专利名称：一种具有优越性价比的无铅焊料的制作方法
技术领域：
本发明涉及无铅焊料，更具体地涉及一种适合用于电子组装与封装及电器设备、通讯器材、汽车等钎焊焊料的无铅焊料。
背景技术：
焊料的使用可谓历史悠久，从古罗马用铅锡接水管到现代电子工业中的广泛使用，据统计每年世界约有20000吨铅被用于电子行业中。目前我们所使用的焊料是Sn-Pb共晶合金，含铅37％，熔点是183℃，它与基底材料的耐热性能接近，并且具有良好的可焊性、导电性及较低的价格等优点，因而被广泛使用。但是铅是一种具有多亲和性毒物，在体内具有蓄积性，不易排出体外，铅对体内各组织器官都有毒性作用，主要损害神经系统、造血系统、消化系统及人体免疫系统，并危及人类及动物的生育能力。废旧电子产品掩埋在土壤中，其焊料中的铅经渗透会对土壤造成污染，渗入地下水将严重危及人类健康。铅污染的问题已引起世界各国的极大关注，许多国家已把治理“电子垃圾”作为当务之急。
目前正在研究的锡基无铅焊料为(1)Sn-Cu系合金焊料Sn-Cu共晶合金，组成为99.3Sn-0.7Cu，熔点大约为227℃，有很多优点，但明显不足之处是熔点过高。
(2)Sn-Bi系合金焊料组成为42Sn-58Bi，共晶温度为138℃，熔点低，性能与Sn-Pb相似，但缺点是Bi资源有限，价格高，且热稳定性不及Sn-Pb合金。
(3)Sn-Ag系合金焊料Sn-Ag系无铅焊料，是以96.5Sn-3.5Ag其晶焊料为基础，添加一定的Cu、Bi、In等金属组成。Sn-Ag系焊料的优点是耐疲劳性明显优于Sn-Pb共晶焊料，抗拉强度、初期强度和长期强度都比Sn-Pb优越。但存在的问题是价格昂贵，熔点偏高。
(4)Sn-Zn系合金焊料典型组成为91Sn-9Zn，共晶温度为198℃，其特点是熔点与Sn-Pb共晶焊料相近；延展性与Sn-Pb共晶焊料大体相同；抗拉强度和抗蠕变性比Sn-Pb共晶焊料优越；成本低。缺点是易氧化，焊渣多，焊膏的保存稳定性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优越性价比的新型无铅焊料。
本发明的无铅焊料含有(按重量％)5～20的Zn、0.2～5的Al、0～2.5的Sb、0～1.5的Cu，余量为Sn和不可避免的杂质。
通常，本发明涉及的无铅焊料含有(按重量％)8～10的Zn、0.4～0.6的Al，余量为Sn和不可避免的杂质，其熔化温度为188～198℃，可替代现有Sn-Pb共晶合金；本发明涉及的无铅焊料含有(按重量％)8～12的Zn、0.4～1.0的Al、0.5～1.5的Cu，余量为Sn和不可避免的杂质，其熔化温度为188～220℃，可用于对焊接强度和熔点有特殊要求的场合；本发明涉及的无铅焊料含有(按重量％)8～14的Zn、0.4～0.7的Al、0.2～0.7的Sb，余量为Sn和不可避免的杂质，其熔化温度为188～230℃，可替代现有Sn-Pb钎料。
本发明的无铅焊料可通过一般方法浇铸制造，即秤重金属原料，熔融制备Zn-Al、Zn-Al-Sb、Sn-Cu中间合金，再将Sn熔化，加入Zn-Al、Zn-Al-Sb、Sn-Cu中间合金，注意搅拌，完全熔化后快速冷却，使各元素相互间的固溶度提高，且析出物细化和弥散。上述操作可以在空气中进行，也可在真空中或在惰性气体保护下进行。
在现有的锡基无铅焊料研究体系中，从成本和丰度考虑，Sn-Zn合金焊料是最具实用价值的一种。我们的研究发现，Sn-Zn合金的氧化本质是Zn的氧化，因为Zn的氧化层是疏松的，它不能有效地阻止Sn-Zn合金进一步被氧化，因而其氧化过程是连绵不断的，必然造成Sn-Zn合金焊料易氧化、焊渣多、焊膏的保存稳定性差等现象。本发明用Al元素作为抗氧化剂，配置出具有优良抗氧化性能的Sn-Zn-Al三元准共晶合金，准共晶点温度为188℃，液固两相共存区的温度范围为2-4℃。
微观机理解析由于Al是面心立方结构，具有各向同性的特征，所以Sn-Zn-Al合金在凝固时，Al是以高度弥散的微小质点的形式析出并分布于合金基体中，每一个微小质点都对周围一定范围内的合金基体产生抗氧化保护作用，这样，用较少量的Al，就能起到理想的抗氧化效果。
在Sn-Zn-Al合金中加入一定量的Cu、Sb，能与Sn形成金属间化合物，对疲劳裂纹的扩展能起有效的阻碍作用，并能调节焊料合金的湿润性、导电性及导热性。本发明的无铅焊料不含有害物质Pb，其熔点和熔化区间与现有的Sn-Pb共晶合金极为接近，且具有优良的抗氧化性能。该焊料显示出优越的性价比，与现有焊接设备和工艺有良好的相容性。
图1是Sn-Zn-Al准共晶合金的升温和降温曲线，其熔化点和凝固点温度约为188℃，液固两相共存的温度区间2～4℃。
具体实施例方式
实施例1按(重量％)配比秤重金属原料，Zn为8.8、Al为0.5、余量为Sn，放入炉中冶炼，熔化后浇铸即可得Sn-Zn-Al合金焊料，其升降温曲线如图1所示，可知Sn-Zn-Al三元合金准共晶点温度约为188℃，与Sn-Pb合金的共晶温度183℃非常接近。用常规的电烙铁对Sn-Zn-Al无铅焊料进行焊接试验，能顺利上锡和焊接。热循环试验表明Sn-Zn-Al三元合金有十分优秀的抗氧化性能。
实施例2按(重量％)配比秤重金属原料，Zn为10、Al为0.5、Cu为0.8、余量为Sn，放入炉中冶炼，熔化后浇铸即可得Sn-Zn-Al-Cu合金焊料，有十分优秀的抗氧化性能。
实施例3按(重量％)配比秤重金属原料，Zn为10、Al为0.5、Sb为0.3、余量为Sn，放入炉中冶炼，熔化后浇铸即可得Sn-Zn-Al-Sb合金焊料，可替代现有Sn-Pb钎料(非共晶型)，有十分优秀的抗氧化性能。
本发明的无铅焊料合金可以通过现有技术中已知的一般制作方法获得各种物理形式，如糊、粉、块、棒和丝等，进而适应于多种焊接工艺，如回流焊、波峰焊和手工焊等，亦可在喷镀和涂敷技术中使用。
权利要求
1.一种具有优越性价比的无铅焊料，其特征在于含有(按重量％)5～20的Zn、0.2～5的Al、0～2.5的Sb、0～1.5的Cu，余量为Sn和不可避免的杂质。
2.按权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于含有(按重量％)8～10的Zn、0.4～0.6的Al，余量为Sn和不可避免的杂质。
3.按权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于含有(按重量％)8～12的Zn、0.4～1.0的Al、0.5～1.5的Cu，余量为Sn和不可避免的杂质。
4.按权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于含有(按重量％)8～14的Zn、0.4～1.2的Al、0.2～0.8的Sb，余量为Sn和不可避免的杂质。
全文摘要
本发明提供了一种无铅焊料，其特征在于含有(按重量％)5～20的Zn、0.2～5的Al、0～2.5的Sb、0～1.5的Cu，余量为Sn和不可避免的杂质。该焊料不含有害物质Pb，其熔点和熔化区间与现有的Sn－Pb合金极为接近，且具有优良的抗氧化性能。该焊料显示出优越的性价比，与现有焊接设备和工艺有良好的相容性。
文档编号B23K35/26GK1443626SQ03116488
公开日2003年9月24日 申请日期2003年4月16日 优先权日2003年4月16日
发明者袁明永 申请人:浙江大学