一种Sn?Zn?Bi系无铅焊料合金及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种Sn?Zn?Bi系无铅焊料合金及其制备方法，按质量百分比计，所述无铅焊料合金的元素组成为：Zn：6?8％，Bi：1?3％，Ti：0.2?1％，Al：0.02?0.1％，B：0.001?0.005％，余量为Sn。与现有技术相比，本发明提供的Sn?Zn?Bi系无铅焊料合金具有较好的焊点结合强度，同时具有较好抗氧化性和润湿性。
【专利说明】
一种Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金及其制备方法
技术领域
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[000?]本发明属于金属材料领域，具体涉及一种Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金及其制备方法。
【背景技术】
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[0002]Sn-Pb焊料在电子工业的应用已有相当长的时间，由于它具有较低的熔点、较高的性价比以及易获得性，使其成为最主要的低温焊料体系，被广泛用于有色金属、食品容器、建筑、机械以及管道装置的焊接等领域。然而，随着信息时代的到来，电子产品层出不穷，这些电子产品在造福人类的同时，其所含有的铅也日益污染生态环境和人类的身体健康。WEEE指令和RoHS指令的颁布，象征着无铅焊料正式成为时代的主流，根据指令的要求，从2006年7月I日起，在欧洲市场上销售的电子和电器设备中禁止使用铅等6种有毒有害物质，其中铅的质量分数不得超过0.10%。美国、日本等国也相继出台了相关限制含铅焊料的法案，我国政府也及时制定了《电子信息产品生产污染防治管理办法》，并于2006年7月开始执行。
[0003]Sn-Zn系焊料是目前在电子封装工业中替代Sn-Pb焊料的一种无铅焊料，与Sn-Pb共晶焊料的熔点十分接近，因此引起了人们的关注。Sn-Zn-Bi三元系焊料合金有许多优点，它的成本低廉，Bi元素能够显著地降低Sn-Zn焊料的表面张力，有效地提高焊料合金的润湿性能。Sn-Zn-Bi系焊料合金的蠕变性能较好，拉伸强度优于Sn-Pb共晶焊料，延展性大体与其相同，可以拉成线材使用。合金中的Zn与铜基板和铝基板均具有较好的亲和力。这些都有利于其推广。
[0004]对Sn-Zn系焊料人们对其进行了多方面的研究，也获得了很多实质性的进展和成就，但在实际中也显示了一些不足之处。Sn-Zn系焊料与基板的结合强度和焊点的可靠性较差，同时添加Bi元素以后，合金的塑性等机械性能也有所降低。特别是当焊点经过一定时间的时效后，焊点的可靠性和耐冲击的性能明显降低。此外，Zn是极易氧化的元素，含Zn较多的熔体表面更容易形成氧化物，且形成的氧化物没有保护熔体的作用，从而导致焊料的抗氧化性较差，限制了焊料合金的应用。
【发明内容】
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[0005]鉴于上述现有技术的实际问题，本发明的目的是针对现有的Sn-Zn-Bi系焊料合金在焊接可靠性，焊点强度低的不足，提供一种在具有较好的焊点结合强度，同时能够具有较好抗氧化性的无铅焊料合金，应当指出的是下面所说的组成都以质量百分比表示。
[0006]一种Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金，其元素组成及其质量百分比为:
[0007]Zn:6-8%
[0008]B1:1-3%
[0009]T1:0.2-1%
[0010]A1:0.02-0.1%
[0011]B:0.001-0.005%
[0012]Sn:余量
[0013]所述无铅焊料合金用于低温钎焊，具有优异的抗氧化性能，基体中分散的Ti3Al和TiB2颗粒能够显著提高焊点结合强度。
[00? 4] 上述Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金的制备方法包括以下步骤:
[0015](I)将按比例称好的纯Sn锭放在熔炼炉，并通入高纯N2保护性气体；
[0016](2)熔炼炉升温到450°C，待纯Sn锭完全熔化后，加入纯Zn和纯Bi，保温Ih;
[0017](3)将称好的Al-15T1-5B中间合金、纯Al和纯Ti加入熔融的合金液中，升温至650°C_750°C并进行搅拌，保温5-30min，所述纯Ti为棒状或片状；
[0018](4)待熔炼均匀后，扒渣，把熔融合金浇铸成焊料块或焊料条，最后加工成焊丝、焊料箔片或焊料粉。
[0019]以质量比计，T1:Al= 10。
[0020]本发明所述的无铅焊料合金以Sn、Zn、Bi作为主要成分，其中还有T1、Al、B的成分。特别指出，由于本发明的焊料合金中含有诸如Zn、Al、Ti等非常容易氧化并容易在焊料合金表面上发生偏析的成分，因此，在以下表示的组成中，所有各种成分的组成都是指它们各自在焊料合金中的平均组成。
[0021]本发明所述无铅焊料合金的特征在于，其中除了含有Sn作为基体之外，同时无铅焊料合金优选Zn的成分含量为6-8%，焊料合金中不宜添加过高含量的Zn，Zn含量过高时一方面会导致焊料合金的抗氧化性差，主要是由于金属Zn的易氧化性造成，另一方面将造成焊料合金的润湿性差，主要是由于当焊料和基板焊接时，高含量的Zn导致焊料合金抗氧化性差以及与基界面反应剧烈。
[0022]优选Bi的成分含量为1-3%，传统Sn-Zn系焊料合金的应用受到严重制约的一个重要条件是润湿性较差，本发明中的Bi元素能够显著的降低Sn-Zn系熔融焊料合金的表面张力，提高焊料合金的润湿性。但Bi的含量不能过多，过多的Bi极易导致引起合金塑性的降低，导致焊料合金的脆性增大。
[0023]另外，本发明所述的无铅焊料合金优选在其成分中含有0.001-0.005%的B和
0.02-0.1 %的Al，且焊料合金中的B和部分Al是以添加0.02-0.1 %的Al_15Ti_5B中间合金的形式实现，其余Al以纯铝形式加入。Al-15T1-5B中间合金B全部以稳定的TiB2颗粒的形式存在。本发明所述的无铅焊料合金优选在其成分中含有0.2-1%的Ti，由于上述所添加的
0.02-0.1 %Al-15T1-5B中间合金引入的Ti含量为0.003-0.015%,其余Ti均以纯钛的形式加入。
[0024]当合金中T1: Al (质量比)=10，部分Ti与Al充分反应形成Ti3Al颗粒，部分以TiB2形式存在，其余Ti以固溶体的形式存在。Ti3Al和TiB2都能够稳定的在焊料合金中存在，并且当较小尺寸的Ti3Al和TiB2颗粒的作为第二相增强颗粒均匀弥散在焊料合金当中时，通过颗粒与位错的交互作用，阻碍位错运动，可以有效地提高焊点强度，提高焊料抗冲击的可靠性。另外，固溶的Ti可以优先与氧反应，在熔融焊料的液面瞬间形成一层薄而致密的氧化膜，该氧化膜能够有效地隔离外界的氧进入到膜内，能够抑制熔融焊料中的Zn发生氧化，从而显著提高焊料合金的抗氧化性能。但是合金中的Ti不能过量，否则焊料合金本身的硬度增加，从而难以确保焊料的耐热循环性，同时由于这时焊料合金的熔点增高，导致其作业性变差。【具体实施方式】:
[0025]下面结合具体实施例，进一步阐述发明。应说明的是:以下实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0026]实施例1
[0027]制备时添加的组分按质量百分比计如下:纯Zn为8%，纯Bi为3%，纯Ti为0.985%，纯铝为0.02%，Al-15T1-5B中间合金为0.1%，根据上述的无铅焊料合金的制备方法得到焊料合金，其中第(3)步温度设定为750°C，保温30min。上述配比得到的合金的各金属元素按质量百分比如下:
[0028]Zn: 8%
[0029]B1: 3%
[0030]Al:0.1%
[0031]Ti:l%
[0032]B:0.005%
[0033]Sn:余量。
[0034]实施例2
[0035]制备时添加的组分按质量百分比计如下:纯Zn为6%，纯Bi为2%，纯Ti为
0.4925%，纯铝0.01%，Al-15T1-5B中间合金为0.05%，合金制备熔炼第(3)步温度设定为700°C，保温20min。其余步骤同实施例1，上述配比得到的合金的各金属元素按质量百分比如下:
[0036]Zn: 6%
[0037]B1: 2%
[0038]Al:0.05%
[0039]Ti:0.5%
[0040]B:0.0025%
[0041]Sn:余量。
[0042]实施例3
[0043]制备时添加的组分按质量百分比计如下:纯Zn为8%，纯Bi为I%，纯Ti为0.197%，纯铝0.004%41-151^-58中间合金为0.02%，合金制备熔炼第(3)步温度设定为650°(:，保温5min。其余步骤同实施例2，上述配比得到的合金的各金属元素按质量百分比如下:
[0044]Zn: 8%
[0045]Bi:l%
[0046]Al:0.02%
[0047]T1:0.2%
[0048]B:0.001%
[0049]Sn:余量。
【主权项】
1.一种Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金，其特征在于，所述无铅焊料合金的元素组成及其质量百分比为: Zn: 6-8% Bi: 1-3% Ti:0.2-1% A1:0.02-0.1% B:0.001-0.005% Sn:余量 所述无铅焊料合金用于低温钎焊，具有优异的抗氧化性能，基体中分散的Ti3Al和TiB2颗粒能够显著提高焊点结合强度。2.如权利要求1所述的一种Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤: (1)将按比例称好的纯Sn锭放在熔炼炉，并通入高纯N2保护性气体； (2)熔炼炉升温到450°C，待纯Sn锭完全熔化后，加入纯Zn和纯Bi，保温Ih; (3)将称好的Al-15T1-5B中间合金、纯Al和纯Ti加入熔融的合金液中，升温至650°C-750°C并进行搅拌，保温5-30min，所述纯Ti为棒状或片状； (4)待熔炼均匀后，扒渣，把熔融合金浇铸成焊料块或焊料条，最后加工成焊丝、焊料箔片或焊料粉。3.如权利要求2所述的一种Sn-Zn-Bi系无铅焊料合金的制备方法，其特征在于，以质量比计，T1: Al = 10。
【文档编号】B23K35/40GK106041353SQ201610446314
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】李冲, 张新, 刘永长, 余黎明, 李会军
【申请人】天津大学