一種低成本錫鋅鉍銅無鉛焊料及其焊點的製作方法

2023-05-26 20:07:51 1

專利名稱：一種低成本錫鋅鉍銅無鉛焊料及其焊點的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種錫鋅鉍銅合金焊料及其形成的焊點(縫)。在錫基合金中加入Zn， 可以改善其力學性能，並且降低合金的熔點。但當焊料中Zn的含量少於6X時或多於10X 時，合金的液相線溫度都超過了20(TC，合金糊狀區較大，形成的焊點(焊縫)容易因凝固偏 析造成性能偏差。本發明經多次試驗比較，發現當焊料中Zn的含量為6% -10%範圍內焊 料未因Zn的氧化而受到強烈的影響，並可使潤溼性達到一定程度。 在錫基焊料合金中加入Bi，可以改善其蠕變強度，並可以提高Sn-Zn焊料的潤溼 鋪展性，但當Bi的含量過高時，形成脆性的(富)Bi相組織，延伸率會明顯降低，破壞焊接 界面處的結合強度，影響使用可靠性。當Bi含量小於3.0X時基本以固溶於P-Sn形式存 在，所以本發明經多次試驗比較，確定焊料中Bi的含量為1.0-3.0%，既可提高焊料潤溼性 又不影響焊點的脆性。 在錫基焊料合金中加入Cu能夠抑制焊接過程中的熔銅現象，也可以改善其力學 性能，此外Cu的加入還可以適度降低合金的熔點，改善焊料合金的導電、導熱性能。但如果 Cu的含量低於0. 5%，效果不明顯，當焊料中Cu的含量大於1. 0%時，會形成過量的Cu-Sn 脆性金屬間化合物，惡化焊點(縫)性能，以及因熔化溫度的上升影響焊接良率。所以，本發 明確定焊料中Cu的含量為0. 5-1. 0% 。從金相組織看，Sn-Zn-Bi中添加適量Cu元素後，巨 型長條狀富Zn相(如圖5、圖6中的a和b)消除，形成了離散的團狀或豌豆狀(見圖1_圖 4)Cu5Zn8金屬間化合物，提高了焊點結合強度；同時Cu5Zn8金屬間化合物屬於穩定的陶瓷 相，比富Zn相的氧化性大幅降低，提高了焊點的抗氧化、抗腐蝕性能。
本發明中焊料合金的每種元素在其選定的成分範圍內熔點低於20(TC，接近於 Sn-Pb共晶熔點；潤溼、鋪展性能優異，易於焊接；所形成的焊點(縫)具有較好的結合強度 和使用可靠性。 下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保 護範圍的限制。


圖1為本發明實施例Sn-9. OZn-3. OBi-0. 7Cu金相組織；
圖2為本發明實施例Sn-6. OZn-1. OBi-0. 5Cu金相組織；
圖3為本發明實施例Sn-10. OZn-3. OBi-1. 0Cu金相組織； 圖4為本發明實施例Sn-8. 0Zn_3. OBi_0. 5Cu金相組織； 圖5為本發明對比實施例Sn-8Zn-3Bi金相組織； 圖6為本發明對比實施例Sn-9Zn-lBi金相組織。
具體實施例方式
將鋅6_10%， Bil-3%， CuO. 5_1 %，錫餘量質量比的合金原料放入爐中冶煉，熔化
後澆鑄。可用於各種焊料產品，如焊料母合金、焊條、焊絲、焊帶、預成型焊片以及焊膏基料
的焊粉等。 實施例1 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-6. 0Zn_l. 0Bi_0. 5Cu。其 製備方法如下按配比將合金原料加入爐中冶煉，熔煉溫度設定為30(TC，當全部合金成分 完全熔融後，適當攪拌液態合金以消除重力偏析，攪拌均勻後澆鑄成條，備用。
實施例2 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-10. OZn-3. OBi_l. OCu。
其製備方法同實施例1。
實施例3 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-9. 0Zn_3. OBi_0. 7Cu。其
製備方法同實施例1。
實施例4 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-8. OZn-3. 0Bi_0. 7Cu。其
製備方法同實施例1。
實施例5 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-8. 0Zn_3. 0Bi_0. 5Cu。其
製備方法同實施例1。
對比實施例1 —種無鉛錫鋅鉍焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-8Zn-3. 0Bi。其製備方法同 實施例1。 對比實施例2 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-8Zn-3. OBi-CuO. 2。其制
備方法同實施例1。
對比實施例3 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質量百分比為，Sn-9Zn-3. OBi-Cul. 5。其制
備方法同實施例1。 對比實施例4和對比實施例5的Sn-37Pb合金與無鉛Sn_9Zn為雲南錫業有限公 司提供。 測試實驗
1、熔點測量 熔點測試在升溫速率均為10°C /min條件下利用STA409PC差熱掃描量熱儀(TAInstrument)測試，樣品質量為50mg，數值處理為軟體自動計算得出；鋪展面積測試條 件為稱取0. 2g的合金與焊劑，在回流溫度245t:，基板為尺寸30X30X0. 3mm的無氧銅 板，表面除氧除汙，回流熔化後靜止冷卻到室溫，焊劑所產生的暈達到焊點面積的4倍以 上，鋪展面積數據採用MIAPS圖像分析軟體計算。
2、試樣準備 參照日本工業標準JIS Z 3198製備拉伸樣及銅焊接試樣測試。銅焊接試樣的加 劇惡化實驗時效溫度分別為17(TC、時效時間分別為500h，時效處理是在DHG-9023A型電熱 恆溫鼓風乾燥箱中進行的，控溫精度為士1.(TC。 3、力學性能數據按照GB/T228-2002的方法在AG-50KNE型萬能材料實驗機上測 定，拉伸速度5mm/min，每個數據點測試三個試樣取平均值。 表1為本發明實施例焊料及對比焊料的成分配比及熔點和鋪展性對比。
表2為本發明實施例焊料及對比焊料的力學性能比較。
表3為典型焊接銅試樣時效穩定性比較表。 通過表1可以看出本發明焊料的熔點均在200°C以下，而潤溼鋪展面積均在50mm2 以上，但鋪展面積總體上隨著Zn含量的增加而有所降低；從表2可以看出本發明焊料具有 較高的抗拉強度，這為較高的焊接質量提供了有力保證；表3可以看出本發明焊料所形成 的焊接接頭具有良好的時效可靠性，在17(TC、500h條件下，時效後的銅焊接樣的抗拉強度 仍大於80MPa，且時效後性能降低均不大於6%。 圖l-圖6為典型Sn-Zn-Bi-Cu焊料金相組織及對比焊料金相組織照片。其 中圖1為Sn-9Zn-3Bi-0. 7Cu金相組織；圖2為Sn-6Zn-lBi-0. 5Cu金相組織；圖3為 Sn-10Zn-3Bi-l. OCu金相組織；圖4為Sn-8Zn-3Bi-0. 5Cu金相組織；圖5為Sn_8Zn_3Bi金 相組織；圖6為Sn-9Zn-lBi金相組織。在自然冷卻條件下，Sn-8Zn-3Bi和Sn-9Zn-lBi焊 料合金內部均會形成巨型長條狀富Zn相，如圖5中的a和圖6中的b所示。由於Bi的添 加，降低了 Zn在13 -Sn中的固溶度，致使Sn-8Zn-3Bi釺料合金也出現初生富Zn相，隨Zn 的含量增加，條狀初生富Zn相增大，粗大的初生富Zn相的存在將成為裂紋萌生源，顯著的 降低釺料合金的性能。而在焊料中加入Cu元素後，粗大的初生富Zn相消除，形成了離散的 團狀或豌豆狀(見圖1-圖4)Cu5Zn8金屬間化合物，提高了焊點結合強度；同時Cu5Zn8金 屬間化合物屬於穩定的陶瓷相，比富Zn相的氧化性大幅降低，提高了焊點的抗氧化、抗腐 蝕性能。 表1Sn-Zn-Bi-Cu成分配比及基本性能表
焊料成分焊料熔點鋪展面積
('c)(Cu;mm2/0. 2g)
6

本實施例1Sn-6.OZn-l. OBi-0. 5Cu185-20059
發實施例2Sn-10.OZn-3. OBi-1. OCu185-20050
明實施例3Sn-9.OZn-3. OBi-0. 7Cu185-20051
焊實施例4Sn-8. 0Zn-3. OBi-O. 7Cu185-20054
料實施例5Sn-8. 0Zn-3. OBi-O. 5Cu185-20052
對 比 焊 料對比實施例1Sn-8Zn-3. OBi187-19757
對比實施例2Sn-8Zn-3Bi-0. 2Cu187-19756
對比實施例3Sn-9Zn-3Bi-l. 5Cu187-21048
對比實施例4Sn-9Zn19946
對比實施例5Sn-37Pb18369
表2典型焊料合金拉伸性能比較
焊料合金抗拉強度(MPa)
本發明 典型成Sn-8.OZn-3. OBi-0. 5Cu92
Sn-8, OZn-3, OBi-l.OCu92
分焊料Sn-9. OZn-3. OBi-0. 7Cu94
對Sn-8Zn-犯i-0. 2Cu85
比Sn-8Zn-3Bi88
焊Sn-9Zn50
料Sn-37Pb31
表3典型成分焊料銅焊接棒時效前後的拉伸性能
合金成分抗拉強度(MPa)時效前時效後
本發明焊 料典型成 分Sn-8. 0Zn-3. OBi-l. OCu8784
Sn-9.OZn-3. OBi-O. 7Cu8984
Sn-8. OZn-3. OBi-0. 5Cu8581
對比樣Sn-9Zn-犯i-l. 5Cu6541
Sn-8Zn-3Bi8073
權利要求
一種錫鋅鉍銅無鉛焊料，該焊料的組成和配比為Zn的質量百分比含量6.0-10.0％，Bi的質量百分比含量1.0-3.0％，Cu的質量百分比含量0.5-1.0％，其餘為Sn。
2. —種錫鋅鉍銅無鉛焊料所形成的焊點(或焊縫)，該焊點(或焊縫)採用通用的焊 膏回流、波峰焊接形成，或者通過預成形焊片、焊帶、焊球、焊絲等熱熔化焊接而成，由以下 焊料合金組成Zn的質量百分比含量6. 0-10. 0%， Bi的質量百分比含量1. 0-3. 0%， Cu的 質量百分比含量O. 5-1.0%，其餘為Sn。
全文摘要
本發明涉及一種低成本無鉛焊料，特別涉及一種低成本錫鋅鉍銅無鉛焊料及其所形成的焊點(或焊縫)，屬於釺焊材料技術及應用領域。本發明焊料的組分及其質量百分比為Zn6.0-10.0％，Bi1.0-3.0％，Cu0.5-1.0％，餘量為Sn。與Sn-Pb焊料和傳統Sn-Zn焊料相比，本發明提供了一種無汙染且易於焊接的無鉛焊料合金。該焊料的優點一是熔點低於200℃，此溫度低於IC封裝的耐熱溫度，接近於Sn-Pb共晶熔點，潤溼、鋪展性能優異，易於焊接；二是全部採用了原材料成本低廉的合金化元素。該焊料所形成的焊點(縫)，具有較好的結合強度和使用可靠性。
文檔編號B23K35/26GK101733575SQ200810226519
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月13日 優先權日2008年11月13日
發明者張富文, 徐駿, 胡強, 賀會軍, 金帥, 陳偉 申請人:北京有色金屬研究總院;北京康普錫威焊料有限公司