卢红波，刘庆富，赵玲彦，秦俊虎，张 欣

（1.云南锡业锡材有限公司，云南 昆明 650501；2.中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

传统锡铅合金具有熔点低、润湿性好、价格低廉等优点，广泛应用于电子组装领域［1］。但由于铅会对人体健康和生态环境造成危害，国内外先后立法限制Sn－Pb钎料的使用［2］，各国电子封装行业都在积极寻求能够替代Sn－Pb焊料的绿色无铅焊料［3，4］。焊料无铅化成为了电子组装行业发展的必然趋势，无铅焊料正在迅速而又逐步取代传统的Sn－Pb焊料［5，6］。

目前，针对Sn－Cu、Sn－Ag－Cu、Sn－Bi等无铅焊料的研究重点主要有三方面：一是侧重于合金性能的提升，通过添加Sb、Bi、Ni、In、Ce、P和Ge等元素进行微合金化改善焊料合金的抗拉强度、扩展率和抗氧化等性能［7～9］；二是侧重于焊料的助焊剂的应用和开发，通过不同无卤素活性增强剂、复合溶剂的成分优化，提升润湿性和焊点光亮［10］；三是侧重于锡基焊料在实际应用中发生问题的解决方案，对波峰炉焊接不良或锡渣多的问题进行改进［11，12］。而针对锡基焊料合金生产过程中的熔炼工艺研究较少，原料熔化后并在高温下进行合金化，会出现吸气、氧化、夹渣等问题，如果不对熔体进行处理，在运用端会出现连焊、虚焊、锡渣多等不良现象。试验以SnCu0.7焊料合金为研究对象，通过采用不同熔剂进行熔体处理，达到脱气除渣的目的，并采用模拟波峰焊进行动态氧化渣渣率测试，以期为焊料合金的生产提供数据支撑。

1 试验方案

1.1 试验原料

试验用到的氮气、六氯乙烷、氯化铵、M物质均为工业纯。将纯锡和中间合金SnCu10、SnNi4按质量比在高温下配制SnCu0.7焊料合金并取样分析，其化学成分分析结果见表1。

表1 SnCu0.7焊料合金元素分析 %

1.2 熔体处理工艺

一般来说导致钎料明显氧化的条件是较高的温度和含氧气氛，另外，钎料制备过程中残存在内部的气体和氧化物微粒扩散也起着不可忽视的作用。因此，在焊料合金熔炼过程中要尽量减少合金残存的气体和氧化物颗粒。熔剂在强烈搅拌下，旋入合金熔体中，可以除去熔体内部微量的O2、SO2、CO2等气体，同时能够吸附熔体中悬浮的氧化物微粒，从而保护金属表面，减少产品的氧化，降低产渣率。在选用熔剂上，首先要求熔剂的吸附性好，且易于与合金熔体分离，这样脱气除渣效果才更加显著［13］。

1.3 测试及分析设备

试验设备为大熔锡炉（1 t）、小熔锡炉（80 kg）、德国SPL600240小型模拟波峰炉、电子天平、切割机、以及刮刀、小漏勺、镊子等辅助工具。

分析设备为德国SPECTROMAXx（LMX06）直读光谱仪。

1.4 试验方法

在大熔锡炉中配制SnCu0.7焊料合金，成分合格后浇铸成1 kg锡条。每次取50 kg加入小熔锡炉中进行熔体处理，完毕后浇铸成1 kg锡条并做好标识。每次称取一定量的样品，切小后加入到波峰炉中，开始加热到设定的温度，然后开启搅拌产生波峰，并进行计时；搅拌一段时间后，停止搅拌，用勺子将表面的渣反复挤压、揉搓，直到基本变为灰渣，再用刮刀全部捞出称重；把波峰炉中的物料，全部倒入不锈钢盆中，并把炉壁上的残留物清扫干净，进行下一个样品的测试准备。

渣率的计算公式如下：

2 试验结果与讨论

2.1 工艺物质试验

熔体工艺处理可以除去金属内部微量的O2、SO2、CO2等气体，同时能够吸附熔体中悬浮的氧化物微粒，从而保护金属表面，减少产品的氧化。目前，已知的锡熔体处理工艺物质主要有氮气、六氯乙烷、氯化铵、M物质。为确定最佳的工艺物质，在相同的条件下开展工艺处理试验，对比工艺物质对焊料合金动态渣率的影响。称取制备好SnCu0.7锡条50 kg加入到小熔锡炉中，在350℃下添加工艺物质搅拌30min后。每次试验称取5 kg SnCu0.7焊料合金样品，在试验温度为260℃，试验时间为2 h条件下，进行动态渣率试验，重复5次，取平均值，试验结果见表2。

由表2可知，在相同条件下，添加“氮气”处理工艺的SnCu0.7焊料合金捞渣平均渣率为1.338%；添加“六氯乙烷”处理工艺的SnCu0.7焊料合金捞渣平均渣率为1.138%；添加“氯化铵”处理工艺的SnCu0.7焊料合金捞渣平均渣率为1.228%；添加“M物质”处理工艺的SnCu0.7焊料合金捞渣平均渣率为1.105%。对于SnCu0.7焊料合金来说，“M物质”处理工艺在渣率上效果最佳。

表2 SnCu0.7焊料合金工艺处理试验结果

2.2 工艺正交试验

为了确定各影响因素的主次顺序和最佳工艺条件，开展了“M物质”工艺正交试验，每次试验均使用上述制备好的SnCu0.7合金。正交试验因素水平表见表3，方案及试验结果见表4。

表3 因素水平表

抽取上述试验的产品，进行动态渣率测试。每次试验称取5 kg样品，在试验温度260℃，搅拌时间2 h条件下，进行动态氧化渣渣率试验，试验重复进行5次取平均值。对表4的结果进行极差分析，分析结果见表5。由表5中的极差分析可以看出，工艺处理的三个因素对捞渣平均渣率影响的大小顺序为温度（A）＞搅拌时间（B）＞M物质的量（C），最优水平组合为A1B2C2，即温度为350℃，搅拌时间为30 min，M物质量为1 kg。

表4 正交试验设计方案及试验结果

表5 极差分析结果

为了考察最优水平组合的重现性，对该方案进行验证。称取制备好SnCu0.7锡条50 kg加入到小熔锡炉中，在温度为350℃，搅拌时间为30 min，M物质量为1 kg条件下进行工艺处理，然后取样进行动态渣率测试。每次试验称取5 kg样品，在试验温度260℃，搅拌时间2 h条件下，进行动态氧化渣渣率试验，试验重复进行5次取平均值。试验结果见表6。

表6 优化方案验证试验结果

由表6可知，优化方案验证试验的捞渣平均渣率为1.018%，优于正交试验1、3～9的捞渣平均渣率，进一步验证了该处理方案是较为理想的。该平均渣率与正交试验2的结果相近，这两个方案的工艺条件，是完全相同的。考虑到搅拌时间因素和M物质的量属于非主要影响因素，并且在试产过程中发现只要保证足够的搅拌强度（能将浮于熔融焊料表面的熔剂及时旋进熔体内部即可），搅拌时间可在28～32 min之间，M物质的量可在0.8～1.2 kg之间，SnCu0.7焊料合金的渣率均保持在1%左右，因此这次熔体处理工艺试验是成功的。

3 结 论

1.锡基焊料合金生产过程中的熔炼工艺会出现吸气、氧化、夹渣等问题，需要进行熔体处理工艺，避免后续使用过程中出现连焊、虚焊、锡渣多等不良现象。

2.通过工艺物质对比试验，“M物质”处理工艺在渣率上效果最佳，确定了“M物质”作为SnCu0.7焊料合金熔炼工艺物质。

3.通过正交试验、验证试验进一步确定了熔体处理工艺参数，当温度为350℃，搅拌时间为30 min，M物质量为1 kg时，熔体处理后的SnCu0.7焊料合金渣率最低，为1.018%。