一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金

技术领域

本发明涉及一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，属于电子焊接技术领域。

背景技术

Sn-Pb焊料是电子封装技术中的“胶水”，Sn-37Pb可提供物理上的连接，也可实现电子元器件之间信号传递功能。由于Pb储量丰富，价格低廉，导电性，钎焊性能好，同时熔点较低(183℃左右)，焊接时不会使得元器件的尺寸发生太大变化，使其获得广泛的应用。而随着电子封装材料与技术的进步，并且人们对电子产品的易携带性和多功能性的需求不断增加，微小化和轻量化越发被大家重视，大规模集成电路技术的迅速发展，半导体元件体积越来越小，设备朝着小型、微型方向发展，电子元件提供商正在缩小产品的尺寸。传统的Sn-Pb焊料存在耐高温性差，温度过高会出现内部结构不稳定、强度降低等一系列问题，

当前无铅焊料以SnAgCu3005为代表，因为其容易获得、技术问题相对也较少，且与传统焊料相容性较好，可靠性较高。然而使用Sn-Ag-Cu系焊料完全替代锡铅焊料并不现实。银价的上涨使得含银焊料市场竞争力下降，尽管低银(或微银)含量的Sn-Ag-Cu系列合金已经开始得到部分应用，但由于其焊接工艺条件要求更高，综合成本高，并且节能减排的要求也使得Sn-Ag-Cu焊料的市场会越来越小。而且其最致命的弱点是合金熔点比原来Sn-Pb焊料高。

因此，通过改善Sn-Bi-Cu焊料的性能达到甚至优于Sn-Ag-Cu焊料性能，可以有效降低Sn-Ag-Cu焊料的昂贵成本。

发明内容

针对现有技术中低温无铅焊料的问题，提供一种SnBiCuAgNiSb低温高力学性能无铅焊料合金，本发明利用在相图上选择温度在180-210℃的范围，通过Thermo-Calc软件计算凝固过程(见图1)，确定各相得析出，确定Sn-Bi-Cu焊料的成分点，然后添加微量金属元素Ag、再添加微量金属元素Ni进行复配，结果表明复配后的焊料合金熔点在176-205℃，组织在Ag以及Ni作用下细化很明显，Bi的富集得到抑制，大大提高了焊料的力学性能和可靠性，降低了Sn-Ag-Cu系列无铅焊料的熔点(相比较于等Sn-Ag-Cu系列)，添加Sb以增加强度，开发的钎料合金综合性能优异，成本低，具有很高的应用性。

Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi 14-18％、Cu 0.4-0.6％、Ag 0.5-0.8％、Ni 0.03-0.07％、Sb 0.001-0.2％、余量的Sn和不可避免的杂质。

所述Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Cu、Ag、Ni分别以中间合金Sn10Cu、Sn3Ag、Sn4Ni的形式加入，Sb以纯物质加入。

所述Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的熔点为176-202℃，熔程为14-17℃，抗拉强度为94-99Mpa、延伸率为18-23％、润湿时间为0.32-0.38s、最大润湿力为0.87-0.98mN。

在Sn-Bi-Cu焊料合金中加入熔点较高的Ag后，Sn-Bi-Cu合金组织中出现针状或颗粒状析出相A g

本发明的有益效果：

(1)本发明的Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb无铅焊料合金，其合金化程度高，焊料结晶组织均匀细化，Bi的富集得到抑制，平均尺寸在5μm，且熔点控制在176-202℃。焊料的润湿性、力学性能显著提升，并且成本低，能满足波峰焊工艺的使用要求；

(2)本发明Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb系无铅焊料合金，可以应用在多层电路板焊接、防雷元件焊接和其他对温度敏感性强的无铅电子产品等焊接中；可制成多种焊接材料产品，如焊膏用的低温无铅焊锡粉、低温无铅焊条、低温无铅焊锡丝以及BGA球。

附图说明

图1为Thermo-Calc计算Sn-Bi-Cu合金凝固模拟图；

图2为实施例1的焊点截面金相图；

图3为实施例2钎料合金电子扫描图；

图4为实施例2焊点截面金相组织图；

图5为实施例5焊点截面金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi14％、Cu 0.5％、Ag0.6％、Ni 0.04％、Sb 0.004％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的焊点截面金相组织图如图1所示，从图2可知，焊料合金基体组织均匀，晶粒细化，润湿角小，润湿性好。

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点195.06℃，熔程16.82℃，抗拉强度为99.2Mpa，屈服强度89.67Mpa，延伸率为23.18％，润湿时间为0.36s，最大润湿力为0.94mN，密度8.30g/cm

实施例2：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi14％、Cu 0.5％、Ag0.6％、Ni 0.03％、Sb 0.01％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的钎料合金电子扫描图见图3所示，从图3可知，Ag

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的焊点截面金相组织图如图4所示，从图4可知，β-Sn晶粒均匀；

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点196.21℃，熔程15.26℃，抗拉强度为99.2Mpa，屈服强度89.67Mpa，延伸率为23.,34％，润湿时间为0.34s，最大润湿力为0.96mN，密度8.27g/cm

实施例3：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi14％、Cu 0.6％、Ag0.6％、Ni 0.05％、Sb 0.04％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点197.23℃，熔程17.34℃，抗拉强度为98.34Mpa，屈服强度87.23Mpa，延伸率为22.14％，润湿时间为0.37s，最大润湿力为0.93mN，密度8.29g/cm

实施例4：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi16％、Cu 0.6％、Ag0.4％、Ni 0.04％、Sb 0.02％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点198.12℃，熔程18.34℃，抗拉强度为96.24Mpa，屈服强度88.24Mpa，延伸率为23.36％，润湿时间为0.35s，最大润湿力为0.93mN，密度8.34g/cm

实施例5：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi16％、Cu 0.5％、Ag0.6％、Ni 0.05％、Sb 0.06％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的焊点截面金相组织图如图5所示，从图5可知，组织均匀；

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点195.68℃，熔程17.20℃，抗拉强度为99.40Mpa，屈服强度91.88Mpa，延伸率为22.37％，润湿时间为0.47s，最大润湿力为0.98mN，密度8.31g/cm

实施例6：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi16％、Cu 0.5％、Ag0.6％、Ni 0.07％、Sb 0.1％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点195.09℃，熔程16.64℃，抗拉强度为98.91Mpa，屈服强度92.05Mpa，延伸率为21.35％，润湿时间为0.38s，最大润湿力为0.87mN，密度8.35g/cm

实施例7：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi18％、Cu 0.7％、Ag0.6％、Ni 0.03％、Sb 0.15％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点197.31℃，熔程18.23℃，抗拉强度为99.38Mpa，屈服强度89.36Mpa，延伸率为21.34％，润湿时间为0.39s，最大润湿力为0.91mN，密度8.27g/cm

实施例8：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi18％、Cu 0.6％、Ag0.4％、Ni 0.07％、Sb 0.12％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点195.35℃，熔程17.32℃，抗拉强度为99.64Mpa，屈服强度88.35Mpa，延伸率为20.98％，润湿时间为0.38s，最大润湿力为0.92mN，密度8.26g/cm

实施例9：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi18％、Cu 0.6％、Ag0.4％、Ni 0.07％、Sb 0.02％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，该无铅焊料的熔点195.44℃，熔程17.32℃，抗拉强度为98.24Mpa，屈服强度89.14Mpa，延伸率为21.48％，润湿时间为0.39s，最大润湿力为0.94mN，密度8.32g/cm

实施例10：一种Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金，以质量百分数计，该无铅焊料合金包括：Bi15％、Cu 0.6％、Ag0.6％、Ni 0.07％、Sb 0.18％、余量的Sn和不可避免的杂质；Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金制备过程中，Ag、Cu、Ni分别以中间合金Sn

本实施例Sn-Bi-Cu-Ag-Ni-Sb低温高力学性能无铅焊料合金的性能检测数据见表1，

表1实施例1～10的实验数据

从表1可知，本实施例SnBiCuAgNiSb低温高力学性能无铅焊料合金的熔点196.62℃，熔程18.34℃，抗拉强度为99.12Mpa，屈服强度88.67Mpa，延伸率为23.12％，润湿时间为0.36s，最大润湿力为0.93mN，密度8.35g/cm

以上实施例的低温无铅焊料合金在制备过程中，Cu、Ag、Ni分别以中间合金Sn

本发明的低温无铅焊料合金通过多元化合金的复合添加，在保证焊料合金优异的钎料特性前提下提高力学性能，提高润湿性能，降低生产成本，低温无铅焊料合金的熔点在196℃左右，抗拉强度达99MPa，屈服强度可达92MPa，延伸率达23％，润湿时间为0.48s，最大润湿力为0.99mN，密度低于8.35g/cm