CN1562553A - 锡锌铜无铅焊料 - Google Patents

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戴国水
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Abstract

一种锡锌铜无铅焊料，属电子元器件焊接用锡锌铜合金材料的制备技术领域，包含锌，铜，锡等，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌5～10％，铜0.5～3.5％，其余为锡及总量不大于0.3％的杂质。杂质中各组份的组成按重量百分比计为：锑＜0.05％,铁＜0.08％,铋＜0.08％，铝＜0.05％，铅≤0.04％，镉≤0.02％，砷≤0.02％。本发明针对电子元器件焊料无铅化的需要，经优化设计及多次试验比较研制而成，用于电子元器件的焊接，其焊缝强度、延展性等各项电气机械性能均优于现有的铅锡焊料，且因其无铅所以无毒，熔点比现有的铅锡焊料稍高，只需稍作工艺参数调整，即能适应大部分原使用铅锡焊料的焊机使用。

Description

锡锌铜无铅焊料
                      技术领域
本发明涉及一种锡锌铜无铅焊料，属电子元器件焊接用锡锌铜合金材料的制备技术领域。
                      背景技术
铅锡合金作为一种软钎焊材料曾被极其广泛的应用，但随着人民生活水平的提高及世界经济一体化的加剧，由于铅对人的强烈毒性，引起了世界的极大关注并兴起了无铅化的趋势。现有对无铅焊料的要求主要有：1、铅含量低于0.1％；2、熔点越接近铅锡共晶合金越好；3、导电导热性良好；4、有一定的强度，可加工性好；5、固相线与液相线之间的温差要小；6、原料供应充足，价格低廉。
现有的无铅焊料主要有两种，一种是锡银系列合金，如Sn3.5Ag是锡银共晶合金，具有较低的熔化温度221℃，但银价昂贵，而为了降低其熔化温度，通常的办法是加入大量的铋(Bi)和/或铟(ln)，但铋的加入使合金变得硬而脆，不仅使加工困难，而且使钎焊接头不能耐受冲击，易于开焊，而铟的加入，因其储量有限，价格高昂而使成本变得难以接受。
另一种无铅焊料是锡锑系列合金，如Sn5Sb锡锑合金，虽具有较低的熔化温度，但其固相线温度为235℃，液相线温度为240℃，其降低熔点的办法和带来的弊端与锡银合金系列一样。
                      发明内容
本发明的目的是提供一种既能有效避免铅在生产和使用过程中对环境和人体造成的危害，又具有优异的焊接性能和电气机械性能的锡锌铜无铅焊料。
本发明为锡锌铜无铅焊料，包含锌，铜，锡等，其特征在于各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)5～10％，铜(Cu)0.5～3.5％，其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
本发明所述锡锌铜合金作为一种无铅焊料，其强度随着锌(Zn)含量的增加而提高。锡锌铜合金在锌(Zn)含量为9％时，是共晶合金，其熔点为198℃，与现有铅锡合金的共晶温度(183℃)相接近。如果锌(Zn)的含量低于5％或高于10％，其合金的液相线温度都会迅速升高，所以，本发明经多次试验比较，确定锌(Zn)的含量按重量百分比为5～10％，优选可为6.5～9.5％，更优选可为7.7～9.5％。
在锡锌合金中加入铜(Cu)，可以改善其机械强度和延伸性，抑制铜箔或铜导线中铜向钎焊合金的熔出，从而使钎焊合金在采用浸焊工艺时，保持其成份的稳定，并且使焊接接头产生一个合理的铜的浓度梯度，改善其导电性能，铜(Cu)的加入还改善了整个无铅焊料的导电、导热性能，当铜(Cu)的加入量少于0.5％时，效果不够显著；而铜(Cu)的含量过大时，由于脆性锡铜化合物的产生，反而导致合金强度降低，当铜(Cu)含量大于3.5％时，又使合金的熔点急剧升高，所以，本发明经多次试验比较，确定铜(Cu)的含量按重量百分比为0.5～3.5％，优选可为0.5～2.5％，更优选可为0.5～1％。
杂质含量的控制：锡锌铜合金中含有锑(Ti)，将严重影响合金的加工性能，使合金变脆，延伸率下降；而铁(Fe)的存在，将产生硬脆相的金属间化合物，同样严重影响合金的机械性能和可加工性能；铋(Bi)的存在虽然可降低合金熔点，但对合金的可加工性产生不良影响；铝(Al)的存在使合金可焊性下降，氧化物夹杂增加；铅(Pb)、镉(Cd)和砷(Cs)都是剧毒物质，锡锌铜合金作为无铅焊料，本身就是为了避免铅对人体的毒害，同样不能允许镉和砷的大量存在。因此，本发明经多次试验比较，确定杂质中各组份的组成按重量百分比计可为：锑(Ti)＜0.05％，铁(Fe)＜0.08％，铋(Bi)＜0.08％，铝(Al)＜0.05％，铅(Pb)≤0.04％，镉(Cd)≤0.02％，砷(Cs)≤0.02％。而上述杂质的总和应≤0.3％。
本发明针对电子元器件焊料无铅化的需要，经优化设计及多次试验比较研制而成，与现有技术相比具有以下突出优点和积极效果：
1、液相线温度低于230℃，固液相线的温度差不超过30℃，使其在钎焊后可以较快的凝固，以防止在凝固过程中受到振动致使钎焊接头开裂；
2、具有良好的焊接性能和电气机械性能；
3、具有足够的延伸性，易于加工。
本发明用于电子元器件的焊接，其焊缝强度、延展性等各项电气机械性能均优于现有的铅锡焊料，且因其无铅所以无毒，熔点比现有的铅锡焊料稍高，只需稍作工艺参数调整，即能适应大部份原使用铅锡焊料的焊机使用。
                     具体实施方式
实施例1：Sn5Zn1Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)5％、铜(Cu)1％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例2：Sn7Zn3Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)7％、铜(Cu)3％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例3：Sn8Zn1.5Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)8％、铜(Cu)1.5％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例4：Sn8Zn2.5Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)8％、铜(Cu)2.5％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例5：Sn9Zn0.5Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)9％、铜(Cu)0.5％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例6：Sn9Zn0.7Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)9％、铜(Cu)0.7％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例7：Sn9Zn3.5Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)9％、铜(Cu)3.5％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
实施例8：Sn10Zn2Cu焊料，各组份的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)10％、铜(Cu)2％、其余为锡(Sn)及总量不大于0.3％的杂质。
上述各实施例的杂质中各组份的组成按重量百分比计为：锑(Ti)＜0.05％，铁(Fe)＜0.08％，铋(Bi)＜0.08％，铝(Al)＜0.05％，铅(Pb)≤0.04％，镉(Cd)≤0.02％，砷(Cs)≤0.02％。
将上述各实施例制备的锡锌铜无铅焊料经测试，其强度、延伸率、电阻率、液相线温度、固相线温度等性能指标列表如下：
  编号 成份   强度N/mm2   延伸率％     电阻率10-3Ω.mm2/M         熔  点
  液相线   固相线
  1   Sn5Zn1Cu     52     36     105.97   223.3   196
  2   Sn7Zn3Cu     50     28     106.97   229.0   215.5
  3   Sn8Zn1.5Cu     58     34     103.67   220.9   198.3
  4   Sn8Zn2.5Cu     54     30     111.13   223.5   198.8
  5   Sn9Zn0.5Cu     96     38     104.17   212.0   196.5
  6   Sn9Zn0.7Cu     90     36     106.49   215.2   198
  7   Sn9Zn3.5Cu     54     26     113.06   227.7   210.3
  8   Sn10Zn2Cu     62     29     107.82   220.1   201.5
本发明不局限于上述各实施例，在实际应用时，可根据不同领域不同性能要求的使用场合，选择上述各实施例中的不同配比，或除上述各实施例以外的不同配比，但均不超出本发明的范围。

Claims (6)

1、一种锡锌铜无铅焊料，包含锌，铜，锡，其特征在于各组份的组成按重量百分比计分别为：锌5～10％，铜0.5～3.5％，其余为锡及总量不大于0.3％的杂质。
2、按权利要求1所述的锡锌铜无铅焊料，其特征在于所述锌的含量按重量百分比为6.5～9.5％。
3、按权利要求1或2所述的锡锌铜无铅焊料，其特征在于所述锌的含量按重量百分比为7.7～9.5％。
4、按权利要求1所述的锡锌铜无铅焊料，其特征在于所述铜的含量按重量百分比为0.5～2.5％。
5、按权利要求1或4所述的锡锌铜无铅焊料，其特征在于所述铜的含量按重量百分比为0.5～1％。
6、按权利要求1，2或4所述的锡锌铜无铅焊料，其特征在于所述杂质中各组份的组成按重量百分比计为：锑＜0.05％，铁＜0.08％，铋＜0.08％，铝＜0.05％，铅≤0.04％，镉≤0.02％，砷≤0.02％。
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