專利名稱：：無鉛錫焊料的制作方法無鉛錫焊料本發(fā)明涉及焊料合金，特別是無鉛焊料合金，主要用于電子行業(yè)的無鉛化組裝和封裝。
背景技術(shù)：
：熔斷器是用來作為過載和短路保護(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，人們越來越關(guān)注鉛對環(huán)境的污染和對身體健康的損害，世界各國相繼出臺一系列法令和法規(guī)來防止電子產(chǎn)品所帶來的生態(tài)問題，限制鉛在電子產(chǎn)品中的使用。在無鉛化綠色制造這一大趨勢下，熔斷器鍍鎳銅帽也已經(jīng)開始了無鉛化封裝。目前已開發(fā)出的無鉛焊料主要有Sn—Ag，Sn—Cu，Sn—Zn和Sn—Ag—Cu等，并通過添加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)株式會社的JS3027441專利和艾奧瓦州立大學(xué)的US5527628專利，分別公開了各自的Sn-Ag-Cu系列無鉛焊料；松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社的CN1087994C專利和北京工業(yè)大學(xué)的CN1586793A專利申請公開了各自開發(fā)的錫鋅系列無鉛焊料；千住金屬工業(yè)株式會社的CN1496780A專利申請公開了一種錫銅系列無鉛焊料；韓國三星電機(jī)株式會社的CN1040302C、CN1040303C專利和CN1139607A專利申請公開了錫鉍系列無鉛焊料等。雖然無鉛焊料的種類較多，但目前適用、并應(yīng)用于鍍鎳銅帽封裝的無鉛焊料是Sn—0.7Cu焊料。雖然在現(xiàn)有無鉛焊料中，Sii—0.7Cu焊料對鍍鎳銅帽的封裝工藝適用性相對較高，成本也較低，但其對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鉛封裝時(shí)焊接性能差、成品率低的問題，為此提供本發(fā)明的無鉛錫焊料，這種焊料對鍍鎳銅帽具有良好的的潤濕性能，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Cu0.9—5.0%Sb0.05—3.0%Ag0.1—4.0%RE0.002—0.5%Sn余量本發(fā)明Cu的優(yōu)選含量為2.0—4.0%，在此基礎(chǔ)上本發(fā)明可以添加占焊料重量0.01—0.8%的Ni。本發(fā)明無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)，提高焊料的潤濕性能，并通過生成彌散分布的錫銀金屬間化合物來提高焊料的強(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含量過多會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的迅速上升。本發(fā)明無鉛錫焊料Ag含量選擇在0.1—4.0%范圍內(nèi)。添加合金元素Sb可提高焊料對鍍鎳銅帽的潤濕性能，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3.0W時(shí)，其對焊料潤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1。本發(fā)明無鉛錫焊料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，提高潤濕能力。Bi含量少于0.05%時(shí)，其作用不明顯。然而Bi含量超過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)明無鉛錫焊料RE含量選擇在0.002—0.5%范圍內(nèi)。Ni與Cu可無限固溶，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)明無鉛錫焊料Ni含量選擇在0.01—0.8%范圍內(nèi)。本發(fā)明的無鉛焊料，經(jīng)對以下本發(fā)明實(shí)施例焊料的測試與計(jì)算表明，其對熔斷器鍍鎳銅帽可焊性好，產(chǎn)品成品率高。具體實(shí)施例方式下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的無鉛錫焊料。實(shí)施例1將40.0Kg的Sn和10.0Kg的Cu放入氧化鋁坩鍋，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SblOM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Bi40X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800'C,保溫時(shí)間為2小時(shí)，充分?jǐn)嚢韬蟪鰻t，冷卻，制成含Ag20X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800°C，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和純錫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，獲得無鉛錫焊料條。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，Sri—Ag中間合金0.950Kg，Sn—RE中間合金0.587Kg禾口純錫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，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。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，獲得無鉛錫焊料條。實(shí)施例17'取實(shí)施例1中Sn—Cu中間合金l.OOOKg,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和純錫2.375Kg，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無鉛焊料作為對比，實(shí)施例和對比例的成份見以下表1所示。按GB11364—89《釬料鋪展性及添縫性試驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)展率測試，鋪展基板為0.2mm厚的鍍鎳銅板。各焊料擴(kuò)展率測試工藝均相同，測試溫度為320'C，時(shí)間為15s，并釆用相同的助焊劑，測試結(jié)果見以下表2。由表2可見，本發(fā)明無鉛焊料的擴(kuò)展率遠(yuǎn)大于對比例，對鍍鎳銅帽具有較高的潤濕性能和焊接性。采用差熱分析儀測試各實(shí)施例和對比例的熔化溫度，測試結(jié)果見表2。由表2可見，本發(fā)明無鉛錫焊料熔化溫度較對比例高，熔化溫度區(qū)間較對比例大，可確保無鉛錫焊料在鍍鎳銅帽封裝過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)測試焊料力學(xué)性能，試驗(yàn)溫度為25'C，測試結(jié)果見表2。由表2可見，本發(fā)明無鉛焊料的強(qiáng)度較高，延伸率均大于20%。因而本發(fā)明無鉛錫焊料既滿足焊接工藝對焊料的強(qiáng)度要求，又具有良好的塑性，很容易被加工成絲狀以滿足熔斷器用鍍鎳銅帽的封裝需求。表.l焊料組分^含量<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2焊料性能測試結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>23.6本發(fā)明無鉛錫焊料的顯著優(yōu)點(diǎn)是對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Cu0.9-5.0％；Sb0.05-3.0％；Ag0.1-4.0％；RE0.002-0.5％；余量為Sn。2、如權(quán)利要求1的無鉛錫焊料，其特征是，Cu的含量為2.0—4.0%。3、如權(quán)利要求2所述的無鉛錫焊料，其特征是，含有Ni0.01一0.8%。全文摘要對熔斷器鍍鎳銅帽具有高潤濕性、且強(qiáng)度和塑性高的無鉛錫焊料以其重量為基準(zhǔn)，含Cu0.9-5.0％，Sb0.05-3.0％，Ag0.1-4.0％，RE0.002-0.5％，余量為Sn。本發(fā)明適用于電子行業(yè)無鉛化封裝。文檔編號B23K35/26GK101357424SQ20081013140公開日2009年2月4日申請日期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,顧小龍申請人:浙江亞通焊材有限公司;浙江省冶金研究院有限公司