專利名稱：波峰焊用無鉛軟釬焊料合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無鉛軟釬焊料，特別是一種波峰焊用無鉛軟釬焊料。
背景技術：
目前，用于電子工業中電子封裝與組裝的典型焊料是Sn-Pb合金。雖然Sn-Pb合金具有優異的潤濕性及焊接性、導電性、力學性能、成本較低等特點，但是Pb及含Pb物為危害人類健康和污染環境的有毒有害物質。隨著環境保護法規的日趨完善和嚴格，禁止使用鉛的呼聲日趨高漲，日本、歐盟及美國都相繼制訂了自己的焊料無鉛化進程，其中日本企業在其產品中已開始使用無鉛軟釬焊料。2003年2月，歐洲議會和歐盟委員會正式批準WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)和RoHS(Restriction ofHazardous Subsfances)的官方指令生效，強制要求自2006年7月1日起，在歐洲市場上銷售的電子產品必須為無鉛的電子產品。因此，在電子工業中需要一種無鉛的焊料合金來代替傳統的Sn-Pb焊料合金。在當前的波峰焊用無鉛軟釬焊料中，Sn0.7Cu共晶合金由于價格便宜、原材料供應充足、焊料合金元素易回收、良好的機械性能及可加工性以及較傳統SnPb焊料焊點可靠性高等一系列優點而能作為主要的無鉛軟釬焊料(焊料的227℃較高熔點在波峰焊時對設備和元器件影響則相對較小)。然而，對于Sn-Cu系釬料來說，在焊料熔煉過程中易產生組織偏析現象。另外Sn0.7Cu無鉛軟釬焊料在進行波峰焊時存在比較突出的問題包括兩點，一點是焊點的橋聯，另一點是印刷電路基片中的Cu向熔融焊料內的溶解，這不僅改變了熔融焊料的成分，并且與Sn形成的Cu6Sn5金屬間化合物相由于Cu6Sn5相密度較Sn0.7Cu低，會沉淀于熔融焊料鍋底部使得去除異常困難，這就縮短了焊料的使用壽命。因此日本Nihon在美國專利6,180,055中在以SnCu共晶成分的基礎上提出由Sn-(0.3～0.7)Cu-(0.04～0.1)Ni組成的無鉛軟釬焊料合金，元素Ni可抑制Cu向熔融焊料中的溶解，降低Cu向熔融釬料中的溶解速度以及橋聯發生的可能性。另一方面，由于Sn-Cu系無鉛軟釬焊料合金中Sn的含量高達99重量％以上，在使用過程中與傳統Sn-37Pb焊料相比會大大增加金屬氧化物的產生量。
發明內容
為解決現有的Sn-Cn系無鉛釬焊料在使用時焊料鍋表面金屬氧化物產生量過高、焊點橋聯發生的可能性高的問題，本發明提供一種波峰焊用無鉛軟釬焊料合金。本發明的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金包含以下重量百分比的成份Cu0.1～2.0、P0.001～1、Sn余量。在該釬焊料合金中還有不可避免的雜質。上述無鉛軟釬焊料合金中，進一步添加重量0.001～1％的Ni。上述無鉛軟釬焊料合金中，進一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土RE。本發明所涉及的無鉛軟釬焊料合金，在作為焊料基本組合物的錫和鉛中不使用劇毒性的鉛，具有比現有的焊料更加優良的軟釬焊性。下面詳細說明本發明中各添加元素的作用及其最佳含量。添加Cu在0.7％重量、227℃時可與Sn形成二元共晶以降低焊料的熔點。如前所述，與傳統SnPb焊料相比，Sn-Cu共晶有著一系列優點，包括焊料的密度(7.4g/mm3)較SnPb(8.4g/mm3)低、高熱導率、低電阻率、機械性能及焊點可靠性等。銅含量的優選是0.5～1.0％，更優選的是0.3～0.7％。由于本發明以Cu元素代之不含鉛而含有大量的錫(達99％以上)，在實際使用時會因此增加焊料鍋熔融焊料表面金屬氧化物的產生量。因此，添加有0.001～1％的元素P可以有效地阻止焊料合金的氧化，因為元素P的集膚效應，在焊料鍋內熔融焊料合金的上表面形成一層極薄膜，通過在焊料表面發生的氧化反應；；可以阻礙焊料合金直接與周圍空氣的相互接觸。另一方面，焊料中元素Cu的存在也促進了P的集膚效應，從而防止焊料表面進一步的氧化。如果元素P的加入量少于0.001％，這種防氧化作用就不明顯，添加1％以上的元素P會劣化焊料合金的軟釬焊性。添加P時，在合金中P含量優選的是0.005～0.5％，更優選的是0.005～0.1％。本發明中在SnCu軟釬焊料添加元素P的基礎上可以進一步添加微量元素Ni，Ni主要起著兩方面的作用。一方面可以抑制印刷電路Cu基片和元器件引腳中的Cu向釬料中的溶解，減少了熔融焊料中Cu6Sn5的生成量，延長了焊料的使用壽命；另一方面由于Ni向Cu6Sn5化合物相中的溶解，可以改變金屬間化合物形態，即由針狀轉變為球狀，而球狀化合物相對熔融釬料的流動影響要小得多，從而減少橋聯的形成。如果Ni含量小于0.001％，其作用就不明顯，添加1％以上Ni會使焊料性能變差，熔點升高。添加Ni時，在合金中Ni含量的優選的是0.01～0.5％。本發明中還添加適量的稀土元素RE以改善釬料的組織，由于RE元素可以促進釬料在凝固過程中的形核，對釬料的組織起著變質均勻化的作用，從而改善釬料合金的力學性能。RE的加入還可以顯著提高釬料抗蠕變疲勞性能。如果RE含量小于0.001％，其作用就不明顯，添加1％以上RE會使釬料性能變差，熔點升高。添加RE時，在合金中RE含量的優選的是0.05～0.5％。根據以上各成分的作用，本發明的焊料不含有Pb，與現有的Sn-Cu焊料合金相比，無論在焊料的凝固組織、力學性能還是焊料的抗蠕變疲勞特性方面都顯示了優越的特性。具有上述組成的本發明的無鉛軟釬焊料可通過傳統方法冶煉，即Sn、Cu以金屬原料供應，而Ni、P和RE則要求通過以中間合金的形式加入，在坩堝中加熱并攪動，澆鑄即可得到焊料合金。本發明的焊料合金可以通過傳統工藝加工形成焊錫條、焊錫棒、焊錫絲、焊錫球及焊膏等的形式，從而能夠滿足PCB組裝、SMT微電子表面封裝及表面貼裝等所需要的焊料合金。本發明的目的在于提供一種無鉛軟釬焊料合金，在SnCu系無鉛軟釬焊料的基礎上，加入元素P，P元素在熔融的焊料鍋內所呈現的集膚效應，可以減少焊料鍋表面金屬氧化物的產生量，降低PCB電路板焊接時的不良率；在添加P的基礎上進一步添加元素Ni和La、Ce混合稀土RE，Ni可以降低焊點橋聯發生的可能性，并抑制Cu向釬料中的溶解，加入RE可以使合金凝固組織中的粗大富Sn相得到抑制，即通過對釬料凝固結晶過程的變質作用，實現凝固組織的均勻化，從而提高釬料合金的力學性能及抗蠕變疲勞特性。
具體實施例方式
一本實施方式的無鉛軟釬焊料合金由以下重量百分比的成份組成Cu0.7、P0.01～1、Sn余量。
具體實施例方式
二本實施方式的無鉛軟釬焊料合金由以下重量百分比的成份組成Cu0.7、P0.05、Sn余量。
具體實施例方式
三本實施方式的無鉛軟釬焊料合金由以下重量百分比的成份組成Cu0.7、P0.01、Ni0.05、Sn余量。
具體實施例方式
四本實施方式的無鉛軟釬焊料合金由以下重量百分比的成份組成Cu0.7、P0.01、RE0.05、Sn余量。
對上述實施方式的無鉛軟釬焊料合金與傳統的無鉛軟釬焊料合金(其成份為Cn0.7％、Sn余量)進行了抗氧化性能試驗，即將焊料在280℃溫度下保溫50小時觀察焊料的燒損率，具體的試驗結果見表1。從中可以看出在傳統SnCu(比較例)中添加元素P(實施例1和實施例2)可以明顯增強焊料的抗氧化性能，尤其是在P含量在0.01％條件下；相反當P含量較高時焊料的抗氧化能力降低，但仍要高于不添加元素P的傳統例。
表1本發明實施例與傳統SnCu無鉛軟釬焊料抗氧化性能比較
權利要求
1.波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于它包含以下重量百分比的成份Cu0.1～2.0、P0.001～1、Sn余量。
2.根據權利要求1所述的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于上述無鉛軟釬焊料合金中，進一步添加重量0.001～1％的Ni。
3.根據權利要求1或2所述的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于上述無鉛軟釬焊料合金中，進一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土RE。
4.根據權利要求1所述的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于銅含量為0.5～1.0％。
5.根據權利要求1所述的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于P含量是0.005～0.5％。
6.根據權利要求2所述的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于Ni含量是0.01～0.5％。
7.根據權利要求3所述的波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，其特征在于RE含量是0.05～0.5％。
全文摘要
波峰焊用無鉛軟釬焊料合金，它涉及一種無鉛軟釬焊料，特別是一種波峰焊用無鉛軟釬焊料。它包含以下重量百分比的成份Cu0.1～2.0、P0.001～1、Sn余量。上述無鉛軟釬焊料合金中，進一步添加重量0.001～1％的Ni。上述無鉛軟釬焊料合金中，進一步添加重量0.001～1％的La和Ce混合稀土RE。它解決了現有的Sn－Cn系無鉛釬焊料在使用時焊料鍋表面金屬氧化物產生量過高、焊點橋聯發生的可能性高的問題。本發明的焊料合金可以通過傳統工藝加工形成焊錫條、焊錫棒、焊錫絲、焊錫球及焊膏等的形式，從而能夠滿足PCB組裝、SMT微電子表面封裝及表面貼裝等所需要的焊料合金。
文檔編號B23K35/26GK1442272SQ0311144
公開日2003年9月17日 申請日期2003年4月11日 優先權日2003年4月11日
發明者吳建雄, 吳建新, 王鳳江, 劉軍, 王宏芹 申請人:深圳市億鋮達工業有限公司