CN112192092B - 一种高精度异型无铅焊料柱的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度异型无铅焊料柱的制备方法，该方法主要包括如下步骤：1)熔炼：将各种合金原料熔炼成合金熔液；2)浇铸：将合金熔液浇铸成可用于挤压的锭坯；3)挤压：将锭坯加热，然后进行热挤压制备出线材；4)拉丝：采用拉丝方法对线材进行最后定径加工；5)矫直：对完成定径加工的线材进行矫直处理；6)开槽：采用精确定位圆盘锯片对线材做开槽加工；7)锯断：在模具的准确限位控制下，完成异型无铅焊料柱的最终锯断定形。本发明通过一系列高效率方法技术的运用，成功生产出了高精度异型无铅焊料柱产品，并且生产成本较低，材料利用率高于一般的机加工，生产过程也关注到了产品内部微观组织的控制，确保了产品的性能。

Description

一种高精度异型无铅焊料柱的制备方法

技术领域

本发明涉及电子元器件封装用焊接材料制备领域，特别涉及一种不规则的带槽圆柱形预成型焊料的制备方法。

背景技术

无铅焊料是目前合乎环保要求的所有不含铅元素的焊接材料的统称，在电子封装领域得到广泛的应用，由于技术的传承性，目前大量使用的是焊锡丝、焊料片和焊膏类产品。但是在电缆、光缆等特殊的焊接场合，由于焊接结构设计的特殊性，常用的无铅焊料产品无法实现有效焊接，因此就可能用到如带槽的焊料柱等形状特殊，又对尺寸公差控制要求十分严格的异型焊料产品。

目前常规焊料丝、焊料片产品所使用到的挤压、轧制、冲压等制备方法无法直接生产出这种特殊要求的高精度异型无铅焊料柱产品。采用如线切割等的机加工方法又因为方法本身存在放电或高温效应会侵蚀到焊料柱本身，形成腐蚀层，最终影响到焊接的效果，同时一般的机加工方法都存在材料利用率低的问题。采用如压力铸造方法制备异型焊料柱又存在工作效率低、尺寸公差难以满足要求而产品合格率低等问题。

因而寻找一种高效率的生产高精度异型无铅焊料柱产品的方法是本领域亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，有必要针对上述问题提供一种高精度异型无铅焊料柱的制备方法，通过一系列高效率方法技术的运用，成功生产出了高精度异型无铅焊料柱产品，并且生产成本较低，材料利用率高于一般的机加工过程，生产过程也关注到了产品内部微观组织的控制，确保了产品的性能。

本发明提供了一种高精度异型无铅焊料柱的制备方法，包括以下几个步骤：

1)熔炼：将各种合金原料熔炼成合金熔液；

2)浇铸：采用水冷铁模进行浇铸，制备可用于挤压的圆柱形锭坯；

3)挤压：将锭坯加热，然后进行热挤压制备出线材；

4)拉丝：通过拉丝模具的控制，将线材直径公差精确控制在±0.01mm范围内；

5)矫直：采用矫直辊对拉丝时出现一定程度弯曲的线材进行矫直，以使其纵向平直度达到使用要求；

6)开槽：采用圆盘锯片对线材进行纵向锯切开槽；

7)横向锯断。

进一步的，为了更为精准地控制合金的微观组织，所述步骤1)的熔炼温度为300-800℃；优选350-650℃。并且要求温度能精确控制在实际设定温度值的±10℃范围内，这样有利于保证合金溶液形成较大的浇铸时的过冷度，同时又有利于完成浇铸后合金微观组织的稳定。

进一步的，所述步骤2)采用水冷铁模进行浇铸，实现冷却水的可调节流速控制和实时温度测量反馈，有利于提高得以细化的合金组织的均匀性。采用水冷铁模可以有效促进锭坯的热量传递，加快冷却过程，细化合金组织。

进一步的，所述步骤3)的热挤压温度为合金熔点(Tm)的0.4-0.9Tm温度范围之内；优选0.6-0.9Tm温度范围内，有利于减少挤压产品缺陷，降低对挤压设备的压力要求。在0.4-0.9Tm之间进行，可以一次完成线材的加工，缩短生产过程时间，节约生产成本。同时30-200之间的大挤压比的采用也可以提升材料的性能，为后续的加工过程减少潜在问题和风险。

进一步的，所述步骤4)中，在拉丝时使用拉丝模中硬度较高的聚晶模。硬度较高的人造金刚石芯的聚晶拉丝模，其硬度是硬质合金拉丝模的2-3倍，是钢模的5倍以上，有利于提高线材的尺寸精度，延长拉丝模的使用寿命。

进一步的，所述步骤5)中，通过卧式和立式矫直辊的矫直工序将线材平直度达到每1米线材范围内的弯曲度不超过2厘米的水平时，更有利于保持最终焊柱产品的纵向平直度。

进一步的，所述步骤6)的开槽操作为：采用0.1-1.0mm的圆盘锯片对线材进行纵向锯切开槽；优选的采用0.1-0.4mm的超薄圆盘锯片进行开槽，并且采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，可以更好地控制槽的尺寸精度。采用0.1-1.0mm超薄(厚度原则上越薄越好，但是也受实际产品使用时的槽宽要求限制，产品要求的槽宽越大，则应该选用的锯片也就越厚)圆盘锯片可以精确地控制无铅焊料柱上槽的宽度尺寸公差在+0.05mm范围内，且槽深公差在±0.05mm范围内，并且精确控制圆盘锯的位置可以不使槽的位置出现偏差。

进一步的，所述步骤7)的锯断操作为：将带槽的线材横向锯断，采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，并采用模具对线材进行精确定位，以保证异型无铅焊料柱的槽位公差和±0.05mm长度尺寸公差满足使用要求，更好地控制无铅焊料柱的长度方向尺寸精度。

通过以上几个工序，可以高效地实现高精度异型无铅焊料柱的连续化生产，并且可以通过不同尺寸规格和形状模具的更换，快速地变化可生产的焊柱外形尺寸，实现了生产线的柔性化生产。

与其它方法相比较，本发明的优势在于，

(1)实现了异型无铅焊料柱的连续化生产，生产效率高。

(2)采用柔性的制备方法，可以在一套生产设备上实现不同形状和尺寸规格的产品生产，节约生产成本。

(3)整个过程的材料利用率较高，减少了资源的浪费。

(4)焊料合金的微观组织可控，从而可以确保最终产品的力学性能水平。

(5)全过程的主要工序都采用模具控制产品的尺寸精度，有效地保证了产品的尺寸精度要求得到满足。

附图说明

图1是本发明的实施方法流程图。

图2是本发明实施例所制备的产品示意图。其中2A为本发明产品的横截面示意图；2B为本发明产品的长度示意图。可见，本发明所制备的产品可以更为精确地控制尺寸公差。

图3是产品微观组织图对比；其中3A为本发明实施例二的产品微观图，3B为机加工产品铸态微观组织图。可见，本发明生产的产品破碎了共晶合金焊料比较容易出现的连续层状组织，而使产品的微观组织呈现出一定程度的离散状态。

具体实施方式

为了更好的说明本发明技术方案所要解决的问题、采用的技术方案和达到的有益效果，现结合具体实施方式进一步阐述。值得说明的是，本发明技术方案包含但不限于以下实施方式。

本发明实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购等途径获得的常规产品。

实施例一

如图1所示，本发明制备方法包括如下几个工序：

1)熔炼：将42公斤锡、57公斤铋和1公斤银在电阻炉内的坩埚中进行大气熔炼，熔炼温度为500±10℃，熔炼时采用木炭覆盖剂进行表面防氧化保护。

2)浇铸：开启循环冷却水泵，同时开启浇铸模实时测温系统，通过控制冷却水的流速，将浇铸用水冷铁模的温度全程控制在50℃以下(无铅焊料的熔点一般都在100-300℃之间，低于50℃的控温有利于防止微观组织的长大)，然后让完全熔化的锡铋银合金熔液在水冷铁模内浇铸、凝固成Sn57Bi1Ag低温无铅焊料锭坯，锭坯直径为Φ40mm。

3)挤压：在105℃温度下(即0.75Tm)，采用卧式挤压机将Φ40mm的Sn57Bi1Ag合金锭坯挤压成Φ3.5mm线材，挤压比为130。

4)拉丝：采用聚晶模在拉丝机上进行定径拉丝，在线检验，将线材的尺寸精确控制在Φ3.45±0.01mm范围内，参见图2A。

5)矫直：将完成拉丝的线材进行矫直处理，检验确保线材平直度达到每1米线材范围内的弯曲度不超过2厘米。

6)开槽：采用0.4mm超薄圆盘锯片对完成矫直的线材进行开槽，并采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，可将槽宽控制在0.5+0.05mm范围内，槽深控制在2.2±0.05mm范围内，参见图2A。

7)锯断：采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，调节好圆盘锯的位置，并采用模具精准控制带槽线材的送进量，生产出长度为8±0.05mm的Sn57Bi1Ag合金高精度无铅焊料柱，参见图2B。

表1产品成品率及性能数据表

实施例二

如图1所示，本发明制备方法包括如下几个工序：

1)熔炼：将42公斤锡和58公斤铋在电阻炉内的坩埚中进行大气熔炼，熔炼温度为300±10℃，熔炼时采用木炭覆盖剂进行表面防氧化保护。

2)浇铸：开启循环冷却水泵，同时开启浇铸模实时测温系统，通过控制冷却水的流速，将浇铸用水冷铁模的温度全程控制在50℃以下，然后让完全熔化的锡铋合金熔液在水冷铁模内浇铸、凝固成Sn58Bi低温无铅焊料锭坯，锭坯直径为Φ20mm。

3)挤压：在105℃温度下(即0.75Tm)，采用卧式挤压机将Φ20mm的Sn58Bi合金锭坯挤压成Φ3.5mm线材，挤压比为33。

4)拉丝：采用聚晶模在拉丝机上进行定径拉丝，在线检验，将线材的尺寸精确控制在Φ3.45±0.01mm范围内，参见图2A。

5)矫直：将完成拉丝的线材进行矫直处理，检验确保线材平直度达到每1米线材范围内的弯曲度不超过2厘米。

6)开槽：采用0.4mm超薄圆盘锯片对完成矫直的线材进行开槽，并采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，可将槽宽控制在0.5+0.05mm范围内，槽深控制在2.2±0.05mm范围内，参见图2A。

7)锯断：采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，调节好圆盘锯的位置，并采用模具精准控制带槽线材的送进量，生产出长度为8±0.05mm的Sn48Bi合金高精度无铅焊料柱，参见图2B。

表2产品成品率及性能数据表

对比例

参考图1流程所示，焊料制备方法包括如下几个工序：

1)熔炼：将42公斤锡和58公斤铋在电阻炉内的坩埚中进行大气熔炼，熔炼温度为500±10℃，熔炼时采用木炭覆盖剂进行表面防氧化保护。

2)浇铸：开启循环冷却水泵，同时开启浇铸模实时测温系统，通过控制冷却水的流速，将浇铸用水冷铁模的温度全程控制在50℃以下，然后让完全熔化的锡铋合金熔液在水冷铁模内浇铸、凝固成Sn58Bi低温无铅焊料锭坯，锭坯直径为Φ40mm。

3)挤压：在105℃温度下(即0.75Tm)，采用卧式挤压机将Φ40mm的Sn58Bi合金锭坯挤压成Φ3.5mm线材，挤压比为130。

4)拉丝：采用聚晶模在拉丝机上进行定径拉丝，在线检验，将线材的尺寸精确控制在Φ3.45±0.01mm范围内。

5)矫直：将完成拉丝的线材进行矫直处理，但是矫直的实际平直度为每1米线材范围内的弯曲度大于2厘米且小于5厘米，影响到了最终产品直径的实测尺寸公差范围，降低了产品的合格率。

6)开槽：采用0.5mm圆盘锯片对完成矫直的线材进行开槽，人工调节圆盘锯的定位，造成实际槽宽值在0.55±0.05mm范围内波动，实际槽深值在2.2±0.1mm范围内波动，超出了槽宽控制在0.5+0.05mm范围内、槽深控制在2.2±0.05mm范围内的尺寸公差要求，从而出现大量不良品，合格的产成品率大大降低。

7)锯断：人工对圆盘锯进行定位，并采用模具精准控制带槽线材的送进量，生产出实际长度为8±0.1mm范围内波动的Sn48Bi合金无铅焊料柱，未能达到8±0.05mm的公差控制要求，合格的产成品率降低。

表3产品成品率及性能数据表

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种高精度异型无铅焊料柱的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）熔炼：将各种合金原料熔炼成合金熔液；步骤1）的熔炼温度为300-800℃；并且要求温度能精确控制在实际设定温度值的±10℃范围内；

2）浇铸：采用水冷铁模进行浇铸，制备可用于挤压的锭坯；

3）挤压：将锭坯加热，然后进行热挤压制备出线材；步骤3）的热挤压的挤压比为30-200；步骤3）的热挤压温度为合金熔点Tm的0.4-0.9Tm温度范围之内；

4）拉丝：通过拉丝模具的控制，将线材直径公差精确控制在±0.01mm范围内；在拉丝时拉丝模使用聚晶模；

5）矫直：采用矫直辊对拉丝时出现一定程度弯曲的线材进行矫直，以使其纵向平直度达到使用要求；平直度的要求为：每1米线材范围内的弯曲度不超过2厘米；

6）开槽：采用圆盘锯片对线材进行纵向锯切开槽；步骤6）采用0.1-1.0mm圆盘锯片控制无铅焊料柱上槽的宽度尺寸公差在+0.05mm范围内，且槽深公差在±0.05mm范围内；

7）锯断：锯断操作为将带槽步骤6）的线材横向锯断，采用三维数控锯切平台对圆盘锯进行精确定位，并采用模具对线材进行精确定位，以保证异型无铅焊料柱的槽位公差和±0.05mm长度尺寸公差。

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