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(yè)錫材有限公司，云南 昆明 650501；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

傳統(tǒng)錫鉛合金具有熔點(diǎn)低、潤濕性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子組裝領(lǐng)域［1］。但由于鉛會(huì)對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成危害，國內(nèi)外先后立法限制Sn－Pb釬料的使用［2］，各國電子封裝行業(yè)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(yè)發(fā)展的必然趨勢，無鉛焊料正在迅速而又逐步取代傳統(tǒng)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(diǎn)主要有三方面：一是側(cè)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(jìn)行微合金化改善焊料合金的抗拉強(qiáng)度、擴(kuò)展率和抗氧化等性能［7～9］；二是側(cè)重于焊料的助焊劑的應(yīng)用和開發(fā)，通過不同無鹵素活性增強(qiáng)劑、復(fù)合溶劑的成分優(yōu)化，提升潤濕性和焊點(diǎn)光亮［10］；三是側(cè)重于錫基焊料在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生問題的解決方案，對波峰爐焊接不良或錫渣多的問題進(jìn)行改進(jìn)［11，12］。而針對錫基焊料合金生產(chǎn)過程中的熔煉工藝研究較少，原料熔化后并在高溫下進(jìn)行合金化，會(huì)出現(xiàn)吸氣、氧化、夾渣等問題，如果不對熔體進(jìn)行處理，在運(yùn)用端會(huì)出現(xiàn)連焊、虛焊、錫渣多等不良現(xiàn)象。試驗(yàn)以SnCu0.7焊料合金為研究對象，通過采用不同熔劑進(jìn)行熔體處理，達(dá)到脫氣除渣的目的，并采用模擬波峰焊進(jìn)行動(dòng)態(tài)氧化渣渣率測試，以期為焊料合金的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用到的氮?dú)狻⒘纫彝?、氯化銨、M物質(zhì)均為工業(yè)純。將純錫和中間合金SnCu10、SnNi4按質(zhì)量比在高溫下配制SnCu0.7焊料合金并取樣分析，其化學(xué)成分分析結(jié)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(dǎo)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(nèi)部的氣體和氧化物微粒擴(kuò)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(qiáng)烈攪拌下，旋入合金熔體中，可以除去熔體內(nèi)部微量的O2、SO2、CO2等氣體，同時(shí)能夠吸附熔體中懸浮的氧化物微粒，從而保護(hù)金屬表面，減少產(chǎn)品的氧化，降低產(chǎn)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(shè)備

試驗(yàn)設(shè)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(jī)、以及刮刀、小漏勺、鑷子等輔助工具。

分析設(shè)備為德國SPECTROMAXx（LMX06）直讀光譜儀。

1.4 試驗(yàn)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(jìn)行熔體處理，完畢后澆鑄成1 kg錫條并做好標(biāo)識(shí)。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(shè)定的溫度，然后開啟攪拌產(chǎn)生波峰，并進(jìn)行計(jì)時(shí)；攪拌一段時(shí)間后，停止攪拌，用勺子將表面的渣反復(fù)擠壓、揉搓，直到基本變?yōu)榛以儆霉蔚度繐瞥龇Q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(jìn)行下一個(gè)樣品的測試準(zhǔn)備。

渣率的計(jì)算公式如下：

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工藝物質(zhì)試驗(yàn)

熔體工藝處理可以除去金屬內(nèi)部微量的O2、SO2、CO2等氣體，同時(shí)能夠吸附熔體中懸浮的氧化物微粒，從而保護(hù)金屬表面，減少產(chǎn)品的氧化。目前，已知的錫熔體處理工藝物質(zhì)主要有氮?dú)?、六氯乙烷、氯化銨、M物質(zhì)。為確定最佳的工藝物質(zhì)，在相同的條件下開展工藝處理試驗(yàn)，對比工藝物質(zhì)對焊料合金動(dòng)態(tài)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(zhì)攪拌30min后。每次試驗(yàn)稱取5 kg SnCu0.7焊料合金樣品，在試驗(yàn)溫度為260℃，試驗(yàn)時(shí)間為2 h條件下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)渣率試驗(yàn)，重復(fù)5次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，在相同條件下，添加“氮?dú)狻碧幚砉に嚨腟nCu0.7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(zhì)”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(zhì)”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(yàn)結(jié)果

2.2 工藝正交試驗(yàn)

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(zhì)”工藝正交試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均使用上述制備好的SnCu0.7合金。正交試驗(yàn)因素水平表見表3，方案及試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 因素水平表

抽取上述試驗(yàn)的產(chǎn)品，進(jìn)行動(dòng)態(tài)渣率測試。每次試驗(yàn)稱取5 kg樣品，在試驗(yàn)溫度260℃，攪拌時(shí)間2 h條件下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)氧化渣渣率試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次取平均值。對表4的結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表5。由表5中的極差分析可以看出，工藝處理的三個(gè)因素對撈渣平均渣率影響的大小順序?yàn)闇囟龋ˋ）＞攪拌時(shí)間（B）＞M物質(zhì)的量（C），最優(yōu)水平組合為A1B2C2，即溫度為350℃，攪拌時(shí)間為30 min，M物質(zhì)量為1 kg。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表5 極差分析結(jié)果

為了考察最優(yōu)水平組合的重現(xiàn)性，對該方案進(jìn)行驗(yàn)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(shí)間為30 min，M物質(zhì)量為1 kg條件下進(jìn)行工藝處理，然后取樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)渣率測試。每次試驗(yàn)稱取5 kg樣品，在試驗(yàn)溫度260℃，攪拌時(shí)間2 h條件下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)氧化渣渣率試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次取平均值。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 優(yōu)化方案驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，優(yōu)化方案驗(yàn)證試驗(yàn)的撈渣平均渣率為1.018%，優(yōu)于正交試驗(yàn)1、3～9的撈渣平均渣率，進(jìn)一步驗(yàn)證了該處理方案是較為理想的。該平均渣率與正交試驗(yàn)2的結(jié)果相近，這兩個(gè)方案的工藝條件，是完全相同的?？紤]到攪拌時(shí)間因素和M物質(zhì)的量屬于非主要影響因素，并且在試產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)只要保證足夠的攪拌強(qiáng)度（能將浮于熔融焊料表面的熔劑及時(shí)旋進(jìn)熔體內(nèi)部即可），攪拌時(shí)間可在28～32 min之間，M物質(zhì)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(yàn)是成功的。

3 結(jié) 論

1.錫基焊料合金生產(chǎn)過程中的熔煉工藝會(huì)出現(xiàn)吸氣、氧化、夾渣等問題，需要進(jìn)行熔體處理工藝，避免后續(xù)使用過程中出現(xiàn)連焊、虛焊、錫渣多等不良現(xiàn)象。

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

3.通過正交試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)一步確定了熔體處理工藝參數(shù)，當(dāng)溫度為350℃，攪拌時(shí)間為30 min，M物質(zhì)量為1 kg時(shí)，熔體處理后的SnCu0.7焊料合金渣率最低，為1.018%。