專利名稱：焊料或涉及焊料的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊料，具體說涉及基本上不含鉛的焊料。
很多傳統(tǒng)的焊料含有鉛，并是其主要組分。這樣的焊料常具備要求的物理特性，在一些工業(yè)部門中，包括與生產(chǎn)印刷電路板有關(guān)的工業(yè)部門中，廣泛地使用著含鉛的焊料。
但是，由于例如環(huán)保問題，愈來愈要求使用無鉛的焊料，看來似乎在未來數(shù)年內(nèi)，一些國家將在法律上要求在制造很多物品時，所使用的焊料中只含很少的鉛或不含鉛。
以往在配制無鉛焊料的嘗試中成效有限。傳統(tǒng)的無鉛焊料其物理特性往往不合需要，包括潤濕特性差、流動性低、與現(xiàn)有組件鍍膜的相容性差、以及廢渣過多。
因此，有些制造商發(fā)現(xiàn)，必須采用多年來行之有效的現(xiàn)行焊接工藝，來適應(yīng)無鉛焊料的使用。此外，生產(chǎn)印刷電路板中所采用的現(xiàn)有材料可能必須被更換成與使用無鉛焊料相容的材料。這一工藝與材料的適配措施，廣泛認(rèn)為是資源運(yùn)用不良，特別是被認(rèn)為用傳統(tǒng)無鉛焊料制造的制品的標(biāo)準(zhǔn)，常低于用含鉛焊料制造的制品所能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的目的是尋求提供出能減少無鉛焊料上述一部分或全部缺點的無鉛焊料。
于是，本發(fā)明的一個方面是提供出一種焊料，它含有87.2％～89.5％的錫、4.0％～4.8％的鉍、3.5％～4.5％的銦和3.0％～3.5％的銀。
該焊料有利之處在于基本上不含鉛。
該焊料優(yōu)選為不含鉛。
該焊料的簡便配方為包括88.3％的錫、4.5％的鉍、4.0％的銦和3.2％的銀。
本發(fā)明的另一個方面是提供出一種制備焊料的方法，它包括將錫、鉍、銦和銀加以混合的步驟，混合中要使錫在焊料中的比例為87.2％～89.5％；鉍在焊料中的比例為4.0％～4.8％；銦在焊料中的比例為3.5％～4.5％；以及銀在焊料中的比例為3.0％～3.5％。
該方法有利之處在于包括基本上不往焊料中加入鉛。
該方法優(yōu)選包括不往焊料中加鉛。
該方法包括簡便地將錫、鉍、銦、銀加以混合的步驟，混合中要使錫在焊料中的為88.3％；鉍在焊料中的比例為4.5％；銦在焊料中的比例為4.0％；以及銀在焊料中的比例為3.2％。
本發(fā)明的又一個方面，是提供出一種焊接的方法，它包括使用一種焊料的步驟，該焊料包括有87.2％～89.5％的錫、4.0％～4.8％的鉍、3.5％～4.5％的銦；以及3.0％～3.5％的銀。
該方法有利之處在于包括使用一種焊料的步驟，該焊料包括88.3％的錫、4.5％的鉍、4.0％的銦和3.2％的銀。
該方法優(yōu)選包括波焊的步驟。
為使本發(fā)明更便于理解，現(xiàn)將描述幾個實施例，并參照附圖進(jìn)行描述。附圖有

圖1示出多種不同的焊料在多種溫度下的潤濕時間(以秒計)表；圖2示出代表圖1表中數(shù)據(jù)的曲線圖；圖3示出多種不同的焊料在多種溫度下的最大潤濕力表；圖4示出代表圖3表中數(shù)據(jù)的曲線圖；圖5示出體現(xiàn)本發(fā)明的焊料和一種現(xiàn)有技術(shù)焊料當(dāng)用于各種鍍膜時的潤濕時間表；圖6示出用體現(xiàn)本發(fā)明的焊料在波焊機(jī)中進(jìn)行試驗的試驗條件；圖7和8示出圖6中的試驗得出的結(jié)果。
如上所述，傳統(tǒng)的無鉛焊料有著若干缺點，包括潤濕特性差、流動性低、與現(xiàn)有組件鍍膜的相容性差、以及通常使用的含鉛焊料相比廢渣過多。
但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種由無鉛合金組成的焊料，它比傳統(tǒng)的無鉛焊料具有顯著改進(jìn)的特性，該合金中包括有87.2％～89.5％的錫、4.0％～4.8％的鉍、3.5％～4.5％的銦；以及3.0％～3.5％的銀。這種焊料是本發(fā)明的具體體現(xiàn)。的確，這種體現(xiàn)本發(fā)明的焊料在潤濕性能、流動性、與現(xiàn)有組件鍍膜的相容性以及廢渣等方面的特性呆與傳統(tǒng)的盒鉛焊料相比美。
為了展示體現(xiàn)本發(fā)明的焊料的優(yōu)越物理特性，已做了多項試驗，下面將另以描述。
第一項試驗是體現(xiàn)本發(fā)明的焊料的潤濕性，它與多種現(xiàn)有無鉛焊料和一種傳統(tǒng)的含鉛焊料(含63％的錫和37％的鉛)的對比情況。在第一項試驗中所采用的焊料中含有88.3％的錫、4.5％的鉍、4.0％的銦和3.2％的銀。
第一項試驗的第一個方面，包括根據(jù)ANSI/J Std-003標(biāo)準(zhǔn)、在235℃至265℃范圍內(nèi)的多種溫度下，對要測試的焊料測量潤濕時間。在該項試驗中，一塊銅樣品被浸入一定量的每種熔融焊料中。銅試樣上連接著一臺靈敏的測力儀，安裝成能測量并記錄出作用于試樣的垂直力。
在試樣浸入熔融焊料時，作用于試樣上的垂直力的變化是由于兩個主要因素。其一為浮力，這是由于試樣取代焊料而引起的作用于試樣的向上力，該力等于被試樣取代的焊料的重量。由于試樣浸入焊料的部分的體積和焊料的密度是已知的，所以這一向上力可以計算出來并說明原因。第二個因素是由于焊料表面與試樣表面之間接觸角的變動而引起的對試樣的作用力。每一特定狀態(tài)下的潤濕時間，被定義為作用于試樣上的潤濕力等于零的時間。
第一項試驗第一個方面的試驗結(jié)果示于圖1中。
總起來說，體現(xiàn)本發(fā)明的焊料在每種溫度下的潤濕時間可與傳統(tǒng)的含鉛焊料所展示出的相比美。此外，本發(fā)明的焊料除一種溫度外，在每種設(shè)定溫度下所展示的潤濕時間，都較任一種現(xiàn)有無鉛焊料所展示的為短。潤濕時間是焊料粘接到基片上的快速性的量度，很明顯，對焊料來說，潤濕時間短是合乎需要的特性。由此可見，本發(fā)明的焊灶在第一項試驗的第一個方面，總體上表面得比任何現(xiàn)有的無鉛焊料都好。
第一項試驗第一個方面的試驗結(jié)果用曲線展示于圖2中。由該曲線圖可見，代表傳統(tǒng)含鉛焊料和本發(fā)明的焊料的試驗結(jié)果非常接近，而相比之下，與代表現(xiàn)有無鉛焊料性能的試驗結(jié)果則差別較大。
第一項試驗的第二個方面，包括測量試樣浸入相關(guān)焊料2秒時的最大潤濕力。如上所述，潤濕力是焊料與試樣之間的粘結(jié)力。很明顯，潤溫力是焊料粘結(jié)在基片上的強(qiáng)度指標(biāo)，對焊料來說，潤濕力高是合乎需要的特性。
第一項試驗第二個方面的試驗結(jié)果示于圖3中。這些結(jié)果總起來說，本發(fā)明的焊料在每種設(shè)定溫度下、在將試樣浸入后2.0秒鐘的潤濕力為最大，這可與傳統(tǒng)的含鉛焊料所展示的結(jié)果相比美。雖然有幾種現(xiàn)有的無鉛焊料，在幾種溫度下所展示的潤濕時間與傳統(tǒng)的含鉛焊料相近，但本發(fā)明的焊料在所有溫度下所展示的潤濕時間均與傳統(tǒng)的含鉛焊料相近。可以斷定，本發(fā)明的焊料的這種特性使它可在多種溫度條件下、或在變動的溫度條件下焊接時展示出與傳統(tǒng)含鉛焊料相似的性能。
第一項試驗第二個方面的結(jié)果，以曲線圖方式示于圖4中，由圖3可以清楚地看出，代表本發(fā)明的焊料的試驗結(jié)果離代表傳統(tǒng)含鉛焊料試驗結(jié)果的距離，要大大近于代表任何一種現(xiàn)有無鉛焊料的試驗結(jié)果離它們的距離。
由第一項試驗的結(jié)果可見，本發(fā)明的焊料在潤濕性能方面與所討論過的現(xiàn)有無鉛焊料展示出非常相似的特性。很明顯，這一物理特性上的相似，使本發(fā)明的焊料用作傳統(tǒng)含鉛焊料的代用品，要比任何現(xiàn)有無鉛焊料更適合得多。
第二項試驗是有關(guān)本發(fā)明的焊料與現(xiàn)有組的鍍膜的相容性。例如印刷電路板，其上的組件可有多種材料的鍍膜，重要的是，與這樣的組件結(jié)合使用的焊料，應(yīng)能方便地與其鍍膜相粘結(jié)。
在第二項試驗中，六種普通組件鍍的是錫、金、銀、錫鉛合金和銅磷合金等金屬的膜。隨后進(jìn)行了本發(fā)明的焊料和一種傳統(tǒng)含鉛焊料在多種溫度下，用于每種鍍膜組件時的潤濕時間對比試驗。本發(fā)明的焊料的組成為88.3％的錫、4.5％的鉍、4.0％的銦和3.2％的銀，含鉛焊料含有60％的錫和40％的鉛。用的是珠滴試驗法，該法與上述測量潤濕力的方法相似，但是在小規(guī)模下進(jìn)行。在第二項試驗中使用的助熔劑是不潔凈的含有4％固體的助熔劑。
第二項試驗的試驗結(jié)果列于圖5中。由這些試驗結(jié)果可以看出，本發(fā)明的焊料在大多數(shù)設(shè)定溫度(范圍為235℃-265℃)，對大多數(shù)鍍膜表現(xiàn)出的潤濕時間與傳統(tǒng)含鉛焊料所表現(xiàn)的潤溫時間相似。在絕大多數(shù)情況下，本發(fā)明的焊料與傳統(tǒng)含鉛焊料所表現(xiàn)出的潤濕時間差小于半秒。
從第二項試驗的試驗結(jié)果可以清楚看出，本發(fā)明的焊料在與現(xiàn)有組件鍍膜的相容性方面是適于用作傳統(tǒng)含鉛焊料的直接替代品的。
第三項試驗是有關(guān)本發(fā)明的焊料是否適合用于波焊機(jī)中。在波焊的一個實施例中，一塊電路板被剛好固定在一定量的熔融焊料上方。然后攪起具有足夠波幅的波浪橫過熔融焊料的表面?zhèn)鞑?，以使其波峰與電路板的表面接觸。波浪的寬度與電路板的寬度相同(或與其需要焊接的部分同寬)，隨著波浪橫過熔融的焊料表面?zhèn)鞑?，電路板的全部朝下的表面都被熔融的焊料所接觸。
這種給電路板涂敷焊料的方法，比起將電路板直接浸入熔融焊料的方法，肯定會大大減少焊料與電路板朝上表面接觸的危險。
現(xiàn)有的無鉛焊料，當(dāng)用于波焊機(jī)的熔融焊料槽中時，在波焊機(jī)使用一定次數(shù)后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致焊料槽的嚴(yán)重污染。在波焊機(jī)中通常有兩個槽區(qū)。當(dāng)電路板用這種波焊機(jī)進(jìn)行焊接時，一開始是在第一槽區(qū)運(yùn)作，在該槽區(qū)內(nèi)，首先用“切削”波(chip wave)通過電路板朝下的表面，以清洗該表面。然后，電路板前進(jìn)到第二槽區(qū)上方的位置，在這里進(jìn)一步用層狀波(laminar wave)通過其朝下的表面，以完成要求的焊接?，F(xiàn)在已很清楚，由于切削波是與電路板在焊接前清洗表面有關(guān)的，因此在第一槽區(qū)具有形成不希望有的污染的危險，而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一問題已由于使用現(xiàn)有的無鉛焊料而加重。
此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用現(xiàn)有的無鉛焊料時，在使用若干次以后，槽中出現(xiàn)的廢渣會高到不可接受的水平。
在第三項試驗中，本發(fā)明的含有88.3％錫、4.5鉍、4.0％銦和3.2％銀的焊料，被用于傳統(tǒng)的波焊機(jī)中。波焊機(jī)沒有作任何改變來適應(yīng)使用本焊料。于是，就用該波焊機(jī)來時接電路板，所用的方法與使用含錫/鉛合金的焊料時相同。
波焊機(jī)在四種不同的槽溫、即在235℃、245℃、255℃和265℃下使用。這四種溫度都在采用傳統(tǒng)含鉛焊料時波焊機(jī)正常使用的溫度范圍內(nèi)。此外，傳送帶速度(即電路板在槽表面上方移動的速度)調(diào)節(jié)為可使用1.0m/s、1.4m/s和1.8m/s三種速度。這三種傳送帶速度都在采用傳統(tǒng)含鉛焊料時波焊機(jī)正常使用的傳送帶速度的范圍內(nèi)。該第三項試驗是在正常的空氣環(huán)境下進(jìn)行的。
為采用完全無鉛的工藝過程，還開發(fā)出了一種無鉛助熔劑，稱為RMA，是含有13％固體的助熔劑。在每個試驗日結(jié)束時，都測量并記錄了槽中的污染程度和槽的合金組成。此外，還取出槽中的廢渣并加以稱重，以確定波焊過程所產(chǎn)生的廢渣量。
第三項試驗的試驗條件列于圖6中，每天結(jié)束時留在槽中的廢渣量列于圖7中。槽中焊料的污染程度(分切削波與層狀波)列于圖8中。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在考慮了這些試驗結(jié)果后會認(rèn)定，槽內(nèi)的污染程度以及所產(chǎn)生的廢渣量，都顯著地比用現(xiàn)有的無鉛焊料在未經(jīng)改進(jìn)的波焊機(jī)中所出現(xiàn)的要低。
事情已很清楚，由于本發(fā)明的焊料所展示的潤濕性能、流動性、與現(xiàn)有組件鍍膜的相容性以及廢渣等可比特性都更優(yōu)秀，因此，本發(fā)明已提供出了更適于用作傳統(tǒng)含鉛焊料的直接替代品的無鉛焊料。
這一適用性的一個優(yōu)點是，使用本發(fā)明的無鉛焊料，可減少或消除生產(chǎn)廠家為使用無鉛焊料而更換現(xiàn)有機(jī)器、工藝過程或組件鍍膜的必要性。很清楚，其結(jié)果是對很多廠家來說，轉(zhuǎn)向使用無鉛焊料可使他們更簡便而經(jīng)濟(jì)。
在本說明書中，“comprises”一詞意謂“含有或由…組成”，而“comprising”一詞意謂“含有或由…組成”。
在以上描述中或下面的權(quán)利要求或附圖中以特有形式所公開的特征，不管是以設(shè)備(能借以完成所公開的功能)或方法過程(能借以取得所公開的結(jié)果)的面貌出現(xiàn)，這些特征都可以適當(dāng)?shù)貑为毣蚪Y(jié)合起來，以多種形式來實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種焊料，它含有87.2％～89.5％的錫；4.0％～4.8％的鉍；3.5％～4.5％的銦；以及3.0％～3.5％的銀。
2.權(quán)利要求1的焊料，其中該焊料是基本上無鉛的焊料。
3.權(quán)利要求2的焊料，其中該焊料是無鉛焊料。
4.上述權(quán)利要求之任一項的焊料，其中該焊料含有88.3％的錫、4.5％的鉍、4.0％的銦和3.2％的銀。
5.一種制備焊料的方法，它包括混和錫、鉍、銦、銀的步驟，要使得錫在焊料中的比例為87.2％～89.5％；鉍在焊料中的比例為4.0％～4.8％；銦在焊料中的比例為3.5％～4.5％；銀在焊料中的比例為3.0％～3.5％.
6.權(quán)利要求5的方法，其中該方法包括基本上不向焊料中加入鉛。
7.權(quán)利要求6的方法，其中該方法包括在焊料中不加鉛。
8.權(quán)利要求5～7之任一項的方法，其中該方法包括混和錫、鉍、銦、銀的步驟，以使得錫在焊料中的比例為88.3％；鉍在焊料中的比例為4.5％；銦在焊料中的比例為4.0％；銀在焊料中的比例為3.2。
9.一種焊接方法，它包括使用一種含有下列組分的焊料87.2％～89.5％的錫；4.0％～4.8％的鉍；3.5％～4.5％的銦；3.0％～3.5％的銀。
10.權(quán)利要求9的方法，它包括使用一種含有下列組分的焊料88.3％的錫；4.5％的鉍；4.0％的銦和3.2％的銀。
11.權(quán)利要求9或10的方法，其中該方法包括波焊的步驟。
12.一種基本上如以上所描述的參照附圖的焊料。
13.一種有如以上所描述的參照附圖的方法。
14.在此所公開的任何新穎特征或特征的結(jié)合。
全文摘要
一種焊料,它含有:87.2%～89.5%的錫;4.0%～4.8%的鉍;3.5%～4.5%的銦;以及3.0%～3.5%的銀。
文檔編號C22C13/00GK1354065SQ0112203
公開日2002年6月19日 申請日期2001年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月16日
發(fā)明者K·H·楚, P·W·赤 申請人:量子化學(xué)技術(shù)(新加坡)股份有限公司