专利名称：无铅锡基软焊料的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊料合金，特别是无铅焊料合金，主要用于电子行业的无铅化组装和封装。
背景技术：
电子行业用高频变压器是由线状的铜线卷绕而成，变压器线轴的卷绕开始处和卷绕终了处的端部引线需要与卷轴下端设置的端子接脚等电极相连接。传统的连接方式是采用锡铅焊锡进行浸焊。然而近几年来，人们越来越关注铅对环境的污染和对身体健康的损害，许多国家已相继出台了一系列法令和法规来防止电子产品所带来的生态问题，限制铅在电子产品中的使用。在无铅化绿色制造这一大趋势下，变压器端部引线也开始了无铅封接。
目前已开发出的无铅焊料主要有Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Zn和Sn-Ag-Cu等，并通过添加Ag、Cu、P、Ni、In、Bi等元素获得不同性能的系列产品。如千住金属工业株式会社的JS3027441专利和艾奥瓦州立大学的US5527628专利，分别公开了各自的Sn-Ag-Cu系列无铅焊料；松下电器产业株式会社的CN1087994C专利和北京工业大学的CN1586793A专利申请公开了各自开发的Sn-Zn系列无铅焊料；千住金属工业株式会社的CN1496780A专利申请公开了一种Sn-Cu系列无铅焊料；韩国三星电机株式会社的CN1040302C、CN1040303C专利和CN1139607A专利申请公开了Sn-Bi系列无铅焊料等。
高频变压器铜线表面覆有绝缘涂层，浸焊过程中需要400℃的焊接温度来去除浸渍在熔融焊料中的铜引线表面涂层。由于浸焊温度较高，目前适用于变压器引线焊接的无铅焊料只有Sn-Cu焊料。Sn-Cu无铅焊料虽然在焊接性、物理和力学性能等方面能满足封装工艺，然而该焊料在浸焊过程中存在对铜引线的溶蚀程度较大这一明显缺点，即在浸焊过程中作为母材的铜引线会大量溶解到熔融的锡液中，从而导致引线线径变细程度较大，电子零件的引线断线事故率较高。这种溶蚀所导致的断线现象在细引线(直径小于0.1mm)浸锡过程中尤为严重。
发明内容
本发明要解决已知技术中的无铅焊料对铜引线溶蚀过大这一问题，为此提供本发明的无铅锡基软焊料，这种焊料对铜引线溶蚀程度较低，并具有低成本，高强度和良好润湿性的特点。
为解决上述问题，本发明分为以下数种焊料。
其一特殊之处是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu4.0-8.5％Bi0.1-2.6％Ni0.01-1.2％Sn余量其二特殊之处是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu4.0-8.5％Bi0.1-2.6％Ni0.01-1.2％P 0.001-0.15Sn余量其三特殊之处是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu4.0-8.5％Bi0.1-2.6％Ni0.01-1.2％RE0.001-0.3Sn余量其四特殊之处是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu4.0-8.5％Bi0.1-2.6％Ni0.01-1.2％P 0.001-0.15RE0.001-0.3Sn余量添加Cu元素可显著降低焊料对铜引线的溶蚀程度，Cu含量小于4.0％时其作用不明显；而Cu含量大于8.5％时，会导致熔融焊料熔点过高，黏度太大，不仅弱化了焊料的润湿性，还易导致引线端部沾锡太多而肥大变粗，发生垂下的柱状现象。本发明无铅锡基软焊料Cu含量选择在4.0-8.5％范围内。
添加元素Bi可显著降低焊料熔化温度，并提高焊料的润湿性。Bi含量小于0.1％时，其作用不明显；然而Bi含量大于2.6％时，会导致焊料塑性变差。本发明无铅锡基软焊料Bi含量选择在0.1-2.6％范围内。
Ni与Cu可无限固溶，添加Ni元素既能细化焊料合金组织，又能提高焊料的塑性。Ni含量小于0.01％时，其作用不明显；然而Ni含量大于1.2％时，焊料熔点高，黏度大，不仅弱化了焊料的润湿性，还易导致引线端部沾锡太多而肥大变粗。本发明无铅锡基软焊料Ni含量选择在0.01-1.2％范围内。
添加元素P可提高焊料的抗氧化性能，降低熔融焊料的产渣量。P含量小于0.001％时，其作用不明显；而P含量大于0.15％时，焊料塑性较差。本发明无铅锡基软焊料P含量选择在0.001-0.15％范围内。
添加RE元素能细化焊料合金的组织，提高焊料的力学性能。RE含量少于0.001％时，其作用不明显；然而RE含量超过0.3％时，RE易偏聚于晶界，导致合金力学性能较差。本发明无铅锡基软焊料RE含量选择在0.001-0.3％范围内。
本发明无铅锡基软焊料，经对以下本发明实施例焊料的测试与计算表明，其对变压器端部引线的溶蚀程度低，可焊性好，强度和抗氧化性能高，能大幅度提高变压器封装产品的成品率。
具体实施例方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明的无铅锡基软焊料。
实施例1将40.0Kg的Sn和10.0Kg的Cu放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度800℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含Cu20％的Sn-Cu中间合金。
将30.0Kg的Sn和20.0Kg的Bi放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度400℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含Bi40％的Sn-Bi中间合金。
将48.0Kg的Sn和2Kg的Ni放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为800℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含Ni4％的Sn-Ni中间合金。
将49.5Kg的Sn放入氧化铝坩锅中熔炼，熔炼温度为500℃；锡熔化后，用周边带有小孔的石墨钟罩将0.5Kg的P压入锡液中，并不断搅拌；保温8小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含磷1％的锡磷中间合金。
将48.0Kg的Sn和2.0Kg的RE放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1000℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含RE4％的Sn-RE中间合金。
取上述Sn-Cu中间合金1.025Kg，Sn-Bi中间合金0.138Kg，Sn-Ni中间合金0.125Kg和纯锡4.225Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例2取实施例1 Sn-Cu中间合金1.275Kg，Sn-Bi中间合金0.025Kg，Sn-Ni中间合金0.750Kg和纯锡3.587Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例3取实施例1 Sn-Cu中间合金1.550Kg，Sn-Bi中间合金0.188Kg，Sn-Ni中间合金0.375Kg，Sn-P中间合金0.375Kg和纯锡3.288Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例4取实施例1 Sn-Cu中间合金1.150Kg，Sn-Bi中间合金0.063Kg，Sn-Ni中间合金0.025Kg，Sn-P中间合金0.700Kg和纯锡3.638Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例5取实施例1 Sn-Cu中间合金1.800Kg，Sn-Bi中间合金0.188Kg，Sn-Ni中间合金0.875Kg，Sn-P中间合金0.010Kg，Sn-RE中间合金0.013Kg和纯锡3.015Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例6取实施例1 Sn-Cu中间合金2.100Kg，Sn-Bi中间合金0.238Kg，Sn-Ni中间合金0.500Kg，Sn-P中间合金0.250Kg，Sn-RE中间合金0.188Kg和纯锡2.775Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例7取实施例1 Sn-Cu中间合金1.550Kg，Sn-Bi中间合金0.163Kg，Sn-Ni中间合金1.375Kg，Sn-RE中间合金3.8g和纯锡2.684Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例8取实施例1 Sn-Cu中间合金1.800Kg，Sn-Bi中间合金0.138Kg，Sn-Ni中间合金0.375Kg，Sn-RE中间合金0.125Kg和纯锡3.463Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例9取实施例1 Sn-Cu中间合金1.275Kg，Sn-Bi中间合金0.300Kg，Sn-Ni中间合金0.188Kg，Sn-P中间合金0.500Kg，Sn-RE中间合金0.075Kg和纯锡3.300Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
实施例10取实施例1 Sn-Cu中间合金1.150Kg，Sn-Bi中间合金0.063Kg，Sn-Ni中间合金0.125Kg，Sn-P中间合金0.500Kg，Sn-RE中间合金0.313Kg和纯锡3.425Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软焊料条。
选用目前变压器铜线端部引线浸焊使用的Sn-0.7Cu和Sn-3.0Cu无铅焊料作为对比，实施例和对比例的成份见表1所示。
表1 焊料组分与含量
为评价本发明的焊料对铜引线的溶蚀程度，进行了溶蚀测试实验。并用剩铜率作为评价无铅焊料对基板溶蚀程度的评价指标剩铜率(％)＝浸焊后的Cu线直径/Cu线原始直径，采用千分尺测量铜线直径。剩铜率测试工艺为直径为0.100mm的Cu线在400℃下浸焊3秒，浸焊长度为4mm，测试结果见表2。由结果可见，本发明无铅焊料的剩铜率远高于对比例，因而本申请无铅焊料具有极佳的抗溶蚀能力。
表2 溶蚀性测试结果
按GB11364-89《钎料铺展性及添缝性试验方法》国家标准进行了扩展率测试，铺展基板为0.2mm厚的纯铜薄板。各焊料扩展率测试工艺均相同，测试温度为400℃，时间为10s，并采用相同的助焊剂，测试结果见表3。由表3可见，本发明的焊料其扩展率略高于对比例，即对铜线具有良好的润湿性能和焊接性。
根据JIS试验标准测试焊料拉伸强度，试验温度为25℃，测试结果见表3。由表3可见，本发明焊料的拉伸强度均高于对比例，满足焊接工艺对焊料的强度要求。
表3 焊料性能测试结果
为评价本发明无铅焊料的抗氧化性能，对表1中各实施例和对比例进行了产渣量测试将各实施例和对比例焊料50g在400℃下保温20小时，然后刮下液态焊料表面的氧化膜，并用分析天平称氧化膜的质量，测试结果见表4。由结果可见，本申请无铅焊料产渣率均比Sn-0.7Cu和Sn-3.0Cu焊料低得多，这说明本发明无铅焊料具有良好的抗氧化性能，可以显著降低焊料使用者的生产成本。
表4 焊料在400℃下的产渣量测试结果
权利要求
1.一种无铅锡基软焊料，其特征是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu 4.0-8.5％Bi 0.1-2.6％Ni 0.01-1.2％Sn 余量。
2.一种无铅锡基软焊料，其特征是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu 4.0-8.5％Bi 0.1-2.6％Ni 0.01-1.2％P 0.001-0.15Sn 余量。
3.一种无铅锡基软焊料，其特征是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu 4.0-8.5％Bi 0.1-2.6％Ni 0.01-1.2％RE 0.001-0.3Sn 余量。
4.一种无铅锡基软焊料，其特征是以该焊料总质量计它由以下质量百分数的组分组成Cu 4.0-8.5％Bi 0.1-2.6％Ni 0.01-1.2％P 0.001-0.15RE 0.001-0.3Sn 余量。
全文摘要
对焊接对象浸焊过程中溶蚀度低，可焊性好，强度和抗氧化性能高的无铅锡基软焊料，有以下四项，每项以其总质量计由下述质量百分数的组分组成1.4.0－8.5％Cu，0.1－2.6％Bi，0.01－1.2％Ni，余量为Sn；2.4.0－8.5％Cu，0.1－2.6％Bi，0.01－1.2％Ni，0.001－0.15P，余量为Sn；3.4.0－8.5％Cu，0.1－2.6％Bi，0.01－1.2％Ni，0.001－0.3RE，余量为Sn；4.4.0－8.5％Cu，0.1－2.6％Bi，0.01－1.2％Ni，0.001－0.15P，0.001－0.3RE，余量为Sn。本发明适用于电子行业无铅化组装和封装。
文档编号B23K35/26GK101036961SQ20061004984
公开日2007年9月19日 申请日期2006年3月15日 优先权日2006年3月15日
发明者王大勇, 顾小龙 申请人:亚通电子有限公司