專(zhuān)利名稱(chēng)::無(wú)鉛錫焊料的制作方法無(wú)鉛錫焊料本發(fā)明涉及焊料合金,特別是無(wú)鉛焊料合金,主要用于電子行業(yè)的無(wú)鉛化組裝和封裝。
背景技術(shù):
:熔斷器是用來(lái)作為過(guò)載和短路保護(hù)用的電器,保護(hù)設(shè)備和電器的安全使用,廣泛應(yīng)用于電氣安裝、供電行業(yè)、設(shè)備制造和工業(yè)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。鍍鎳銅帽是熔斷器的重要構(gòu)成部分,其封裝質(zhì)量的優(yōu)劣決定著熔斷器的品質(zhì)。傳統(tǒng)的熔斷器鍍鎳銅帽封裝用焊料為錫鉛焊料,然而近幾年來(lái),人們?cè)絹?lái)越關(guān)注鉛對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)身體健康的損害,世界各國(guó)相繼出臺(tái)一系列法令和法規(guī)來(lái)防止電子產(chǎn)品所帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題,限制鉛在電子產(chǎn)品中的使用。在無(wú)鉛化綠色制造這一大趨勢(shì)下,熔斷器鍍鎳銅帽也己經(jīng)開(kāi)始了無(wú)鉛化封裝。目前己開(kāi)發(fā)出的無(wú)鉛焊料主要有Sn—Ag,Sn—Cu,Sn—Zn和Sn—Ag—Cu等,并通過(guò)添加Ag、Cu、P、Ni、In、Bi等元素獲得不同性能的系列產(chǎn)品。如千住金屬工業(yè)株式會(huì)社的JS3027441專(zhuān)利和艾奧瓦州立大學(xué)的US5527628專(zhuān)利,分別公開(kāi)了各自的Sn-Ag-Cu系列無(wú)鉛焊料;松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的CN1087994C專(zhuān)利和北京工業(yè)大學(xué)的CN1586793A專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了各自開(kāi)發(fā)的錫鋅系列無(wú)鉛焊料;千住金屬工業(yè)株式會(huì)社的CN1496780A專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種錫銅系列無(wú)鉛焊料;韓國(guó)三星電機(jī)株式會(huì)社的CN1040302C、CN1040303C專(zhuān)利和CN1139607A專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了錫鉍系列無(wú)鉛焊料等。雖然無(wú)鉛焊料的種類(lèi)較多,但目前適用、并應(yīng)用于鍍鎳銅帽封裝的無(wú)鉛焊料是Sn—0.7Cu焊料。雖然在現(xiàn)有無(wú)鉛焊料中,Sn—0.7Cu焊料對(duì)鍍鎳銅帽的封裝工藝適用性相對(duì)較高,成本也較低,但其對(duì)鍍鎳銅帽的焊接性仍然較差;Sn—0.7Cu焊料熔化溫度較低(227°C),封裝過(guò)程中管壁濺錫現(xiàn)象嚴(yán)重;Sn—0.7Cu焊料凝固區(qū)間窄,銅帽封裝過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性較差,上述這些原因?qū)е洛冩囥~帽封裝產(chǎn)品的成品率較低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決已知技術(shù)中熔斷器鍍鎳銅帽無(wú)鉛封裝時(shí)焊接性能差、成品率低的問(wèn)題,為此提供本發(fā)明的無(wú)鉛錫焊料,這種焊料對(duì)鍍鎳銅帽具有良好的的潤(rùn)濕性能,焊接能力強(qiáng),可大幅提高產(chǎn)品成品率。為解決上述問(wèn)題,本發(fā)明特殊之處是以該焊料總重量計(jì)它由以下重量百分?jǐn)?shù)的組分組成Cu3.0—5.0%Sb1.5—3.0%Bi1.8—3.5%Ag0.1—4.0%Sn余量本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料合金組成成份及其重量百分含量根據(jù)以下理由確定添加合金元素Cu可提高焊料的力學(xué)性能和加大熔化溫度區(qū)間。然而Cu含量少于0.9%時(shí),其作用不明顯;而Cu含量超過(guò)5.0%時(shí),塑性校差,難以進(jìn)行拔絲等機(jī)械加工。本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料Cu含量選擇在0.9—5.0%范圍內(nèi),優(yōu)選在2.0—4.0%范圍內(nèi)。添加合金元素Ag可降低焊料熔點(diǎn),提高焊料的潤(rùn)濕性能,并通過(guò)生成彌散分布的錫銀金屬間化合物來(lái)提高焊料的強(qiáng)度。當(dāng)Ag含量少于0.1%時(shí),其作用不明顯;然而Ag含量大于4.0%時(shí),焊料合金塑性較差,并且Ag含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的迅速上升。本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料Ag含量選擇在0.1—4.0%范圍內(nèi)。添加合金元素Sb可提高焊料對(duì)鍍鎳銅帽的潤(rùn)濕性能,并可進(jìn)一步提高焊料強(qiáng)度。Sb含量少于0.05%時(shí),這些作用不明顯;然而Sb含量超過(guò)3.0X時(shí),其對(duì)焊料潤(rùn)濕性能的改善程度趨于穩(wěn)定,且焊料變硬,塑性校差,難以進(jìn)行拔絲等機(jī)械加工。本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料Sb含量選擇在0.05—3.0%范圍內(nèi)。添加合金元素Bi可降低焊料熔化溫度,提高潤(rùn)濕能力。Bi含量少于0.05%時(shí),其作用不明顯。然而B(niǎo)i含量超過(guò)3.5%時(shí),合金塑性較差,難以進(jìn)行拔絲等機(jī)械加工。本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料Bi含量選擇在0.05—3.5%范圍內(nèi)。添加RE元素能細(xì)化焊料合金的組織,提高焊料的力學(xué)性能。RE含量少于0.002%時(shí),其作用不明顯;然而RE含量超過(guò)0.5%時(shí),RE易偏聚于晶界,導(dǎo)致合金力學(xué)性能較差。本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料RE含量選擇在0.002—0.5%范圍內(nèi)。Ni與Cu可無(wú)限固溶,添加Ni元素既能細(xì)化焊料合金組織,又能提高焊料的塑性。Ni含量少于0.01%時(shí),其作用不明顯;Ni含量的加入會(huì)導(dǎo)致焊料熔點(diǎn)的升高,考慮鍍鎳銅帽封裝溫度的上限,Ni含量限制到0.8%。本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料Ni含量選擇在0.01—0.8%范圍內(nèi)。本發(fā)明的無(wú)鉛焊料,經(jīng)對(duì)以下本發(fā)明實(shí)施例焊料的測(cè)試與計(jì)算表明,其對(duì)熔斷器鍍鎳銅帽可焊性好,產(chǎn)品成品率高。具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體的實(shí)施例進(jìn)一歩說(shuō)明本發(fā)明的無(wú)鉛錫焊料。實(shí)施例1將40.0Kg的Sn和10.0Kg的Cu放入氧化鋁柑鍋,置入中頻爐內(nèi)熔煉,熔煉溫度800'C,保溫2小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,冷卻,制成含Cu20%的Sn—Cu中間合金。將45.0Kg的Sn和5.0Kg的Sb放入氧化鋁坩鍋,置入中頻爐內(nèi)熔煉,熔煉溫度40(TC,保溫2小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,冷卻,制成含SblO%的Sn—Sb中間合金。將30.0Kg的Sn和20.0Kg的Bi放入氧化鋁坩鍋,置入中頻爐內(nèi)熔煉,熔煉溫度40(TC,保溫2小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,冷卻,制成含Bi40%的Sn—Bi中間合金。將40.0Kg的Sn和10.0Kg的Ag放入氧化鋁坩鍋,置入中頻爐內(nèi)熔煉,熔煉溫度為80(TC,保溫時(shí)間為2小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,冷卻,制成含Ag20%的Sn—Ag中間合金。將48.0Kg的Sn和2.0Kg的RE放入氧化鋁坩鍋,置入真空中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉,熔煉溫度為100(TC,保溫2小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,冷卻,制成含RE4%的Sn—RE中間合金。將48.0Kg的Sn和2Kg的Ni放入氧化鋁坩鍋,置入真空中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉,熔煉溫度為80(TC,保溫2小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,冷卻,制成含Ni4%的Sn—Ni中間合金。取上述Sn—Cu中間合金0.250Kg,Sn—Sb中間合金0.035Kg,Sn—Bi中間合金8.8g和純錫4.706Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為55(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例2取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg,Sn—Bi中間合金0.225Kg和純錫3.275Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為55(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例3取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg,Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn—Bi中間合金0.413Kg和純錫1.987Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例4取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg,Sn—Sb中間合金0.035Kg,Sn—Bi中間合金8.8g,Sn—Ag中間合金0.038Kg和純錫4.669Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例5取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg,Sn—Bi中間合金0.225Kg,Sn—Ag中間合金0.500Kg和純錫2.775Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例6取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg,Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn—Bi中間合金0.413Kg,Sn—Ag中間合金0.950Kg和純錫1.037Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例7取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg,Sn—Sb中間合金0.035Kg,Sn—Bi中間合金8.8g,Sn—RE中間合金6.3g禾卩純錫4.700Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫悍料條。實(shí)施例8取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg,Sn—Bi中間合金0.225Kg,Sn—RE中間合金0.313Kg和純錫2.963Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為55(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例9取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg,Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn—Bi中間合金0.413Kg,Sn—RE中間合金0.587Kg和純錫1.400Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制悍條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例10取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg,Sn—Sb中間合金0.035Kg,Sn—Ag中間合金0.038Kg,Sn—RE中間合金6.3g和純錫4.671Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為55(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例11取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg,Sn—Ag中間合金0.500Kg,Sn—RE中間合金0.313Kg和純錫2.688Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例12取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg,Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn_Ag中間合金0.950Kg,Sn—RE中間合金0.587Kg和純錫0.863Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制悍條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例13取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg,Sn—Sb中間合金0.035Kg,Sn—Bi中間合金8.8g,Sn—Ag中間合金0.038Kg,Sn—RE中間合金6.3g和純錫4.662Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為55(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例14取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg,Sn—Bi中間合金0.225Kg,Sn—Ag中間合金0.500Kg,Sn—RE中間合金0.313Kg和純錫2.462Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例15取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg,Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn—Bi中間合金0.413Kg,Sn—Ag中間合金0.950Kg,Sn—RE中間合金0.587Kg和純錫0.450Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為550°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例16取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.500Kg,Sn—Sb中間合金0.350Kg,Sn—Bi中間合金0.125Kg,Sn—Ag中間合金0.250Kg,Sn—Ni中間合金0.038Kg和純錫3.737Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為650°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例17取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.000Kg,Sn—Sb中間合金0.500Kg,Sn—Bi中間合金0.063Kg,Sn—Ag中間合金0.500Kg,Sn—RE中間合金0.063Kg,Sn—Ni中間合金0.500Kg禾卩純錫2.375Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為65(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例18取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金l.OOOKg,Sn—Bi中間合金0.188Kg,Sn—Ag中間合金0.675Kg,Sn—RE中間合金0.188Kg,Sn—Ni中間合金0.875Kg和純錫1.325Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為650°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例19取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg,Sn—Sb中間合金0.035Kg,Sn—Ag中間合金0.038Kg,Sn—Ni中間合金0.125Kg和純錫4.553Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為65(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例20取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg,Sn—Ag中間合金0.500Kg,Sn—Ni中間合金0.500Kg和純錫2.500Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為65(TC,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。實(shí)施例21取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg,Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn—Ag中間合金0.950Kg,Sn—Ni中間合金0.750Kg和純錫0.700Kg,置入不銹鋼鍋內(nèi)熔煉,熔煉溫度為650°C,保溫時(shí)間為1.5小時(shí),充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t,澆鑄在鋼制焊條模具上,獲得無(wú)鉛錫焊料條。選用目前鍍鎳銅帽封裝上使用較多的Sn—0.7Cu無(wú)鉛焊料作為對(duì)比,實(shí)施例和對(duì)比例的成份見(jiàn)以下表1所示。按GB11364—89《釬料鋪展性及添縫性試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)展率測(cè)試,鋪展基板為0.2mm厚的鍍鎳銅板。各焊料擴(kuò)展率測(cè)試工藝均相同,測(cè)試溫度為320°C,時(shí)間為15s,并采用相同的助焊劑,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)以下表2。由表2可見(jiàn),本發(fā)明無(wú)鉛焊料的擴(kuò)展率遠(yuǎn)大于對(duì)比例,對(duì)鍍鎳銅帽具有較高的潤(rùn)濕性能和焊接性。采用差熱分析儀測(cè)試各實(shí)施例和對(duì)比例的熔化溫度,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料熔化溫度較對(duì)比例高,熔化溫度區(qū)間較對(duì)比例大,可確保無(wú)鉛錫焊料在鍍鎳銅帽封裝過(guò)程中處于半熔融狀態(tài),減少濺錫和尺寸不穩(wěn)定性現(xiàn)象,提高產(chǎn)品成品率。根據(jù)JIS試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試焊料力學(xué)性能,試驗(yàn)溫度為25t:,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),本發(fā)明無(wú)鉛焊料的強(qiáng)度較高,延伸率均大于20%。因而本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料既滿(mǎn)足焊接工藝對(duì)焊料的強(qiáng)度要求,又具有良好的塑性,很容易被加工成絲狀以滿(mǎn)足熔斷器用鍍鎳銅帽的封裝需求。表1焊料組分與含量<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2焊料性能測(cè)試結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>本發(fā)明無(wú)鉛錫焊料的顯著優(yōu)點(diǎn)是對(duì)熔斷器鍍鎳銅帽具有良好的焊接性能,有利于提高鍍鎳銅帽封裝產(chǎn)品的成品率。權(quán)利要求1、一種無(wú)鉛錫焊料,其特征是以該焊料總重量計(jì)它由以下重量百分?jǐn)?shù)的組分組成Cu3.0-5.0%;Sb1.5-3.0%;Bi1.8-3.5%;Ag0.1-4.0%;余量為Sn。全文摘要對(duì)熔斷器鍍鎳銅帽具有高潤(rùn)濕性、且強(qiáng)度和塑性高的無(wú)鉛錫焊料以其重量為基準(zhǔn),含Cu3.0-5.0%,Sb1.5-3.0%,Bi1.8-3.5%i,Ag0.1-4.0%,余量為Sn。本發(fā)明適用于電子行業(yè)無(wú)鉛化封裝。文檔編號(hào)B23K35/26GK101357421SQ20081013140公開(kāi)日2009年2月4日申請(qǐng)日期2005年12月16日優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日發(fā)明者張利民,楊倡進(jìn),王大勇,顧小龍申請(qǐng)人:浙江亞通焊材有限公司;浙江省冶金研究院有限公司