[发明专利]一种高润湿、抗氧化的无铅锡基合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊料，具体是指一种高润湿、抗氧化、低成本使用的无铅锡基焊料。

技术背景

电子工业中大量应用有铅焊料，以Sn-Pb合金为代表的有铅焊接材料虽然具有十分优良的焊接性能、力学性能、导电性能及低成本，但铅对人体健康及自然环境造成很大的危害。随着工业的发展和电子产品的大量普及，出现了大量的电子废弃物，电子废弃物中的铅等有害物质通过雨水、土壤等进入植物链、动物链，最终对人类及其生存的环境造成极大的危害。

人类认识到了铅的危害，所以，从上个世纪80年代开始，人们相继研发无铅焊接材料来替代有铅材料。到目前，无铅材料的推广速度十分迅猛。无铅焊接材料的成分主要集中在Sn-Ag-Cu系列及Sn-Cu系列材料。美国专利USP4,879,096由Oatey公司于1989年提出了一种Sn-Ag-Cu-Bi无铅材料，此后，Cookson公司在USP4,929,423及EP0,336575中提出了一种Sn-Bi-Cu-Ag-P-Re的材料。美国专利USP5,352,407的提出的成分范围为Sn-Ag(1.5～3.5)-Cu(0.2～2.0)-Sb(0.2～2.0)的材料，熔点范围210～215℃。与此类似的还有美国专利USP5,405,577，专利中强调无铅、无铋合金。1998年Johnson公司的USP5,837,191专利为Sn-Sb(0.75～2)-Cu(0.05～0.6)-Ag(0.05～0.6)-Ni(0.05～0.6)的材料，材料中镍的加入是为了提高合金化增加材料强度。美国专利USP5,527,628的基本成分是Sn-Ag(3.5～7.5)-Cu(1～4)，其最佳的三元共晶成分是Sn-4.7Ag-1.7Cu，共晶温度217℃，商品化成分Sn3.8Ag0.7Cu。日本专利JP3,027,441提出的成分是Sn-Ag(3.0～5.0)-Cu(0.5～3.0)，必要时可以添加小于5％的Sb。此材料成为目前最广泛应用的无铅锡合金材料。在此基础上，日本富士电机申请了USP6,179,935专利，提出了Sn-Ag(0～4.0)-Cu(0～2.0)-Ni(0～1.0)-Ge(0～1)，专利中Cu可以用Sb(0～3.5)替代，Ni和Ge的加入是为了增加材料强度、润湿性及抗氧化性。日本Nihon Superior的USP6,180,055及JP3,152,945是一种Sn-Cu(0.1～2)-Ni(0.002～1)材料，材料成本较低，广泛应用于波峰焊接。

在锡基无铅焊料的推广应用中，还遇到因损耗造成的高昂成本。如集成电路板的波峰焊接，液态锡合金材料表面会产生很大的扰动，使锡合金氧化成渣，高比例的材料烧损使得无铅锡合金材料的应用成本大幅度提高。为了减少材料损耗，人们用了多种办法来减少无铅锡合金的氧化烧损。最典型的办法是向合金中加入一些比锡更易氧化的元素，如P、Ge等。中国专利CN1,317,101C是Sn-Ag(3～4％)的共晶合金中加入Ge或/和P，来增加材料的抗氧化性，类似的方法还被应用到工业纯锡中(CN1,230,567C)，中国专利CN1,203,960C用加P和稀土的办法来增加Sn-Ag(0.5～5％)-Cu(0～2％)合金的抗氧化性。中国专利CN1,400,081A是一种Sn-Cu(0.1-3wt％)-P(0.001-0.1wt％)为基础的合金，应用于电子线路板的波峰焊接，是与本发明类似的专利，但该专利没有优化合金元素的作用。

在合金元素被烧损的同时，因锡合金材料表面富集的氧化膜，同时也造成锡材料的焊接性能、润湿性能大幅度下降。因此，开发实用性能良好的无铅材料仍然是我们材料工作努力的方向。

无铅材料的焊接性能如扩展率、润湿性明显低于传统的Sn-Pb基材料；锡基无铅材料熔融状态下的氧化倾向也明显高于传统的Sn-Pb基材料。如在波峰焊的应用场合，无铅材料高温下的烧损更严重，材料烧损的比例超过20％，大大增加材料的使用成本；材料氧化的同时使其焊接性能进一步下降，存在普遍的性能低、成本高的现象。

为了解决无铅材料液态条件下的氧化烧损问题，传统的解决方法是往合金中加大量的比锡具有更高氧化性的元素P、Ga、Ge、In、Al、Zn等。这些元素往往会富集在金属液体表面，并优先和氧反应，形成致密的氧化膜从而达到阻止液态锡合金继续氧化的目的。Al、Zn元素的氧化膜过于稳定，影响锡对基材的润湿性，所以被禁止采用；Ga、Ge、In等是一些稀贵金属，即使是微量的加入也会提高材料成本；P是一种经常用来提高锡合金抗氧化性能的元素。