專利名稱：無鉛焊料合金的制作方法
本申請是申請?zhí)枮?2142912. X的分案申請。申請?zhí)枮?2142912. X的專利申請的申請日為2002年6月28日，發(fā)明名稱為無鉛焊料合金。
本發(fā)明涉;SX錯焊iH^r，特別是當(dāng)采用澆注4W( flow soldering)將電子元件^^到印刷m^Lh時^的具有^LftHHf汰的無鉛焊iH^ir.
背景技術(shù)：
印刷電路fel廣泛用于電氣和電子設(shè)備，包括家用電器例如電禮錄4gbfeU冰箱和空調(diào)，也包括辦公或家用電子設(shè)備例如個人計算抓打印機和復(fù)印抓典型的印刷電路板包樹多電子元fl^如^J^絲電路，絲電恭晶體管、
寄存器和iiiW^閨印刷^feLt的電容器.為ii^此目的而選用的焊料要考慮到焊料的不同性^^a.在電子元件和
印刷線路;fe^面上的焊料浸潤'^iL釬萍昧^料的重要昧^一.如果拔月浸潤性差的焊^^fm^，則^的接頭會fe^焊接缺陷例如不浸潤、橋接和孔隙.
Sn-Pb焊料由于具有#^#溫度、良^HWM^焊料浸潤，Ii^M^很長時間一直用于將電子元件iffe到印刷^feJi.特別是63% SrrPb焊料，稱作Sn-Pb共晶焊料或簡稱共晶焊料，iU:由于其^I^Wl^近Sn"Pb ^的共晶組成(61，鵬n-Pb),該焊料廣泛用于;ltf^5逸因為其具有窄的凝固溫度范閨(在^^液相線和閨相線之間的溫度差)并且能夠形成可靠的* ^#頭.(在本說明書中，除非有其它的說明，在^HaA中元素的百分^^指重量百分含
量或"wtr,)
當(dāng)廢棄電的或電" S史備時，通常輛卸回收塑料零^^如外殼^^屬零#^如回收用的紐.但晃在廢棄設(shè)備中印刷電條不適合于回收，因為它們含有以復(fù)雜方式結(jié)合在"^的金屬部分和塑絲分.所以，在許多情況下，從拆
卸設(shè)備中分離出的印刷電j^bi被切碎的，并以穩(wěn)定形態(tài)作為工業(yè)廢^H^AJfc下.
但晃最iiXr，中，包含有印刷電路fe的J^地下的^M&廢料已^A為了一個減問亂當(dāng)^AJfc下的^l^廢料與酸雨(由于溶解了存在于空氣中的#
3氮的氧德而具有很高的酸性)接觸時，酸雨會溶解廢物中的銀絲解的鉛
會污染地下水.ii^涉Wj—些問題，如J^A類長期引用這種被污染的水 會引起鉛中毒.為消RH1種減問題，目前，在電子工業(yè)中需要無鉛焊沐
到目前為止已^UH的無鉛焊料狄于錫和含有一種或多種附加的元素例 如Cu、 Ag、 Bi和Zru典型的無鉛焊^^^a分是二元M例如SiH).7%Cu, Sn-3.5%Ag, Srr5棚i和Sri"996Zn, ^種組分與二元^^體系的共晶組介te同 幼ilt由用途來決定，可以添加附加的^^元素以得到三it^更多元的^b
上面形i的每種無鉛^MN!"在自己的問亂例如，Sn-Zn焊^^l如Srr996Zn 焊料存在的問題是Zn很容易氧仏導(dǎo)5t^焊料上形成厚的氧化蔽結(jié)果，如果 在空氣中進行賂，浸潤性會變得不好.除jft^卜，當(dāng)在澆注辨中使用時， Sn-Zn焊壯引起大量浮渣的形成,這^^在焊料的實際應(yīng)用中狄難于解決的 問^t
Sirfli焊^l如Sn-5細(xì)i焊料，在澆注4^f時浮渣的形成不是一個很大的問 題，但是由于大比例的Bi存在，使其"不好的^H^焊料脆并JU^Nl強度 差.所以，由這種焊料形成的^W接頭并不4J1夠可靠的.隨著Bi比例的增加， Sn-Bi焊^;^強度有減少的趨勢.
目前，最能實際應(yīng)用的無鉛焊料是SirCu焊ifrW如SiH). 7%Cu, Sn-Ag焊jfr^J 如Sn-3,596Ag,和Sn"Ag"Cu焊料(例如Sn"3.596Sn-0.69CCu)其中，添加少量Cu 到Sn-Ag焊料中.
SrrCu焊料例如SirO. 7%Cu是便宜的，它們的攤成本可以與條的Sn-Pb 焊絲H^但晃焊絲潤性不好.
另一方面，Sn-Ag焊料例如Sn-3,漲Ag和Sn-Ag"Cu焊料例如 Sn-3.5%ArO. 6%Cu ^"相對好的焊絲潤仗它們的減強度可以與Sn-Pb焊 料的減強度相比甚J^過它.所以，這些焊樸ft為焊劑在性jlth是有優(yōu)勢的， 但是由于昂貴的金屬銀的存在它們的^比^fm的Srfb焊料要高得多.如 果為減少成本而減少焊料中Ag的M，焊#^浸腫^強度都會變壞.
所以，需^"種i&it的無鉛焊料，該焊料具有與Sn~Cu焊料同樣的A^優(yōu)勢， 絲有線的性氛特別是i&ii的浸潤仗
本發(fā)明者發(fā)貼Sn-Cu無鉛焊fl^中添加P (磚)可以i&i4Jtf賴浸潤'良盡管當(dāng)P單tt^入時可以獲得這種作用^Jd，但4J^料的浸潤性可以進一步通
it^加結(jié)合了 Ge (鍺)的P得到i!Ut
^U&本發(fā)明的一種形式，無鉛焊#^包括0.1%-3%的01， 0，001%"0.1%的？ 和^f:的Sn. ^Uft本發(fā)明的另一種形式，無鉛焊^^包括0.1%>3%的Cu， 0.001%"0.1%的？， 0.001M. l劣的Ge和^f的Sn.
無鉛焊^^可以進一步包^-種或更多種元素，這些元素的量在/SUi^料
的M強度或制jy容點，并對焊料的其他汰能不會產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)作用的范閨內(nèi).
發(fā)明詳述
依據(jù)本發(fā)明511基無鉛焊#^包括0.1%"3%的01, 0.0019H).W^P,和任 選的0.001%"0.1%的66.
在焊^^r中Cu的存在會增加焊料的減強;!t如果Cu的短少于0.1% ^械強度方面Cu就不具有大的作用.如果Cu的含量大于漲Cu會^^增 加焊料的溶化溫JL減少焊料的浸潤仗而且，當(dāng)溶化準(zhǔn)備用于澆注4fif的焊 辦池時，這種Cu ^S超過3%的SiHXi焊^f^r^J^大f^渣的形成，從 而使焊接操作變得繁重或困難.優(yōu)選地，Cu含量是0.昏1.5%,更優(yōu)選是
添加P會組Sn-Cu焊輛浸潤仗焊料的浸潤性可以進一步艦P和Ge 的結(jié)合添加進一 步得到組
盡管不希望被特^U^斤束蜂，但是可以認(rèn)為，在依據(jù)本發(fā)明的焊#^^ 溶化狀態(tài)下，在焊料中存在的P或P和Ge會向溶化焊料的表面擴散，并在其表 面氧化而形成薄的氧化層，該氧化層防jh^化焊料的表面直接與空氣接觸，進 而防jbS:化焊料的氧條i!fciJt其浸潤'良在溶化焊輛溫度絲下(大約250 C), P的氧條趨于升華，而Ge的!Wfc^趨于長時間保存在溶化焊料表面上
添加到511~€11焊料中的？或06的量少于0.001%時，對焊糊浸孫14IM^沒 有作用.
如果P的添加量大于O.IA會在其表面形成具有扭汰的溶化伴料，在一定程 ;Ui這種粉汰會增加到防礙溶4fclMt的程先特別是在澆注4W中，會引一 接缺陷例如在相鄰的焊接接頭之間發(fā)生短路的橋接.優(yōu)選地，P含量為 O.OOIM.O漲更M0.001M.019L
同樣來如果Ge含量大于0.1% 由于在溶化焊料的表面其輅汰的增加，會
5上述的Ge趨于在表面上保留很長時間，Ge 的加入量超過O. l免時會引起Jt^重的^f^陷例如不能潤濕.Ge的添加量優(yōu)選 為0.0019H). 0漲更優(yōu)選0.0029H). 03%.
^M^發(fā)明中，在無鉛SirCu焊料中加入P或P和Ge的組合，在jSUt^潤性方 面是有效的，但是并不食嗨加焊^^減強免SirCu焊^^r的減強度 通常不如Sn-Ag或Sn-Ag"Cu焊^^減強先所以，當(dāng)需要同時i5fci^潤 'li^^強度時，在組Sn基焊iH^^強^面有錄的一種或更多種i^ 強度的元素可以添加到^l&本發(fā)明的Sn-Cu-P或Sn-Cu-P-Ge焊#^中.
這種i4ii強度的元素的例子是Ag、 Sb、 Ni、 Co、 Fe、 Mn、 Cr和Mo.這些元 素中的—種或者在Sn中形成固溶體或者在SrrCu基焊#^金中和Sn形成金 屬間化合物，進而改進娃的機械強充但毛如果這些元素的含量太大，它 們實質(zhì)上會提高焊料的液相線溫免結(jié)果，扭定的絲溫度下，溶化焊輛 流動性會減小.因為這個原因，Ag和Sb的總襯最多4A優(yōu)錄多3.漲更 優(yōu)錄多3% 和Ni、 Co、 Fe、 Mn、 Cr、和Mo的總^f最多0. S96^優(yōu)選最多0.1
SrrCu焊料、Sn-Ag焊^Sn-ArCu浮料，作為具有比Sn-Pb焊料高得多的 樣點的無鉛焊料，被iU有很好的應(yīng)用前景.目前，大多數(shù)電子元4H更計為用 Sn"Pb焊W^.當(dāng)這些電子元件mit翻Ji^較高樣點的無鉛焊料之一iW^ 裝在印刷^H上時，在絲階提電子元件有可能受到熱損壞而不JltiE常運轉(zhuǎn).
在辨接階私為了消除或減少這種電子元件的^4S尿^U&本發(fā)明的無鉛焊 ^^可以含有一種或更多種能夠降f氐Sn基焊^^容點的元素.這種KHW^ 點的元素的例子是Bi、 In和Zn.但晃大量加入這些元素會產(chǎn)生問泉特別是 Bi的lill性差，會l^f餅^^減強尾如前所t銦(In)和Zn極易發(fā) 生氧4fc^用而形成fUfc^，這^防礙在溶化焊料表面附iOWm^，例如前 面討ifeit的關(guān)于P和Ge的溶波絲.所以,在依據(jù)本發(fā)明的無鉛焊iH^r中Bi、 In和Zn的添加總量最多為漲^H多3A
M本發(fā)明的無鉛焊^^r具有各種不同的夕H^和形態(tài)，包4^但不局限f 棒材、金屬線、帶狀物、棘圓盤狀、墊團、球和其它形4feA^末.粉末狀 焊^4r可以用來制備焊骨.
盡管依據(jù)本發(fā)明的無鉛焊^ir可以應(yīng)用于不同的if^方法中，但是它特別 適用于包括熔波釬焊、浸沉4f^和使用焊a池的澆注4W.無鉛焊^h^更
6特別適用于在印刷^Wf接電子元件的熔波釬焊.在熔波釬焊中，通過例如 泵和-W在焊棘池中形成波，并W^的表面(例如， 有電子元件的印 刷^fe背面)與在焊幹池以上水平方向傳播的波^^觸.
當(dāng)翻依據(jù)本發(fā)明的無鉛焊^h^i行澆注4f^時，特別是翻焊絲棘 連續(xù)的過程中進械波4Hf時，池中焊^^ P襯隨時間減少，如上所述 i^i由于在池表面形成的其氧化物升華的結(jié)果.如果需要，在連續(xù)的^Ht 中可以通過添加一種或更多種在池中不夠的元素來調(diào)^Ha分.添加的元素 可能以含有其它合金元素的形態(tài)存在.
實施例
采用^t的方j(luò)^4備許多無鉛Sn-Cu基焊^^r， #^# 試來#^其浸潤 *脈紗強免焊^Htl組絲測試結(jié)果示于下表，其中，實施例1到7舉 例說明了^#>^發(fā)明的^^^^:.
性能SnCuPGeAgNiBiSb鵬性整體強度 (胸)
實糊l綠0.50.005缺32
實糊20.70.01缺36
實糊30.70.0050.01妙36
實糊4絲0.50.加50.3妙37
實糊50.70.010.3好36
實糊6襯0.70.0030.010.05好33
實施例70.50.00522妙73
對照實施 例l襯0.7差31
對照實施 例20.70.3差31
種焊料合金的浸潤性.用作被熔化焊料浸濕的基底的測試片是銅板，該銅板
0.3ram厚xlOmm寬x30咖長，并已進行氧化處理.在測試中，當(dāng)^^熔刑^p 在測試片表面之后,測試片向下移動iiA^M^在250"下待測試焊^^^樣池 中，然后將測試片総池中拉出來，同Bt^l量脅在測試片上的荷栽，從而獲 得隨時間函數(shù)變化的潤濕力曲線.以下面的方式，采用該曲線上的零交叉時間
7(zero crossing time)來"if^^濕'lt: *L*f:少于2秒的零U時間； 奸至少2秒和少于3秒的零U時間； 差3秒或更長的零交叉時間.
每個焊#^60整體強度使用如JIS Z2201No.4測試片^Jt形狀的浮ifr^ 測試片進行測t itit^工焊^^鑄造棒來準(zhǔn)備測試片.佳月具有十字頭 逸t相當(dāng)于測試片標(biāo)準(zhǔn)長度的大約20V分鐘的可能測^L器進行測試片的拉 伸實驗.記錄最大應(yīng)力作為糾強瓦
^4格中可以看出，雖然Sn"Cu基焊^ft宜，但是依據(jù)本發(fā)明的每種焊^
絲具有好的浸潤'艮因此以穩(wěn)定的方式用這種焊^Hat^iWi^是可行的.
盡管已經(jīng)用優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，但L是這些實施例^JU^^0L明 并不限制本發(fā)明.對于M域的技^A員來C應(yīng)當(dāng)理解的晃在不背離本發(fā) 明;MO要求中所請求保護的范閨的情況下，可以對Ji^實施方Hii行^h4ilt 和變仏
8
權(quán)利要求
1. 一種無鉛焊料合金，其包括0.1-1.5wt％的Cu，0.001-0.1wt％的P，大于0且至多3wt％的Ag，0-0.1wt％的Ge，總量為0-0.5wt％的選自Ni、Co、Fe、Mn、Cr和Mo中的至少一種，和余量的Sn。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括至多2wt。/。的Ag。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.3-2wt。/。的Ag。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.1-1.5wt。/o的Cu，至多2wt。/o的Ag， 0.001-0.1wt。/。的P，和大于0且至多0.5wt。/。的Ni。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無鉛焊料合金，其包括0.001-0.01wt。/。的P。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.001-0.05wt。/o的Ge。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.1-1.5wt。/n的Cu,.001-0.1wto/o的P，大于0且至多3wtQ/o的Ag， 0-0.01wto/o的Ge，大于0且至多0.3wt。/。的Ni,和余量的Sn。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.5-0.7wtQ/。的Cu,0.003-0.01wto/。的P, 0.3-2wt。/。的Ag, 0-0.01wt。/o的Ge,大于0且至多.3wt%的Ni,和余量的Sn。
全文摘要
一種適用于印刷線路板上電子元件進行澆注釬焊的無鉛焊料合金，包括0.1-3wt％的Cu，0.001-0.1wt％的P，任選的0.001-0.1wt％的Ge，和剩余的Sn。焊料合金可以進一步含有總量至多為4wt％的Ag和Sb中的至少一種元素，和/或為加強合金而含有Ni、Co、Fe、Mn、Cr、和Mo中的至少一種元素，和/或為降低合金熔點而含有總量至多為5wt％的Bi、In和Zn中的至少一種元素。
文檔編號B23K35/26GK101508062SQ200910129408
公開日2009年8月19日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月28日
發(fā)明者上島稔, 豐田良孝, 大西司, 宗形修 申請人:千住金屬工業(yè)株式會社