CN109732237A

CN109732237A - 一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金

Info

Publication number: CN109732237A
Application number: CN201910000325.2A
Authority: CN
Inventors: 严继康; 甘有为; 白海龙; 刘宝权; 吕金梅; 赵玲彦; 陇赞; 陈东东; 滕媛; 顾鑫; 徐凤仙; 朵云琨; 甘国友; 易健宏; 刘明; 陈俊宇
Original assignee: YUNNAN TIN MATERIAL CO Ltd; Kunming University of Science and Technology
Current assignee: YUNNAN TIN MATERIAL CO Ltd; Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2019-05-10

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

一种SnBiCuAgNiCe低温无铅焊料合金

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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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、Sn_1.8Ce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

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。