CN101077552A

CN101077552A - 焊接用的无铅合金

Info

Publication number: CN101077552A
Application number: CN 200610084453
Authority: CN
Inventors: 李柱东; 南基平; 姜宗太
Original assignee: HISUNG MATERIAL CO Ltd
Current assignee: HISUNG MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-11-28

Abstract

本发明涉及用于在制备电气和电子部件时用于在印刷电路板上焊接安装部件的无铅合金。在不使用铅的情况下，获得了比常规焊料更加改善的机械特性和焊料强度，并且降低了浮渣量。此外，由于在合金中不含有Pb，可以使在焊接的情况下产生的气体对人体的影响最小化。因此，本发明涉及一种焊接用的无铅合金，其包含：0.2～2.5重量％的Ag，0.1～2.0重量％的Cu，0.001～0.5重量％的P，0.001～0.5重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn。

Description

焊接用的无铅合金

技术领域

本发明涉及一种焊接用的无铅合金，并且更具体而言，涉及一种无铅合金，其通过由使用不含有Pb的合金进行焊接而防止由于Pb中毒造成的损害。

背景技术

通常，由于金属是通过熔化焊料而结合的，使用比将要结合的金属熔低点的金属。更具体而言，将铅主要分成：在比铅的熔点(327℃)低的温度下熔化的软焊料，和熔点高于450℃的硬焊料。软焊料的主要成分是铅和锡，并且根据含量，获得了不同的拉伸强度和剪切强度。另一方面，硬焊料被形成为粉末、带和线，并且被分成：含有铜、锌和铅作为主要成分的黄铜焊料，和由于加入了银而改善了流动性的银焊料。

通常，当由于不正常工作而将电子器件报废时，将它们剪切，然后，作为工业废物掩埋在土壤中。但是，近来，掩埋的废物产生问题。即，由于使用大量的化石燃料，在空气中产生大量的硫氧化物或氮氧化物，因此，雨渗透入酸性状态的气氛，从而降下酸雨。这种酸雨渗入土壤中，并且渗入的雨使有害的金属如铅等从掩埋在土壤中的电子部件中涌出。因此，地下水受到污染，并且如果人长期饮用该污染的水，容易铅中毒。此外，在现有技术中，还存在这样的问题，即，如果工人在焊接工作的情况下暴露于由于焊料的熔化而产生的气体中，铅通过呼吸器官而积累在人体中，因此，铅中毒对人类具有大的危害。

发明内容

[技术问题]

迄今，已经开发出的无铅焊料含有作为主要成分的锡，并且包括Cu、Ag、Bi、Zn、Ni和P。无铅焊料的典型成分是：0.7重量％的Sn-Cu、3.5重量％的Sn-Ag、58重量％的Sn-Bi、3.0重量％的Sn-Ag，0.5重量％的Cu。除了这些合金以外，根据目的，可以加入其它的金属。

由上述合金形成的无铅焊料存在问题。例如，由于Zn是容易氧化的金属，Sn-Zn体系如9重量％的Sn-Zn的焊料容易形成厚的氧化层，并且当在大气中焊接时可湿性差。此外，Sn-Bi体系如58重量％的Sn-Bi的焊料显示出非常弱的机械强度，并且降低了焊接部分的可靠性。

现在，作为无铅焊料最实用的种类，可以列举Sn-Cu体系如0.7重量％的Sn-Cu，3.5重量％的Sn-Ag的Sn-Ag体系，和其中将Cu加入至Sn-Ag体系中的Sn-Ag-Cu体系。

但是，Sn-Cu体系如0.7重量％的Sn-Cu非常便宜，但可湿性在焊接的情况下不太好。另一方面，3.5重量％的Sn-Ag的Sn-Ag体系和其中将Cu加入至Sn-Ag体系中的Sn-Ag-Cu体系具有良好的可湿性，但是由于含有非常昂贵的Ag而使总成本增加。如果将银的含量减少以降低成本，则可湿性和合金硬度下降。除它们之外，由于与软焊料如37重量％的Sn-Pb的合金相比，熔点提高了50～100℃，应当改变结合设备和方法，并且在使用常规PCB时，应当再次检查耐热限制。

[有效效果]

在不使用铅的情况下，获得了比常规焊料更加改善的机械特性和焊料强度，并且降低了浮渣量。此外，由于在合金中不含有Pb，可以使在焊接的情况下产生的气体对人体的影响最小化。

[最佳方式]

公开本发明以解决上述问题，并且可以通过使用无铅焊料来进行焊接。其特征在于，防止了由于铅产生的损害。无铅合金的固有特性根据少量加入的化学元素和含量而改变。

因此，本发明含有作为主要成分的Sn，并且加入作为添加金属的Ag、Cu、P和Ga，以通过改善工作条件和硬度而提高机械特性，并且在制造无铅焊料时使浮渣量最少化。

具体实施方式

[发明方式]

本发明的焊接用的无铅合金由0.2～2.5重量％的Ag，0.1～2.0重量％的Cu，0.001～0.5重量％的P，0.001～0.5重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn组成。

锡(Sn)本身具有无毒的性质，并且是焊料材料的基本金属，其提供与结合母金属的可湿性。

银(Ag)具有改善的可湿性，改善了机械性能和抑制了变形(transformation)。但是，随着Ag含量的提高，结构体变得越来越精细，因此硬度增大。同时，产生初晶Ag₃Sn，因此存在非常高的产生缺陷的概率。作为检查银量与其对形成初晶Ag₃Sn的过程的影响之间的关系的结果，表明在高于约3.2重量％可能产生缺陷。机械硬度与加入的量成比例地提高，直到3.5重量％，并且在高于3.5重量％的情况下，Ag量在实际范围内不改变。在本发明中，含有0.2～2.5重量％的Ag。如果Ag量超过2.5重量％，对可湿性和性能有非常轻微的改善。如果Ag量低于0.2重量％，不能认为对焊料性质有改善。

铜(Cu)的特征在于，它在Sn中不呈固溶体状态，并且改变成为Cu₆Sn₅的精细分散体。因此，使合金的结构体更细，并且改善了结合强度。同时，提高了粘度，并且可以防止电子部件和印刷电路板的侵蚀。在本发明中，含有0.1～2.0重量％的Cu。如果Cu量超过2.0重量％，熔点突然提高，因此可能产生合金组成的缺陷。如果Cu量低于0.1重量％，焊料性质没有得到改善。

加入磷(P)防止焊料的氧化。在制造无铅焊料的情况下，P以熔化状态向上方浮动，并且形成在空气中与氧接触的薄膜。因此，可以使浮渣量最少化。根据本发明，含有0.001～0.5重量％的P。如果P量低于0.001重量％，得不到诸如防止氧化和可湿性改善的效果。如果P量超过0.5重量％，提高了焊料的粘度，因此在焊接的情况下可能产生诸如桥的缺陷。

如果加入镓(Ga)，存在的效果是通过降低熔点而改善了工作效率和可湿性。如果将Ga加入至熔融焊料中，Ga在熔融焊料的表面上薄薄地散布，因此薄的氧化镓覆盖熔融焊料的表面，因此阻隔了与大气的接触。防止了在高温熔化的无铅焊料的氧化。本发明中，含有0.001～0.5重量％的Ga。如果Ga量低于0.001重量％，得不到诸如熔点降低和可湿性改善的效果。如果Ga量超过0.5重量％，熔融焊料的粘度提高，因此，变得难以工作。

下面，将详细解释优选的实施方案。

制造出无铅合金，其包含：0.5重量％的Ag，0.2重量％的Cu，0.01重量％的P，0.01重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn。

制造出无铅合金，其包含：1.0重量％的Ag，0.5重量％的Cu，0.05重量％的P，0.05重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn。

制造出无铅合金，其包含：2.0重量％的Ag，0.8重量％的Cu，0.2重量％的P，0.2重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn。

制造出无铅合金，其包含：2.5重量％的Ag，1.0重量％的Cu，0.5重量％的P，0.5重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn。

制造出包含63重量％的Sn和37重量％的Pb的焊料作为比较例。

表1

项目	化学含量(重量％)					固态温度(℃)	液态温度(℃)	焊接强度(kgf)	蠕变寿命(小时)
项目	化学含量(重量％)										Sn	Ag	Cu	P	Ga
实施方案1	剩余	0.5	0.2	0.01	0.01						Sn	Ag	Cu	P	Ga	215～217	220～225	13.7	12.1
实施方案1	剩余	0.5	0.2	0.01	0.01	实施方案2	剩余	1.0	0.5	0.05	0.05	215～218	218～222	14.0	13.0	215～217	220～225	13.7	12.1
实施方案3	剩余	2.0	0.8	0.2	0.2	实施方案2	剩余	1.0	0.5	0.05	0.05	215～218	218～222	14.0	13.0	215～218	217～220	15.1	14.0
实施方案3	剩余	2.0	0.8	0.2	0.2	实施方案4	剩余	2.5	1.0	0.5	0.5	213～217	215～221	15.8	14.8	215～218	217～220	15.1	14.0
比较例1	63.0	Pb为37.0				实施方案4	剩余	2.5	1.0	0.5	0.5	213～217	215～221	15.8	14.8	183	183	8.5	1.4

如表1中所示，在本发明的无铅合金的情况下，固态温度为213-218℃，并且液态温度为215-225℃。由于加入了Ga，提高了焊料的硬度和蠕变寿命。与含有铅的常规焊料相比，应当注意的是提高了机械硬度。

根据上述方法制备的无铅合金具有能够用于电子器件配线的熔点，并且具有的优点在于，它在阶式自动焊接的情况下是非常有用的，因为凝固范围非常窄。与在先的Sn-Pb体系相比，获得了非常类似的分散特性。

由于加入了0.001～0.5重量％的P和0.001～0.5重量％的Ga，通过在熔化金属时在与氧接触的上层上形成薄膜，可以使焊接时产生的浮渣量最小化，因此抑制了加入元素的氧化。在小的焊接槽中，当搅拌10kg的焊料1小时时产生的浮渣量示于表2中。

表2

	产生的浮渣量(g)	固态线(℃)	液态线(℃)
	产生的浮渣量(g)	固态线(℃)	液态线(℃)	Sn-2.0Ag-0.8Cu	154	215	221
Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.01P-0.01Ga	116	215	222	Sn-2.0Ag-0.8Cu	154	215	221
Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.01P-0.01Ga	116	215	222	Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.02P-0.02Ga	105	215	222
Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.05P-0.05Ga	91	215	222	Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.02P-0.02Ga	105	215	222
Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.05P-0.05Ga	91	215	222	Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.1P-0.1Ga	85	215	222
Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.5P-0.5Ga	71	215	223	Sn-2.0Ag-0.8Cu-0.1P-0.1Ga	85	215	222

作为实验的结果，表明当将P和Ga加入至常规的无铅合金Sn-Ag-Cu中时，显著减少了浮渣量，而固态线和液态线没有变化。

<电实验>

作为通过使用四端子测量法测量直径为0.8mm的1m焊线的结果，得到了与Sn-Pb焊料接近的电阻值，0.16Ω。

如果电阻值低，电的传播速度提高。因此，改善了高频特性，并且改变了声学特性。另一方面，Sn-Pb焊料的电阻值为0.17Ω。

<热冲击实验>

作为在-40～80℃进行热冲击1小时的结果，证实了具有比常规Sn-Pb焊料的500～600次循环更加非常优异的高于1,200次循环的耐久性。

[工业适用性]

如上所述，根据本发明，由于与常规的Sn-Pb焊料相比，无铅合金不含有Pb，工作条件得到了改善，并且还防止了环境污染。

由于加入了Ga，有以下的效果：降低了熔点，提高了无铅合金的机械特性，并且防止了氧化。此外，当加入磷时，可以形成在熔化金属时在与氧接触的上层上的薄膜，因此，在焊接的情况下可以使浮渣量最小化。当加入Ag时，提高了无铅合金与母金属合金之间的结合强度，并且还改善了可湿性。当加入Cu时，合金的结构得到更精细地安排。因此，提高了结合强度，与此同时，抑制了电子部件或印刷电路板的侵蚀。此外，由于电阻变低并且电的传播速度提高，改善了频率特性，并且在热冲击的情况下获得了比Sn-Pb焊料更加优异的耐久性。

Claims

1.一种焊接用的无铅合金，其包含：0.2～2.5重量％的Ag，0.1～2.0重量％的Cu，0.001～0.5重量％的P，0.001～0.5重量％的Ga，以及剩余重量％的Sn。