CN114559178A - Sn-Bi-Ag系无铅焊料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电子装配用Sn‑Bi‑Ag系无铅焊料及其制备方法，Sn‑Bi‑Ag系无铅焊料合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Bi 3％‑8％，Ag 1.5％‑2％，Cu 0.3％‑0.6％，Ni 0.05％‑1％，Zn 0.8％‑1.3％，Cr 0.4％‑0.7％，Ti 0.03％‑0.6％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。本发明制备的电子装配用Sn‑Bi‑Ag系无铅钎料合金熔点较低，润湿角较小，抗拉强度等力学性能优异，导电率较好，因此在基板的铺展与润湿性能较好，成本低、生产效率高，可用于自动化大批量生产，且生产过程无毒无污染，对环境的影响较小。
Description
技术领域
本发明属于电子装配无铅焊料领域，具体涉及Sn-Bi-Ag系无铅焊料。
本发明还涉及Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法。
背景技术
随着现代工业的高速发展，我国乃至全球电子技术产业突飞猛进，在各国各行业引起了广泛关注。电子产品作为电子技术产业的基石，其设计与加工更是重中之重。钎焊是实现电子元件与基板装配的核心技术，钎料作为原料，其高效化、合理化以及生态化趋势已不可阻挡。锡铅钎料因其价格低廉、原材料来源广泛、较好的湿润性和能够提高材料延展性，是目前应用最广泛的软钎料，尤其是在电子工业中，但Pb元素的毒性已成了亟待解决的问题。
因此，寻求Sn-Pb系钎料的合金系尤为重要。国内外研究学者长期以来集中研究了无铅合金系，诸如Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Zn以及Sn-In二元合金系以及在其对应二元合金系基础上开发的多元合金，然而研究结果表明上述合金系并不能够替代Sn-Pb系合金应用到光伏焊带制造领域，主要原因如下：合金熔点较高、润湿性较差、易氧化且制造成本高而不易工业化生产。而 Bi元素能够显著提高材料力学性能，增加湿润度，因此本文以Sn-Bi-Ag系作为研究对象。
发明内容
本发明的目的是提供电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料，具有高电导率，低熔点以及较好的湿润性的优点。
本发明的另一个目的是提供电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法，原材料来源广泛，价格低廉。
本发明所采用的第一个技术方案是，电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料，按质量百分比具体包括Bi3％-8％，Ag1.5％-2％，Cu0.3％-0.6％，Ni0.05％-1％， Zn0.8％-1.3％，Cr0.4％-0.7％，Ti0.03％-0.6％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二个技术方案是，电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，按质量百分比称取各合金，将纯度为99.99％的Sn、Ag、Bi放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取合金A的一份与Cu、Ni在真空环境下进行熔炼，待全部熔化后保温并搅拌，将融化后的合金倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入坩埚中，向其中加入Zn，Cr，Ti在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出倒入模具后冷却，即得一种电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料。
本发明所采用的第二个技术方案的特点还在于：
其中步骤1中熔炼温度为800℃-1200℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次；
其中步骤2中的熔炼温度为750℃-1100℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次；
其中步骤3的中的熔炼温度为950℃-1500℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次；
其中步骤4中的熔炼温度为450℃-650℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次；
其中步骤1～4中的真空环境真空度为-0.1Mpa-0.1Mpa。
本发明的有益效果是：
本发明的电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料润湿度较好，电导率较高，力学性能优越，在基板上铺展性较好，同时能提高钎焊接头的剪切性能，成本低、生产效率高，可用于自动化大批量生产，生产过程无毒无污染，对环境的影响较小。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
电子装配用Sn-Bi-Ag无铅钎料中各组分的功能及作用：
Sn元素作用:①金属锡和铜基板之间有良好的亲和力作用，因此借助于低活性焊剂就可以达到良好的润湿；②金属锡在钎焊过程中与基板铜易生成 Cu6Sn5金属间化合物层，有利于提高钎焊接头的强度；
Cu元素可有效改善钎料合金的力学性能；
Ag元素能够降低钎料合金熔点；Bi元素可改善钎料合金润湿性以及提高合金强度；
Cr，Ti，Zn，Ni元素有助于减小合金润湿角，细化钎料显微组织，改善钎料合金综合性能。
实施例1：
一种电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的原料组分为：Bi 3％，Ag 1.5％， Cu0.3％，Ni 0.05％，Zn 0.8％，Cr 0.4％，Ti 0.03％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
按照上述各组分及质量百分比配置钎料合金，在真空环境熔融，真空度为-0.1Mpa；
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1，称取30g Bi，930.92g Sn，15g Ag放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1200℃，待原材料完全熔化后保温25-65min，并且每15min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取其中一份与Cu 3g、Ni 0.5g在真空环.境下进行熔炼，熔炼温度为900℃，待全部熔化后保温30min，每15min 搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入Zn 8g，Cr 4g， Ti 0.3g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1200℃，待其全部熔化后保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具，后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为600℃，保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可；
实施例1制得的一种电子封装用Sn-Bi-Ag系无铅钎料，熔点为210.6℃，导电率为8.86Ms/m，润湿角为46°，焊点抗拉强度39MPa。
实施例2：
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的原料组分为：Bi 4％，Ag 1.6％，Cu 0.4％，Ni0.06％，Zn 0.9％，Cr 0.5％，Ti 0.05％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
按照上述各组分及质量百分比配置钎料合金，在真空环境熔融，真空度为0.1Mpa。
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1，称取40g Bi，924.9g Sn，16g Ag放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1200℃，待原材料完全熔化后保温25-65min，并且每15min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取其中一份与Cu 4g、Ni 0.6g在真空环.境下进行熔炼，熔炼温度为900℃，待全部熔化后保温30min，每15min 搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入Zn 9g，Cr 5g， Ti 0.5g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1200℃，待其全部熔化后保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具，后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为600℃，保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可；
实施例2制得的一种电子封装用Sn-Bi-Ag系无铅钎料，熔点为214.2℃，导电率为9.22Ms/m，润湿角为58°，焊点抗拉强度63MPa。
实施例3
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的原料组分为：Bi 5％，Ag 1.7％，Cu 0.5％，Ni0.07％，Zn 0.10％，Cr 0.6％，Ti 0.06％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
按照上述各组分及质量百分比配置钎料合金，在真空环境熔融，真空度为0.05Mpa。
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1，称取50g Bi，919.7g Sn，17g Ag放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1200℃，待原材料完全熔化后保温25-65min，并且每15min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取其中一份与Cu 5g、Ni 0.7g在真空环.境下进行熔炼，熔炼温度为900℃，待全部熔化后保温30min，每15min 搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入Zn 10g，Cr 6g， Ti 0.6g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1200℃，待其全部熔化后保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具，后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为600℃，保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可；
实施例3制得的一种电子封装用Sn-Bi-Ag系无铅钎料，熔点为209.3℃，导电率为8.84Ms/m，润湿角为61°，焊点抗拉强度56MPa。
实施例4
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的原料组分为：Bi 6％，Ag 1.8％，Cu 0.6％，Ni0.08％，Zn 0.12％，Cr 0.8％，Ti 0.1％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
按照上述各组分及质量百分比配置钎料合金，在真空环境熔融，真空度为-0.1Mpa。
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1，称取60g Bi，905g Sn，18g Ag放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1200℃，待原材料完全熔化后保温25-65min，并且每 15min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取其中一份与Cu 6g、Ni 0.8g在真空环.境下进行熔炼，熔炼温度为900℃，待全部熔化后保温30min，每15min 搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入Zn 12g，Cr 8g， Ti 1g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1200℃，待其全部熔化后保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具，后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为600℃，保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可；
实施例4制得的一种电子封装用Sn-Bi-Ag系无铅钎料，熔点为211.3° C，导电率为9.51Ms/m，润湿角为37°，焊点抗拉强度53MPa。
实施例5
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的原料组分为：Bi 7％，Ag 2％，Cu 0.7％，Ni0.1％，Zn 0.13％，Cr 0.9％，Ti 0.15％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
按照上述各组分及质量百分比配置钎料合金，在真空环境熔融，真空度为0.1Mpa。
电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1，称取70g Bi，890.2g Sn，20g Ag放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1200℃，待原材料完全熔化后保温25-65min，并且每15min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取其中一份与Cu 7g、Ni 1g在真空环. 境下进行熔炼，熔炼温度为900℃，待全部熔化后保温30min，每15min搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入Zn 13g，Cr 9g， Ti 15g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1200℃，待其全部熔化后保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具，后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为600℃，保温30min，每15min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可；
实施例5制得的一种电子封装用Sn-Bi-Ag系无铅钎料，熔点为220.4C，导电率为8.97Ms/m，润湿角为45°，焊点抗拉强度40MPa。
由试验可得，以上钎料合金熔点均低于传统钎料的223℃，导电率也优于传统锡铅焊料熔点，强度也均有所提高，符合试验工艺要求。
本发明的优点：
(1)本发明电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料润湿度较好，电导率较高，力学性能优越。
(2)本发明Sn-Bi-Ag系无铅钎料在基板上铺展性较好，同时能提高钎焊接头的剪切性能。
(3)本发明Sn-Bi-Ag系无铅钎料，成本低、生产效率高，可用于自动化大批量生产。
(4)本发明Sn-Bi-Ag系无铅钎料，生产过程无毒无污染，对环境的影响较小。
Claims (7)
1.电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料，其特征在于，按质量百分比具体包括Bi3％-8％，Ag1.5％-2％，Cu0.3％-0.6％，Ni0.05％-1％，Zn0.8％-1.3％，Cr0.4％-0.7％，Ti0.03％-0.6％，Sn Bal，以上组分质量百分比之和为100％。
2.电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，按质量百分比称取各合金，将纯度为99.99％的Sn、Ag、Bi放入坩埚中，在真空环境中进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金A；
步骤2，将合金A等量分为两份，取合金A的一份与Cu、Ni在真空环境下进行熔炼，待全部熔化后保温并搅拌，将融化后的合金倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3，取剩余一份合金A加入坩埚中，向其中加入Zn，Cr，Ti在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金C；
步骤4，将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出倒入模具后冷却，即得一种电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅钎料。
3.根据权利要求2所述的电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中熔炼温度为800℃-1200℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次。
4.根据权利要求2所述的电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的熔炼温度为750℃-1100℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次。
5.根据权利要求2所述的电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤3的中的熔炼温度为950℃-1500℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次。
6.根据权利要求2所述的电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的熔炼温度为450℃-650℃，保温时间25-65min，搅拌频率15min/次。
7.根据权利要求2所述的电子装配用Sn-Bi-Ag系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤1～4中的真空环境真空度为-0.1Mpa-0.1Mpa。
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