SnCu0.7焊料合金熔體精煉工藝研究

盧紅波，劉慶富，趙玲彥，秦俊虎，張 欣

（1.云南錫業錫材有限公司，云南 昆明 650501；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

傳統錫鉛合金具有熔點低、潤濕性好、價格低廉等優點，廣泛應用于電子組裝領域［1］。但由于鉛會對人體健康和生態環境造成危害，國內外先后立法限制Sn－Pb釬料的使用［2］，各國電子封裝行業都在積極尋求能夠替代Sn－Pb焊料的綠色無鉛焊料［3，4］。焊料無鉛化成為了電子組裝行業發展的必然趨勢，無鉛焊料正在迅速而又逐步取代傳統的Sn－Pb焊料［5，6］。

目前，針對Sn－Cu、Sn－Ag－Cu、Sn－Bi等無鉛焊料的研究重點主要有三方面：一是側重于合金性能的提升，通過添加Sb、Bi、Ni、In、Ce、P和Ge等元素進行微合金化改善焊料合金的抗拉強度、擴展率和抗氧化等性能［7～9］；二是側重于焊料的助焊劑的應用和開發，通過不同無鹵素活性增強劑、復合溶劑的成分優化，提升潤濕性和焊點光亮［10］；三是側重于錫基焊料在實際應用中發生問題的解決方案，對波峰爐焊接不良或錫渣多的問題進行改進［11，12］。而針對錫基焊料合金生產過程中的熔煉工藝研究較少，原料熔化后并在高溫下進行合金化，會出現吸氣、氧化、夾渣等問題，如果不對熔體進行處理，在運用端會出現連焊、虛焊、錫渣多等不良現象。試驗以SnCu0.7焊料合金為研究對象，通過采用不同熔劑進行熔體處理，達到脫氣除渣的目的，并采用模擬波峰焊進行動態氧化渣渣率測試，以期為焊料合金的生產提供數據支撐。

1 試驗方案

1.1 試驗原料

試驗用到的氮氣、六氯乙烷、氯化銨、M物質均為工業純。將純錫和中間合金SnCu10、SnNi4按質量比在高溫下配制SnCu0.7焊料合金并取樣分析，其化學成分分析結果見表1。

表1 SnCu0.7焊料合金元素分析 %

1.2 熔體處理工藝

一般來說導致釬料明顯氧化的條件是較高的溫度和含氧氣氛，另外，釬料制備過程中殘存在內部的氣體和氧化物微粒擴散也起著不可忽視的作用。因此，在焊料合金熔煉過程中要盡量減少合金殘存的氣體和氧化物顆粒。熔劑在強烈攪拌下，旋入合金熔體中，可以除去熔體內部微量的O2、SO2、CO2等氣體，同時能夠吸附熔體中懸浮的氧化物微粒，從而保護金屬表面，減少產品的氧化，降低產渣率。在選用熔劑上，首先要求熔劑的吸附性好，且易于與合金熔體分離，這樣脫氣除渣效果才更加顯著［13］。

1.3 測試及分析設備

試驗設備為大熔錫爐（1 t）、小熔錫爐（80 kg）、德國SPL600240小型模擬波峰爐、電子天平、切割機、以及刮刀、小漏勺、鑷子等輔助工具。

分析設備為德國SPECTROMAXx（LMX06）直讀光譜儀。

1.4 試驗方法

在大熔錫爐中配制SnCu0.7焊料合金，成分合格后澆鑄成1 kg錫條。每次取50 kg加入小熔錫爐中進行熔體處理，完畢后澆鑄成1 kg錫條并做好標識。每次稱取一定量的樣品，切小后加入到波峰爐中，開始加熱到設定的溫度，然后開啟攪拌產生波峰，并進行計時；攪拌一段時間后，停止攪拌，用勺子將表面的渣反復擠壓、揉搓，直到基本變為灰渣，再用刮刀全部撈出稱重；把波峰爐中的物料，全部倒入不銹鋼盆中，并把爐壁上的殘留物清掃干凈，進行下一個樣品的測試準備。

渣率的計算公式如下：

2 試驗結果與討論

2.1 工藝物質試驗

熔體工藝處理可以除去金屬內部微量的O2、SO2、CO2等氣體，同時能夠吸附熔體中懸浮的氧化物微粒，從而保護金屬表面，減少產品的氧化。目前，已知的錫熔體處理工藝物質主要有氮氣、六氯乙烷、氯化銨、M物質。為確定最佳的工藝物質，在相同的條件下開展工藝處理試驗，對比工藝物質對焊料合金動態渣率的影響。稱取制備好SnCu0.7錫條50 kg加入到小熔錫爐中，在350℃下添加工藝物質攪拌30min后。每次試驗稱取5 kg SnCu0.7焊料合金樣品，在試驗溫度為260℃，試驗時間為2 h條件下，進行動態渣率試驗，重復5次，取平均值，試驗結果見表2。

由表2可知，在相同條件下，添加“氮氣”處理工藝的SnCu0.7焊料合金撈渣平均渣率為1.338%；添加“六氯乙烷”處理工藝的SnCu0.7焊料合金撈渣平均渣率為1.138%；添加“氯化銨”處理工藝的SnCu0.7焊料合金撈渣平均渣率為1.228%；添加“M物質”處理工藝的SnCu0.7焊料合金撈渣平均渣率為1.105%。對于SnCu0.7焊料合金來說，“M物質”處理工藝在渣率上效果最佳。

表2 SnCu0.7焊料合金工藝處理試驗結果

2.2 工藝正交試驗

為了確定各影響因素的主次順序和最佳工藝條件，開展了“M物質”工藝正交試驗，每次試驗均使用上述制備好的SnCu0.7合金。正交試驗因素水平表見表3，方案及試驗結果見表4。

表3 因素水平表

抽取上述試驗的產品，進行動態渣率測試。每次試驗稱取5 kg樣品，在試驗溫度260℃，攪拌時間2 h條件下，進行動態氧化渣渣率試驗，試驗重復進行5次取平均值。對表4的結果進行極差分析，分析結果見表5。由表5中的極差分析可以看出，工藝處理的三個因素對撈渣平均渣率影響的大小順序為溫度（A）＞攪拌時間（B）＞M物質的量（C），最優水平組合為A1B2C2，即溫度為350℃，攪拌時間為30 min，M物質量為1 kg。

表4 正交試驗設計方案及試驗結果

表5 極差分析結果

為了考察最優水平組合的重現性，對該方案進行驗證。稱取制備好SnCu0.7錫條50 kg加入到小熔錫爐中，在溫度為350℃，攪拌時間為30 min，M物質量為1 kg條件下進行工藝處理，然后取樣進行動態渣率測試。每次試驗稱取5 kg樣品，在試驗溫度260℃，攪拌時間2 h條件下，進行動態氧化渣渣率試驗，試驗重復進行5次取平均值。試驗結果見表6。

表6 優化方案驗證試驗結果

由表6可知，優化方案驗證試驗的撈渣平均渣率為1.018%，優于正交試驗1、3～9的撈渣平均渣率，進一步驗證了該處理方案是較為理想的。該平均渣率與正交試驗2的結果相近，這兩個方案的工藝條件，是完全相同的。考慮到攪拌時間因素和M物質的量屬于非主要影響因素，并且在試產過程中發現只要保證足夠的攪拌強度（能將浮于熔融焊料表面的熔劑及時旋進熔體內部即可），攪拌時間可在28～32 min之間，M物質的量可在0.8～1.2 kg之間，SnCu0.7焊料合金的渣率均保持在1%左右，因此這次熔體處理工藝試驗是成功的。

3 結 論

1.錫基焊料合金生產過程中的熔煉工藝會出現吸氣、氧化、夾渣等問題，需要進行熔體處理工藝，避免后續使用過程中出現連焊、虛焊、錫渣多等不良現象。

2.通過工藝物質對比試驗，“M物質”處理工藝在渣率上效果最佳，確定了“M物質”作為SnCu0.7焊料合金熔煉工藝物質。

3.通過正交試驗、驗證試驗進一步確定了熔體處理工藝參數，當溫度為350℃，攪拌時間為30 min，M物質量為1 kg時，熔體處理后的SnCu0.7焊料合金渣率最低，為1.018%。