專利名稱：錫－鋅系無(wú)鉛焊錫合金、其混合物及焊錫接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各種焊錫材料中、尤其是環(huán)境友好型的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金、其混合物及焊錫接頭。
背景技術(shù)：
過(guò)去，錫-鉛系焊錫合金因?yàn)橛腥埸c(diǎn)低、在氧化性環(huán)境氣氛中潤(rùn)濕性也好等的優(yōu)點(diǎn)，故經(jīng)常用于各種設(shè)備的焊接。但是，因?yàn)殂U有毒性，故近年來(lái)著眼于防止電子設(shè)備廢棄處理等造成的環(huán)境污染，在加速進(jìn)行焊錫的無(wú)鉛化。然而，由于在潤(rùn)濕性、熔點(diǎn)、成本等方面，無(wú)鉛焊錫合金比過(guò)去的錫-鉛系焊錫合金差，因此，目前尚未開(kāi)發(fā)完全的替代品。
在這種重視環(huán)境的趨勢(shì)中，軟熔焊接作為電子電路元件組裝工序的一種，無(wú)鉛化同樣地也成為急待解決的課題。過(guò)去作為軟熔焊接使用期待實(shí)用化的無(wú)鉛焊錫材料，提出了含有鋅9重量％(共晶點(diǎn)組成)左右的錫-鋅系焊錫合金。此外，也提出了含有鋅8重量％左右、同時(shí)含有鉍1～3重量％的錫-鋅系焊錫合金的方案。這些錫-鋅系焊錫合金，具有錫-鋅合金的共晶溫度是199℃、在錫為主要成分的無(wú)鉛焊錫合金中，最接近錫-鉛合金的共晶點(diǎn)，且在原料成本方面也比其他的無(wú)鉛焊錫合金低的優(yōu)點(diǎn)。
然而，一般上述軟熔焊接使用的焊錫膏是焊錫粉末與焊劑混合的焊錫，該焊劑中添加有焊錫熔融時(shí)清洗焊接對(duì)象物的表面、使焊錫潤(rùn)濕性良好用的活化劑。因此，在潤(rùn)濕性方面比過(guò)去的錫-鉛系焊錫合金差的錫-鋅系焊錫合金，尤其是為了提高焊錫的潤(rùn)濕性不得不強(qiáng)化活化劑。而且，這種錫-鋅系的焊錫合金，在所制造的焊錫粉末的表面與內(nèi)部，存在鋅為主要成分的相。
因此，過(guò)去的錫-鋅系的無(wú)鉛焊錫合金，在將焊錫粉末與焊劑混合加工成膏狀焊錫時(shí)，因?yàn)殇\是活性的金屬元素，故在保存膏狀焊錫的期間，焊錫粉末表面的鋅容易與焊劑中的上述活化劑反應(yīng)，膏狀焊錫的粘度因該反應(yīng)生成物而比過(guò)去的錫-鉛焊錫合金急速且大幅度地上升，使用時(shí)，例如存在不能對(duì)印刷基板印刷的問(wèn)題。
一方面，為了防止這種粘度上升若抑制活化劑的強(qiáng)度或添加量，另一方面又不能將焊錫加熱熔融時(shí)產(chǎn)生的鋅氧化物進(jìn)行還原，結(jié)果出現(xiàn)焊錫的潤(rùn)濕鋪展性降低的問(wèn)題。這樣過(guò)去極難兼顧焊錫的潤(rùn)濕性和長(zhǎng)期保存性，該并存問(wèn)題成為沒(méi)有普及有意于環(huán)境保護(hù)的無(wú)鉛膏狀焊錫的原因。
此外，過(guò)去作為解決該問(wèn)題用的手段，公開(kāi)了第三成分的添加，例如添加鋁的方法(國(guó)際公開(kāi)專利號(hào)WO 02/34969 A1)。然而，添加鋁的方法如后述有產(chǎn)生未熔解焊錫的問(wèn)題，目前不得不把添加量限定在窄的范圍。
另外，過(guò)去的無(wú)鉛焊錫合金中，雖然有含如上述鉍的錫-鋅系焊錫合金，但這種錫-鋅系焊錫合金，在凝固后的焊錫表面存在金屬光澤變暗的傾向，因此，除了兼顧潤(rùn)濕性與保存性以外，還期望改善這種外觀上的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供使焊錫的潤(rùn)濕性良好，并且膏狀焊錫的長(zhǎng)期保存性也好的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，其混合物及焊錫接頭，除此之外，含鉍的錫-鋅系焊錫的場(chǎng)合，也提高凝固后的表面光澤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人為了解決上述以往的課題，潛心反復(fù)研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如果在錫-鋅系焊錫中只設(shè)定組成配分添加比鋅氧化傾向高的極微量的鎂，則抑制膏狀焊錫的鋅與焊劑的反應(yīng)而提高保存性，另一方面焊錫熔融時(shí)保持良好的潤(rùn)濕性，從而完成了如以下所述構(gòu)成的本發(fā)明。
即，本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，是錫為主要成分，必須至少含有6～10重量％的鋅的焊錫合金，一方面使在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面為了焊錫熔融時(shí)使該氧化保護(hù)被膜被破壞，因此按有效的比例配合0.0015～0.1重量％的鎂。所以，采用本發(fā)明一方面在保存膏狀焊錫時(shí)，利用焊錫粉末表面生成的鎂的氧化保護(hù)被膜保護(hù)內(nèi)部，抑制鋅與活化劑的反應(yīng)而提高保存性，另一方面，在使焊錫熔融升溫時(shí)，因?yàn)樵撗趸Ｗo(hù)被膜形成容易被破壞的狀態(tài)，可以保持良好的潤(rùn)濕性。
另外，本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，以錫為主要成分必須至少含有6～10重量％的鋅和0.5～6重量％的鉍的焊錫合金，由于一方面在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面焊錫熔融時(shí)為了使該氧化保護(hù)被膜被破壞，故按有效比例含有0.0015～0.1重量％的鎂。因此，本發(fā)明，即使是合鉍的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫的場(chǎng)合，同樣地可同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述焊錫的良好潤(rùn)濕性和保存性，與此同時(shí)在凝固時(shí)還減少焊錫表面的凹凸，可進(jìn)一步地使表面光澤良好。
此外，本發(fā)明提供以錫為主要成分，至少含有0.0015～0.1重量％的鎂、有不同成分組成的2種以上的焊錫合金的混合物，該混合物的平均組成在權(quán)利要求2所述范圍的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金混合物。
另外，本發(fā)明提供以錫為主要成分，至少含有0.0015～0.1重量％鎂的、有不同成分組成的2種以上焊錫合金的混合物，該混合物的平均組成在權(quán)利要求2所述的范圍的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金混合物。
而且，本發(fā)明提供使用如上述的權(quán)利要求1、2、3或4所述的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金或其混合物接合的焊錫接頭。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1是表示本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金實(shí)驗(yàn)中，焊錫粉末的化學(xué)組成與特性評(píng)價(jià)結(jié)果的圖表。
具體實(shí)施例方式
以下，邊參照附圖邊對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案更詳細(xì)地進(jìn)行說(shuō)明。
如眾所周知，錫-鋅系無(wú)鉛焊錫，例如同時(shí)將預(yù)先制備的焊錫粉末與焊劑攪拌混合加工成膏狀的焊錫膏。然而，這種場(chǎng)合，焊錫粉末中，與氧的親合力強(qiáng)的鋅不可避免在粉末表面形成氧化物，焊錫粉末與焊劑混合加工成膏狀焊錫時(shí)，膏狀焊錫的粘度因鋅與焊劑中的活化劑的反應(yīng)而上升，在保存性上產(chǎn)生問(wèn)題。一方面，為了防止該粘度上升，即使抑制活化劑的強(qiáng)度或添加量，另一方面卻不能把焊錫加熱熔融時(shí)產(chǎn)生的鋅氧化物進(jìn)行還原，結(jié)果產(chǎn)生焊錫的潤(rùn)濕性降低的問(wèn)題。
另外，本發(fā)明在錫-鋅系焊錫中只極微量添加氧化傾向比鋅高的元素時(shí)，由于該添加元素比鋅優(yōu)先地進(jìn)行氧化，因焊錫粉末表面生成氧化物的保護(hù)被膜故企圖利用該氧化保護(hù)被膜使鋅與焊劑的反應(yīng)降低。因此，得到焊錫的潤(rùn)濕性與保存性兩方面優(yōu)異的膏狀焊錫用的焊錫粉末。然而，由于鋁等添加元素，在表面生成的氧化保護(hù)被膜牢固，不能用焊劑還原，因此，焊錫熔融時(shí)大量產(chǎn)生未熔解焊錫。
鑒于以上情況，本發(fā)明在氧化傾向比鋅高的元素中，優(yōu)選鎂作為必須添加元素。鎂添加的效果在于可以得到上述焊錫的良好潤(rùn)濕性和保存性兩方面優(yōu)異的錫-鋅系膏狀焊錫用粉末，同時(shí)與鋁等的其他添加元素不同，其特點(diǎn)在于未熔解焊錫的產(chǎn)生少。這里，如果解釋本發(fā)明在保存膏狀焊錫時(shí)抑制降低鋅與焊劑的反應(yīng)性，且未熔解焊錫產(chǎn)生少的現(xiàn)象，其機(jī)理是一方面焊錫粉末表面所生成的鎂氧化物的保護(hù)被膜在冷藏保存膏狀焊錫時(shí)保護(hù)內(nèi)部，另一方面使焊錫熔融的升溫時(shí)，鎂的氧化保護(hù)被膜變成為了保持潤(rùn)濕性而容易被破壞狀態(tài)的緣故。
因此，本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，為了一方面在保存焊錫膏時(shí)抑制鋅與焊劑中的活化劑的反應(yīng)提高保存性，另一方面焊錫熔融時(shí)保持良好的潤(rùn)濕性，是化學(xué)組成構(gòu)成以錫為主要成分，必須至少含有6～10重量％鋅的焊錫合金，一方面使在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面焊錫熔融時(shí)為了使該氧化被膜被破壞，故按有效的比例配合0.0015～0.1重量％的鎂。
然而，鎂作為其他的效果有如以下的效果。即，在錫-鋅系焊錫合金中添加鉍后，焊錫表面的金屬光澤有變暗的傾向。而，在含有鉍的錫-鋅系焊錫合金中添加微量的鎂時(shí)，確認(rèn)表面光澤變好。這是因?yàn)樘砑鱼G的場(chǎng)合，凝固時(shí)在表面形成細(xì)的凹凸，而通過(guò)添加鎂在凝固時(shí)焊錫表面的凹凸變少的緣故。結(jié)果，可以得到接近以往錫-鉛系焊錫的良好光澤。
另外，本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，是錫為主要成分，至少必須含有6-10重量％的鋅和0.5-6重量％鉍的焊錫合金，一方面使在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面焊錫熔融時(shí)為了使該氧化保護(hù)被膜被破壞，故也可以成為按有效的比例配合0.0015-0.1重量％鎂的構(gòu)成。
以下，描述有關(guān)本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，如以上所述將鎂的添加范圍特定成設(shè)定含量的理由。首先為了呈現(xiàn)鎂的效果，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)下限作為所必須的含量為0.0015重量％。不足0.0015重量％時(shí)，因使鋅與焊劑的反應(yīng)降低，在粉末表面不形成充分的氧化被膜的緣故。
另一方面，從焊接性的劣化和焊錫粉末的制造性來(lái)看，上限為0.1重量％。超過(guò)0.1重量％時(shí)，因焊接時(shí)鎂氧化物不被破壞而發(fā)生殘留的緣故。此外，還因?yàn)橹圃旌稿a粉末時(shí)所使用的合金熔體的粘度上升的緣故。如以上所述，特定鎂含量的上限下限后，才一方面利用所生成的氧化保護(hù)被膜抑制鋅與焊劑的反應(yīng)提高保存性，另一方面焊錫熔融時(shí)氧化保護(hù)被膜被破壞而確保良好的潤(rùn)濕性。
然而，本發(fā)明中，例如，將有不同成分組成的2種以上的焊錫粉末混合制造膏狀焊錫的場(chǎng)合，其混合前的各種焊錫粉末由于至少含有0.0015-0.1重量％的鎂，因此可以獲得以上的效果。通常，其他鋅等的成分，混合前各種的焊錫粉末可以不落入權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的發(fā)明范圍，混合后的焊錫粉末全部的平均組成也可以落入該范圍。
因此，本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金混合物，是錫為主要成分，至少含有0.0015-0.1重量％的鎂，有不同成分組成的2種以上的焊錫合金的混合物，該混合物的平均組成可如權(quán)利要求1所述的范圍進(jìn)行構(gòu)成。另外，本發(fā)明的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金混合物，是錫為主要成分，至少含有0.0015-0.1重量％的鎂，有不同成分組成的2種以上的焊錫合金的混合物，該混合物的平均組成可以如權(quán)利要求2所述的范圍進(jìn)行構(gòu)成。
因此，本發(fā)明使用如上述這樣構(gòu)成的焊錫合金或其混合物進(jìn)行接合后形成錫-鋅系無(wú)鉛焊錫接頭。
再者，以上所示的實(shí)施方案中，按上述化學(xué)組成制備的焊錫合金、及焊錫合金混合物以采用加工成焊錫粉末的例子進(jìn)行了說(shuō)明，當(dāng)然，也可以根據(jù)需要加工成條狀焊錫使用。
其次，根據(jù)以下表示的實(shí)施例更具體地說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明不限定于該實(shí)施例。
本發(fā)明人進(jìn)行了為確認(rèn)本發(fā)明效果的實(shí)驗(yàn)。本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)，使用錫為主要成分，鋅的含量6-9％、鉍的含量0-3％、鎂的添加量0-0.1090％范圍的焊錫粉末。該實(shí)驗(yàn)使用的焊錫粉末是錫-鋅系粒徑32-45μm的圓球粉，這些粉末的化學(xué)組成與特性評(píng)價(jià)結(jié)果示于圖1的表。焊錫粉末與焊劑混合成膏狀供給各種評(píng)價(jià)試驗(yàn)。圖中的焊接性采用JIS-Z-3284規(guī)定的方法進(jìn)行，評(píng)價(jià)潤(rùn)濕鋪展性。為了模擬更寬范圍的條件，實(shí)驗(yàn)在大氣環(huán)境氣氛中150℃下預(yù)熱0-3.5分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，潤(rùn)濕鋪展性用×表示不好、○表示良好、◎表示非常好。有關(guān)保存性，在將焊錫粉末與焊劑混合后，在保持于約4℃的冰箱中保存一周后，由膏的粘度上升情形與印刷性進(jìn)行判斷。與潤(rùn)濕鋪展性同樣地用×表示不好、○表示良好、◎表示非常好。如圖1所示，確認(rèn)使用本發(fā)明焊錫粉末的膏在潤(rùn)濕性與保存性上均很好。
如以上所述，在各種焊錫材料中，本發(fā)明適于電子電路元件組裝工序等使用的場(chǎng)合，尤其是作為環(huán)境友好型的錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，其混合物及焊錫接頭使用。
權(quán)利要求
1.錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，其特征在于，是以錫為主要成分，至少必須含有6-10重量％鋅的焊錫合金，一方面為了在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面為了焊錫熔融時(shí)使該氧化保護(hù)被膜被破壞，而按有效的比例0.0015-0.1重量％混合鎂。
2.錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金，其特征在于，是以錫為主要成分，至少必須含有6-10重量％的鋅和0.5-6重量％的鉍的焊錫合金，一方面為了在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面為了焊錫熔融時(shí)使該氧化保護(hù)被膜被破壞，而按有效的比例0.0015-0.1重量％混合鎂。
3.錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金混合物，其特征在于，是以錫為主要成分，至少含有0.0015-0.1重量％的鎂，有不同成分組成的2種以上的焊錫合金的混合物，該混合物的平均組成在權(quán)利要求1所述的范圍。
4.錫-鋅系無(wú)鉛焊錫合金混合物，其特征在于，是以錫為主要成分，至少含有0.0015-0.1重量％的鎂，有不同成分組成的2種以上的焊錫合金的混合物，該混合物的平均組成在權(quán)利要求2所述的范圍。
5.錫-鋅系無(wú)鉛焊錫接頭，其特征在于，用權(quán)利要求1、2、3或4所述的焊錫合金或焊錫合金混合物接合而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及錫－鋅系無(wú)鉛焊錫合金，是以錫為主要成分，必須至少含有6－10重量％的鋅，此外，一方面為了在焊錫表面生成鎂氧化物的保護(hù)被膜，另一方面為了焊錫熔融時(shí)使該氧化保護(hù)被膜被破壞，而按有效的比例配合0.0015－0.1重量％的鎂而構(gòu)成。而且，一方面膏狀焊錫保存時(shí)利用焊錫粉末表面所生成的鎂氧化保護(hù)被膜保護(hù)內(nèi)部，抑制鋅與活化劑的反應(yīng)提高保存性，另一方面因使焊錫熔融升溫時(shí)，該氧化保護(hù)被膜呈易被破壞的狀態(tài)，故保護(hù)良好的潤(rùn)濕性。
文檔編號(hào)C22C13/00GK1610599SQ0282645
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2002年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月23日
發(fā)明者吉川雅明, 青山春男, 田中博孝 申請(qǐng)人:日本金屬工業(yè)株式會(huì)社