专利名称：一种SnAgCuNi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。
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。熔点过高就对电子元器件和PCB板的耐温性提出了更高的要求，增加了PCB板和电子元器件的生产难度和成本。(2)要求热传导率、导电率要与63Sn/37Pb合金相当，润湿性良好，焊点的抗拉强度、韧性、延展性及抗蠕变性能等机械性能良好。(3)成本尽可能降低，为适应电子电器等工业部门大规模广泛使用，比较理想的价位是控制在锡铅合金的1.5-2倍范围内，焊锡低毒性，甚至无毒。要与现有的设备、工艺兼容，焊后对各焊点检修容易，材料供应应保证充分。(4)无铅焊锡在使用过程中，与线路板的铜基、所镀的无铅焊锡、元器件管脚或其表面的无铅焊锡要有良好的钎合性能。(5)新开发的无铅焊锡尽量与各类助焊剂相匹配，并且兼容性要尽可能的强。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术的不足，提供一种润湿性能良好、焊接质量较高的SnAgCuNi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。
本发明采用的技术方案如下一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为1.5-2.5％的Ag、0.1-0.8％的Cu、0.01-0.5％的Ni、0.001-0.1％的P、0-0.01％的Bi，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
具体的讲，所述SnAgCuNi系无铅焊锡合金的组成按重量百分比计为1.5％的Ag、0.5％的Cu、0.5％的Ni、0.01％的Bi、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
所述SnAgCuNi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、0.01％的Ni、0.01％的Bi、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
所述的SnAgCuNi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、0.2％的Ni、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
所述SnAgCuNi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、0.8％的Cu、0.1％的Ni、0.03％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
所述SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为2.5％的Ag、0.1％的Cu、0.01％的Ni、0.01％的Bi、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
所述的SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为2.5％的Ag、0.8％的Cu、0.2％的Ni、0.01％的Bi、0.03％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。
本发明的无铅焊锡是以Sn为主体，添加一定比例的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有提高焊接强度的作用。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，通过添加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。此外本发明中还添加了微量的Bi元素，Bi的添加使Sn与Cu原子之间的作用加强，促进了Sn在Cu基板上的润湿性能，增加焊锡的可焊性。
该SnAgCuNi系无铅焊锡合金可以采用先制备各种焊锡中间合金，然后加热混熔的方式得到。其采用的设备包括真空中频感应熔炼炉和石墨坩埚，在真空状态下将一定比例的Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Bi、Sn-P混合物热熔，出炉铸成各焊锡的两组分中间合金，然后将剩余锡与Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Bi中间合金热熔，再在稍低温度下加入Sn-P中间合金，出炉在锡条机上冷却浇铸，得到高纯度、混合度较高的焊锡合金棒。
本发明的有益效果在于，该SnAgCuNi系无铅焊锡合金不含有任何铅的成分，更为环保；其熔点在220℃左右，和SnAgCu焊锡相当；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；成本较低，可替代现有锡铅焊锡。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。
图1是实施例1中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是对比例中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
实施例1 SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其各重量百分比组成为1.5％的Ag、0.5％的Cu、0.5％的Ni、0.01％的Bi、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。其制备方法如下先按如下重量取各原料1.5重量份的Ag、0.5重量份的Cu、0.5重量份的Ni、0.01重量份的Bi、0.01重量份的P、97.28重量份的Sn。
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。
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。
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。
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。
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。
将Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Bi中间合金再加上剩余的锡，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，将熔炼的焊锡合金从500℃降温至350℃并加入Sn-P中间合金，搅拌均匀，出炉，在锡条机上冷却浇铸得到该SnAgCuNi系无铅焊锡合金。
采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图1，从图中看出，该无铅焊锡合金的熔化温度中，固相线和液相线温度分别为216.0℃和224.7℃。采用该焊锡合金进行PCB板元件焊接实验，其具有良好的润湿性能和抗氧化性能，其机械性能优于现有含铅锡焊合金的国家标准。。
实施例2 该无铅焊锡合金的重量百分比组成为2.0％的Ag、0.5％的Cu、0.01％的Ni、0.01％的Bi、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质，其制备方法同实施例1。
采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图2，从图中看出，该无铅焊锡合金的熔化温度中，固相线和液相线温度分别为220.3℃和221.8℃。采用该焊锡合金进行PCB板元件焊接实验，其具有良好的润湿性能和抗氧化性能，其机械性能优于现有含铅锡焊合金的国家标准。
实施例3 该无铅焊锡合金的重量百分比组成为2.0％的Ag、0.5％的Cu、0.2％的Ni、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。其制备方法同实施例1，焊锡合金中不加入Sn-Bi中间合金。
采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图3，从图中看出，该无铅焊锡合金的熔化温度中，固相线和液相线温度分别为221.8℃和223.3℃。采用该焊锡合金进行电路元件焊接实验，其具有良好的润湿性能和抗氧化性能，其机械性能优于现有含铅锡焊合金的国家标准。
实施例4 该无铅焊锡合金的重量百分比组成为2.0％的Ag、0.8％的Cu、0.1％的Ni、0.03％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。其制备方法同实施例1，焊锡合金中不加入Sn-Bi中间合金。
采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图4，从图中看出，该无铅焊锡合金的熔化温度中，固相线和液相线温度分别为219.7℃和222.3℃。采用该焊锡合金进行电路元件焊接实验，其具有良好的润湿性能和抗氧化性能，其机械性能优于现有含铅锡焊合金的国家标准。
实施例5 该无铅焊锡合金的重量百分比组成为2.5％的Ag、0.1％的Cu、0.01％的Ni、0.01％的Bi、0.01％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。其制备方法同实施例1。
采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图5，从图中看出，该无铅焊锡合金的熔化温度中，固相线和液相线温度分别为217.2℃和224.4℃。采用该焊锡合金进行电路元件焊接实验，其具有良好的润湿性能和抗氧化性能，其机械性能优于现有含铅锡焊合金的国家标准。
实施例6 该无铅焊锡合金的重量百分比组成为2.5％的Ag、0.8％的Cu、0.2％的Ni、0.01％的Bi、0.03％的P，以及余量的Sn和不可避免的杂质。其制备方法同实施例1。
采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图6。从图中看出，该无铅焊锡合金的熔化温度中，固相线和液相线温度分别为220.7℃和222.6℃。采用该焊锡合金进行电路元件焊接实验，其具有良好的润湿性能和抗氧化性能，其机械性能优于现有含铅锡焊合金的国家标准。
对比例 该无铅焊锡合金的重量百分比组成为Ag3.0％、Cu0.5％，其余为Sn。其制备方法是采用实施例1的方法得到Sn-Ag和Sn-Cu中间按合金，然后采用实施例1的方法混熔得到该无铅焊锡合金。采用热分析仪器对制备的无铅焊锡合金进行热分析，得到差示扫描量热(DSC)曲线见附图7。
将上述实施例1至实施例6以及对比例中所制造的无铅焊锡合金进行各项性能测试，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SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为1.5-2.5％的Ag0.1-0.8％的Cu0.01-0.5％的Ni0.001-0.1％的P0-0.01％的Bi以及余量的Sn和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为1.5％的Ag0.8％的Cu0.5％的Ni0.01％的Bi0.01％的P以及余量的Sn和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种SnAgCuNi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Cu0.01％的Ni0.01％的Bi0.01％的P以及余量的Sn和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种SnAgCuNi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Cu0.2％的Ni0.01％的P以及余量的Sn和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种SnAgCuNi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Ag0.8％的Cu0.1％的Ni0.03％的P以及余量的Sn和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为2.5％的Ag0.1％的Cu0.01％的Ni0.01％的Bi0.01％的P以及余量的Sn和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为2.5％的Ag0.8％的Cu0.2％的Ni0.01％的Bi0.03％的P以及余量的Sn和不可避免的杂质。
全文摘要
一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其特征在于，其组成按重量百分比计为1.5－2.5％的Ag、0.1－0.8％的Cu、0.01－0.5％的Ni、0.001－0.1％的P、0－0.01％的Bi，以及余量的Sn和不可避免的杂质。该SnAgCuNi系无铅焊锡合金不含有任何铅的成分，更为环保；其熔点在220℃左右，和SnAgCu焊锡相当；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；成本较低，可替代现有锡铅焊锡。
文档编号C22C1/03GK101058133SQ20071004168
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