專利名稱：無鉛焊料合金的制作方法
本申請是申請號為02142912. X的分案申請。申請號為02142912. X的專利申請的申請日為2002年6月28日，發明名稱為無鉛焊料合金。
本發明涉;SX錯焊iH^r，特別是當采用澆注4W( flow soldering)將電子元件^^到印刷m^Lh時^的具有^LftHHf汰的無鉛焊iH^ir.
背景技術：
印刷電路fel廣泛用于電氣和電子設備，包括家用電器例如電禮錄4gbfeU冰箱和空調，也包括辦公或家用電子設備例如個人計算抓打印機和復印抓典型的印刷電路板包樹多電子元fl^如^J^絲電路，絲電恭晶體管、
寄存器和iiiW^閨印刷^feLt的電容器.為ii^此目的而選用的焊料要考慮到焊料的不同性^^a.在電子元件和
印刷線路;fe^面上的焊料浸潤'^iL釬萍昧^料的重要昧^一.如果拔月浸潤性差的焊^^fm^，則^的接頭會fe^焊接缺陷例如不浸潤、橋接和孔隙.
Sn-Pb焊料由于具有#^#溫度、良^HWM^焊料浸潤，Ii^M^很長時間一直用于將電子元件iffe到印刷^feJi.特別是63% SrrPb焊料，稱作Sn-Pb共晶焊料或簡稱共晶焊料，iU:由于其^I^Wl^近Sn"Pb ^的共晶組成(61，鵬n-Pb),該焊料廣泛用于;ltf^5逸因為其具有窄的凝固溫度范閨(在^^液相線和閨相線之間的溫度差)并且能夠形成可靠的* ^#頭.(在本說明書中，除非有其它的說明，在^HaA中元素的百分^^指重量百分含
量或"wtr,)
當廢棄電的或電" S史備時，通常輛卸回收塑料零^^如外殼^^屬零#^如回收用的紐.但晃在廢棄設備中印刷電條不適合于回收，因為它們含有以復雜方式結合在"^的金屬部分和塑絲分.所以，在許多情況下，從拆
卸設備中分離出的印刷電j^bi被切碎的，并以穩定形態作為工業廢^H^AJfc下.
但晃最iiXr，中，包含有印刷電路fe的J^地下的^M&廢料已^A為了一個減問亂當^AJfc下的^l^廢料與酸雨(由于溶解了存在于空氣中的#
3氮的氧德而具有很高的酸性)接觸時，酸雨會溶解廢物中的銀絲解的鉛
會污染地下水.ii^涉Wj—些問題，如J^A類長期引用這種被污染的水 會引起鉛中毒.為消RH1種減問題，目前，在電子工業中需要無鉛焊沐
到目前為止已^UH的無鉛焊料狄于錫和含有一種或多種附加的元素例 如Cu、 Ag、 Bi和Zru典型的無鉛焊^^^a分是二元M例如SiH).7%Cu, Sn-3.5%Ag, Srr5棚i和Sri"996Zn, ^種組分與二元^^體系的共晶組介te同 幼ilt由用途來決定，可以添加附加的^^元素以得到三it^更多元的^b
上面形i的每種無鉛^MN!"在自己的問亂例如，Sn-Zn焊^^l如Srr996Zn 焊料存在的問題是Zn很容易氧仏導5t^焊料上形成厚的氧化蔽結果，如果 在空氣中進行賂，浸潤性會變得不好.除jft^卜，當在澆注辨中使用時， Sn-Zn焊壯引起大量浮渣的形成,這^^在焊料的實際應用中狄難于解決的 問^t
Sirfli焊^l如Sn-5細i焊料，在澆注4^f時浮渣的形成不是一個很大的問 題，但是由于大比例的Bi存在，使其"不好的^H^焊料脆并JU^Nl強度 差.所以，由這種焊料形成的^W接頭并不4J1夠可靠的.隨著Bi比例的增加， Sn-Bi焊^;^強度有減少的趨勢.
目前，最能實際應用的無鉛焊料是SirCu焊ifrW如SiH). 7%Cu, Sn-Ag焊jfr^J 如Sn-3,596Ag,和Sn"Ag"Cu焊料(例如Sn"3.596Sn-0.69CCu)其中，添加少量Cu 到Sn-Ag焊料中.
SrrCu焊料例如SirO. 7%Cu是便宜的，它們的攤成本可以與條的Sn-Pb 焊絲H^但晃焊絲潤性不好.
另一方面，Sn-Ag焊料例如Sn-3,漲Ag和Sn-Ag"Cu焊料例如 Sn-3.5%ArO. 6%Cu ^"相對好的焊絲潤仗它們的減強度可以與Sn-Pb焊 料的減強度相比甚J^過它.所以，這些焊樸ft為焊劑在性jlth是有優勢的， 但是由于昂貴的金屬銀的存在它們的^比^fm的Srfb焊料要高得多.如 果為減少成本而減少焊料中Ag的M，焊#^浸腫^強度都會變壞.
所以，需^"種i&it的無鉛焊料，該焊料具有與Sn~Cu焊料同樣的A^優勢， 絲有線的性氛特別是i&ii的浸潤仗
本發明者發貼Sn-Cu無鉛焊fl^中添加P (磚)可以i&i4Jtf賴浸潤'良盡管當P單tt^入時可以獲得這種作用^Jd，但4J^料的浸潤性可以進一步通
it^加結合了 Ge (鍺)的P得到i!Ut
^U&本發明的一種形式，無鉛焊#^包括0.1%-3%的01， 0，001%"0.1%的？ 和^f:的Sn. ^Uft本發明的另一種形式，無鉛焊^^包括0.1%>3%的Cu， 0.001%"0.1%的？， 0.001M. l劣的Ge和^f的Sn.
無鉛焊^^可以進一步包^-種或更多種元素，這些元素的量在/SUi^料
的M強度或制jy容點，并對焊料的其他汰能不會產生嚴重的負作用的范閨內.
發明詳述
依據本發明511基無鉛焊#^包括0.1%"3%的01, 0.0019H).W^P,和任 選的0.001%"0.1%的66.
在焊^^r中Cu的存在會增加焊料的減強;!t如果Cu的短少于0.1% ^械強度方面Cu就不具有大的作用.如果Cu的含量大于漲Cu會^^增 加焊料的溶化溫JL減少焊料的浸潤仗而且，當溶化準備用于澆注4fif的焊 辦池時，這種Cu ^S超過3%的SiHXi焊^f^r^J^大f^渣的形成，從 而使焊接操作變得繁重或困難.優選地，Cu含量是0.昏1.5%,更優選是
添加P會組Sn-Cu焊輛浸潤仗焊料的浸潤性可以進一步艦P和Ge 的結合添加進一 步得到組
盡管不希望被特^U^斤束蜂，但是可以認為，在依據本發明的焊#^^ 溶化狀態下，在焊料中存在的P或P和Ge會向溶化焊料的表面擴散，并在其表 面氧化而形成薄的氧化層，該氧化層防jh^化焊料的表面直接與空氣接觸，進 而防jbS:化焊料的氧條i!fciJt其浸潤'良在溶化焊輛溫度絲下(大約250 C), P的氧條趨于升華，而Ge的!Wfc^趨于長時間保存在溶化焊料表面上
添加到511~€11焊料中的？或06的量少于0.001%時，對焊糊浸孫14IM^沒 有作用.
如果P的添加量大于O.IA會在其表面形成具有扭汰的溶化伴料，在一定程 ;Ui這種粉汰會增加到防礙溶4fclMt的程先特別是在澆注4W中，會引一 接缺陷例如在相鄰的焊接接頭之間發生短路的橋接.優選地，P含量為 O.OOIM.O漲更M0.001M.019L
同樣來如果Ge含量大于0.1% 由于在溶化焊料的表面其輅汰的增加，會
5上述的Ge趨于在表面上保留很長時間，Ge 的加入量超過O. l免時會引起Jt^重的^f^陷例如不能潤濕.Ge的添加量優選 為0.0019H). 0漲更優選0.0029H). 03%.
^M^發明中，在無鉛SirCu焊料中加入P或P和Ge的組合，在jSUt^潤性方 面是有效的，但是并不食嗨加焊^^減強免SirCu焊^^r的減強度 通常不如Sn-Ag或Sn-Ag"Cu焊^^減強先所以，當需要同時i5fci^潤 'li^^強度時，在組Sn基焊iH^^強^面有錄的一種或更多種i^ 強度的元素可以添加到^l&本發明的Sn-Cu-P或Sn-Cu-P-Ge焊#^中.
這種i4ii強度的元素的例子是Ag、 Sb、 Ni、 Co、 Fe、 Mn、 Cr和Mo.這些元 素中的—種或者在Sn中形成固溶體或者在SrrCu基焊#^金中和Sn形成金 屬間化合物，進而改進娃的機械強充但毛如果這些元素的含量太大，它 們實質上會提高焊料的液相線溫免結果，扭定的絲溫度下，溶化焊輛 流動性會減小.因為這個原因，Ag和Sb的總襯最多4A優錄多3.漲更 優錄多3% 和Ni、 Co、 Fe、 Mn、 Cr、和Mo的總^f最多0. S96^優選最多0.1
SrrCu焊料、Sn-Ag焊^Sn-ArCu浮料，作為具有比Sn-Pb焊料高得多的 樣點的無鉛焊料，被iU有很好的應用前景.目前，大多數電子元4H更計為用 Sn"Pb焊W^.當這些電子元件mit翻Ji^較高樣點的無鉛焊料之一iW^ 裝在印刷^H上時，在絲階提電子元件有可能受到熱損壞而不JltiE常運轉.
在辨接階私為了消除或減少這種電子元件的^4S尿^U&本發明的無鉛焊 ^^可以含有一種或更多種能夠降f氐Sn基焊^^容點的元素.這種KHW^ 點的元素的例子是Bi、 In和Zn.但晃大量加入這些元素會產生問泉特別是 Bi的lill性差，會l^f餅^^減強尾如前所t銦(In)和Zn極易發 生氧4fc^用而形成fUfc^，這^防礙在溶化焊料表面附iOWm^，例如前 面討ifeit的關于P和Ge的溶波絲.所以,在依據本發明的無鉛焊iH^r中Bi、 In和Zn的添加總量最多為漲^H多3A
M本發明的無鉛焊^^r具有各種不同的夕H^和形態，包4^但不局限f 棒材、金屬線、帶狀物、棘圓盤狀、墊團、球和其它形4feA^末.粉末狀 焊^4r可以用來制備焊骨.
盡管依據本發明的無鉛焊^ir可以應用于不同的if^方法中，但是它特別 適用于包括熔波釬焊、浸沉4f^和使用焊a池的澆注4W.無鉛焊^h^更
6特別適用于在印刷^Wf接電子元件的熔波釬焊.在熔波釬焊中，通過例如 泵和-W在焊棘池中形成波，并W^的表面(例如， 有電子元件的印 刷^fe背面)與在焊幹池以上水平方向傳播的波^^觸.
當翻依據本發明的無鉛焊^h^i行澆注4f^時，特別是翻焊絲棘 連續的過程中進械波4Hf時，池中焊^^ P襯隨時間減少，如上所述 i^i由于在池表面形成的其氧化物升華的結果.如果需要，在連續的^Ht 中可以通過添加一種或更多種在池中不夠的元素來調^Ha分.添加的元素 可能以含有其它合金元素的形態存在.
實施例
采用^t的方j^4備許多無鉛Sn-Cu基焊^^r， #^# 試來#^其浸潤 *脈紗強免焊^Htl組絲測試結果示于下表，其中，實施例1到7舉 例說明了^#>^發明的^^^^:.
性能SnCuPGeAgNiBiSb鵬性整體強度 (胸)
實糊l綠0.50.005缺32
實糊20.70.01缺36
實糊30.70.0050.01妙36
實糊4絲0.50.加50.3妙37
實糊50.70.010.3好36
實糊6襯0.70.0030.010.05好33
實施例70.50.00522妙73
對照實施 例l襯0.7差31
對照實施 例20.70.3差31
種焊料合金的浸潤性.用作被熔化焊料浸濕的基底的測試片是銅板，該銅板
0.3ram厚xlOmm寬x30咖長，并已進行氧化處理.在測試中，當^^熔刑^p 在測試片表面之后,測試片向下移動iiA^M^在250"下待測試焊^^^樣池 中，然后將測試片総池中拉出來，同Bt^l量脅在測試片上的荷栽，從而獲 得隨時間函數變化的潤濕力曲線.以下面的方式，采用該曲線上的零交叉時間
7(zero crossing time)來"if^^濕'lt: *L*f:少于2秒的零U時間； 奸至少2秒和少于3秒的零U時間； 差3秒或更長的零交叉時間.
每個焊#^60整體強度使用如JIS Z2201No.4測試片^Jt形狀的浮ifr^ 測試片進行測t itit^工焊^^鑄造棒來準備測試片.佳月具有十字頭 逸t相當于測試片標準長度的大約20V分鐘的可能測^L器進行測試片的拉 伸實驗.記錄最大應力作為糾強瓦
^4格中可以看出，雖然Sn"Cu基焊^ft宜，但是依據本發明的每種焊^
絲具有好的浸潤'艮因此以穩定的方式用這種焊^Hat^iWi^是可行的.
盡管已經用優選實施例對本發明進行了說明，但L是這些實施例^JU^^0L明 并不限制本發明.對于M域的技^A員來C應當理解的晃在不背離本發 明;MO要求中所請求保護的范閨的情況下，可以對Ji^實施方Hii行^h4ilt 和變仏
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權利要求
1. 一種無鉛焊料合金，其包括0.1-1.5wt％的Cu，0.001-0.1wt％的P，大于0且至多3wt％的Ag，0-0.1wt％的Ge，總量為0-0.5wt％的選自Ni、Co、Fe、Mn、Cr和Mo中的至少一種，和余量的Sn。
2. 根據權利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括至多2wt。/。的Ag。
3. 根據權利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.3-2wt。/。的Ag。
4. 根據權利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.1-1.5wt。/o的Cu，至多2wt。/o的Ag， 0.001-0.1wt。/。的P，和大于0且至多0.5wt。/。的Ni。
5. 根據權利要求4所述的無鉛焊料合金，其包括0.001-0.01wt。/。的P。
6. 根據權利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.001-0.05wt。/o的Ge。
7. 根據權利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.1-1.5wt。/n的Cu,.001-0.1wto/o的P，大于0且至多3wtQ/o的Ag， 0-0.01wto/o的Ge，大于0且至多0.3wt。/。的Ni,和余量的Sn。
8. 根據權利要求l所述的無鉛焊料合金，其包括0.5-0.7wtQ/。的Cu,0.003-0.01wto/。的P, 0.3-2wt。/。的Ag, 0-0.01wt。/o的Ge,大于0且至多.3wt%的Ni,和余量的Sn。
全文摘要
一種適用于印刷線路板上電子元件進行澆注釬焊的無鉛焊料合金，包括0.1-3wt％的Cu，0.001-0.1wt％的P，任選的0.001-0.1wt％的Ge，和剩余的Sn。焊料合金可以進一步含有總量至多為4wt％的Ag和Sb中的至少一種元素，和/或為加強合金而含有Ni、Co、Fe、Mn、Cr、和Mo中的至少一種元素，和/或為降低合金熔點而含有總量至多為5wt％的Bi、In和Zn中的至少一種元素。
文檔編號B23K35/26GK101508062SQ200910129408
公開日2009年8月19日 申請日期2002年6月28日 優先權日2001年6月28日
發明者上島稔, 豐田良孝, 大西司, 宗形修 申請人:千住金屬工業株式會社