专利名称：低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金及其制备方法
技术领域：
本发明是有关于一种焊锡合金及其制备方法，且特别是有关于一种低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金及其制备方法。
背景技术：
目前，全球焊料行业面临着严峻的技术挑战，电子产品无铅化技术经过这几年的发展已越来越成熟。下一代无铅焊料先进的SAC合金技术，即是在锡、银、铜的基础上添加其他合金元素；低银或无银合金焊料；混合合金等新技术的研发任务迫在眉睫。目前研发、应用低银无铅焊锡与工艺相关的性能问题熔点要低，与Sn63Pb37锡铅焊料相当；润湿性良好，扩展性与Sn63Pb37锡铅焊料相当；成本尽可能低、无毒性等。与可靠性相关的性能问题导电、导热性要与Sn63Pb37锡铅焊料相当；抗拉强度、剪切强度、抗蠕变、抗疲劳性能良好，与Sn63Pb37锡铅焊料相当；焊接材料尽量要与元器件、PCB、设备、助焊剂以及工艺条件等一系列的相关要素相适应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金及其制备方法，低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的润湿性较高，扩展性较好，焊点的抗拉强度、抗蠕变、抗疲劳等综合性能较好，且成本较低。
为达上述目的，本发明提供了一种低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其化学成份按重量百分比计算为0.1-1.0％的Ag、0.3-3.0％的Cu、0.1-1.0％的Sb、0.008-0.03％的P、0.006-0.08％的Ce、余量的Sn。
优选地，低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为0.1％的Ag、3.0％的Cu、1.0％的Sb、0.008％的P、0.006％的Ce余量的Sn。
低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为0.6％的Ag、1.6％的Cu、0.6％的Sb、0.019％的P、0.01％的Ce、余量的Sn。
低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为0.5％的Ag、1.6％的Cu、0.1％的Sb、0.01％的P、0.019％的Ce、余量的Sn。
低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为0.5％的Ag、2.6％的Cu、0.6％的Sb、0.03％的P、0.027％的Ce、余量的Sn。
低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为1.0％的Ag、1.6％的Cu、0.6％的Sb、0.018％的P、0.03％的Ce、余量的Sn。
低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为0.5％的Ag、3.0％的Cu、1.0％的Sb、0.01％的P、0.019％的Ce、余量的Sn。
本发明的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的制备方法包括下列步骤 (1)制造中间合金 在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚熔化，原材料按比例配料计算好，放入石墨坩埚内，P、Ce低熔点及活性元素加入二次料斗中，因为比较活泼，容易氧化烧损，影响其收得率，所以P、在加入熔池中之前，须向真空室内冲入一定量的惰性气体Ar进行保护，合炉抽真空，待金属材料全部熔化后，P在＜400℃、Ce在＜950℃的条件下，进行合金化，焊锡溶液均匀后浇铸成相应的中间合金。
a、在真空中频感应熔炼炉中以90∶10的重量百分比制备Sn-Ag中间合金，升温至1080℃，待锡银合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成锡银合金锭。
b、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比制备Sn-Cu中间合金，升温至1130℃，待锡铜合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成锡铜合金锭。
c、在真空中频感应熔炼炉中以90∶10的重量百分比制备Sn-Sb中间合金，升温至720℃，待锡锑合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成锡锑合金锭。
d、在真空中频感应熔炼炉中以98∶2的重量百分比制备Sn-P中间合金，当坩埚里形成熔池，向炉内充入惰性气体(Ar)，升温至350℃，从料斗中向熔池里加入磷，锡磷合金液合金化，磁力搅拌5分钟左右至均匀，静置10分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成锡磷合金锭。
e、在真空中频感应熔炼炉中以97.5∶2.5的重量百分比制备Sn-Ce中间合金，当坩埚内形成熔池，向炉内充入惰性气体(Ar)，升温至900℃，从料斗中向熔池里加入铈，锡铈合金液合金化，磁力搅拌5分钟左右至均匀，静置10分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成锡铈合金锭。
(2)将SnAg、SnCu、SnSb、SnP、SnCe中间合金加上不足的锡量按照无铅焊锡合金比例进行重量配比。将纯锡熔化后，升温至350-400℃，先投入SnAg、SnCu、SnSb中间合金，熔化后搅拌15分钟，温度降低至350℃以下后，再加SnP、SnCe中间合金，均匀化后去渣、去杂质后铸成所需的锡条(或锡锭)。
本发明的SnAgCuSb系低银无铅焊锡合金，铅含量能有效控制在＜100ppm的范围内，更加环保，本锡料熔点略比传统的锡铅焊料高，湿润性及扩展性与传统锡铅焊料相比略有提高，焊点的抗拉强度、抗蠕变、抗疲劳等综合性能较好，与传统锡铅焊料相比略有提高，该焊锡合金成本较低，产品的性价比也较高。
图1为采用差示扫描量热仪对本发明实施例1进行热分析得到的差示扫描量热(DSC)曲线； 图2为采用差示扫描量热仪对本发明实施例2进行热分析得到的差示扫描量热(DSC)曲线； 图3为采用差示扫描量热仪对本发明实施例3进行热分析得到的差示扫描量热(DSC)曲线； 图4为采用差示扫描量热仪对本发明实施例4进行热分析得到的差示扫描量热(DSC)曲线； 图5为采用差示扫描量热仪对本发明实施例5进行热分析得到的差示扫描量热(DSC)曲线； 图6为采用差示扫描量热仪对本发明实施例6进行热分析得到的差示扫描量热(DSC)曲线。
具体实施例方式 为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
实施例1低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比(wt％)计算为0.1％的Ag、3.0％的Cu、1.0％的Sb、0.008％的P、0.006％的Ce余量的Sn。
该低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的制备方法如下 (1)制造中间合金在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚熔化，原材料按上述比例配料计算好，放入石墨坩埚内，P、Ce低熔点及活性元素加入二次料斗中(因为比较活泼，容易氧化烧损，影响其收得率，所以P、Ce在加入熔池中之前，须向真空室内冲入一定量的惰性气体Ar进行保护)，合炉抽真空，待金属材料全部熔化后，在适当温度保温，进行合金化，焊锡溶液均匀后浇铸成相应的中间合金。
a、在真空中频感应熔炼炉中以90∶10的重量百分比制备Sn-Ag中间合金，升温至1080℃，待锡银合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnAg合金锭。
b、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比制备Sn-Cu中间合金，升温至1130℃，待锡铜合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnCu合金锭。
c、在真空中频感应熔炼炉中以90∶10的重量百分比制备Sn-Sb中间合金，升温至720℃，待锡锑合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnSb合金锭。
d、在真空中频感应熔炼炉中以98∶2的重量百分比制备Sn-P中间合金，当坩埚里形成熔池，向炉内充入惰性气体(Ar)，升温至350℃，从料斗中向熔池里加入磷，锡磷合金液合金化，磁力搅拌5分钟左右至均匀，静置10分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnP合金锭。
e、在真空中频感应熔炼炉中以97.5∶2.5的重量百分比制备Sn-Ce中间合金，当坩埚内形成熔池，向炉内充入惰性气体(Ar)，升温至900℃，从料斗中向熔池里加入铈，锡铈合金液合金化，磁力搅拌5分钟左右至均匀，静置10分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnCe合金锭。
(2)将SnAg、SnCu、SnSb、SnP、SnCe中间合金加上不足的锡量按照无铅焊锡合金比例进行重量配比。将纯锡熔化后，升温至350-400℃，先投入SnAg、SnCu、SnSb中间合金，熔化后搅拌15分钟，温度降低至350℃以下后，再加SnP、SnCe中间合金，均匀化后去渣、去杂质后铸成所需的锡条(或锡锭)。
采用热分析仪器对该无铅锡焊合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见图1，其各项性能检测数据见表2～表3。
实施例2低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比(wt％)计算为0.6％的Ag、1.6％的Cu、0.6％的Sb、0.019％的P、0.01％的Ce、余量的Sn，其制备方法同实施例1，采用热分析仪器对该无铅锡焊合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见图2，其各项性能检测数据见表2～表3。
实施例3低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比(wt％)计算为0.5％的Ag、1.6％的Cu、0.1％的Sb、0.01％的P、0.019％的Ce、余量的Sn，其制备方法同实施例1，采用热分析仪器对该无铅锡焊合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见图3，其各项性能检测数据见表2～表3。
实施例4低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比(wt％)计算为0.5％的Ag、2.6％的Cu、0.6％的Sb、0.03％的P、0.027％的Ce、余量的Sn，其制备方法同实施例1，采用热分析仪器对该无铅锡焊合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见图4，其各项性能检测数据见表2～表3。
实施例5低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比(wt％)计算为1.0％的Ag、1.6％的Cu、0.6％的Sb、0.018％的P、0.03％的Ce、余量的Sn，其制备方法同实施例1，采用热分析仪器对该无铅锡焊合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见图5，其各项性能检测数据见表2～表3。
实施例6低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比(wt％)计算为0.5％的Ag、3.0％的Cu、1.0％的Sb、0.01％的P、0.019％的Ce、余量的Sn，其制备方法同实施例1，采用热分析仪器对该无铅锡焊合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见图6，其各项性能检测数据见表2～表3。
实施例1-6中的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金配方，具体如表1所示表1SnAgCuSb系无铅焊锡合金配方
将上述编号1-6中的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金进行性能测试，化学成分的质量百分比检测结果见表2 表2试样化学成分检测结果
上述编号1-6中的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的熔点、扩展率、抗拉强度及三秒润湿力见表3 表3试样熔点、扩展率、抗拉强度及三秒润湿力检测结果
编号1的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金经差示扫描量热仪(Diamond DSC)检测，得到差示扫描量热(DSC)曲线见图1，从图1中看出，该低银无铅焊锡合金有两个相变，其固相线温度为219.66℃，液相线温度为223.25℃。采用该焊锡合金进行电子元器件上的焊接实验，具有良好的润湿性和抗氧化性，其机械性能优于传统锡铅合金国家标准。
编号2的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金经差示扫描量热仪(Diamond DSC)检测，得到差示扫描量热(DSC)曲线见图2，从图2中看出，该低银无铅焊锡合金有两个相变，其固相线温度为218.99℃，液相线温度为225.08℃。采用该焊锡合金进行电子元器件上的焊接实验，具有良好的润湿性和抗氧化性，其机械性能优于传统锡铅合金国家标准。
编号3的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金经差示扫描量热仪(Diamond DSC)检测，得到差示扫描量热(DSC)曲线见图3，从图3中看出，该低银无铅焊锡合金有两个相变，其固相线温度为218.38℃，液相线温度为225.48℃。采用该焊锡合金进行电子元器件上的焊接实验，具有良好的润湿性和抗氧化性，其机械性能优于传统锡铅合金国家标准。
编号4的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金经差示扫描量热仪(Diamond DSC)检测，得到差示扫描量热(DSC)曲线见图4，从图4中看出，该低银无铅焊锡合金有两个相变，其固相线温度为219.04℃，液相线温度为225.80℃。采用该焊锡合金进行电子元器件上的焊接实验，具有良好的润湿性和抗氧化性，其机械性能优于传统锡铅合金国家标准。
编号5的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金经差示扫描量热仪(Diamond DSC)检测，得到差示扫描量热(DSC)曲线见图5，从图5中看出，该低银无铅焊锡合金的固相线温度为219.60℃，液相线温度为222.96℃。采用该焊锡合金进行电子元器件上的焊接实验，具有良好的润湿性和抗氧化性，其机械性能优于传统锡铅合金国家标准。
编号6的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金经差示扫描量热仪(Diamond DSC)检测，得到差示扫描量热(DSC)曲线见图6，从图6中看出，该低银无铅焊锡合金的固相线温度为219.63℃，液相线温度为226.64℃。采用该焊锡合金进行电子元器件上的焊接实验，具有良好的润湿性和抗氧化性，其机械性能优于传统锡铅合金国家标准。
本发明的低银无铅焊锡合金，在以Sn为基体中添加Ag、Cu、Sb、P、Ce元素。加入含量较低的银，银的导电导热性较好，有一定的塑性，能提高焊锡的蠕变强度，焊接强度和延伸率，增强焊锡的润湿性能。铜具有好的导电导热耐蚀性和很好的焊接性能，因为焊锡在焊接时所接触的母材大部分均为铜材料，所以在锡基体中加入铜，它们之间的互溶性、润湿性好，能提高焊点的可靠性。锑能够在焊锡中阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用，从而有利于提高焊锡的力学性能。磷的加入能显著提高焊锡料的抗氧化性。焊锡料在作业过程中，会产生金属氧化物，而磷的加入能有效抑制氧化物的生成，起到脱氧的作用，另外磷对铜的焊接性能有很好的影响，并提高焊接性能的扩展性(流动性好)，有利于改善机械性能。在焊料中加入Ce，焊料能够对材质起到净化作用，提高材料的导电、导热性能，起细化晶粒的作用，有利于提高焊锡料的塑性，焊点的强度、延伸率等机械性能，还提高了产品的性价比。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
权利要求
1.一种低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
0.1-1.0％的Ag
0.3-3.0％的Cu
0.1-1.0％的Sb
0.008-0.03％的P
0.006-0.08％的Ce
余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
0.1％的Ag
3.0％的Cu
1.0％的Sb
0.008％的P
0.006％的Ce
余量的Sn。
3.根据权利要求1所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
0.6％的Ag
1.6％的Cu
0.6％的Sb
0.019％的P
0.01％的Ce
余量的Sn。
4.根据权利要求1所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
0.5％的Ag
1.6％的Cu
0.1％的Sb
0.01％的P
0.019％的Ce
余量的Sn。
5.根据权利要求1所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
0.5％的Ag
2.6％的Cu
0.6％的Sb
0.03％的P
0.027％的Ce
余量的Sn。
6.根据权利要求1所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
1.0％的Ag
1.6％的Cu
0.6％的Sb
0.018％的P
0.03％的Ce
余量的Sn。
7.根据权利要求1所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金，其特征在于，其化学成份按重量百分比计算为
0.5％的Ag
3.0％的Cu
1.0％的Sb
0.01％的P
0.019％的Ce
余量的Sn。
8.一种根据权利要求1至7中任意一项所述的低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的制备方法，其特征在于包括下列步骤
(1)制造中间合金
a、在真空中频感应熔炼炉中以90∶10的重量百分比制备SnAg中间合金，升温至1080℃，待SnAg合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnAg合金锭；
b、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比制备SnCu中间合金，升温至1130℃，待SnCu合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnCu合金锭；
c、在真空中频感应熔炼炉中以90∶10的重量百分比制备SnSb中间合金，升温至720℃，待SnSb合金液熔化且磁力搅拌均匀，静置30分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnSb合金锭；
d、在真空中频感应熔炼炉中以98∶2的重量百分比制备SnP中间合金，当坩埚里形成熔池，向炉内充入惰性气体，升温至350℃，从料斗中向熔池里加入磷，SnP合金液合金化，磁力搅拌5分钟至均匀，静置10分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnP合金锭；
e、在真空中频感应熔炼炉中以97.5∶2.5的重量百分比制备SnCe中间合金，当坩埚内形成熔池，向炉内充入惰性气体，升温至900℃，从料斗中向熔池里加入铈，SnCe合金液合金化，磁力搅拌5分钟至均匀，静置10分钟后铸锭，出炉空冷脱模后成SnCe合金锭；
(2)将SnAg、SnCu、SnSb、SnP、SnCe中间合金和锡按照无铅焊锡合金比例进行重量配比，将纯锡熔化后，升温至350-400℃，先投入SnAg、SnCu、SnSb中间合金，熔化后搅拌15分钟，温度降低至350℃以下后，再加SnP、SnCe中间合金，均匀化后去渣、去杂质后铸成所需的锡条或锡锭。
全文摘要
本发明提供了一种低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金及其制备方法。低银SnAgCuSb系无铅焊锡合金的化学成份按重量百分比计算为0.1-1.0％的Ag、0.3-3.0％的Cu、0.1-1.0％的Sb、0.008-0.03％的P、0.006-0.08％的Ce、余量的Sn。本发明的SnAgCuSb系低银无铅焊锡合金，铅含量能有效控制在＜100ppm的范围内，更加环保，本锡料熔点略比传统的锡铅焊料高，湿润性和扩展性与传统锡铅焊料相比略有提高，焊点的抗拉强度、抗蠕变、抗疲劳等综合性能较好，与传统锡铅焊料相比略有提高，该焊锡合金成本较低，产品的性价比也较高。
文档编号C22C13/00GK101831574SQ201010183510
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者吴宇宁 申请人:南京达迈科技实业有限公司