一种无铅环保焊料及其制备方法和用途技术

本申请提供了一种无铅环保焊料及其制备方法和用途。所述焊料的成分按重量百分比计包括：Ag1.0‑4.0％，Bi1.5‑5.5％，Co0.01‑0.7％，B0.001‑0.05％，其余为Sn及不可避免的杂质。上述焊料的制备方法包括中间合金的制备以及Sn‑Ag‑Bi‑Co‑B系焊料合金锭坯的制备。采用上述方法制备的焊料不含铅和锑，温度循环特性优异，抗冲击性好，能够降低电迁移，且有效避免多元合金的成分偏析和组织粗大化，将其用于车载电子器件中提升了钎焊界面的可靠性，从而解决了现有技术中车载电子器件用无铅焊料存在的多元合金成分偏析和元素偏聚、抗温度循环能力及耐外力冲击能力差、电迁移现象的技术问题。

A Lead-free Environmental Protection Solder and Its Preparation Method and Application

The application provides a lead-free environmental protection solder, its preparation method and application. The composition of the solder includes Ag 1.0 4.0%, Bi 1.5 5.5%, Co 0.01 0.7%, B0.001 0.05% by weight percentage. The rest are Sn and unavoidable impurities. The preparation method of the solder includes the preparation of master alloy and the preparation of Sn_Ag_Bi_Co_B solder alloy ingot. The solder prepared by the above method does not contain lead and antimony, has excellent temperature cycling characteristics, good impact resistance, can reduce the electric migration, and effectively avoid the composition segregation and structure coarsening of multi-element alloys. Its application in vehicle electronic devices improves the reliability of brazing interface, thus resolving the multi-element alloy segregation existing in lead-free solders for vehicle electronic devices in the existing technology. And the technical problems of element segregation, resistance to temperature cycling, poor resistance to external impact and electromigration phenomena.

【技术实现步骤摘要】
一种无铅环保焊料及其制备方法和用途
本专利技术涉及钎焊材料领域，具体涉及一种无铅环保焊料及其制备方法和用途。
技术介绍
近年，新能源汽车(混合动力汽车、电动汽车)蓬勃发展，特别是汽车的智能化发展迅猛，可以预期汽车将同智能家居和移动终端一样，成为人们生活中不可或缺的电子产品。汽车中的机械部件正在向电子部件更迭推进，然而汽车作为交通运输的基本功能仍然存在，其使用的内外部严酷的环境也不会改变，并且相对的有限空间和轻量化对车载电子的小型化需求迫切，其组装焊点越来越小，因而单位焊点所承载的力学、电学和热学负荷成倍增加，这无疑对车载用焊料的可靠性提出更高要求。当前应用较多的无铅焊料，以Sn-3.0Ag-0.5Cu为例，Cu基体在熔融焊料中的溶解和扩散较快，增大了焊点和基体间界面上形成金属间化合物(IMC)的速率，并且在后续使用中在温度作用下会因原子的扩散导致IMC长大过快，而焊点的破坏主要是焊料基体与界面处富Cu的IMC脆性断裂的结果。界面板层状分布的粗大金属间化合物脆性较大，会降低界面的力学完整性，使得界面弱化并引起焊点在金属间化合物与焊料边界上萌生损伤和最终破坏。因而该类焊料即便用于车载电子器件中也仅能够满足应用于离发动机较远的部位和非控制型的车载娱乐系统中，而在控制电路部分，特别是设置在发动机附近用以控制发动机工作(被称为ECU)的车载电子电路装置必须能够经长时间以稳定无故障的状态运行，并且从使用温度角度，这种设置发动机附近的车载电子电路使用环境最为严酷，在发动机工作时达到125℃以上的高温环境，而发动机熄火后达到外部环境温度，因此，要求这种焊料能够确保在-40℃以下～+125℃以上的长时间冷热循环负载的可靠性。实际上车载IC工作温度与环境温度之间的还存在一个耗散温度差，典型的变化范围在15-25℃，这就意味着车载电子器件的最大工作温度在140-150℃。而排气系统附近的环境温度甚至可达175℃以上，配置在该区域的IC(集成电路)相应节温更高，通常峰值温度条件常常出现在车辆的有效生命周期剩下不到10％的期间，对于在最大工作环境温度方面执行1000小时惯例寿命测试(的结果)接近完好。因此更为严苛的测试应为-55℃～+150℃的1000次循环、高温恒温时效1000h后，具有规定的结合强度。另一方面，随着高密度封/组装技术的发展电流密度越来越大，电迁移现象不容忽视，特别是作为车载电子产品。IC中的电子通过与之直接接触的PCB铜箔传导，大多数电流产生的热通过焊料传导，而焊料的电阻率一般为纯铜电阻率的8-20倍，电迁移来自传导电子和扩散金属原子之间的动量交换，且对平均故障时间有直接影响，因此电迁移导致的失效隐患更应严格避免。再者，在这类高可靠车载电子的电子组装领域，无铅化制程非常慎重，但随着无铅化器件的普及，含铅器件越来越少，倒逼焊料的无铅化。目前国内尚未有该类车载用高可靠性的无铅焊料产品，国外已经开发成功的车载用高可靠无铅焊料主要有日本千住金属工业株式会社(Senju)的专利CN105142856A公开的SnAgCuSbNi(Bi)(M794)和美国Alpha开发的SnAgCuBiSbNi(Inolot合金)两种，此外，哈利玛化成集团(HarimaChemicals，Incorporated)的专利US20170274480、松下(Panasonic)的专利US20170282305、AIM金属&合金公司(AIM)的专利US20170066089和株式会社弘辉(KOKICompanyLimited)的专利US9764430等最新公布的专利均含有锑(Sb)元素，根据《关于化学品注册、评估、许可和限制的法规》(REACH)欧盟将锑列为高危害有毒物质和可致癌物质并予以规管；《中华人民共和国国家标准污水综合排放标准》，也将锑列为第一类污染物，其最高允许排放浓度为0.1mg/L。因此作为无铅焊料，无锑化势在必然。另外，日本千住金属工业株式会社的专利WO2009/011341A公开了一种车载用Sn-Ag-Cu-Bi无铅软钎料，其特征在于，包含Ag：2.8-4wt％、Bi：1.5-6wt％、Cu：0.8-1.2wt％、以总量计0.005-0.05wt％的Ni、Fe和Co组成中的至少一种。该专利依靠在温度循环过程中Bi的固溶强化与沉淀强化的相互转化，从而提高钎焊可靠性。日本千住金属工业株式会社的专利WO2009011392公开了一种Sn-Ag-In-Cu焊料，其特征在于，包含Ag：2.8-4wt％、In：3-5.5wt％、Cu：0.6-1.1wt％，及根据需要0.5-3wt％的Bi。该专利利用In固溶强化和含In的金属间化合物强化焊料，从而提高钎焊的可靠性。因此，上述专利技术的宗旨是通过对焊料有益成分的添加，使焊料本身的耐冲击和可靠性提升。事实上，除了材料有益成分的添加、精确的成分设计(合理成分比例搭配)和工艺实施，有效避免偏析和组织粗大化尤为关键，特别是焊接结合部在严酷条件下的失效往往是在钎焊的界面处。综上，开发一种能够改善钎焊润湿性，在-55℃～+150℃的1000次循环仍不会产生裂纹，高温恒温时效1000h后，仍具有良好的结合强度，且有效降低电迁移现象，能够提升钎焊界面可靠性的车载电子器件用无铅无锑焊料是十分必要的。
技术实现思路
本申请的主要目的在于提供一种无铅环保焊料及其制备方法和用途，该焊料不含铅和锑，温度循环特性优异，抗冲击性好，能够降低电迁移现象，并且有效避免多元合金的成分偏析和组织粗大化，能够有效提升钎焊界面的可靠性，以解决现有技术中车载电子器件用无铅焊料存在的多元合金成分偏析和元素偏聚、抗温度循环能力及耐外力冲击能力差、电迁移现象明显等技术问题。为了实现上述目的，根据本申请的第一方面，提供了一种无铅环保焊料。该无铅环保焊料包括Ag、Bi、Co、B和Sn元素，且其各自的含量以重量百分比计为：Ag1.0-4.0％，Bi1.5-5.5％，Co0.01-0.7％，B0.001-0.05％，其余为Sn及不可避免的杂质。进一步的，所述的焊料中Ag、Bi、Co和B元素的含量以重量百分比计为：Ag3.0-4.0％，Bi3.5-4.5％，Co0.04-0.4％，B0.01-0.03％。进一步的，所述的焊料还包括Ti、Zr、Ni或In元素。进一步的，当所述的焊料中含有Ti、Zr、Ni或In元素时，其各自的含量以重量百分比计分别为：Ti0.001-0.1％，Zr0.001-0.1％，Ni0.01-0.1％或In0.5-4.2％。为了实现上述目的，根据本申请的第二方面，提供了一种无铅环保焊料的制备方法。该无铅环保焊料的制备方法，包括以下步骤：(1)采用粉末冶金法制备Sn-Co-B中间合金；(2)将步骤(1)中得到的Sn-Co-B中间合金，以及Ag、Bi和Sn单质金属，按照所需合金配比加入熔炼炉中熔化，熔炼过程中表面覆盖防氧化熔剂，加热至熔化温度，适当保温，除掉表面氧化渣，降温，浇注于模具中制备得到Sn-Ag-Bi-Co-B焊料合金锭坯。进一步的，步骤(1)中还包括：采用粉末冶金法制备中间合金Sn-Ti、Sn-Zr或Sn-Ni。进一步的，步骤(1)所述的粉末合金法为：将Sn、Co和B，或者将Sn和Ti、Sn和Zr或者Sn和Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无铅环保焊料，其特征在于，所述的焊料包括Ag、Bi、Co、B和Sn元素，且其各自的含量以重量百分比计为：Ag 1.0‑4.0％，Bi 1.5‑5.5％，Co 0.01‑0.7％，B 0.001‑0.05％，其余为Sn及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种无铅环保焊料，其特征在于，所述的焊料包括Ag、Bi、Co、B和Sn元素，且其各自的含量以重量百分比计为：Ag1.0-4.0％，Bi1.5-5.5％，Co0.01-0.7％，B0.001-0.05％，其余为Sn及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的无铅环保焊料，其特征在于，所述的焊料中Ag、Bi、Co和B元素的含量以重量百分比计为：Ag3.0-4.0％，Bi3.5-4.5％，Co0.04-0.4％，B0.01-0.03％。3.根据权利要求1所述的无铅环保焊料，其特征在于，所述的焊料还包括Ti、Zr、Ni或In元素。4.根据权利要求3所述的无铅环保焊料，其特征在于，当所述的焊料中含有Ti、Zr、Ni或In元素时，其各自的含量以重量百分比计分别为：Ti0.001-0.1％，Zr0.001-0.1％，Ni0.01-0.1％或In0.5-4.2％。5.权利要求1所述的无铅环保焊料的制备方法，包括以下步骤：(1)采用粉末冶金法制备Sn-Co-B中间合金；(2)将步骤(1)中得到的Sn-Co-B中间合金，以及Ag、Bi和Sn单质金属，按照所需合金配比加入熔炼炉中熔化，熔炼过程中表面覆盖防氧化熔剂，加热至熔化温度，适当保温，除掉表面氧化渣，降温，浇注于模具中制备得到Sn-Ag-Bi-Co-B焊料合金锭坯。6.根据权利要求5所述的无铅环保焊料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中还包括：采用粉末冶金法制备中间合金Sn-Ti、Sn-Zr或Sn...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志刚，张富文，贺会军，胡强，安宁，徐蕾，刘希学，赵新明，朱学新，林刚，李志刚，祝志华，卢彩涛，张品，
申请(专利权)人：北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11