一種低銀無鉛焊料合金的製作方法

2023-06-18 03:58:01 1

專利名稱：一種低銀無鉛焊料合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無鉛焊料合金，特別涉及波峰焊用低銀無鉛焊料合金。
背景技術：
電子組裝行業實現無鉛化製程轉換後，在波峰焊製程中普遍使用的無鉛焊料合金 由傳統的Sn-37Pb轉變成由Sn-Cu組成的二元合金和Sn-Ag-Cu組成的三元合金。無鉛化製程轉變後給電子工藝技術帶來了新的問題問題一是，工藝溫度的提高對組裝中耐熱件的考驗。傳統的511-37 為共晶成分合金，熔點183 V，而SnO. 7Cu為Sn-Cu系共晶合 金，熔點227 0C，以Sn-Ag-Cu係為主的焊料合金主要有Sn3. 8AgO. 7Cu、Sn3. OAgO. 5Cu、 Snl. OAgO. 5Cu、SnO. 3AgO. 7Cu，熔點為217 227°C，對於常規的波峰焊工藝，實際的工作溫
度一般都要設置為高於焊料熔點溫度30 50°C。對於使用無鉛焊料而言，錫槽溫度就要高達沈0 270°C，如果溫度再升高將會有 很多的元器件因為熱的左右被損傷。問題二是，銅的溶解問題。對于波峰焊工藝中，由於使用的無鉛焊料合金大部分為Sn-Cu或SnAgCu系合金， 合金中銅的含量都比較少，約為0. 5 0. 7wt%，而焊盤或引腳大多為銅成分組成，在焊接 的過程中，焊盤或引腳上的銅元素會不斷的向錫槽中溶解，導致錫槽中的焊料的銅含量升 高，成分發生變化，熔點升高，流動性變惡劣，焊接不良率升高，焊點可靠性變差。為了解決該問題，現有技術中常用的解決辦法是定期地從錫槽中取樣化驗根據其 中的銅含量來添加Sn-Ag合金來稀釋，並且稀釋一定次數後該批錫槽焊料需要重新更換為 新焊料。問題三是，由於焊料熔點的升高導致用電量的消耗增加而引起成本方面的增加。國內電子組裝行業的焊料的研究起步較晚，主要是使用目前不受專利限制的二元 共晶成分合金SnO. 7Cu，針對焊料銅溶解的問題，國內的研究成果較少。日本Mhon公司對 在SnO. 7Cu合金中添加元素Ni等元素的研究較多，根據研究結果表明，添加元素Ni可以有 效降低焊料的銅溶解量，從而改善焊料的流動性。該公司並就SnO. 7CuNi和SnO. 7CuNiGe 申請了專利，專利號為 JPNNO. 315^45/US6180055。但目前國內外針對Ni等元素對Sn-Ag-Cu系列合金的在銅溶解方面的研究較少。

發明內容
本發明提供了一種適合于波峰焊和手工浸焊用的低成本的高性能的無鉛焊料合 金。它解決了現有Sn-(3. 0 4. 0)Ag-(0. 5 0. 7)Cu系列焊料合金成本偏高的問題，同時 又解決了波峰焊中一直存在的銅溶解至銅含量升高的問題，既節省了原料成本又延長了焊 料的使用壽命。本發明的無鉛焊料合金以重量百分含量計由以下化學成分組成AgO. 01 1. 0wt%, Cu 0. 1 3. 0wt%, Ni 0. 001 0. lwt%, P 0. 001 0. Iwt%, Sn 為餘量。在該 焊料合金中還可進一步添加合金元素Ga，以重量百分比計為0 0. 5wt%。本發明所涉及的焊料合金成分中不添加1 元素，Pb的存在只以雜質元素的形式 存在，在原材料的選擇中控制1 雜質的含量在300PPM以下。本發明所涉及的無鉛焊料合金通過熔點測試，可焊性測試、銅溶解測試及金屬性 能測試，並同目前無鉛電子組裝中主流使用的Sn-3. OAg-O. 5Cu焊料合金進行對比。本發明 所涉及的焊料合金達到了無鉛電子組裝的要求，可以作為無鉛焊料合金替代傳統的Sn-Pb 合金使用。並且，本發明所涉及的焊料合金還具有以下特點一、成本降低，其成本相對於Sn-3. OAg-O. 5Cu合金成本降低了 30 40%。二、有效擬制銅溶解，延長無鉛焊料的使用壽命。


此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，並不 構成對本發明的不當限定，在附圖中圖1為本發明對比例中對比例和各施例提供的低銀無鉛焊料合金的潤溼性能的 比示意圖；圖2本發明對比例中對比例和實施例提供的低銀無鉛焊料合金的溶銅量的比示 意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例 以及說明用來解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。在以下的描述中，所有關於焊料合金組分的百分數均為重量百分數。實施例1 無鉛焊料合金組成及元素重量百分含量如下Ag :0. 01wt%，Cu 3. Owt %, Ni 0. lwt%, P :0. lwt%, Ga :0. 02%, Sn 為餘量。實施例2 無鉛焊料合金元素組成的重量百分含量如下Ag :0. 5wt%，Cu :0. 7wt%, Ni 0. 02wt%, P :0. 02wt%, Sn 為餘量。實施例3 無鉛焊料合金元素組成重量百分含量如下Ag:1.0wt%，Cu :0. Iwt %, Ni 0. 001wt%, P :0. 00Iwt%, Ga :0. 08%, Sn 為餘量。對比例Sn-Ag-Cu焊料合金系中典型的無鉛焊料合金Sn3. OAgO. 5Cu，其化學元素組成 Ag 3. Owt%, Cu 0. 5wt%, Sn 為餘量。(一 )熔點測試(差熱分析)試驗按照日本工業標準JIS Z 3198《無鉛焊料試驗方法》中第1部分「熔化溫度 範圍測定方法」，對所有實施例和對比例的無鉛焊料合金採用差熱分析儀進行熔點測試，測試結果見表一。表一各實施例和對比例提供的焊料合金的熔點測試結果
焊料合金實施例ι實施例2實施例3對比例熔點(°c)225. 9220. 7220. 1217. 5實施例1、實施例2和實施例3所描述的焊料合金熔點都較對比例所描述的焊料合 金要高，約有3-8°C的溫差。這主要是由Ag元素和銅元素含量不同引起的，在0 3. Owt% 範圍內隨著Ag的含量的增加焊料合金的熔點隨之降低。( 二)潤溼試驗(可焊性試驗)按照日本工業標準JIS Z3198 「無鉛焊料試驗方法」中第4部分「基於潤溼平衡法 及接觸角法的潤溼性試驗方法」對所有實施例和對比例的無鉛焊料合金採用潤溼平衡儀進 行潤溼性測試。測試基材為無氧銅片，使用億鋮達公司無滷素型助焊劑NH-4，測試條件及參 數如表二、三，測試結果見圖1。表二 各實施例和對比例提供的焊料合金的可焊性條件參數
項目溫度浸入深度浸入速度測試時間參數2 50 "C2mm5mm/sIOs潤溼平衡曲線中曲線與橫坐標的交叉時間代表焊料合金的潤溼時間(TO)，它與曲 線的最大潤溼力(Fmax)共同表徵出焊料合金的潤溼能力，潤溼時間越短、潤溼力越大，表 明軟釺焊料合金的潤溼性越好。實施例1所描述的焊料合金的潤溼時間和潤溼力分別為1. 41s和2. 34mN,實施例 2所描述的焊料合金的潤溼時間和潤溼力分別為1. 02s和2. 97mN,實施例3所描述的焊料 合金的潤溼時間和潤溼力分別為1. IOs和3. 05mN。對比例1所描述的焊料合金的潤溼時間 和潤溼力分別為0. 65s和3. 45mN。在潤溼力方面，實施例2和實施例3的數值接近對比例1，在潤溼時間值方面，實 施例1，實施例2和實施3的數值都較對比例大。這是由於銀含量較低的原因引起的。相比 而言，實施例2和實施例3更接近對比例。接近的潤溼力和相接近的潤溼時間反映了本發 明所涉及的無鉛焊料合金在潤溼性能方面接近典型的Sn3. OAgO. 5Cu無鉛焊料合金。表三各實施例和對比例提供的焊料合金的潤溼性能的比較
序號最大潤溼力Rnax/mN潤溼時間TO/s實施例12. 341. 41實施例22. 971. 02實施例33. 051. 10對比例3. 450. 65(三)銅溶解測試(半小時溶銅量)試驗方法將所有實施例和對比例焊料合金分別置於錫槽中，設定錫槽溫度為 245士3°C，至焊料合金熔化，並且溫度穩定，刮開焊料表面氧化層，取固定長度和固定線徑 的銅線浸入熔化的焊料中並保持相同的時間(30min)後取出。攪拌釺料，空冷放置至焊料 凝固。使用直度光譜儀測焊料溶銅後的焊料合金中銅元素百分含量，計算其銅的增量，計為 30分鐘熔銅量。所有實施例和對比例所涉及的焊料合金的30分鐘溶銅量數據如表四和圖2所示。表四各對比例和實施例提供的焊料合金的溶銅量
權利要求
1.一種低銀無鉛焊料合金，其特徵在於，所述焊料合金按重量百分含量由以下化學成分組成-M 0. 01 1. Owt %, CuO. 1 3. 0wt%, Ni 0. 001 0. lwt%, P 0. 001 0. Iwt%, Sn 為餘量。
2.根據權利要求1所述的低銀無鉛焊料合金，其特徵在於， 所述焊料合金中Ni的重量百分含量為0. 005 0. 05wt%。
3.根據權利要求1所述的低銀無鉛焊料合金，其特徵在於， 所述焊料合金中P的重量百分含量為0. 005 0. 05wt%。
4.根據權利要求1所述的低銀無鉛焊料合金，其特徵在於，所述焊料合金可進一步添加重量百分含量為0 0. 5wt%的(ia。
全文摘要
本發明公開了一種低銀無鉛焊料合金。該合金以重量百分含量計由以下化學成分組成Ag 0.01～1.0wt％，Cu 0.1～3.0wt％，Ni 0.001～0.1wt％，P 0.001～0.1wt％，Sn為餘量。進一步優化Ni的含量為0.005～0.08wt％，進一步優化P的含量為0.005～0.08wt％。並可進一步添加Ga元素。該焊料合金的特點在於相對於普通無鉛成分Sn3.0Ag0.5Cu合金由於銀含量使用低，降低了原材料成本，由於添加並優化了Ni和P等元素的含量，該合金能夠有效降低波峰焊中過程中元器件焊盤銅元素向錫爐的溶解，較少更換錫爐中焊料的頻率，延長了焊料的使用壽命，為生產線節省了使用成本。
文檔編號B23K35/26GK102107339SQ20091021429
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者吳家家, 吳建雄, 徐金華, 馬鑫 申請人:東莞市億鋮達焊錫製造有限公司, 深圳市億鋮達工業有限公司