CN114905189A - 一种无铅焊料、无铅焊膏及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种无铅焊料、无铅焊膏及其制备方法，所述无铅焊料由Sn、Ag、Cu、Bi、Sb、Ni、Ga、Fe和微量元素组成，无铅焊料各组分质量百分比为:Ag:2%~3.5%；Cu:0.5%~0.8%；Bi:2%~6%；Sb:2.5%~6%；Ni:0.03%~0.2%；Fe:0.006%~0.015%；Ga:0.02%~0.09%；Sn:87.3%~90.5%；微量元素由P、Co、Re、Ge、Ti、In中的任意一种或多种组成。无铅焊料的制备方法包括以下步骤：原料加热至370℃熔炼；熔炼完成后搅拌；雾化处理；流化分级；筛分。本申请无铅焊料在温度变化范围大时循环特性好且可靠性高。
Description
技术领域
本申请涉及一种无铅焊料、无铅焊膏及其制备方法，主要适用于焊接强度要求高、环境温度适应性要求高的电子元件焊接场合。
背景技术
汽车电子化拉动汽车PCB高速增长，主要分为两大类：车体电子控制系统和车载电子控制系统。其中车体电子控制系统又可分为发动机控制系统、车身控制系统和底盘控制系统。而底盘控制系统更加靠近底盘，尤其是在山地及陡峭地段等对底盘控制系统PCB连接可靠性要求极高。另一方面，由于不同地区的温度不同，尤其在北美等寒冷地区及巴西等炎热地区温度差异很大，对焊料的热循环适应能力提出了高的要求。现在汽车用电子连接通常使用传统的SAC305无铅焊锡膏，但其存在温度变化范围大时循环特性（大温差范围循环试验时耐受能力）较差，连接可靠性较差的问题。
发明内容
本申请解决的技术问题是克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种温度变化范围大时循环特性好且可靠性高的无铅焊料及其制备方法。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案包括：一种无铅焊料，由Sn、Ag、Cu、Bi、Sb、Ni、Ga、Fe和微量元素组成，所述的无铅焊料各组分质量百分比为: Ag:2%~3.5%；Cu:0.5%~0.8%；Bi:2%~6%；Sb:2.5%~6%；Ni:0.03%~0.2%；Fe:0.006%~0.015%；Ga:0.02%~0.09%；Sn:87.3%~90.5%；微量元素由P、Co、Re、Ge、Ti、In中的任意一种或多种组成。
本申请在现有的SAC305组分中添加了少量的Bi、Sb、Ni、Ga和Fe元素，其中Bi固溶于Sn相，可抑制Cu的金属间化合物的产生，提升了软钎料合金的润湿效果以及温度循环特性，但焊接接头也会脆性增加。Ni阻碍软钎焊Cu对Sn的扩散，防止Cu6Sn5金属间化合物的生长导致焊缝的龟裂，另外对结合面上的金属间化合物起到细化晶粒的作用，从而提高了钎焊接头的结合强度，防止焊接接头的过度脆化。Sb固溶于Sn相生成SbSn合金，强化Sn基体并可抑制Cu的金属间化合物的产生，改善了焊接接头的抗拉伸强度，从而提升了焊接接头的耐振动性。Ga抑制Cu的金属间化合物的产生，实现抗氧化效果外，接合时的扩散湿润性加快，因此提高了结合强度。Fe抑制Cu的金属间化合物、空洞的大量产生，提高连接可靠性。
本申请所述无铅焊料各组分采用中间合金和/或纯金属方式构成，所述纯金属是指金属纯度>99.9％。
所述微量元素质量百分比在0.0015%~0.018%之间。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：一种无铅焊膏，由上述质量百分比为83%~90%的无铅焊料（粉末状态）和质量百分比为10%~17%的助焊剂混合构成。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：一种无铅焊料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
S1：Sn、Ag、Cu、Ga、Ni分别以SnAg3、SnCu10、SnGa1.6、SnNi3为原材料方式加入,Bi、Sb、Fe、微量元素以纯金属形式（纯度>99.9％）加入钛合金无铅熔锡炉中加热至370℃熔炼；
S2：熔炼完成后，搅拌合金液3分钟左右；
S3：然后进行雾化，雾化室温度为50℃±10℃，雾化时间根据加工量的不同有所变化，大致在1小时左右；
S4：雾化完成后进行流化分级；
S5：最后将流化分级后的合金粉进行筛分，筛分的参数为15Hz～45Hz，得到无铅焊料。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：上述无铅焊膏的制备方法，其特征是包括以下步骤：将上述无铅焊料与助焊剂混合制成。本申请所使用的助焊剂没有过多的要求，只要使用常用的适宜配比且含有一定量的松香、有机酸、活性剂等物质即可。本申请优选无铅焊料与助焊剂的配比为：无铅焊料成分：83%~90%、助焊剂成分：10%~17%。
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
本申请在Sn-Ag-Cu系无铅焊料的基础上添加了一定量的Ga元素，利用Ga可使润湿性能更好从而改善钎焊后接头强度，同时添加的Bi、Sb元素可以进一步的提高钎焊后接头的抗拉强度，但同时也会使钎焊接头的脆性增加，而添加的Ni可以起到细化晶粒改善焊料的脆性，同时Fe的添加也可以防止钎焊接头空洞和钎焊接头其他缺陷的产生，微量元素的加入可以使钎焊后接头强度进一步的提升，使其温度循环特性增加，改善了使用该无铅焊膏进行钎焊后的接头性能。
具体实施方式
民用设备中较多采用的热循环试验是将芯片电阻部件钎焊在印刷基板上，进行500次温度循环，将钎焊部在-40℃、+85℃的两个温度点保持 30分钟的加热、冷却的重复（指环境温度先降低到-40℃，保持30分钟；然后环境温度再上升至+85℃，保持30分钟）。其后，进行钎焊好的电阻部件的通电状态测定，如果通电，则判断为合格。因本申请的无铅焊料和无铅焊膏主要应用于车载底盘控制系统的PCB板中，要比民用电子设备所承受的热循环温度范围更大，标准更加严格。
温度的剧烈变化往往会伴随着热量的剧烈变化，从而引起焊点内部的应力剧烈变化。应力变化超过设计应力极限会使焊点出现龟裂裂纹甚至导致断路，故在热循环实验后进行钎焊接头部的通电状态的测定，通过通电状态的试验结果，来判断焊接质量的好坏。
本申请实施例试验时将无铅焊膏印刷在基板上待钎焊位置，钎焊位置的无铅焊膏大致在1.4mm×1.2mm大小，厚度为150μm，安装适宜大小的电阻元器件后，用峰值为240℃进行回流焊，最后在热循环环境温度为-50℃及+150℃的各温度下保持40分钟的热循环试验中，经过1000次上述热循环试验，优选2000次热循环试验后，检测焊接接头通电状态是否良好，有没有出现变形和其他的焊接缺陷。试验证明本申请所有实施例没有看到变形和其他的焊接缺陷，显示出优异的耐热循环性。
下面举例说明本申请的实施例和对比例在-50℃及+150℃条件下进行热循环实验后的焊点结合强度、导电性能及焊点的缺陷形成情况。
比较例：
Ag的含量为3%、Cu的含量为0.5%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为30.1N，2000次热循环实验后强度平均值为18.2N，在2000次循环后焊点有明显的龟裂情况，无法通电。
实例1：
Ag的含量为2%、Cu的含量为0.5%、Ga的含量为0.02%、Sb的含量为2.5%、Bi的含量为2.5%、Ni的含量为0.05%、Fe的含量为0.009%、微量元素为Ge，Ge的含量为0.005%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为43.5N，2000次热循环实验后强度平均值为31.2N，在1000、2000次热循环后焊点无明显的龟裂情况，可正常通电。
实例2:
Ag的含量为2%、Cu的含量为0.8%、Ga的含量为0.02%、Sb的含量为3%、Bi的含量为3.2%、Ni的含量为0.07%、Fe的含量为0.01%、微量元素为P，P的含量为0.015%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为45.2N，2000次热循环实验后强度平均值为32.3N，在1000、2000次热循环后焊点无明显的焊接缺陷，可正常通电。
实例3：
Ag的含量为3%、Cu的含量为0.5%、Ga的含量为0.02%、Sb的含量为3%、Bi的含量为3.1%、Ni的含量为0.07%、Fe的含量为0.012%、微量元素为Co，Co的含量为0.005%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为41.2N，2000次热循环实验后强度平均值为32.7N，在1000、2000次热循环后焊点无明显的焊接缺陷，可正常通电。
实例4：
Ag的含量为3%、Cu的含量为0.5%、Ga的含量为0.04%、Sb的含量为4%、Bi的含量为3.5%、Ni的含量为0.1%、Fe的含量为0.01%、微量元素为Re，Re的含量为0.0015%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为44.6N，2000次热循环实验后强度平均值为33.7N，在1000、2000次热循环后焊点无明显的焊接缺陷，可正常通电。
实例5：
Ag的含量为3.4%、Cu的含量为0.8%、Ga的含量为0.04%、Sb的含量为4%、Bi的含量为4%、Ni的含量为0.125%、Fe的含量为0.012%、微量元素为Ti，Ti的含量为0.011%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为43.8N，2000次热循环实验后强度平均值为33.4N，在1000、2000次热循环后焊点无明显的焊接缺陷，可正常通电。
实例6：
Ag的含量为3.4%、Cu的含量为0.5%、Ga的含量为0.06%、Sb的含量为5%、Bi的含量为3.7%、Ni的含量为0.2%、Fe的含量为0.015%、微量元素为In，In的含量为0.018%，其余含量为Sn。经过1000次热循环实验后强度平均值为46.2N，2000次热循环实验后强度平均值为34.1N，在1000、2000次热循环后焊点无明显的焊接缺陷，可正常通电。
通过以上实验数据对比，可以得出在传统的SAC305组分中，添加一定量的Bi、Sb、Ni、Ga和Fe元素和一定量的微量元素可以提高焊接接头的可靠性，改善其焊接缺陷，实现本专利申请发明目的。
Claims (5)
1.一种无铅焊料，其特征是由Sn、Ag、Cu、Bi、Sb、Ni、Ga、Fe和微量元素组成，所述的无铅焊料各组分质量百分比为: Ag:2%~3.5%；Cu:0.5%~0.8%；Bi:2%~6%；Sb:2.5%~6%；Ni:0.03%~0.2%；Fe:0.006%~0.015%；Ga:0.02%~0.09%；Sn:87.3%~90.5%；微量元素由P、Co、Re、Ge、Ti、In中的任意一种或多种组成。
2.根据权利要求1所述无铅焊料，其特征是：所述微量元素的质量百分比在0.0015%~0.018%之间，微量元素采用P、Co、Re、Ge、Ti、In中的任意一种。
3.一种无铅焊膏，其特征是：所述无钎焊膏由权利要求1或2所述质量百分比为83%~90%的无铅焊料和质量百分比为10%~17%的助焊剂混合构成。
4.一种无铅焊料的制备方法，所述无铅焊料采用权利要求1或2所述无铅焊料，其特征是包括以下步骤：
S1：Sn、Ag、Cu、Ga、Ni分别以SnAg3、SnCu10、SnGa1.6、SnNi3为原材料方式加入, Bi、Sb、Fe、微量元素以纯金属形式加入钛合金无铅熔锡炉中加热至370℃熔炼；
S2：熔炼完成后，搅拌合金液3分钟；
S3：雾化处理，雾化室温度为50℃±10℃；
S4：流化分级处理；
S5：筛分处理，筛分参数为15Hz～45Hz，得到无铅焊料。
5.一种无铅焊膏的制备方法，其特征是包括以下步骤：将权利要求1或2所述无铅焊料或者权利要求4制得的无铅焊料与助焊剂混合均匀制成，无铅焊膏中无铅焊料的质量百分比为83%~90%，助焊剂的质量百分比为10%~17%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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