专利名称：一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及合金领域，具体地说是一种无铅焊锡合金材料。
背景技术：
随着欧盟WEEE与RoHS的两个指令的实施以及国内电子产品污染防治办法的出台，国内电子制造业与焊锡制造业的全面无铅化将越来越紧迫，开发无铅焊锡，势在必行。为确保无铅焊锡的可焊性及焊后的可靠性，并要考虑到成本等问题，目前研发、应用无铅焊锡主要面临以下问题(1)无铅焊锡的熔点要低，要尽量接近63Sn37Pb合金的熔点183℃，大致在183℃-220℃之间。应具有较小的固液共存温度范围，控制在10℃之内比较合理，范围太宽则有可能发生焊点开裂使电子产品过早的损坏。(2)要求热、电学性能与传统合金相当，而且润湿性良好，以及焊点的抗拉强度、韧性、延展性和抗蠕变性能等机械性能与锡铅合金相当。(3)成本应尽可能的降低，焊锡低毒性，甚至无毒，不能因为无铅化后引入新的可对环境造成污染的成份。(4)要求与现有的设备与工艺兼容，要求无铅焊锡尽量与各类助焊剂相匹配。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术的不足，提供一种熔点低、固液共存温度范围窄、润湿性能较好、焊点机械性能高的SnAgCuBi系无铅焊锡合金，该焊锡的成本相对较低并且具有可取代现有锡铅焊锡的性能。
本发明采用以下技术方案实现本发明的SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其组成成分的重量百分比为0.1-3.0％的Ag、0.1-1.0％的Cu、0.1-3.0％的Bi、0.01-0.1％的Sb、0.01-0.1％的Ni、0.005-0.05％的La、0.005-0.05％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
具体的讲，所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为0.1％的Ag、0.7％的Cu、1.0％的Bi、0.01％的Sb、0.1％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为1.0％的Ag、0.5％的Cu、2.0％的Bi、0.05％的Sb、0.05％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为2.0％的Ag、0.1％的Cu、3.0％的Bi、0.1％的Sb、0.1％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为2.0％的Ag、0.5％的Cu、1.0％的Bi、0.05％的Sb、0.01％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为2.0％的Ag、0.5％的Cu、2.0％的Bi、0.05％的Sb、0.05％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为3.0％的Ag、0.5％的Cu、0.1％的Bi、0.01％的Sb、0.01％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为3.0％的Ag、1.0％的Cu、0.1％的Bi、0.01％的Sb、0.01％的Ni、0.01％的La、0.01％的P，以及余量的Sn。
本发明的无铅焊锡是以Sn为主体，添加Ag可增加焊锡的润湿性能，提高焊锡的焊接强度和焊点的延伸率。由于焊接所用之母材多数情况下为Cu基板，因此添加Cu有提高焊接强度、提高润湿性能的作用。添加Bi可以提高焊锡的润湿性能，并且可以降低焊锡的熔点。由于Bi为脆性材料，添加Bi之后会造成焊锡延伸率的下降，因此在焊锡中添加Sb或La，Sb或La可分散在焊锡中阻止晶粒的长大，改善焊锡的力学性能，此外La的添加还有利于焊锡蠕变特性的增强以及改善焊锡合金的表面润湿性能。本发明中添加Ni可抑止焊后焊点金属化合物层的长大，提高焊点的抗疲劳强度。此外由于焊锡中含有大量的Sn，会增加金属氧化物的产生量，因此添加P可以抑制Sn与氧结合产生的金属氧化物，提高焊接作业的操作性，提高焊接质量。
本发明中无铅焊锡的制备方法，其特征是采用了如下的制备步骤(1)制备中间合金在真空中频感应熔炼炉中配置石墨坩埚，原材料按比例放入石墨坩埚内，关闭炉体，抽真空，中频加热金属至适当温度保温，最后浇铸成相应的合金锭。
a、在真空中频感应熔炼炉中以70∶30的重量百分比例制备Sn-Ag合金，升温至1100℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡银合金锭。
b、在真空中频感应熔炼炉中以70∶30的重量百分比例制备Sn-Cu合金，升温至1200℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡铜合金锭。
c、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比例制备Sn-Bi合金，升温至500℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡铋合金锭。
d、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比例制备Sn-Sb合金，升温至800℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡锑合金锭。
e、在真空中频感应熔炼炉中以95∶05的重量百分比例制备Sn-Ni合金，升温至1600℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡镍合金锭。
f、在真空中频感应熔炼炉中以99∶01的重量百分比例制备Sn-La合金，升温至1000℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡镧合金锭。
g、在真空中频感应熔炼炉中以99∶01的重量百分比例制备Sn-P合金，升温至500℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡磷合金锭。
(2)将a、b、c、d、e、f项中间合金再加上不足的锡量按照焊锡合金比例进行重量配比，将合金料加入中频感应熔炼炉的石墨坩埚内加热升温至500℃保温30分钟。
(3)将熔炼的焊锡合金从500℃降温至350℃并加入符合配比的g项中的锡磷合金，搅拌均匀，出炉在锡条机上冷却浇铸成焊锡合金棒。
本发明焊锡以及中间合金的熔炼采用中频感应熔炼炉中进行。中频感应熔炼炉采用中频感应电流加热，因此对于金属的熔炼具有加热效率高的优点；在中频感应炉中熔炼金属材料，由于中频感应电流的存在对金属液体有磁力搅拌的效果，因此所生产之产品成分均匀；此外中频感应熔炼炉的炉体采用循环冷却水冷却，所以其冷却效率较高；对于需要较高温度熔炼之金属合金材料采用真空中频感应熔炼炉中进行，可以确保材料在高温下不受氧化的影响，熔炼过程损耗较低，合金成分均匀无杂质等。此外，熔炼均采用在高纯度石墨坩埚中进行，在感应炉中，石墨坩埚具有加热效率高，杂质少等特点，所熔炼之合金纯度较高。
同现有技术相比，该SnAgCuBi系无铅焊锡合金不含有任何铅的成分，更为环保，并且所述的无铅焊锡材料熔点低，热、电学性能与传统合金相当，而且润湿性良好，以及焊点的抗拉强度、韧性、延展性和抗蠕变性能等机械性能与锡铅合金相当。同时，本发明所述的焊锡合金制备工艺简单，能耗较低，能够使所制备的焊锡合金成分更加均匀、细化，提高了材料的可焊性。
图1是实施例1中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图2是实施例2中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图3是实施例3中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图4是实施例4中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图5是实施例5中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图6是实施例6中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图7是实施例7中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
图8是比较例中所述无铅焊锡合金在升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线。
具体实施例方式
结合以下实施例对本发明进行说明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag0.1％、Cu0.7％、Bi1.0％、Sb0.01％、Ni0.1％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn。
该无铅焊锡合金的制备方法如下按上述重量百分比例取各原料，先制备中间合金在真空中频感应熔炼炉中配置石墨坩埚，原材料按比例放入石墨坩埚内，关闭炉体，抽真空，中频加热金属至适当温度保温，最后浇铸成相应的合金锭。
a、在真空中频感应熔炼炉中以70∶30的重量百分比例制备Sn-Ag合金，升温至1100℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡银合金锭。
b、在真空中频感应熔炼炉中以70∶30的重量百分比例制备Sn-Cu合金，升温至1200℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡铜合金锭。
c、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比例制备Sn-Bi合金，升温至400℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡铋合金锭。
d、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比例制备Sn-Sb合金，升温至800℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡锑合金锭。
e、在真空中频感应熔炼炉中以95∶05的重量百分比例制备Sn-Ni合金，升温至1600℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡镍合金锭。
f、在真空中频感应熔炼炉中以99∶01的重量百分比例制备Sn-La合金，升温至1000℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡镧合金锭。
g、在真空中频感应熔炼炉中以99∶01的重量百分比例制备Sn-P合金，升温至500℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡磷合金锭。
(2)将a、b、c、d、e、f项中间合金再加上不足的锡量按照焊锡合金比例进行重量配比，将合金料加入中频感应熔炼炉的石墨坩埚内加热升温至500℃保温30分钟。
(3)将熔炼的焊锡合金从500℃降温至350℃并加入符合配比的g项中的锡磷合金，搅拌均匀，出炉在锡条机上冷却浇铸成焊锡合金棒。
采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图1，其各项性能检测数据见下表。
实施例2 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag1.0％、Cu0.5％、Bi2.0％、Sb0.05％、Ni0.05％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn，制备方法同实施例1。采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图2，其各项性能检测数据见下表。
实施例3 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag2.0％、Cu0.1％、Bi3.0％、Sb0.1％、Ni0.1％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn。，制备方法同实施例1。采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图3，其各项性能检测数据见下表。
实施例4 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag2.0％、Cu0.5％、Bi1.0％、Sb0.05％、Ni0.01％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn。制备方法同实施例1。采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图4，其各项性能检测数据见下表。
实施例5 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag2.0％、Cu0.5％、Bi2.0％、Sb0.05％、Ni0.05％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn，制备方法同实施例1。采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图5，其各项性能检测数据见下表。
实施例6 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag3.0％、Cu0.5％、Bi0.1％、Sb0.01％、Ni0.01％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn。制备方法同实施例1。采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图5，其各项性能检测数据见下表。
实施例7 该SnAgCuBi系无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag3.0％、Cu1.0％、Bi0.1％、Sb0.01％、Ni0.01％、La0.01％、P0.01％，其余为Sn。制备方法同实施例1。采用热分析仪器对该无铅焊锡合金测定的升温过程中的差示扫描量热(DSC)曲线见附图5，其各项性能检测数据见下表。
比较例 所述的焊锡合金其组成为Ag3.0％、Cu0.5％，其余为Sn。先按实施例1中的方法制备Sn-Ag、Sn-Cu合金，然后按实施例1的方法制备该焊锡合金，将以上例1至7所制造的无铅焊锡合金与比较例的焊锡合金进行各项性能检测和对比，其熔点、铺展率、延伸率、抗拉强度如下表所示
在研究说明书后，本领域的技术人员可理解本发明的许多改变、修改、变化以及其他用途和应用。不背离本发明宗旨和范围的所有这些改变、修改、变化以及其他用途和应用，均被认为由本发明所覆盖。
权利要求
1.一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为0.1-3.0％的Ag0.1-1.0％的Cu0.1-3.0％的Bi0.01-0.1％的Sb0.01-0.1％的Ni0.005-0.05％的La0.005-0.05％的P以及余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为0.1％的Ag0.7％的Cu1.0％的Bi0.01％的Sb0.1％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
3.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为1.0％的Ag0.5％的Cu2.0％的Bi0.05％的Sb0.05％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
4.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为2.0％的Ag0.1％的Cu3.0％的Bi0.1％的Sb0.1％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
5.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为2.0％的Ag0.5％的Cu1.0％的Bi0.05％的Sb0.01％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
6.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为2.0％的Ag0.5％的Cu2.0％的Bi0.05％的Sb0.05％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
7.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为3.0％的Ag0.5％的Cu0.1％的Bi0.01％的Sb0.01％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
8.根据权利要求1所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为3.0％的Ag1.0％的Cu0.1％的Bi0.01％的Sb0.01％的Ni0.01％的La0.01％的P以及余量的Sn。
9.一种如权利要求1至8任意一项所述的SnAgCuBi系无铅焊锡合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)制备中间合金在真空中频感应熔炼炉中配置石墨坩埚，原材料按比例放入石墨坩埚内，关闭炉体，抽真空，中频加热金属至适当温度保温，最后浇铸成相应的合金锭a、在真空中频感应熔炼炉中以70∶30的重量百分比例制备Sn-Ag合金，升温至1100℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡银合金锭；b、在真空中频感应熔炼炉中以70∶30的重量百分比例制备Sn-Cu合金，升温至1200℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡铜合金锭；c、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比例制备Sn-Bi合金，升温至500℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡铋合金锭；d、在真空中频感应熔炼炉中以80∶20的重量百分比例制备Sn-Sb合金，升温至800℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡锑合金锭；e、在真空中频感应熔炼炉中以95∶5的重量百分比例制备Sn-Ni合金，升温至1600℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡镍合金锭；f、在真空中频感应熔炼炉中以99∶1的重量百分比例制备Sn-La合金，升温至1000℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡镧合金锭；g、在真空中频感应熔炼炉中以99∶1的重量百分比例制备Sn-P合金，升温至500℃并保温30分钟，出炉冷却铸成锡磷合金锭；(2)将a、b、c、d、e、f项中间合金再加上不足的锡量按照焊锡合金比例进行重量配比，将合金料加入中频感应熔炼炉的石墨坩埚内加热升温至500℃，并保温30分钟；(3)将熔炼的焊锡合金从500℃降温至350℃并加入符合配比的g项中的锡磷合金，搅拌均匀，出炉在锡条机上冷却浇铸成焊锡合金棒。
10.根据权利要求9所述的一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金的制备方法，其特征在于所述的中频感应熔炼炉所采用加热方式为感应电流加热。
全文摘要
一种SnAgCuBi系无铅焊锡合金，其特征在于其组成按重量百分比计为0.1－3.0％的Ag、0.1－1.0％的Cu、0.1－3.0％的Bi、0.01－0.1％的Sb、0.01－0.1％的Ni、0.005－0.05％的La、0.005－0.05％的P，以及余量的Sn。该SnAgCuBi系无铅焊锡合金不含有任何铅的成分，更为环保，并且所述的无铅焊锡材料熔点低，热、电学性能与传统合金相当，而且润湿性良好，以及焊点的抗拉强度、韧性、延展性和抗蠕变性能等机械性能与锡铅合金相当。同时，本发明所述的焊锡合金制备工艺简单，能耗较低，能够使所制备的焊锡合金成分更加均匀、细化，提高了材料的可焊性。
文档编号C22C1/03GK101058132SQ20071004168
公开日2007年10月24日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者陈跃华, 林俊 申请人:上海华实纳米材料有限公司