CN111230355A - 用于取代Sn-Pb合金、SAC305、Sn-Cu和Sn100C的无铅焊料合金 - Google Patents

用于取代Sn-Pb合金、SAC305、Sn-Cu和Sn100C的无铅焊料合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SIA无铅焊料合金，用于焊接传统电子元件和表面贴装器件，SIA旨在完全取代锡铅合金，并具有182/183℃凝固温度，SIA设计符合电子元件规格，尤其是容许最高温度，SIA组成和微观结构设计可提高抗冲击和抗拉伸机械强度。在实施例中，SIA包含25‑30％铋(Bi)和0.1‑1％银(Ag)、0.1‑0.5％铜(Cu)(一种或两种)，其余为锡(Sn)。优选SIA成分为锡(Sn)72％、铋(Bi)27.2％、银(Ag)0.5％、铜(Cu)0.3％。可使用质量浓度为1％其他添加剂，例如镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)、锗(Ge)、磷(P)、铟(In)、镁(Mg)、钕(Nd)、钛(Ti)、铼(Re)，SIA合金(最优改良合金)还可用于焊接铜和用作管道系统的其他材料，SIA合金可用于含有焊剂的焊膏、焊棒、焊粉或焊丝中。

Description

用于取代Sn-Pb合金、SAC305、Sn-Cu和Sn100C的无铅焊料合金
技术领域
本发明总体上涉及用于电子元件和基于铜合金或其他金属(例如镍或铋合金或锡合金)的元件的无铅焊料，其中SIA是一种基于锡(Sn)和铋(Bi)，且含有少量的银(Ag)和铜(Cu)的合金。
背景技术
传统上用于电子设备的焊接元件的合金是Sn/Pb，其共晶成分的质量百分比为Sn60Pb40或Sn63Pb37，熔化温度为183℃。
2006年，由于铅有毒性，所以完全禁止用于合金，欧洲电气电子设备有害物质限制指令ROHS自2016年起生效。
基于这一法律规定的义务，随着新合金获得许可，所有电子制造商均已转向使用SAC 305或Sn-Cu或Sn100C，这些合金的熔化温度介于217℃至227℃之间，而Sn-Bi合金由于其140℃的低熔化温度和高脆性而遭拒。
竞争对手已进行大量研究，以提高合金在潮湿或温度应力环境下的强度、可湿性和耐用性。因此，用于波动设备和回流熔炉的温度设置非常高，通常介于265℃至285℃之间。这些温度过高，不符合元件规格。此外，合金SAC305、 Sn-Cu、Sn100C也具有中等可湿性和耐用性。
自2006年以来，尚未发现任何合金在不含铅(Pb)或不含铟(In)或金(Au) 等贵金属的情况下达到183℃的熔化温度目标。
2018年，Interflux公司在市场上推出一种名为LMPA的新合金。此合金的熔点为176℃，并通过添加锑(Sb)增加强度。由于这种LMPA合金的实际固化温度仅为155℃，并且在对使用其焊接的元件应用机械塞块时非常脆，因此其存在许多问题。
目前使用的合金存在许多问题，例如焊接困难、耐用性低、成本高、高加工温度导致的元件退化、元件返工困难、电力消耗、为减少浮渣形成而使用氮气、机器应力、焊料内部空隙等。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供以一种新合金完全取代过去使用的Sn-Pb合金，并非增强现有合金，发明的合金名称为SIA(Supreme Improved Alloy的缩写)，译为“最优改良合金”。
一种无铅焊料合金，其合金成分的重量百分比为：70-75％的锡(Sn)、25-30％的铋(Bi)、0-1％的银(Ag)和0-0.5％的铜(Cu)。
优选地，在其中添加至少一种其他元素，且质量百分比为0.01％至1％，其他元素为：镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)、锗(Ge)、磷(P)、铟(In)、镁(Mg)、钕(Nd)、钛(Ti)和铼(Re)。
一种命名为SIA的无铅焊料合金，其合金成分的重量百分比为：72％的锡(Sn)、27.2％的铋(Bi)、0.5％的银(Ag)和0.3％的铜(Cu)。
优选地，无铅焊料合金，其形态是焊膏。
优选地，无铅焊料合金，其形态还可以是焊棒或焊粉或焊丝。
优选地，其不同形态的无铅焊料合金能将电子元件焊接在基板或电路板上。
优选地，其不同形态的无铅焊料合金能焊接金属。
附图说明
图1的左图为SAC305合金的横截面示例，非均匀；右图为SIA的横截面示例，均匀晶粒；
图2为根据合金破损情况显示的机械冲击测试(g)。
具体实施方式
下面结合图表对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本实施例中的一种新合金完全取代过去使用的Sn-Pb合金，并非增强现有合金，发明的合金名称为SIA(Supreme Improved Alloy的缩写)，译为“最优改良合金”。
新合金的目标要求是：
183℃的熔化温度；
无铅；
相比SAC305，成本降低；
对铜和电子元件具有良好可湿性；
低焊膏相温度分布；
符合Rohs；
抵抗机械冲击和振动的良好强度；
将机器设置保持为Sn-Pb合金设置
符合电子元件在温度方面的规格；
无晶须形成；
减少金属间化合物层；
与水或酒精基焊剂兼容；
在寿命期间表现良好；
良好的导电和导热性能；
能够生产焊丝；
减少碳排放量。
为寻找可使用的金属，行业人员已进行许多混合金属和熔化测试。
通过使用锡(Sn)和铋(Bi)金属，达到熔化温度为182/183℃的第一个目标，其中一个重要特征是在锡中完全稀释铋，从而限制共晶形成。
经测定，锡(Sn)的可能成分限值介于70％至75％之间，因此铋(Bi)为25％至30％。
最佳成分为锡(Sn)含量占72％，以达到183℃的熔化温度。
由于锡合金中含有铋，因此存在强度问题，因为锡/铋合金较脆。
问题的根本在于凝固形态和金属共晶形成。
本发明的目标是解决这一形态问题和脆性。为限制和抑制凝固期间的共晶和不均质成分形成，必须对内部结构进行均质修改和测定。最佳金属结构可获得规则的晶粒和晶粒间的连接，从而用作标准金属。发明人需要避免晶体形成。
为实现此目标，质量添加剂的数量需较低，并且不超过合金总重量的1％。
发明人需要选择可能的添加剂，例如铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)、锗(Ge)、磷(P)、铟(In)、镁(Mg)、钕(Nd)、钛(Ti)和铼(Re)。由于碲(Te)和结晶形态的锑(Sb)在锡中不可稀释，因此Te和Sb不可用。
较好的添加剂为银和铜，这是因为其与锡制合金和铜制印刷电路板具有良好润湿性。此外，银和铜具有非常好的导电和导热性能。这两种添加剂将在Sn/Bi 晶粒之间产生良好结合，并在所有合金结构中产生良好的路径传导，本发明的预期和所获结果均具有非常好的机械强度质量。
本发明也选择使用铜，以减少印刷电路板上轨道的铜稀释，铜稀释减少降低了轨道和元件之间金属间化合物层的厚度，结果是焊料具有更优强度。
SIA合金的最佳成分为：锡72％、铋27.2％、银0.5％、铜0.3％。
结果优异，所有目标均已实现。熔化温度为182℃，机械冲击结果比SAC305 合金好80％，请参见图1中与SIA进行比较的SAC305合金的横截面示例。
请参见表1中不同常用合金之间的机械冲击测试结果，将重量从0g到最大值的金属块跌落至元件(CMS二极管)上，从145mm的高度跌落金属块。
表1根据跌落金属块获得的焊料机械强度(g)
测试编号 1 2 3 4 5 平均值
LMPA 43.5 47.6 45.2 44.8 45.6 45.34
SAC305 52 75 68 72 58 65
SnPb 115 115 115 115 115 115
SIA 114 114 114 114 114 114
SnCu 53 43 48 58 62 52.8
SIA和SnPb的结果相同，表格所示数据为增加了1g的滞后。
在25℃的条件下测试。
测试期间，当轨道撕破或元件断裂或支腿扭曲时，达到的最大结果为 114/115g。
根据本发明，已找到完全取代Sn-Pb合金的解决方案，且所有目标均已实现。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无铅焊料合金，其特征在于：其合金成分的重量百分比为：70-75％的锡(Sn)、25-30％的铋(Bi)、0-1％的银(Ag)和0-0.5％的铜(Cu)。
2.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征在于：在其中添加至少一种其他元素，且质量百分比为0.01％至1％，其他元素为：镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)、锗(Ge)、磷(P)、铟(In)、镁(Mg)、钕(Nd)、钛(Ti)和铼(Re)。
3.一种命名为SIA的无铅焊料合金，其特征在于：其合金成分的重量百分比为：72％的锡(Sn)、27.2％的铋(Bi)、0.5％的银(Ag)和0.3％的铜(Cu)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的无铅焊料合金，其特征在于：其形态是焊膏。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的无铅焊料合金，其特征在于：其形态是焊棒或焊粉或焊丝。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的无铅焊料合金，其特征在于：其不同形态的无铅焊料合金能将电子元件焊接在基板或电路板上。
7.根据权利要求4-5中任一项所述的无铅焊接合金，其特征在于：其不同形态的无铅焊料合金能焊接金属。
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