CN117754178A - SnBi系无铅焊料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合金焊料领域，尤其涉及低温无铅合金焊料。具体地提供一种SnBi系无铅焊料及其制备方法和用途。所述SnBi系无铅焊料包含特定含量的金属元素Sn、Bi、In、Sb和Ni以及不可避免的杂质。本发明的SnBi系无铅焊料总体上具有润湿性能好、熔点低、机械性能好、成本低廉等多方面优点。
Description
技术领域
本发明涉及合金焊料领域，尤其涉及SnBi系低温无铅合金焊料及其制备方法和用途。
背景技术
随着人工智能的不断发展，电子制造技术越来越成为社会发展的关键所在。在电子制造业中，主流的SnAgCu系无铅焊料具有较好的力学性能、优良的导电性、对铜基板良好的润湿性等优点。然而，由于这种合金焊料的熔点高，导致使用其进行焊接要在较高的温度下进行，因此这种焊料属于一种高温焊料。另外，由于这种焊料中添加了贵金属Ag，其成本也很高。
如何实现电子封装材料的低温无铅化，成为世界范围内科研团体及人员所面临的一个重要课题。
目前国内外对低温无铅焊料的研究主要集中在SnBi系和SnZn系无铅焊料，并通过添加一定量的Ag、Bi、Cu、In、Ni、P或Sb等元素以改进这些低温焊料的力学性能和润湿性，并提高它们的可靠性。
与传统的SnPb系焊料相比，SnBi系无铅焊料不仅具有与SnPb系焊料相同的弹性模量，而且还拥有更宽的熔点范围。Sn的熔点为231.9℃，Bi的熔点为271.4℃，基于SnBi二元合金相图，通过调整SnBi合金中Sn和Bi的质量比例，可以获得熔点低至约139至约176℃范围内的合金焊料，这与目前广泛使用的SnAgCu系无铅焊料熔点(通常为约217至约227℃)相比，熔点降低程度可高达约70℃以上。较低的熔点一方面可以降低回流焊的温度，使组装基板和元器件所受的热冲击更小，延长电子元器件寿命；另一方面还能够减小电子制造能耗，降低电子组件的生产成本。此外，使用的Bi元素还具有减小焊料表面张力、增加焊料湿润性、抑制锡须生长的作用。
然而，由于SnBi系焊料中的Bi相易发生粗化和聚集现象，容易造成焊料塑性和加工性能降低，其焊接界面层的不稳定降低了焊接接头的可靠性，因此限制了SnBi系焊料的广泛用途。目前国际常用的方法是在这种焊料中添加各种诸如稀土元素的合金元素和纳米颗粒等添加物来改进焊料的组织性能，从而导致焊料的成本上升，市场化难以推广。
发明内容
发明目的
鉴于上文所述的现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SnBi系无铅焊料及其制备方法和用途。
技术方案
具体地，本发明提供以下技术方案：
方案1.一种SnBi系无铅焊料，其中所述SnBi系无铅焊料包含基于该SnBi系无铅焊料的总重量计的：
约35.0至约59.0重量％的Bi；
约0.5至约5.0重量％的In；
约5.0至约15.0重量％的Sb；
约1.0至约3.0重量％的Ni；和
余量的Sn以及不可避免的杂质。
方案2.根据上述方案1所述的SnBi系无铅焊料，其中所述SnBi系无铅焊料具有约139℃至约176℃的熔点，且具有约66MPa以上的剪切强度。
方案3.根据上述方案1或2所述的SnBi系无铅焊料，其中所述焊料被成形为以下形状：棒、棍、丝、条、箔、片、粉末或糊状物。
方案4.用于制备根据上述方案1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料的方法，其中该方法包括以下步骤：
步骤1：将金属原料Ni与金属原料Sn混合以获得SnNi混合物，将所述SnNi混合物进行第一次真空熔炼，从而获得SnNi中间合金；
步骤2：根据上述方案1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料的组成成分含量，将由步骤1获得的SnNi中间合金与金属元素Bi、In、Sb和任选的金属元素Sn混合以获得SnBiInSbNi混合物，将所述SnBiInSbNi混合物进行第二次真空熔炼，从而获得SnBiInSbNi合金；
步骤3：将由步骤2获得的SnBiInSbNi合金冷却凝固后获得所述SnBi系无铅焊料。
方案5.根据上述方案4所述的方法，其中所述第一次真空熔炼在约400至约480℃的温度下，在约≤10-4Pa的真空度下持续进行直至所用的金属原料熔融，例如可进行约40至约50分钟，进一步优选地，所述第一次真空熔炼是在惰性气氛下进行的。
方案6.根据上述方案4或5所述的方法，其中所述第二次真空熔炼在约600至约650℃的温度下，在约≤10-4Pa的真空度下持续进行直至所用的中间合金和金属原料熔融，例如可进行约90至约100分钟，进一步优选地，所述第二次真空熔炼是在惰性气氛下进行的。
方案7.一种包含根据上述方案1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料或根据上述方案4至6中任一项所述的方法制备的SnBi系无铅焊料的焊接接头，所述焊接接头优选具有约1.7kgf以上的推力。
方案8.形成根据上述方案7所述的焊接接头的方法，该方法包括以下步骤：
步骤a：在待要焊接的两个或更多个工件的待焊接部位处提供根据上述方案1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料或根据上述方案4至6中任一项所述的方法制备的SnBi系无铅焊料；
步骤b：将所述SnBi系无铅焊料任选与助焊剂一起加热熔融；和
步骤c：使熔融的焊料冷却凝固从而使所述待焊接工件接合在一起。
方案9.根据上述方案1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料或根据上述方案4至6中任一项所述的方法制备的SnBi系无铅焊料在表面安装技术、波峰焊接、芯片粘接焊接、热界面焊接、手工焊接、激光和RF(射频)感应焊接或返修焊接中的用途。
技术效果
本发明的SnBi系无铅焊料的熔点可低至约139℃，并可在约139至约176℃的宽范围内调整，从而可以使采用该焊料进行回流焊的温度降低，使组装基板和元器件所受的热冲击更小，延长电子元器件寿命；而且还能够减小电子制造的能耗，降低电子组件的生产成本。
本发明的SnBi系无铅焊料不仅具有如上所述较低的熔点，而且还具有良好的润湿性能和机械性能。例如本发明的SnBi系无铅焊料可实现约66MPa以上的剪切强度，并且采用本发明的SnBi系无铅焊料制备的焊接接头可实现约1.7kgf以上的平均推力。
与现有技术中主流的包含Ag的无铅焊料以及包含稀土元素的其它SnBi系焊料相比，本发明的SnBi系无铅焊料不仅成本进一步降低，而且利用该焊料形成的焊接接头在长周期使用后仍能保持良好的机械性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。
在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。本发明中使用的术语“约”表示其所修饰的数字可以在该数字的±20％，±15％，±10％，±5％或±2％范围内波动。对于数值来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种SnBi系无铅焊料，其包含元素铋(Bi)、铟(In)、锑(Sb)、镍(Ni)和锡(Sn)以及不可避免的杂质。
在上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料中，Sn元素和Bi元素用作所述无铅焊料的基础金属原料。
作为基础金属原料之一的Sn元素是现有技术中最常用于焊料中的元素。Sn和许多金属元素容易形成化合物，在常温下不易氧化，具有较好抗腐蚀性，无毒无害，所以是几乎所有焊料的基底元素。
作为另一种基础金属原料的Bi元素可以降低SnBi系无铅焊料的熔点、减少其表面张力，使焊料具有较好的润湿性。同时，由于Bi元素的加入，使得Sn元素的质量占比降低，从而间接降低了出现锡须的风险。然而，在本发明的SnBi系无铅焊料中存在过高的Bi元素也会带来一些问题，例如对焊料合金的机械性能有较大影响，容易引起界面层不稳定，进而造成可靠性较差。特别地，当SnBi焊料的组成偏离共晶成分时，其熔程较大，在凝固过程中易出现枝晶偏析和组织粗大化。
因此，在本发明的SnBi系无铅焊料中，Bi元素的含量需要控制在约35.0至约59.0重量％范围内，例如在约40.0至约50.0重量％范围内，例如可以将Bi元素的含量控制为约45.0重量％。
在上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料中，需要存在一定量的In元素。In元素熔点较低，在本发明无铅焊料中添加In元素可以使所述焊料的熔点和共晶温度均有所降低。另外，In元素还能够在一定程度上抑制Bi相的粗化。实验表明，当In元素在所述焊料中的质量分数为0.4重量％时，焊料的熔点可达到最低值。另外，In元素的添加量对合金焊料的组织也有较大的影响，例如当In元素添加量为约0.1重量％时，所述合金焊料的组织没有较大偏析，而当In元素添加量达到约0.7重量％时，焊料的硬度达到最大。
在本发明的SnBi系无铅焊料中，综合考虑上述In元素对焊料的影响，将In元素的含量控制在约0.5至约5.0重量％范围内，例如在约1.0至约4.0重量％范围内，例如约3.0重量％。
在上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料中，需要存在一定量的Sb元素。在本发明无铅焊料中添加Sb元素可以在不影响焊料湿润性的情况下，增加由本发明无铅焊料形成的焊接接头的强度，同时还能起到防止出现锡须的作用。
研究表明，在本发明的SnBi系无铅焊料中，当Sb元素含量低于5.0重量％时，防止出现锡须的作用不明显，而当大于15.0重量％时，最终形成的焊接接头脆性过大，机械性能变差。因此，在本发明的SnBi系无铅焊料中，将Sb元素的含量控制在约5.0至约15.0重量％范围内，例如约8.0至约15.0重量％范围内，例如约9.0重量％。
在上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料中，需要存在一定量的Ni元素。在本发明的SnBi系无铅焊料中添加特定量的Ni元素可以在熔融时形成Ni在Sn中的过饱和溶液，从而可以提高焊接后焊接机头的整体机械性能。
当在本发明第一方面的SnBi系无铅焊料中的Ni元素的添加量超过1.0重量％时，耐蚀性提升效果明显，然而超过3.0重量％时，焊料的性能开始显著变差。因此，在本发明的SnBi系无铅焊料中，将Ni元素的含量控制在约1.0至约3.0重量％范围内，例如约1.5至2.5重量％范围内，例如约2.0重量％。
在一些优选的实施方案中，在本发明的SnBi系无铅焊料中包含上述Ni含量范围的本发明的SnBi系无铅焊料可实现约66MPa以上的剪切强度，并且采用这样的SnBi系无铅焊料制备的焊接接头可实现约1.7kgf以上的平均推力。所述推力是如下文具体实施方式部分中用推力测试仪测定的。
另外，通常对于SnBi系无铅焊料而言，Bi元素主要以针状组织存在于Sn元素中，Bi针的物理体改变会造成焊料整体机械性能的明显改变。本发明的SnBi系无铅焊料所包含的特定含量范围的合金元素显著改进了现有技术中SnBi系无铅焊料因Bi针粗大造成的机械性能下降问题。例如在本发明的一些优选实施方案中，通过使Ni元素、Sb元素和In元素含量控制在如上所述的范围内，观察到焊料组织中Bi针的大小明显减小，而这在现有技术中已有焊料包含的相应元素含量情况下是难以达到的。
上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料优选具有约139℃至约176℃的熔点，例如约139.5℃、约140.5℃、约154.8℃、约158.3℃、约163.8℃或约175.2℃的熔点。
上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料的形式没有特别限制，其可以例如被成形为以下形状：诸如棒、棍、丝、条等的在三维空间中一个维度的尺寸显著大于另两个维度尺寸的形状，或者诸如箔、片等的在三维空间中一个维度的尺寸显著小于另两个维度尺寸的形状，或者粉末以及由粉末形成的糊状物等的形状。
在本发明的第二方面，本发明提供一种用于制备上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料的方法。
本发明第二方面的制备SnBi系无铅焊料的方法包括以下步骤1至步骤3。
所述步骤1包括将金属原料Ni与金属原料Sn混合以获得SnNi混合物，将所述SnNi混合物进行第一次真空熔炼，从而获得SnNi中间合金。
由于金属Sn和金属Ni的合金化需要单独进行才能较好地形成SnNi金属间化合物，因此需要预先将金属Ni与金属Sn进行合金化。
在所述步骤1中，将金属原料Ni与金属原料Sn混合以获得SnNi混合物。此处可以根据上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料所要求包含的金属元素Ni的量确定此处使用的金属原料Ni的用量。金属原料Sn的用量没有特别限制，可以根据上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料所要求包含的金属元素Sn的量来确定此处使用的Sn的用量。也可以考虑到实际操作的便利性使用减少的Sn的用量。例如此处可以将Sn:Ni的质量比例确定为约12-25:1，例如约14:1、16:1、18:1、20:1、22:1或24:1等。
所述步骤1还包括将所形成的SnNi混合物进行第一次真空熔炼。
所述第一次真空熔炼的目的是使Sn和Ni熔融并充分合金化，形成SnNi金属间化合物。
优选地，所述第一次真空熔炼在约400至约480℃的温度下，在约≤10-4Pa的真空度下持续进行直至金属原料Sn和Ni完全熔融。优选地，所述第一次真空熔炼可以进行约40至约50分钟，例如约45分钟。更优选地，所述第一次真空熔炼在惰性气氛下进行以避免金属元素在熔炼的高温环境下与残留的氧发生反应。
所述步骤2包括根据上文本发明第一方面所述的SnBi系无铅焊料的组成成分含量，将由上述步骤1获得的SnNi中间合金与金属原料Bi、In、Sb和任选的金属原料Sn混合以获得SnBiInSbNi混合物。
此处所述金属原料Bi、In、Sb和Sn可以是单独的金属原料的形式，也可以是由Bi、In、Sb和Sn中的两种或更多种形成的合金的形式。随后将所述SnBiInSbNi混合物进行第二次真空熔炼，从而获得SnBiInSbNi合金。
所述第二次真空熔炼的目的是使Sn、Bi、In、Sb和Ni熔融并充分合金化，形成SnBiInSbNi金属间化合物。
优选地，所述第二次真空熔炼在约600至约650℃的温度下，在约≤10-4Pa的真空度下持续进行直至所使用的中间合金和/或金属原料完全熔融。优选地，所述第二次真空熔炼可以进行约90至100分钟，更优选地，所述第二次真空熔炼是在惰性气氛下进行的以避免金属元素在熔炼的高温环境下与残留的氧发生反应。
所述步骤3包括将由上述步骤2获得的SnBiInSbNi合金冷却凝固后获得所述SnBi系无铅焊料。
优选地，所述冷却凝固是在模具中进行的，从而直接形成诸如棒、棍、丝、条等的在三维空间中一个维度的尺寸显著大于另两个维度尺寸的形状，或者诸如箔、片等的在三维空间中一个维度的尺寸显著小于另两个维度尺寸的形状，或者粉末以及由粉末形成的糊状物等的形状。
在本发明的第三方面中，本发明提供一种包含上述本发明第一方面中所述的SnBi系无铅焊料的焊接接头或者包含通过上述本发明第二方面所述的方法制备的SnBi系无铅焊料的焊接接头。
优选地，所述焊接接头具有1.7kgf以上的平均推力。
在本发明的第四方面中，本发明提供一种形成上述本发明第三方面中所述的焊接接头的方法，该方法包括以下步骤a至步骤c。
所述步骤a包括在待要焊接的两个或更多个工件的待焊接部位处提供根据上述本发明第一方面的SnBi系无铅焊料或者通过上述本发明第二方面所述的方法制备的SnBi系无铅焊料。
在所述步骤a中，所述工件可以是待要焊接的电子元件，例如0603元件等。
所述步骤b包括将步骤a中所述的SnBi系无铅焊料任选与助焊剂一起加热熔融。
在所述步骤b中，所述助焊剂可以是本领域中常用的助焊剂，例如可以使用由松香、树脂、含卤化物的活性剂、添加剂和有机溶剂组成的松香树脂系助焊剂。
所述步骤c包括使熔融的焊料冷却凝固从而使所述待焊接工件接合在一起。
在本发明的第五方面中，本发明提供上述本发明第一方面中所述的SnBi系无铅焊料或通过上述本发明第二方面所述的方法制备的SnBi系无铅焊料的用途，所述SnBi系无铅焊料可用在包括但不限于以下方面的用途中：表面安装技术、波峰焊接、芯片粘接焊接、热界面焊接、手工焊接、激光和RF感应焊接或返修焊接。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料的一般性制备过程
称取适量金属原料Ni与金属原料Sn按照表1中显示的量进行混合。然后将获得的混合物置于氮气气氛下的真空感应炉中进行第一次真空熔炼至所述金属原料完全熔融，第一次真空熔炼的工艺参数也显示在表1中。在第一次真空熔炼结束后得到SnNi合金。
按照表2中列出的各实施例的SnBi系无铅焊料所包含的元素组成分别称取适量的SnNi合金与金属原料Bi、In和Sb混合。然后将获得的SnBiInSbNi混合物置于氮气气氛下的真空感应炉中进行第二次真空熔炼至所述金属原料和合金完全熔融，第二次真空熔炼的工艺参数同样显示在表1中。在第二次真空熔炼结束后得到SnBiInSbNi合金。
将所获得的各实施例的SnBiInSbNi合金浇注到模具中，冷却凝固后得到各实施例的SnBi系无铅焊料。
下表1和2中分别总结了根据上述一般性制备过程制备的本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料的元素组成和所采用的原料的量和真空熔炼的工艺条件。
下文中说明的是对本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料进行的性能测试：
(1)焊料的铺展率
将本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料以直径为D的球形置于符合GB/T 2040规定的铜基板中央，同时将焊料重量的约1/5的松香树脂系助焊剂(Jerxun牌jx-1563-50)覆盖于所述焊料之上，将载有所述焊料与助焊剂的铜基板加热至约300℃，待焊料与助焊剂全部熔化后保温约1分钟使其充分铺展，冷却后形成固态金属。测量在铜基板上润湿后的固态金属的铺展面积和最高高度H，利用以下公式计算出所用焊料的铺展率：
焊料的铺展率S(％)＝(D-H)/D×100％
(2)焊料的熔点
通过差示扫描量热法(DSC)测试本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料的熔点。取质量约为0.05g的焊料。将所述焊料切割成约1×1cm大小的小块，并用无水乙醇超声清洗约15分钟，以去除焊料表面可能存在的污垢和油渍。之后将该经清洗的焊料放入DSC测试设备中，在氮气保护下将所述焊料以约10℃/分钟的加热速度加热到约250℃，得到焊料的DSC曲线。根据所得的DSC曲线，取熔融峰的外推起始点作为焊料的熔点。
(3)焊料的剪切强度
使用DAGE4000推拉力剪切力测试仪测量本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料的剪切强度。将约5mm×5mm×1mm的焊料薄片置于铜基板上，然后在氮气保护下采用回流焊工艺将所述焊料焊接在铜基板上以形成焊接接头，之后用所述测试仪测量焊接接头的剪切强度，即所述焊料与所述铜基板的结合强度，其中，将剪切速度设定为约100μm/s，剪切测试时夹持处距离铜基板的高度为约50μm。
(4)焊料的成本核算
采用金属价格，按其百分比进行核算焊料的成本，不考虑加工工艺等成本，以主流的可商购获得的SnAgCu系无铅焊料(具体为Sn3.0Ag0.5Cu)的成本为标准1。
(5)焊料的微观组织
利用光学显微镜观察本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料的微观组织，可以看到在所述焊料的Sn基底中由Bi元素形成的针状组织相对于传统SnBi系焊料更小，焊料的整体组织结构更加细密，由此焊料的机械性能显著提高。
通过以上过程对本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料和可商购获得的两种常用焊料“Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料”和“Cu37Pb焊料”的各项性能进行测试，所述各性能测试的结果总结在下表3中。
表3：本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料和可商购获得的两种常用焊料“Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料”和“Cu37Pb焊料”的各项性能测试结果
| 实施例编号 | 铺展率(％) | 熔点(℃) | 剪切强度(MPa) | 成本核算 |
| 实施例1 | 65.3 | 158.3 | 69.6 | 0.38 |
| 实施例2 | 66.9 | 139.5 | 66.3 | 0.37 |
| 实施例3 | 51.2 | 154.8 | 69.5 | 0.35 |
| 实施例4 | 59.7 | 163.8 | 68.2 | 0.33 |
| 实施例5 | 57.2 | 175.2 | 67.4 | 0.32 |
| 实施例6 | 64.5 | 139.0 | 67.4 | 0.38 |
| 实施例7 | 65.2 | 140.5 | 68.3 | 0.38 |
| 实施例8 | 64.7 | 139.4 | 69.5 | 0.39 |
| 实施例9 | 65.0 | 139.9 | 68.8 | 0.39 |
| Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料 | 68.2 | 217 | 58 | 1 |
| Cu37Pb焊料 | 58.4 | 183 | 55 | 0.54 |
下文中说明的是本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料和可商购获得的两种常用焊料“Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料”和“Cu37Pb焊料”用于表面组装技术(SMT)的应用
将本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料和可商购获得的两种常用焊料“Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料”和“Cu37Pb焊料”与松香树脂系助焊剂(Jerxun牌jx-1563-50)以约5:1的重量比例混合制成焊膏。取20块印制电路板(PCB)，并在每块PCB上焊接200个0603元件，焊接完成后记录焊接温度和失效焊接接头数目，并利用下式计算焊接接头合格率：
焊接接头合格率(％)＝[(20×200-失效焊接接头数)/20×200]×100％
在每块PCB上随机选取10个不同位置的0603元件，用推力测试仪将其推落，记录最高推力并记录推落这10个位置的0603元件的推力值的平均值作为推落在此块PCB板上的0603元件的平均推力。此处，通常认为推落0603元件的平均推力值大于1.2Kgf即为合格。
将以上测试结果总结在下表4中。
表4：采用本发明实施例1-9的SnBi系无铅焊料以及可商购获得的两种常用焊料“Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料”和“Cu37Pb焊料”在PCB板上焊接0603元件的焊接温度、焊接接头合格率和推落推力
| 实施例编号 | 焊接温度(℃) | 焊点合格率(％) | 平均推力(Kgf) |
| 实施例1 | 220 | 95.00 | 1.763 |
| 实施例2 | 220 | 97.75 | 1.845 |
| 实施例3 | 220 | 93.50 | 2.556 |
| 实施例4 | 220 | 97.25 | 2.762 |
| 实施例5 | 220 | 97.95 | 1.878 |
| 实施例6 | 220 | 97.80 | 1.902 |
| 实施例7 | 220 | 96.90 | 1.914 |
| 实施例8 | 220 | 97.34 | 1.917 |
| 实施例9 | 220 | 97.70 | 1.924 |
| Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料 | 240 | 94.50 | 1.964 |
| Cu37Pb焊料 | 220 | 93.70 | 2.149 |
由上表3和表4的结果可以看出：本发明的SnBi系无铅焊料，与本领域常规的SnBi无铅焊料、以及与常用的含铅焊料和SnAgCu系无铅焊料相比，总体上具有相当或甚至更好的润湿性能、更低的熔点、更好的机械性能、成本更低廉的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种SnBi系无铅焊料，其特征在于，所述SnBi系无铅焊料包含基于该SnBi系无铅焊料的总重量计的：
35.0至59.0重量％的Bi；
0.5至5.0重量％的In；
5.0至15.0重量％的Sb；
1.0至3.0重量％的Ni；和
余量的Sn以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的SnBi系无铅焊料，其特征在于，所述SnBi系无铅焊料具有在139℃至176℃范围内的熔点，且具有66MPa以上的剪切强度。
3.根据权利要求1或2所述的SnBi系无铅焊料，其特征在于，所述焊料被成形为以下形状：棒、棍、丝、条、箔、片、粉末或糊状物。
4.用于制备根据权利要求1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将金属原料Ni与金属原料Sn混合以获得SnNi混合物，将所述SnNi混合物进行第一次真空熔炼，从而获得SnNi中间合金；
步骤2：根据权利要求1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料的组成成分含量，将由步骤1获得的SnNi中间合金与金属原料Bi、In、Sb和任选的金属原料Sn混合以获得SnBiInSbNi混合物，将所述SnBiInSbNi混合物进行第二次真空熔炼，从而获得SnBiInSbNi合金；
步骤3：将由步骤2获得的SnBiInSbNi合金冷却凝固后获得所述SnBi系无铅焊料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一次真空熔炼在400至480℃的温度下，在≤10-4Pa的真空度下持续进行直至所述金属原料熔融。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二次真空熔炼在600至650℃的温度下，在≤10-4Pa的真空度下持续进行直至所述中间合金和金属原料熔融。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一次真空熔炼和/或所述第二次真空熔炼是在惰性气氛下进行的。
8.一种包含根据权利要求1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料或根据权利要求4至7中任一项所述的方法制备的SnBi系无铅焊料的焊接接头，所述焊接接头优选具有1.7kgf以上的推力。
9.形成根据权利要求8所述的焊接接头的方法，该方法包括以下步骤：
步骤a：在待要焊接的两个或更多个工件的待焊接部位处提供根据权利要求1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料或根据权利要求4至7中任一项所述的方法制备的SnBi系无铅焊料；
步骤b：将所述SnBi系无铅焊料任选与助焊剂一起加热熔融；和
步骤c：使熔融的焊料冷却凝固从而使所述待焊接工件接合在一起。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的SnBi系无铅焊料或根据权利要求4至7中任一项所述的方法制备的SnBi系无铅焊料在表面安装技术、波峰焊接、芯片粘接焊接、热界面焊接、手工焊接、激光和RF感应焊接或返修焊接中的用途。
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