CN116441786B - 一种电磁热熔锡合金焊料及其制备、焊锡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁热熔锡合金焊料及其制备、焊锡方法，包括高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料、高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料、高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料以及锡合金，本发明含有特定比例的能被特定电磁场加热的微粒子状金属叠层材料。利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺，可提高焊锡品质，较大幅度的减少锡合金及助焊剂用量和电能的损耗另外可减去焊锡完成后的清洗环节从而降低成本，减小对环境的污染，特别是避免了高温对元器件的损伤提高产品使用寿命。具有完全替代现有锡合金焊料必然性。

Description

一种电磁热熔锡合金焊料及其制备、焊锡方法

技术领域

本发明涉及电子产品制造领域，具体涉及一种电磁热熔锡合金焊料及其制备、焊锡方法。

背景技术

锡合金焊料是一种熔点比被焊金属熔点低的易熔金属，焊料熔化时，在被焊金属不熔化的条件下能润浸被焊金属表面，并在接触面处形成合金层而与被焊金属连接到一起，在一般电子产品装配中，俗称为焊锡。

锡合金焊料在使用时常按规定的尺寸加工成形，有片状、块状、膏状、带状、球状和丝状等多种；

1)丝状焊料--通常称为焊锡丝，中心包着松香，叫松脂芯焊丝，手工烙铁锡焊时常用。松脂芯焊丝的外径通常有0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.Omm、1.2mm、1.6mm、2.Omm、2.3mm、3.Omm等规格。

2)片状焊料--常用于硅片及其他片状焊件的焊接；

3)带状焊料--常用于自动装配的生产线上，用自动焊机从制成带状的焊料上冲切一段进行焊接，以提高生产效率；

4)焊料膏--将焊料与助焊剂拌和在一起制成，焊接时先将焊料膏涂在印制电路板上，然后进行焊接，在自动贴片工艺上已经大量使用；

现有锡合金焊料由阻焊剂和锡合金按一定比例组成，现有锡合金主要由锡铅、锡铋、锡银铜合金组成，一般比例为SN63/PB37、SN42BI58、SN96.5CU0.5AG3.0和SN99CU0.7AG0.3。在没有无铅要求以前最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，有无铅要求的锡合金焊料主要是由锡/银/铜三部分组成SN96.5CU0.5AG3.0和SN99CU0.7AG0.3，由银和铜代替原来的铅的成分以及少量的抗氧化元素，有低温要求的则添加有降低熔点的元素。

采用锡合金焊料进行的焊接称为锡焊。锡焊的焊接温度较低，使用简单的工具就可实现，方法简单。整修焊点、拆换元器件都很容易，所以是电子行业整机装配中使用最普遍的一种焊接方法。

现有锡合金焊料是目前主要是通过加热工具比如电烙铁、平面焊台直接接触加热或是无接触加热比如激光加热或通过空气加热比如回流焊的方式从表面到内部的加热让焊锡膏熔化，其合金成分冷却凝固后在两个被焊物体之间形成焊点而实现冶金连接的目的。现有锡合金焊料采用现有的热熔焊锡工艺有以下缺点：

1.现有焊锡采用电烙铁、平面焊台直接接触加热的方式时，由于受到电烙铁或平面焊台的功率和温度、锡合金料的种类、锡合金料的量的多少、被焊接对象的散热情况、环境温度、空气流动程度、烙铁头的种类、将热量传给焊接件时的接触压力、接触面积和接触角度、操作人员的熟练程度等因素影响容易造成假焊虚焊等焊锡质量问题。特别是采用电烙铁接触加热焊锡，由于烙铁头长期处于高温状态，又接触焊剂等弱酸性物质，其表面很容易氧化并沾上一层黑色杂质。这些杂质形成隔热层，不能及时清理就妨碍了烙铁头与焊锡焊件之间的热传导从而影响焊接质量，并且烙铁头表面的碳化物质会残留在焊点之间影响了美观甚至造成漏电影响产品品质。如果电烙铁或平面焊台的温度过高极易造成元器件或PCB受损。甚至用烙铁头直接接触加热融锡，一旦烙铁头漏电会损坏静电敏感的元器件，造成重大经济损失，如果是造成元器件的性能下降会引发大规模的售后事件从而对产品的品牌形象造成巨大的负面影响。

2、现有锡合金焊料在电子产品表面贴装焊接工艺(SMT)中以焊锡膏形态运用。焊锡膏印刷涂布在印制电路板焊盘上，并将表面贴装元器件准确的贴放到涂有焊锡膏的焊盘上，放入回流焊设备(热风加热设备)按照特定的回流温度曲线加热电路板，让焊锡膏熔化，其合金成分冷却凝固后在元器件与印制电路板之间形成焊点而实现焊接。影响SMT焊锡质量的因素也有很多：比如回流温度设定与锡膏的类型不匹配会造成过温氧化或温度不足或融锡时间不足造成冷焊；回流焊设备中热风不均匀会出现立碑(表面贴装元件两边锡膏融锡程度不同造成元器件立起来)的焊锡质量问题；回流温度曲线的预热区用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区，产品的温度以不超过每秒2～5℃速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度造成焊锡质量不行，而预热区的设定又受环境温度、焊锡的种类、贴装元件的疏密、PCB的大小、PCB铜箔的厚薄等因素影响，所以很难避免焊锡不良的问题出现；SMT的过程是一个连续高温的过程，对PCB和表面贴装元器件的耐温要求都很高，稍有不慎会造成表面贴装元器件的损伤，而且对PCB和表面贴装元器件的耐温高要求会增加许多成本。另外回流焊设备在工作时要保持持续高温且需要排出助焊剂高温蒸发气体，生产过程耗能很大，成本很高。

3、现有锡合金焊料在电路板波峰焊、浸焊工艺中以高温液态锡合金形态运用。大多有较多插件料的PCB焊锡都采用这种生产工艺，锡合金焊料放置在锡炉的熔锡槽中，用电热管加热至液体状态，完成插件的PCB喷上助焊剂后与焊锡液面接触，锡合金附着在PCB焊盘和插件料的引脚上完成焊锡工作。由于这种工艺受到被焊接对象的散热情况、环境温度、助焊剂的品质、阻焊剂的量、锡合金焊料的品质、操作人员的熟练程度等因素影响容易造成假焊虚焊等焊锡质量问题。由于焊锡要保持持续高温所以锡面极易氧化需及时清理形成大量的锡渣造成较大的焊料损耗。由于助焊剂与焊料高温产生的残留物附着在PCB表面不但不美观还有可能造成漏电所以大多PCB在波峰焊或浸焊工艺后需要用清洗剂或超声波洗板，这样不但增加了工艺成本也造成环境的污染。

据统计数字表明，在电子整机产品的故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的。一台电子产品整机，多的有成千上万个焊点，由于一个两个或几个焊点的质量问题造成整个产品不能正常工作的现象是经常发生的。然而，要从一台有成千上万个焊点的电子设备里，找出引起故障的焊点来，实在不是一件容易的事，特别虚焊/假焊往往难以发现，有时刚焊接时正常，但过了一段时间由于氧化的加剧致使机器发生故障。特别对于高频、高压设备，如果焊点有毛刺、砂眼和气泡，可能会发生尖端放电或焊接处内阻过大造成过热起火。由于现有锡合金焊料和从外往里加热熔接焊锡工艺的局限性，虽投入了很大的品控成本也一直无法有效杜绝焊锡质量造成的产品的品质问题，而且采用现有锡合金焊料和焊锡工艺对焊料和电能损耗比较大，造成的环境污染比较大，成本也比较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种电磁热熔锡合金焊料及其制备、焊锡方法，含有特定比例的能被特定电磁场加热的微粒子状金属叠层材料，利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺，可提高焊锡品质，较大幅度的减少锡合金及助焊剂用量和电能的损耗另外可减去焊锡完成后的清洗环节从而降低成本，减小对环境的污染，特别是避免了高温对元器件的损伤提高产品使用寿命。具有完全替代现有锡合金焊料必然性。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种电磁热熔锡合金焊料，包括：

高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料、高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料、高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料以及锡合金，组成电磁热熔锡合金焊料，所述电磁热熔锡合金焊料为微粒子状金属叠层材料。

作为优选的技术方案，高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料的质量百分比为28～40％。

作为优选的技术方案，高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料的质量百分比为38.8％。

作为优选的技术方案，高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料的质量百分比为5～15％。

作为优选的技术方案，高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料的质量百分比为8.73％.

作为优选的技术方案，高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料的质量百分比为10～22％。

作为优选的技术方案，高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料的质量百分比为17.68％。

本发明的一种电磁热熔锡合金焊料的制备方法，包括以下步骤：

S1、准备纯度99.5％以上质量百分比为38.8％的铁、纯度99.5％以上质量百分比为8.73％的铜以及纯度99.5％以上质量百分比为17.68的锌；

S2、准备适量的锡合金；

S3、在高纯度的铁的外部依次镀上纯度99.5％以上质量百分比为8.73％的铜以及纯度99.5％以上质量百分比为17.68的锌以及适量的锡合金；

S4、制得电磁热熔锡合金焊料。

本发明的一种利用电磁热熔锡合金焊料进行焊锡的方法，通过电磁热熔锡合金焊料，利用专用的电磁波加热设备从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺。

本发明的有益效果是：1.由于表面加热时间短受氧化的几率小，发明锡合金焊料可以减少助焊剂的含量使得助焊剂高温后产生的有害气体和残留物的减少从而减少空气污染和PCB漏电的风险；

2.本发明锡合金焊料粉可采用无接触特定电磁场加热焊锡工艺，不需要电加热体直接接触焊料避免因电发热体漏电对静电敏感元器件造成损伤；

3.本发明锡合金焊料粉利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料里外整体同步加热熔接的方式几乎不受被焊接对象的散热情况、环境温度、操作人员的熟练程度等因素影响，焊料高温产生的残留物也几乎没有，可以大大提高焊锡的质量也减少了焊锡品控成本。特别是避免了现有焊料在手浸焊和波峰焊中的电能和焊料的因氧化形成锡渣和因污染需要更换焊料的较大损耗；

4.本发明锡合金焊料粉也可以在电子产品表面贴装焊接工艺(SMT)中以焊锡膏形态运用，利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺，避免了现有锡合金焊料采用回流焊设备(热风加热设备)出现的焊接质量问题，以及能耗高和对大气污染大的问题。另外发明锡合金焊料由于是内外整体同步加热熔接不需要冷藏保存保持表面活性，减少了生产环节及该环节产生的品质问题，减少了生产成本和损耗；

5.本发明锡合金焊料减少了锡合金的含量，大大降低了使用焊锡的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的6型锡合金焊料粉单粒子轴线剖面示意图；

图2为本发明6型锡合金焊料粉单粒子轴线单层原子序列结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明的一种电磁热熔锡合金焊料，包括高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料、高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料、高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料以及锡合金，组成电磁热熔锡合金焊料，所述电磁热熔锡合金焊料为微粒子状金属叠层材料。

本实施例中，高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料的质量百分比为28～40％，具体的，本实施例中，采用高纯度的铁，其质量百分比为28％。

高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料的质量百分比为5～15％，具体的，本实施例中，采用高纯度的铜，其质量百分比为5％。

高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料的质量百分比为10～22％，具体的，本实施例中，采用高纯度的锌，其质量百分比为10％。

实施例2

本发明的一种电磁热熔锡合金焊料，包括高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料、高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料、高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料以及锡合金，组成电磁热熔锡合金焊料，所述电磁热熔锡合金焊料为微粒子状金属叠层材料。

本实施例中，高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料的质量百分比为28～40％，具体的，本实施例中，采用高纯度的铁，其质量百分比为38.8％。

高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料的质量百分比为5～15％，具体的，本实施例中，采用高纯度的铜，其质量百分比为8.73％。

高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料的质量百分比为10～22％，具体的，本实施例中，采用高纯度的锌，其质量百分比为17.68％。

本实施例中的质量百分比为最优配置。

实施例3

本发明的一种电磁热熔锡合金焊料，包括高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料、高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料、高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料以及锡合金，组成电磁热熔锡合金焊料，所述电磁热熔锡合金焊料为微粒子状金属叠层材料。

本实施例中，高纯度的铁或其它有磁性的过渡金属及一些稀土金属或其它有磁性的合成材料的质量百分比为28～40％，具体的，本实施例中，采用高纯度的铁，其质量百分比为40％。

高纯度的铜或其它高导电性金属材料及合成材料的质量百分比为5～15％，具体的，本实施例中，采用高纯度的铜，其质量百分比为15％。

高纯度的锌或其它易与锡形成共晶合金的金属材料的质量百分比为10～22％，具体的，本实施例中，采用高纯度的锌，其质量百分比为22％。

本发明的一种电磁热熔锡合金焊料的制备方法，以铁、铜、锌以及锡合金为例，包括以下步骤：(一)准备纯度99.5％以上质量百分比为38.8％的铁、纯度99.5％以上质量百分比为8.73％的铜以及纯度99.5％以上质量百分比为17.68的锌；(二)准备适量的锡合金；(三)在高纯度的铁的外部依次镀上纯度99.5％以上质量百分比为8.73％的铜以及纯度99.5％以上质量百分比为17.68的锌以及适量的锡合金；(四)制得电磁热熔锡合金焊料。

以6型锡合金焊料粉为例，其单粒子是用直径约4.14um纯铁球形颗粒依次镀上128nm厚纯铜、270nm厚纯锌、400nm厚锡合金(根据实际需要选择SN63/PB37、SN42BI58、SN96.5CU0.5AG3.0和SN99CU0.7AG0.3等等各种已经商业化的锡合金)制备完成，如图1和图2所示，图中，铁原子宽度约为4.14um，铜原子宽度约为128nm，锌原子宽度约为270nm，锡合金原子的宽度约为400nm。

本发明涉及一种发明锡合金焊料粉，含有特定比例的能被特定电磁场加热的金属叠层材料。利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺，可提高焊锡品质，较大幅度的减少锡合金及助焊剂用量和电能的损耗另外可减去焊锡完成后的清洗环节从而降低成本，减小对环境的污染，特别是避免了高温对元器件的损伤提高产品使用寿命。具有完全替代现有锡合金焊料必然性。

发明锡合金焊料可利用专用的电磁波加热设备从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺具有以下先进性：

1.由于表面加热时间短受氧化的几率小，发明锡合金焊料可以减少助焊剂的含量使得助焊剂高温后产生的有害气体和残留物的减少从而减少空气污染和PCB漏电的风险；

2.本发明锡合金焊料粉可采用无接触特定电磁场加热焊锡工艺，不需要电发热体直接接触焊料避免因电发热体漏电对静电敏感元器件造成损伤；

3.本发明锡合金焊料粉利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料里外整体同步加热熔接的方式几乎不受被焊接对象的散热情况、环境温度、操作人员的熟练程度等因素影响，焊料高温产生的残留物也几乎没有，可以大大提高焊锡的质量也减少了焊锡品控成本。特别是避免了现有焊料在手浸焊和波峰焊中的电能和焊料的因氧化形成锡渣和因污染需要更换焊料的较大损耗；

4.本发明锡合金焊料粉也可以在电子产品表面贴装焊接工艺(SMT)中以焊锡膏形态运用，利用专用的电磁波加热设备对发明锡合金焊料从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺，避免了现有锡合金焊料采用回流焊设备(热风加热设备)出现的焊接质量问题，以及能耗高和对大气污染大的问题。另外发明锡合金焊料由于是内外整体同步加热熔接不需要冷藏保存保持表面活性，减少了生产环节及该环节产生的品质问题，减少了生产成本和损耗；

5.本发明锡合金焊料减少了锡合金的含量，大大降低了使用焊锡的成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，仅是本发明的较优实施例,但本发明的保护范围并不局限于此。任何依本发明专利申请范围所述的原理所做的类同替换、变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种利用电磁热熔锡合金焊料进行焊锡的方法，其特征在于，利用电磁热熔锡合金焊料，利用专用的电磁波加热设备从内往外快速加热熔接完成焊锡工艺；

所述电磁热熔锡合金焊料，包括：

高纯度的铁、高纯度的铜、高纯度的锌以及锡合金，组成电磁热熔锡合金焊料，所述电磁热熔锡合金焊料为微粒子状金属叠层材料；

所述高纯度的铁的质量百分比为28~40％；

所述高纯度的铜的质量百分比为5~15％；

所述高纯度的锌的质量百分比为10~22％；

所述电磁热熔锡合金焊料的直径为5.74μm，其中，铁原子宽度为4.14um，铜原子宽度为128nm，锌原子宽度为270nm，锡合金原子的宽度为400nm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：高纯度的铁的质量百分比为38.8%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：高纯度的铜的质量百分比为8.73％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：高纯度的锌的质量百分比为17.68％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电磁热熔锡合金焊料的制备方法，包括以下步骤：

S1、准备纯度99.5%以上质量百分比为38.8％的铁、纯度99.5%以上质量百分比为8.73％的铜以及纯度99.5%以上质量百分比为17.68的锌；

S2、准备适量的锡合金；

S3、在高纯度的铁的外部依次镀上纯度99.5%以上质量百分比为8.73％的铜以及纯度99.5%以上质量百分比为17.68的锌以及适量的锡合金；

S4、制得电磁热熔锡合金焊料。