專利名稱：：無鉛錫焊料的制作方法無鉛錫焊料本發(fā)明涉及焊料合金，特別是無鉛焊料合金，主要用于電子行業(yè)的無鉛化組裝和封裝。
背景技術：
：熔斷器是用來作為過載和短路保護用的電器，保護設備和電器的安全使用，廣泛應用于電氣安裝、供電行業(yè)、設備制造和工業(yè)控制系統(tǒng)等領域。鍍鎳銅帽是熔斷器的重要構成部分，其封裝質量的優(yōu)劣決定著熔斷器的品質。傳統(tǒng)的熔斷器鍍鎳銅帽封裝用焊料為錫鉛焊料，然而近幾年來，人們越來越關注鉛對環(huán)境的污染和對身體健康的損害，世界各國相繼出臺一系列法令和法規(guī)來防止電子產品所帶來的生態(tài)問題，限制鉛在電子產品中的使用。在無鉛化綠色制造這一大趨勢下，熔斷器鍍鎳銅帽也已經開始了無鉛化封裝。目前己開發(fā)出的無鉛焊料主要有Sn—Ag，Sn—Cu，Sn—Zn和Sn—Ag—Cu等，并通過添加Ag、Cu、P、Ni、In、Bi等元素獲得不同性能的系列產品。如千住金屬工業(yè)株式會社的JS3027441專利和艾奧瓦州立大學的US5527628專利，分別公開了各自的Sn-Ag-Cu系列無鉛焊料；松下電器產業(yè)株式會社的CN1087994C專利和北京工業(yè)大學的CN1586793A專利申請公開了各自開發(fā)的錫鋅系列無鉛焊料；千住金屬工業(yè)株式會社的CN1496780A專利申請公開了一種錫銅系列無鉛焊料；韓國三星電機株式會社的CN1040302C、CN1040303C專利和CN1139607A專利申請公開了錫鉍系列無鉛焊料等。雖然無鉛焊料的種類較多，但目前適用、并應用于鍍鎳銅帽封裝的無鉛焊料是Sn—0.7Cu焊料。雖然在現有無鉛焊料中，Sii—0.7Cu焊料對鍍鎳銅帽的封裝工藝適用性相對較高，成本也較低，但其對鍍鎳銅帽的焊接性仍然較差；Sn—0.7Cu焊料熔化溫度較低(227'C)，封裝過程中管壁濺錫現象嚴重；Sn-0.7Cu焊料凝固區(qū)間窄，銅帽封裝過程中的尺寸穩(wěn)定性較差，上述這些原因導致鍍鎳銅帽封裝產品的成品率較低。
發(fā)明內容本發(fā)明要解決已知技術中熔斷器鍍鎳銅帽無鉛封裝時焊接性能差、成品率低的問題，為此提供本發(fā)明的無鉛錫焊料，這種焊料對鍍鎳銅帽具有良好的的潤濕性能，焊接能力強，可大幅提高產品成品率。為解決上述問題，本發(fā)明特殊之處是以該焊料總重量計它由以下重量百分數的組分組成Cu3.0—5.0%Sb0.05—1.5%Bi0.05—1.8%Ag0.1—0.15%RE0.002—0.250/0Sn余量本發(fā)明無鉛錫焊料合金組成成份及其重量百分含量根據以下理由確定添加合金元素Cu可提高焊料的力學性能和加大熔化溫度區(qū)間。然而Cu含量少于0.9%時，其作用不明顯；而Cu含量超過5.0%時，塑性校差，難以進行拔絲等機械加工。本發(fā)明無鉛錫焊料Cu含量選擇在0.9—5.0%范圍內，優(yōu)選在2.0_4.0%范圍內。添加合金元素Ag可降低焊料熔點，提高焊料的潤濕性能，并通過生成彌散分布的錫銀金屬間化合物來提高焊料的強度。當Ag含量少于0.1%時，其作用不明顯；然而Ag含量大于4.0%時，焊料合金塑性較差，并且Ag含量過多會導致生產成本的迅速上升。本發(fā)明無鉛錫焊料Ag含量選擇在0.1—4.0%范圍內。添加合金元素Sb可提高焊料對鍍鎳銅帽的潤濕性能，并可進一步提高焊料強度。Sb含量少于0.05%時，這些作用不明顯；然而Sb含量超過3.0X時，其對悍料潤濕性能的改善程度趨于穩(wěn)定，且焊料變硬，塑性校差，難以進行拔絲等機械加工。本發(fā)明無鉛錫焊'料Sb含量選擇在0.05—3.0%范圍內。添加合金元素Bi可降低焊料熔化溫度，提高潤濕能力。Bi含量少于0.05%時，其作用不明顯。然而Bi含量超過3.5%時，合金塑性較差，難以進行拔絲等機械加工。本發(fā)明無鉛錫焊料Bi含量選擇在0.05—3.5%范圍內。添加RE元素能細化焊料合金的組織，提高焊料的力學性能。RE含量少于0.002%時，其作用不明顯；然而RE含量超過0.5%時，RE易偏聚于晶界，導致合金力學性能較差。本發(fā)明無鉛錫焊料RE含量選擇在0.002—0.5%范圍內。Ni與Cu可無限固溶，添加Ni元素既能細化焊料合金組織，又能提高焊料的塑性。Ni含量少于0.01%時，其作用不明顯；Ni含量的加入會導致焊料熔點的升高，考慮鍍鎳銅帽封裝溫度的上限，Ni含量限制到0.8%。本發(fā)明無鉛錫焊料Ni含量選擇在0.01—0.8%范圍內。本發(fā)明的無鉛焊料，經對以下本發(fā)明實施例焊料的測試與計算表明，其對熔斷器鍍鎳銅帽可焊性好，產品成品率高。具體實施例方式下面通過具體的實施例進一步說明本發(fā)明的無鉛錫焊料。實施例1將40.0Kg的Sn和10.0Kg的Cu放入氧化鋁坩鍋，置入中頻爐內熔煉，熔煉溫度80(TC，保溫2小時，充分攪拌后出爐，冷卻，制成含Cu20%的Sn—Cu中間合金。將45.0Kg的Sn和5.0Kg的Sb放入氧化鋁坩鍋，置入中頻爐內熔煉，熔煉溫度40(TC,保溫2小時，充分攪拌后出爐，冷卻，制成含SblO%的Sn—Sb中間合金。將30.0Kg的Sn和20.0Kg的Bi放入氧化鋁坩鍋，置入中頻爐內熔煉，熔煉溫度400'C,保溫2小時，充分攪拌后出爐，冷卻，制成含Bi40%的Sn—Bi中間合金。將40.0Kg的Sn和10.0Kg的Ag放入氧化鋁坩鍋，置入中頻爐內熔煉，熔煉溫度為800'C，保溫時間為2小時，充分攪拌后出爐，冷卻，制成含Ag20X的Sn—Ag中間合金。將48.0Kg的Sn和2.0Kg的RE放入氧化鋁坩鍋，置入真空中頻感應熔煉爐內熔煉，熔煉溫度為IOO(TC,保溫2小時，充分攪拌后出爐，冷卻，制成含RE4X的Sn—RE中間合金。將48.0Kg的Sn和2Kg的Ni放入氧化鋁坩鍋，置入真空中頻感應熔煉爐內熔煉，熔煉溫度為800'C，保溫2小時，充分攪拌后出爐，冷卻，制成含Ni4%的Sn—Ni中間合金。取上述Sn—Cu寧間合金0.250Kg，Sn—Sb中間合金0.035Kg，Sn—Bi中間合金8.8g和純錫4.706Kg,置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550'C,保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例2取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg，Sn—Sb中間合金0.750Kg，Sn—Bi中間合金0.225Kg禾口純錫3.275Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例3取實施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg，Sn—Sb中間合金1.400Kg，Sn—Bi中間合金0.413Kg和純錫1.987Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550'C,保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例4取實施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg，Sn—Sb中間合金0.035Kg，Sn—Bi中間合金8.8g，Sn—Ag中間合金0.038Kg和純錫4.669Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550°C,保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例5取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg，Sn—Bi中間合金0.225Kg,Sn—Ag中間合金0.500Kg和純錫2.775Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得尤鉗錫焊料條。實施例6取實施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg，Sn—Sb中間合金1.400Kg,Sn—Bi中間合金0.413Kg,Sn—Ag中間合金0.950Kg和純錫1.037Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例7取實施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg，Sn—Sb中間合金0.035Kg，Sn—Bi中間合金8.8g,Sn—RE中間合金6.3g和純錫4.700Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例8取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg，Sn—Sb中間合金0.750Kg，Sn—Bi中間合金0.225Kg，Sn—RE中間合金0.313Kg和純錫2.963Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例9取實施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg，Sn—Sb中間合金1.400Kg，Sn—Bi中間合金0.413Kg，Sn—RE中間合金0.587Kg和純錫1.400Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550'C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例10取實施例1中Sn-Cu中間合金0.250Kg，Sn—Sb中間合金0.035Kg，Sn—Ag中間合金0.038Kg，Sn—RE中間合金6.3g和純錫4.671Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例11取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg，Sn—Sb中間合金0.750Kg，Sn—Ag中間合金0.500Kg，Sn—RE中間合金0.313Kg和純錫2.688Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例12取實施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg，Sn—Sb中間合金1.400Kg，Sn—Ag中間合金0.950Kg，Sn—RE中間合金0.587Kg和純錫0.863Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例13取實施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg，Sn—Sb中間合金0.035Kg，Sri—Bi中間合金8.8g，Sn—Ag中間合金0.038Kg,Sn—RE中間合金6.3g和純錫4.662Kg,置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例14取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg，Sn—Bi中間合金0.225Kg，Sn—Ag中間合金0.500Kg，Sn—RE中間合金0.313Kg和純錫2.462Kg,置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為55(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例15取實施例1中Sn-Cu中間合金1.200Kg，Sn—Sb中間合金1.400Kg，Sn—Bi中間合金0.413Kg，Sn—Ag中間合金0.950Kg，Sn—RE中間合金0.587Kg和純錫0.450Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為550°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例16取實施例1中Sn—Cu中間合金0.500Kg，Sn—Sb中間合金0.350Kg，Sn—Bi中間合金0.125Kg,Sii—Ag中間合金0.250Kg,Sn—Ni中間合金0.038Kg和純錫3.737Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為650°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例17取實施例1中Sn—Cu中間合金l.OOOKg,Sn—Sb中間合金0.500Kg，Sn—Bi中間合金0.063Kg，Sn—Ag中間合金0.500Kg，Sn-RE中間合金0.063Kg,Sn—Ni中間合金0.500Kg禾B純錫2.375Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為650°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例18取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金l.OOOKg，Sn—Bi中間合金0.188Kg，Sn—Ag中間合金0.675Kg，Sn—RE中間合金0.188Kg,Sn—Ni中間合金0.875Kg和純錫1.325Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為650°C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例19取實施例1中Sn—Cu中間合金0.250Kg，Sn—Sb中間合金0.035Kg，Sn—Ag中間合金0.038Kg，Sn—Ni中間合金0.125Kg和純錫4.553Kg,置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為650'C，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例20取實施例1中Sn—Cu中間合金0.750Kg,Sn—Sb中間合金0.750Kg，Sn—Ag中間合金0.500Kg，Sn—Ni中間合金0.500Kg和純錫2.500Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為65(TC，保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。實施例21取實施例1中Sn—Cu中間合金1.200Kg，Sn—Sb中間合金1.400Kg，Sn—Ag中間合金0.950Kg，Sn—Ni中間合金0.750Kg和純錫0.700Kg，置入不銹鋼鍋內熔煉，熔煉溫度為650°C,保溫時間為1.5小時，充分攪拌后出爐，澆鑄在鋼制焊條模具上，獲得無鉛錫焊料條。選用目前鍍鎳銅帽封裝上使用較多的Sn—0.7Cu無鉛焊料作為對比，實施例和對比例的成份見以下表1所示。按GB11364—89《釬料鋪展性及添縫性試驗方法》國家標準進行了擴展率測試，鋪展基板為0.2mm厚的鍍鎳銅板。各焊料擴展率測試工藝均相同，測試溫度為320°C，時間為15s，并采用相同的助焊劑，測試結果見以下表2。由表2可見，本發(fā)明無鉛焊料的擴展率遠大于對比例，對鍍鎳銅帽具有較高的潤濕性能和焊接性。采用差熱分析儀測試各實施例和對比例的熔化溫度，測試結果見表2。由表2可見，本發(fā)明無鉛錫焊料熔化溫度較對比例高，熔化溫度區(qū)間較對比例大，可確保無鉛錫焊料在鍍鎳銅帽封裝過程中處于半熔融狀態(tài)，減少濺錫和尺寸不穩(wěn)定性現象，提高產品成品率。根據JIS試驗標準測試焊料力學性能，試驗溫度為25'C,測試結果見表2。由表2可見，本發(fā)明無鉛焊料的強度較高，延伸率均大于20%。因而本發(fā)明無鉛錫焊料既滿足焊接工藝對焊料的強度要求，又具有良好的塑性，很容易被加工成絲狀以滿足熔斷器用鍍鎳銅帽的封裝需求。表1焊料組分與含量<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2焊料性能測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>本發(fā)明無鉛錫焊料的顯著優(yōu)點是對熔斷器鍍鎳銅帽具有良好的焊接性能，有利于提高鍍鎳銅帽封裝產品的成品率。權利要求1、一種無鉛錫焊料，其特征是以該焊料總重量計它由以下重量百分數的組分組成Cu3.0-5.0％；Sb0.05-1.5％；Bi0.05-1.8％；Ag0.1-0.15％；RE0.002-0.25％；余量為Sn。全文摘要對熔斷器鍍鎳銅帽具有高潤濕性、且強度和塑性高的無鉛錫焊料以其重量為基準，含Cu3.0-5.0％，Sb0.05-1.5％b，Bi0.05-1.8％，Ag0.1-0.15％g，RE0.002-0.25％，余量為Sn。本發(fā)明適用于電子行業(yè)無鉛化封裝。文檔編號B23K35/26GK101357423SQ20081013140公開日2009年2月4日申請日期2005年12月16日優(yōu)先權日2005年12月16日發(fā)明者張利民,楊倡進,王大勇,顧小龍申請人:浙江亞通焊材有限公司;浙江省冶金研究院有限公司