CN111893340A - 一种锡基焊料熔体精炼用熔剂及其精炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锡基焊料熔体精炼用熔剂，其包括基础油、松香；该熔剂在锡基合金焊料熔炼合金化时使用，该熔剂能起到很好的防止氧化、去除杂质和氧化渣、熔体除气等作用，实现熔体的精炼；在锡基合金焊料熔炼过程中，添加本发明配置的油基熔剂并采用相应的合金熔体精炼方法，可以有效提高锡基焊料的熔体质量，改善锡基焊料在后续波峰焊接时生成的氧化渣形态；该油基溶剂价格便宜，可以批量制备，精炼效果明显，不增加原有锡基焊料生产的工序，成本低，效果好，特别适合在现有锡基焊料生产工艺上作为辅助工艺开展应用，进行生产。

Description

一种锡基焊料熔体精炼用熔剂及其精炼方法

技术领域

本发明涉及一种针对锡基合金焊料在熔炼时使用的熔体精炼用油基熔剂，以及使用该油基熔剂精炼锡基合金熔体的精炼方法，属于材料制备与成型领域。

背景技术

由于环境保护和生命健康的要求日益提高，无铅焊料成为目前电子封装领域中常用的焊接材料，用来替代含铅焊料；典型的锡基无铅焊料包括Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu等，这几种锡合金焊料各有其优势和缺点，在实际使用过程中，往往存在一些缺陷，导致焊接效果无法全面满足使用要求。因此，针对这些锡基焊料的研发工作一直持续开展中。

目前，针对Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu等无铅焊料的研究侧重于焊料成分的设计与合金元素的调整，如研究论文《锡铜无铅焊料在电路板组装中的应用》（电子与封装，2012，10：7）和专利CN200410066350.4，针对锡基焊料中添加Ni、Ge、Sb、稀土等来改善焊料的润湿性能等；一些工艺技术则侧重于焊料的助焊剂的应用和开发，来改善焊接性能，如专利CN201711361459.4；也有一些研究工作侧重于锡基焊料在实际应用中发生问题的解决方案，如论文《波峰焊接常见不良情况及改进措施》（电子工艺技术，2019，3：120）。

在锡基焊料进行波峰焊接时，焊料会重新熔化成液相，此时焊接过程中受到环境使用条件的限制，焊料熔体中会产生金属氧化渣，这些氧化渣的形态、特征直接影响了波峰焊的工艺流程和焊接质量。为提升锡基焊料波峰焊效果，目前的研究主要集中在波峰焊接时设备、工艺的改进，如论文《波峰焊锡炉炉胆位置对锡基焊料氧化渣量的影响》（金属材料与冶金工程，2014，5：18）和《论选择性波峰焊产生锡珠及锡渣的改善方法》（发展与创新，2019，5：236）。很少有研究工作会追溯到锡基焊料合金制备工艺中重要的熔炼工序，当锡基焊料在熔炼生产过程中，也会被完全熔化成液相，并且会在高温温度下保留一段时间，来实现合金化过程。因此，在熔炼过程中产生的氧化、夹杂等缺陷，会一直残留在锡基焊料中，直到最终的应用阶段显现出来，造成焊料的缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种锡基焊料熔体精炼用熔剂，该熔剂针对锡基焊料中典型的Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu等系列焊料，在焊料熔化时，加入锡基焊料熔体精炼用熔剂，使锡基合金熔体纯净化，获得高质量的锡基焊料铸锭。

本发明锡基焊料熔体精炼用熔剂包括基础油、松香；按照重量百分比计算，以基础油为计算基础，松香的添加量为基础油重量的1%～20%。

本发明锡基焊料熔体精炼用熔剂还包括硬脂酸或硬脂酸钠，其添加量为基础油重量的1%～10%。

所述基础油为玉米油、花生油、茶油中的一种或几种。

本发明锡基焊料熔体精炼用熔剂是在锡基合金焊料熔炼合金化时使用的一种油基的熔剂，该熔剂起到很好的防止氧化、去除杂质和氧化渣、熔体除气等作用，实现熔体的精炼；在锡基合金焊料熔炼过程中，添加本发明油基熔剂并采用相应的合金熔体精炼方法，可以有效提高锡基焊料的熔体质量，改善锡基焊料在后续波峰焊接时生成的氧化渣形态；该油基溶剂价格便宜，可以批量制备，精炼效果明显，不增加原有锡基焊料生产的工序，成本低，效果好，特别适合在现有锡基焊料生产工艺上作为辅助工艺开展应用，进行生产。

上述锡基焊料熔体精炼用熔剂的使用方法如下：

（1）在基础油中加入松香，充分搅拌后使其溶解，然后加入硬脂酸或硬脂酸钠，充分搅拌后使其溶解，获得油基熔剂，保存在密闭容器中，待用；

在基础油中添加上述物质时可以单独加入或同时加入；（2）将锡基焊料在300℃～400℃下熔化成液相，通过炉温调节焊料液相温度，当焊料液相温度调控在350℃±20℃时，添加锡基焊料质量0.01%～1%的油基熔剂，分两次添加；

（3）将油基熔剂平均分成两份，加入其中一份，然后搅拌20～30min，搅拌过程中，焊料熔体表面见到黑色熔渣成粘稠糊状时，用钢勺将其舀出；搅拌结束后，将焊料熔体表面熔渣及残留油基熔剂一起用钢勺舀出；升高焊料熔体温度至370℃±20℃，将剩余一半的油基熔剂加入焊料熔体中，搅拌20～30min，搅拌过程中，焊料熔体表面如果有熔渣，用钢勺将其舀出；搅拌后的焊料熔体在370℃±20℃温度下保温静置10～30min，精炼过程结束，进行浇铸。

所述锡基焊料包括常见的锡-银-铜（Sn-Ag-Cu）系列、锡-铜(Sn-Cu)系列和锡-锌(Sn-Zn)系列等无铅焊料合金。

本发明的优点和技术效果如下：

1、精炼用油基熔剂配置方式简单，所用原料价格便宜，容易获得，常规食用级别的植物油纯度完全满足使用要求；油基中的添加物无化学毒性，可以不受限制采购；

2、油基熔剂的精炼除渣效果明显，加入焊料合金熔体搅拌过程中，可见大量熔渣和熔剂一起浮在熔体表面，可以很方便的采用钢勺舀出；

3、油基熔剂有良好的抗氧化效果，在精炼搅拌过程中，可见熔剂始终浮在焊料合金熔体表面，防止了焊料熔体的氧化，油基熔剂同时起到防止氧化和精炼熔体的效果；

4、本发明油基熔剂使用量少，近占焊料总量的1%不到，而且在精炼静置过程中，油基熔剂在高温下会逐渐挥发，没有残留；植物油挥发过程中不产生对人体有严重毒害的气体物质，远远低于目前工业上使用的六氯乙烷C₂Cl₆或氢氧化钠NaOH等熔剂的毒害效果；

5、油基熔剂的精炼工艺流程短，熔体净化效果好，生产成本低，适合规模化生产。

附图说明

图1为焊料熔体表面透明的油基熔剂的示意图；

图2为精炼搅拌后表面油基熔剂和熔体中杂质形成黑色粘稠熔渣的示意图；

图3为精炼搅拌后熔剂和熔体中的杂质形成褐色熔渣的示意图；

图4为第二次加入熔剂搅拌后，黑色熔渣量明显减少，熔渣周围合金液体呈银白色的示意图；

图5为熔剂有很好的抗氧化保护效果，熔体表面熔剂透明，熔体液面无氧化，呈镜面的示意图；

图6为未加熔剂的合金熔体表面形成褐色、白色氧化膜的示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；若未特别指明，实施例中所用试剂均为市售。

实施例1：本锡基焊料熔体精炼用熔剂包括玉米油、松香，松香的添加量为玉米油重量的1%；上述锡基焊料熔体精炼用熔剂的精炼方法如下：

1、在玉米油中加入其重量1%的松香，充分搅拌后使其溶解，获得油基熔剂；油基熔剂需保存在密闭容器中待用；

2、将Sn-Ag-Cu焊料在400℃温度下熔化成液相，通过炉温调节焊料液相温度，当焊料液相温度调控在350℃时，添加锡基焊料质量0.01%的油基熔剂，分两次添加；油基熔剂浮在熔体表面呈透明液体状，见图1；

3、将配好的油基熔剂平均分成两份，加入其中一份，然后对熔体和熔剂一起进行机械搅拌，搅拌时间在20min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面可见黑色熔渣成粘稠糊状时，需用钢勺将其舀出（见图2）；搅拌结束后，将焊料合金熔体表面熔渣及残留油基熔剂一起用钢勺舀出；

4、升高焊料熔体温度至370℃，将剩余一半的油基熔剂加入焊料合金熔体中，然后同样进行搅拌，搅拌时间在20min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面如果有熔渣，需用钢勺将其舀出；

5、搅拌后的焊料合金熔体在370℃温度下保温静置10min，精炼过程结束，进行浇铸。

实施例2：本锡基焊料熔体精炼用熔剂包括基础油、松香、硬脂酸，基础油是玉米油、花生油、茶油按质量比1∶1∶1的比例混合制得，松香的添加量为基础油重量的20%；硬脂酸的添加量为基础油重量的10%；上述锡基焊料熔体精炼用熔剂的精炼方法如下：

1、在基础油中加入松香，充分搅拌后使其溶解，然后在基础油中加入硬脂酸，充分搅拌后使其溶解，获得油基熔剂，油基熔剂保存在密闭容器中待用；

2、将Sn-Ag-Cu焊料在400℃温度下熔化成液相，通过炉温调节焊料液相温度，当焊料液相温度调控在370℃时，添加锡基焊料质量1%的油基熔剂，分两次添加；

3、将配好的油基熔剂平均分成两份，加入其中一份，然后对熔体和熔剂一起进行机械搅拌，搅拌时间在30min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面可见褐色熔渣，需用钢勺将其舀出（见图3），搅拌结束后，将焊料合金熔体表面熔渣及残留油基熔剂一起用钢勺舀出；

4、升高焊料熔体温度至390℃，将剩余一半的油基熔剂加入焊料合金熔体中，然后同样进行搅拌，搅拌时间在30min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面如果有熔渣，需用钢勺将其舀出，第二次加入熔剂搅拌后，黑色熔渣量明显减少，熔渣周围合金液体呈银白色，见图4；

5、搅拌后的焊料合金熔体在390℃温度下保温静置30min，熔剂有很好的抗氧化保护效果，熔体表面熔剂透明，熔体液面无氧化，呈镜面（见图5），精炼过程结束，进行浇铸。

实施例3：本锡基焊料熔体精炼用熔剂包括基础油、松香，基础油是玉米油和花生油按质量比1∶1 的比例混合制得，松香的添加量为基础油重量的2%；上述锡基焊料熔体精炼用熔剂的精炼方法如下：

1、在基础油中加入松香，充分搅拌后使其溶解，获得油基熔剂，油基熔剂保存在密闭容器中待用；

2、将Sn-Cu焊料在370℃温度下熔化成液相，通过炉温调节焊料液相温度，当焊料液相温度调控在370℃时，添加锡基焊料质量0.05%的油基熔剂，分两次添加；

3、将配好的油基熔剂平均分成两份，加入其中一份，然后对熔体和熔剂一起进行机械搅拌，搅拌时间在25min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面可见黑色熔渣成粘稠糊状时，需用钢勺将其舀出，搅拌结束后，将焊料合金熔体表面熔渣及残留油基熔剂一起用钢勺舀出；

4、升高焊料熔体温度至380℃，将剩余一半的油基熔剂加入焊料合金熔体中，然后同样进行搅拌，搅拌时间在25min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面如果有熔渣，需用钢勺将其舀出；

5、搅拌后的焊料合金熔体在375℃温度下保温静置15min，精炼过程结束，进行浇铸。

实施例4：本锡基焊料熔体精炼用熔剂包括基础油、松香、硬脂酸钠，基础油是花生油、茶油按质量比1∶1的比例混合制得，松香的添加量为基础油重量的10%；硬脂酸钠的添加量为基础油重量的2%；

上述锡基焊料熔体精炼用熔剂的精炼方法如下：

1、在基础油中加入松香，充分搅拌后使其溶解，然后在基础油中加入硬脂酸钠，充分搅拌后使其溶解，获得油基熔剂，油基熔剂需保存在密闭容器中待用；

2、将Sn-Zn焊料在350℃温度下熔化成液相，通过炉温调节焊料液相温度，当焊料液相温度调控在365℃范围内时，添加锡基焊料质量0.5%的油基熔剂，分两次添加；

3、将配好的油基熔剂平均分成两份，加入其中一份，然后对熔体和熔剂一起进行机械搅拌，搅拌时间在20min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面可见黑色熔渣成粘稠糊状时，需用钢勺将其舀出，搅拌结束后，将焊料合金熔体表面熔渣及残留油基熔剂一起用钢勺舀出；

4、升高焊料熔体温度至370℃，将剩余一半的油基熔剂加入焊料合金熔体中，然后同样进行搅拌，搅拌时间在20min，搅拌过程中，焊料合金熔体表面如果有熔渣，需用钢勺将其舀出；

5、搅拌后的焊料合金熔体在370℃温度下保温静置20min，精炼过程结束，进行浇铸。

对照实施例1

直接将Sn-Ag-Cu在370℃温度下熔化，不加熔剂保护，可以发现熔体表面马上形成褐色或者白色氧化膜（见图6），这些氧化物会在浇铸时进入焊料内部，造成后续使用焊料时氧化渣增多增稠。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种锡基焊料熔体精炼用熔剂，其特征在于：包括基础油、松香。

2.根据权利要求1所述的锡基焊料熔体精炼用熔剂，其特征在于：以重量百分比计，松香的添加量为基础油重量的1%～20%。

3.根据权利要求1或2所述的锡基焊料熔体精炼用熔剂，其特征在于：还包括硬脂酸或硬脂酸钠，其添加量为基础油重量的1%～10%。

4.根据权利要求3所述的锡基焊料熔体精炼用熔剂，其特征在于：基础油为玉米油、花生油、茶油中的一种或几种。

5.使用权利要求1-4中任一项所述的锡基焊料熔体精炼用熔剂的精炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在基础油中加入松香，充分搅拌后使其溶解，然后加入硬脂酸或硬脂酸钠，充分搅拌后使其溶解，获得油基熔剂，保存在密闭容器中，待用；

（2）将锡基焊料在300℃～400℃下熔化成液相，通过炉温调节焊料液相温度，当焊料液相温度调控在350℃±20℃时，添加锡基焊料质量0.01%～1%的油基熔剂，分两次添加；

（3）将油基熔剂平均分成两份，加入其中一份，然后搅拌20～30min，搅拌过程中，焊料熔体表面见到黑色熔渣成粘稠糊状时，用钢勺将其舀出；搅拌结束后，将焊料熔体表面熔渣及残留油基熔剂一起用钢勺舀出；升高焊料熔体温度至370℃±20℃，将剩余一半的油基熔剂加入焊料熔体中，搅拌20～30min，搅拌过程中，焊料熔体表面如果有熔渣，用钢勺将其舀出；搅拌后的焊料熔体在370℃±20℃温度下保温静置10～30min，精炼过程结束，进行浇铸。

6.根据权利要求5所述的精炼方法，其特征在于：锡基焊料为锡-银-铜系列、锡-铜系列或锡-锌系列无铅焊料合金。

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