專利名稱：一種錫鉍銅型低溫無鉛焊料合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種錫(Sn)、鉍(Bi)、銅(Cu)型低溫無鉛焊料合金，更 具體地涉及一種適合用于電子組裝與封裝及電子、電氣設備、通訊器材、汽車、 五金領域釬焊焊料的無鉛焊料，屬于電子材料及電子制備技術領域。
背景技術：
多年來，錫鉛合金作為一種軟釬焊合金，被廣泛用于電子設備的組裝上， 錫鉛合金在其共晶成分(Sn63°/。Pb37% )處熔點為183°C,該合金的釬焊溫度為 220-230°C,這一溫度足夠低，不會對熱敏感的電子器件造成熱損傷。此外， 錫鉛合金表現出極優(yōu)異的釬焊性能、機械性能，錫鉛合金長期在電子產品上應 用，可靠性好。
然而，鉛是一種有害物質，人體通過呼吸，進食，皮膚吸收等都有可能吸 收鉛或其化合物，鉛被人體器官攝取后，將抑制蛋白質的正常合成功能，危害 人體中樞神經，造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾 病。鉛對兒童的危害更大，會影響智商和正常發(fā)育。
電子工業(yè)中大量使用的Sn/Pb合金焊料是造成污染的重要來源之一，在制 造和使用Sn/Pb焊料的過程中，由于熔化溫度較高，有大量的鉛蒸氣逸出，將 直接嚴重影響操作人員的身體健康。波峰焊設備在工作中產生的大量的富鉛焊 料廢渣，對人類生態(tài)環(huán)境污染極大。近年來有關地下水中鉛的污染更引起人們 的關注，除了廢棄的蓄電池大量含鉛外，丟棄的各種電子產品PCB上所含的鉛 也不容忽視。以美國為例，每年隨電子產品丟棄的PCB約一億塊，按每塊含Sn /Pb焊料10克，其中鉛含量為40%計算，每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。 當下雨時這些鉛變成溶于水的鹽類，逐漸溶解污染水，特別是在遇酸雨時，雨 中所含的硝酸和鹽酸，更促使鉛的溶解。對于飲用地下水的人們，隨著時間的 延長，鉛在人體內的積累，就會引起鉛中毒。
在這種情況下，電子行業(yè)迫切需要發(fā)展一種不含鉛的，即無鉛焊料。隨著 人類對自身生存環(huán)境關注度的不斷提高，歐洲議會于2002年12月通過決議草 案WEEE(Directive2002/96/EC Waste from Electrical and Electronic Equipment)以、 及RoHS (Directive2002/95/EC, Restriction of Hazardous Substance ) ， /人2006 年7月1日使用或含有重金屬(Pb、 Cd、 Cr6+、 Hg)以及多溴二苯醚PBDE， 多溴聯苯PBB等阻燃劑的電氣電子產品將不允許進入歐盟市場。中國于2006 年2月28日發(fā)布類似法規(guī)，即《電子信息產品污染控制管理辦法》(信息產業(yè) 部第39號令)，自2007年3月1日起施行。用無鉛焊料替代傳統的SnPb系焊料也成了當前電子行業(yè)的重要任務。迄今為止，已經開發(fā)的無鉛焊料種類很 多，但都存在這樣和那樣的問題。具有發(fā)展前景的無鉛焊料合金有Sn-Ag(-Cu) 基，Sn-Cu(-Ni)基，SnBi基，Sn-Zn(-Bi,-Al)基，所有這些合金均以Sn為主。
Sn-Ag(-Cu)基合金焊料由于具有優(yōu)異的細微組織和機械特性，最大的特征 是焊接可靠性相當好，是目前的主流無鉛焊料。但Sn-Ag(-Cu)基合金焊料缺點 是使用了貴金屬Ag,價格貴，此外Sn-Ag(-Cu)基合金焊料還有一個致命缺點 熔點過高，熔點為216-22(TC，而傳統的Sn63wtQ/。/Pbwt37。/。焊料的熔點為183。C, 使用SnAgCu無鉛焊料，若不改變工藝，將會在焊接時導致對熱敏感的電子器 件損傷，使得產品的功能弱化或使器件破裂，也使得Sn-Ag(-Cu)基合金焊料不 能成為未來趨勢。Sn-Cu(-Ni)基焊料存在Sn-Ag(-Cu)基合金焊料相似地問題， 由于其成本降低而應用于波峰焊工藝，使用范圍受限制。而SnBi基合金焊料如 含有Sn42wt。/。/Bi58wt。/。由于Bi的性質而導致其機械強度弱，因而存在焊接部分 可靠性降低的問題，并且其具有較差的導熱性。SnZn系無鉛焊料對工業(yè)界很有 吸引力，因為其共晶合金Sn9 % Zn的熔點為199°C ，接近錫鉛共晶熔點183 °C ， SnZn系無鉛焊料也存在很明顯的缺陷，那就是在大氣中易產生氧化，用助焊膏 進行調配錫鋅焊膏會出現粘度的顯著劣化與差釬焊性。據認為其對焊料的接點 基材的潤濕性是不理想的。而且，已經證實如果將其在銅基材上焊接的接點暴 露于高溫高濕條件下，即使在再流焊接之后部件的接合強度也顯著地降低。 綜上所述，電子工業(yè)迫切需要一種新型焊料來協調解決上述問題。 隨著電子產品無鉛化，某些部件比如電腦散熱器制造普遍采用 Sn42wt。/。/Bi58wt。/。無鉛焊料合金制成的焊錫膏進行焊接。Sn42wt。/。/Bi58wt。/。無鉛 焊料具有低熔點(139°C)的優(yōu)點，但其具有較低的強度和導熱性質，對電腦散 熱器制造來說顯得不足，尤其是該合金的導熱性嚴重制約了散熱器的散熱性能 提升。
本發(fā)明的目的是提供一種合金方案，可以綜合解決熔點和導熱性問題。。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出的錫(Sn)、鉍(Bi)、銅(Cu)型低溫無鉛焊料合金，其合 金熔點為140~167°C。其中各化學成分的重量百分比為 鉍(Bi) 38~60wt%, 銅(Cu ) 3 ~ 8wt%, 余量為Sn和不可避免的雜質。
本發(fā)明的合金，除了具備適宜的熔點外，還具備另一優(yōu)點優(yōu)異的導熱性 能。當應用于需要將熱量從焊接部位迅速導出的場合時，本發(fā)明的合金比通常 使用的錫鉍基低溫合金焊料(如Sn42 wt%Bi58 wt% )具有更好的導熱效果。
本發(fā)明是基于這樣的原理錫是電子坪料常用的材料，幾乎所有的焊料都 是在錫中加入其他合金構成。銅是高導熱性金屬，但是因為具有很高的熔點， 所以并不能直接使用。在焊料中加入一定比例的銅，可以顯著提高焊料的導熱 性能。當加入量少于3%時，導熱性提高不夠明顯，而多于8%時，對焊料合金 的熔點又提高太多，其合適的比例是3-8%。在焊料中加入適當的鉍會降低焊 料合金的熔點。因為銅的加入提高了焊料合金熔點，當鉍含量少于38%時焊料 合金的熔點不足以降低到足夠的溫度，多于60%時合金的脆性又會變得很嚴重。 所以把鉍的加入量控制在38 - 60 %會在得到合適的焊接溫度下又不增加過大的 脆性。
需要說明的是，本發(fā)明的合金成分并不僅僅局限于上述成分，還可以包含P、 Ni、 Ga、 In、 Mg、 Au、 Ag、稀土元素如Te、 Se、 Ce、 Cs以及Co、 Si等。P 對提高抗氧化性能有所幫助，并且P也是比較常用的一個添加劑成分，尤其是 把合金加工成絲、條、粉的使用場合。In的適當加入會對熔點有一定程度的調 整。Ni和稀土元素的加入會改變合金的晶相組織的顯微狀態(tài)。 一個熟悉的工程 師可以很隨意的在本專利合金基礎上加入這些材料以獲得一些些許性能的改 變，并進而規(guī)避并專利的保護。然而，這些些許改變并不能對本發(fā)明的兩個特 點(即較低的熔點和良好的導熱性能)構成實質的創(chuàng)新，因此這些變化都在本 專利的范圍之內。
下面結合實施例對本發(fā)明進一步描述。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的錫(Sn)、鉍(Bi)、銅(Cu)型低溫無鉛焊料合金可以用 很多方法制備，即可用三種金屬直接混合熔煉的直接熔煉法，也可用先制取 Sn-Bi,Sn-Cu等二元中間合金，再制備Sn-Bi-Cu最終焊料的分步熔煉方法。在熔 煉的最高溫度要以所有金屬或合金能夠全部熔化為準，否則會引起焊料的化學 組成或金相組織不均勻，影響焊料的性能。由于合金在制備時易氧化燒損，因 此熔煉時最好在真空或有惰性或還原氣體、熔鹽等保護條件下熔煉。熔煉時所 用的原材料可以是粉末狀純金屬、粒狀純金屬，也可以是塊狀純金屬。采用粉 末狀金屬熔煉時，熔煉速度較快，但容易燒損，而塊狀金屬熔煉時，熔煉溫度 高，時間較長，但不易燒損，各有利弊。
方法1: Sn-Bi-Cu合金直接混合制備先將稱量好的純Sn在電阻爐中熔化 至550°C ，加入稱好的純Cu片和Bi片，攪拌熔化至爐溫500-550°C ，保溫lh, 溶解后于250-350。C之間澆注成合金4定和焊錫條；合金4定可4立成焊錫絲，也可以 將合金錠用于真空吹制成無鉛焊料粉，制成焊錫膏。 方法2:先制備Sn-Cu 二元合金，再制備Sn-Bi-Cu合金先將稱量好的純 Sn在真空感應熔化爐中熔化至650°C，加入稱好的純Cu片，攪拌熔化至爐溫 500-600°C，攪拌保溫30min,澆注制備成Sn-Cu中間二元合金。再將純Sn在電 阻爐中熔化加熱至300°C ,依次加入稱量好的純Bi和Sn-Cu中間合金，加熱至 300-35(TC保溫3Omin,溶解后于250-350°C之間澆注成合金錠和焊錫條；合金錠 可拉成焊錫絲，也可以將合金錠用于真空吹制成無鉛焊料粉，制成焊錫漿。
方法3:先制備成Sn-Bi 二元合金，再制備Sn-Bi-Cu合金先將稱量好的 純Sn在真空感應熔化爐中熔化至650°C,加入稱好的純Bi片，攪拌熔化至爐溫 400-500°C,攪拌保溫30min,澆注制備成Sn-Bi中間二元合金。再將純Sn在電 阻爐中熔化至300°C,依次加入稱量好的純Cu和Sn-Cu中間合金，加熱至 300-350。C保溫30min，溶解后于250-350。C之間澆注成合金錠和焊錫條；合金錠 可拉成焊錫絲，也可以將合金錠用于真空吹制成無鉛焊料粉，制成焊錫膏。
實施例1
SnBi38Cu4的制備①先將稱量好的純錫58Kg在真空感應熔化爐中熔化至 550°C ，加入稱好的純鉍38Kg及純銅4Kg,撹拌熔化，并保持爐溫500 - 550°C ， 攪拌保溫l小時，除掉表面的氧化渣，澆注于條形模具中制成條形合金錠備用。 合金錠通過一般的制作方法可獲得各種物理形式，如粉、塊、棒和絲等，以滿 足多種需要。
得到的焊料合金熔程范圍是139 - 167°C.
實施例2
SnBi43Cu4的制備①先將稱量好的純錫53Kg在真空感應熔化爐中熔化至 550°C,加入稱好的純4必43Kg及純銅4Kg，攪拌熔化，并^呆4爭爐溫500 - 550 。C，攪拌保溫1小時，除掉表面的氧化渣，澆注于條形模具中制成條形合金4走 備用。合金錠通過一般的制作方法可獲得各種物理形式，如粉、塊、棒和絲等， 以滿足多種需要。
得到的焊料合金熔程范圍是139- 159°C.
表1為本發(fā)明低溫無鉛焊料與傳統無鉛焊料的性能比較簡表。 本實驗使用DSC2910差式掃描量熱儀(TAInstru-ment)來測量本發(fā)明的低 溫無鉛焊錫合金的熔點，進行熔化溫度分析，工藝參數按照日本JIS-Z3198標準測定。
將本發(fā)明的無鉛焊錫合金制成試件測定其抗拉強度。用ASTM拉伸實驗的 標準，試件的厚度采用ISO6802。
采用ASTM電導率和熱導率標準，測定本發(fā)明的無鉛焊錫合金的電導率和
熱導率，熱導率的測定在85。C溫度下進行。
本發(fā)明的無鉛焊錫以Sn為主體，Sn本身無毒，不會對環(huán)境造成影響。添加 元素Bi能與Sn形成低共晶點合金，降低焊料的熔點，并且可以提高焊錫的潤 濕性能。Cu加入到無鉛焊錫合金中，用于通過使合金結構精細地形成而改善結 合強度，改善其機械強度和延伸性，并且可以抑制電子零件PCB基材的腐蝕。
本發(fā)明提供的焊料可以用在很多領域，如做成焊條、焊絲、焊片、焊球、 焊粉、焊膏等。這些產品可以用在電子封裝或組裝中的各個焊接環(huán)節(jié)，如電子 封裝中芯片上絲網印刷形成電極凸點、BGA、 CSP焊球，回流焊、波峰焊等SMT 組裝，以及各種修補焊、手工焊等等。用于電子、汽車等散熱部位的焊接優(yōu)勢 明顯?？傊?，本發(fā)明提供的焊料，其應用領域廣闊。
如上所述，相比于傳統的SnPb基焊料，因為才艮據本發(fā)明的無鉛焊料合金不 包含鉛，因此工作環(huán)境被改善，并且防止了環(huán)境污染。
如上述實施方案解釋的那樣，相比于目前所用的無鉛焊料，本發(fā)明合金在 熔點、強度、導熱性上具有綜合的優(yōu)勢，相對與含銀無鉛焊料具備較低的成本。
表1
合金名稱熔點(。C )熱導率 (W/cm。C )電導率 (106S/m))抗拉強度 (Mpa)
SnBi43Cu4139-1590.358.9237.0
SnAg3Cu0.5216-2200.338.3345
SnBi581380.192.9134
SnCu0.72270.317.752權利要求
1、一種錫鉍銅型低溫無鉛焊料合金，其特征在于其合金重量百分比組成為鉍(Bi)38～60％，銅(Cu)3～8％，余量為錫(Sn)和不可避免的雜質。其合金熔點為139～167℃。
2、 根據權利要求1所述錫(Sn)、敘、(Bi)、銅(Cu)型低溫無鉛焊料合金， 其特征在于可以通過一般的制作方法獲得各種物理形式，如膏、粉、塊、棒 和絲等，以滿足多種需要。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種錫鉍銅型低溫無鉛焊料合金，涉及電子焊接領域中的低溫無鉛焊料合金，具體地說是一種錫鉍銅型無鉛焊料。焊料合金中各化學成分的重量百分比為鉍(Bi)38～60wt％，銅(Cu)3～8wt％，余量為Sn和不可避免的雜質。其合金熔點為139～167℃。本發(fā)明提出的焊料合金，不含鉛、熔化溫度低、導熱率高，適用于對焊接溫度有特別要求的制程或者對導熱性有特別要求的產品。本發(fā)明提出的焊料合金可以通過一般的制備方法獲得各種不同的物理形式，如膏、粉、塊、棒和絲等，以滿足多種需要。
文檔編號B23K35/26GK101348875SQ20081012560
公開日2009年1月21日 申請日期2008年6月4日 優(yōu)先權日2008年6月4日
發(fā)明者孫洪日 申請人:廈門市及時雨焊料有限公司