[发明专利]锡－铜基无铅焊料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子器件加工和焊接材料领域，特别涉及一种无铅焊料。

背景技术

由于欧盟的相关立法已经实施，含铅电子产品已经不能出口到欧盟地区，这大大推动了世界各国电子行业推行无铅化生产。焊料供应商需要提供满足各种不同焊接形式需求的无铅焊料。代替Sn-Pb系合金的焊料以Sn为主，另添加能产生低温共晶的Ag、Cu、Zn、Sb、Bi、In等元素，且要求无铅焊料的性能必须达到或接近Sn-Pb合金。然而到目前为止，还没有找到一种能够直接完全替代Sn-Pb合金的无铅焊料。其中，Sn-Cu系合金由于不含稀贵金属，成本较低，且与母材的兼容性好，原料资源较丰富等，被认为具有良好的应用前景。然而在高温下，特别是在热浸焊和波峰焊等工艺环境中，这种合金抗氧化性较差，不能达到Sn-Pb焊料的水平。因此，提高合金的抗氧化性是该合金推广应用的关键。新开发的Sn-Cu-Ni等合金具有较好的抗氧化性，但Ni等高熔点合金元素的合金化工艺要求较高，导致生产成本增加。选用低熔点的合金元素替代这些高熔点合金元素，改善Sn-Cu焊料的抗氧化性是十分有意义的。

发明内容

为了解决现有的无铅焊料的抗氧化性较差，成本较高的缺点，本发明提出了一种具有优异的抗氧化性且低成本的锡-铜基无铅焊料，其配方为，重量百分比：

Cu    0.2～1.0％；

Al    0.001～0.1％；

杂质  ≤0.01％；

Sn    余量。

上述的锡-铜基无铅焊料更优选的配方为，重量百分比：

Cu    0.3～0.7％；

Al    0.01～0.05％；

杂质  ≤0.01％；

其余为Sn。

制备所述的锡-铜基无铅焊料，步骤为：

A：按质量比Sn∶Al＝19∶1将锡和铝在真空感应炉中熔炼制备锡铝中间合金，熔炼温度为650℃±20℃；

B：采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至熔化，保温直至充分熔合后将锡铝中间合金加入并搅拌，保温后浇注制成成品。

本发明的焊料可以制成丝、棒、锭、粉、片或球等各种形式，尤其适用于波峰焊中。

为了描述优选的无铅焊料的组成，除另有说明外，与百分比相关的所有数值都是重量百分比(wt％)。

当涉及到任何数值范围时，则包括所述范围内最大和最小值之间的各个数和全部数和/或部分。比如，0.3～0.7％的铜的范圈将明确地包括0.31％、0.52％、0.53％或0.6％直至0.7％的全部或部分中间值。这同样也适用于下文中的其它元素范围。

当术语“基本上没有”用于本文时，这指的是不含显著量的那种有意加于该焊料成份中的元素，被理解到的是，可以找到痕量的难以避免的元素和/或杂质进入所预期的最终产品中的途径。比如，由于不可避免的添加物的污染或通过与某些处理和/或盛放设备的接触，本发明的全部实施方案都是无铅的。

本发明的有益效果为：1.成分简单，原料易得，成本低。不含有Ag、Ge等贵重金属元素及Ni、Cr、Ti等高熔点元素，在达到甚至超过其它Sn-Cu系焊料性能的同时降低了合金的熔炼要求和成本。

2.通过Al的添加提高了焊料的抗氧化性。Al的加入量十分关键。Sn-Cu焊料中形成的氧化物以SnO₂为主，它不同于Sn-Zn焊料中形成的氧化ZnO，因此Al在Sn-Cu焊料中的作用机理也不同，其合理的加入量也有差异。针对不同的应用环境和目的，Al的加入量可在0.001～0.1％范围内调整。当应用于波峰焊，对焊料的抗氧化性要求较高时，Al的最佳加入量在0.05％至0.1％；当合金应用于再流焊或手工焊，可将Al含量控制在0.001％至0.05％，以获得更好的润湿性。然而，Al的加入量不能超过0.1％，否则会导致焊料焊接时形成致密的氧化层，反而降低焊料的润湿性。

3.此外，加入适量的Al使得Sn-Cu焊料润湿性改善，凝固后形成的焊点饱满，光亮，可靠性高。Sn-Cu焊料的润湿力较大，但润湿时间长。加入Al的效果之一体现在缩短了Sn-Cu焊料的润湿时间。Sn-Cu焊料的熔点相对较高，在焊接时对元器件的热冲击较大。缩短润湿时间的意义在于可缩短元器件在高温下的保温时间，避免热冲击带来的损害。

4.环保，无毒。采用锡取代了有毒有害物铅，对环境的污染大大降低。

附图说明

图1Al对Sn-Cu合金抗氧化性的影响的曲线图。

图2Al对Sn-Cu合金润湿性的影响的曲线图。

具体实施方式