[发明专利]一种高抗氧耐蚀SnZn基无铅钎料

说明书

技术领域

本发明涉及焊接材料，具体涉及一种适合用于电子装联钎焊焊接的无铅钎料。

背景技术

钎料的使用，实际已有几千年历史，而传统的锡铅钎料以其优异的性能和低廉的成本，近几百年来日渐得到人们的广泛应用，在无铅钎料导入前，一直是电子组装焊接中的主要焊接材料。

随着科技的进步和人们环保意识的提高，铅及其化合物对人类健康的危害及对环境的污染，越来越被人们所认知。ＲＯＳＨ等相关禁铅法令的颁布，等于宣告无铅钎料正式成为时代的主流，用无铅钎料代替传统的锡铅钎料已成为全球微电子制造领域的大趋势。钎料无铅化已成全球性环保生产的一个具体要求，并成为电子产业的基本技术要求。

在无铅化进程中，无铅钎料已在电子装联生产中被大面积应用，但市售常用的无铅钎料与传统的锡铅钎料相比，因其在实际应用中焊接工艺温度较高，很多电子组装材料与元器件为了能适应更高的焊接温度，而大大增加成本，这确实是电子装联工艺中的一个实际经济问题。

目前广泛应用于业界中的钎料主要是如锡银铜系列、锡铜系列等，其拥有较好的机械性能和热性能，缺点是熔点为227℃左右，焊接工艺温度为270℃左右。而传统的锡铅钎料共晶温度为183℃，焊接工艺温度为240℃，两者相比，前者的焊接工艺温度提升了30℃。而现行的很多线路板和元器件并不能承受270℃以上的高温，特别有些对温度较为敏感的电子元件，不得不继续沿用旧有的锡铅钎料。

对此人们对低温无铅钎料进行了多方面的研究，也获得了实质性的成就与进展，发明了许多新型钎料，但在实际中也显现了一些不足之处，如有的材料硬度太大；有的材料脆性，无法加工成所需的形状和尺寸；有的在自然界储量稀少，价格昂贵，可量产比例不高；有的合金成分固溶性差，容易导致偏析；有的焊点时效寿命不佳；有的可焊性差。

如果能有效解决Sn-Zn系钎料合金易受氧化和润湿力较低这两个弱点， Sn-Zn系钎料在资源可获得性、经济性、低毒性及力学性等方面，是较其他无铅钎料有着更明显的优势的，那该Sn-Zn系钎料合金也应该是电子工业中能大量使用的一种经济选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种高抗氧耐蚀SnZn基无铅钎料，使其成本相对较低，焊接温度与锡铅钎料相近，拉伸强度和抗蠕变性好，能有效降低锌的表面氧化，有较良的润湿性和耐腐蚀性，且具有良好的材料加工性、钎焊工艺性和焊点可靠性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种高抗氧耐蚀SnZn基无铅钎料，各组分的重量百分比为：1～4%的Bi，4～10%的Zn，0.001～1.0%的Al，0.001～0.1%的Ge，0.001～0.1%的Ga，余量为Sn。

本发明选择在Sn中加入Zn，利用Sn9Zn的共晶能有效降低钎料的熔化温度，且在加入Zn后，钎料的力学性能也明显提高。

在本发明的合金配方中选择加入Bi，可有效增加钎料的抗腐蚀能力，因SnZn基钎料在焊接接头上的锌的标准电极电位较负，Ｚn作为构成微腐蚀电池的阳极，Ｓｎ作为阴极，Ｚｎ作为保护电极而被首先腐蚀。由于这一理化特征，阳极区的腐蚀总是很难避免。其特点是，腐蚀总是在表面区和金属间化区产生，在环境诱导因素较多时（如水、盐、电解质、电荷等），这种情况更加严重，这就导致SnZn钎料的焊点可靠性能出现问题，而加入Bi元素为高电位元素，做为阳极组分有利于基体更趋钝化和惰性。在电极电位的变化上，加入少量Bi元素后，钎料的腐蚀电位提高，Bi等元素代替Zn作为腐蚀端，有效减少了Zn的腐蚀。

合理量的Bi的加入还可增加钎料的润湿能力，SnZn钎料界面的金属间化合物主要是锡锌化合物，该金属化合物的存在和生长将阻碍液态钎料的流动，使铺展面积减少。对于加入到SnZn钎料中的Bi元素，Bi与Sn互不相溶，而对Zn有很小的溶解度，因此Bi容易在表面结晶，而且其熔点较低，有利于扩散，因此有利于钎料的润湿。

本发明加入Al、Ge和Ga，能提高钎料的抗氧化性能。除少数惰性金属外，大多数的金属与合金在大气下都存在氧化现象。根据金属氧化物的标准，形成自由能越低越容易被氧化的特点，在Sn-Zn系钎料中加入Al、Ge、Ga等标准形成自由能低的元素，可抢先于氧气反应，先形成一层薄而致密的氧化膜，先形成的氧化膜则有效的隔离了外界的氧进入到膜内，从而有效的阻止了氧与锌等活泼金属的接触。此外，利用金属的原子价的不同，加入微量Al、Ge、Ga等元素可以减少氧化膜晶格缺陷的数目，可使其原来金属的耐氧化能力提高。