專利名稱：低溫焊接焊用無鉛合金的制作方法
低溫焊接焊用無鉛合金
發明的詳細說明
技術領域：
本發明中涉及焊接用無鉛合金，在不含鉛的合金完成焊接，從而減少 出現鉛中毒等弊端。
通常，焊接是通過熔化焊料來接合金屬，所以，要使用比被接合的金
屬熔解溫度低的金屬，大致可分為熔解溫度比錫(327°C)低的有鉛焊料 和熔解溫度大體上超過45(TC的硬釬料。有鉛焊料的成分是鉛和錫，根據 其含量，分別由不同的張力強度及剪斷強度。另一方面，硬釬料以粉末、 條狀、線材等形象構成，還有添加了主成分為銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb) 的黃銅鉛和銀(Ag)，從而改善流動性的銀焊料等。
通常，如果電子儀器類由于故障等原因廢棄，那么，不會焚毀，而做 裁斷處理后，作為穩定型的產業廢棄物，埋入地下。不過，最近，這些埋 入地下的電子儀器類出現種種問題。即，由于化石燃料的頻繁使用，大氣 中發生大量的硫磺氧化物或氮酸物，雨水經過呈酸性狀態的大氣，從而產 生酸性雨。酸性雨滲透到地下，從埋入的電子儀器類中涌出鉛等有害金屬， 從而污染地下水，長時間喝這種地下水，出現鉛中毒的可能性較高，并且， 進行焊接作業時，作業人員接觸由焊料熔解所發生的煤氣等，就會通過呼 吸器官，累積到人體內，從而導致鉛中毒，造成致命性的傷害。背景技術：
迄今為止開發的無鉛(Lead Free)焊料，是以錫(Sn)為主成分， 添加了Cu、 Ag、 Bi、 Zn、 Ni、 P等金屬。無鉛焊料代表性的組成有Sn-0. 7 重量％ Cu， Sn-3. 5重量％ Ag， Sn-58重量％ Bi， Sn-3. 0重量％ Ag-O. 5重 量％ Cu合金外，根據用途有時還加入附加金屬元素。
這種無鉛焊料，每個合金都有問題點。比如，就Sn-9重量。/。Zn等的 Sn-Zn系悍料而言，由于Zn是非常容易氧化的金屬，所以容易形成厚厚的 氧化膜，就焊接而言，其可濕性差。另外，Sn-58重量％ Bi等的Sn-Bi 系焊料，則由于Bi的特性，其機械強度弱，存在焊料接合部可信度低下 的憂慮。
目前，在無鉛焊料中，認為最實用的應該是Sn-0.7重量％ Cii等的 Sn-Cu系，Sn-3. 5重量％ Ag等的Sn-Ag系及Sn-Ag系焊料中添加了 Cu的 Sn-Ag-Cu系焊料。
但是，像Sn-0.7重量％ Cu這樣的Sn-Cu系，雖然成本低廉，但是， 焊接時的可濕性不足。另一方面，在Sn-3.5重量％ Ag這樣的Sn-Ag系及 Sn-Ag系焊料中添加了少量Cu的Sn-Ag-Cu系，雖然可濕性良好，但是由 于含有高價的Ag，所以成本會提高，如果為了降低成本，而減少Ag含量， 那么其可濕性和焊料的合金強度都相應地降低。并且，比原來的Sn-37Pb 合金的有鉛焊料，熔點提高了 50 10CTC左右，所以接合設備及工序中的 變更必不可免。并且在使用傳統PCB時需要再次核對耐熱限度。發明的內容
待解決的課題
本發明的出發點正是為了解決這種始終存在的問題，使不包含鉛的焊 料也可以成功焊接，從而預防由鉛引起的人體傷害，并且，還涉及無需額 外的設備變更，就可以像有鉛焊料一樣適用的無鉛焊料。
并且，本發明的焊料具有出色的粘性和粘著性，所以，可在EEFL電
極接合等的玻璃材料的接合中，使用特性化粘合劑。
同時，本發明是以錫(Sn)為基本物質，并添加了 Bi來降低熔點， 而且，為了提高機械特性，最大限度地減少生產時出現的浮渣量，而添加 了銦(In)、銀(Ag)、銅(Cu)、鍺(Ge)、銻(Sb)、磷(P)、鎵 (Ga)。
課題解決方法
本發明中的無鉛合金是，錫(Sn)中加入了鉍(Bi) 10~30重量％、銦 (In)0.00卜2.0重量。/"磷(P)0.001 0.5重量％，并且，添加了銻(Sb)、 銀(Ag)、銅(Cu)、鍺(Ge)、鎵(Ga)中的1種以上。
本發明中，錫(Sn)本身沒有毒性，同時也是向接合耗材提供可濕性 的焊料的必須金屬。
鉍(Bi)對降低焊料合金的熔點，具有出色的效果。并且，很早就開 始了低熔點無鉛焊料的研究。尤其是適用于EEFL時，有助于形成與玻璃材質類似的熱膨脹系數，從而可以將照明玻璃幾乎可以維持與外部電極， 焊料類似的熱膨脹系數，并且，有助于防止焊接作業時由于熱不均衡引起 的脆性破壞，并將可濕性極大化。但是，Bi本身就有脆性，所以，大量添
加時，有可能降低焊料的接合信賴性。如果大量添加Bi，那么Bi以10
，以上的粗大形象晶化，所以預計度焊料的組織性質產生惡劣影響。本發
明中含有10~30重量％，可以最大限度地獲得熔點下降的效果，并給予一 定的脆性。含30%以上時，脆性過強，從而在接合時無法順利獲得機械性 能及擴散性，如果低于10重量％，則無法有效獲得熔點強化效果。
銦(In)與Bi —起，可以有效降低焊料合金的熔點。如果大量添加 Bi，就會加深硬化，而有可能使軟性降低，但是，如果添加In，則機械性 老化不像Bi那么顯著，并且可以看到蠕變特性的改善效果。并且，In容 易在Sn中均勻熔解，并且，難以發生片石等，所以很少出現降低熱疲勞 特性等的情況。同時，添加In，不會太降低合金的金屬特性，并且可用于 設計低熔點焊料合金。但是，In分類為貴金屬，所以，大量添加會產生成 本提高的負擔。從而，本發明中含0.001 2.0重量％。如果低于0.001重 量％，則對降低熔點及提高特性沒有太大效果。
銀(Ag)具有提高可濕性的效果，并且，可提高機械性能，抑制變態。 但是，隨著銀(Ag)含量的增加，組織被細微化，從而提高強度，同時生 成粗大的共晶Ag3Sn，這成為缺陷的可能性較高。調査了銀(Ag)含量對 Ag3Sn共晶的形成產生的影響，結果表明，在大約3.2重量％以上的范圍內 發生。直到3.5重量％為止，機械強度隨添加量增加，超過其以上實用范 圍的銀(Ag)量，幾乎沒有變化。本發明中含銀(Ag) 0.01~2.0重量％。如果超過2.0重量％，那么提高可 濕性及機械性能的效果不明顯，如果低于0. 01重量％，則對提高焊料特性， 幾乎沒有效果。
銅(Cu)的特征是大部分不被Sn所容納，并且轉換為Oi6Sri5微分散。 將合金的組織細微化，從而提高接合強度的同時，可以提高粘性，并有抑 制電子零件或印刷電路基板的沖蝕的作用。Sn-Bi系焊料，界面上形成Bi 豐富的薄層，從而降低接合強度，所以為了彌補Bi的脆性，添加了可增 加強度的Cu做了實驗。本發明中含有0.01 2.0重量％。 Cu含量如果超過 2.0重量％，熔點將急劇上升，所以無法獲得低溫特性效果，如果少于0.01 重量％，則對提高焊料特性沒有多大效果。
添加鍺(Ge)，可以防止焊料的氧化。本發明中含有0.005 0.5重量 %以下的量。超過0.5重量％時，將提高原材料費用，相反，氧化防止效果 則更低，如果不到0.005重量％，則沒有防止氧化的效果。
添加銻(Sb)，可以強化焊料的機械強度。本發明中含有0.01 3.0重 量％以下的量。超過3.0重量％時，將提高脆性，從而使接合部出現裂縫。 如果低于O.Ol重量％，則無法取得強化機械強度的效果。
添加磷(P)，可以有效防止焊料的氧化。生產無鉛焊料時，在熔解 狀態下浮到磷上層，形成與空氣中的氧氣相接處的皮膜，從而最大限度地 降低浮渣量。本發明中含有0.0005~0.5重量Q/。。磷的添加量不到0. 0005重 量％時，對防止氧化及提高可濕性沒有任何效果，在0.5重量％以上，則提 高焊料的粘性，從而，焊接時出現電橋(Bridge)等缺陷。添加鎵(Ga)，可以降低熔點并改善作業性，提高可濕性。熔解焊接 中加入鎵，就可以在熔解焊料的表面薄薄地擴散，所以在焊接時，鎵的薄 氧化物蓋住熔解焊料的表面，從而切斷與大氣的接觸，并對防止高溫熔解的無鉛焊料的氧化，有一定的效果。本發明中含有0.001 0.5重量％。在 0.001重量％—下，添加量非常少，所以，對降低熔點，防止氧化及改善 可濕性，其效果很低，在0.5重量％以上，則會提高熔解焊料的粘性，所 以作業時有困難，并且生產成本會提高，從而降低經濟性。.效果如上所述，本發明中的無鉛合金與傳統的Sn-Pb系焊料相比，由于不 含鉛，可以改善作業環境并防止環境污染。如下實例，與原來的Sn-Pb工程焊料相比，具有熔點低的特性，且有 焊接強度強及延長蠕變壽命的優良效果。同時，與原來的有鉛焊料相比， 其合金組合也毫不遜色，可以減少影響作業性的浮渣發生量。同時，無需使用鉛，就可以獲得與原來的焊料幾乎相近的熔點，所以， 使用過Sn-Pb系焊料的裝備仍可以使用，不僅如此，由于提高了可濕性并 減少了浮渣發生量等，所以，可將無鉛合金的使用量最少化，非常經濟。 而且，對低溫特性及機械特性敏感的EEFL電極等玻璃材料的接合，可以 使用特性化焊料。用于實施發明的具體內容以下，說明本發明的實例。實例1生產了鉍20重量％、銦1.5重量％、磷0.01重量％，剩余為錫的無鉛合金。 實例2生產了鉍20重量％、銦1.5重量％、銻O. 5重量％、磷O. 01重量％，剩余 為錫的無鉛合金。實例3生產了鉍25重量％、銅1. 0重量％、磷0. 01重量％，剩余為錫的無鉛合金。 比較例1生產了錫63.0重量％，鉛37重量％的有鉛合金。按以上實例1， 2生產的無鉛合金和按比較例1中的焊料進行比較，將固 狀溫度、液狀溫度、焊接強度以及蠕變壽命，記錄在表1中。區分化學成分(重量％)固狀 溫度 (。c)液狀溫度 rc)焊接強 度 (kgf)蠕變壽命 (hr)錫鉍銦銅銻磷實例1剩余201.5--0.01153~159178~185108.1".9實例2剩余20--0.50.01167~175195 202■512.0實例3剩余201.5一0.50.0116卜168185~199115.312.5實例4剩余25一1.0-0.01171~17920卜20898,011.8比較例 163.0鉛37. 01831838. 51.4如上表1，本發明中的無鉛合金，固狀溫度為153~159°C，液狀溫度 為178 185'C，其凝固范圍小，熔點低，所以，可使用需要低溫特性的特 性化電子零件的配線用無鉛焊料。并且，比較實例1和實例3就可以知道， 由于本發明的添加元素(銻)，提高了焊接強度及蠕變壽命，從而增強了 機械特性。實例5生產了鉍20重量％、磷0.02重量％，剩余為錫的無鉛合金。 實例6身纏了鉍20重量％、銦1.5重量％、磷0.02重量％，剩余為錫的無鉛合金。實例7生產了鉍20重量％、銦1.5重量％、銀0.5重量％、磷O. 02重量％，剩余 為錫的無鉛合金。實例8生產了鉍20重量％、銦1. 5重量％、銀1. 0重量％、鍺0. 01重量％、磷0. 02 重量％，剩余為錫的無鉛合金。實例9生產了鉍20重量％、銦1.5重量％、銀l.O重量％、磷0.02重量％，剩余 為錫的無鉛合金。實例10生產了鉍20重量％、銦1. 5重量％、銀1. 0重量％、磷0. 02重量％、鎵0. 05 重量％，剩余為錫的無鉛合金。實例11生產了鉍25重量％、銅1.5重量％、磷0.02重量％，剩余為錫的無鉛合 金。實例12生產了鉍25重量％、銅0.5重量％、磷0.02重量％，剩余為錫的無鉛合 金。實例13生產了鉍25重量％、銦1.5重量％、銅O. 5重量％、磷O. 02重量％，剩余為錫的無鉛合金。比較例1生產了錫63重量％，鉛37重量％的有鉛合金。由以上實例5-13生產的無鉛合金和由比較例1生產的有鉛合金，放在小 型焊接分類槽中，各熔解10kg后攪拌時，l小時之間的浮渣發生量，記錄 在表2中。(表2)區分化學成分 (重量％)浮渣發生量 (g)錫鉍銦銀銅鍺磷鎵實例5剩余20-——一0. 02—142實例6剩余201. 5——一0. 02—103實例7剩余201.50. 5——0. 02—101實例8剩余201.51.0—0.010. 02—%實例9剩余201. 51.0——0. 02—98實例10剩余201.51.0——0. 020. 05%實例11剩余25-—1. 5—0. 02—160實例12剩余25一—0.5—0. 02—142實例13剩余251.5—0. 5—0. 02—138比較例1Sn-37Pb91本發明中的合金，如上表2，與之前的有鉛合金相比，浮渣發生量毫 不遜色，并且，根據鉍和其他元素的組合，可以生產急劇減少浮渣量的低 溫焊接用無鉛合金。
權利要求
1.包含鉍(Bi)10～30重量％、銦(In)0.001～2.0重量％、磷(P)0.0005～0.5重量％，剩余為錫(Sn)的焊接用無鉛合金。
2.包含鉍(Bi) 10 30重量％，磷(P) 0扁5~0.5重量％，剩余為錫(Sn) 的焊接用無鉛合金。
3.包含鉍(Bi) 10 30重量％，銻(Sb) 0.01~3.0重量％，剩余為錫(Sn) 的焊接用無鉛合金。
4.就第1項而言，包含總量之合在5.5重量％以下的銻(Sb)、銀(Ag)、銅(Cu)、 鍺(Ge)、鎵(Ga)成分為特征的焊接用無鉛合金。
5.就第2項而言，包含0.01~3.0重量％的銻(Sb)為特征的焊接用無鉛合金。
全文摘要
本發明涉及無鉛合金，該無鉛合金適用于，生產電器及電子產品時將零件固定到基板上的焊接用及EEFL用外部電極上，無需使用鉛，就可以獲得比原來的焊接更加良好的熔點及焊接強度，并且，合金中沒有鉛成分，所以，可以最大限度地降低焊接時發生的煤氣等對人體的影響程度。同時，本發明中的無鉛合金具有如下特征錫(Sn)中添加了鉍(Bi)10～30重量％、銦(In)0.001～2.0重量％、磷(P)0.001～0.5重量％，并且，作為添加劑還加了銻(Sb)、銀(Ag)、銅(Cu)、鍺(Ge)、鎵(Ga)中的至少1種以上。
文檔編號B23K35/26GK101537545SQ20081008734
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者南基平, 姜宗太 申請人:喜星素材株式會社