本發明涉及高無鉛焊料合金領域，具體涉及一種sn～sb～cu～bi系的低成本高熔點的無鉛焊料合金及其制備方法。

背景技術：

在尖端的軍工、醫療、半導體電子行業中均均需用到焊料合金，而常規無鉛焊料合金中sac305/sc07/sac105/sac0307的熔點溫度為217～227℃，snsb5的熔點溫度為232～240℃，均因熔點過低無法滿足適用要求，因此，目前當前行業中只能采用含鉛合金或高成本的含貴金屬的無鉛焊料合金。

但含鉛焊料合金的鉛屬于重金屬，而重金屬鉛在人體內易于積累，抑制蛋白質的正常化合，易侵害神經系統，造成精神錯亂，特別是對嬰幼兒的危害更大，會影響智商和正常發育。因此世界范圍內越來越多的國家立法禁止鉛的使用。

另外，含貴金屬的無鉛焊料合金，已知的au～20sn含有高比例的貴金屬au，成本高昂；如已公告的專利cn104520062b同樣含有8～25%的貴金屬ag，ag成本價約為sn成本價的28倍，sb的成本價65倍，成本及其昂貴。

因此在滿足焊接工藝要求：熔點>245℃、拉伸強度、蠕變性、微觀結構的前提下，低成本高熔點的無鉛焊料合金具有良好的市場前景。

技術實現要素：

本發明為了解決現有技術存在的上述問題，提供了一種低成本高熔點的無鉛焊料合金及其制備方法。

實現上述目的，本發明提供了一種低成本高熔點的無鉛焊料合金，包括主組份、輔助組份以及余量sn，按重量百分比的含量計算，所述主組份包括12～25%sb，0.1～5%cu，0.01～0.5%bi，0.005～0.20%ni，所述輔助組份包括用于改善微觀晶體結構的0.0～0.20%微量合金以及用于抗氧化的0.00～0.05%微量抗氧化劑。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述微量合金為co、mn、al、si中的一種或幾種。

作為本發明的進一步優選技術方案，按重量百分比的含量計算，所述微量合金的含量及成分如下：

0.00～0.20%co，

0.00～0.20%mn，

0.00～0.20%al，

0.00～0.20%si。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述微量抗氧化劑為p、ge、ga中的一種或幾種。

作為本發明的進一步優選技術方案，按重量百分比的含量計算，所述微量抗氧化劑的含量及成分如下：

0.000～0.02%p，

0.002～0.02%ge，

0.002～0.05%ga。

本發明還提供了一種低成本高熔點的無鉛焊料合金的制備方法，包括以下步驟：

將部分sn與除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份配制并熔煉成中間合金，所述主組份、輔助組份以及余量sn的含量如上述低成本高熔點的無鉛焊料合金所述；

將剩余的sn與sb在真空感應的加熱爐中熔解，其熔解溫度為380～450℃，并充分攪拌60～90分鐘；及

將溶解并攪拌均勻的sn和sb中加入中間合金，充分攪拌后進行冷卻，并通過澆鑄制得低成本高熔點的無鉛焊料合金。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述微量合金為co、mn、al、si中的一種或幾種。

作為本發明的進一步優選技術方案，按重量百分比的含量計算，所述微量合金的含量及成分如下：

0.00～0.20%co，

0.00～0.20%mn，

0.00～0.20%al，

0.00～0.20%si。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述微量抗氧化劑為p、ge、ga中的一種或幾種。

作為本發明的進一步優選技術方案，中間合金的制備比例和熔煉溫度分別是：

sn～2％al，400～500℃

sn～5％cu，500～600℃，

sn～5％ni，900～1000℃，

sn～1％co，900～1000℃，

sn～3％mn，900～1000℃，

sn～3％si，400～500℃，

sn～5％p，500～600℃，

sn～1％ge，600～700℃，

sn～1％ga，300～400℃。

本發明的低成本高熔點的無鉛焊料合金及其制備方法可以達到如下有益效果：

本發明的低成本高熔點的無鉛焊料合金，通過包括主組份、輔助組份以及余量sn，按重量百分比的含量計算，所述主組份包括12～25%sb，0.1～5%cu，0.01～0.5%bi，0.005～0.20%ni，所述輔助組份包括用于改善微觀晶體結構的0.0～0.20%微量合金以及用于抗氧化的0.00～0.05%微量抗氧化劑，使得本發明低成本高熔點的無鉛焊料合金熔點溫度范圍在241.5～299.2℃，即具有超過240℃的融化溫度，液相線溫度高達299.2℃；同時不含有有害物質鉛，符合歐盟rohs要求，可以滿足電子組裝工藝中高熔點、環保的焊接要求；且本發明成本較低，適用更廣泛。

本發明的低成本高熔點的無鉛焊料合金的制備方法，通過包括以下步驟：將部分sn與除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份配制并熔煉成中間合金，所述主組份、輔助組份以及余量sn的含量如上述低成本高熔點的無鉛焊料合金所述；將剩余的sn與sb在真空感應的加熱爐中熔解，其熔解溫度為380～450℃，并充分攪拌60～90分鐘；及將溶解并攪拌均勻的sn和sb中加入中間合金，充分攪拌后進行冷卻，并通過澆鑄制得低成本高熔點的無鉛焊料合金，使得本發明方法制得的低成本高熔點的無鉛焊料合金熔點溫度范圍在241.5～299.2℃，即具有超過240℃的融化溫度，液相線溫度高達299.2℃；同時不含有有害物質鉛，符合歐盟rohs要求，可以滿足電子組裝工藝中高熔點、環保的焊接要求；且本發明成本較低，適用更廣泛。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為本發明低成本高熔點的無鉛焊料合金的dsc測試圖；

圖2為本發明低成本高熔點的無鉛焊料合金微觀晶體結構圖。

本發明目的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面將結合附圖以及具體實施方式，對本發明做進一步描述。較佳實施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等用語，僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。

本發明提供了一種低成本高熔點的無鉛焊料合金，包括主組份、輔助組份以及余量sn，按重量百分比的含量計算，所述主組份包括12～25%sb，0.1～5%cu，0.01～0.5%bi，0.005～0.20%ni，所述輔助組份包括用于改善微觀晶體結構的0.0～0.20%微量合金以及用于抗氧化的0.00～0.05%微量抗氧化劑。

其中sb主要擁有提高本發明低成本高熔點的無鉛焊料合金（可簡稱焊料合金）的固液相溫度，通過sb和sn相結合生成高熔點的金屬間化合物sb2sn3。低于12%的sb含量時，金屬間化合物減少，固相線降低，不能達到提高熔點的目的。高于25%的sb含量時，會延長液相線溫度區間，造成焊料合金的焊接不良，焊性下降。

其中cu主要生成cu3sn和cu6sn5，用于抑制低熔點相的生成，提高焊料合金的拉伸強度，cu的含量超過5％時，合金潤濕力下降。

其中ni主要是改善晶體微觀結構，使焊料分子間致密度更高，并提高拉伸強度和蠕變性。

按重量百分比的含量計算，低成本高熔點的無鉛焊料合金中各成分優化范圍如下：

sb的優化范圍為：12～20%，進一步的優化范圍為12～15%；

cu的優化范圍為：0.5～3%，進一步的優化范圍為：1.0～2.0%；

bi的優化范圍為：0.01～0.3%，進一步的優化范圍為：0.05～0.15%；

ni的優化范圍為：0.01～0.1%，進一步的優化范圍為：0.03～0.07%。

具體實施中，所述微量合金為co、mn、al、si中的一種或幾種，所述微量抗氧化劑為p、ge、ga中的一種或幾種。

由于，加入微量合金co，能有效抑制焊料合金在冷卻過程中粗大相的形成，從而細化晶粒，提升焊料合金的拉伸強度以及韌性；加入微量合金mn，能提升焊料合金的韌性；加入微量合金si，能提升焊料合金的熱疲勞壽命；加入微量合金al，可使粗大的低熔點相的生成受到抑制，使得焊料合金的接頭接合強度不易劣化。

具體實施中，按重量百分比的含量計算，所述微量合金的含量及成分如下：

0.00～0.20%co，其優化范圍為0.001～0.05%，進一步優化范圍為0.001～0.01%；

0.00～0.20%mn，其優化范圍為0.001～0.05%，進一步優化范圍為0.001～0.01%；

0.00～0.20%al，其優化范圍為0.000～0.005%，進一步優化范圍為0.000～0.003%；

0.00～0.20%si，其優化范圍為0.001～0.05%，進一步優化范圍為0.001～0.01%。

具體實施中，按重量百分比的含量計算，所述微量抗氧化劑的含量及成分如下：

0.000～0.02%p，

0.002～0.02%ge，

0.002～0.05%ga。

微量抗氧化劑能有效防止焊料合金的氧化，減少制造過程中氧化渣的產生，以及提升焊料合金的潤濕性能，微量抗氧化劑通過在焊料合金的凝固時抑制易于被氧化的金屬出現在焊料合金的表面來改善潤濕性的效果，使得在制造過程中sb、cu、bi、ni能停留在焊料合金內部，使不均勻成核引起的組織微細化進一步被促進，還具有焊料合金的伸長率大幅改善的效果。

本發明還提供了一種低成本高熔點的無鉛焊料合金的制備方法，包括以下步驟：

將部分sn與除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份配制并熔煉成中間合金；

將剩余的sn與sb在真空感應的加熱爐中熔解，以生成金屬間化合物sb2sn3，其熔解溫度為380～450℃，并充分攪拌60～90分鐘；以及

將溶解并攪拌均勻的金屬間化合物sb2sn3加入中間合金，并充分攪拌后進行冷卻，并通過澆鑄制得低成本高熔點的無鉛焊料合金。

具體實施中，所述微量合金為co、mn、al、si中的一種或幾種。

具體實施中，按重量百分比的含量計算，所述微量合金的含量及成分如下：

0.00～0.20%co，

0.00～0.20%mn，

0.00～0.20%al，

0.00～0.20%si。

具體實施中，所述微量抗氧化劑為p、ge、ga中的一種或幾種。

具體實施中，中間合金的制備比例和熔煉溫度分別是：

sn～2％al，400～500℃

sn～5％cu，500～600℃，

sn～5％ni，900～1000℃，

sn～1％co，900～1000℃，

sn～3％mn，900～1000℃，

sn～3％mn，400～500℃，

sn～5％p，500～600℃，

sn～1％ge，600～700℃，

sn～1％ga，300～400℃。

其中sn～2％al的含義是，sn與al的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為98%，al為2％；同理，sn～5％cu的含義是，sn與cu的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為95%，cu為5％；sn～5％ni的含義是，sn與ni的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為95%，ni為5％；sn～1％co的含義是，sn與co的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為99%，co為1％；sn～3％mn的含義是，sn與mn的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為97%，mn為3％；sn～3％si的含義是，sn與si的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為97%，si為3％；sn～5％p的含義是，sn與p的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為95%，p為5％；sn～1％ge的含義是，sn與ge的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為99%，ge為1％；sn～1％ga的含義是，sn與ga的制備比例按重量百分比的含量計算，sn為99%，ga為1％。

在此需說明的是，上述步驟中的將部分sn與除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份配制并熔煉成中間合金，其中部分sn的具體用量可根據除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份的含量以及上述中間合金的制備比例確定。

為了讓本領域的技術人員更好地理解并實現本發明的技術方案，下面通過實施例的方式具體闡述本發明的技術方案及帶來的效果。

實施例1

低成本高熔點的無鉛焊料合金包括以下主組份、輔助組份以及余量sn，按重量百分比的含量計算，主組份組成及含量如下：sb15%，cu1.5%，bi0.1%，ni0.05%；所述輔助組份包括用于改善微觀晶體結構微量合金以及用于抗氧化的微量抗氧化劑，所述微量合金包括co0.05%，mn0.1%和si0.1%，所述微量抗氧化劑包括p0.05%和ge0.1%，余量則是sn。

上述低成本高熔點的無鉛焊料合金的制備方法，包括以下步驟：

將部分sn與除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份配制并熔煉成中間合金；該步驟中采用sn的用量可根據除sb組份外的其它所有主組份及輔助組份的含量以及上述中間合金的制備比例確定。

將剩余的sn與sb在真空感應的加熱爐中熔解，以生成金屬間化合物sb2sn3，其熔解溫度為400℃，并充分攪拌80分鐘；以及

將溶解并攪拌均勻的金屬間化合物sb2sn3加入中間合金，并充分攪拌后進行冷卻，并通過澆鑄制得低成本高熔點的無鉛焊料合金。

將該實施例得到的低成本高熔點的無鉛焊料合金，采用dsc差示掃描量熱儀對焊料合金測試三次，如圖1（圖1為本發明低成本高熔點的無鉛焊料合金的dsc測試圖）所示，其初始固相線溫度分別為242.42℃、241.50℃、241.55℃；其吸熱峰值溫度分別為247.00℃、248.50℃、247.67℃；其融化液相線溫度分別為298.52℃、298.86℃、299.23℃。本實施例的低成本高熔點的無鉛焊料合金具有超過240℃的融化溫度，液相線溫度高達299.2℃，從而可以滿足電子組裝工藝中高熔點的焊接要求。

圖2為本發明低成本高熔點的無鉛焊料合金微觀晶體結構圖，如圖2所示，對上述的低成本高熔點的無鉛焊料合金通過x25、x40、x200和x400的放大倍數觀察到的微觀結構，通過圖2的圖片可以觀察到，采用本實施例制得的低成本高熔點的無鉛焊料合金，具有致密的分子結構，其可很好地適用于電子焊接要求。

雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域熟練技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對本實施方式做出多種變更或修改，而不背離本發明的原理和實質，本發明的保護范圍僅由所附權利要求書限定。