可避免的杂质;SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Ag、Cu、Ni、Ce分别以中间合金Sn3Ag、Sn10Cu、Sn4Ni、Sn1.8Ce形式加入;
本实施例SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的性能检测数据见表1,
表1实施例1~10的实验数据
从表1可知,SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金的熔点178℃,抗拉强度为90Mpa,延伸率为40%,润湿时间为0.49s,最大润湿力为1.1mN,润湿角为20.2°,焊点铺展率为75%,形态为BGA小球。
Claims (2)
1.一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,其特征在于:以质量百分数计,该无铅焊料合金包括:Bi 10~26%、Cu 0.3~1.0%、Ag 0.1~1.0%、Ni 0.01~0.2%、Ce 0.01~0.2%、余量的Sn和不可避免的杂质。
2.权利要求1所述SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金,其特征在于:SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金制备过程中,Cu、Ag、Ni、Ce分别以中间合金Sn10Cu、Sn3Ag、Sn4Ni 、Sn1.8Ce的形式加入。
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