CN110744220B

CN110744220B - 低飞溅焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN110744220B
Application number: CN201911122156.6A
Authority: CN
Inventors: 贺会军; 张焕鹍; 朱捷; 林卓贤; 赵朝辉; 刘希学; 刘建; 王志刚; 安宁
Original assignee: BEIJING COMPO ADVANCED TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: BEIJING COMPO ADVANCED TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN110744220A

Abstract

本发明提供了一种低飞溅焊丝及其制备方法，该低飞溅焊丝包括以下组分：助焊剂和焊料合金，所述助焊剂通过高速剪切作用弥散在所述焊料合金中；所述助焊剂在所述焊料合金中呈颗粒状，所述颗粒状的助焊剂的粒径为1nm～0.5mm。采用本发明中的制备方法制备得到的低飞溅焊丝，由于助焊剂弥散在焊料合金中，避免了传统结构中的助焊剂聚集在一起造成的挥发压力，能够显著降低飞溅的产生，从而解决了现有技术中焊丝在瞬间加热的情况下，挥发压力较大导致的飞溅问题。

Description

低飞溅焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子焊料技术领域，具体涉及一种低飞溅焊丝及其制备方法。

背景技术

锡丝是在焊接线路中连接电子元器件的重要工业原材料，广泛应用于电子工业、家电制造业、汽车制造业、维修业和日常生活中。

传统的锡丝通常都是轴芯结构，助焊剂在焊料的芯部。加热焊接时，焊料层熔化的同时助焊剂从芯部流出，去除被焊部位氧化层从而起到助焊作用，实现焊接。由于助焊剂集中在焊料内部，焊接时受电烙铁的瞬间高温，迅速熔化和汽化，极易造成助焊剂和焊料发生飞溅现象，造成焊接的产品发生短路、连焊的问题，另外芯部助焊剂的微观均匀性难以精确保证，在自动化焊接过程中容易造成焊接缺陷问题。

为了降低锡丝焊接过程中的飞溅现象，专利CN201988854U提供了侧面三开口的锡丝结构，专利CN103659030A提供了一种焊料合金螺旋缠绕助焊剂表面的锡丝结构，专利CN205414735U提供了焊料合金表层含有复数个径向的排气孔。这些锡丝的结构使得在焊接过程中，释放助焊剂挥发造成的压力，降低飞溅产生。专利 CN206405632U提供了一种拉丝机装置，该装置设计的开缝刀片可使锡丝形成开缝口，使产生的助焊剂压力提前释放，来减小锡丝飞溅。

虽然上述方法降低了助焊剂挥发的压力，均可在一定程度上减少飞溅，但是锡丝里的助焊剂在锡丝芯部依然是聚集态，焊接过程中需焊料熔化后，助焊剂才能从锡丝中流出来起到助焊作用，在瞬间加热情况下，挥发的压力依然较大，依然存在飞溅的隐患。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低飞溅焊丝及其制备方法，采用本发明中的制备方法制备得到的低飞溅焊丝，由于助焊剂弥散在焊料合金中，避免了传统结构中的助焊剂聚集在一起造成的挥发压力，能够显著降低飞溅的产生；并且该焊丝中的助焊剂与焊料合金同步熔化，可起到更好的助焊作用，提高焊丝的焊接质量，以解决现有技术中焊丝在瞬间加热的情况下，挥发压力较大导致的飞溅问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种低飞溅焊丝。

该低飞溅焊丝包括以下组分：助焊剂和焊料合金，所述助焊剂通过高速剪切作用弥散在所述焊料合金中；所述助焊剂在所述焊料合金中呈颗粒状，所述颗粒状的助焊剂的粒径为1nm～0.5mm。

进一步的，所述助焊剂的重量百分比为0.5～6wt.％，所述焊料合金的重量百分比为94～99.5wt.％。

进一步的，所述焊料合金包括但不仅限于Sn基、Pb基或Bi基合金。

进一步的，所述焊料合金为Sn/Ag/Cu合金、Sn/Pb合金或Sn/Bi 合金。

进一步的，所述助焊剂为松香基助焊剂、树脂基助焊剂或水溶性助焊剂。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种低飞溅焊丝的制备方法。

该低飞溅焊丝的制备方法包括以下步骤：

(1)制备焊料合金熔液；

(2)根据设计比例向步骤(1)得到的所述焊料合金熔液中加入助焊剂，然后在高速剪切作用下使得所述助焊剂充分弥散在所述焊料合金熔液中；

(3)将步骤(2)得到的弥散液快速冷却，形成铸锭；

(4)将步骤(3)得到的所述铸锭经过挤压、辊轧、拉丝工艺制得低飞溅焊丝。

进一步的，步骤(1)中，所述焊料合金熔液的制备包括：将焊料合金加入真空熔炼炉中，进行充分熔化并保温，得到焊料合金熔液。

进一步的，所述保温温度为高于所述焊料合金的熔点10～50℃。

进一步的，步骤(2)中，在进行高速剪切作用前需要对所述焊料合金熔液与所述助焊剂的混合熔液抽真空处理，抽真空至1×10^-2～1×10^-1Pa，然后充入保护气体。

进一步的，所述保护气体为氮气。

进一步的，步骤(2)中，采用高速剪切乳化装置在高速剪切力的作用下，使得所述助焊剂被剪切、破碎，在焊料熔液中形成1nm～0.5mm液滴。

进一步的，所述铸锭在挤压时，采用石蜡或润滑剂对出料口位置进行表面处理。

本发明中的制备方法，通过高速剪切乳化装置使焊料金属/助焊剂混合，在高速剪切力的作用下，助焊剂被剪切、破碎，分散成细小的液滴，此过程在一段时间内反复发生，实现对助焊剂在熔体内的多次重复破碎分散作用。液态的助焊剂密度一般与焊料合金相差较大，因而在混合熔体中，助焊剂容易出现上浮、聚集问题。Stokes 质点浮沉速度υ表达式为：

式中，η为焊料熔体的粘度(Pa·s)；r为助焊剂半径；g为重力加速度；ρ为密度。

根据上式，助焊剂在焊料熔体内的浮沉速率与助焊剂和焊料熔体的密度差及液滴半径平方成正比，并与焊料熔体的粘度成反比。因此增加焊料熔体的粘度，减小助焊剂液滴的半径均可降低液滴的上浮速率，从而使助焊剂弥散相不易聚集结团形成更大的液滴，使得焊料合金中的助焊剂均匀分布。在选定焊料合金及助焊剂的前提下，焊料及助焊剂的密度为定值，助焊剂在焊料中的浮沉速率与液滴尺寸的平方成正比，因此减小助焊剂液滴尺寸对其浮沉速率导致的液滴上浮及聚集长大的影响最大，同时降低了助焊剂颗粒与焊丝金属熔体之间出现分离的浮沉速率。

需要说明的是，本发明中的制备工艺，在铸锭经过焊丝生产设备挤压时，铸锭通常先做预热处理，预热处理的温度有可能会高于助焊剂的软化点，弥散的助焊剂颗粒会以液态形式存在，挤压过程弥散在铸锭及出料外表面的助焊剂会被挤压去除。由于只是去除了铸锭和出料表面少量的助焊剂，焊丝助焊剂的变化可忽略。即便如此，对于助焊剂比例精度要求较高的产品，可根据挤压过程中助焊剂的去除比例，在生产铸锭的过程中提前补充。

为了使得焊丝表面更加光滑，在铸锭挤压时可在出料口位置使用石蜡、润滑剂等材料对出料表面处理，也可在焊丝拉拔过程使用含有石墨烯的拉丝液得到表面有石墨烯包覆的焊丝。

本发明的实施例中，通过高速剪切乳化工艺，利用高速转子与定子的相对作用，保证了更大的剪切力和更高的剪切速度，实现了对加入的助焊剂进行反复的破碎分散，将液态助焊剂分离成 1nm～0.5mm液滴，且在熔体中均匀分布，最终获得长时间稳定存在的焊料合金-助焊剂弥散液，确保后续工艺有充足时间对弥散液进行处理。

采用本发明中的制备方法制备得到的低飞溅焊丝，助焊剂弥散在焊料合金中，实现了助焊剂与焊丝金属弥散均匀一体分布，而非传统的助焊剂/焊丝金属的轴芯结构，因而避免了传统结构中的助焊剂聚集在一起造成的挥发压力，能够显著降低飞溅的产生，提高焊后产品的可靠性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明中采用高速剪切乳化工艺制备焊料合金弥散液的高速剪切乳化设备的结构示意图；

图2为本发明中采用高速剪切乳化工艺制备焊料合金弥散液的高速剪切乳化设备的局部放大图；

图3为本发明中采用高速剪切乳化工艺制备焊料合金弥散液的熔体自循环示意图；

图4为现有技术中采用常规工艺制备得到的直径为2.0mm的焊丝(Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金，2.4％助焊剂)进行飞溅测试的飞溅点图；

图5为本发明实施例1中制备得到的低飞溅焊丝进行飞溅测试的飞溅点图；

图6为本发明实施例中提供的低飞溅焊丝制备方法的流程示意图。

图中：

1、转子；2、定子。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种低飞溅焊丝的制备方法，图6为本发明实施例提供的低飞溅焊丝的制备方法流程示意图，如图6所示，该低飞溅焊丝的制备方法包括以下步骤：

(1)制备焊料合金熔液。

在本步骤中，采用真空熔炼法制备得到熔融的焊料合金熔液，将焊料合金的各原料组分按照合金配比加入真空熔炼炉中，进行充分熔化，并且在高于该焊料合金熔点温度10～50℃的温度下保温，得到熔融的焊料合金熔液。

(2)根据设计比例将助焊剂加入步骤(1)中得到的熔融焊料合金熔液中，抽真空至1×10^-2～1×10^-1Pa，充入氮气。

本实施例中采用直径为10cm转子的乳化设备进行高速搅拌，使助焊剂充分弥散在焊料熔液中。不同的乳化装置，搅拌速度和搅拌时间参数可根据设备能力优化，具体的调整方法行业内有经验的工程师是熟知的。

在本步骤中，助焊剂的重量百分比为0.5～6wt.％，并且助焊剂可以是松香基助焊剂、树脂基助焊剂或水溶性助焊剂，也可以是其他类型的助焊剂，本发明对助焊剂的类型和组分不作具体限定。焊料合金的重量百分比为94～99.5wt.％，根据实际数据计算，由于在搅拌过程中助焊剂的部分组分会损耗，因此可以将加入的助焊剂的重量百分比略高于计算得到的重量百分比，以保证制备得到的焊丝中助焊剂的重量百分比为0.5～6wt.％。采用高速剪切乳化装置在高速剪切力的作用下，所述助焊剂被剪切、破碎，分散形成1nm～0.5mm液滴。

(3)将步骤(2)得到的弥散液快速冷却，形成铸锭。

(4)将步骤(3)得到的铸锭经过挤压、辊轧、拉丝工艺，制成直径为2～3mm的焊丝。

本发明中的低飞溅焊丝的制备方法，是将焊料加热至焊料熔点以上10～50℃，然后按比例加入助焊剂；在高速剪切力作用下，液态的助焊剂被破碎成小液滴并与焊料形成弥散液；在一定条件下快速冷却，形成铸锭；然后采用焊丝生产设备将弥散有焊料的铸锭经挤压、拉拔等工艺获得一定的直径的焊丝。焊丝生产可使用焊丝生厂商的生产工艺，在此不再赘述。

下面将通过具体的实施例来进一步说明低飞溅焊丝的制备方法。

实施例1：

一种Sn/Ag/Cu合金焊丝，该焊丝的原料包含以重量百分比计的97.6％的Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金和2.4％的助焊剂；该焊丝的直径为 2mm。制备该焊丝的方法包括以下步骤：

1)制备Sn96.5Ag3.0Cu0.5焊料合金熔液，按照合金配比将Sn、 Ag、Cu原料在真空熔炼炉中充分熔化并保温，Sn96.5Ag3.0Cu0.5熔点为217℃，保温温度为230℃。

2)将助焊剂按照设计比例(根据实际数据计算，在搅拌过程中助焊剂的部分组分会损耗，因此此处设计比例为2.42％)添加至熔融的焊料合金熔液中，抽真空处理至1×10^-2～1×10^-1Pa，充入氮气，采用高速剪切乳化装置进行高速搅拌，搅拌时间为15min，搅拌速度为6000rpm，使助焊剂充分弥散在焊料熔液中。

3)将得到的弥散液快速冷却，形成铸锭。

4)采用焊丝常规挤压、辊轧、拉丝工艺，将铸锭制成直径为2mm 焊丝。

实施例2：

一种Sn/Pb合金焊丝，该焊丝的原料包含以重量百分比计的 98.0％的Sn50Pb50合金和2.0％的助焊剂；该焊丝的直径为3mm。

制备该焊丝的方法包括以下步骤：

1)制备Sn50Pb50焊料合金熔液，按照合金配比将Sn、Pb原料在真空熔炼炉中充分熔化并保温，Sn50Pb50熔程为183～216℃，保温温度为220℃。

2)将助焊剂按照设计比例添加至熔融的焊料合金熔液中，抽真空处理至1×10^-2～1×10^-1Pa，充入氮气，采用高速剪切乳化装置进行高速搅拌，搅拌时间为15min，搅拌速度为6000rpm，使助焊剂充分弥散在焊料熔液中。

3)将得到的弥散液快速冷却，形成铸锭。

4)采用焊丝常规挤压、辊轧、拉丝工艺，将铸锭制成直径为3mm 焊丝。

实施例3：

一种Sn/Bi合金焊丝，该焊丝的原料包含以重量百分比计的 98.0％的Sn42/Bi58合金和2.0％的助焊剂，该焊丝的直径4.0mm。制备该焊丝的方法包括以下步骤：

1)制备Sn42/Bi58焊料合金熔液，按照合金配比将Sn、Bi原料在真空熔炼炉中充分熔化并保温，Sn42/Bi58熔点为139℃，保温温度为149℃；

2)将助焊剂按照设计比例添加至熔融的焊料合金熔液中，抽真空处理至1×10^-2～1×10^-1Pa，充入氮气，采用高速剪切乳化装置进行高速搅拌，搅拌时间为20min，搅拌速度为8000rpm，使助焊剂充分弥散在焊料熔液中。

3)将得到的弥散液快速冷却，形成铸锭。

4)使用焊丝常规挤压、辊轧、拉丝工艺，将铸锭制成直径为4mm 焊丝。

为了更好的说明采用本发明实施例1～3中的制备方法制备得到的低飞溅焊丝的效果，本发明进行了对比实验。

对比例1：

采用与实施例1相同的助焊剂及各原料组分相同的合金焊料， Sn96.5Ag3.0Cu0.5焊料合金，2.4％助焊剂，不同之处在于采用常规工艺制备得到的直径为2mm的焊丝。

对比例2：

采用与实施例2相同的助焊剂及各原料组分相同的合金焊料，Sn50/Pb50合金焊料合金，2.0％助焊剂，不同之处在于采用常规工艺制备得到的直径为3mm的焊丝。

对比例3：

市场上常规工艺制备得到的实芯Sn/Bi合金。目前市场上常规工艺只能制备实芯Sn/Bi合金，通常通过实芯焊丝沾助焊剂的方式进行焊接。

一、实验对象

实验组为本发明中的具体实施例1～3；对照组为对比例1～3。

二、实验方法

采用现有技术中的常规飞溅测试方法，分别对实施例1～3和对比例1～3中的焊丝进行飞溅测试实验。

三、实验结果

对比实验结果如下表1。

测试图片仅以实施例1和对比例1为例，分别见图4和图5。

表1飞溅点统计表

组别	飞溅点数(个)
		实施例1	3
实施例2	1
		实施例3	0
对比例1	47
		对比例2	37
对比例3	11

从图4和图5以及表1中可以看出，采用常规工艺制备得到的焊丝的飞溅点数远远大于采用本发明中的制备方法制得的焊丝的飞溅点数，其中：对比例1中采用常规工艺制备得到的焊丝具有47个飞溅点，采用实施例1的制备方法制备得到的焊丝具有3个飞溅点；本发明中实施例3中制备得到的焊丝的飞溅点数为零，而目前市场上常规工艺只能制备实芯Sn/Bi合金，通常通过实芯焊丝沾助焊剂的方式进行焊接，在相同的焊接工艺下，沾助焊剂的实芯焊丝有11 个飞溅点。因此本发明中的制备方法能够显著降低飞溅的产生，低飞溅效果显著。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种低飞溅焊丝，其特征在于，包括以下组分：助焊剂和焊料合金，所述助焊剂通过高速剪切作用弥散在所述焊料合金中；所述助焊剂在所述焊料合金中呈颗粒状，所述颗粒状的助焊剂的粒径为1nm～0.5mm。

2.根据权利要求1所述的低飞溅焊丝，其特征在于，所述助焊剂的重量百分比为0.5～6wt.％，所述焊料合金的重量百分比为94～99.5wt.％。

3.根据权利要求1所述的低飞溅焊丝，其特征在于，所述焊料合金包括但不仅限于Sn基、Pb基或Bi基合金。

4.根据权利要求1所述的低飞溅焊丝，其特征在于，所述焊料合金为Sn/Ag/Cu合金、Sn/Pb合金或Sn/Bi合金。

5.一种低飞溅焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备焊料合金熔液；

(3)将步骤(2)得到的弥散液快速冷却，形成铸锭；

6.根据权利要求5所述的低飞溅焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述焊料合金熔液的制备包括：将焊料合金加入真空熔炼炉中，进行充分熔化并保温，得到焊料合金熔液。

7.根据权利要求6所述的低飞溅焊丝的制备方法，其特征在于，所述保温温度为高于所述焊料合金的熔点10～50℃。

8.根据权利要求5所述的低飞溅焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在进行高速剪切作用前需要对所述焊料合金熔液与所述助焊剂的混合熔液抽真空处理，抽真空至1×10^-2～1×10^-1Pa，然后充入保护气体。

9.根据权利要求5所述的低飞溅焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用高速剪切乳化装置在高速剪切力的作用下，使得所述助焊剂被剪切、破碎，在焊料熔液中形成1nm～0.5mm液滴。