一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的製作方法
2023-05-28 18:11:11
專利名稱：一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及合金領域，具體地說是一種無鉛焊錫合金材料。
背景技術：
隨著歐盟WEEE與RoHS的兩個指令的實施以及國內電子產品汙染防治辦法的出臺，國內電子製造業與焊錫製造業的全面無鉛化將越來越緊迫，開發無鉛焊錫，勢在必行。為確保無鉛焊錫的可焊性及焊後的可靠性，並要考慮到成本等問題，目前研發、應用無鉛焊錫主要面臨以下問題(1)無鉛焊錫的熔點要低，要儘量接近63Sn37Pb合金的熔點183℃，大致在183℃-220℃之間。應具有較小的固液共存溫度範圍，控制在10℃之內比較合理，範圍太寬則有可能發生焊點開裂使電子產品過早的損壞。(2)要求熱、電學性能與傳統合金相當，而且潤溼性良好，以及焊點的抗拉強度、韌性、延展性和抗蠕變性能等機械性能與錫鉛合金相當。(3)成本應儘可能的降低，焊錫低毒性，甚至無毒，不能因為無鉛化後引入新的可對環境造成汙染的成份。(4)要求與現有的設備與工藝兼容，要求無鉛焊錫儘量與各類助焊劑相匹配。
發明內容
本發明的目的在於克服了現有技術的不足，提供一種熔點低、固液共存溫度範圍窄、潤溼性能較好、焊點機械性能高的SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，該焊錫的成本相對較低並且具有可取代現有錫鉛焊錫的性能。
本發明採用以下技術方案實現本發明的SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其組成成分的重量百分比為0.1-3.0％的Ag、0.1-1.0％的Cu、0.1-3.0％的Bi、0.01-0.1％的Sb、0.01-0.1％的Ni、0.005-0.05％的La、0.005-0.05％的P，以及餘量的Sn和不可避免的雜質。
具體的講，所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為0.1％的Ag、0.7％的Cu、1.0％的Bi、0.01％的Sb、0.1％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為1.0％的Ag、0.5％的Cu、2.0％的Bi、0.05％的Sb、0.05％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為2.0％的Ag、0.1％的Cu、3.0％的Bi、0.1％的Sb、0.1％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為2.0％的Ag、0.5％的Cu、1.0％的Bi、0.05％的Sb、0.01％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為2.0％的Ag、0.5％的Cu、2.0％的Bi、0.05％的Sb、0.05％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為3.0％的Ag、0.5％的Cu、0.1％的Bi、0.01％的Sb、0.01％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為3.0％的Ag、1.0％的Cu、0.1％的Bi、0.01％的Sb、0.01％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及餘量的Sn。
本發明的無鉛焊錫是以Sn為主體，添加Ag可增加焊錫的潤溼性能，提高焊錫的焊接強度和焊點的延伸率。由於焊接所用之母材多數情況下為Cu基板，因此添加Cu有提高焊接強度、提高潤溼性能的作用。添加Bi可以提高焊錫的潤溼性能，並且可以降低焊錫的熔點。由於Bi為脆性材料，添加Bi之後會造成焊錫延伸率的下降，因此在焊錫中添加Sb或La，Sb或La可分散在焊錫中阻止晶粒的長大，改善焊錫的力學性能，此外La的添加還有利於焊錫蠕變特性的增強以及改善焊錫合金的表面潤溼性能。本發明中添加Ni可抑止焊後焊點金屬化合物層的長大，提高焊點的抗疲勞強度。此外由於焊錫中含有大量的Sn，會增加金屬氧化物的產生量，因此添加P可以抑制Sn與氧結合產生的金屬氧化物，提高焊接作業的操作性，提高焊接質量。
本發明中無鉛焊錫的製備方法，其特徵是採用了如下的製備步驟(1)製備中間合金在真空中頻感應熔煉爐中配置石墨坩堝，原材料按比例放入石墨坩堝內，關閉爐體，抽真空，中頻加熱金屬至適當溫度保溫，最後澆鑄成相應的合金錠。
a、在真空中頻感應熔煉爐中以70∶30的重量百分比例製備Sn-Ag合金，升溫至1100℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銀合金錠。
b、在真空中頻感應熔煉爐中以70∶30的重量百分比例製備Sn-Cu合金，升溫至1200℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銅合金錠。
c、在真空中頻感應熔煉爐中以80∶20的重量百分比例製備Sn-Bi合金，升溫至500℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鉍合金錠。
d、在真空中頻感應熔煉爐中以80∶20的重量百分比例製備Sn-Sb合金，升溫至800℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銻合金錠。
e、在真空中頻感應熔煉爐中以95∶05的重量百分比例製備Sn-Ni合金，升溫至1600℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鎳合金錠。
f、在真空中頻感應熔煉爐中以99∶01的重量百分比例製備Sn-La合金，升溫至1000℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鑭合金錠。
g、在真空中頻感應熔煉爐中以99∶01的重量百分比例製備Sn-P合金，升溫至500℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫磷合金錠。
(2)將a、b、c、d、e、f項中間合金再加上不足的錫量按照焊錫合金比例進行重量配比，將合金料加入中頻感應熔煉爐的石墨坩堝內加熱升溫至500℃保溫30分鐘。
(3)將熔煉的焊錫合金從500℃降溫至350℃並加入符合配比的g項中的錫磷合金，攪拌均勻，出爐在錫條機上冷卻澆鑄成焊錫合金棒。
本發明焊錫以及中間合金的熔煉採用中頻感應熔煉爐中進行。中頻感應熔煉爐採用中頻感應電流加熱，因此對於金屬的熔煉具有加熱效率高的優點；在中頻感應爐中熔鍊金屬材料，由於中頻感應電流的存在對金屬液體有磁力攪拌的效果，因此所生產之產品成分均勻；此外中頻感應熔煉爐的爐體採用循環冷卻水冷卻，所以其冷卻效率較高；對於需要較高溫度熔煉之金屬合金材料採用真空中頻感應熔煉爐中進行，可以確保材料在高溫下不受氧化的影響，熔煉過程損耗較低，合金成分均勻無雜質等。此外，熔煉均採用在高純度石墨坩堝中進行，在感應爐中，石墨坩堝具有加熱效率高，雜質少等特點，所熔煉之合金純度較高。
同現有技術相比，該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金不含有任何鉛的成分，更為環保，並且所述的無鉛焊錫材料熔點低，熱、電學性能與傳統合金相當，而且潤溼性良好，以及焊點的抗拉強度、韌性、延展性和抗蠕變性能等機械性能與錫鉛合金相當。同時，本發明所述的焊錫合金製備工藝簡單，能耗較低，能夠使所製備的焊錫合金成分更加均勻、細化，提高了材料的可焊性。
圖1是實施例1中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖2是實施例2中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖3是實施例3中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖4是實施例4中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖5是實施例5中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖6是實施例6中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖7是實施例7中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
圖8是比較例中所述無鉛焊錫合金在升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線。
具體實施例方式
結合以下實施例對本發明進行說明，但本發明並不限於這些實施例。
實施例1 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag0.1％、Cu0.7％、Bi1.0％、Sb0.01％、Ni0.1％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn。
該無鉛焊錫合金的製備方法如下按上述重量百分比例取各原料，先製備中間合金在真空中頻感應熔煉爐中配置石墨坩堝，原材料按比例放入石墨坩堝內，關閉爐體，抽真空，中頻加熱金屬至適當溫度保溫，最後澆鑄成相應的合金錠。
a、在真空中頻感應熔煉爐中以70∶30的重量百分比例製備Sn-Ag合金，升溫至1100℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銀合金錠。
b、在真空中頻感應熔煉爐中以70∶30的重量百分比例製備Sn-Cu合金，升溫至1200℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銅合金錠。
c、在真空中頻感應熔煉爐中以80∶20的重量百分比例製備Sn-Bi合金，升溫至400℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鉍合金錠。
d、在真空中頻感應熔煉爐中以80∶20的重量百分比例製備Sn-Sb合金，升溫至800℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銻合金錠。
e、在真空中頻感應熔煉爐中以95∶05的重量百分比例製備Sn-Ni合金，升溫至1600℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鎳合金錠。
f、在真空中頻感應熔煉爐中以99∶01的重量百分比例製備Sn-La合金，升溫至1000℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鑭合金錠。
g、在真空中頻感應熔煉爐中以99∶01的重量百分比例製備Sn-P合金，升溫至500℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫磷合金錠。
(2)將a、b、c、d、e、f項中間合金再加上不足的錫量按照焊錫合金比例進行重量配比，將合金料加入中頻感應熔煉爐的石墨坩堝內加熱升溫至500℃保溫30分鐘。
(3)將熔煉的焊錫合金從500℃降溫至350℃並加入符合配比的g項中的錫磷合金，攪拌均勻，出爐在錫條機上冷卻澆鑄成焊錫合金棒。
採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖1，其各項性能檢測數據見下表。
實施例2 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag1.0％、Cu0.5％、Bi2.0％、Sb0.05％、Ni0.05％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn，製備方法同實施例1。採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖2，其各項性能檢測數據見下表。
實施例3 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag2.0％、Cu0.1％、Bi3.0％、Sb0.1％、Ni0.1％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn。，製備方法同實施例1。採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖3，其各項性能檢測數據見下表。
實施例4 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag2.0％、Cu0.5％、Bi1.0％、Sb0.05％、Ni0.01％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn。製備方法同實施例1。採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖4，其各項性能檢測數據見下表。
實施例5 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag2.0％、Cu0.5％、Bi2.0％、Sb0.05％、Ni0.05％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn，製備方法同實施例1。採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖5，其各項性能檢測數據見下表。
實施例6 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag3.0％、Cu0.5％、Bi0.1％、Sb0.01％、Ni0.01％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn。製備方法同實施例1。採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖5，其各項性能檢測數據見下表。
實施例7 該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的重量百分比組成為Ag3.0％、Cu1.0％、Bi0.1％、Sb0.01％、Ni0.01％、La0.01％、P0.01％，其餘為Sn。製備方法同實施例1。採用熱分析儀器對該無鉛焊錫合金測定的升溫過程中的差示掃描量熱(DSC)曲線見附圖5，其各項性能檢測數據見下表。
比較例 所述的焊錫合金其組成為Ag3.0％、Cu0.5％，其餘為Sn。先按實施例1中的方法製備Sn-Ag、Sn-Cu合金，然後按實施例1的方法製備該焊錫合金，將以上例1至7所製造的無鉛焊錫合金與比較例的焊錫合金進行各項性能檢測和對比，其熔點、鋪展率、延伸率、抗拉強度如下表所示
在研究說明書後，本領域的技術人員可理解本發明的許多改變、修改、變化以及其他用途和應用。不背離本發明宗旨和範圍的所有這些改變、修改、變化以及其他用途和應用，均被認為由本發明所覆蓋。
權利要求
1.一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為0.1-3.0％的Ag0.1-1.0％的Cu0.1-3.0％的Bi0.01-0.1％的Sb0.01-0.1％的Ni0.005-0.05％的La0.005-0.05％的P以及餘量的Sn。
2.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為0.1％的Ag0.7％的Cu1.0％的Bi0.01％的Sb0.1％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
3.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為1.0％的Ag0.5％的Cu2.0％的Bi0.05％的Sb0.05％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
4.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為2.0％的Ag0.1％的Cu3.0％的Bi0.1％的Sb0.1％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
5.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為2.0％的Ag0.5％的Cu1.0％的Bi0.05％的Sb0.01％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
6.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為2.0％的Ag0.5％的Cu2.0％的Bi0.05％的Sb0.05％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
7.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為3.0％的Ag0.5％的Cu0.1％的Bi0.01％的Sb0.01％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
8.根據權利要求1所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為3.0％的Ag1.0％的Cu0.1％的Bi0.01％的Sb0.01％的Ni0.01％的La0.01％的P以及餘量的Sn。
9.一種如權利要求1至8任意一項所述的SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)製備中間合金在真空中頻感應熔煉爐中配置石墨坩堝，原材料按比例放入石墨坩堝內，關閉爐體，抽真空，中頻加熱金屬至適當溫度保溫，最後澆鑄成相應的合金錠a、在真空中頻感應熔煉爐中以70∶30的重量百分比例製備Sn-Ag合金，升溫至1100℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銀合金錠；b、在真空中頻感應熔煉爐中以70∶30的重量百分比例製備Sn-Cu合金，升溫至1200℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銅合金錠；c、在真空中頻感應熔煉爐中以80∶20的重量百分比例製備Sn-Bi合金，升溫至500℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鉍合金錠；d、在真空中頻感應熔煉爐中以80∶20的重量百分比例製備Sn-Sb合金，升溫至800℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫銻合金錠；e、在真空中頻感應熔煉爐中以95∶5的重量百分比例製備Sn-Ni合金，升溫至1600℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鎳合金錠；f、在真空中頻感應熔煉爐中以99∶1的重量百分比例製備Sn-La合金，升溫至1000℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫鑭合金錠；g、在真空中頻感應熔煉爐中以99∶1的重量百分比例製備Sn-P合金，升溫至500℃並保溫30分鐘，出爐冷卻鑄成錫磷合金錠；(2)將a、b、c、d、e、f項中間合金再加上不足的錫量按照焊錫合金比例進行重量配比，將合金料加入中頻感應熔煉爐的石墨坩堝內加熱升溫至500℃，並保溫30分鐘；(3)將熔煉的焊錫合金從500℃降溫至350℃並加入符合配比的g項中的錫磷合金，攪拌均勻，出爐在錫條機上冷卻澆鑄成焊錫合金棒。
10.根據權利要求9所述的一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金的製備方法，其特徵在於所述的中頻感應熔煉爐所採用加熱方式為感應電流加熱。
全文摘要
一種SnAgCuBi系無鉛焊錫合金，其特徵在於其組成按重量百分比計為0.1－3.0％的Ag、0.1－1.0％的Cu、0.1－3.0％的Bi、0.01－0.1％的Sb、0.01－0.1％的Ni、0.005－0.05％的La、0.005－0.05％的P，以及餘量的Sn。該SnAgCuBi系無鉛焊錫合金不含有任何鉛的成分，更為環保，並且所述的無鉛焊錫材料熔點低，熱、電學性能與傳統合金相當，而且潤溼性良好，以及焊點的抗拉強度、韌性、延展性和抗蠕變性能等機械性能與錫鉛合金相當。同時，本發明所述的焊錫合金製備工藝簡單，能耗較低，能夠使所製備的焊錫合金成分更加均勻、細化，提高了材料的可焊性。
文檔編號C22C1/03GK101058132SQ20071004168
公開日2007年10月24日 申請日期2007年6月6日 優先權日2007年6月6日
發明者陳躍華, 林俊 申請人:上海華實納米材料有限公司