一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法

技术领域

本发明属于无铅焊料及其制备方法技术领域。

背景技术

现有的Sn-Ag-Cu系无铅焊料，由于Ag含量较高而使焊料成本较高，同时，Ag含量的增加会对无铅焊料性能产生许多不良影响，如熔点升高、润湿性变差等，并且容易形成粗大的脆性Ag

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有较高强度、良好的可焊接性及电导率的Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种Sn-Ag-Cu高性能无铅焊料，所述无铅焊料包括如下质量百分比的成分：

1.5～2.5％的Sb；

0.1～0.5％的Ni；

0.1～0.5％的In；

0.02～0.1％的Ce；

1～5％的Bi；

3～3.8％的Ag；

以及0.7％的Cu；

余量的Sn。

作为上述焊料的进一步改进，所述无铅焊料按质量百分比计，包括如下成分：Sb:1.5％、Ni:0.4％、In:0.2％、Ce:0.1％、Bi:3％、Ag:3.6％、Cu:0.7％，余量为Sn。

本发明所述无铅焊料的制备方法，是将各组分原料添加到钛合金无铅熔锡炉中，加热至350℃熔化，搅拌30min并保温2小时，然后降温至320℃，继续保温1小时后浇铸至模具中，制备得到所述无铅焊料；无铅焊料制备过程中，Ag、Cu、Ni、Ce分别以SnAg3、SnCu10、SnNi4、SnCe1.8形式添加，不足的Ag以纯度>99.9％Ag添加，Sb、In、Bi分别以纯度>99.9％的Sb、纯度>99.9％的In、纯度>99.9％的Bi添加。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过对Sn-Ag-Cu无铅焊料添加Sb、Ni、In、Ce、Bi五种微量元素，大大提高了焊料服役过程的抗拉强度和硬度，同时改善了焊料合金的润湿性及焊接性能。通过微量元素的添加同时提高了焊料的电导率，使焊料焊接后具备优异的导电性能。

附图说明

图1为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的抗拉强度影响图；

图2为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的延伸率影响图；

图3为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的硬度影响图；

图4为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的电导率影响图；

图5为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的密度影响图；

图6为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的最大润湿力影响图；

图7为本发明元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料的铺展率影响图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便比较，以下实施例和比较例的焊料是在Sn-Ag-Cu系焊料的基础上通过正交试验方法复加Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素，每种元素选取五个含量，并按以下步骤进行制备：

(1)选取以SnAg3、SnCu10、SnNi4、SnCe1.8，纯度>99.9％的Ag，纯度>99.9％的Sb，纯度>99.9％的In，纯度>99.9％的Bi为原材料，以质量百分比计称量出配制Sn-Ag-Cu+X(X代表Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加)合金焊料的各种原料重量；

(2)将称量好的各个原料放入钛合金无铅熔锡炉中加热至350℃熔化，搅拌30min并保温2小时；

(3)降温至320℃，继续保温1小时后浇铸至模具中制成不同的Sn-Ag-Cu+X焊料试样。

不同实施例及对比例无铅焊料的质量组成如表1所示。

表1无铅焊料的质量组成表

焊料的性能测试：

焊料抗拉强度测试依据国标GB/T 228.1-2010，使用深圳市瑞格尔仪器设备公司的RGM-3010微机控制电子万能试验机进行实验，测试温度为室温，测试速度为5mm/min。焊料硬度测试依据国标GB/T 231.1-2002，使用莱州莱华试验仪器厂的HB-3000C布氏硬度计进行实验。采用直径10mm钢球压头，测试力大小为2452N，保持时间为60s，测试温度为室温。

Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验力学性能及电导率测试结果如表2所示。

表2Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验力学性能及电导率测试

实验结果与分析

从表2中可以看出，通过Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素不同含量的正交复加，Sn-Ag-Cu系焊料的抗拉强度在57.57MPa～107.98MPa之间，明显高于Sn-Ag3.0-Cu0.5的44.00MPa；Sn-Ag-Cu系焊料的硬度在18.2HB～29.7HB之间，明显高于Sn-Ag3.0-Cu0.5的15.0HB。

图1为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料抗拉强度的影响，从图1中可以看出，随着Sb含量的增加，焊料的抗拉强度有逐渐升高的趋势，Ag含量为3.0％的焊料抗拉强度随着Sb含量的增加呈线性增加，结合表2可知，Ag含量为3.0％的焊料中的其他元素添加量也是随着Sb含量增加而逐渐增加；而对于Ag含量为3.2％、3.4％、3.6％、3.8％的焊料，其抗拉强度在Sb含量分别为2.5％、3.5％、4.5％、5.5％时出现明显的降低，结合表2分析可知，这主要是由于在这些点处焊料中的Bi含量明显降低。此外，对于Sb含量相同的点，在Sb含量为1.5％时，焊料的抗拉强度由低到高分别是Ag含量为3.0％、3.8％、3.6％、3.4％、3.2％的焊料，通过表2可知，这些焊料对应的Bi含量分别为1％、2％、3％、4％、5％，其它Sb含量相同的点均有此规律。当Bi为1％时，焊料抗拉强度由小到大依次是Ag含量为3.0％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％的焊料，其它Bi含量相同的点均有此规律。分析表明，Bi元素对焊料抗拉强度影响最大，其次是Ag和Sb元素。

图2为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料延伸率的影响，对焊料延伸率分析表明，添加元素对延伸率的影响与其对抗拉强度的影响呈现出相反的变化趋势。Bi、Sb含量越高，焊料的延伸率就越小，其中Bi对焊料延伸率的影响最大。

图3为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料硬度的影响，对焊料硬度分析表明，添加元素对硬度的影响与其对抗拉强度的影响具有相同的趋势。Sn-Ag-Cu系焊料硬度随着添加元素的增加呈逐渐增加的趋势，其中Bi对其硬度影响最大，Ag和Sb次之。

焊料的电导率主要跟焊料内部的电子数以及电子在焊料中迁移的容易程度有关，电子数越多，迁移越容易，电导率越大。图4为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料电导率的影响，由图可以看出，当焊料中Ag含量为3.2％、3.4％、3.6％、3.8％时，随着Sb含量的增加，焊料电导率均呈现逐渐减小的趋势，其电子迁移难度逐渐增加。图5为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料密度的影响，由图可以看出，除了Ag含量为3.2％的焊料，其他焊料密度均在7.30g/cm

微量元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料可焊性的影响：

Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验可焊性测试结果如表3所示。

表3Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素正交试验可焊性测试

表3中，t

图6为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料最大润湿力的影响，从图6中可以看出，随着Sb含量的增加，Sn-Ag-Cu系焊料的最大润湿力均呈逐渐减小的趋势。单因素试验结果表明，Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力为0.776mN，Ce、Ni的加入会增大Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力，而Bi的加入会减小Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力，Sb和In对Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料的最大润湿力影响较小。但是由于Sn-Ag-Cu系焊料中Sb和Bi的含量较高，因此焊料最大润湿力的变化主要与这两种元素有关。图7为Sb、Ni、In、Ce、Bi五种元素复加对Sn-Ag-Cu系焊料铺展率的影响，从图7中可以看出，Sn-Ag-Cu系焊料铺展率的变化同样随着Sb含量的增加而逐渐减少，与其最大润湿力的变化是基本相符的。

综上分析可知，采用组分为质量百分比的Sb:1.5％、Ni:0.4％、In:0.2％、Ce:0.1％、Bi:3％、Cu:0.7％、Ag:3.6％，余量为Sn，其综合性能最佳，尤其是大大提高了电导率。