专利名称：锡-铜基无铅焊料及其制备方法
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"C ±20°C;
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%的铜的范圏将明确地包括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l.成分筒单，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A1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Sn02为主，它不同于Sn-Zn焊料中形成的氧化ZnO，因此A1 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O. 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. 此夕|-，加入這重的Al 1吏仔sn—(Ju汗种'/岡湿'r生汰吾'凝囚后W风的;c干,9、m 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A1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。
图1 A1对Sn-Cu合金抗氧化性的影响的曲线图。 图2 Al对Sn-Cu合金润湿性的影响的曲线图。
具体实施例方式
以下的实施例被用来进一步说明本发明的目的和优点。并没有打算将其以 任何方式限制范围。 实施例1
一种锡-铜基无铅焊料，配方为，重量百分比 Cu 0.2-1.0%; Al 0.001-0.1%; 杂质《0. 01 %;其中Cu的含量可以为0. 2 % 、 0. 25 % 、 0. 3 % 、 0. 32 % 、 0. 44 % 、 0. 57 % 、 0. 7 %、 1.0%; Al的含量可以为0. 001%、 0.003%、 0.012%、 0.023%、 0.034 %、 0.05%、 0.08%、 0.1%;杂质的含量小于等于0. 01 % ，余量为锡。
实施例2
一种锡-铜基无铅焊料，配方为，重量百分比: Cu0. 2 % ; Al 0.001%; 杂质 < 0. 01 %; Sn 余量。
实施例3
一种锡-铜基无铅焊料，配方为，重量百分比: Cu0. 32 %; Al 0.0051 %; 杂质 < 0. 01 %; Sn 余量。
实施例4
一种锡-铜基无铅焊料，配方为，重量百分比: Cu 0.42%; Al 0.081%; 杂质 < 0. 01 %; Sn 余量。
实施例5
一种锡-铜基无铅焊料，配方为，重量百分比: Cu0. 7 % ; Al 0.061%;杂质 < 0. 01 % ; Sn 余量。
实施例6
一种锡-铜基^L铅焊料，配方为，重量百分比 Cu0. 92 % ; Al 0.1%; 杂质《0. 01 %; Sn 余量。
实施例7
图1中Sn-Cu焊料的氧化增重量远远大于Sn-Cu-Al焊料的氧化增重量。在 相同加热温度和时间条件下，焊料增重量越少即图中曲线越低，说明表面形成的 氧化物越少，焊料的抗氧化性越好，反之则表明其抗氧化性差。当加入A1后， 形成的Sn-Cu-Al合金氧化增重量明显下降，表明其抗氧化性相对于Sn-Cu焊料 得到了极大改善。
由图2可以清楚的看出当加入A1后，焊料的润湿力虽然只有少量增大，但— 润湿时间明显缩短，表明Sn-Cu-Al焊料的润湿性相对于Sn-Cu有了明显的提 高。
实施例8
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°C ±20。C。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至400t: 土20r熔化，保温30min土10min后将锡铝中间合金加入并搅拌，保温10min土 2min后浇注。若需进一步防止氧化，只需使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法 进行保护。浇注后的得到的铸锭可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供 波峰焊或手工焊作为焊接材料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料 颗粒或i^分末，再将焊^F与助焊剂混合后形成焊膏。其中，制备锡铝中间合金的时候熔炼温度可以是630。C、 6WC、 670°C， 锡、锌加热熔化的温度可以是380°C、 400°C、 420t:，保温时间为20min、 32min、 35min、 40min，加入锡铝中间合金后的保温时间为8rain、 10min、 12min。
实施例9
按质量比Sri: 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650X:。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至400匸熔化， 保温30min后将锡铝中间合金加入并搅拌，保温10rain后浇注。若需进一步防止 氧化，只需使用KC1-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸 锭可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材 料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助 焊剂混合后形成焊膏。
实施例10
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630。C。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至42(TC熔化，保温 20min后将锡铝中间合金加入并搅拌，保温12min后浇注。若需进一步防止氧 化，只需使用KC1-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸锭 可直接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材料。 为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助焊剂 混合后形成焊膏。
实施例11
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670。C。采用中频感应炉制备无铅焊料，将锡、锌加热至380。C熔化，保温 40min后将锡铝中间合金加入并搅拌，保温8min后浇注。若需进一步防止氧化， 只需使用KCl-LiCl共晶盐熔剂覆盖的方法进行保护。浇注后的得到的铸锭可直 接进行挤压或拉拔等形变工艺制造成型材供波峰焊或手工焊作为焊接材料。为应用于再流焊，需先将焊料通过喷雾制取焊料颗粒或粉末，再将焊料与助焊剂混合 后形成焊膏。
权利要求
1.一种锡-铜基无铅焊料，其特征在于配方为，重量百分比Cu0.2～1.0％；Al0.001～0.1％；杂质 ≤0.01％；其余为Sn。
2. 如权利要求1所述的锡-铜基无铅焊料，其特征在于配方为，重量百分比 Cu 0. 3 ~ 0. 7 %;Al 0.05-0.1%; 杂质《0. 01 % ; 其余为Sn。
3. 如权利要求1所述的锡-铜基无铅焊料，其特征在于配方为，重量百分比 Cu 0. 3 ~ 0. 7 %;Al 0. 001 ~ 0. 05%; 杂质 < 0. 01 % ; 其余为Sn。
4. 制备如权利要求1 ~ 3任一所述的锡-铜基无铅焊料，其特征在于步骤为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°C 土20。C;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。
全文摘要
本发明属于电子器件加工和焊接材料领域，公开了一种锡-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。本发明的锡-铜基无铅焊料的制备方法为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。本发明制得的无铅焊料具有优良的抗氧化性和润湿性。
文档编号C22C1/03GK101264557SQ20081001936
公开日2008年9月17日 申请日期2008年1月7日 优先权日2008年1月7日
发明者严三元, 健 周, 孙扬善, 方伊莉, 烽 薛 申请人:常州市晶尔力金属制品厂;东南大学