一种用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料及制造方法

摘要

一种用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料及制造方法，涉及一种锡锌多元共晶无铅焊料及制造方法。它由下述重量百分比的原料组成：锌Zn3%～7%；镍Ni0.1%～0.5%；碲Te0.05%～0.2%；钕Nd0.01%～0.05%；锡基抗氧化合金1%～1.5%；锡Sn为余量。本发明从锡锌焊料的配方及制造方法上取得突破，最终解决了焊点开裂问题。生产出的合金焊料在进行铜铝焊接后可在双85环境中1000小时不发生开裂，保证了焊点在恶劣环境中的稳定性和持久性。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料焊接技术领域，涉及铜铝焊接技术，特别涉及到抗开裂的无铅环保钎料合金，特别是一种用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料（锡锌多元共晶无铅焊料）及制造方法。

技术背景

传统的锡铅钎料对人体和环境具有极大的危害，由于RoHS指令和WEEE指令在欧洲会议获得批准，使得无铅焊料的使用成为必然。目前，世界各国都在进行电子产品的无铅计划和立法，电子行业也在积极推行无铅焊料和无铅制程。

在大量研究与实践过程中发现将锡锌焊料用于铝铜焊接具有较好焊接性能，但采用此种焊料焊接后存在一种缺点，即焊接后的焊点在双85试验（焊点样品置于恒温恒湿箱中，温度为85℃，相对湿度为85%RH）环境中存放不足200小时即发生开裂现象。满足不了抗开裂要求，根据电气可靠性要求，即焊点在双85 实验环境中应保持1000小时以上不出现开裂现象。本发明针对此项技术难题，从锡锌焊料的配方及制造方法上取得突破，最终解决了焊点开裂问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于铜铝焊接的锡锌多元合金配方及其制备方法，使用该配方和制备方法生产的焊料使用超声波焊接技术焊接铜铝端子后，焊点在双85环境（样品置于恒温恒湿箱中，温度为85℃，相对湿度为85%RH）中保持1000小时不发生开裂。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料，其特征是：它由下述重量百分比的原料组成：

锌Zn 3%～7%；镍Ni 0.1%～0.5%；碲Te 0.05%～0.2%；钕Nd 0.01%～0.05%；锡基抗氧化合金1%～1.5%；锡Sn为余量。

根据所述的用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料，其特征是：它由下述重量百分比的原料组成：

Zn 5%；Ni 0.3%；Te 0.1%；Nd 0.02%；Sn基抗氧化合金1%；Sn为余量。

根据所述的用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料，其特征是：它由下述重量百分比的原料组成：

Zn 7%；Ni 0.2%；Te 0.2%；Nd 0.03%；Sn基抗氧化合金1.2%；Sn为余量。

根据所述的用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料，其特征是：它由下述重量百分比的原料组成：

Zn 3%；Ni 0.2%；Te 0.15%；Nd 0.03%；Sn基抗氧化合金1.2%；Sn为余量。

根据所述的用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料，其特征是：它由下述重量百分比的原料组成：

Zn 4%；Ni 0.3%；Te 0.2%；Nd 0.01%；Sn基抗氧化合金1.3%；Sn为余量。

根据所述的用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料，其特征是：它由下述重量百分比的原料组成：

Zn 6%；Ni 0.4%；Te 0.07%；Nd 0.04%；Sn基抗氧化合金1.5%；Sn为余量。

一种制造所述用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料的方法，其特征是：按所述原料的重量百分比、按以下步骤进行：

（a）将余量的Sn加入到真空熔炼炉中，待Sn完全熔化且Sn液温度达到370～380℃时加入锌片,温度升至400℃，开启搅拌，速率控制在100～150R/min，搅拌时间15～20min；

（b）搅拌完成确定Zn完全融化后加入镍粉，加入温度升至450℃，开启搅拌，速度控制在150～200R/min，搅拌时间约10min；

（c）搅拌完成后加入碲块，温度保持450℃不变，搅拌5min，速度控制在50～100R/min内；

（d）加入Nd和Sn基抗氧化合金，温度升至480℃，搅拌15～25min，降至380℃，加入锯末500g、NH₄Cl 200g搅拌10min后使用漏勺清理表面锡渣；

（e）温度降至350℃开始浇铸合金焊料，浇铸前将模具的水冷开关打开，浇铸后观察合金条表面完全冷却后关闭水冷开关并将焊料取出模具，然后置于去离子水中迅速冷却，完成本次浇铸过程。

本发明的有益效果：本发明生产出的合金焊料在进行铜铝焊接后可在双85环境中1000小时不发生开裂，保证了焊点在恶劣环境中的稳定性和持久性。

本发明在锡锌多元合金中加入了3%～7%的Zn，由于Zn的活性和较强的抗蠕变性，若含量超过7%，虽然熔点降低了，更适于铜铝焊接，但其脆性增强，延展性降低，在进行双85环境实验1000小时时开裂现象达90%左右。而含量在3%左右时，在双85环境实验1000小时开裂率小于20%，当Zn含量低于3%时在双85环境实验1000小时开裂现象几乎不存在，但在铜铝焊接过程中易焊性下降，对焊接可靠性也会产生不利影响，综合考虑将Zn的范围定于3%～7%之间。

本发明在锡锌多元合金中加入0.1%～0.5%的镍元素，可细化合金凝固组织中的晶粒，改善合金中的力学性能，增加可焊性和抗开裂性能，同时对焊后焊点的光亮度有提高作用，但当镍元素的量大于1%后合金的液相线开始上升，对焊接不利。

本发明在锡锌多元合金加入了0.05%～0.2%Te元素，Te元素对焊料的抗氧化性和润湿性能十分有利，经实验，未加入Te元素时焊料在300℃表面开始产生氧化渣，加入0.1%的Te可将焊接升到400℃不产生氧化渣，此外Te元素还会改善合金的延展性，使焊料在双85环境中有效克服合金内产生的应力，使焊点抗开裂性增强，但如含量超过0.5%会使合金软化，对产品可靠性产生不良影响。

本发明在锡锌多元合金中加入了Sn基抗氧化合金和稀土元素Nd，Sn基抗氧化合金有效防止了Zn的易氧化性，增加焊点的耐疲劳和耐腐蚀性，Nd元素为稀土元素中较为活泼的金属，加入微量可适当提高合金的高性能、气密性和耐腐蚀性，对抗开裂较为有利，Sn基抗氧化合金加入过量无太大作用，反而增加成本，Nd元素也不能加入超过0.5%，超过后使合金的液相线上升，且增加合金成本。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明一种用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料（锡锌多元共晶无铅焊料），它由下述重量百分比的原料组成：锌Zn 3%～7%,镍Ni 0.1%～0.5%，碲Te 0.05%～0.2%，钕Nd 0.01%～0.05%，锡基抗氧化合金(内含微量镓、锗、磷)1%～1.5%，锡Sn余量。

本发明用于铜铝焊接的锡锌多元合金焊料制造方法，按以下步骤进行：

（a）将余量的Sn加入到真空熔炼炉中，待Sn完全熔化且Sn液温度达到370～380℃时加入3%～7%锌片,温度升至400℃，开启搅拌，速率控制在100～150R/min，搅拌时间15～20min。

（b）搅拌完成确定Zn完全融化后加入0.1%～0.5%的镍粉，加入温度升至450℃，开启搅拌，速度控制在150～200R/min，搅拌时间约10min。

（c）搅拌完成后加入0.05%～0.2%碲块，温度保持450℃不变，搅拌5min，速度控制在50～100R/min内。

（d）加入0.01%～0.05%Nd和1%～1.5% Sn基抗氧化合金，温度升至480℃，搅拌15～25min，降至380℃，加入锯末500g、NH₄Cl 200g搅拌10min后使用漏勺清理表面锡渣。

（e）温度降至350℃开始浇铸合金焊料，浇铸前将模具的水冷开关打开，浇铸后观察合金条表面完全冷却后关闭水冷开关并将焊料取出模具，然后置于去离子水中迅速冷却，完成本次浇铸过程。

实施例1

将Zn 5%,Ni 0.3%，Te 0.1%，Nd 0.02%，Sn基抗氧化合金1%，Sn余量的原料按照上述的冶炼方法，即制得本发明的无铅锡锌焊料。

实施例2

将Zn 7%,Ni 0.2%，Te 0.2%，Nd 0.03%，Sn基抗氧化合金1.2%，Sn余量的原料按照上述的冶炼方法，即制得本发明的无铅锡锌焊料。

实施例3

将Zn 3%,Ni 0.2%，Te 0.15%，Nd 0.03%，Sn基抗氧化合金1.2%，Sn余量的原料按照上述的冶炼方法，即制得本发明的无铅锡锌焊料。

实施例4

将Zn 4%,Ni 0.3%，Te 0.2%，Nd 0.01%，Sn基抗氧化合金1.3%，Sn余量的原料按照上述的冶炼方法，即制得本发明的无铅锡锌焊料。

实施例5

将Zn 6%,Ni 0.4%，Te 0.07%，Nd 0.04%，Sn基抗氧化合金1.5%，Sn余量的原料按照上述的冶炼方法，即制得本发明的无铅锡锌焊料。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。