無鉛焊錫膏及其製備方法
2023-05-30 07:16:46
專利名稱：無鉛焊錫膏及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種焊錫膏及其製備方法，特別是涉及一種微電子焊接用無鉛焊錫膏及其製備方法。
背景技術：
由於人類社會對環境保護的重視，對鉛、鎘、汞等有害健康物質的控制已勢在必行。在微電子焊接中，無鉛焊料的應用已正式啟動了。無鉛焊錫膏則是微電子封裝中的一項重要材料。在已有應用價值的無鉛焊錫膏產品中，以Sn-Ag-Cu，Sn-Bi系列較為廣泛。但是它們各有缺點，例如Sn-Ag-Cu系列焊錫膏成本過高，熔點溫度高，在220℃以上，對電子產品線路板的電子元器件以及焊接設備提出了較高的要求。加上Ag資源的缺乏，不利於Sn-Ag-Cu系列無鉛焊錫膏的大面積推廣。Sn-Bi系列無鉛焊錫膏雖然有較低的熔點溫度，但其焊接強度過低，脆性大，耐衝擊韌性低等，影響了其應用性能，也不是十分理想的膏產品。
一些研究表明，Sn-Zn基系列產品，可以克服以上無鉛焊錫膏合金材料的成本高，資源缺乏，熔點高及耐熱衝擊性過低的不足，Zn金屬資源豐富，成本低廉，Sn-Zn系合金熔點較低，在185～210℃之間，再添加必要的其他金屬，如Bi、In等，可明顯提高耐熱衝擊性。
但是，同Sn-Ag-Cu或Sn-Ag或Sn-Bi無鉛焊料相比，Sn-Zn基無鉛焊料的潤溼性非常差，儲存穩定性嚴重不足，增粘快。一般情況下，由於Sn-Zn基無鉛焊料的上述缺陷，焊接點處易形成焊珠、空隙、虛焊、焊渣等形式的缺陷。因為Sn-Zn合金材料中的Zn金屬具有很低的氧化電位，比pb的氧化電位低，因此在空氣中進行焊接時，容易被氧化為Zn的氧化物，該氧化物在隨後的預熱或熔焊過程中，又為助焊劑中的活化酸根反應成為鹽，一方面消耗大量的活化成份，另一方面氧化物自身無法熔融入焊接材料中，被排除成為焊錫或焊錫渣，導致焊接點中形成空隙、虛焊等。該類焊錫膏在儲存過程中，也是由於Zn易被氧化的原因，增粘快，不穩定，不易印刷下網等等。
為此，針對如何減弱甚至防止Sn-Zn基無鉛合金粉中Zn在焊錫膏中被氧化，人們進行了許多研究與嘗試。例如提議在焊粉顆粒表面塗布一層不易氧化的惰性金屬，如Au、Ni等，但此種方法成本高昂，操作難度大；也有的是研發新型的助焊劑，雖然有一定的效果，但離達到滿意狀態仍然有較大的差距。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種儲存穩定性高、焊接潤溼性和耐熱衝擊性能好、焊接強度高、成本低的無鉛焊錫膏。
為解決以上技術問題，本發明的產品技術方案是一種無鉛焊錫膏，包括Sn-Zn基無鉛合金焊粉和助焊劑，關鍵是還包括緩衝保護性活化膜層，所述的Sn-Zn基無鉛合金焊粉、助焊劑分別佔整個無鉛焊錫膏總質量的88～91％、6～11％，其餘組份為所述緩衝保護性活化膜層；所述的緩衝保護性活化膜層的組份及各組份在所述整個緩衝保護性活化膜層中所佔質量百分比分別為38～70％的高沸點中性有機溶劑；10～35％中性或接近中性樹脂；其餘含量具有高分解溫度含不少於6個C原子的環烷族或芳香族活化劑。
作為本發明的改進，所述的Sn-Zn基無鉛合金焊粉的組份及其中各組份在所述Sn-Zn基無鉛合金焊粉中所佔的質量百分比分別為4.5～10％的Sn-Zn基；還可包括一種或多種選自Bi，Ag，Cu，Ni，Ce，In，Mo，Co，Fe，P，Ge，Ga的金屬成份，佔0.10～3.5％；其餘為Sn及不可避免的雜質。
作為本發明進一步的改進一，所述的高沸點中性有機溶劑為有機醇、醚、酯、烴類物質中的任意一種或其組合。
作為本發明進一步的改進二，所述的中性或接近中性樹脂為有機丙烯酸樹脂、醇酸樹脂、松香及各種松香改性樹脂、有機矽樹脂、聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂中的任意一種。
作為本發明進一步的改進三，所述的環烷族或芳香族活化劑為分解溫度在135℃～240℃範圍內的活化劑，其碳原子上的H可以是部分或全部為滷素取代；或者部分為滷素取代，部分為其他基團取代。
作為本發明進一步的改進四，所述的無鉛焊錫膏為合金粉末型焊錫膏。
為解決以上技術問題，本發明相應的方法技術方案為一種無鉛焊錫膏的製備方法，其步驟為a、將Sn-Zn基無鉛合金焊粉同緩衝保護性活化膜層的形成料劑，在抽真空條件下充分攪拌研磨混合均勻，在所述Sn-Zn基無鉛合金焊粉顆粒表面形成一層在低於或等於150℃的常溫和中溫範圍內有緩衝作用的緩衝保護性活化膜層；其中，所述的緩衝保護性活化膜層的組份及各組份在所述整個緩衝保護性活化膜層中所佔質量百分比分別為38～70％的高沸點中性有機溶劑；10～35％中性或接近中性樹脂；其餘含量具有高分解溫度含不少於6個C原子的環烷族或芳香族活化劑。
b、將助焊劑加入到a步驟所形成的混合物中，並混合均勻。
作為本發明方法方案的改進，所述的Sn-Zn基無鉛合金焊粉的組份及其中各組份在所述Sn-Zn基無鉛合金焊粉中所佔的質量百分比分別為4.5～10％的Sn-Zn基；還可包括一種或多種選自Bi，Ag，Cu，Ni，Ce，In，Mo，Co，Fe，P，Ge，Ga的金屬成份，佔0.10～3.5％；其餘為Sn及不可避免的雜質。
作為本發明方法方案的進一步改進，所述的緩衝保護性活化膜層與助焊劑均為膏狀物質。
通過實施本發明上述的技術方案，將緩衝保護性活化膜層先期覆塗於Sn-Zn基合金焊粉顆粒表面。在常溫儲存時，在焊錫膏回流預熱(T≤150℃)時，該層膏體中的成份均不發生分解，不與合金粉顆粒中的Zn發生反應，同時起到阻隔外層助焊劑中的易反應性基團與Zn或其氧化物反應，起到保護合金焊粉不受氧化，從而達到顯著提高儲存穩定性、焊接潤溼性和耐熱衝擊性能的目的。同時焊珠、虛焊、空隙缺陷明顯減少，焊接強度高、製備成本低也低廉。
具體實施例方式
實施例1組份M.備好按照以下質量百分比配成的Sn-Zn基無鉛合金焊粉Sn-8.5Zn-1.5Bi(即在Sn-Zn基無鉛合金焊粉中Zn佔8.5％，Bi佔1.5％，其餘為Sn)，粒徑範圍是25～45μm，重量44.5kg。
組份P.製備緩衝保護性活化性膏層將900g卡必醇，495g氫化松香，105g3-羥基-4-甲基苯甲酸在加熱條件下混溶均勻。混合物總重量1500g。
組份F.自製無鉛焊錫膏助焊劑將水楊酸400g，鄰苯二甲酸二辛酯1600g和天然松香樹脂2000g加熱混溶均勻，製得總混合物4000g。
將全部總量的組份M與全部總量的組份P在專用密封容器中混合，並同時抽真空。攪拌轉速定為120rpm，混合30分鐘。再加入全部重量的組份F，繼續攪拌混合20分鐘。即可得到本發明所述的無鉛焊錫膏產品。該產品在儲存穩定性、耐熱衝擊性、焊珠、虛焊、焊渣各個方面均顯著優於不含組份P(即緩衝保護性活化層)的Sn-Zn基無鉛焊錫膏。
實施例2製備工藝過程同實施例1。只是各組份的物質及含量變化至如下組份MSn-Zn基無鉛合金焊粉為Sn-9Zn(即在Sn-Zn基無鉛合金焊粉中Zn佔9.0％，其餘為Sn)，轉徑範圍25～45μm，重量44kg。
組份P880g丁基溶纖劑，520g聚合松香樹脂，100g二羥基苯乙酸。
組份F同實施例1。
實施例3製備工藝過程同實施例1，只是各組份的物質及含量變化至如下組份MSn-Zn基無鉛合金焊粉為Sn-7.5Zn-1.0Bi(即在Sn-Zn基無鉛合金焊粉中Zn佔7.5％，Bi佔1.0％，其餘為Sn)，粒徑範圍25～45μm，重量44kg。
組份P850g丙二醇單苯基醚，135g丙烯酸樹脂，400g氫化松香樹脂，150g二羥基肉桂酸。
組份F丁二酸380g，己二酸100g，鄰苯二甲酸二丁酯1500g，氫化松香樹脂2000g。
各組份的變化，主要是依據不同電器線路板的實際要求，以及合金焊粉成份的變化而相應調整，以期獲得最佳的綜合性能。
權利要求
1.一種無鉛焊錫膏，包括Sn-Zn基無鉛合金焊粉和助焊劑，其特徵是還包括緩衝保護性活化膜層，所述的Sn-Zn基無鉛合金焊粉、助焊劑分別佔整個無鉛焊錫膏總質量的88～91％、6～11％，其餘組份為所述緩衝保護性活化膜層。
2.根據權利要求1所述的無鉛焊錫膏，其特徵是所述的緩衝保護性活化膜層的組份及各組份在所述整個緩衝保護性活化膜層中所佔質量百分比分別為38～70％的高沸點中性有機溶劑；10～35％中性或接近中性樹脂；其餘含量具有高分解溫度含不少於6個C原子的環烷族或芳香族活化劑。
3.根據權利要求2所述的無鉛焊錫膏，其特徵是所述的Sn-Zn基無鉛合金焊粉的組份及其中各組份在所述Sn-Zn基無鉛合金焊粉中所佔的質量百分比分別為4.5～10％的Sn-Zn基；還可包括一種或多種選自Bi，Ag，Cu，Ni，Ce，In，Mo，Co，Fe，P，Ge，Ga的金屬成份，佔0.10～3.5％；其餘為Sn及不可避免的雜質。
4.根據權利要求1至3中任何一項權利要求所述的無鉛焊錫膏，其特徵是所述的高沸點中性有機溶劑為有機醇、醚、酯、烴類物質中的任意一種或其組合。
5.根據權利要求1至3中任何一項權利要求所述的無鉛焊錫膏，其特徵是所述的中性或接近中性樹脂為有機丙烯酸樹脂、醇酸樹脂、松香及各種松香改性樹脂、有機矽樹脂、聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂中的任意一種。
6.根據權利要求1至3中任何一項權利要求所述的無鉛焊錫膏，其特徵是所述的環烷族或芳香族活化劑為分解溫度在135℃～240℃範圍內的活化劑，其碳原子上的H可以是部分或全部為滷素取代；或者部分為滷素取代，部分為其他基團取代。
7.根據權利要求1至3中任何一項權利要求所述的無鉛焊錫膏，其特徵是所述的無鉛焊錫膏為合金粉末型焊錫膏。
8.一種無鉛焊錫膏的製備方法，其步驟為a、將Sn-Zn基無鉛合金焊粉同緩衝保護性活化膜層的形成料劑，在抽真空條件下充分攪拌研磨混合均勻，在所述Sn-Zn基無鉛合金焊粉顆粒表面形成一層在低於或等於150℃的常溫和中溫範圍內有緩衝作用的緩衝保護性活化膜層；其中，所述的緩衝保護性活化膜層的組份及各組份在所述整個緩衝保護性活化膜層中所佔質量百分比分別為38～70％的高沸點中性有機溶劑；10～35％中性或接近中性樹脂；其餘含量具有高分解溫度含不少於6個C原子的環烷族或芳香族活化劑。b、將助焊劑加入到a步驟所形成的混合物中，並混合均勻。
9.根據權利要求8所述的無鉛焊錫膏的製備方法，其特徵是所述的Sn-Zn基無鉛合金焊粉的組份及其中各組份在所述Sn-Zn基無鉛合金焊粉中所佔的質量百分比分別為4.5～10％的Sn-Zn基；一種或多種選自Bi，Ag，Cu，Ni，Ce，In，Mo，Co，Fe，P，Ge，Ga的金屬成份，佔0.10～3.5％；其餘為Sn及不可避免的雜質。
10.根據權利要求9所述的無鉛焊錫膏的製備方法，其特徵是所述的緩衝保護性活化膜層與助焊劑均為膏狀物質。
全文摘要
本發明公開了一種無鉛焊錫膏及其製備方法，其中所述焊錫膏包括佔總質量88～91％、6～11％的Sn－Zn基無鉛合金焊粉和助焊劑，還包括緩衝保護性活化膜層。所述活化膜層包括佔其自身質量百分比為38～70％的高沸點中性有機溶劑；10～35％中性或接近中性樹脂；其餘為具有高分解溫度含不少於6個C原子的環烷族或芳香族活化劑。所述製備方法是a.將所述合金焊粉同所述活化膜層的形成料劑在抽真空條件下充分攪拌研磨混合均勻；b.將助焊劑加入到a步驟形成的混合物中並混合均勻。由於所述活化膜層的組份不會與Zn發生反應，並阻隔外層助焊劑中的易反應性基團與Zn或其氧化物反應，從而實現提高所述焊錫膏的儲存穩定性、焊接潤溼性、耐熱衝擊性、可焊接強度、降低製備成本的效果。
文檔編號B22F1/02GK1981978SQ20051012150
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月28日 優先權日2005年12月28日
發明者梁樹華, 周厚玉 申請人:梁樹華