CN1718796A - 一种低熔点无铅焊料合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低熔点无铅焊料合金，属于电子材料、电子制备技术领域。焊料合金中各化学成分的重量百分比组成为：Zn：4～12，Ag：0～2.5，Bi：0.5～2.5，In：0～5.0，P：0.005～0.02，余量为Sn。上述无铅焊料可用一般方法浇铸制造，即称重金属原料，并在坩埚或熔锅中在空气中加热并搅拌。本发明方法制备的焊料合金，其优点一是降低了焊料合金的熔点，一般都小于200℃；二是合金的固液相线差可达2℃以下，可避免焊点分离缺陷；三是合金组织均匀，使合金强度提高；四是焊料合金的铺展率可达到与原Pb－Sn共晶合金相仿；五是焊料合金易于加工成材，如棒、丝、粉料。

Description

一种低熔点无铅焊料合金
技术领域
本发明涉及一种低熔点无铅焊料合金，适用于电信、航天、汽车等各领域的电子组装与封装及电子、电气设备、通讯器材的制备，属于电子材料、电子制备技术领域。
背景技术
Sn-Pb合金作为现代电子工业的主要封接材料，在电子部件的装配上占着主导地位。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、成本低等特点，但是由于Pb及Pb化合物具有毒性，使用不当会污染环境且损害工人的身体健康，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益高涨。
因此，各国纷纷出台有关禁止含铅焊料在电子产业中使用的法令。2000年6月：美国IPCLead-FreeRoadmap第4版发表，建议美国企业界于2001年推出无铅化电子产品，2004年实现全面无铅化；欧洲则在推动无铅立法上采取了更为积极的态度，2003年2月13日，欧盟在其《官方公报》上公布《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》，正式批准WEEE(WasteElectricalandElectronicEquipment)和Rolls(RestrictionofHa？ardousSubstances)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；亚洲方面，日本政府从2003年1月开始全面推行无铅化，并以“无铅”牌阻止或限制美、中、韩、台湾地区及欧洲有铅电子产品的进口；中国政府已于2003年3月由信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理法》自2006年7月1日禁止电子产品含铅。
在当前的的无铅焊料中Sn-Ag-Cu系合金具有较好的应用前景，得到了美国NEMI、英国DTI、Soldertec等的推荐。对于Sn-Ag-Cu系焊料合金来说，其综合性能比较优越，但它也具有润湿性较差，合金组织粗大、分布不均匀等缺点，其最大的缺点在于具有太高的熔化温度，高达220℃。所以如果使用Sn-Ag-Cu合金，就需要改造现有的生产设备，也牵涉到电子元器件及基板的耐热性差而导致可靠性降低等质量问题，从而增加成本。
发明内容
本发明的目的是制备一种低熔点无铅焊料合金，使焊料具有较低的熔化温度，接近Sn-Pb共晶合金的熔点183℃，从而比Sn-Zn共晶具有更好的焊接性能，以取代Sn-Pb合金。
本发明提出的低熔点无铅焊料合金，其中各化学成分的重量百分比组成为：
Zn    4～12
Ag    0～2.5
Bi    0.5～2.5
In    0～5.0
P     0.005～0.02
余量为Sn。
具有上述组成的无铅焊料可以通过一般方法浇铸制造，即称重金属原料，并在坩埚或熔锅中在空气中加热并搅拌。但是，在空气中熔化原料金属，原料金属及合金中的杂质或非金属物与空气发生反应，其结果是可溶性气体，诸如可溶性氮或氧存留在焊料合金中，降低焊接性能。因此，本发明的无铅含量合金最好在真空中或者在惰性气体中冶炼。
本发明的无铅焊料合金可以通过现有技术中已知的一般制作方法获得各种物理形式，如膏、粉、块、棒、球和丝等，进而进行多种焊接工艺，如再流焊、波峰焊和手工焊等，满足多种需要。
利用本发明方法制备的低熔点无铅焊料合金，其优点一是降低了焊料合金的熔点，一般都小于200℃，在190℃左右或更低；二是合金的固液相线差可达2℃以下，可避免焊点分离缺陷；三是合金组织均匀，其微观结构组织微细化，使合金强度提高，与其他材料焊接后，焊点强度提高1/3以上；四是焊料合金的铺展率可达到与原Pb-Sn共晶合金相仿；五是焊料合金易于加工成材，如棒、丝、粉料(可达1微米左右)、膏等，可用于各种焊接方法的焊料(棒、焊丝、焊球、印刷浆料等)。
具体实施方式
本发明提出的低熔点无铅焊料合金，其中各化学成分的重量百分比组成为：Zn：4～12，Ag：0～2.5，Bi：0.5～2.5，In：0～5.0，P：0.005～0.02，余量为Sn。
本发明的焊料合金中，Zn和Ag可以与Sn基体形成Sn-Zn、Sn-Ag共晶以降低焊料的熔点、提高焊料的力学性能，尤其Sn-Ag系焊料与传统Sn-Pb共晶相比有着优异的抗蠕变疲劳性能。如果Ag的加入量少于0.5％，这些作用就将不明显。加入5.0％以上的Ag会使焊料合金的液相线温度急剧升高，导致钎焊温度的升高从而使电子元器件可能会遭受热损伤。本发明中Ag的含量优选为0-2.5％。Zn的含量如果过小或者过大，则熔化温度范围(熔程)过宽，因此本发明中Zn的含量限制在4～12％。添加大量的Bi或In可以降低合金的熔点，但同时也会带来大量的问题。添加Bi将使得合金变得很硬并且脆，则合金将无法制作成线状焊条，而当使用该合金进行焊接时，焊点就会因为承受不住微小的冲击而开裂。本发明中Bi的含量限制在0.5-2.5％。由于In成本昂贵，所以添加大量的In也不合适。本发明中In的含量限制在0-5.0％。若在合金中掺入P，则在焊接时，P会在熔融的合金表面形成一层薄膜，从而阻止焊料直接接触周围的空气而达到防止氧化的目的。当P的含量小于0.001％时，这一性能就不明显了。当P的含量超过1％时，合金的可焊性就会变差。一般P的含量为0.005-0.02％。
以下介绍本发明的实施例，各实施例的制备方法为：按配比(重量百分比)称重金属原料，加入炉中进行多次冶炼，浇注后即得Sn-Zn-Ag-Bi-In-P无铅焊料合金。可替代现有的Sn-Pb合金，具有接近Sn-Pb合金的熔点以及较好的焊接性能。
实施例1
各原料的重量百分比为：Zn：7，Ag：0.5，Bi：2.5，In：0.5，P：0.015，余量为Sn。所得合金的固相线温度为193.04℃，液相线温度为201.85℃，铺展率为77.2％。
实施例2
各原料的重量百分比为：Zn：8，Ag：0.8，Bi：1，In：2，P：0.01，余量为Sn。所得合金的固相线温度为191.69℃，液相线温度为195.07℃，铺展率为57.1％。
实施例3
各原料的重量百分比为：Zn：10，Ag：0，Bi：1，In：0，P：0.015，余量为Sn。所得合金的固相线温度为195.72℃，液相线温度为197.71℃，铺展率为60.8％。
实施例4
各原料的重量百分比为：Zn：9，Ag：0，Bi：2.5，In：1.5，P：0.01，余量为Sn。所得合金的固相线温度为191.55℃，液相线温度为194.7℃，铺展率为67.6％。
实施例5
各原料的重量百分比为：Zn：11.5，Ag：1.98，Bi：1.5，In：4，P：0.015，余量为Sn。所得合金的固相线温度为192.84℃，液相线温度为195.6℃，铺展率为58.0％。
实施例6
各原料的重量百分比为：Zn：5，Ag：0.5，Bi：1，In：0，P：0.02，余量为Sn。所得合金的固相线温度为197.09℃，液相线温度为198.63℃，铺展率为60.4％。
实施例7
各原料的重量百分比为：Zn：6，Ag：0.8，Bi：1.5，In：0.5，P：0，余量为Sn。所得合金的固相线温度为194.73℃，液相线温度为197.19℃，铺展率为61.3％。
实施例8
各原料的重量百分比为：Zn：7，Ag：1，Bi：2，In：1，P：0.005，余量为Sn。所得合金的固相线温度为193.20℃，液相线温度为195.99℃，铺展率为61.6％。

Claims (1)

1、一种低熔点无铅焊料合金，其特征在于该无铅焊料合金中各化学成分的重量百分比组成为：
Zn    4～12
Ag    0～2.5
Bi    0.5～2.5
In    0～5.0
P     0.005～0.02
余量为Sn。
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