[发明专利]一种高温下低熔蚀的无铅搪锡合金

说明书

技术领域

本发明属于电子及电器制造领域，涉及电子及电器元件焊脚表面高温热镀锡(搪锡)所使用的锡基合金，具体地说是一种Sn-Ni基高温下低熔蚀的无铅搪锡合金。

背景技术

在电子及电器制造工业领域中，以锡基钎料进行软钎焊是最常用的连接技术之一，主要应用于金属与金属之间的电和机械连接。现代工业中，铜是目前最好的导电金属，因此软钎焊主要被用于铜及铜合金的连接。由于在自然条件下放置，铜或铜合金表面存在一层天然的氧化膜，在实际焊接时，熔融的锡基焊料不易在有氧化膜的铜基材表面铺展与润湿。为了克服这一缺点，现代工业一般在电子元件制造工艺中添加一道焊脚表面镀锡工艺来解决，铜或铜合金表面镀锡后，熔融的锡焊料在镀锡表面的润湿性大为提高，由此保证了后续母材具有良好的可焊性。

目前，铜或铜合金的表面镀锡工艺主要有电镀或热浸镀两种，后者工业上也称搪锡。一般而言，电镀工艺相对比较复杂，其不但要求待镀零件有良好的表面准备，精确控制的电镀条件，而且还要有一定的镀后处理；此外，电镀废液的排放还涉及高额的废水处理成本，特别是目前世界各主要工业国相继提高了排放标准，因此电镀锡的生产成本有大幅上升的趋势。作为对比，搪锡工艺相对比较简单，它是将铜基体(铜丝、铜片等)直接浸入高温熔融的锡或锡合金，通过固/液界面反应，待表面沾上一层锡后，迅速从高温熔融的锡取出，凝固后形成表面热镀锡层。这种工艺一般不需要后续的表面处理，也没有电镀废水排放的问题，因此是一种节能减排工艺。随着国家对环境污染问题的逐渐重视，可以预见，将来在本领域，高温搪锡工艺将具有很强的技术竞争力。

传统的热搪锡合金主要是锡铅共晶合金(Sn63％-Pb37％)，其熔点为183℃，由于这种合金的原料成本较低和共晶合金本身的流动性良好，因而曾被工业界广泛使用。近年来，由于世界各国政府对电子及电器工业中使用重金属铅而导致环境污染问题的重视，世界各国相继对电子及电器工业中使用重金属铅进行了限制或禁止。经过大量的科学研究工作，目前工业界已开发一些无铅合金替代原先的锡铅共晶合金。例如，对于在Cu基体上搪锡，主要以Sn-Cu合金为代表，目前常用的无铅合金是共晶或过共晶的锡铜合金，含铜量为0.7wt％-4wt％，其中合金元素铜的主要作用是在高温搪锡时减少铜基体的液态锡中的溶解速度，其依据的科学原理是一种固体金属在接近自身饱和溶解度的熔体中，由于固/液界面的溶解平衡而不易被再溶解。

采用共晶或过共晶的锡铜无铅合金进行热搪锡作业时遇到的一个主要问题是对搪锡温度的限制，根据铜-锡二元相图，Sn-Cu共晶点为227℃(含Cu0.7wt％)，当温度升高时，铜在锡中的饱和溶解度将急剧升高，当搪锡温度达到300℃时，铜在锡中的饱和溶解度已接近4％，而温度达到400℃时，铜在液态锡中的饱和溶解度将接近8％，由于大量的铜溶解于液态锡中，增大过共晶合金的熔体粘度，后者又急剧降低合金本身的液体流动性，由此对搪锡作业造成很大困难，因此铜含量不宜过高。而对铜含量较高的Sn-4％Cu合金而言，搪锡温度不宜超过300℃，否则铜基体在液态锡中的溶解速度将急剧上升。

然而，电子及电器工业中经常需要在超过300℃的高温下进行搪锡作业，特别是一些表面带有漆包线的细铜丝表面搪锡，生产中要求细铜丝在不去除表面漆膜的情况下直接进行表面搪锡，以减少相关的工艺环节，节省生产成本。生产实践表明，漆包线表面的漆膜一般要求浸入350-400℃高温的热锡中才能迅速去除，因此有关工业要求合金的搪锡温度提高到这一温度范围，以满足生产上直接进行表面搪锡的技术要求，提高生产高效率。然而正如前所述，当搪锡温度升高时，由于铜在锡中的饱和溶解度也将急剧升高，在350-400℃高温范围，Sn-4％Cu合金已远低于其饱和溶解度，这时铜的溶解速度将迅速增加。在此条件下，对一些直径较细的铜丝而言，搪锡过程中，浸入时间的控制必须十分严格，时间太短，表面漆膜尚未脱除，铜丝表面尚未粘锡，而时间稍长，由于铜的高速溶解，铜丝已在熔融锡中完全溶解，两者均造成搪锡失败。因此，如何有效减少高温下铜在熔融锡合金中的溶解度是目前高温搪锡工艺中迫切要解决的技术关键之一。

发明内容

为了克服高温搪锡过程中铜在液态锡中快速溶解的问题，本发明提供一种新的可供高温搪锡的低熔蚀无铅锡基合金。

本发明的主要技术方案是：

一种高温下低熔蚀的无铅搪锡合金，通过在工业纯锡中添加少量的镍，形成Sn-Ni基合金，由于合金中含有少量的镍，它有效减少高温下铜在锡中溶解速度，从而易于实现工业上对高温热搪锡的技术需求。