一种锡合金低温焊料工艺方法及产品与流程

1.本技术涉及焊料技术领域，尤其是涉及一种锡合金低温焊料工艺方法及产品。


背景技术：

2.焊料是焊接时用于结合器件材料表面的金属材料，焊料分为高温焊料和低温焊料，在对电子元件、印刷电路板等设备进行焊接时，若温度过高，电子元件、印刷电路板等的结构和功能会遭到破坏，因此使用低温焊料更为常见。
3.现在的低温焊料中，锡铅合金因为铅产生的不良影响，导致使用受到限制，因此使用无铅低温焊料代替传统的锡铅焊料。在无铅低温焊料中，锡锌合金，锡铋合金，锡银铜等合金体系是研究热点。锡锌合金因为共晶熔点较低，接近铅锡合金的共熔点183℃，连接强度和急切性能好，且成本低廉，而被广泛研究。
4.焊料包括焊条、焊丝、焊膏等品种。锡锌合金焊膏是由锡锌合金粉与助焊剂结合制成，助焊剂是在焊接过程中能起到帮助和促进作用，同时能起到防止氧化的保护作用的物质，是焊接的必需材料。焊膏有一定的粘性和触变性，在使用过程中无需再添加助焊剂，使用方便，是表面安装再流焊工艺必须的材料。
5.但锡锌合金焊膏对焊接器材铜、铝等金属的润湿性差，使得锡锌合金焊膏在使用过程中，容易发生连接不良的现象，导致影响锡合金低温焊料的正常使用。


技术实现要素：

6.为了改善锡合金低温焊料的润湿性，本技术提供一种锡合金低温焊料工艺方法及产品。
7.第一方面，本技术提供一种锡合金低温焊料工艺方法，采用如下的技术方案：一种锡合金低温焊料工艺方法，包括如下步骤:称取锌、铋、铷、锡金属加热熔炼得到锡合金，用氮气为雾化气体，雾化得到锡合金粉末并对粉末进行筛选，得到锡合金粉末，所述锌、铋、铷、锡按照以下重量百分比：锌：5-15％,铋：2-10％,铷：0.05-0.2％,余量为锡；将松香树脂、水杨酸、表面活性剂、缓蚀剂、助溶剂溶解入有机溶剂,加热搅拌混合，冷却至室温得到助焊剂，所述助焊剂的原料按照以下重量百分比：松香树脂15-25％，水杨酸8-13％，表面活性剂5-8％，缓蚀剂2-7％,助溶剂2-5％，其余为有机溶剂；将筛选出的锡合金粉末和助焊剂混合得到低温焊料，其中所述锡合金粉末的质量百分比为85-90％,所述助焊剂的质量百分比为10-15％。
8.通过采用上述技术方案，锡-锌-铋合金的熔点低，所需的焊接温度低，铷作为稀土元素，焊接过程中起到物理吸附作用从而降低表面张力，提高焊料的润湿性能，水杨酸和松香树脂的协同配合起到去除氧化物、提高焊料的粘度、抗腐蚀性的作用，助焊剂本身也进一步降低被焊接材质的表面张力，从而使得上述方案制备的锡合金低温焊料有更强的润湿性，且制备方法简单，有利于实际生产效率的提高。
9.优选的，所述松香树脂由二氢松香、歧化松香和胺改性松香按重量比为(0.5-0.8)：1：(1.2-1.5)的比例混合而成。
10.通过采用上述技术方案，多种松香协同配合，提高了锡合金低温焊料的粘度和附着力，在焊料使用时减少飞溅现象，抑制焊料的加热塌落，且相比单种松香的化学活性强，可以更好的去除氧化物，提高焊料在铜等金属的扩展率，从而促进焊料对被焊接材质的润湿，同时松香形成保护膜覆盖，可防止被焊接材质生锈和再次被氧化，优选的，所述胺改性松香由4-(氨甲基)苯酚、松香、edci缩合剂，酰化催化剂按摩尔比为(1.1-1.4)：1：(1-1.2)：(0.1-0.15)反应制成。
11.优选的，所述胺改性松香的制备步骤：称取相应质量的4-(氨甲基)苯酚、松香、edci缩合剂，酰化催化剂溶于二氯甲烷和n,n-二异丙基乙胺，加热至150-180℃，反应5-6小时，冷却层析，得到胺改性松香。
12.通过采用上述技术方案，松香和4-(氨甲基)苯酚发生脱水缩合反应，获得与二氢松香、歧化松香配合效果良好的胺改性松香，从而使得混合的松香树脂与水杨酸、表面活性剂、缓蚀剂、助溶剂、有机溶剂配合，可以更好的去除被焊接材质的氧化物。
13.优选的，所述酰化催化剂为dmap。
14.通过采用上述技术方案，dmap可以防止松香的羧基与4-(氨甲基)苯酚的氨基酰化缩合过程中有脲的生成。
15.优选的，在s2步骤中，加入助溶剂后，还包括s2b步骤：向有机溶剂中加入氟硼酸钠，所述氟硼酸钠占助焊剂原料的质量百分比为1-5％。
16.通过采用上述技术方案，氟硼酸钠与松香、水杨酸协同，从而提高松香与水杨酸的活性，更快的去除被焊接材质的氧化物，同时氟硼酸钠可以有效减少锡渣的产生，并且增强焊料的流动性和焊接力。
17.优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙二醇、丙三醇、苯甲醇的一种或多种。
18.通过采用上述技术方案，多种低沸点的醇混合，更加便于提高焊料的润湿性。
19.优选的，所述表面活性剂为烷基醇酰胺聚氧乙烯醚。
20.通过采用上述技术方案，非离子表面活性剂与水杨酸协同可以提高焊料润湿性，减少腐蚀性。
21.优选的，所述缓蚀剂为三乙醇胺或苯并三氮唑的一种或多种。
22.通过采用上述技术方案，苯并三氮唑和三乙醇胺可以减少活性物质对被焊接材质的腐蚀。
23.优选的，所述助溶剂为二乙二醇丁醚。
24.第二方面，本技术提供一种锡合金低温焊料的工艺方法所制得的锡合金低温焊料。
25.制得的锡合金低温焊料有很好的的润湿性和抗氧化性，同时所用材料经济成本低，产率高。
26.综上所述，本技术具有以下有益效果：1.锡-锌-铋合金的熔点低，所需的焊接温度低，铷作为稀土元素，焊接过程中起到物理吸附作用从而降低表面张力，提高焊料的润湿性能，水杨酸和松香树脂的混合物起到去除氧化物、提高焊料的粘度、抗腐蚀性的作用，助焊剂本身也进一步降低被焊接材质的表
面张力，从而使得低温焊料有更强的润湿性和抗氧化性。
27.2.多种松香协同配合，提高了锡合金低温焊料的粘度和附着力，在焊料使用时减少飞溅现象，抑制焊料的加热塌落，且相比单种松香的化学活性强，可以更好的去除氧化物、提高焊料在铜等金属的扩展率，从而促进焊料对被焊接材质的润湿，同时松香形成保护膜覆盖，可防止被焊接材质生锈和再次被氧化。
具体实施方式
28.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
29.制备例制备例1一种胺改性松香，由以下步骤制备而成：将20.50kg二氯甲烷和24.50kg n,n-二异丙基乙胺混合放入第一反应瓶，向第一反应甁中放入3.025kg松香、1.355kg 4-(氨甲基)苯酚、1.917kg edci缩合剂和0.122kg dmap催化剂，搅拌至溶解，将第一反应瓶油浴加热至150℃，持续反应6小时，冷却至室温,用ch2cl2萃取，并用无水na2so4干燥，过滤后旋除溶剂，得到粗品。粗品经硅胶柱层析分离[v(石油醚):v(乙酸乙酯)＝2:1]纯化得到胺改性松香。
[0030]
制备例2一种胺改性松香，由以下步骤制备而成：将25.50kg二氯甲烷和32.50kg n,n-二异丙基乙胺混合放入第一反应瓶，向第一反应甁中放入3.025kg松香、1.724kg 4-(氨甲基)苯酚、2.301kg edci缩合剂和0.183kg dmap催化剂，搅拌至溶解，将第一反应瓶油浴加热至180℃，持续反应5小时，冷却至室温,用ch2cl2萃取，并用无水na2so4干燥，过滤后旋除溶剂，得到粗品。粗品经硅胶柱层析分离[v(石油醚):v(乙酸乙酯)＝2:1]纯化得到胺改性松香。实施例
[0031]
实施例1一种锡合金低温焊料工艺方法，包括以下步骤：s1：将0.5kg锌、0.2kg铋、0.005kg铷和9.295kg锡放入坩埚中，将坩埚放入熔炼炉，600℃加热至金属全部融化合金熔液，冷却至室温，得到锡合金。将锡合金放入紧耦合气雾化设备，通入氮气开始进行雾化，等待雾化结束后得到锡合金粉末。将收集的锡合金粉末进行干燥，通过筛分机对粉末进行筛选，选择目数在200至250目的锡合金粉末。
[0032]
s2：将5.2kg苯甲醇放入第二反应瓶，向第二反应瓶中陆续加入1.5kg松香树脂，0.8kg烷基醇酰胺聚氧乙烯醚、0.7kg三乙醇胺、0.5kg二乙二醇丁醚，松香树脂具体为二氢松香，按照4℃/min的速率加热至150℃，加入1.3kg水杨酸，恒温搅拌至原料完全溶解，降温冷却得到助焊剂。
[0033]
s3：称取8.5kg锡合金粉末和1.5kg助焊剂放入第三反应瓶，搅拌均匀得到锡合金低温焊料。
[0034]
实施例2～实施例5实施例2至实施例5与实施例1的区别仅在于各组分配比不同，如表1所述。
[0035]
表1
实施例6本实施例与实施例5的不同之处在于，松香树脂为二氢松香、歧化松香和胺改性松香的混合物，质量具体为：0.47kg二氢松香、0.92kg歧化松香和1.11kg制备例2制得的胺改性松香。
[0036]
实施例7本实施例与实施例5的不同之处在于，松香树脂为二氢松香、歧化松香和胺改性松香的混合物，质量具体为：0.60kg二氢松香、0.76kg的歧化松香和1.14kg制备例1制得的胺改性松香。
[0037]
实施例8本实施例与实施例5的不同之处在于，松香树脂为二氢松香、歧化松香和胺改性松香的混合物，质量具体为：0.39kg二氢松香、1.19kg歧化松香和0.92kg制备例1制得的胺改性松香。
[0038]
实施例9本实施例与实施例5的不同之处在于，s2步骤中，苯甲醇质量为4.3kg，且在加热搅拌前，向第二反应瓶中加入0.1kg氟硼酸钠。
[0039]
实施例10本实施例与实施例5的不同之处在于，s2步骤中，苯甲醇质量为3.9kg，且在加热搅拌之前，向第二反应瓶中加入0.5kg氟硼酸钠。
[0040]
对比例对比例1本对比例与实施例1的不同之处在于，锡合金由锌、铋、锡组成，具体质量为:0.5kg锌、0.2kg铋和9.3kg锡。
[0041]
对比例2本对比例与实施例1的不同之处在于，用1.5kg水杨酸代替1.5kg二氢松香。
[0042]
对比例3本对比例与实施例1的不同之处在于，用1.3kg二氢松香代替1.3kg水杨酸。
[0043]
对比例4本对比例与实施例1的不同之处在于，用0.8kg苯甲醇代替0.8kg烷基醇酰胺聚氧乙烯醚。
[0044]
性能测试实验1.铜腐蚀实验根据gb/t 38265.15-2021标准测试焊料的腐蚀性。
[0045]
测试方法：切取50mm
×
50mm的铜方形试件，将试件夹在杯突试验装置的模口上，将直径为20mm的钢球压入模口中，在试件中心形成3mm深的凹坑；称取0.50g的焊料试样放在干净的凹坑中心；将制备好的试件置于焊料浴中熔融焊料的表面，使试件持续接触熔融焊料表面直至焊料试样融化，保持5s；将试件水平移出，放置冷却30min，纪录表面相貌。
[0046]
2.湿润角测试在润湿性实验基础上，使用接触角测试仪完成测试。
[0047]
3.扩展率测试扩展率是评价焊料润湿性能的量度，扩展率越大，润湿性能越好。
[0048]
测试方法：焊料恢复至室温后，通过锡膏搅拌机将焊料搅拌均匀；分别用铜清洗液、去离子水清洗基板表面，然后在高温箱中加热一小时，温度设定在150℃之间；在铜板上放置定制圆形开孔的模版，并加以固定，刮取约为0.2g锡合金焊料涂抹于金属模版的漏孔处，轻轻取下金属模版，观察焊锡膏在铜基板上的形态是否符合要求。
[0049]
回流焊接最高温度在260℃，焊接时间控制在30s；使用异丙醇清洗残留物，使用游标卡尺测量焊点高度h；将焊料用中心距为15mm的3个直径为6mm开孔、厚2mm不锈钢模板印在陶瓷基扳上，采用回流工艺进行焊接，对形成的焊料球进行测量，得到焊球高度h，记录并计算扩展率。
[0050]
扩展率(％)＝(h-h)/h
×
1004.动态条件氧化渣量定量试验根据sj/t 11319-2005标准测试锡合金低温焊料在一定时间内产生的氧化渣，计算氧化渣产率，用以判定低温焊料的抗氧化性能。
[0051]
测试结果如表2所示：表2
根据表2可知，与对比例1对比，实施例1具有更小的接触角和更大的扩展率，说明实施例1制备的低温焊料有更好的润湿性，原因在于铷稀土元素的添加在焊接过程中通过物理吸附作用，协助降低接触角，从而降低表面张力，使得焊料对铜有更好的扩展率。
[0052]
对比例2加入水杨酸没有二氢松香，对比例3加入二氢松香没有水杨酸，对比实施例1的结构都是接触角变大，扩展率减小，说明需要同时添加松香树脂和水杨酸，松香树脂和水杨酸的协同配合才能使得焊料的润湿性更好。
[0053]
与对比例4对比，实施例1的接触角更小，扩展率更大，原因在于焊料中的表面活性剂可以有效降低表面张力，从而增强焊料对铜表面的润湿性能。
[0054]
与实施例1-5相比，实施例6-7的接触角更小，扩展率更高，氧化渣产率也更低，实施例6制备的焊料的润湿性和抗氧化性均更强，原因在于二氢松香、歧化松香和胺改性松香三者的协同作用，三者复配使得混合松香的内部稳定性和相容性更佳，且混合松香交联形成覆盖膜，使得焊料的润湿性和抗氧化的能力均有明显提升。
[0055]
与实施例8对比，实施例6-7的接触角更小，扩展率更高，说明当松香树脂中二氢松香、歧化松香和胺改性松香的重量比在(0.5-0.8)：1：(1.2-1.5)的范围内时，焊料润湿性能和抗氧化性能的提升较高。
[0056]
与实施例5对比，实施例9-10的氧化渣产率低，原因在于氟硼酸钠的加入进一步活化松香树脂和水杨酸，使得焊料可以更快的去除氧化物，有效减少了氧化渣的产生。
[0057]
本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本
申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：包括如下步骤:称取锌、铋、铷、锡金属加热熔炼得到锡合金，用氮气为雾化气体，雾化得到锡合金粉末并对粉末进行筛选，得到锡合金粉末，所述锌、铋、铷、锡按照以下重量百分比：锌：5-15% ,铋：2-10% ,铷：0.05-0.2%,余量为锡；将松香树脂、水杨酸、表面活性剂、缓蚀剂、助溶剂溶解入有机溶剂,加热搅拌混合，冷却至室温得到助焊剂，所述助焊剂的原料按照以下重量百分比：松香树脂15-25%，水杨酸8-13%，表面活性剂5-8%，缓蚀剂2-7%,助溶剂2-5%，其余为有机溶剂；将筛选出的锡合金粉末和助焊剂混合得到低温焊料，其中所述锡合金粉末的质量百分比为85-90%,所述助焊剂的质量百分比为10-15%。2.根据权利要求1所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述松香树脂由二氢松香、歧化松香和胺改性松香按重量比为（0.5-0.8）：1：（1.2-1.5）的比例混合而成。3.根据权利要求2所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述胺改性松香由4-(氨甲基)苯酚、松香、edci缩合剂，酰化催化剂按摩尔比为（1.1-1.4）：1：（1-1.2）：(0.1-0 .15)反应制成。4.根据权利要求3所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述胺改性松香的制备步骤：称取相应质量的4-(氨甲基)苯酚、松香、edci缩合剂，酰化催化剂溶于二氯甲烷和n,n-二异丙基乙胺，加热至150-180℃，反应5-6小时，冷却层析，得到胺改性松香。5.根据权利要求4所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述酰化催化剂为dmap。6.根据权利要求1所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：在s2步骤中，加入助溶剂后，还包括s2b步骤：向有机溶剂中加入氟硼酸钠，所述氟硼酸钠占助焊剂原料的质量百分比为1-5%。7.根据权利要求1所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述有机溶剂为甲醇、乙二醇、丙三醇、苯甲醇的一种或多种。8.根据权利要求1所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述表面活性剂为烷基醇酰胺聚氧乙烯醚。9.根据权利要求1所述的一种锡合金低温焊料工艺方法，其特征在于：所述缓蚀剂为三乙醇胺或苯并三氮唑的一种或多种。10.权利要求1-9任一所述的锡合金低温焊料的工艺方法所制得的锡合金低温焊料。

技术总结
本申请公开了一种锡合金低温焊料工艺方法及产品。一种锡合金低温焊料工艺方法，包括如下步骤：称取质量百分比为5-15%的锌、2-10%的铋、0.05-0.2%的铷和余量的锡金属加热熔炼得到锡合金，用氮气为雾化气体，雾化得到锡合金粉末并对粉末进行筛选，将质量百分比为15-25%的松香树脂、8-13%的水杨酸、5-8%的表面活性剂、2-7%的缓蚀剂、2-5%的助溶剂溶解入有机溶剂,加热搅拌混合，冷却至室温得到助焊剂，将锡合金粉末和助焊剂混合得到低温焊料，其中锡合金粉末的质量百分比为85-90%,助焊剂为10-15%。本申请具有改善锡合金低温焊料的润湿性的效果。的效果。


技术研发人员：余国华 袁秋湘
受保护的技术使用者：深圳市鹏凯新材料科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/14