一种含Ni的无铅低温焊料合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含Ni的无铅低温焊料合金材料及其制备方法，所述无铅低温焊料合金由Sn、Bi、Ag、Ni组成，该焊料合金按重量百分比由35％～37％Bi、1％Ag、0.5％Ni和余量的Sn组成。其制备方法的步骤为：根据重量百分比称取相应的颗粒原料，混合均匀后装入石英管中抽真空密封，置入井式炉中熔炼。本发明专利技术的含Ni无铅低温焊料合金大幅改善了Sn

【技术实现步骤摘要】
一种含Ni的无铅低温焊料合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于光伏焊带涂层用焊料合金
，具体涉及一种含Ni的无铅低温焊料合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]所谓光伏焊带，就是在设定规格的铜带表面，涂覆一层二元或多元含锡合金。作为太阳能电池组件中的枢纽部位，其关键作用是连接电池片并传输电池片产生的电流。长期以来， Sn
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Pb系焊料因具有成本低、导电性强、工艺性好等优点一直是光伏焊带涂层焊料的首要选择。Sn
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Pb共晶成分为40wt.％Pb，其余为Sn，熔点约为183℃。随着欧盟RoHS和WEEE指令的实施，制造业产品无铅化已是全球化趋势，加之光伏组件也在朝小型和轻型化方向发展，电池片越薄，焊带的焊接温度就要更低。因此，开发无铅低温焊带涂层焊料是光伏焊带发展的必然趋势。
[0003]目前，材料工作者对焊带涂层无铅低温焊料进行了深入广泛的研究，通过另一种组元取代Sn
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Pb合金中的Pb，研究体系有Sn
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Ag系和Sn
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Bi系等。Sn
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3.5Ag二元共晶焊料合金有较高的力学性能，但熔点高达221℃，并且合金本身易形成粗大的脆性Ag3Sn相，造成焊接接头可靠性降低和减少光伏组件的使用寿命。因此，有人力图通过添加微量元素改善焊料高熔点、润湿性差等问题，并降低Ag含量以降低成本。如专利CN105397329A公开的一种含Nd、 Re、In的Sn
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Ag
‑r/>Cu系低银无铅焊料，虽添加微量的Nd、Re和In元素能够改善焊料的润湿性、力学性能、降低了焊料的熔点，但是焊料的力学性能还是远不能达到使用要求，并且焊料的导电率也较差。
[0004]Sn
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Bi系无铅焊料能在138～232℃的熔化温度范围内配制成合金，且随着Bi含量的增加，熔化温度显著降低，故控制Bi含量是调节焊料熔化温度的一种有效手段。Sn
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58Bi二元共晶焊料合金的熔点(138℃)远低于Sn
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40Pb焊料(183℃)，低熔点使其在光伏焊带焊接低温化发展趋势中占有优势。但Bi相的脆性、Sn
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Bi焊料服役过长中出现Bi相粗化及Bi元素在焊点界面处的偏聚问题，严重降低了焊点的剪切强度抗跌落冲击寿命，给光伏组件的服役可靠性带来极大的安全隐患。目前研究中能够全面改善Sn
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Bi系焊料合金综合性能的研究成果少之又少。
[0005]专利CN10669515A公开的一种低熔点无铅焊料，将Bi含量降低至16～18wt.％，添加 Ag、Fe等合金元素来提高焊料的综合力学性能及润湿铺展性，但是该焊料熔点为178～192℃，同时Bi含量过低，使得熔融焊料在冷却过程中更容易形成Bi的偏析；专利CN108374104A 公布了一种低熔点Sn
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Bi
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Al系无铅焊料合金材料及其制备方法，合金按重量百分比组成，其中Bi：15～25％；Al：0.5～2％；余量为Sn。该专利利用行星式球磨机制备焊料合金，使得Al 颗粒均匀分布于焊料和合金中，解决了Al与Sn
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Bi合金不易互熔的技术难题，有效提高了焊料的力学性能，但对其在Cu基体上的润湿性未做研究。
[0006]而实际焊带应用于光伏组件时，焊料本身的力学性能基本都能满足要求，则更加关心的指标是焊带与主栅结合后能承受的压力，以及是否容易焊接，也就是润湿性能。由于
热浸镀锌锌池中，常加入少量Ni，一方面可以提高锌液的流动性，另一方面可以提高镀层的亮度，另外，热浸镀法制备光伏焊带与热浸镀锌相似。因此，本专利提出在Sn
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Bi
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Ag焊料的基础上添加微量Ni元素，发现微量Ni的加入，可以大幅改善焊料的润湿性，而且对其熔点并无显著影响。虽然Ni的加入会降低Sn
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Bi
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Ag系焊料的力学性能，但仍优于Sn
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40Pb焊料合金，故本专利提出的将微量Ni元素添加至Sn
‑
Bi
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Ag系焊料中更加符合低温化光伏行业的焊带涂层用焊料的发展趋势能。

技术实现思路

[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含Ni的无铅低温焊料合金，所述焊料合金的原料组分按重量百分比为：Bi：35％～37％、Ag：1％、Ni：0.5％，余量为Sn。
[0008]进一步的是：该焊料合金按重量百分比为：Bi：35％、Ag：1％、Ni：0.5％，余量为Sn。
[0009]进一步的是：该焊料合金按重量百分比为：Bi：37％、Ag：1％、Ni：0.5％，余量为Sn。
[0010]进一步地，所述的原料Bi、Ag、Ni及Sn的纯度均≥99.99％。
[0011]本专利技术还公开了一种含Ni的无铅低温焊料合金材料的制备方法，包括上述所述的含Ni 的无铅低温焊料合金材料的配比，具有以下步骤：
[0012]S1、原材料称取，根据各原料组分的重量百分比分别称取相应量的Sn粒、Bi粒、Ag粒和Ni粒；
[0013]S2、将步骤S1称量好的Sn粒、Bi粒、Ag粒和Ni粒混合均匀后放入石英管中，利用真空机组对石英管抽真空，真空度为5.0*10
‑3Pa；再充入氩气(氩气为99.99％的高纯氩气，压强为一个标准大气压)，然后再抽真空，反复进行6次。
[0014]S3、在步骤S2的基础上，对石英管进行第7次抽真空，待真空度至5.0*10
‑3Pa后打开水燃料氢氧机，产气量达到720m3/h后利用氢氧火焰枪密封石英管。
[0015]S4、将步骤S3中已装入原材料的石英管放入井式炉中熔炼。炉子温度设置为380℃，待炉子达到设定温度后保温12小时，期间每隔30分钟对石英管进行上下倒置晃动，以保证熔融过程成分均匀。
[0016]S5、用坩埚钳将步骤S4中熔炼完成的焊料合金取出后迅速放入冷水桶中进行冷却。
[0017]S6、待完全冷却后，即可得Sn
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Bi
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Ag
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Ni无铅低温焊料合金。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术在已知的Sn
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Bi
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Ag焊料合金的基础上，添加微量Ni元素，形成新的Sn
‑
Bi
‑
Ag
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Ni焊料合金。其优点在于利用微量流动性较强的Ni元素的加入，大幅改善了无铅焊料合金的润湿性能,且对其熔点并无明显影响，其力学性能仍优于传统Sn
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40Pb焊料；制备时利用真空机组和水燃料氢氧机对装有原料的石英管进行抽真空密封封装，再进行焊料的熔炼，从而解决Sn易氧化的问题，还能使得焊料合金熔融过程成分均匀，能够获得较好的微观组织，有效提高了焊料合金的性能，从而延长光伏组件使用寿命。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含Ni的无铅低温焊料合金材料，其特征在于：该焊料合金按重量百分比由35％～37％Bi、1％Ag、0.5％Ni和余量的Sn组成。2.根据权利要求1所述的一种含Ni的无铅低温焊料合金材料，其特征在于：该焊料合金按重量百分比为：Bi：35％、Ag：1％、Ni：0.5％，余量为Sn。3.根据权利要求1所述的一种含Ni的无铅低温焊料合金材料，其特征在于：该焊料合金按重量百分比为：Bi：37％、Ag：1％、Ni：0.5％，余量为Sn。4.根据权利要求1所述的一种含Ni的无铅低温焊料合金材料，其特征在于：所述原料Bi、Ag、Ni及Sn的纯度均≥99.99％。5.一种含Ni的无铅低温焊料合金材料的制备方法，包括权利要求1至权利要求4中任意一项所述的含Ni的无铅低温焊料合金材料的配比，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：S1、原材料称取，根据各原料组分的重量百分比分别称取相应量的Sn粒、Bi粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆利斌，宋建源，刘亚，
申请(专利权)人：同享苏州电子材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：