Sn-Cu-Ni无铅焊料的除铜方法及PCB生产方法

摘要

本发明提供了一种Sn-Cu-Ni无铅焊料的除铜方法及PCB生产方法。该Sn-Cu-Ni无铅焊料的除铜方法是在PCB无铅喷锡工艺中使用的，并且该方法包括：1)将Sn-Cu-Ni无铅焊料在280-320℃的条件下加热，以使其充分熔化；2)将由所述步骤1)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至235-240℃，以析出固态锡铜合金；以及3)除去由所述步骤2)得到的析出的固态锡铜合金，得到经除铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料。本发明的方法具有以下优点：本发明的方法可以替代添加低铜焊料稀释降铜的做法，达到降低无铅焊料中铜含量的目的。该方法成本低廉，操作简便，并且能够保证产品品质，适合工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及在PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)生产过 程中的无铅喷锡工艺中的Sn-Cu-Ni无铅焊料的除铜方法。

背景技术

在PCB生产过程中，为了满足世界电子产品无铅化的环境保护 要求，在无铅喷锡工艺中越来越广泛地使用无铅焊料，其中无铅焊料 有多种体系，如Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni等。

无铅喷锡工艺流程为：放板→微蚀前处理→水洗→上助焊剂→无 铅喷锡→冷气→水洗→烘干→收板。

在PCB生产过程中，由于板面铜会轻微溶解到无铅焊料中，使 得Sn-Cu-Ni无铅焊料中的Cu含量逐步上升。而Cu的含量过高时， 可能影响板件可焊性，会导致生产板件出现可焊性不良、锡面发黄等 品质缺陷。因此需要将Cu含量控制在一定范围之内，当Cu含量超 出要求范围时，就需要进行调整。而当Cu含量达到0.90％或以上时， 就可能影响到生产板件可焊性及外观品质。因此通常需要将Cu含量 控制在0.50％-0.90％的范围内。

目前的PCB生产工艺中所使用的常规做法是排去部分无铅焊料， 添加同一体系低Cu焊料，通过稀释的方法来达到降低无铅焊料中Cu 含量的目的。但是这种方法的缺点在于需要在生产过程中不断添加同 一体系低Cu焊料并排出部分焊料，而且所排出的焊料无法重复使用， 这就造成了在实际生产过程中的物料成本太高，不利于工业化生产。 目前也采用物理方法进行除铜处理。例如，中国专利申请 CN200510068301.9公开了一种应用于PCB、SMT的无铅喷锡工艺中 的除铜方法，包括：通过将锡炉主槽温度从260-300℃的工作温度降 至230-250℃并静置30-270分钟后，捞出所析出的含铜锡渣，再将主 槽温度升至工作温度。但是该方法存在以下技术问题：1)无铅焊料 有多种体系，如锡-镍-铜、锡-铜、锡-银、锡-银-铋等，但该方法对此 并无针对性，相关参数范围很大，对于实际操作指导作用不强；2) 除铜操作步骤及要求不明确，难以得到稳定而明显的除铜效果；3) 该方法需用锡镍棒补锡镍，锡镍棒的制作要求高，并需专门的设备， 非专业性供应商难以制作好，可能会引起品质不稳定的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种应用于 PCB的无铅喷锡工艺中的Sn-Cu-Ni无铅焊料的除铜方法。

具体而言，本发明提供：

(1)一种Sn-Cu-Ni无铅焊料的除铜方法，该方法是在PCB无铅喷锡 工艺中使用的，并且该方法包括：

1)将Sn-Cu-Ni无铅焊料在280-320℃的条件下加热，以使其充 分熔化；

2)将由所述步骤1)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至 235-240℃，以析出固态锡铜合金；以及

3)除去由所述步骤2)得到的析出的固态锡铜合金，得到经除 铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料。

(2)根据(1)所述的方法，其中，在所述步骤1)中，在将所述Sn-Cu-Ni 无铅焊料在280-320℃的条件下加热的同时，以1800-2000rpm的速 度搅拌1.5-2.0小时。

(3)根据(2)所述的方法，其中，在所述步骤1)中，将所述Sn-Cu-Ni 无铅焊料在300℃的条件下加热。

(4)根据(1)所述的方法，其中，在所述步骤2)中，在所述降温 过程中当温度≥250℃时以1800-2000rpm的速度进行搅拌。

(5)根据(1)-(4)中任一项所述的方法，其还包括：

4)将由所述步骤3)得到的经除铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料在 250-260℃的条件下加热，以使其充分熔化；

5)将由所述步骤4)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至 235-240℃，以析出固态锡铜合金；以及

6)除去由所述步骤5)得到的析出的固态锡铜合金，得到经再 次除铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料。

(6)根据(5)所述的方法，其中，在所述步骤4)中，在将所述Sn-Cu-Ni 无铅焊料在250-260℃的条件下加热的同时，以1800-2000rpm的速度 搅拌1.5-2.0小时。

(7)根据(5)所述的方法，其中，在所述步骤5)中，在所述降温 过程中当温度≥250℃时以1800-2000rpm的速度进行搅拌。

(8)根据(5)所述的方法，其还包括：

7)将由所述步骤6)得到的经再次除铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊 料在270-280℃的条件下加热，并以1800-2000rpm的速度搅拌1.5-2.0 小时。

(9)根据(1)所述的方法，其中，在进行所述步骤1)之前，所述 Sn-Cu-Ni无铅焊料中的铜的百分含量大于等于0.90％。

(10)一种PCB生产方法，包括无铅喷锡工艺，并且所述无铅喷锡 工艺包括将Sn-Cu-Ni无铅焊料进行除铜处理，

其中，所述的将Sn-Cu-Ni无铅焊料进行除铜处理包括如(1)- (9)中任一项所述的方法。

本发明的方法与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

本发明的方法可以替代添加低铜焊料稀释降铜的做法，使得经本 发明方法处理前和处理后的铜的百分含量之差为约0.06％-0.08％，达 到降低无铅焊料中铜含量的目的，而且本方法能够将镍保持在0.03％ 以上，不会引起镍含量的显著降低。该方法成本低廉，操作简便，并 且能够保证产品品质，适合工业化生产。

附图说明

图1为可用于本发明方法的无铅喷锡锡槽结构及搅拌器分布示 意图；

图2为根据本发明的实施方案在降温到所需温度时除去锡铜合 金渣的方法示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式的描述并参照附图对本发明作进一步说 明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本 思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想， 均在本发明的范围之内。

除非另外说明，本发明中所用术语“Sn-Cu-Ni无铅焊料”主要由 Sn、Cu、Ni三种元素构成，包含Ge、Pb、Sb、Bi等微量元素，各组 分初始含量范围如下表1所示：

表1  Sn-Cu-Ni无铅焊料中各组分的含量

  Sn-Cu-Ni无铅焊料  含量   Sn(锡)  ≥99％   Cu(铜)  ～0.7％   Ni(镍)  ～0.05％   Ge(锗)  ≤0.01％   Pb(铅)  ≤0.05％   Sb(锑)  ≤0.05％   Bi(铋)  ≤0.03％   Ag(银)  ≤0.05％   Cd(镉)  ≤0.002％

Sn-Cu-Ni无铅焊料熔点约227℃，密度为7.3g/cm³，具有与传统 Sn-Pb焊料相近的可靠焊接性能，成本经济性、工艺生产条件综合性能 优良，并且可与传统铅锡焊料和生产设备兼容，与Sn-Ag-Cu合金一起 成为无铅焊料发展的主流趋势。

除非另有说明，本发明中所用的术语“充分熔化”是指无铅焊料 经过加热后，全部熔融成液态，具有良好的流动性。

除非另有说明，本文中用于表示含量的符号“％”是指焊料中的 组分的重量占焊料总重量的百分比。

本发明人发现：Sn-Cu-Ni无铅焊料在降温至235-240℃时，锡铜 合金Cu₆Sn₅(还会含有Ni等其它微量元素)会从熔融焊料中先析出， 并沉积在锡槽底部。而当温度高于240℃，则无法形成锡铜合金 Cu₆Sn₅；当温度低于235℃，则Sn-Cu-Ni无铅焊料的流动性变差，此 时捞出固态锡铜合金渣Cu₆Sn₅会携带出焊料，从而导致原料的浪费。 由于锡铜合金Cu₆Sn₅中的铜含量约为2-4％，远高于无铅焊料中的铜 含量，因此利用工具(例如漏勺)将固态锡铜合金渣Cu₆Sn₅捞出，可 以有效除去部分铜元素，达到降低无铅焊料中铜含量的目的。

本发明方法的一种实施方案可以是，先将焊料加热到280-320℃ 并搅拌2小时，然后将温度先降至235-240℃，再回升至250-260℃， 再降至235-240℃，在235-240℃时分别用漏勺从锡槽中捞出固态锡铜 合金渣，由于锡铜合金渣中富集Cu元素，除去锡铜合金渣即可降低 无铅焊料中的Cu含量。

本发明人通过实验发现：在降温捞取锡铜合金渣的过程中，两次 降温除铜的处理方法非常重要，可以有效控制捞出锡渣的数量及比 例。否则，可能在降低Cu含量的同时，也会大大降低Ni含量，从而 使得焊料成份难以调整，不利于降低成本。

此外，本发明人通过实验还发现：如果采用1次降温处理，处理 前和处理后的铜的百分含量之差可为约0.05％(例如，铜含量从0.90％ 降低至0.85％)，镍的百分含量之差可为约0.02％(例如，镍含量从 0.065％降低至0.045％)。如果采用2次降温处理方法，处理前和处 理后的铜的百分含量之差可为约0.08％，镍的百分含量之差约0.03％。 然而，如果采用3次降温处理方法，铜含量几乎不会比采用2次降温 处理方法再下降，但镍含量会进一步降低，例如处理前和处理后的镍 的百分含量之差约为0.04％。其中，2次降温处理降铜效果已接近或 达到最佳状态，镍含量下降较少易调整；3次降温处理时，铜含量不 会继续降低，镍含量进一步降低，将镍含量调整至0.04-0.07％时，需 添加更多低铜高镍的锡棒(如，可购自日本斯倍利亚(Nihon Superior) 公司的、型号为SN100CLe的锡棒)，造成成本上升。

本发明的一个实施方案是：

1)将Sn-Cu-Ni无铅焊料在280-320℃的条件下加热，以使其充 分熔化；其中，优选将Sn-Cu-Ni无铅焊料在300℃的条件下加热；

2)将由步骤1)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至235-240 ℃，以析出固态锡铜合金；以及

3)除去由步骤2)得到的析出的固态锡铜合金，得到经除铜处 理的Sn-Cu-Ni无铅焊料。

本发明的一个更优选的实施方案是：

1)将Sn-Cu-Ni无铅焊料在280-320℃的条件下加热，以使其充 分熔化；其中，优选将Sn-Cu-Ni无铅焊料在300℃的条件下加热；

2)将由步骤1)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至235-240 ℃，以析出固态锡铜合金；

3)除去由步骤2)得到的析出的固态锡铜合金，得到经除铜处 理的Sn-Cu-Ni无铅焊料；

4)将由步骤3)得到的经除铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料在 250-260℃的条件下加热，以使其充分熔化；

5)将由步骤4)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至235-240 ℃，以析出固态锡铜合金；以及

6)除去由步骤5)得到的析出的固态锡铜合金，得到经再次除 铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料。

此外，还可以将由步骤6)得到的经再次除铜处理的Sn-Cu-Ni 无铅焊料在270-280℃的条件下加热，并以1800-2000rpm的速度搅 拌1.5-2.0小时。

本发明的另一个更优选的实施方案是：

1)将Sn-Cu-Ni无铅焊料在280-320℃的条件下加热，加热同时 以1800-2000rpm的速度搅拌1.5-2.0小时，以使其充分熔化；

2)将由步骤1)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至235-240 ℃，且在该降温过程中当温度≥250℃时以1800-2000rpm的速度进行 搅拌，以析出固态锡铜合金；

3)除去由步骤2)得到的析出的固态锡铜合金，得到经除铜处 理的Sn-Cu-Ni无铅焊料；

4)将由步骤3)得到的经除铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料在 250-260℃的条件下加热，加热同时以1800-2000rpm的速度搅拌 1.5-2.0小时，以使其充分熔化；

5)将由步骤4)得到的熔化的Sn-Cu-Ni无铅焊料降温至235-240 ℃，且在该降温过程中当温度≥250℃时以1800-2000rpm的速度进行 搅拌，以析出固态锡铜合金；以及

6)除去由步骤5)得到的析出的固态锡铜合金，得到经再次除 铜处理的Sn-Cu-Ni无铅焊料。

此外，还可以将由步骤6)得到的经再次除铜处理的Sn-Cu-Ni 无铅焊料在270-280℃的条件下加热，并以1800-2000rpm的速度搅 拌1.5-2.0小时。

以下通过例子的方式进一步解释或说明本发明内容，但这些例 子不应被理解为对本发明保护范围的限制。

无铅喷锡工艺的初始原料Sn-Cu-Ni无铅焊料可购自日本斯倍利 亚(Nihon Superior)公司，型号为SN100CL，以下例子中所用的 “Sn-Cu-Ni无铅焊料”为将上述Sn-Cu-Ni无铅焊料进行无铅喷锡工 艺后的Sn-Cu-Ni无铅焊料，其铜含量分别升高至各例子中的所示值； 比较例1所添加的补充焊料为SN100CLe或SN100CLN3。SN100CL、 SN100CLe和SN100CLN3的成分含量分别如下表2所示：

表2  焊料中各组分的含量(单位：％)

以下例子所用的无铅喷锡机为上帅无铅喷锡机，型号为 HAL-2424-LF，由东莞精工线路板设备有限公司制造。其结构示意图 如图1所示，外形尺寸(长×宽×高)为1760×1300×2370mm，槽体分主槽 与副槽，主槽尺寸(长×宽×高)为850×600×900mm，副槽尺寸(长×宽× 高)为250×600×900mm，生产时槽中共包含无铅焊料480公斤。

以下例子中无铅喷锡工艺所选用的参数如下表3所示：

表3  无铅喷锡工艺所选用的参数

  锡炉温度   浸锡时间  热风温度   风刀嘴间隙   热风压力   260-280℃   2-8秒  300-400℃   0.25mm   2.5-5kg/cm²

在以下例子中，进行各成分分析所采用的测量仪器为日本岛津公 司的AA-6300C型号原子吸收光谱仪。

实施例1

(1)将锡槽1中的Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热至300℃，焊料熔 化后用搅拌器3以2000rpm的速度搅拌2小时(如图1所示)；

(2)设定锡槽1温度为240℃进行降温处理，降温过程中放入漏 勺4，降温速度为2-3℃/min，且在该降温过程中当温度≥250℃时以 2000rpm的速度进行搅拌；

(3)在240℃时用漏勺4将固态锡铜合金渣取出(如图2所示)；

(4)将Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热到260℃，并用搅拌器3以2000 rpm的速度搅拌2小时；

(5)设定锡槽1温度为240℃进行降温处理，降温过程中放入漏 勺4，降温速度为2-3℃/min，且在该降温过程中当温度≥250℃时以 2000rpm的速度进行搅拌；

(6)温度达到240℃时，用漏勺4将槽中固态锡铜合金渣5捞取 出来；

(7)将Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热到280℃，搅拌1.5小时后取 样，样品需用冷水急速冷却处理，确保取样成分均匀，保证分析准确 性。

成分分析结果：

起始焊料中各成分含量：铜0.91％，镍0.058％；

第1次除铜处理后焊料中各成分含量：铜0.86％，镍0.040％；

第2次除铜处理后焊料中各成分含量：铜0.83％，镍0.034％；

合金渣中各成分含量：铜3.0-4.0％，镍0.3-0.5％。

实施例2

(1)将锡槽1中的Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热至280℃，焊料熔 化后用搅拌器3以1800rpm的速度搅拌1.5小时(如图1所示)；

(2)设定锡槽1温度为235℃进行降温处理，降温过程中放入漏 勺4，降温速度为2-3℃/min，且在该降温过程中当温度≥250℃时以 1800rpm的速度进行搅拌；

(3)在235℃时用漏勺4将固态锡铜合金渣取出(如图2所示)；

(4)将Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热到250℃，并用搅拌器3以1800 rpm的速度搅拌1.5小时；

(5)设定锡槽1温度为235℃进行降温处理，降温过程中放入漏 勺4，降温速度为2-3℃/min，且在该降温过程中当温度≥250℃时以 1800rpm的速度进行搅拌；

(6)温度达到235℃时，用漏勺4将槽中固态锡铜合金渣5捞取 出来；

(7)将Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热到250℃，并用搅拌器3以1800 rpm的速度搅拌1.5小时；

(8)设定锡槽1温度为235℃进行降温处理，降温过程中放入漏 勺4，降温速度为2-3℃/min，且在该降温过程中当温度≥250℃时以 1800rpm的速度进行搅拌；

(9)温度达到235℃时，用漏勺4将槽中固态锡铜合金渣5捞取 出来；

(10)将Sn-Cu-Ni无铅焊料2加热到280℃，搅拌1.5小时后取 样，样品需用冷水急速冷却处理，确保取样成分均匀，保证分析准确 性。

成分分析结果：

起始焊料中各成分含量：铜0.93％，镍0.065％；

第1次除铜处理后焊料中各成分含量：铜0.88％，镍0.045％；

第2次除铜处理后焊料中各成分含量：铜0.85％，镍0.035％；

第3次除铜处理后焊料中各成分含量：铜0.85％，镍0.027％；

合金渣中各成分含量：铜3.0-4.0％，镍0.3-0.5％。

比较例1

排去含铜量高的无铅焊料，添加低铜高镍含量的锡料调节Cu含 量的具体操作步骤为：

(1)将无铅焊料加热至300℃充分熔化，同时以2000rpm速度 搅拌2小时以上；

(2)分析无铅焊料铜、镍含量，计算将铜含量降至目标值时需 要排掉的含铜量高的无铅焊料的重量，以及需添加的低铜高镍含量锡 料的重量；

(3)使用金属勺舀出液态无铅焊料，倒入固定大小容器(装满 焊料时为15公斤)，直至舀出无铅焊料重量达到要求值；

(4)按照(2)的计算值加入低铜高镍锡料，充分熔化，并搅 拌2小时；

(5)从充分熔化的无铅焊料中取样分析铜、镍含量。

成分分析结果：起始焊料中各成分含量：铜0.90％，镍0.055％；

要求调整至：铜0.82％，镍0.040-0.070％；

理论计算需排掉45公斤高含铜量的无铅焊料，再添加45公斤低 铜高镍SN100CLe焊料，添加后实际测量结果为铜0.81％，镍0.065％， 接近目标值。排去的焊料无法再利用，因此导致成本明显上升。