無鉛焊料粉末、無鉛焊料膏及其制備方法

專利名稱：無鉛焊料粉末、無鉛焊料膏及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種無鉛焊料粉末，一種無鉛焊料膏，以及一種制備它們的方法。更詳細地說，本發明涉及一種具有良好潤濕性的低熔點優質無鉛焊料粉末，一種包括這種焊料粉末的焊料膏以及一種制備所述焊料粉末和焊料膏的方法。
在通常的焊料合金中包括金屬鉛(Pb)。所以，人們關心在釬焊過程中由熔化焊料產生的有毒氣體對工人的影響。進一步，近來越來越多的微電子設備的制造過程包括釬焊。從廢棄的IC芯片或印刷線路板上沖洗下來的鉛污染地下水，而這又引起包括鉛中毒或類似的環境問題。
現在正在開發研究幾種無鉛焊料。然而，由于它們比錫-鉛焊料合金的熔點高、潤濕性低，所以實際上難以使用。
關于制備焊料粉末的方法，日本專利公開特許公報No.3-169500公開了一種不采用氣體霧化方法的焊料制備方法，在該公報中，將預定成分的材料粉末和小球放入一個器皿中，然后再充以惰性氣體，最后密封起來并搖動，由此所述材料粉末被小球機械研碎。這種方法主要用于通過將具有高熔點的金屬間化合物與Sn-Pb合金混合而使焊料粉末產生熱阻和耐熱性來制造焊料粉末。這種焊料粉末的優點在于能防止所述焊料粉末形成大顆粒，并且在制備過程中不需要熱來熔化所述材料粉末。
然而，使用高熔點和金屬間化合物需要采用包括鉛的合金。所以，不能避免前述的由鉛引起的缺點。
我們研究的結果是克服了上述的缺點，并且提供了一種無鉛焊料粉末和類似物，其熔點低、潤濕性好，我們最終完成了本發明。
本發明的一個目的是提供一種低熔點的優異的無鉛焊料粉末。這里所說的熔點也包括熔化開始點和終了點。
本發明的另一個目的是提供一種包括這種無鉛焊料粉末的無鉛焊料膏。
本發明還有一個目的是提供一種制備低熔點優質無鉛焊料粉末的方法。
本發明的無鉛焊料粉末是一種金屬粉末，這種金屬粉末包括一種能夠形成金屬間化合物的兩種或多種金屬的混合物，并且包括所述混合物的一種無定型相和一種未反應相，這是一種形成一金屬間化合物的先前狀態。
本發明的無鉛焊料膏是通過將上述無鉛焊料粉末與一種釬劑混合而制備的。
在本發明的無鉛焊料粉末的制備方法中，將兩種或多種金屬的材料粉末和小球放入一個密封的容器中，通過機械力驅使所述金屬小球運動，這種運動球將所述材料金屬粉末精細地研磨以獲得無鉛焊料粉末。
下面將詳細描述本發明的優選實施例。
本發明的無鉛焊料粉末是一種金屬粉末，這種金屬粉末包括一種能夠形成金屬間化合物的兩種或多種金屬的混合物。這種金屬粉末包括所述混合物的無定形相和未反應相，這是形成一種金屬間化合物的先前狀態。
制備這種金屬粉末的優選方法是將能夠形成一種金屬間化合物的兩種或多種金屬材料粉末和一些金屬小球放入一個充滿惰性氣體的密封容器內，給所述的密封容器施加機械力以運動所述小球，并由所述小球精細地研磨所述材料粉末。
對于材料粉末，可以選擇能夠形成一種金屬間化合物的簡單結構的兩種或多種金屬的混合物。對于本領域的技術人員來說，這種能夠形成一種金屬間化合物的金屬組合是已知的，本發明可選擇它們中的任何一種。包括在這種組合中的優選金屬可選自包括由錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組。所述組合的例子包括Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn。優選地將一種或多種金屬添加到上述實施例組合的一種中去而制成一種三元或多元組合。
可替換地，包括至少一種或多種選自由錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組中的合金粉末可被用作材料粉末。這種合金粉末可通過組合上述金屬中的至少兩種來產生，或者將至少一種上述金屬與其它金屬組合而制備。將這樣得到的合金粉末(第一種合金粉末)然后與一種簡單金屬物質或另一種合金粉末(第二種合金粉末)混合，上述的簡單金屬物質或另一種合金粉末都能夠與第一種合金粉末形成金屬間化合物以制備本發明的材料粉末。與第一合金粉末混合的簡單金屬物質最好選自由錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組。上述的第二種合金粉末也最好包括至少一種或多種選自包括錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組的金屬。
每種材料粉末的直徑雖不進行限定，但最好在100μm到200μm范圍內。
對本發明中采用的材料和金屬小球的尺寸不進行限定，但最好使用由黃銅或不銹鋼制成的直徑為5mm-20mm的小球。
制備本發明無鉛焊料粉末使用的器皿充滿了惰性氣體。這種惰性氣體非限定性地可以是氬氣、氮氣或類似氣體。
除了除了粉末、金屬球和惰性氣體外，可在所述器皿中加入液體以防止除了粉末粘接到所述器皿壁上。這種液體例如是甲醇。
將所述器皿密封、然后再搖動、攪拌或振動以使所述小球在器皿內運動，或者旋轉或振動一根攪拌棒以在所述器皿中運動所述小球來研磨所述金屬粉末一段時間。器皿或攪拌棒的轉動次數和研磨所述金屬粉末所用的時間不被限定，但可根據所用金屬的種類來適當地選擇。具體地，所述的次數和時間是以這種方式進行選擇的，即所述的研磨后的金屬粉末被精細地研磨并包括未反應相，這種未反應相是一種形成一金屬間化合物的先前狀態，并且所述的研磨后金屬粉末處于一種無定形狀態，即一種組成成分的過冷狀態。
這里所用的術語“精細地研磨的金屬粉末”意思是所獲得的直徑在10nm-100μm范圍內的金屬粉末。研磨金屬粉末很好地降低了這樣得到的焊料粉末的熔點。
如果最后得到的金屬粉末或焊料粉末包括未反應相，一種形成金屬間化合物的先前狀態，或不能由例如使用示差掃描量熱計(DSC)檢測的狀態，更具體地說，當最后得到的金屬粉末的溫度被升高或降低時用一臺DSC測量卡的變化情況，則可根據卡的變化來計算所述最后得到的金屬粉末的熔點，將所計算出的熔點與由相同種類的金屬材料產生的作為所述最后得到的金屬粉末的金屬間化合物(這對本領域技術人員來說是已知的)的熔點進行比較，來證實所述最后得到的金屬粉末是否包括未反應相。
可通過粉末X射線衍射分析法來檢測無定形狀態、或組成成分的過冷狀態。
任何包括其它的用于降低所得到的無鉛焊料粉末熔點的金屬粉末的添加劑可與所述的粉末混合。然而，本發明的這種低熔點無鉛焊料粉末作為焊料即使在沒有添加劑的情況下也具有優異的性能。
可將焊劑添加到所述的無鉛焊料粉末中，以制備本發明的無鉛焊料膏。雖然沒有限定，但可以使用一種普通的松香型焊劑。
由于本發明的無鉛焊料膏包含由所述的無鉛焊料粉末產生的未反應相，所以，其熔點低于具有由通用的熔融方法制備的相同金屬成分的焊料粉末或焊料膏的熔點。進一步，當采用本發明的無鉛焊料膏即使在低于其熔點的溫度下實際進行釬焊時，它們起反應以形成一種金屬間化合物，并產生反應熱來熔化所使用的焊料，由此可預測熔化焊料膏的實際溫度降低得甚至更多。
對這樣獲得的本發明的無鉛焊料粉末和無鉛焊料膏的使用沒有進行限定。優選地，它們可被用于釬焊各種各樣的微電子設備。
這樣已經描述了本發明的無鉛焊料粉末和焊料膏的制備情況，但是本發明沒有被限定于此。如果需要，在不超出本發明發明宗旨或范圍的前提下，可對本發明及其使用和應用情況進行變化和修改。
實施例下面將對本發明以實施例的形式進行具體詳細的描述。然而，本發明不被限定于這些實施例的內容。


圖1表示生產本發明無鉛焊料粉末的一種裝置。將預定成分的金屬球2和材料粉末4放入一個器皿10中，然后充以惰性氣體并將其密封。在器皿10的中央有一根攪拌棒6，所述器皿10由所安裝的馬達驅動。在制備本發明的無鉛焊料粉末的方法中，金屬球2按照所述攪拌棒6的轉動任意地在器皿10內運動。這些小球運動的結果是材料粉末4被精細地研磨。最后所得到的粉末的尺寸可通過改變如所述攪拌棒6的轉動速度或轉動時間、金屬球的尺寸和數量以及類似量等參數來進行調節。
圖2表示生產本發明無鉛焊料粉末的另一種裝置。將預定成分的金屬球2和材料粉末4放入一個容器12中，然后充以惰性氣體并將其密封。將所述容器放置在一塊振動板14上。在所述振動板14的中心有一根軸18。由一驅動馬達16將所述軸18向上、向下、向左和向右移動，這樣所述的容器12就以這種無止境的方式運動。金屬球2在容器12中隨意地運動。這些球運動的結果是所述材料粉末4被精細地研磨。最后所得到的粉末的尺寸可通過改變如所述軸的運動速度、金屬球的尺寸和數量以及類似量等參數來進行調節。
實施例1采用圖2所示的設備來生產本發明的無鉛焊料。將36g重、直徑為3/8英寸的不銹鋼球和平均粒徑為0.5mm的金屬粉末放入容器12中。所述金屬粉末由重量比為95.7∶3.5∶0.8的Sn，Ag和Cu組成。然后用一滴管添加幾滴甲醇以防止所述金屬粉末粘接到容器和金屬球壁上。然后，在所述容器內充氬氣以防止所述金屬粉末被氧化，然后將容器密封起來。
采用圖2所示的一臺振動球磨機設備(Super Misumi NEV-MA8，Nisshin Giken的產品)將材料粉末以13.1Hz的頻率研磨5小時。然后，在溫度從150℃到250℃以每分鐘10℃的速度增加的情況下，將所獲得的金屬粉末用一臺DSC7(Perkin Elmer)進行分析，以確定熔化的開始點。所測得的點為213℃。
比較例當實施例1得到的焊料粉末完全熔化后，將其重新凝固。然后，在溫度從150℃到250℃以每分鐘10℃的速度增加的情況下，將所獲得的金屬粉末用一臺DSC7(Perkin Elmer)進行分析，以確定熔化的開始點。所測得的點為217℃。
這樣，實施例1得到的焊料粉末的熔點比比較例1中的焊料粉末的熔點低4℃。這就意味著實施例1中所得到的焊料粉末包含一種未反應相或一種無定形相。
由于本發明的無鉛焊料粉末不包含有害的鉛，所以使用時它非常安全，即使在包括本發明的焊料的裝置被廢棄后，鉛對環境的影響也可被減小。
本發明的無鉛焊料粉末包括一種能夠形成金屬間化合物的兩種或多種金屬的未反應相和無定形相，其熔點低于相同金屬成分的金屬間化合物的熔點。低熔點導致焊料粉末的優異性能。
當使用包括本發明的無鉛焊料粉末的無鉛焊料膏時，該焊料膏發生反應而形成一種金屬間化合物，這樣，所述的焊料膏即使在熔點以下的溫度也被熔化。所以，在相對較低的溫度下可用本發明的焊料膏進行釬焊，并且可以減少由釬焊過程引起的對印刷線路板這樣的元件的損壞和影響。這就可以導致延長所生產的元件的壽命。
圖1是制備本發明無鉛焊料粉末的裝置的投影圖；圖2是制備本發明無鉛焊料粉末的另一種裝置的平面圖。
圖中標記號2表示金屬球，標記號4表示材料粉末，標記號6表示一根攪拌棒，10表示一個器皿，12表示一個容器，14表示振動板，16表示驅動馬達，18表示軸。
權利要求
1.一種金屬粉末的無鉛焊料粉末，這種金屬粉末包括一種能夠形成金屬間化合物的兩種或多種金屬的混合物，其中，所述金屬粉末包括所述混合物的一種無定形相和一種未反應相，這是形成一種金屬間化合物的先前狀態。
2.一種如權利要求1所述的無鉛焊料粉末，其中，所述能夠形成一種金屬間化合物的兩種或多種金屬的至少一種選自由錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組。
3.一種如權利要求1或2所述的無鉛焊料粉末，其中，所述能夠形成一種金屬間化合物的兩種或多種金屬的混合物是一種選自由Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn組成的組中的一種，或者通過將一種或多種金屬添加到選自由Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn組成的組中的一種中而獲得的。
4.一種按照權利要求1至3中任何一項所述的無鉛焊料粉末，其中，每一種粉末的粒徑在范圍10nm-100μm內。
5.一種無鉛焊料膏是通過將按照權利要求1到4中的任何一種無鉛焊料粉末與一種焊劑混合而制備的。
6.一種制備無鉛焊料粉末的方法，包括步驟將能夠形成一種金屬間混合物的兩種或多種金屬的材料粉末以及一些金屬小球放入一個密封的容器內；在該密封的容器內運動所述金屬球以精細地研磨兩種或多種金屬的材料粉末，由此獲得一種包括一種未反應相和一種無定形相的金屬粉末。
7.一種按照權利要求6所述的制備無鉛焊料粉末的方法，其中，所述的能夠形成一種金屬間化合物的兩種或多種金屬都是選自由錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組中的金屬的簡單物質。
8.一種按照權利要求6所述的制備無鉛焊料粉末的方法，其中，所述的能夠形成一種金屬間化合物的兩種或多種金屬是一種包括選自由由錫(Sn)，銀(Ag)，銅(Cu)，鉍(Bi)，鋅(Zn)，銦(In)，金(Au)，鎳(Ni)，銻(Sb)，鈀(Pd)，鉑(Pt)和鍺(Ge)組成的組中的至少一種金屬的合金和一種能夠與所述合金形成一種金屬間化合物的金屬的混合物。
9.一種如權利要求6到8中任一項所述的無鉛焊料粉末的制備方法，其中，所述能夠形成一種金屬間化合物的兩種或多種金屬包括一種選自由Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn組成的組的混合物。
10.一種如權利要求6到9中任一項所述的無鉛焊料粉末的制備方法，其中，所述粉末的粒徑在范圍10nm-100μm內。
全文摘要
本發明提供了一種性能優異的無鉛焊料粉末、無鉛焊料膏,以及一種制備所述粉末和膏的方法。制備了包括能夠形成一種金屬間化合物,以及一種無定形相和一種未反應相的兩種或多種金屬的無鉛焊料粉末。這種無鉛焊料粉末能夠通過機械研磨而獲得。進一步,本發明的無鉛焊料膏是通過將所述粉末與一種焊劑混合而制成的。
文檔編號B22F9/02GK1264635SQ0010165
公開日2000年8月30日 申請日期2000年1月21日 優先權日1999年2月23日
發明者莊司郁夫 申請人:國際商業機器公司