專利名稱：一種低成本錫鋅鉍銅無鉛焊料及其焊點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種錫鋅鉍銅合金焊料及其形成的焊點(diǎn)(縫)。在錫基合金中加入Zn， 可以改善其力學(xué)性能，并且降低合金的熔點(diǎn)。但當(dāng)焊料中Zn的含量少于6X時(shí)或多于10X 時(shí)，合金的液相線溫度都超過了20(TC，合金糊狀區(qū)較大，形成的焊點(diǎn)(焊縫)容易因凝固偏 析造成性能偏差。本發(fā)明經(jīng)多次試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊料中Zn的含量為6% -10%范圍內(nèi)焊 料未因Zn的氧化而受到強(qiáng)烈的影響，并可使?jié)櫇裥赃_(dá)到一定程度。 在錫基焊料合金中加入Bi，可以改善其蠕變強(qiáng)度，并可以提高Sn-Zn焊料的潤濕 鋪展性，但當(dāng)Bi的含量過高時(shí)，形成脆性的(富)Bi相組織，延伸率會(huì)明顯降低，破壞焊接 界面處的結(jié)合強(qiáng)度，影響使用可靠性。當(dāng)Bi含量小于3.0X時(shí)基本以固溶于P-Sn形式存 在，所以本發(fā)明經(jīng)多次試驗(yàn)比較，確定焊料中Bi的含量為1.0-3.0%，既可提高焊料潤濕性 又不影響焊點(diǎn)的脆性。 在錫基焊料合金中加入Cu能夠抑制焊接過程中的熔銅現(xiàn)象，也可以改善其力學(xué) 性能，此外Cu的加入還可以適度降低合金的熔點(diǎn)，改善焊料合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。但如果 Cu的含量低于0. 5%，效果不明顯，當(dāng)焊料中Cu的含量大于1. 0%時(shí)，會(huì)形成過量的Cu-Sn 脆性金屬間化合物，惡化焊點(diǎn)(縫)性能，以及因熔化溫度的上升影響焊接良率。所以，本發(fā) 明確定焊料中Cu的含量為0. 5-1. 0% 。從金相組織看，Sn-Zn-Bi中添加適量Cu元素后，巨 型長條狀富Zn相(如圖5、圖6中的a和b)消除，形成了離散的團(tuán)狀或豌豆?fàn)?見圖1_圖 4)Cu5Zn8金屬間化合物，提高了焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)Cu5Zn8金屬間化合物屬于穩(wěn)定的陶瓷 相，比富Zn相的氧化性大幅降低，提高了焊點(diǎn)的抗氧化、抗腐蝕性能。
本發(fā)明中焊料合金的每種元素在其選定的成分范圍內(nèi)熔點(diǎn)低于20(TC，接近于 Sn-Pb共晶熔點(diǎn)；潤濕、鋪展性能優(yōu)異，易于焊接；所形成的焊點(diǎn)(縫)具有較好的結(jié)合強(qiáng)度 和使用可靠性。 下面通過附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保 護(hù)范圍的限制。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例Sn-9. OZn-3. OBi-0. 7Cu金相組織；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例Sn-6. OZn-1. OBi-0. 5Cu金相組織；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例Sn-10. OZn-3. OBi-1. 0Cu金相組織； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例Sn-8. 0Zn_3. OBi_0. 5Cu金相組織； 圖5為本發(fā)明對(duì)比實(shí)施例Sn-8Zn-3Bi金相組織； 圖6為本發(fā)明對(duì)比實(shí)施例Sn-9Zn-lBi金相組織。
具體實(shí)施例方式
將鋅6_10%， Bil-3%， CuO. 5_1 %，錫余量質(zhì)量比的合金原料放入爐中冶煉，熔化
后澆鑄?？捎糜诟鞣N焊料產(chǎn)品，如焊料母合金、焊條、焊絲、焊帶、預(yù)成型焊片以及焊膏基料
的焊粉等。 實(shí)施例1 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-6. 0Zn_l. 0Bi_0. 5Cu。其 制備方法如下按配比將合金原料加入爐中冶煉，熔煉溫度設(shè)定為30(TC，當(dāng)全部合金成分 完全熔融后，適當(dāng)攪拌液態(tài)合金以消除重力偏析，攪拌均勻后澆鑄成條，備用。
實(shí)施例2 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-10. OZn-3. OBi_l. OCu。
其制備方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例3 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-9. 0Zn_3. OBi_0. 7Cu。其
制備方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例4 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-8. OZn-3. 0Bi_0. 7Cu。其
制備方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例5 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-8. 0Zn_3. 0Bi_0. 5Cu。其
制備方法同實(shí)施例1。
對(duì)比實(shí)施例1 —種無鉛錫鋅鉍焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-8Zn-3. 0Bi。其制備方法同 實(shí)施例1。 對(duì)比實(shí)施例2 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-8Zn-3. OBi-CuO. 2。其制
備方法同實(shí)施例1。
對(duì)比實(shí)施例3 —種無鉛錫鋅鉍銅焊料合金，其組分及質(zhì)量百分比為，Sn-9Zn-3. OBi-Cul. 5。其制
備方法同實(shí)施例1。 對(duì)比實(shí)施例4和對(duì)比實(shí)施例5的Sn-37Pb合金與無鉛Sn_9Zn為云南錫業(yè)有限公 司提供。 測試實(shí)驗(yàn)
1、熔點(diǎn)測量 熔點(diǎn)測試在升溫速率均為10°C /min條件下利用STA409PC差熱掃描量熱儀(TAInstrument)測試，樣品質(zhì)量為50mg，數(shù)值處理為軟件自動(dòng)計(jì)算得出；鋪展面積測試條 件為稱取0. 2g的合金與焊劑，在回流溫度245t:，基板為尺寸30X30X0. 3mm的無氧銅 板，表面除氧除污，回流熔化后靜止冷卻到室溫，焊劑所產(chǎn)生的暈達(dá)到焊點(diǎn)面積的4倍以 上，鋪展面積數(shù)據(jù)采用MIAPS圖像分析軟件計(jì)算。
2、試樣準(zhǔn)備 參照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 3198制備拉伸樣及銅焊接試樣測試。銅焊接試樣的加 劇惡化實(shí)驗(yàn)時(shí)效溫度分別為17(TC、時(shí)效時(shí)間分別為500h，時(shí)效處理是在DHG-9023A型電熱 恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行的，控溫精度為士1.(TC。 3、力學(xué)性能數(shù)據(jù)按照GB/T228-2002的方法在AG-50KNE型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上測 定，拉伸速度5mm/min，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測試三個(gè)試樣取平均值。 表1為本發(fā)明實(shí)施例焊料及對(duì)比焊料的成分配比及熔點(diǎn)和鋪展性對(duì)比。
表2為本發(fā)明實(shí)施例焊料及對(duì)比焊料的力學(xué)性能比較。
表3為典型焊接銅試樣時(shí)效穩(wěn)定性比較表。 通過表1可以看出本發(fā)明焊料的熔點(diǎn)均在200°C以下，而潤濕鋪展面積均在50mm2 以上，但鋪展面積總體上隨著Zn含量的增加而有所降低；從表2可以看出本發(fā)明焊料具有 較高的抗拉強(qiáng)度，這為較高的焊接質(zhì)量提供了有力保證；表3可以看出本發(fā)明焊料所形成 的焊接接頭具有良好的時(shí)效可靠性，在17(TC、500h條件下，時(shí)效后的銅焊接樣的抗拉強(qiáng)度 仍大于80MPa，且時(shí)效后性能降低均不大于6%。 圖l-圖6為典型Sn-Zn-Bi-Cu焊料金相組織及對(duì)比焊料金相組織照片。其 中圖1為Sn-9Zn-3Bi-0. 7Cu金相組織；圖2為Sn-6Zn-lBi-0. 5Cu金相組織；圖3為 Sn-10Zn-3Bi-l. OCu金相組織；圖4為Sn-8Zn-3Bi-0. 5Cu金相組織；圖5為Sn_8Zn_3Bi金 相組織；圖6為Sn-9Zn-lBi金相組織。在自然冷卻條件下，Sn-8Zn-3Bi和Sn-9Zn-lBi焊 料合金內(nèi)部均會(huì)形成巨型長條狀富Zn相，如圖5中的a和圖6中的b所示。由于Bi的添 加，降低了 Zn在13 -Sn中的固溶度，致使Sn-8Zn-3Bi釬料合金也出現(xiàn)初生富Zn相，隨Zn 的含量增加，條狀初生富Zn相增大，粗大的初生富Zn相的存在將成為裂紋萌生源，顯著的 降低釬料合金的性能。而在焊料中加入Cu元素后，粗大的初生富Zn相消除，形成了離散的 團(tuán)狀或豌豆?fàn)?見圖1-圖4)Cu5Zn8金屬間化合物，提高了焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)Cu5Zn8金 屬間化合物屬于穩(wěn)定的陶瓷相，比富Zn相的氧化性大幅降低，提高了焊點(diǎn)的抗氧化、抗腐 蝕性能。 表1Sn-Zn-Bi-Cu成分配比及基本性能表
焊料成分焊料熔點(diǎn)鋪展面積
('c)(Cu;mm2/0. 2g)
6

本實(shí)施例1Sn-6.OZn-l. OBi-0. 5Cu185-20059
發(fā)實(shí)施例2Sn-10.OZn-3. OBi-1. OCu185-20050
明實(shí)施例3Sn-9.OZn-3. OBi-0. 7Cu185-20051
焊實(shí)施例4Sn-8. 0Zn-3. OBi-O. 7Cu185-20054
料實(shí)施例5Sn-8. 0Zn-3. OBi-O. 5Cu185-20052
對(duì) 比 焊 料對(duì)比實(shí)施例1Sn-8Zn-3. OBi187-19757
對(duì)比實(shí)施例2Sn-8Zn-3Bi-0. 2Cu187-19756
對(duì)比實(shí)施例3Sn-9Zn-3Bi-l. 5Cu187-21048
對(duì)比實(shí)施例4Sn-9Zn19946
對(duì)比實(shí)施例5Sn-37Pb18369
表2典型焊料合金拉伸性能比較
焊料合金抗拉強(qiáng)度(MPa)
本發(fā)明 典型成Sn-8.OZn-3. OBi-0. 5Cu92
Sn-8, OZn-3, OBi-l.OCu92
分焊料Sn-9. OZn-3. OBi-0. 7Cu94
對(duì)Sn-8Zn-犯i-0. 2Cu85
比Sn-8Zn-3Bi88
焊Sn-9Zn50
料Sn-37Pb31
表3典型成分焊料銅焊接棒時(shí)效前后的拉伸性能
合金成分抗拉強(qiáng)度(MPa)時(shí)效前時(shí)效后
本發(fā)明焊 料典型成 分Sn-8. 0Zn-3. OBi-l. OCu8784
Sn-9.OZn-3. OBi-O. 7Cu8984
Sn-8. OZn-3. OBi-0. 5Cu8581
對(duì)比樣Sn-9Zn-犯i-l. 5Cu6541
Sn-8Zn-3Bi8073
權(quán)利要求
一種錫鋅鉍銅無鉛焊料，該焊料的組成和配比為Zn的質(zhì)量百分比含量6.0-10.0％，Bi的質(zhì)量百分比含量1.0-3.0％，Cu的質(zhì)量百分比含量0.5-1.0％，其余為Sn。
2. —種錫鋅鉍銅無鉛焊料所形成的焊點(diǎn)(或焊縫)，該焊點(diǎn)(或焊縫)采用通用的焊 膏回流、波峰焊接形成，或者通過預(yù)成形焊片、焊帶、焊球、焊絲等熱熔化焊接而成，由以下 焊料合金組成Zn的質(zhì)量百分比含量6. 0-10. 0%， Bi的質(zhì)量百分比含量1. 0-3. 0%， Cu的 質(zhì)量百分比含量O. 5-1.0%，其余為Sn。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本無鉛焊料，特別涉及一種低成本錫鋅鉍銅無鉛焊料及其所形成的焊點(diǎn)(或焊縫)，屬于釬焊材料技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明焊料的組分及其質(zhì)量百分比為Zn6.0-10.0％，Bi1.0-3.0％，Cu0.5-1.0％，余量為Sn。與Sn-Pb焊料和傳統(tǒng)Sn-Zn焊料相比，本發(fā)明提供了一種無污染且易于焊接的無鉛焊料合金。該焊料的優(yōu)點(diǎn)一是熔點(diǎn)低于200℃，此溫度低于IC封裝的耐熱溫度，接近于Sn-Pb共晶熔點(diǎn)，潤濕、鋪展性能優(yōu)異，易于焊接；二是全部采用了原材料成本低廉的合金化元素。該焊料所形成的焊點(diǎn)(縫)，具有較好的結(jié)合強(qiáng)度和使用可靠性。
文檔編號(hào)B23K35/26GK101733575SQ200810226519
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者張富文, 徐駿, 胡強(qiáng), 賀會(huì)軍, 金帥, 陳偉 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院;北京康普錫威焊料有限公司