CN113070606A - 一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113070606A
CN113070606A CN202110403018.6A CN202110403018A CN113070606A CN 113070606 A CN113070606 A CN 113070606A CN 202110403018 A CN202110403018 A CN 202110403018A CN 113070606 A CN113070606 A CN 113070606A
Authority
CN
China
Prior art keywords
solder
lead
free solder
percent
elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110403018.6A
Other languages
English (en)
Inventor
朱堂葵
张欣
秦俊虎
卢红波
解秋莉
唐丽
白海龙
严继康
陈东东
朱文嘉
王成亮
赵中梅
朱飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yunnan Tin Material Co ltd
Original Assignee
Yunnan Tin Material Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yunnan Tin Material Co ltd filed Critical Yunnan Tin Material Co ltd
Priority to CN202110403018.6A priority Critical patent/CN113070606A/zh
Publication of CN113070606A publication Critical patent/CN113070606A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/40—Making wire or rods for soldering or welding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

一种Sn‑Ag‑Cu高性能无铅焊料及其制备方法，所述无铅焊料的质量百分比组成为：1.5～2.5％的Sb、0.1～0.5％的Ni、0.1～0.5％的In、0.02～0.1％的Ce、1～5％的Bi、3～3.8％的Ag、0.7％的Cu和余量的Sn。本发明通过对Sn‑Ag‑Cu无铅焊料添加Sb、Ni、In、Ce、Bi五种微量元素，大大提高了焊料服役过程的抗拉强度和硬度，同时改善了焊料合金的润湿性及焊接性能。通过微量元素的添加同时提高了焊料的电导率，使焊料焊接后具备优异的导电性能。

Description

一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法
技术领域
本发明属于无铅焊料及其制备方法技术领域。
背景技术
现有的Sn-Ag-Cu系无铅焊料，由于Ag含量较高而使焊料成本较高，同时，Ag含量的增加会对无铅焊料性能产生许多不良影响，如熔点升高、润湿性变差等，并且容易形成粗大的脆性Ag3Sn相，造成焊接接头可靠性降低和寿命下降。因此有人力图通过添加微量元素改善焊料熔点升高、润湿性变差等问题，并降低Ag含量以求降低焊料成本。如CN105397329A公开的含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低银无铅钎料，通过添加Nd、Re和In微量元素提高Sn-Ag-Cu低银无铅焊料力学性能、改善润湿性、降低焊料熔点，但是其对焊料力学性能的改善有限，难以满足现有技术发展对焊料力学性能的更高要求，并且焊料电导率较差，影响焊接产品的性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有较高强度、良好的可焊接性及电导率的Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料，所述无铅焊料包括如下质量百分比的成分：
1.5～2.5％的Sb；
0.1～0.5％的Ni；
0.1～0.5％的In；
0.02～0.1％的Ce；
1～5％的Bi；
3～3.8％的Ag；
以及0.7％的Cu；
余量的Sn。
作为上述焊料的进一步改进，所述无铅焊料按质量百分比计，包括如下成分：Sb:1.5％、Ni:0.4％、In:0.2％、Ce:0.1％、Bi:3％、Ag:3.6％、Cu:0.7％，余量为Sn。
本发明所述无铅焊料的制备方法，是将各组分原料添加到钛合金无铅熔锡炉中，加热至350℃熔化，搅拌30min并保温2小时，然后降温至320℃，继续保温1小时后浇铸至模具中，制备得到所述无铅焊料；无铅焊料制备过程中，Ag、Cu、Ni、Ce分别以SnAg3、SnCu10、SnNi4、SnCe1.8形式添加，不足的Ag以纯度>99.9％Ag添加，Sb、In、Bi分别以纯度>99.9％的Sb、纯度>99.9％的In、纯度>99.9％的Bi添加。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过对Sn-Ag-Cu无铅焊料添加Sb、Ni、In、Ce、Bi五种微量元素，大大提高了焊料服役过程的抗拉强度和硬度，同时改善了焊料合金的润湿性及焊接性能。通过微量元素的添加同时提高了焊料的电导率，使焊料焊接后具备优异的导电性能。
附图说明
图1为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的抗拉强度影响图；
图2为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的延伸率影响图；
图3为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的硬度影响图；
图4为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的电导率影响图；
图5为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的密度影响图；
图6为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的最大润湿力影响图；
图7为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的铺展率影响图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便比较，以下实施例和比较例的焊料是在Sn-Ag-Cu系焊料的基础上通过正交试验方法复加Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素，每种元素选取五个含量，并按以下步骤进行制备：
(1)选取以SnAg3、SnCu10、SnNi4、SnCe1.8，纯度>99.9％的Ag，纯度>99.9％的Sb，纯度>99.9％的In，纯度>99.9％的Bi为原材料，以质量百分比计称量出配制Sn-Ag-Cu+X(X代表Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加)合金焊料的各种原料重量；
(2)将称量好的各个原料放入钛合金无铅熔锡炉中加热至350℃熔化，搅拌30min并保温2小时；
(3)降温至320℃，继续保温1小时后浇铸至模具中制成不同的Sn-Ag-Cu+X焊料试样。
不同实施例及对比例无铅焊料的质量组成如表1所示。
表1无铅焊料的质量组成表
Figure BDA0003021123580000031
Figure BDA0003021123580000041
焊料的性能测试：
焊料抗拉强度测试依据国标GB/T 228.1-2010，使用深圳市瑞格尔仪器设备公司的RGM-3010微机控制电子万能试验机进行实验，测试温度为室温，测试速度为5mm/min。焊料硬度测试依据国标GB/T 231.1-2002，使用莱州莱华试验仪器厂的HB-3000C布氏硬度计进行实验。采用直径10mm钢球压头，测试力大小为2452N，保持时间为60s，测试温度为室温。
Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验力学性能及电导率测试结果如表2所示。
表2Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验力学性能及电导率测试
Figure BDA0003021123580000051
Figure BDA0003021123580000061
实验结果与分析
从表2中可以看出，通过Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素不同含量的正交复加，Sn-Ag-Cu系焊料的抗拉强度在57.57MPa～107.98MPa之间，明显高于Sn-Ag3.0-Cu0.5的44.00MPa；Sn-Ag-Cu系焊料的硬度在18.2HB～29.7HB之间，明显高于Sn-Ag3.0-Cu0.5的15.0HB。
图1为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料抗拉强度的影响，从图1中可以看出，随着Sb含量的增加，焊料的抗拉强度有逐渐升高的趋势，Ag含量为3.0％的焊料抗拉强度随着Sb含量的增加呈线性增加，结合表2可知，Ag含量为3.0％的焊料中的其他元素添加量也是随着Sb含量增加而逐渐增加；而对于Ag含量为3.2％、3.4％、3.6％、3.8％的焊料，其抗拉强度在Sb含量分别为2.5％、3.5％、4.5％、5.5％时出现明显的降低，结合表2分析可知，这主要是由于在这些点处焊料中的Bi含量明显降低。此外，对于Sb含量相同的点，在Sb含量为1.5％时，焊料的抗拉强度由低到高分别是Ag含量为3.0％、3.8％、3.6％、3.4％、3.2％的焊料，通过表2可知，这些焊料对应的Bi含量分别为1％、2％、3％、4％、5％，其它Sb含量相同的点均有此规律。当Bi为1％时，焊料抗拉强度由小到大依次是Ag含量为3.0％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％的焊料，其它Bi含量相同的点均有此规律。分析表明，Bi元素对焊料抗拉强度影响最大，其次是Ag和Sb元素。
图2为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料延伸率的影响，对焊料延伸率分析表明，添加元素对延伸率的影响与其对抗拉强度的影响呈现出相反的变化趋势。Bi、Sb含量越高，焊料的延伸率就越小，其中Bi对焊料延伸率的影响最大。
图3为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料硬度的影响，对焊料硬度分析表明，添加元素对硬度的影响与其对抗拉强度的影响具有相同的趋势。Sn-Ag-Cu系焊料硬度随着添加元素的增加呈逐渐增加的趋势，其中Bi对其硬度影响最大，Ag和Sb次之。
焊料的电导率主要跟焊料内部的电子数以及电子在焊料中迁移的容易程度有关，电子数越多，迁移越容易，电导率越大。图4为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料电导率的影响，由图可以看出，当焊料中Ag含量为3.2％、3.4％、3.6％、3.8％时，随着Sb含量的增加，焊料电导率均呈现逐渐减小的趋势，其电子迁移难度逐渐增加。图5为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料密度的影响，由图可以看出，除了Ag含量为3.2％的焊料，其他焊料密度均在7.30g/cm3～7.42g/cm3之间，表明Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素对焊料密度的影响不大。
微量元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料可焊性的影响：
Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验可焊性测试结果如表3所示。
表3Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验可焊性测试
Figure BDA0003021123580000071
Figure BDA0003021123580000081
表3中，t0表示润湿开始时间，t2/3Fmax表示润湿力达到2/3Fmax时的润湿时间，Fmax表示最大润湿力。
图6为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料最大润湿力的影响，从图6中可以看出，随着Sb含量的增加，Sn-Ag-Cu系焊料的最大润湿力均呈逐渐减小的趋势。单因素试验结果表明，Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力为0.776mN，Ce、Ni的加入会增大Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力，而Bi的加入会减小Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力，Sb和In对Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力影响较小。但是由于Sn-Ag-Cu系焊料中Sb和Bi的含量较高，因此焊料最大润湿力的变化主要与这两种元素有关。图7为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料铺展率的影响，从图7中可以看出，Sn-Ag-Cu系焊料铺展率的变化同样随着Sb含量的增加而逐渐减少，与其最大润湿力的变化是基本相符的。
综上分析可知，采用组分为质量百分比的Sb:1.5％、Ni:0.4％、In:0.2％、Ce:0.1％、Bi:3％、Cu:0.7％、Ag:3.6％，余量为Sn，其综合性能最佳，尤其是大大提高了电导率。

Claims (3)

1.一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料，其特征在于，所述无铅焊料包括如下质量百分比的成分：
1.5～2.5％的Sb；
0.1～0.5％的Ni；
0.1～0.5％的In；
0.02～0.1％的Ce；
1～5％的Bi；
3～3.8％的Ag；
以及0.7％的Cu；
余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料，其特征在于，所述无铅焊料按质量百分比计，包括如下成分：Sb:1.5％、Ni:0.4％、In:0.2％、Ce:0.1％、Bi:3％、Ag:3.6％、Cu:0.7％，余量为Sn。
3.如权利要求1或2所述的无铅焊料的制备方法，其特征在于，将各组分原料添加到钛合金无铅熔锡炉中，加热至350℃熔化，搅拌30min并保温2小时，然后降温至320℃，继续保温1小时后浇铸至模具中，制备得到所述无铅焊料；无铅焊料制备过程中，Ag、Cu、Ni、Ce分别以SnAg3、SnCu10、SnNi4、SnCe1.8形式添加，不足的Ag以纯度>99.9％Ag添加，Sb、In、Bi分别以纯度>99.9％的Sb、纯度>99.9％的In、纯度>99.9％的Bi添加。
CN202110403018.6A 2021-04-15 2021-04-15 一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法 Pending CN113070606A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110403018.6A CN113070606A (zh) 2021-04-15 2021-04-15 一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110403018.6A CN113070606A (zh) 2021-04-15 2021-04-15 一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113070606A true CN113070606A (zh) 2021-07-06

Family

ID=76619007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110403018.6A Pending CN113070606A (zh) 2021-04-15 2021-04-15 一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113070606A (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0847829A1 (en) * 1996-12-16 1998-06-17 Ford Motor Company Lead-free solder composition
CN1314229A (zh) * 1999-10-12 2001-09-26 高科技集团公司 无铅焊料
CN1346728A (zh) * 2001-09-19 2002-05-01 大连理工大学 含稀土多合金组元无铅钎料合金
CN1570166A (zh) * 2004-05-09 2005-01-26 邓和升 无铅焊料合金及其制备方法
CN1762645A (zh) * 2005-10-28 2006-04-26 亚通电子有限公司 无铅焊料
CN101024262A (zh) * 2006-02-17 2007-08-29 河南科技大学 高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法
CN108994480A (zh) * 2018-10-10 2018-12-14 云南锡业锡材有限公司 一种SnBiAgCu高可靠性无铅焊料合金

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0847829A1 (en) * 1996-12-16 1998-06-17 Ford Motor Company Lead-free solder composition
CN1314229A (zh) * 1999-10-12 2001-09-26 高科技集团公司 无铅焊料
CN1346728A (zh) * 2001-09-19 2002-05-01 大连理工大学 含稀土多合金组元无铅钎料合金
CN1570166A (zh) * 2004-05-09 2005-01-26 邓和升 无铅焊料合金及其制备方法
CN1762645A (zh) * 2005-10-28 2006-04-26 亚通电子有限公司 无铅焊料
CN101024262A (zh) * 2006-02-17 2007-08-29 河南科技大学 高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法
CN108994480A (zh) * 2018-10-10 2018-12-14 云南锡业锡材有限公司 一种SnBiAgCu高可靠性无铅焊料合金

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
赵玲彦等: "Ce含量对SnAg0.1Cu0.7无铅焊料合金性能的影响", 《有色金属工程》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2019527145A (ja) ＳｎＢｉＳｂ系低温鉛フリーはんだ
CN101780607B (zh) 一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料及其制备方法
CN103028863B (zh) 一种高抗氧化无铅焊料
CN109352208B (zh) 一种Sn-Bi系低银无铅钎料合金及其制备方法
CN101862921B (zh) 含Pr、Sr和Ga的Sn-Cu-Ni无铅钎料
CN101417375A (zh) 一种电子元件焊接用的无铅焊料合金
CN103008904B (zh) 一种SnCuNiGaGeIn系无银无铅焊料合金
CN113458650B (zh) 一种Sn-Ag-Cu-Ce高可靠性无铅焊料
WO2007014529A1 (fr) Alliage de brasage sans plomb a point de fusion bas
JP5784109B2 (ja) 鉛フリーはんだ合金
CN114293066A (zh) 一种含Ni的无铅低温焊料合金材料及其制备方法
US5041176A (en) Particle dispersion-strengthened copper alloy
CN112342417A (zh) 一种锡基焊料及其制备方法
CN113789460B (zh) 一种含Si的无铅低温焊料合金及其制备工艺
CN111940945A (zh) 一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料及其制备方法
CN101885119B (zh) 含V、Nd和Ge的Sn-Cu-Ni无铅钎料
CN113070606A (zh) 一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法
CN107538149B (zh) 一种Sn-Cu-Co-Ni无铅焊料及其制备方法
US10960496B2 (en) Solder alloy and package structure using same
CN101219507B (zh) 一种无铅焊接材料及其制备方法
CN1325679C (zh) Sn－Zn－Bi－Cr合金无铅焊料的制备方法
CN103753047B (zh) 一种无铅钎料
JPS62243750A (ja) 耐応力緩和特性に優れた銅合金の製造方法
CN115156755A (zh) 一种含Bi、Ni、Ga的Sn-Ag-Cu无铅钎料及其制备方法
CN116652445A (zh) 一种无铅钎料合金及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210706

RJ01 Rejection of invention patent application after publication