環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲，其特征在于：環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲有至少一種選自0.01~1％（重量）的Co，0.01~0.2％（重量）的Fe，0.01~0.2％（重量）的Mn，0.01~0.2％（重量）的Cr，0.01~2％（重量）的Pd，0.5~2％（重量）的Cu和90.5％（重量）或更多的Sn；環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲也可有至少一種選自0.01~0.2％（重量）的Mn和0.01~0.2％（重量）的Cr，至少一種選自0.5至9％（重量）的Ag和為0.5~5％（重量）的Sb，以及90.5％（重量）或更多的Sn；環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲還可含有0.01~1％（重量）的Co，0.5~9％（重量）的Ag，0.5~2％（重量）的Cu，和88.0％（重量）或更多的Sn。本發(fā)明的有益效果是：良好的可焊性，對環(huán)境負(fù)荷少。
【專利說明】環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊錫絲，特別是一種環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲。
【背景技術(shù)】
[0002]焊錫絲通常用于電氣性地或機(jī)械性地連接電子設(shè)備和電子部件。作為這樣的焊錫絲，一種主要成分的Sn和Pb已被普遍使用。然而，考慮到全球環(huán)境，主要包括Sn，同時也包含，例如，Ag, Bi, Cu, In或Sb,作為平衡元素,并且無鉛焊錫絲已有使用。具有令人滿意的焊點可焊性的焊錫制品是用這些無鉛焊錫絲制成的。然而，使用焊錫絲的焊錫制品主要含Sn，特別是那些焊接時使用無鉛焊錫絲來導(dǎo)致電極溶出。此外，當(dāng)將焊錫制品放在高溫下或進(jìn)行熱老化時，Sn擴(kuò)散到電極(導(dǎo)體）中，從而使所得到的電子設(shè)備和電子部件的電氣特性和機(jī)械特性變差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供了一種環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲，用以解決上述的現(xiàn)有問題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲，其特征在于：環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲是包含有至少一種選自0.01 — 1% (重量)的Co，O. 01 — .2% (重量）的 Fe，O. 01 — O. 2% (重量）的 Mn，O. 01 — O. 2% (重量）的 Cr，O. 01 — 2% (重量）的 Pd，O. 5 - 2% (重量）的Cu和90. 5% (重量）或更多的Sn ;環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲也可以是包含有至少一種選自O(shè). 01 — O. 2% (重量）的Mn和O. 01 — O. 2% (重量）的Cr，至少一種選自O(shè). 5至9% (重量）的Ag和為O. 5 — 5% (重量）的Sb，以及90. 5% (重量）或更多的Sn ;環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲還可以是包含有O. 01 — 1% (重量)的Co，O. 5 — 9%(重量）的Ag，O. 5 — 2% (重量）的Cu，和88.0% (重量）或更多的Sn。
[0005]環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲只包含每個所述組合的一種成分。
[0006]通過焊錫絲結(jié)合的焊錫制品包括過渡金屬導(dǎo)體，該金屬導(dǎo)體包括喲至少一種選自Cu, Ag, Ni, Au, Pd, Pt和Zn的單質(zhì)或它們的合金。
[0007]本發(fā)明的有益效果是：在焊點上表現(xiàn)出令人滿意的可焊性，且在焊接時或當(dāng)焊接制品處于高溫下時，其表現(xiàn)出防電極溶出的高電阻，對環(huán)境負(fù)荷更少，方便實用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖I為對本發(fā)明無鉛焊錫絲在焊接時防止電極溶出的性能及可焊性進(jìn)行評估表圖。
[0009]圖2為圖I的結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明將在下面進(jìn)一步詳細(xì)地說明。[0011]根據(jù)第一方面,本發(fā)明的無鉛焊錫絲包括：Cu, Sn和至少一種選自Co, Fe, Mn, Cr和Pd。根據(jù)第二方面，本發(fā)明的無鉛焊錫絲包括：Sn和至少一種選自Mn和Cr，至少一種選自Ag和Sb。根據(jù)第三方面,本發(fā)明的無鉛焊錫絲包括Co, Ag, Cu和Sn。
[0012]本發(fā)明的焊錫制品包括一種含有過渡金屬導(dǎo)體的制品，其通過焊錫絲接合。過渡金屬導(dǎo)體在熔融Sn中容易擴(kuò)散。作為焊錫絲，可以使用第一、第二或第三種組合成分的無鉛焊錫絲。該組合物可以提供具有令人滿意的可焊性和粘接強(qiáng)度高的焊錫制品，并且能夠防止電極溶出。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，添加少量的Co，F(xiàn)e, Mn, Cr或Pb在導(dǎo)體和焊錫絲之間的界面處形成了一個隔離層，以防止電極(導(dǎo)體）與熔融焊錫絲之間的反應(yīng)，從而抑制電極溶出。
[0014]在第一個和第三個組合成分的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總重量，Co量設(shè)置為O. 01 — 1% (重量)。如果Co量低于O. 01% (重量)，防止電極溶出的性能惡化。相反,如果Co量超過1% (重量)，液相線溫度上升使熔融性變差。因此，Co量優(yōu)選的范圍為O. 01一 O. 5% (重量),更優(yōu)選的范圍為O. 4% — O. 5% (重量)。
[0015]在第一種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總重量，F(xiàn)e量被設(shè)定為O. 01 一 O. 2%(重量)。如果Fe量小于O. 01% (重量)，防止電極溶出的性能惡化。與此相反，如果其量超過0.2% (重量)，液相線溫度升高使熔融性變差。因此Fe量優(yōu)選的范圍為O. 01 — 0.1% (重量)，更優(yōu)選的范圍為O. 05 — O. I % (重量)。
[0016]在第一和第三種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總質(zhì)量，Mn量被設(shè)置為O. 01 一O. 2% (重量)。如果Mn量小于O. 01% (重量)，防止電極溶出的性能惡化。與此相反，如果其量超過O. 2% (重量)，液相線溫度升高使熔融性變差。因此Mn量優(yōu)選的范圍為O. 01 一O. 1% (重量),更優(yōu)選的范圍為O. 05 — O. I % (重量)。
[0017]在第一和第二種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總質(zhì)量，Cr量為O. 01 — O. 2%(重量)。如果Cr量低于O. 01% (重量)，防止電極溶出的性能惡化。與此相反，如果其量超過O. 2% (重量)，液相線溫度升高使熔融性變差。因此，Cr量優(yōu)選的范圍為O. 01 — O. 1% (重量)，更優(yōu)選的范圍為O. 05 — O. I % (重量)。
[0018]在第一和第二種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總質(zhì)量，Pd量被設(shè)定為0.01 —2% (重量)。如果Pd量低于O. 01% (重量)，防止電極溶出的性能惡化。相反，如果其量超過2% (重量)，液相線溫度升高使熔融性變差。因此，Pd量優(yōu)選的范圍為0.01 — 1% (重量)，更優(yōu)選為O. 4 — O. 6% (重量)。
[0019]在第二和第三種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總質(zhì)量，Ag量設(shè)置為O. 5?9%(重量)。如果Ag的量低于0.5% (重量)，不能得到令人滿意的改善強(qiáng)度。相反，如果其量超過9% (重量)，過量的Ag3Sn金屬間化合物會沉積降低接合強(qiáng)度，并且焊錫絲的液相線溫度上升使熔融性變差。Ag的含量優(yōu)選為I?6% (重量）的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為3?5% (重量）的范圍內(nèi)。
[0020]在第一和第三種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總質(zhì)量，Cu量為O. 5 — 2% (重量)。如果Cu量小于O. 5% (重量)，不能得到令人滿意的改善強(qiáng)度。相反，如果其量超過2% (重量)，多余的Cu6Sn5和Cu3Sn中間金屬間化合物會沉積降低接合強(qiáng)度，并且焊錫絲的液相線溫度增加使熔融性變差。Cu含量優(yōu)選的范圍為O. 5 — I. 5% (重量)，更優(yōu)選為O. 5一 1% (重量）的范圍內(nèi)。[0021]在第二種的無鉛焊錫絲中，根據(jù)焊錫絲的總質(zhì)量，Sb量設(shè)置為O. 5 — 5% (重量)。如果Sb量小于O. 5% (重量)，不能得到令人滿意的改善強(qiáng)度。相反，如果其量超過5% (重量)，焊錫絲的伸長率降低導(dǎo)致其耐熱沖擊性和加工性變差。
[0022]本發(fā)明中使用的典型過渡金屬導(dǎo)體容易在包括Cu，Ag, Ni, Au, Pd, Pt和Zn單質(zhì)的熔融Sn中擴(kuò)散。這些過渡金屬的合金,如Ag-Pd, Ag-Pt,也可以使用?？梢詢?yōu)選地使用Cu, Ag和Ni的單質(zhì)以及這些金屬的合金。本發(fā)明的無鉛焊錫絲可以抑制電極溶出，同時保持良好的可焊性和粘接強(qiáng)度，即使當(dāng)它們用在含有易于經(jīng)受電極溶出的導(dǎo)體的制品中。
[0023]對于過渡金屬導(dǎo)體來說，可以根據(jù)需要添加玻璃熔塊以及各種添加劑(例如，金屬氧化物)。只有當(dāng)作為導(dǎo)電成分的金屬組合物是上述組合物的條件下，本發(fā)明的焊錫制品可表現(xiàn)出上述優(yōu)點可以添加低熔點的金屬，例如Bi或In，作為焊錫絲的成分加入到其中，以降低工作溫度。在這種情況下，本發(fā)明的焊錫絲可以表現(xiàn)出與上述相同的優(yōu)點。
[0024]另外，在本發(fā)明中，作為焊錫絲組合物，無鉛焊錫絲可以進(jìn)一步包括上述組分以外的不可避免的雜質(zhì)。這種不可避免的雜質(zhì)包括焊錫絲制造時污染的元素以及焊錫絲最初包含的元素，如Pb, Bi, Cu和Na元素。
[0025]可以容易地制造本發(fā)明的焊錫制品，例如，通過熔化上述添加的成分到主要成分Sn中，以形成無鉛焊錫，從而將無鉛焊錫形成焊錫球。將焊錫球放在部件或基板之上，施加焊劑到焊錫球上，在空氣中預(yù)定溫度下加熱焊錫球，以連接部件的導(dǎo)體。
[0026]一般情況下，將焊錫絲在氮氣氣氛中焊接，以在許多情況下改善可焊性。然而，本發(fā)明的焊錫絲具有少量的Co，F(xiàn)e, Mn, Cr和Pd，并可以在空氣中進(jìn)行焊接。
[0027]本文所用的術(shù)語“焊錫制品”是指并包括全部的制品，其中包括被接合的電子部件本身，以及焊點。其中在焊點處，這些電子部件的導(dǎo)體電氣地或機(jī)械地互相連接。在這種焊錫制品的典型例子中，形成于元件安裝基板上的導(dǎo)體與形成于電子元件上的導(dǎo)體相焊接，以電氣地或機(jī)械地連接導(dǎo)體，或者電子部件元件的電極彼此焊接，以電氣地或機(jī)械地連接電極。
[0028]這樣元件安裝基板包括，但不限于，由環(huán)氧樹脂(玻璃環(huán)氧樹脂）制成的印刷電路板，由苯酚制成的印刷電路板，由氧化鋁制成的陶瓷基板，以及具有絕緣膜的基板，該絕緣膜如金屬表面上的陶瓷。玻璃纖維織物制成的印刷電路板諸如陶瓷的。導(dǎo)體包括印刷電路板和其他弓丨線電路，端子電極和電子部件的弓I線端子。
[0029]從而本發(fā)明制備的無鉛焊錫絲和焊錫制品具有令人滿意的可焊性，粘接強(qiáng)度高，以及優(yōu)良的防止電極溶出性能。這些焊錫絲和焊錫制品的焊接溫度可以比較自由地設(shè)置，且焊接過程具有良好的加工性。此外，可以最大地降低昂貴的用于抑制電極溶出的元素含量。
[0030]下面將具體參照幾個發(fā)明實施例和比較例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但這不會限制本發(fā)明的范圍。
[0031]下面的圖I中示出本發(fā)明實施例和比較例中采用的焊錫絲成分。
[0032]圖I所示對無鉛焊錫絲在焊接時防止電極溶出的性能及可焊性進(jìn)行評估。其結(jié)果示于圖2。
[0033]可以根據(jù)剩余的電極面積來評估其防止電極溶出的性能。根據(jù)下列方式的電容變化方法，可以計算剩余的電極面積。在一個單一鍍層電容器上，Cu電極(厚度：3微米)或Ag電極(厚度'2微米）被印刷和焙燒，將電容器浸入焊錫絲中；浸入前后比較電容差；剩余的電極面積是由浸入前電容差異的比率來測定的。在Cu電極上，浸入10秒后可以測定電容變化。在容易溶出的Ag電極上，3秒后可測定電容變化。
[0034]評估中采用的焊接溫度也示于表2。
[0035]圖2表明，根據(jù)本發(fā)明的實施例，與具有類似組合物的相應(yīng)比較例相比，該無鉛焊錫絲在Cu電極上表現(xiàn)出更大的剩余電極面積，并有效地抑制電極溶出。這是因為添加的元素，如Co，F(xiàn)e，Mn，Cr和Pb，可以抑制電極溶出。特別地，根據(jù)實施例I 一 3和實施例5?22的無鉛焊錫絲顯示出95%或更多的剩余電極面積，并表現(xiàn)出非常令人滿意的防止電極溶出性能。與此相反，根據(jù)比較例I和2顯示的典型常規(guī)無鉛焊錫絲的剩余電極面積不超過90%。根據(jù)實施例4的無鉛焊錫絲(其中Sn為O. 01% (重量)，Cr為5. 00% (重量)，Sb)顯示出剩余電極面積為86. 0%，其低于根據(jù)本發(fā)明其他實施例的剩余電極面積。這是因為無鉛焊錫絲具有更少量的添加元素。然而，即使這樣的無鉛焊錫絲與比較實施例I (Sn為5.00%，Sb)相比，也表現(xiàn)出令人滿意的電極溶出抑制作用。依照焊接條件可以采用本發(fā)明的所有組合物。
[0036]本發(fā)明實施例的優(yōu)點在于，在Ag電極中的作用比Cu電極中的作用更明顯。根據(jù)本發(fā)明實施例的所有焊錫絲，與具有類似組合物的相應(yīng)比較例相比，其具有較大的剩余電極面積，并能有效地抑制電極溶出。這是由于添加的元素，如Co，F(xiàn)e，Mn，Cr和Pb可以抑制電極溶出。
[0037]具體而言，當(dāng)使用比較例I (Sn為5. 00% (重量)，Sb)的無鉛焊錫絲和比較例3(Sn為O. 70% (重量)，Cu)的無鉛焊錫絲時，剩余的Ag電極為O (零)。與此相反，當(dāng)使用實施例I 一 6中通過添加Mn或Cr到Sn-Sb合金中得到的無鉛焊錫絲，以及使用實施例9?15中通過添加Co Fe, Mn, Cr,或Pd到Sn?Cu焊錫絲使中得到的無鉛焊錫絲,剩余的電極面積分別為為60. 2?80. I %和40. 8%?68. 9%。
[0038]同樣地，當(dāng)使用比較實施例2 (Sn為3. 50% (重量)，Ag)的無鉛焊錫絲時，剩余的Ag電極為31.7%。相反，當(dāng)使用實施例7和8中通過添加Mn或Cr到上述組合物得到的無鉛焊錫絲，其剩余率為85. 0%?89. 7%。
[0039]比較例4 (Sn為3. 50% (重量)，Ag為O. 70% (重量)，Cu)的無鉛焊錫絲顯示出31. 0%的Ag電極剩余率。與此相反,實施例16?22中通過添加Co到上述組合物獲得的無鉛焊錫絲，通表現(xiàn)出33. 8%?86. 3%的剩余率。
[0040]在可焊性上，實施例1，4，9，13?22的無鉛焊錫絲表現(xiàn)出非常令人滿意的可焊性，其焊錫絲擴(kuò)散速率為70%或更多。比較例I 一4中的無鉛焊錫絲也表現(xiàn)出了非常令人滿意的可焊性，其焊錫絲擴(kuò)展速率為70%或更多。
[0041]在這方面，實施例3和6中的無鉛焊錫絲與具有類似組合物的比較例I中的焊錫絲相比，其表現(xiàn)出更低的焊錫絲擴(kuò)展速率。在這些焊錫絲中，添加元素如Co，F(xiàn)e, Mn, Cr和Pb的含量是很高的，并且液相線溫度上升，使焊錫絲的流動性變差。實施例2，3，5 — 8，11和12中的無鉛焊錫絲表現(xiàn)出比其他實施例中焊錫絲更低的擴(kuò)展速率。這是因為Mn和Cr易于氧化。但是，可根據(jù)焊接條件使用本發(fā)明實施例的任何組合物。
[0042]根據(jù)實施例15中的無鉛焊錫絲，焊錫絲擴(kuò)展速率隨著Sb，Ag和Cu量的增加而上升。這是因為增加的焊接溫度是隨著液相線溫度對焊錫絲擴(kuò)展速率影響的增加而增加。[0043]
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【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲，其特征在于： 無鉛焊錫絲是包含有至少一種選自0.01 — 1% (重量)的Co，0. 01 — O. 2% (重量)的Fe,O. 01 — O. 2% (重量）的 Mn，O. 01 — O. 2% (重量）的 Cr，O. 01 — 2% (重量）的 Pd，O. 5一 2% (重量）的Cu和90. 5% (重量）或更多的Sn; 無鉛焊錫絲也可以是包含有至少一種選自O(shè). 01 一 O. 2%(重量)的Mn和O. 01 — O. 2%(重量）的Cr，至少一種選自O(shè). 5至9% (重量）的Ag和為O. 5 — 5% (重量）的Sb，以及90. 5% (重量）或更多的Sn; 無鉛焊錫絲還可以是包含有0.01 — 1% (重量)的Co，O. 5 — 9% (重量）的Ag，O. 5 —2% (重量）的Cu，和88.0% (重量）或更多的Sn。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲，其特征在于：無鉛焊錫絲只包含每個所述組合的一種成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的環(huán)保無鉛防電極溶出焊錫絲，其特征在于：通過焊錫絲結(jié)合的焊錫制品包括過渡金屬導(dǎo)體，該金屬導(dǎo)體包括喲至少一種選自Cu，Ag，Ni ,Au，Pd，Pt和Zn的單質(zhì)或它們的合金。
【文檔編號】B23K35/26GK103480978SQ201310453322
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】王偉德 申請人:寧波市鄞州恒迅電子材料有限公司