專利名稱：錫-鋅基無(wú)鉛焊料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子器件焊接及表面封裝材料領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)鉛焊料。
技術(shù)背景傳統(tǒng)電子封裝領(lǐng)域所采用的焊料是以錫鉛合金為主，這是因?yàn)樗哂械腿?點(diǎn)、低成本、工藝性和可靠性優(yōu)良等眾多其它焊料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，材料 與環(huán)境的協(xié)調(diào)問(wèn)題日益受到關(guān)注，錫鉛焊料里鉛的毒性已不容忽視。因此，無(wú)鉛 化電子組裝得到了廣泛的重視。歐盟的WEEE及R0HS指令的頒布推動(dòng)了世界各國(guó) 紛紛提出禁鉛條令。順應(yīng)全球無(wú)鉛化的趨勢(shì)，我國(guó)也制訂了法規(guī)開(kāi)始推進(jìn)電子產(chǎn) 品無(wú)鉛化生產(chǎn)。已有的無(wú)鉛焊料研究主要集中在Sn-Ag、 Sn-Zn及Sn-Cu等合金系。其中， Sn-Zn系合金經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在保持已有的熔點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，形成的新型合 金在潤(rùn)濕性等方面得到了 一定程度的 支善和提高，因此被認(rèn)為有潛力取代Sn-Pb 焊料的無(wú)鉛焊料合金系之一。然而，Zn極易氧化，在波峰焊工藝中，Sn-Zn焊料 還不能完全滿足長(zhǎng)時(shí)間加熱條件下抗氧化的要求，這限制了 Sn-Zn的實(shí)際應(yīng)用。 雖然氮?dú)獗Ｗo(hù)可以在一定程度上降低氧化渣的產(chǎn)生量，但是它同時(shí)也帶來(lái)飛濺和 成本增加等系列問(wèn)題。因此，解決焊料抗氧化性差這個(gè)問(wèn)題的最佳辦法是提高焊 料本身的性能。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有的錫-鋅基無(wú)鉛焊料的抗氧化性差，潤(rùn)濕性差的缺點(diǎn)，本發(fā)明 提出了一種具有優(yōu)異的抗氧化性和潤(rùn)濕性的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，其配方為，重量 百分比 Zn 2~10%;Nd和Al共 0. 002 ~ 0. 2 % ,且Nd和Al的量都大于0;雜質(zhì) < 05 % ; Sn 余量。上述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料更優(yōu)選的配方為，重量百分比 Zn 6 ~ 9 % ; Nd 0. 001 ~ 0. 05 % ; Al 0.05-0.1%; 雜質(zhì)《0. 05 % ; 其余為Sn。所述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，配方為，重量百分比Zn 6-9 %;Nd 0. 05 ~ 0. 1 % ;Al0.001 - 0.05 %;雜質(zhì)《0. 05 % ;其余為Sn。制備所述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，步驟為A:按質(zhì)量比Sn:Nd=19: 1、 Sn: Al=19: 1分別將錫和釹、還有錫和鋁在真空感應(yīng)爐中熔煉制備錫釹中間合金和 錫鋁中間合金，溶煉溫度分別為750°C ± 20。C和650°C ± 20°C; B:采用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至400°C 土20。C熔化，保溫 3 Om i n ± 1 Omi n后將錫釹中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫1 Omi n ± 2mi n 后洗注制成成品無(wú)鉛焊料。中間也可以使用KCl-LiCl共晶鹽熔劑覆蓋防止氧化。本發(fā)明的焊料可以制成絲、棒、錠、粉、片或球等各種形式，尤其適用于 波峰焊中。為了描述優(yōu)選的無(wú)鉛焊料的組成，除另有說(shuō)明外，與百分比相關(guān)的所有數(shù) 值都是重量百分比(wt %)。當(dāng)涉及到任何數(shù)值范圍時(shí)，則包括所述范圍內(nèi)最大和最小值之間的各個(gè)數(shù) 和全部數(shù)和/或部分。比如，2~10%的鋅的范圏將明確地包括2%、 3.8%、 6.9 %和9%直至10%的全部或部分中間值。這同樣也適用于下文中的其它元素范 圍。當(dāng)術(shù)語(yǔ)"基本上沒(méi)有"用于本文時(shí)，這指的是不含顯著量的那種有意加于 該焊料成份中的元素，被理解到的是，可以找到痕量的難以避免的元素和/ 或雜質(zhì)進(jìn)入所預(yù)期的最終產(chǎn)品中的途徑。比如，由于不可避免的添加物的污 染或通過(guò)與某些處理和/或盛放設(shè)備的接觸，本發(fā)明的全部實(shí)施方案都是無(wú)鉛 的。本發(fā)明的有益效果為1. 成分簡(jiǎn)單，原料易得，成本低。不含有Ag、 In等貴重金屬元素，在達(dá)到甚 至超過(guò)其它錫-鋅基焊料性能的同時(shí)降低了合金的成本。2. 通過(guò)釹(Nd)、鋁(Al)的復(fù)合添加提高了焊料的抗氧化性和潤(rùn)濕性， 改變了單獨(dú)添加A1時(shí)合金性能的不足，使得該焊料可以釆用中活性助焊劑在無(wú) 氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下進(jìn)行焊接。釹和鋁的添加缺一不可，這是因?yàn)閮煞N元素同時(shí)加 入可相互促進(jìn)。在焊料中單獨(dú)加入鋁可提高焊料的抗氧化性，但對(duì)潤(rùn)濕性的作用 有限。在Sn-Zn二元合金中單獨(dú)加入釹對(duì)抗氧化性及潤(rùn)濕性無(wú)明顯作用。但同時(shí) 加入這兩種元素后，對(duì)兩項(xiàng)性能的改善作用極為明顯。值得注意的是，釹和鋁的 復(fù)合加入需要注意適當(dāng)?shù)呐浔?。例如，鋅的加入量在6-9%，當(dāng)鋁含量偏低時(shí)， 如低于0. 05 % ，釹的加入量就需適當(dāng)提高，比如可以在0. 05 ~ 0. 1 %之間，這樣 焊料的抗氧化性和潤(rùn)濕性達(dá)到最好匹配；為應(yīng)用于波峰焊，對(duì)焊料的抗氧化性要 求更高，鋁的加入量應(yīng)增加至0. 05 ~ 0. 1 % ，釹的加入量需低于0. 05 % 。3. 釹及鋁的加入同時(shí)對(duì)焊料的熔點(diǎn)及熔程、延展性等性能具有良好的作 用。首先，釹及鋁的的加入量都很低，不高于O. 1%,加入后不會(huì)導(dǎo)致合金的熔 點(diǎn)升高和熔程擴(kuò)大；此外，釹具有凈化晶粒的作用，有利于提高合金的延展性， 使合金更容易變形加工。鋁與鉍等導(dǎo)致合金脆化的元素不同，這種元素的加入更 有利于合金保持良好的延展性。


圖1 Nd、 A1復(fù)合加入對(duì)Sn-Zn合金潤(rùn)濕性的影響的曲線圖。 圖2 Sn-Zn-Nd-Al與Sn-37Pb抗氧化性比較的曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下的實(shí)施例被用來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。并沒(méi)有打算將其以 任何方式限制范圍。 實(shí)施例1一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，配方為，重量百分比 Zn 2~10%;Nd和AI共 0.002 — 0.2 %,且Nd和Al的量都大于0; 雜質(zhì)《0. 05 % ; Sn 余量。其中Zn的含量可以為2% 、 2.5%、 3%、 6.2%、 7.4%、 8.97%、 10%; Al和 Nd的含量可以分別為0. 001%、 0.003 %、 0.012%、 0.023%、 0.034%、 0.05 % 、 0. 08 % 、 0. 1 % ;雜質(zhì)的含量小于等于0. 05 % ，余量為錫。實(shí)施例2一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，配方為，重量百分比Zn 6 ~ 9 % ;Nd 0. 001 ~ 0. 05 % ;Al 0. 05 ~ 0. 1%;雜質(zhì)《0. 05 % ;Sn 余量。其中Zn的含量可以為6. 1%、 6.4%、 6.8%、 7.2%、 7.6%、 8.0%、 8.3%、 8. 5 % 、 8. 9 % ; Al可以為0. 05 % 、 0. 058 % 、 0. 065 % 、 0. 092 % ; Nd含量可以為 0.0012%、 0.035 %、 0.05%;余量為錫。實(shí)施例3一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，配方為，重量百分比Zn6 ~ 9 % ;Nd0, 05 ~ 0. 1%;Al 0. 001 ~ 0.05%;雜質(zhì)《0. 05 % ;Sn 余量。其中Zn的含量可以為6. 1%、 6.4%、 6.8%、 7.2%、 7.6%、 8.0%、 8.3%、 8. 5 % 、 8. 9 % ; Al分別為0. 0015 % 、 0. 035 % 、 0. 5 % ; Nd含量分別為0. 05 % 、 0.06%、 0.095 %、 0.1%;余量為錫。實(shí)施例4一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料,Zn2 %;Nd 0.001%;Al 0. 1%;雜質(zhì) < 0. 05 % ;Sn 余量。實(shí)施例5一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，Zn6 %;Nd 0.0018%;Al 0. 91%;雜質(zhì)《0. 05 % ;Sn 余量。實(shí)施例6一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料,Zn 7.2%;Nd0. 05 % ;Al 0. 51%;雜質(zhì)《0. 05 % ;Sn 余量。配方為，重量百分比:配方為，重量百分比:配方為，重量百分比:實(shí)施例7一種錫_鋅基無(wú)鉛焊料，Zil 9 % ;Nd0. 1 % ;Al 0. 001%;雜質(zhì)《0. 05 %;Sn 余量。實(shí)施例8一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，Zn6. 8 % ;Nd 0.0078 %;Al 0. 061°/ ;雜質(zhì)《0. 05 % ;Sn 余量。實(shí)施例9一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料, Zn6. 8 %; Nd 0.0078 %; Al 0. 0061%;雜質(zhì) < 0. 05 %;Sn 余量。配方為，重量百分比:配方為，重量百分比:配方為，重量百分比:實(shí)施例10一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，配方為，重量百分比: Zn 6. 5 % ; Nd0. 068 % ; Al 0.071%;雜質(zhì) < 0. 05 % ;Sn 余量。實(shí)施例11由圖1可以清楚的看出當(dāng)復(fù)合加入Nd和Al后，焊料的潤(rùn)濕力顯著增大， 潤(rùn)濕時(shí)間大大縮短，表明焊料的潤(rùn)濕性明顯提高。圖2表明在相同加熱溫度和時(shí)間條件下，焊料增重量越少即圖中曲線越 低，說(shuō)明表面形成的氧化物越少，焊料的抗氧化性越好。圖中Sn-Zn焊料的氧化 增重量最高，表明其抗氧化性最差。而加入Nd和Al后，形成的四元合金氧化增 重量下降，甚至低于Sn-37Pb，表明其抗氧化性超越了傳統(tǒng)的Sn-37Pb焊料，抗 氧化性得到極大改善。實(shí)施例12按質(zhì)量比Sn: Nd=19: 1、 Sn: Al=19: 1分別將錫和4女、還有錫和鋁在真空感應(yīng) 爐中熔煉制備錫釹中間合金和錫鋁中間合金，熔煉溫度為分別為750。C土20。C和 650°C ± 20°C。釆用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至400°C ± 20'C熔 化，保溫30min士10min后將錫釹中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫 10min土2min后澆注。若需進(jìn)一步防止氧化，只需使用KC1-LiCl共晶鹽熔劑覆蓋 的方法進(jìn)行保護(hù)。澆注后的得到的鑄錠可直接進(jìn)行擠壓或拉拔等形變工藝制造成 型材供波峰焊或手工焊作為焊接材料。為應(yīng)用于再流焊，需先將焊料通過(guò)噴霧制 取焊料顆?；蚍勰賹⒑噶吓c助焊劑混合后形成焊膏。其中，制備錫釹中間合金的溫度可以是730。C、 750°C、 765°C、 77(TC,制備 錫鋁中間合金的溫度可以是630。C、 650匸、670t:，錫、鋅加熱的溫度可以是 380°C、 400°C、 420°C,保溫時(shí)間可以是20min、 30min、 40min,錫釹中間合金、 錫鋁中間合金加入后j呆溫時(shí)間可以是8min、 10min、 12min。實(shí)施例13按質(zhì)量比Sn: Nd=19: 1、 Sn: Al=19: 1分別將錫和釹、還有錫和鋁在真空感應(yīng) 爐中熔煉制備錫釹中間合金和錫鋁中間合金，熔煉溫度為分別為75(TC和630 。C。采用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至38(TC熔化，保溫20min后 將錫釹中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫8min后澆注。若需進(jìn)一步防止氧化，只需使用KCl-LiCl共晶鹽熔劑覆蓋的方法進(jìn)行保護(hù)。澆注后的得到的 鑄錠可直接進(jìn)行擠壓或拉拔等形變工藝制造成型材供波峰焊或手工焊作為焊接材 料。為應(yīng)用于再流焊，需先將焊料通過(guò)噴霧制取焊料顆?；蚍勰賹⒑噶吓c助 焊劑混合后形成焊膏。實(shí)施例14按質(zhì)量比Sn: Nd=19: 1、 Sn: Al=19: 1分別將錫和釹、還有錫和鋁在真空感應(yīng)爐中 熔煉制備錫釹中間合金和錫鋁中間合金，熔煉溫度為分別為730。C和650°C。采 用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至400。C熔化，保溫30min后將錫釹 中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫10min后澆注。若需進(jìn)一步防止氧 化，只需使用KC1-LiCl共晶鹽熔劑覆蓋的方法進(jìn)行保護(hù)。澆注后的得到的鑄錠 可直接進(jìn)行擠壓或拉拔等形變工藝制造成型材供波峰焊或手工焊作為焊接材料。 為應(yīng)用于再流焊，需先將焊料通過(guò)噴霧制取焊料顆粒或粉末，再將焊料與助焊劑 混合后形成焊膏。實(shí)施例15按質(zhì)量比Sn: Nd=19: 1、 Sn: Al=19: 1分別將錫和釹、還有錫和鋁在真空感應(yīng)爐中 熔煉制備錫釹中間合金和錫鋁中間合金，熔煉溫度為分別為770。C和670°C。采 用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至420。C熔化，保溫40min后將錫釹 中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫12min后澆注。若需進(jìn)一步防止氧 化，只需使用KCl-LiCl共晶鹽熔劑覆蓋的方法進(jìn)行保護(hù)。澆注后的得到的鑄錠 可直接進(jìn)行擠壓或拉拔等形變工藝制造成型材供波峰焊或手工焊作為焊接材料。 為應(yīng)用于再流焊，需先將焊料通過(guò)噴霧制取焊料顆?；蚍勰?，再將焊料與助焊劑 混合后形成焊膏。
權(quán)利要求
1.一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，其特征在于配方為，重量百分比Zn2～10％；Nd和Al共 0.002～0.2％，且Nd和Al的量都大于0；雜質(zhì) ≤0.05％；Sn余量。
2. 如權(quán)利要求1所述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，其特征在于配方為，重量百分比 Zn 6 ~ 9 % ;Nd 0. 001 ~ 0. 05 % ; Al 0.05~0.1%; 雜質(zhì)《0. 05 % ; 其余為Sn。
3. 如權(quán)利要求1所述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，其特征在于配方為，重量百分比 Zn 6 ~ 9 % ;N(l 0. 05 ~ 0. 1 % ; Al0.001 - 0.05 %; 雜質(zhì)《0. 05 % ; 其余為Sn。
4. 制備如權(quán)利要求1 ~ 3任一所述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，其特征在于步驟為A: 按質(zhì)量比Sn: Nd=19: 1、 Sn: Al=19: 1分別將錫和釹、還有錫和鋁在真空感應(yīng)爐中 熔煉制備錫釹中間合金和錫鋁中間合金，熔煉溫度分別為75(TC ± 20。C和650匸 土20。C;B:采用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至熔化，保溫至充分熔合后將 錫釹中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫后澆注制得成品。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子器件焊接及表面封裝材料領(lǐng)域，公開(kāi)了一種錫-鋅基無(wú)鉛焊料，其配方為，重量百分比Zn 2～10％；Nd和Al共0.002～0.2％，且Nd和Al的量都大于0；雜質(zhì)≤0.05％；Sn余量。制備所述的錫-鋅基無(wú)鉛焊料，步驟為A按質(zhì)量比Sn∶Nd＝19∶1、Sn∶Al＝19∶1分別將錫和釹、還有錫和鋁在真空感應(yīng)爐中熔煉制備錫釹中間合金和錫鋁中間合金，熔煉溫度分別為750℃±20℃和650℃±20℃；B采用中頻感應(yīng)爐制備無(wú)鉛焊料，將錫、鋅加熱至400℃±20℃熔化，保溫30min±10min后將錫釹中間合金、錫鋁中間合金加入并攪拌，保溫10min±2min后澆注制成成品無(wú)鉛焊料。中間也可以使用KCl-LiCl共晶鹽熔劑覆蓋防止氧化。本發(fā)明制備的錫-鋅基無(wú)鉛焊料具有優(yōu)良的抗氧化性和潤(rùn)濕性。
文檔編號(hào)B23K35/26GK101214586SQ20081001933
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者健 周, 孫揚(yáng)善, 李培培, 烽 薛, 丹 黃 申請(qǐng)人:東南大學(xué)