專利名稱：無鉛焊料合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明要求2004年11月15日提交的美國臨時申請?zhí)?0/628,007的優(yōu)先權(quán)，該臨時申請的內(nèi)容在此完整引入作為參考。
背景技術(shù)：
焊料化合物過去是錫-鉛合金。具體而言，錫-鉛合金提供了熔點(diǎn)、強(qiáng)度特性和電特性(包括導(dǎo)電性)的合意結(jié)合，這使它們數(shù)十年來是電子工業(yè)中主要使用的產(chǎn)品。
然而，近來開始關(guān)注環(huán)境、人類健康和工人安全性，工業(yè)上已經(jīng)開始尋找傳統(tǒng)含鉛焊料合金的替代品—其進(jìn)行相同作業(yè)以獲得相當(dāng)?shù)男Ч?。一種這樣的替代合金是錫-銅合金，其是通常含有大約或少于1wt％銅的錫基合金。錫-銅合金通常還包括大約1至4wt％的銀。
盡管這些合金已經(jīng)表現(xiàn)出與傳統(tǒng)錫-鉛合金的強(qiáng)度和電性能同樣好或同樣合適的性能(取決于特定組成)，但錫-銅合金通常具有其它明顯的缺點(diǎn)。它們往往外觀暗沉且沒有光澤，含銀的錫-銅焊料合金的成本相當(dāng)大。
純錫-鉛焊料合金通常外觀上高度反射性和有光澤，并與焊料合金中雜質(zhì)的濃度成比例地趨于暗沉、非反射性或模糊。因此，過去對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，暗沉的焊料合金外觀意味著該合金被不合意的雜質(zhì)摻雜，這些雜質(zhì)容易損害傳統(tǒng)錫-鉛合金的合意性能。盡管較近期的如上所述的無鉛錫-銅焊料合金的暗沉外觀不再必然意味著差質(zhì)量或不合意的雜質(zhì)，但電子工業(yè)對外觀暗沉的焊料合金表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏見，并明顯偏愛有光澤的反射性焊接外觀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種無鉛焊料合金，其含有至少90wt％錫、0.005-5wt％銅和0.005-5wt％鈷。
還提供了包括下列步驟的方法熔化焊料合金以產(chǎn)生熔融合金，使熔融合金與至少一個固體金屬件接觸，并使熔融合金冷卻并硬化以提供焊接點(diǎn)。焊料合金含有至少90wt％錫、0.005-5wt％銅和0.005-1wt％鈷。
還提供了焊接點(diǎn)。該接點(diǎn)包括固化合金，該固化合金的組成包含至少90wt％錫、0.005-5wt％銅和大約0.005-5wt％鈷。
具體實(shí)施例方式
本文在使用諸如5-25(或“5至25”)這樣的范圍時，其是指至少5且單獨(dú)和獨(dú)立地，不超過25。此外，除非另外明確說明，本文中所有百分比都是重量百分比。
本文所述的無鉛焊料合金表現(xiàn)出相當(dāng)好的亮度并呈現(xiàn)有光澤的、高度反射性外觀，但是除了在下述合金組分中作為雜質(zhì)存在的來自這些組分的傳統(tǒng)商業(yè)來源的可能的痕量鉛外，其完全或基本不含鉛。無鉛焊料合金由作為基礎(chǔ)材料的錫與少量銅(典型的少于大約5wt％，更優(yōu)選少于大約2或1wt％)和更少量的鈷(其存在量典型的少于大約1wt％，更優(yōu)選少于大約0.1wt％，或標(biāo)稱大約0.06％)構(gòu)成。無鉛焊料合金可以針對波焊操作或熱風(fēng)平整(leveling)焊接操作進(jìn)行制造或最優(yōu)化，這兩種操作都是電子工業(yè)和電子焊接領(lǐng)域中傳統(tǒng)和已知的。下面描述已經(jīng)針對這些各種傳統(tǒng)焊接操作最優(yōu)化的無鉛焊料合金組合物。
表1描述了已經(jīng)針對傳統(tǒng)的波焊操作最優(yōu)化的無鉛焊接組合物。在表1中，可以將任何合金組分的任何濃度或范圍與任何其它合金組分的任何濃度或范圍結(jié)合以制造本發(fā)明的無鉛焊料合金；為制造本文所述的合金，所有合金組分的濃度或范圍不必選自同一列。
表1波焊合金組合物

或者，在表1所述的合金組合物中，鈷濃度可以為大約或小于2、3、4或5wt％。表1中的優(yōu)選組合物(波焊合金組合物)通常制成含有0.06wt％鈷的99.5wt％/0.5wt％Sn/Cu合金以提供所需焊料合金。因此，標(biāo)稱上，該合金具有99.5wt％Sn、0.5wt％Cu和0.06wt％Co的組成，允許有Sn、Cu和Co組分各自商業(yè)來源中不可避免存在的雜質(zhì)。要理解的是，表1的優(yōu)選合金的確切組成可以為99.5％Sn、0.44％Cu和0.06％Co；或者其可以是99.44％Sn、0.5％Cu和0.06％Co；或者其可以是99.47％Sn、0.47％Cu和0.06％Co；或者其可以為它們之間的任何組成，且所有這些都被認(rèn)為包含在表1所述的標(biāo)稱99.5％錫、標(biāo)稱0.5％銅和0.06％Co中。再或者，表1中的優(yōu)選合金可以總計(jì)100.06wt％，在這種情況下，表1的“優(yōu)選”列中的值可以被視為重量份數(shù)值。在這種情況下，所得合金的鈷濃度算術(shù)上為0.05996％，不計(jì)為有效數(shù)(按0.06/100.06計(jì)算)，或者標(biāo)稱為0.06％。
在表1所述的無鉛焊料合金的組成中，如果是在商業(yè)實(shí)踐中，合金需要完全或幾乎不含雜質(zhì)。然而，焊料合金不要求完全或幾乎不含雜質(zhì)。如果存在雜質(zhì)，其量限定為每種雜質(zhì)，優(yōu)選所有雜質(zhì)，占合金總量的0.1wt％。這就是上表1中的“痕量或更少”的含義。
如上所述，錫被認(rèn)為是無鉛合金的基礎(chǔ)或主要成分，因?yàn)槠湟詨旱剐缘淖畲笾亓堪俜直葷舛却嬖冢缰辽?0、92、94、95、98或99wt％。錫促進(jìn)了熔融焊料合金對焊接操作過程中要與其粘接的金屬底材的潤濕性。錫已經(jīng)表明并已知為熔融焊料提供良好的潤濕性。
添加銅以降低所得合金的熔化溫度。表1中公開的無鉛焊料合金可合意地用于將精密和熱敏性電子部件通過被稱作波焊的方法焊接到印刷電路板上。由于這些部件和印刷電路板的熱敏性，焊料合金的熔化溫度優(yōu)選盡可能低。純錫的熔點(diǎn)為大約232℃。通過在合金中添加標(biāo)稱0.5wt％的銅，所得合金的熔點(diǎn)降低數(shù)度，在227-230℃范圍內(nèi)。因此，電子部件，特別是它們貫穿印刷電路板上的穿孔的導(dǎo)線，可以從比純錫低最多大約5℃的熔融焊料浴中波焊，這有利于保護(hù)精密電子部件和印刷電路板的壽命和完整性—熱可以通過導(dǎo)線傳導(dǎo)以及通過熔融浴的輻射傳遞到電子部件和印刷電路板上。
從表1的“較不優(yōu)選濃度”列中清楚地看出，銅還可以以其它或高或低的濃度提供。較低的Cu濃度會使焊料合金具有相對較高的熔點(diǎn)，而較高的Cu濃度會在不令人滿意或不合意的程度上形成Sn/Cu中間化合物，這會損害所得合金作為良好焊料化合物的質(zhì)量。因此，表1的“優(yōu)選”列中0.05％Cu的值被認(rèn)為是無鉛合金中優(yōu)選或最佳的銅濃度。然而，根據(jù)用途特異性因素，可能不需要這種濃度并可以針對特定的波焊應(yīng)用選擇其它Cu濃度或使其最優(yōu)化。
下表2與表1類似，只是表2中的優(yōu)選合金是針對熱風(fēng)平整焊接應(yīng)用進(jìn)行最優(yōu)化，下文將更詳細(xì)地進(jìn)行解釋。與表1中相同，可以將表2中任何合金組分的任何濃度或范圍與任何其它合金組分的任何濃度或范圍結(jié)合以制造本發(fā)明的無鉛焊料合金；為制造本文所述的合金，所有合金組分的濃度或范圍不必選自表2中相同的列。
表2(熱風(fēng)平整焊料合金組合物)

表2中的優(yōu)選組合物(熱風(fēng)平整焊料合金組合物)通常制成含有0.06wt％鈷的99.7wt％-0.3wt％Sn/Cu合金以提供所需合金。因此，標(biāo)稱上，該合金具有99.7wt％Sn、0.3wt％Cu和0.06wt％Co的組成，允許有Sn、Cu和Co組分各自商業(yè)來源中不可避免存在的雜質(zhì)。此外，與表1中的優(yōu)選合金組合物類似地，要理解的是，表2的優(yōu)選合金的確切組成可以為99.7％Sn、0.24％Cu和0.06％Co；或者其可以是99.64％Sn、0.3％Cu和0.06％Co；或者其可以是99.455％Sn、0.455％Cu和0.06％Co；或者其可以為它們之間的任何組成，且所有這些都被認(rèn)為包含在表2所述的標(biāo)稱99.7％錫、標(biāo)稱0.3％銅和0.06％Co中。再如上，再或者，表2中的優(yōu)選合金可以總計(jì)100.06wt％，在這種情況下，表2的優(yōu)選列中的值可以被視為重量份數(shù)值。在這種情況下，所得合金的鈷濃度算術(shù)上為0.05996％，不計(jì)為有效數(shù)(按0.06/100.06計(jì)算)，或者標(biāo)稱為0.06％。
在表2所述的焊料合金的組成中，如果是在商業(yè)實(shí)踐中，合金需要完全或幾乎不含雜質(zhì)。然而，焊料合金不要求完全或幾乎不含雜質(zhì)。如果存在雜質(zhì)，其量限定為每種雜質(zhì)，優(yōu)選所有雜質(zhì)，占合金總量的0.1wt％。這就是上表2中的“痕量或更少”的含義。
在表2中，錫被認(rèn)為是合金的基礎(chǔ)或主要成分，因?yàn)槠湟詨旱剐缘淖畲笾亓堪俜直葷舛却嬖冢缰辽?0、92、94、95、98或99wt％。錫的存在促進(jìn)了熔融焊料合金對使用中要與其粘接的金屬底材的潤濕性。錫已經(jīng)表明并已知為熔融焊料提供良好的潤濕性。
在表2中，銅的存在降低了所得合金的熔化溫度。表2中的優(yōu)選焊料合金特別合適并被認(rèn)為經(jīng)過優(yōu)化以用于熱風(fēng)平整法以焊接涂層并保護(hù)印刷電路板上的裸銅表面。這種保護(hù)性涂層防止印刷電電路板上銅底材的氧化。由于印刷電路板的熱敏性，焊料合金的熔化溫度優(yōu)選盡可能低。純錫的熔點(diǎn)為大約232℃。通過在合金中添加標(biāo)稱0.3wt％的銅，所得合金的熔點(diǎn)降低數(shù)度，在227-230℃范圍內(nèi)，這可以部分來自在如下所述的熱風(fēng)平整過程中從印刷電路板浸出到熔融焊料浴中的附加銅。因此，印刷電路板可以從比純錫低最多大約5℃的熔融焊料浴中熱風(fēng)平整焊接，這有利于保護(hù)印刷電路板的壽命和完整性—當(dāng)印刷電路板浸在熔融焊料浴中時，熱可以傳遞到其上。
與上述波焊法不同，熱風(fēng)平整法會在熔融焊料浴中造成銅累積。具體而言，來自印刷電路板上的裸銅表面的銅從這些表面浸出并溶入熔融焊料浴。一旦銅濃度達(dá)到或超過焊料浴的大約1-2wt％，焊料保護(hù)性涂層就會暗沉并呈現(xiàn)不合意的砂質(zhì)外觀。通過從低銅濃度開始，可以延長焊料浴的使用壽命。這是表2的優(yōu)選組合物中Cu濃度與表1的優(yōu)選組合物中相比降低的原因；也就是0.3wt％與0.5wt％銅相比。此外，表2中Sn/Cu焊料合金中Co的存在能夠在影響浴中焊料的性能和涂敷到印刷電路板上的保護(hù)性涂層的所得外觀之前使更多的銅溶于焊料浴。
可以使用僅由本文所述比例的錫和銅構(gòu)成的Sn/Cu合金提供適用于電子焊接應(yīng)用的無鉛焊料。然而，所得焊料合金產(chǎn)生外觀上相對暗沉、無光澤且非反射性的涂焊接點(diǎn)和涂層。
已經(jīng)令人吃驚并意外地發(fā)現(xiàn)，在上述Sn/Cu合金中加入少量鈷，例如少于大約1wt％，產(chǎn)生具有與普通Sn/Cu合金基本相同的物理、電和化學(xué)特性的焊料合金，只是由此制成的合金非常有光澤且高度反射性。實(shí)際上，在對比試驗(yàn)中，含有少于大約1wt％Co的Sn/Cu/Co三元合金據(jù)觀察表現(xiàn)出與現(xiàn)在的Sn/Cu基合金旨在替代的傳統(tǒng)鉛基Sn/Pb合金同樣好或更好的相對光澤度和反射性。由此，所公開的在Sn/Cu焊料合金中優(yōu)選包含少于大約1wt％，優(yōu)選標(biāo)稱0.06wt％的鈷的無鉛焊料合金適用于電子焊接應(yīng)用領(lǐng)域，不會造成與鉛基焊料有關(guān)的任何實(shí)質(zhì)的環(huán)境、健康或安全利害關(guān)系或問題，并重要地仍然為光學(xué)高反射性且有光澤，這對電子制造商(其是這些合金的主要消費(fèi)者)而言是合意的焊料特性。此外，當(dāng)用于熱風(fēng)平整法時，本文公開的Sn/Cu/Co合金據(jù)發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)錫/鉛合金相比，在印刷電路板上的焊點(diǎn)(pad)和線路(trace)上提供厚度更均勻以及具有較低總厚度的焊料合金，最初的調(diào)查研究表明，Sn/Cu/Co合金厚度(270.2微英寸的最大測量厚度)最多比傳統(tǒng)錫/鉛合金(486.7微英寸的最大測量厚度)低45％。此外，在整個熱風(fēng)平整表面上，Sn/Cu/Co合金的涂層均勻度比傳統(tǒng)錫/鉛合金高33％(分別為49.1微英寸標(biāo)準(zhǔn)偏差和65.6微英寸)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，當(dāng)通過熱風(fēng)平整法在印刷電路板的焊點(diǎn)和線路上涂布時，本文所述的無鉛合金會產(chǎn)生最大厚度為350，更優(yōu)選320，更優(yōu)選300，更優(yōu)選290，更優(yōu)選280，更優(yōu)選275微英寸，且標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過60，更優(yōu)選55，更優(yōu)選50微英寸的焊料涂層。
可以通過首先摻合Sn和Co的母合金來制造所公開的三元Sn/Cu/Co焊料合金。這是通過高溫熔化必要量的Co和Sn(1800-2000_)進(jìn)行的，以制造95wt％Sn和5wt％鈷的母合金。隨后將熔融母合金倒入各種尺寸和形狀的模具中以根據(jù)合金的固體密度產(chǎn)生冷卻和固化時具有不同重量的錠料和條塊。接著，在熔爐中加入一定量的純Sn并加熱至大約700_。接著在熔爐中加入足量純固體Cu(已經(jīng)通過機(jī)械方式降低其尺寸以利于溶入Sn，例如，均勻或不均勻丸片、顆?；蚍勰?并溶入熔融Sn中。將所得熔融Sn/Cu用混合器摻合以確保所有Cu溶入Sn。使充足的銅溶于熔融錫以獲得具有下述組成的Sn/Cu合金—其在以所需體積或質(zhì)量比例與如上制成的95％/5％Sn/Co母合金合并并混合時，獲得所需最終合金組成(例如Sn99.5/Cu0.5/Co0.06或Sn99.7/Cu0.3/Co0.06)。接著，在熔融Sn/Cu中加入必要量的95％/5％Sn/Co母合金以產(chǎn)生所需合金組成。在對熔融浴取樣并通過分析裝置查證組成之后，使合金冷卻至所需溫度以在各自的模具中澆鑄成各種形狀和形式。本段中提到的母合金和Sn/Co合金的確切量(質(zhì)量)和組成當(dāng)然取決于要制備的最終焊料合金的總量(質(zhì)量)和所需組成。測定這些參數(shù)的合適值的計(jì)算法以及摻合制造所需焊料組合物的模式完全在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。
顯而易見的是，可以在本無鉛合金中加入各種其它傳統(tǒng)添加劑或傳統(tǒng)合金金屬以產(chǎn)生合意的性能。例如，可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，以所列或其它合適或常規(guī)濃度添加表3中所列的下列附加元素以實(shí)現(xiàn)所列或其它已知或合意的性能。
表3(添加劑)

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以選擇并添加其它已知或傳統(tǒng)添加劑。然而，任何這樣的添加劑優(yōu)選對上述合金(其組成給在例如表1和2中)的光澤和反射性完全沒有或具有可忽略的作用。
目前公開的Sn/Cu/Co焊料合金可以以任何常規(guī)形式使用或提供以進(jìn)行常規(guī)焊接法。例如，所述Sn/Cu/Co合金可以以條塊或錠料提供，其可以熔化以產(chǎn)生可用于進(jìn)行熱風(fēng)平整和波焊技術(shù)的焊料浴。在熱風(fēng)平整中，將已經(jīng)預(yù)先沉積在電路板至少一個表面上的銅焊點(diǎn)和線路用焊料涂層覆蓋以防止銅氧化。首先，用合適的熱風(fēng)平整熔劑涂布整塊金屬板，包括焊點(diǎn)和線路的暴露銅表面以及板的剩余部分(例如對于多數(shù)電路板為玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料)。然后，將熔劑涂布板通過在焊料浴中浸漬，與熔融焊料接觸，然后取出。熔劑保護(hù)板的非金屬(玻璃纖維/環(huán)氧樹脂)表面免受熱損害；熔融焊料不會粘附到這些表面上。相反，涂布在暴露銅表面上的熔劑激活這些表面以使熔融焊料粘著在銅表面上并涂布該表面。當(dāng)板表面與熔融焊料停止接觸(例如將電路板從熔融焊料浴中取出)時，在電路板從熔融焊料中出來時在電路板的浮出表面上以高壓氣流或射流形式施加熱風(fēng)。這種氣流或射流通常被稱作氣刀，并且是本領(lǐng)域中已知的。熱風(fēng)沖擊粘附在銅表面上同時仍保持熔融態(tài)的熔融焊料，并平整熔融焊料以便在其固化時，在電路板上的銅焊點(diǎn)、通孔表面(如果存在)和線路上提供相對更均勻的保護(hù)性焊料層。所得保護(hù)性焊料層保護(hù)銅焊點(diǎn)、線路和通孔表面以防氧化。
在波焊中，首先將電路板預(yù)鉆孔成所需孔型—其與組裝到電路板上的各種電子部件的金屬電導(dǎo)線的位置相對應(yīng)，并為這些孔的內(nèi)表面提供導(dǎo)電涂層，例如銅或其它導(dǎo)電金屬。將預(yù)鉆孔成型以容納貫穿該板的電子部件的電導(dǎo)線。本文所用的“預(yù)鉆孔”是指在進(jìn)行波焊法之前在電路板上提供孔。這些孔可以通過任何傳統(tǒng)或合適的方法提供，不一定是鉆孔；例如，它們可以沖壓而成，等等。安裝電子部件以使它們的導(dǎo)線從板的第一表面穿過相關(guān)預(yù)鉆孔延伸到位于第一表面對面的第二表面。然后，對第二表面涂敷焊料熔劑，第二表面上具有通過預(yù)鉆孔暴露出的相反位置的電子部件的金屬電導(dǎo)線?？梢酝ㄟ^例如傳統(tǒng)的熔劑涂敷器(其可以是用熔劑涂敷第二表面的泡沫或噴射裝置)涂敷熔劑。在用熔劑涂布之后，將電路板的第二表面轉(zhuǎn)移到熔融焊料浴上方，在此其與來自該浴的熔融焊料波峰接觸。與電路板的第二表面接觸的熔融焊料沿暴露的電線(其頂端通常略微超出第二表面)通過毛細(xì)作用向上傳送到這些電線周圍的預(yù)鉆孔中。冷卻時，該空間中的熔融焊料固化，從而在電子部件的導(dǎo)線和預(yù)鉆孔的用銅或其它導(dǎo)電金屬涂布的內(nèi)部表面之間提供導(dǎo)電焊接點(diǎn)。(可以通過任何傳統(tǒng)方法提供這些孔中的銅或其它金屬涂層，并通常按照與對電路板的至少一個表面提供導(dǎo)電焊點(diǎn)和線路的方法相同的方法提供)。
暴露于熔融焊料波的第二表面上通常沉積了銅或其它金屬焊點(diǎn)和線路，并通常經(jīng)過熱風(fēng)平整法以對這些焊點(diǎn)和線路提供保護(hù)性焊料涂層。在這種情況下，來自熔融焊料波的熔融焊料與這些保護(hù)性焊料涂層接觸并使它們?nèi)刍Ｈ欢?，熔融焊料仍然粘著在下方的銅或其它金屬表面上。在重新固化之后，焊點(diǎn)和線路上的所得保護(hù)性涂層是原始熱風(fēng)平整焊料和由波焊法涂敷的波焊料的某種結(jié)合。如上所述，熔劑涂層保護(hù)非金屬表面免受熔融焊料波的損壞。焊劑還激活電路板上的暴露金屬表面以使熔融焊料粘著在其上并在硬化時在貫穿電路板的電子部件金屬導(dǎo)線和電路板上的相關(guān)銅或其它金屬表面之間形成導(dǎo)電焊接點(diǎn)。
過去已經(jīng)將錫/鉛焊料用于熱風(fēng)平整和波焊用途。如上所述，本文所公開的無鉛焊料合金也可用于這些焊接技術(shù)。
焊料合金還可以以導(dǎo)線形式提供，例如用于傳統(tǒng)的手工焊接用途。此外，焊料合金可以以焊料糊形式提供。
在某些應(yīng)用中，焊料糊是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兛捎糜趯㈦娮硬考砻姘惭b在印刷電路板上，這與波焊技術(shù)相反，后者要求部件具有貫穿電路板中的預(yù)鉆孔的導(dǎo)線。通孔技術(shù)的使用導(dǎo)致在印刷電路板中鉆孔，且該板經(jīng)過額外處理從而在通孔內(nèi)部沉積銅以提供可焊接底材。這些額外處理產(chǎn)生要求進(jìn)行昂貴的廢物處理的廢產(chǎn)物。因此，對于將某些類型的電子部件連接到印刷電路板上，通過焊料糊技術(shù)安裝的表面安裝部件優(yōu)選得多，因?yàn)椴恍枰魏慰?。本合金的焊料糊可以通過首先制造如上所述的合金來制備。然后，將這些合金的錠料或條塊(或其它固體形式)轉(zhuǎn)化成粉末，例如通過研磨或其它合適或傳統(tǒng)的方法。然后可以使合金粉末懸浮到合適的熔劑中以制造焊料糊。典型的焊料糊具有85至95wt％的金屬載量，且粉末通常由標(biāo)稱45微米直徑的粒子構(gòu)成。在優(yōu)選實(shí)施方式中，包含本文所述的無鉛合金的焊料糊具有50-99，更優(yōu)選60-98，更優(yōu)選70-97，更優(yōu)選80-96，更優(yōu)選85-95wt％的金屬載量。同樣優(yōu)選地，將無鉛焊料合金研磨成平均粒度為15-75，更優(yōu)選25-65，更優(yōu)選35-55，更優(yōu)選40-50微米的懸浮粒子或作為這種粒子提供。為了進(jìn)行表面安裝技術(shù)，使用合適型式的模板對印刷板施加焊料糊，然后安裝電子部件，并將整個組裝件傳送通過爐子以激活熔劑并熔化懸浮焊料粉末。在冷卻時，熔融焊料以適當(dāng)型式固化以產(chǎn)生焊接點(diǎn)。
無鉛焊料合金的特性已經(jīng)對如本文所公開的含有標(biāo)稱0.06wt％鈷的特有錫-銅焊料合金測量各種物理和電化學(xué)性能。為了進(jìn)行測量，將由標(biāo)稱99.7wt％Sn、0.3wt％Cu和0.06wt％Co構(gòu)成的合金錠塊送入進(jìn)行測試的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室。除了227℃的熔點(diǎn)和7.4克/立方厘米的密度，按照下列方法對Sn99.7/Cu0.3/Co0.06焊料合金測量下列性能。
拉力試驗(yàn)作為連續(xù)試驗(yàn)的一部分測量拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長。在SatecHVL 60拉力試驗(yàn)裝置上按照ASTM E8進(jìn)行試驗(yàn)。受試的無鉛焊料樣品是3英寸長0.250英寸直徑的桿。為了在試驗(yàn)完成進(jìn)行伸長計(jì)算，用油墨在標(biāo)距上標(biāo)記樣品并用兩腳規(guī)(dividers)劃線。伸長標(biāo)距為直徑的4倍。用于測量伸長的標(biāo)記與縮頸(reduced section)長度的中心幾乎等距。
將試樣固定在測試裝置上，并通過以10毫米/分鐘的應(yīng)變率逐漸提高力量來進(jìn)行拉伸。當(dāng)樣品開始損失其彈性時，記錄施加的載荷并測定屈服強(qiáng)度，其單位是磅/橫截面積。用漸變力進(jìn)一步拉伸樣品直至斷裂。也記錄斷裂時的載荷并計(jì)算拉伸強(qiáng)度(單位是磅/橫截面積)，以及根據(jù)下式計(jì)算致斷伸長％％伸長＝(最終標(biāo)距-初始標(biāo)距)/初始標(biāo)距×100％對Sn99.7/Cu0.3/Co0.06合金測得下列性質(zhì)拉伸強(qiáng)度＝28MPa屈服強(qiáng)度＝21MPa致斷伸長＝27％潤濕平衡試驗(yàn)使用Metronelec ST潤濕天平測量Sn99.7/Cu0.3/Co0.06的潤濕平衡。在該試驗(yàn)中使用一系列銅試塊。每一銅試塊由沖切的10毫米正方塊構(gòu)成，表面上有35微米鍍銅，其不含任何轉(zhuǎn)化涂層。將試塊的銅表面在20％硝酸溶液中微蝕，然后漂洗并干燥。使用標(biāo)準(zhǔn)活化熔劑(per ANSI J-STD 003)評測潤濕特性。在265℃的推薦操作溫度下進(jìn)行潤濕平衡試驗(yàn)。該合金的結(jié)果如下潤濕平衡最大潤濕力＝0.31mN/mm，在265℃時達(dá)到最大潤濕力的時間＝0.25秒比熱容通過差示掃描量熱法(DSC)測量合金的比熱。從初始錠料樣品上取下試樣。然后將試樣安裝在帶蓋的標(biāo)準(zhǔn)鋁試樣支架上。將支架和蓋子壓在試樣周圍。使試樣經(jīng)過精確控制的溫度斜面上升分布，同時連續(xù)監(jiān)測熱輸入和輸出。試樣內(nèi)的反應(yīng)造成熱輸入和輸出的變化。將試樣置于差示掃描量熱計(jì)中并產(chǎn)生溫度與熱流關(guān)系曲線。使用具有已知比熱性能的合成藍(lán)寶石樣品作為參考標(biāo)準(zhǔn)。然后在25℃根據(jù)下列試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算比熱值試驗(yàn)參數(shù)起始溫度＝0℃最終溫度＝50℃吹掃氣＝氮?dú)饧訜崴俾剩?0℃/分鐘比熱容＝295J/kg·K導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)按照ASTM E1461-01使用激光閃光法進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)。將小薄盤試樣水平安裝在試驗(yàn)室中，然后進(jìn)行高強(qiáng)度短持續(xù)時間熱脈沖。脈沖能量吸收在試樣前表面上，并測量所得背面溫升。用爐子或低溫恒溫器控制試樣溫度。由試樣厚度和背面溫度升高并達(dá)到其最大值的一定比例所需的時間計(jì)算熱擴(kuò)散系數(shù)值。由熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱和試樣密度的乘積計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。對Sn99.7/Cu0.3/Co0.06測量下列性能導(dǎo)熱系數(shù)＝81.75W/m·K，在25℃時熱擴(kuò)散系數(shù)＝3.817×10-5平方米/秒，在25℃時熱膨脹系數(shù)按照ASTM E831測量合金的熱膨脹系數(shù)。從材料的原始錠料上切下試樣并檢查其邊緣以確保它們光滑無毛刺。還檢查頂面和底面以確保它們互相平行。使用熱機(jī)械分析儀(TMA)分析試樣。該方法使試樣處于精確控制溫度環(huán)境，同時連續(xù)監(jiān)測其膨脹/收縮性能。TMA固定裝置包括石英試樣臺、石英膨脹探針和可移動爐。使膨脹探針下降到試樣臺上并將該裝置調(diào)整歸零。升高探針，并使試樣位于試樣臺的正中。然后使探針下降到試樣頂面上。使TMA爐升高至試樣周圍，并將溫度設(shè)定至起點(diǎn)溫度。在該溫度記錄試樣高度。在試樣升溫通過下列溫度分布型時測量膨脹。使用下式計(jì)算熱膨脹系數(shù)α=t2-t1t1(T2-T1)]]>其中α＝熱膨脹系數(shù)，mm/mm℃t1＝溫度1處的試樣厚度，毫米t2＝溫度2處的試樣厚度，毫米T1＝溫度1，℃T2＝溫度2，℃根據(jù)下列溫度分布型，對本文所述的Sn99.7/Cu0.3/Co0.06合金測量下列熱膨脹系數(shù)α試驗(yàn)參數(shù)起始溫度(溫度1)＝15℃最終溫度(溫度2)＝205℃吹掃氣＝氦氣探針力＝10mN掃描速率＝10℃/分鐘軸＝Z
在25-200℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)α＝3.47×10-3mm/mm℃電阻率按照ASTM B193測量合金的電阻率。從原始樣品錠料上切下試樣并重鑄。然后在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室條件下對重鑄樣品進(jìn)行尺寸測量以測定橫截面積。試驗(yàn)條件為24℃和大約50℃相對濕度。以Kelvin 4-pt測量方式在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下使用毫歐計(jì)測量電阻值。測量位置為間隔大于樣品橫截面積的1.5倍的點(diǎn)。測量之后，使用Opti-scale測量試樣的標(biāo)距(試驗(yàn)探針之間的距離)。然后使用下式計(jì)算電阻率ρv=A×BL]]>其中ρv＝體積電阻率，μΩ-mA＝橫截面積，平方厘米L＝標(biāo)距，厘米R＝測得電阻，μΩ電阻率＝0.123μΩ-m，在25℃時對比分布(spreading)試驗(yàn)與IPC-TM-650中所述的用于測試熔劑活性的方法類似地，進(jìn)行Sn99.7/Cu0.3/Co0.06合金和傳統(tǒng)Sn63/Pb37合金之間的對比試驗(yàn)。(在該方法中，將已知量的熔劑和Sn63/Pb37合金涂敷到銅或黃銅片上，然后測量整片表面上的焊料合金分布，由此測定熔劑的活性水平)。
試驗(yàn)材料Sn63/Pb37和本發(fā)明的無鉛焊料合金的預(yù)稱重樣品，各自重量為大約0.5克。
用過硫酸鈉預(yù)洗、漂洗并干燥的銅片(30毫米)。
如下所述具有不同活性水平的熔劑。
熱板。
將兩滴熔劑和一片焊料置于銅片中心，然后將其整體放在保持預(yù)定溫度的熱板上。在達(dá)到設(shè)定溫度后，預(yù)稱重的焊料熔化并分布在銅表面上。對于兩種焊料(標(biāo)準(zhǔn)Sn63/Pb37和無鉛Sn99.7/Cu0.3/Co0.06)，用不同熔劑樣品重復(fù)試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)錫-鉛焊料的試驗(yàn)在480_進(jìn)行，無鉛焊料的試驗(yàn)在520_進(jìn)行。記錄每一試驗(yàn)中每一樣品的分布程度，并根據(jù)這些結(jié)果，Sn99.7/Cu0.3/Co0.06合金與Sn63/Pb37相比的潤濕能力據(jù)發(fā)現(xiàn)為●67％，當(dāng)使用R熔劑時● 100％，當(dāng)不使用純(clean)熔劑時● 65％，當(dāng)使用水溶性(WS)熔劑時，和● 50％，當(dāng)使用商業(yè)HAL熔劑時。
此外，銅片上的熔融Sn99.7/Cu0.3/Co0.06焊料的外觀非常有光澤且均勻。
焊料的銅載量將具有已知重量的純銅礦塊在循環(huán)熔融焊料(標(biāo)準(zhǔn)Sn63/Pb37或如本文所公開的Sn99.7/Cu0.3/Co0.06)中在已知溫度浸漬15分鐘。使用帶有循環(huán)泵的焊料鍋將熔融焊料保持熔融態(tài)。在銅礦塊浸漬之后，通過發(fā)射分光光度測量法分析熔融焊料樣品的溶解銅含量。每15分鐘重復(fù)一次該程序，每次都使用新鮮銅礦塊進(jìn)行，直至焊料中的銅濃度開始達(dá)到其飽和點(diǎn)。對標(biāo)準(zhǔn)63/37和Sn/Cu/Co合金均在不同溫度重復(fù)這些試驗(yàn)，并觀察銅溶解趨勢。
由于新鮮Sn/Cu/Co合金中的初始銅濃度為大約0.3wt％，銅礦塊在Sn/Cu/Co合金中的溶解比在標(biāo)準(zhǔn)63/37合金(其具有大約或幾乎0％的初始銅濃度)中慢。有趣地，要注意，在最初不含銅的標(biāo)準(zhǔn)63/37焊料合金中，銅濃度在0.45％變穩(wěn)定，而對于最初含有0.3％銅的Sn/Cu/Co焊料合金，銅濃度在0.8至1.2％變穩(wěn)定。將測得數(shù)據(jù)列在下表4中。兩種合金在飽和點(diǎn)附近均是粒狀且粘滯的。
表4

盡管上述實(shí)施方式構(gòu)成優(yōu)選實(shí)施方式，但要理解的是，可以在不背離所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對其進(jìn)行各種變動或修改。
權(quán)利要求
1.一種無鉛焊料合金，含有至少90wt％錫、0.005-5wt％銅和0.005-5wt％鈷。
2.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金有光澤且是反射性的。
3.按照權(quán)利要求2的無鉛焊料合金，所述合金與不含鈷的普通Sn99.5/Cu0.5和Sn99.7/Cu0.3合金相比產(chǎn)生更有光澤且更有反射性的焊接點(diǎn)和表面涂層。
4.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金包含標(biāo)稱0.6wt％的鈷。
5.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金包含標(biāo)稱99.5wt％錫、0.5wt％銅和0.06wt％鈷。
6.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金包含標(biāo)稱99.7wt％錫、0.3wt％銅和0.06wt％鈷。
7.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金當(dāng)用于熱風(fēng)平整法時，與錫/鉛合金相比，在印刷電路板上的焊點(diǎn)和線路上有效地產(chǎn)生厚度更均勻的涂層。
8.按照權(quán)利要求7的無鉛焊料合金，所述合金當(dāng)用于熱風(fēng)平整法時，與錫/鉛合金相比，在印刷電路板上的焊點(diǎn)和線路上有效地產(chǎn)生更薄的涂層。
9.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金是線狀的。
10.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金是條狀或錠狀的。
11.按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，所述合金以粉末形式提供并懸浮在焊料熔劑中以提供焊料糊。
12.一種焊接方法，包括熔化焊料合金以產(chǎn)生熔融合金，使熔融合金與至少一個固體金屬件接觸，并使熔融合金冷卻并硬化以提供焊接點(diǎn)，所述焊料合金是含有至少90wt％錫、0.005-5wt％銅和0.005-1wt％鈷的無鉛焊料合金。
13.按照權(quán)利要求12的方法，所述無鉛焊料合金包含標(biāo)稱0.6wt％的鈷。
14.按照權(quán)利要求12的方法，所述無鉛焊料合金包含標(biāo)稱99.5wt％錫、0.5wt％銅和0.06wt％鈷。
15.按照權(quán)利要求12的方法，所述無鉛焊料合金包含標(biāo)稱99.7wt％錫、0.3wt％銅和0.06wt％鈷。
16.按照權(quán)利要求12的方法，所述固體金屬件是與印刷電路板接觸的電子部件導(dǎo)線，其中在所述部件導(dǎo)線和所述印刷電路板之間提供所述焊接點(diǎn)。
17.包含固化合金的焊接點(diǎn)，所述固化合金是包含至少90wt％錫、0.005-5wt％銅和0.005-5wt％鈷的無鉛焊料合金。
18.按照權(quán)利要求17的焊接點(diǎn)，所述無鉛焊接合金包含標(biāo)稱0.6wt％的鈷。
19.按照權(quán)利要求17的焊接點(diǎn)，所述無鉛焊料合金包含標(biāo)稱99.5wt％錫、0.5wt％銅和0.06wt％鈷。
20.按照權(quán)利要求17的焊接點(diǎn)，所述無鉛焊料合金包含標(biāo)稱99.7wt％錫、0.3wt％銅和0.06wt％鈷。
21.包括下列步驟的熱風(fēng)平整法a)提供熔融態(tài)的按照權(quán)利要求1的無鉛焊料合金，b)在已經(jīng)預(yù)先沉積了導(dǎo)電金屬焊點(diǎn)和/或線路的電路板表面上涂敷熔劑，c)使所述電路板的所述表面與所述熔融無鉛焊料合金接觸，d)使所述電路板的所述表面與所述熔融焊料合金停止接觸，此后所述電路板含有粘附到所述電路板的所述表面的所述焊點(diǎn)和/或線路的所述暴露導(dǎo)電金屬表面上的熔融焊料合金，和e)使粘附到所述暴露導(dǎo)電金屬表面上的所述熔融焊料合金固化，由此在所述導(dǎo)電金屬焊點(diǎn)和/或線路上提供保護(hù)性無鉛焊料合金以保護(hù)導(dǎo)電金屬免受氧化。
22.按照權(quán)利要求21的方法，通過將所述電路板的所述表面浸在所述合金中以使所述表面與所述熔融焊料合金接觸。
23.按照權(quán)利要求22的方法，還包括，在將所述表面從所述熔融焊料合金中取出后，施加熱風(fēng)以沖擊粘附在所述導(dǎo)電金屬表面上的熔融焊料以平整熔融焊料，由此與不用熱風(fēng)沖擊步驟制成的涂層相比，在熔融焊料固化時在導(dǎo)電金屬焊點(diǎn)和線路上產(chǎn)生更均勻的保護(hù)性焊料涂層。
24.按照權(quán)利要求23的方法，所述無鉛焊料合金涂層具有350微英寸的最大厚度和不超過60微英寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
25.按照權(quán)利要求21的方法，所述導(dǎo)電金屬是銅。
26.波焊法，包括下列步驟a)提供具有一系列預(yù)鉆孔和在所述預(yù)鉆孔的內(nèi)表面上具有導(dǎo)電涂層的電路板，b)放置電子部件以使其金屬電導(dǎo)線從所述電路板的第一表面穿過所述預(yù)鉆孔向其第二表面延伸，c)在所述電路板的所述第二表面上涂敷熔劑層，和d)使所述電路板的所述第二表面與按照權(quán)利要求1的熔融無鉛焊料合金波接觸，以使來自所述波的熔融焊料合金接觸所述電路板的所述第二表面，激活預(yù)涂在其上的熔劑并使來自所述波的無鉛熔融焊料合金從所述第二表面沿暴露的電導(dǎo)線通過毛細(xì)作用向上傳送到所述預(yù)鉆孔中，從而在所述導(dǎo)線和所述預(yù)鉆孔的內(nèi)表面上的導(dǎo)電涂層之間提供焊接點(diǎn)。
27.按照權(quán)利要求26的方法，所述金屬電導(dǎo)線從所述預(yù)鉆孔中延伸出略微超出所述電路板的所述第二表面。
28.按照權(quán)利要求26的方法，所述導(dǎo)電涂層是銅。
全文摘要
無鉛焊料合金包括錫－銅合金，還包含少量鈷—其被發(fā)現(xiàn)為焊料合金提供有光澤的反射性外觀。還公開了使用這種合金焊接的方法，以及包含這種合金的焊接點(diǎn)。
文檔編號C22C13/00GK101014726SQ200580016491
公開日2007年8月8日 申請日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15日
發(fā)明者S·R·羅特希爾德 申請人:金屬資源公司