專利名稱：：低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種低溫無鉛焊料合金，尤其涉及一種以該焊料合金成分的制成的焊錫膏。
背景技術：
：隨著人們環保意識的增強，電子工業中傳統所采用的Sn-Pb軟釬焊料合金開始逐漸被無鉛軟釬焊料所代替。在當前所使用的無鉛軟釬焊料中，成分主要為Sti^Cu、Sn-Ag及Sn-Ag-Cu系。以這些體系為基礎，通過添加合金元素可以提高焊料合金的性能。例如在Sn-Ag(3.5-6.0M)基礎上添加微量元素Ni以抑制Cu向焊錫合金中的擴散。日本Nihon在美國專利US6180055中在以SnCu共晶成分的基礎上提出由Sn-(0.3-0.7)Cu-(0.04-0.1)M組成的無鉛軟釬焊料合金，元素Ni可抑制Cu向熔融焊料中的溶解，降低Cu向熔融釬料中的溶解速度以及橋聯發生的可能性。這些焊料成分的熔點分別介于217-227。C之間，遠遠高于傳統使用的Sn-37Pb焊料熔點(183°C)。在使用過程中，這就需要波峰焊焊錫溫度為250-265。C，回流焊過程中峰值溫度為240-245。C。特別是在SMT回流焊過程中，使用了焊錫膏，焊錫膏含有與助焊劑均勻混合的焊錫粉，特別是與松香熔劑均一混合的焊錫粉。通常，在回流焊接中，通過印刷或者分散，將焊錫膏提供到印刷電路板上，利用焊錫膏的粘附作用，芯片類型的電子元件被臨時吸附和連接到印刷電路板上。因此，在回流焊接中，要安裝的電子元件同樣被暴露在焊接溫度下。如此之髙的焊接溫度對焊接設備的均勻加熱能力及元器件的耐熱能力均是一個巨大的考驗。鑒于此，日本Senju公司申報了專利號為US6503338，成分為Sn-8Zn-犯i的無鉛焊料合金，熔點為192-197。C，接近于Sn-37Pb焊料的熔點。然而，至今為止，仍有元器件仍不能承受如此之髙的焊接溫度，需要使用熔點更低的低溫焊料合金。因此Sn-Bi釬料合金就成為一種選擇，Sn-58Bi共晶焊料的熔點為138°C，可以滿足焊接溫度的要求。但是，Bi是一種易氧化的合金元素，對Sn-Bi焊料合金的助焊劑要求較髙，而且焊接過程中熔融焊料沿元器件引腳的爬升能力及在焊盤上的潤濕能力較差，相應也降低了焊點的強度。作為對策，為了提高Sn-Bi焊料合金的這些不良缺點，可以往其中添加其它的合金元素來改善其性能。
發明內容本發明的目的在于提供一種低溫無鉛軟釬焊料合金及基于該焊料合金成分的一種無鉛錫膏制作方法。本發明的一種低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，焊錫膏包括有該低溫無鉛釬焊料合金和作為焊劑的釬料膏，該低溫無鉛釬焊料合金是在現有的Sn-Bi釬料體系中加入合金元素Ag和Cu，其中中Sn、Bi、Ag的重量百分比組分分別是Sn占35-65%，Bi占35^65%，Ag占0.2-6%，該低溫無鉛釬焊料合金的釬料合金粉末中還含有Cu,其重量百分比組分為0.1-3.0%。上述的低溫無鉛釬焊料合金的釬料合金粉末含有以粉末計其量的Sn、Bi、Ag和Cu，該Sn、Bi、Ag和Cu為的重量百分比組分為88-91%。上述的Sn-58Bi為釬料合金粉末，并與Sn-3.5Ag釬料合金粉末和Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料合金粉末以按照Sn-58Bi重量百分比為65-90%，Sn-3.5Ag重量百分比為8-20%,Sn-3.8Ag-0.7Cu重量百分比4-10%的比例均勻混合本發明所涉及的無鉛軟釬焊料合金，在作為釬料基本組合物中不使用劇毒性的鉛，屬于環保性無鉛軟釬焊料合金。本發明所涉及的無鉛軟釬焊料合金，熔點介于138-155°C間，焊接所需要的溫度介于170-195°C，遠遠低于傳統Sn-37Pb及Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Oi無鉛軟釬焊料的焊接問題。對焊接設備加熱能力及元器件耐熱溫度的要求大大降低。下面詳細說明本實施方式中各添加元素的作用及其最佳含量。添加Bi可以與Sn在58wt.%Bi、138r時形成二元低熔點共晶焊料。鉍元素是與錫元素形成低溫焊料合金的根本。鉍含量的優選范圍是40-60wt/。，更優選的含量范圍是45-60wt/0。添加Ag可以提髙焊料合金的潤濕性、焊點的強度，在0.2^6.0wt.%Ag存在的條件下并不顯著地改變Sn-Bi焊料合金的熔點，從而不影響所發明的無鉛軟釬焊料合金的低熔點或低溫特性。銀含量的優選范圍是0.54wt.%，更優選的含量范圍是0.5-3wt.%。添加Cu可以進一步提高焊料合金的強度及所形成焊點的強度。銅含量的優選范圍是0.1-2.0wt.n/n，更優選的含量范圍是0.1-1.0wt.M。具有上述組成的本發明的無鉛釬料可通過傳統方法冶煉,即Sn、Bi、Ag、Cu以金屬原料供應，在坩堝中加熱并攬動，澆鑄即可得到釬料合金。本發明的釬料合金可以通過傳統工藝加工形成焊錫條、焊錫棒、焊錫絲、焊錫球及焊錫膏等的形式，從而能夠滿足PCB組裝、SMT微電子表面封裝及表面貼裝等所需要的釬料合金，特別是需要低溫應用的場合。在SMT中使用的焊錫膏是通過混合焊錫粉和助焊膏制造的。助焊膏的典型體系是松香基助焊膏，該松香基助焊膏是通過將松香作為主要組分，與其它添加劑例如觸變劑、活化劑一起溶于溶劑而形成的。助焊膏要求具有髙度可靠的絕緣性和耐蝕性。具有上述組成的本發明的無鉛軟釬焊料合金的焊錫粉除了按上述方法直接由純Sn、Bi、Ag、Cu金屬熔化冶煉后噴粉制作外，下面給出一種基于該焊料合金成分的焊錫膏的制作方法把Sn-3.5Ag或其它Sn-Ag成分與Sn-5肪i或其它Sn-Bi成分，或Sn-Ag-Cu與Sn-5肪i或其它Sn-Bi成分，或Sn-3.5Ag或其它Sn-Ag成分、Sn-0.7Cu或其它Sn-Cu成分與Sn-58Bi或其它Sn-Bi成分的焊錫粉按比例混合，從而分別得到具有上述組成的Sn-Ag-Bi或Sn-Ag-Cu-Bi焊錫粉。在該發明方法中，Sn-3.5Ag或其它Sn-Ag成分、Sn-0.7Cu或其它Sn-Cu成分、Sn-Ag-Cu、Sn-58Bi或其它Sn-Bi成分相對容易制作并且不會侵犯別人的專利成分，在市場上輕易采購到，從而可以方便的制作具有上述組成的本發明的無鉛軟釬焊料合金的銲錫膏。圖1為實施例1、實施例2和對比例1所描述軟釬焊料合金在180。C下的潤濕平衡曲線；圖2為低溫回流焊接溫度曲線；圖3為高溫回流焊接溫度曲線；圖4為QFP引腳拉脫強度試驗方法。具體實施例方式根據本實施方式詳述本發明，但是本發明范圍并不是限于這里所提出的實施例。在以下的描述中，所有關于合金成分的百分數都是重量百分數。實施例1，無鉛軟釬焊料合金蟲58%Bi、l%Ag，其余部分為41%Sn組成。實施例2,無鉛軟釬焊料合金由58%Bi、l%Ag，0.7%Cu，其余部分為40.3o/nSn組成。實施例3，將75%的基于Sn-5犯i無鉛焊料合金的球形粉末、15%的基于Sn-35Ag無鉛焊料合金的球形粉末與10%的基于松香的助焊膏徹底混合以制備焊錫膏，所述焊錫膏具有48.33%Bi、0.583%Ag、其余部分為51.087%Sn組成的焊錫合金成分，焊錫粉在焊錫膏內所占比例為90%。所述助焊膏基于下述組成，屬于典型的松香基體系t45%氫化松香、45%丙二醇甲醚、20/o二苯胍HBr、5%改性氫化蓖麻油、1%丙二酸、2%二溴丁烯二醇，經過加熱完全溶解制作得到，助焊膏在焊錫膏內所占比例為10%。實施例4，將75%的基于Sn-5肪i無鉛焊料合金的球形粉末、15%的基于Sn-3.8Ag-0.7Cu無鉛焊料合金的球形粉末與10%的基于松香的助焊膏徹底混合以制備焊錫膏，所述焊錫膏具有48.333%Bi、0.633%八徑、0.117%01、其余部分為49.083%Sn組成的焊錫合金成分，焊錫粉在焊錫膏內所占比例為90%。所述助焊膏基于下述組成，屬于典型的松香基體系45%氫化松香、45%丙二醇甲醚、2%二苯胍HBr、5%改性氫化蓖麻油、1%丙二酸、2%二溴丁烯二醇，經過加熱完全溶解制作得到，助焊膏在焊錫膏內所占比例為10%。對比例l，無鉛軟釬焊料合金由58%Bi，其余部分為42MSn。對比例2，將90%的基于Sn-5犯i無鉛悍料合金的球形粉末與10%的基于松香的助焊膏徹底混合以制備焊錫膏。所述助焊膏基于下述組成，屬于典型的松香基體系45%氫化松香、45%丙二醇甲醚、2n/o二苯胍HBr、5%改性氫化蓖麻油、1%丙二酸、2%二溴丁烯二醇，經過加熱完全溶解制作得到。(1)潤濕試驗按照日本工業標準JISZ31紹"無鉛焊料試驗方法"中第4部分"基于潤濕平衡法及接觸角法的潤濕性試驗方法"對實施例1和2及對比例1獲得的無鉛軟釬焊料合金采用潤濕平衡儀進行潤濕性測試。測試基材為Cu板，采用活性松香基助焊劑，測試結果見圖l。潤濕平衡曲線中曲線與橫坐標的交叉時間代表軟釬焊料合金的潤濕時間，它與曲線的最大潤濕力共同表征出軟釬焊料合金的潤濕能力，潤濕時間越短、潤濕力越大，表明軟釬焊料合金的潤濕性越好。實施例1所描述的焊料合金的潤濕時間和潤濕力分別為0.751s和3.53mN，實施例2所描述的焊料合金的潤濕時間和潤濕力分別為0.673s和3.47mN。對比例1所描述的焊料合金的潤濕時間和潤濕力分別為0.797s和2.73mN。實施例1和2較對比例1有著更短的潤濕時間和更高的潤濕力，反映了本發明所描述的低溫焊料合金較傳統Sn-58Bi焊料合金有著更好的潤濕性。(2)回流焊溫度曲線將實施例3和4及對比例2和3獲得的焊錫膏通過絲網印刷于PCB板上，PCB上對應焊盤為208引腳、間距為0.4mm的標準QFP焊盤，然后貼上QFP元器件，過回流焊爐進行焊接并測電路板表面回流焊溫度曲線，實現優良焊接的溫度曲線見圖2和圖3。實施例3、實施例4及對比例2獲得的Sn-Bi基焊錫膏在圖2中所描述的溫度下，焊料合金發生熔化，并實現了QFP元器件與PCB板焊盤間的優良焊接。而對比例3獲得的Sn-Agdi基無鉛焊錫膏需要在圖3所描述溫度曲線下才能實現熔化焊接。圖2和圖3所描述回流焊溫度曲線的峰值溫度分別為180-190°C和245°C。說明本發明所描述的軟釬焊料合金是一種低溫焊料合金，其焊接峰值溫度小于200°<:，較常規Sn-Ag"Cu無鉛焊料合金的焊接溫度低約50。C。因此，采用本發明所描述的低溫焊料合金對焊接設備的加熱能力及元器件的耐熱要求大大降低。(3)焊料合金所形成焊點的拉脫強度按照日本工業標準JISZ3198"無鉛焊料試驗方法"中第6部分"QFP引線焊點的45度角拉脫試驗方法"對實施例3和4及對比例2獲得的無鉛軟釬焊料焊錫膏經上述回流焊接后，將得到的印刷電路板級QFP組裝件固定于特定夾具上，而后沿45度角方法拉伸以測定焊點的強度，如圖4。表i給出了實施例3和4及對比例2獲得的無鉛軟釬焊料焊錫膏經過回流焊接后QFP引腳的45度拉伸強度試驗結果。可以看出，本發明描述的基于Sn-Ag-Bi無鉛軟釬焊料合金及基于Sn-Ag-Cu-Bi無鉛軟釬焊料合金所形成的QFP焊點較傳統Sn-58Bi無鉛軟釬焊料合金所形成的QFP焊點有著更高的拉脫強度。表1焊料合金的拉脫強度結果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權利要求1、一種低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，焊錫膏包括有該低溫無鉛釬焊料合金和作為焊劑的釬料膏，其特征在于，所述低溫無鉛釬焊料合金是在現有的Sn-Bi釬料體系中加入合金元素Ag和Cu。2、根據權利要求1所述的低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，其特征在于，該低溫無鉛釬焊料合金的釬料合金粉末中Sri、Bi、Ag的重量百分比組分分別是Sn占35-65%，Bi占35-65%，Ag占0.2-6%。3、根據權利要求1所述的低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，其特征在于，該低溫無鉛釬焊料合金的釬料合金粉末中還含有Cu，其重量百分比組分為0.1-3.0%。4、根據權利要求1所述的低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，其特征在于，所述低溫無鉛釬焊料合金的釬料合金粉末含有以粉末計其量的Sn、Bi、Ag和Cu，該Sn、Bi、Ag和Cu為的重量百分比組分為88-91%。5、根據權利要求1所述的低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，其特征在于，上述的Sn-58Bi為釬料合金粉末，并與Sn-3.5Ag釬料合金粉末和Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料合金粉末以按照Sn-5犯i重量百分比為65-90%,Sn-3.5Ag重量百分比為8-20To,Sn-3.8Ag-0.7Cu重量百分比4-10%的比例均勻混合。全文摘要一種低溫無鉛釬焊料合金及其制成的焊錫膏，作為一種SMT焊料，通過在該低溫無鉛釬焊料合金以Sn-58Bi為主要成分的體系中添加Ag占0.2-6％或Cu占0.1-3％的重量百分比來改進。改進后的焊料合金提高了其潤濕性能和焊點強度。含有該成分的焊料合金粉末的釬焊膏能提供良好的潤濕性和可靠性，滿足SMT所需釬料合金及釬料膏的要求，特別適用于需要低溫應用的場合。文檔編號B23K35/24GK101491866SQ20081006565公開日2009年7月29日申請日期2008年1月25日優先權日2008年1月25日發明者吳建新,吳建雄,徐金華,鑫馬申請人:深圳市億鋮達工業有限公司;東莞市億鋮達焊錫制造有限公司