CN1442272A - 波峰焊用无铅软钎焊料合金 - Google Patents
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Abstract
波峰焊用无铅软钎焊料合金，它涉及一种无铅软钎焊料，特别是一种波峰焊用无铅软钎焊料。它包含以下重量百分比的成份：Cu0.1～2.0、P0.001～1、Sn余量。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的Ni。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土RE。它解决了现有的Sn－Cn系无铅钎焊料在使用时焊料锅表面金属氧化物产生量过高、焊点桥联发生的可能性高的问题。本发明的焊料合金可以通过传统工艺加工形成焊锡条、焊锡棒、焊锡丝、焊锡球及焊膏等的形式，从而能够满足PCB组装、SMT微电子表面封装及表面贴装等所需要的焊料合金。
Description
技术领域：本发明涉及一种无铅软钎焊料，特别是一种波峰焊用无铅软钎焊料。
背景技术：目前，用于电子工业中电子封装与组装的典型焊料是Sn-Pb合金。虽然Sn-Pb合金具有优异的润湿性及焊接性、导电性、力学性能、成本较低等特点，但是Pb及含Pb物为危害人类健康和污染环境的有毒有害物质。随着环境保护法规的日趋完善和严格，禁止使用铅的呼声日趋高涨，日本、欧盟及美国都相继制订了自己的焊料无铅化进程，其中日本企业在其产品中已开始使用无铅软钎焊料。2003年2月，欧洲议会和欧盟委员会正式批准WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)和RoHS(Restriction ofHazardous Subsfances)的官方指令生效，强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品。因此，在电子工业中需要一种无铅的焊料合金来代替传统的Sn-Pb焊料合金。在当前的波峰焊用无铅软钎焊料中，Sn0.7Cu共晶合金由于价格便宜、原材料供应充足、焊料合金元素易回收、良好的机械性能及可加工性以及较传统SnPb焊料焊点可靠性高等一系列优点而能作为主要的无铅软钎焊料(焊料的227℃较高熔点在波峰焊时对设备和元器件影响则相对较小)。然而，对于Sn-Cu系钎料来说，在焊料熔炼过程中易产生组织偏析现象。另外Sn0.7Cu无铅软钎焊料在进行波峰焊时存在比较突出的问题包括两点，一点是焊点的桥联，另一点是印刷电路基片中的Cu向熔融焊料内的溶解，这不仅改变了熔融焊料的成分，并且与Sn形成的Cu6Sn5金属间化合物相由于Cu6Sn5相密度较Sn0.7Cu低，会沉淀于熔融焊料锅底部使得去除异常困难，这就缩短了焊料的使用寿命。因此日本Nihon在美国专利6,180,055中在以SnCu共晶成分的基础上提出由Sn-(0.3～0.7)Cu-(0.04～0.1)Ni组成的无铅软钎焊料合金，元素Ni可抑制Cu向熔融焊料中的溶解，降低Cu向熔融钎料中的溶解速度以及桥联发生的可能性。另一方面，由于Sn-Cu系无铅软钎焊料合金中Sn的含量高达99重量％以上，在使用过程中与传统Sn-37Pb焊料相比会大大增加金属氧化物的产生量。
发明内容：为解决现有的Sn-Cn系无铅钎焊料在使用时焊料锅表面金属氧化物产生量过高、焊点桥联发生的可能性高的问题，本发明提供一种波峰焊用无铅软钎焊料合金。本发明的波峰焊用无铅软钎焊料合金包含以下重量百分比的成份：Cu0.1～2.0、P0.001～1、Sn余量。在该钎焊料合金中还有不可避免的杂质。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的Ni。上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土RE。本发明所涉及的无铅软钎焊料合金，在作为焊料基本组合物的锡和铅中不使用剧毒性的铅，具有比现有的焊料更加优良的软钎焊性。下面详细说明本发明中各添加元素的作用及其最佳含量。添加Cu在0.7％重量、227℃时可与Sn形成二元共晶以降低焊料的熔点。如前所述，与传统SnPb焊料相比，Sn-Cu共晶有着一系列优点，包括焊料的密度(7.4g/mm3)较SnPb(8.4g/mm3)低、高热导率、低电阻率、机械性能及焊点可靠性等。铜含量的优选是0.5～1.0％，更优选的是0.3～0.7％。由于本发明以Cu元素代之不含铅而含有大量的锡(达99％以上)，在实际使用时会因此增加焊料锅熔融焊料表面金属氧化物的产生量。因此，添加有0.001～1％的元素P可以有效地阻止焊料合金的氧化，因为元素P的集肤效应，在焊料锅内熔融焊料合金的上表面形成一层极薄膜，通过在焊料表面发生的氧化反应： ； ；可以阻碍焊料合金直接与周围空气的相互接触。另一方面，焊料中元素Cu的存在也促进了P的集肤效应，从而防止焊料表面进一步的氧化。如果元素P的加入量少于0.001％，这种防氧化作用就不明显，添加1％以上的元素P会劣化焊料合金的软钎焊性。添加P时，在合金中P含量优选的是0.005～0.5％，更优选的是0.005～0.1％。本发明中在SnCu软钎焊料添加元素P的基础上可以进一步添加微量元素Ni，Ni主要起着两方面的作用。一方面可以抑制印刷电路Cu基片和元器件引脚中的Cu向钎料中的溶解，减少了熔融焊料中Cu6Sn5的生成量，延长了焊料的使用寿命；另一方面由于Ni向Cu6Sn5化合物相中的溶解，可以改变金属间化合物形态，即由针状转变为球状，而球状化合物相对熔融钎料的流动影响要小得多，从而减少桥联的形成。如果Ni含量小于0.001％，其作用就不明显，添加1％以上Ni会使焊料性能变差，熔点升高。添加Ni时，在合金中Ni含量的优选的是0.01～0.5％。本发明中还添加适量的稀土元素RE以改善钎料的组织，由于RE元素可以促进钎料在凝固过程中的形核，对钎料的组织起着变质均匀化的作用，从而改善钎料合金的力学性能。RE的加入还可以显著提高钎料抗蠕变疲劳性能。如果RE含量小于0.001％，其作用就不明显，添加1％以上RE会使钎料性能变差，熔点升高。添加RE时，在合金中RE含量的优选的是0.05～0.5％。根据以上各成分的作用，本发明的焊料不含有Pb，与现有的Sn-Cu焊料合金相比，无论在焊料的凝固组织、力学性能还是焊料的抗蠕变疲劳特性方面都显示了优越的特性。具有上述组成的本发明的无铅软钎焊料可通过传统方法冶炼，即Sn、Cu以金属原料供应，而Ni、P和RE则要求通过以中间合金的形式加入，在坩埚中加热并搅动，浇铸即可得到焊料合金。本发明的焊料合金可以通过传统工艺加工形成焊锡条、焊锡棒、焊锡丝、焊锡球及焊膏等的形式，从而能够满足PCB组装、SMT微电子表面封装及表面贴装等所需要的焊料合金。本发明的目的在于提供一种无铅软钎焊料合金，在SnCu系无铅软钎焊料的基础上，加入元素P，P元素在熔融的焊料锅内所呈现的集肤效应，可以减少焊料锅表面金属氧化物的产生量，降低PCB电路板焊接时的不良率；在添加P的基础上进一步添加元素Ni和La、Ce混合稀土RE，Ni可以降低焊点桥联发生的可能性，并抑制Cu向钎料中的溶解，加入RE可以使合金凝固组织中的粗大富Sn相得到抑制，即通过对钎料凝固结晶过程的变质作用，实现凝固组织的均匀化，从而提高钎料合金的力学性能及抗蠕变疲劳特性。
具体实施方式一：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成份组成：Cu0.7、P0.01～1、Sn余量。
具体实施方式二：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成份组成：Cu0.7、P0.05、Sn余量。
具体实施方式三：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成份组成：Cu0.7、P0.01、Ni0.05、Sn余量。
具体实施方式四：本实施方式的无铅软钎焊料合金由以下重量百分比的成份组成：Cu0.7、P0.01、RE0.05、Sn余量。
对上述实施方式的无铅软钎焊料合金与传统的无铅软钎焊料合金(其成份为Cn0.7％、Sn余量)进行了抗氧化性能试验，即将焊料在280℃温度下保温50小时观察焊料的烧损率，具体的试验结果见表1。从中可以看出在传统SnCu(比较例)中添加元素P(实施例1和实施例2)可以明显增强焊料的抗氧化性能，尤其是在P含量在0.01％条件下；相反当P含量较高时焊料的抗氧化能力降低，但仍要高于不添加元素P的传统例。
表1本发明实施例与传统SnCu无铅软钎焊料抗氧化性能比较
| 合金成分(重量％) | 原重量(g) | 剩余重量(g) | 烧损率(％) | 保温时间(h) | 保温温度(℃) | |||||
| Sn | Cu | P | Ni | RE | ||||||
| 实施方式1 | 99.29 | 0.7 | 0.01 | 50 | 49.53 | 0.928 | 50 | 280 | ||
| 实施方式2 | 99.25 | 0.7 | 0.05 | 50 | 49.18 | 1.627 | 50 | 280 | ||
| 实施方式3 | 99.24 | 0.7 | 0.01 | 0.05 | 50 | 49.30 | 1.396 | 50 | 280 | |
| 实施方式4 | 99.24 | 0.7 | 0.01 | 0.05 | 50 | 49.24 | 1.520 | 50 | 280 | |
| 传统方式 | 99.3 | 0.7 | 50 | 47.02 | 5.952 | 50 | 280 | |||
Claims (7)
1、波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于它包含以下重量百分比的成份：Cu0.1～2.0、P0.001～1、Sn余量。
2、根据权利要求1所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的Ni。
3、根据权利要求1或2所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于上述无铅软钎焊料合金中，进一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土RE。
4、根据权利要求1所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于铜含量为0.5～1.0％。
5、根据权利要求1所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于P含量是0.005～0.5％。
6、根据权利要求2所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于Ni含量是0.01～0.5％。
7、根据权利要求3所述的波峰焊用无铅软钎焊料合金，其特征在于RE含量是0.05～0.5％。
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