CN102211261B - 焊剂和焊接材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了焊剂和焊接材料及其制备方法。本发明特别地公开了一种焊接用焊剂，其包含以高于约50重量％的量存在的主要固体组分和选自溶剂、增稠剂和/或金属氧化物还原剂的一种或多种次要组分。该焊剂具有这样的温度曲线图，即其中焊剂在处于或低于最大储存温度的温度处于不可流动的无活性状态，所述最大储存温度高于约27℃，在活化温度处于液体活性状态，以及在高于最大储存温度并低于活化温度的沉积温度范围内处于可流动的无活性状态。焊接材料包含分散在焊剂中的焊料粒子。

Description

焊剂和焊接材料及其制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年2月9日提交的标题为“焊剂和焊接材料及其制备方法”(FLUX AND SOLDER MATERIAL AND METHOD OFMAKING SAME)的美国专利申请系列号No.61/302,721的提交日期的权益，所述专利申请的公开内容在此以其全文引为参考。
技术领域
本发明总的来说涉及焊剂和焊接材料，更具体来说，涉及具有预定的温度-粘度关系的焊剂和焊接材料。
背景技术
在焊接过程中，使用焊料将两个或更多个部件彼此连接。正如本技术领域所公知的，并且根据定义，焊料是液相线温度不超过450℃(840°F)的合金或填充金属。当与待连接的部件接触时，焊料熔化并通过毛细管作用流入连接部。在熔化的焊料冷却后，在部件之间形成了永久性连接部。焊料的一种常见应用是在电子工业中，其中使用焊料连接电元件。焊料可以作为沉积在至少一个待连接部件的表面上的多组分焊糊被提供。典型情况下，焊糊包含焊剂和焊料合金粒子。配有焊剂是为了改进焊接操作。例如，配有焊剂通常是为了从金属部件除去表面污染，例如表面氧化。通过这种方式，焊剂也可以改进焊料合金在金属表面上的流动和浸润。在焊接操作中，在将焊糊施加到表面上之后，将焊糊加热到焊剂准备表面的温度。在进一步加热后，焊料粒子熔化、流过准备好的表面并进入连接部，并且在冷却后，焊料形成永久性连接部。
尽管现有的焊糊便于形成一致的、高质量的焊接连接部，但由于从焊糊在焊接前暴露于室温或高于室温的温度时发生降解或劣化的意义上说，焊糊是温度敏感的，因此它们的使用还存在困难。具体来说，在温度敏感性方面，如果将焊糊在甚至与室温一样高的温度下长时间暴露，它可能逐渐失去其有益属性。此外，将焊糊暴露于更高温度下加速了它的劣化。因此，在室温和高于室温下，现有焊糊被视为具有有限的储存期限。
延长现有焊糊的储存期限的一种解决方案是将它们冷藏，直到并包括将焊料沉积在待连接部件上的时间。冷藏遏制或减少在焊糊内发生的化学反应，并防止焊料在沉积之前与焊剂分离。典型的冷藏温度包括由可商购冰箱或空调设备产生的温度，例如一般低于10℃的温度。但是，冷藏具有显著的缺点。最明显的是与使用冷藏设备相关的高的资产和运行成本。此外，通常情况下，制造环境的自然状态排除了冷藏作为阻止焊糊降解的手段，这是由于这些环境所固有的高温或由于其他因素例如制造工厂的建坪所致。因此，由于焊糊的有益属性在这些益处能够完全实现之前受到限制或破坏，并且由于缺乏对这些问题的成本有效的解决方案，焊糊不能用于这些环境。
限制现有焊糊的使用或使其使用变困难的另一个问题是焊糊在沉积后保持柔软或糊状。例如，当焊糊预先沉积在部件上但实际的焊接操作在较晚时间和/或在另一个制造设备中进行时，会出现问题。在沉积与焊接操作之间的中间时段中，如果部件被储存和/或被处理，外来物体可能接触、摩擦或粘在柔软的焊糊中。除了由于外来材料粘附于焊糊所引起的问题之外，焊糊可能粘着外来物体并附着在其表面上。这种类型的接触消耗了最初的焊糊沉积物，并且在极端情况下，最初的沉积物可能从目标表面显著消耗或甚至完全除去。因此，焊糊可能被无意转移到焊糊或焊料合金对其有害的部件的表面上。在任一情况下，焊糊在大约室温下的糊状的、可流动的性质限制了沉积后操作，并可能增加制造成本。尽管冷藏可能改善焊糊的储存期限，但冷藏不能使焊糊在这些温度下变得不粘。换句话说，冷的焊糊可能具有上面提到的所有的无意转移问题。除了上面提出的成本考虑之外，冷藏一般不是保存沉积的焊糊的解决方案。
一种部分地应对运输和处理问题的解决方案包括使用随后施加的焊剂将分配的焊糊即刻再流平，以保护再流平的焊料合金。在最初的再流平过程中，焊糊在预定的沉积位置熔化。在清理后，通过重新加热沉积的、熔化的焊料合金、然后冷却，使焊料合金变平。向变平的焊料施加外部焊剂涂层，以防止焊料氧化并促进随后的焊料再流平。然后可以将用焊剂覆盖的、再流平过的焊料合金运输或储存以备后用。但是，正如所指出的，这种工艺需要将部件加热至少一段额外的时间，这可能是适得其反的，因为在电子组件的情况下，部件本身可能是温度敏感的。额外的加热周期可能增加元件的故障数。此外，焊剂保持发粘，因此将防粘膜附着到焊剂上以防止污染。
因此，对于应付上面提到的问题的焊剂和焊接材料存在着需求。例如，所需要的是在室温下或室温附近以及在高于这些温度的温度、包括正常的制造、储存和运输温度下不发粘的焊剂和/或焊接材料。此外，所需要的是可以在沉积之前被加热、在沉积温度下不降解以及可以被冷却并重新加热而不降解的焊剂和焊接材料。
发明内容
为了达到这些目的，在本发明的一个实施方案中，焊接用焊剂包含以高于约50重量％的量存在的主要固体组分和选自溶剂、增稠剂和/或金属氧化物还原剂的一种或多种次要组分。焊剂具有这样的温度曲线图，即其中焊剂在处于或低于最大储存温度的温度处于不可流动的无活性状态，所述最大储存温度高于约27℃，在活化温度处于液体活性状态，以及在高于最大储存温度并低于活化温度的沉积温度范围内处于可流动的无活性状态。在一个实施方案中，焊接材料包含分散在焊剂中的焊料粒子。焊料粒子在活化温度或高于活化温度时处于液体状态。
在另一个实施方案中，制造焊接材料的方法包括将焊剂加热到沉积温度范围内或高于沉积温度范围并低于活化温度的温度。该方法还包括将焊料粒子分散在整个加热的焊剂中形成焊料/焊剂混合物，并将焊料/焊剂混合物冷却到处于或低于最大储存温度的温度，由此使焊料/焊剂混合物处于不可流动的无活性状态。
在本发明的另一个实施方案中，分配焊接材料的方法包括将焊接材料加热到沉积温度范围内或高于沉积温度范围并低于活化温度的温度。当焊接材料在沉积温度范围内或高于沉积温度范围并低于活化温度时，该方法还包括将加热的焊接材料分配到基材上，并将焊接材料冷却到处于或低于最大储存温度的温度，由此使焊接材料处于不可流动的无活性状态。
在另一个实施方案中，使用焊接材料进行焊接的方法包括将焊接材料加热到沉积温度范围内或高于沉积温度范围并低于活化温度的温度。当焊接材料在沉积温度范围内或高于沉积温度范围并低于活化温度时，该方法还包括将加热的焊接材料分配到工件上。该方法还包括将焊接材料加热到活化温度处于或高于活化温度，由此使焊剂从工件的表面除去氧化物；将焊接材料加热到焊料粒子的熔化温度以使焊料粒子熔化并同时与工件的表面相接触；以及将熔化的焊料冷却。
在另一个实施方案中，使用焊接材料进行焊接的方法包括将焊接材料从处于或低于最大储存温度的温度加热到焊料粒子的熔化温度以使焊料粒子熔化。焊接材料位于第一工件与第二工件之间并与每个工件相接触。该方法还包括将熔化的焊料冷却，由此在第一工件和第二工件之间形成连接部。
附图说明
包含在本说明书中并构成其一部分的随附的图，说明了本发明的实施方案，并与下面给出的详细描述一起，用于解释本发明的各种不同方面。
图1是温度-粘度/硬度图，描绘了本发明的三个示例性实施方案的三个温度曲线图。
发明的详细描述
本发明提供了用于焊接工艺的焊剂。在一个实施方案中，将焊剂与焊料合金粒子混合以形成焊接材料。正如在下面更详细描述的，焊剂包含以高于约50重量％的量存在的主要固体组分和选自溶剂、增稠剂和/或金属氧化物还原剂的一种或多种次要组分。
根据本发明的一个实施方案，对主要固体组分、次要组分和/或焊料粒子进行选择，以建立描述了在一定温度范围内焊剂的粘度的特定温度-粘度/硬度关系或曲线图。具体来说，可以选择主要组分和次要组分来建立温度曲线图，以预先确定焊剂在最大储存温度的粘度、焊剂在沉积温度范围内的温度下的粘度、和焊剂有活性的温度，其每一种都在下文更充分地描述。
具体来说，如图1中所示，在本发明的实施方案中，焊剂通过这样的温度曲线图进行表征，即该温度曲线图描述了在焊剂的温度与焊剂的粘度/硬度(即分别为x-轴和y-轴)之间的关系。应该认识到，温度-粘度/硬度关系适用于无论是单独的还是与焊料合金混合的焊剂(即焊接材料)。因此，除非在本文中特意指出，否则对焊剂性质的指称包括焊剂或焊接材料(即焊剂加焊料合金)。图1描述了三个不同的示例性温度曲线图(标为10、12和14)，其每个描述了示例性焊剂的粘度-温度关系。总的来说，并参考示例性温度曲线图10、12和14，每种焊剂的粘度/硬度随着温度升高而降低。焊剂的粘度/硬度是焊剂的可流动性的指示，焊剂的可流动性随着粘度降低而增加。因此，温度曲线图依靠粘度/硬度，提供了关于在焊剂所遇到的高达活化温度的温度时焊剂的可流动性的信息。作为示例，并且为了更充分地解释焊剂的粘度/硬度与焊剂的温度的关系，通过最大储存温度TS1、TS2和TS3，沉积温度范围ΔT1、ΔT2和ΔT3，以及活化温度TA1、TA2和TA3对每个示例性温度曲线图10、12和14分别进行了部分的描述，其中焊剂在处于或高于活化温度时有活性，在低于活化温度时无活性。
最大储存温度例如TS1、TS2和TS3表示相应的焊剂可以耐受并保持在不可流动状态下的最高温度。正如所示，每种焊剂在高达并包含相应焊剂的最大储存温度TS1、TS2和TS3时的粘度相对高。在这些粘度下，焊剂是不可流动的。也就是说，当焊剂的温度处于或低于最大储存温度的温度时，焊剂无助于向表面的分配、泵送或施加。此外，焊剂可能不是粘性或发粘的。但是，正如在下文更详细说明的，可以对焊剂的组成进行调整，使得焊剂在不可流动状态下具有预定的粘性。应该认识到，预定的粘性可以随着焊剂预计被使用的应用的不同而异。
虽然在暴露于处于或低于最大储存温度的温度时焊剂可能是不可流动的，但将焊剂加热到高于最大储存温度的温度会降低焊剂的粘度/硬度。换句话说，在高于最大储存温度的温度下，焊剂变得更软并更易流动。在进一步加热后，焊剂的温度达到沉积温度范围的下限温度。从沉积温度范围的低端值到高端值，焊剂是可流动和无活性的。换句话说，当焊剂的温度处在沉积温度范围内时，焊剂的粘度低得足以允许焊剂被分配。正如所示，沉积温度范围可以根据具体的焊剂配方而变。此外，沉积温度范围可以包括高于焊剂的最大储存温度并低于焊剂的活化温度的温度。在焊剂处于可流动状态时分配焊剂，可以包括强迫加热的焊剂通过可被加热的孔口。在一个实施方案中，焊剂可以使用可商购的分配设备进行分配，例如DEK International公司的型板喷刷设备。例如，沉积温度范围可以包括约45℃到约100℃范围内的温度。
将焊剂向沉积温度范围的更高端值进一步加热可以进一步降低焊剂的粘度。焊剂的粘度可被降低到焊剂可在重力影响下流动的点，并且在进一步加热后，粘度可以降低到焊剂处于液体状态的点。在一个实施方案中，沉积温度范围中的最高温度可以略低于焊剂的活化温度。但是，应该认识到，在最高沉积温度与活化温度之间可以存在这样一个温度范围，在该温度范围中焊剂过于液化而不能沉积并且也没有活性。例如，当焊料粒子与焊剂混合(即焊接材料)时，焊剂的粘度可以降低到粒子沉积或与焊剂分离的点。因此，尽管焊剂在这些温度下可能是可流动和无活性的，但是在焊料粒子不能保持悬浮在焊剂中时分配焊接材料可能是不切实际的。因此，沉积温度范围的实用上限可以是使焊剂的粘度降低到这样的点时的温度，即在所述点处焊料粒子与焊剂分离的速率对从中形成的焊糊沉积物的质量有负面影响。但是，普通技术人员将会观察到，焊料粒子从液体焊剂沉降的速率可能受到每个焊料粒子的个体尺寸以及焊料粒子的密度的影响。此外，正如下文显示的，可以改变焊剂的组分以促进和维持处于悬浮的焊料粒子。因此，焊接材料的沉积温度范围的实用上限温度可能受到焊料粒子的变化和焊剂组分的变化的影响。
在高于沉积温度范围的温度，焊剂的粘度可以继续降低。具体来说，随着进一步加热，焊剂的粘度可以低至足以被当作液体。正如所示，焊剂可以从具有糊状粘度向具有更加液体状粘度转变。此外，在该温度范围内，随着温度的进一步升高，粘度可能以增加的速率降低。当焊剂的温度进一步增加时，粘度可以以减少的速率降低，直到随着温度升高粘度达到接近恒定值，如图1中所示。
参考图1中的温度曲线图10、12和14，当相应焊剂的温度达到相应的活化温度TA1、TA2和TA3时，焊剂的粘度可能相对低，使得焊剂可以被当作处于液体状态。因此，在活化温度例如TA1、TA2和TA3，焊剂可能容易地流过沉积表面。此外，当焊剂达到活化温度时，焊剂变得有活性。在活性状态下，焊剂可能与它所分配在其上的表面反应，和/或焊剂的组分可能彼此反应。相比之下，低于活化温度TA1、TA2和TA3，相应的焊剂处于无活性状态。因此，焊剂不与它所驻留在其上的表面反应，焊剂组分也不彼此反应。因此，考虑到焊剂的液体活性状态，在达到活化温度后，焊剂可以流过表面，同时与任何污染物例如氧化物反应，以准备用于焊接的表面。例如，活化温度可以为至少约50℃。在一个实施方案中，活化温度高于约120℃。
在高于活化温度的温度，焊剂的粘度可以进一步降低，并且任何的焊料粒子熔化。但是，如图1中所示，在高于活化温度的温度下，焊剂的粘度可能仅仅略微降低或可能完全不降低。在这种情况下，当焊剂的温度达到并然后超过活化温度时，焊剂的粘度可能变得恒定或接近恒定。此外，对于某些焊剂来说，在低于活化温度的温度，焊剂的粘度可以达到最小值。应该认识到，任何特定焊剂的最小粘度可能与对于不同焊剂所观察到的最小粘度不同。在一个实施方案中，在包含活化温度的温度范围内，焊剂的温度-粘度曲线可能变得与温度轴渐进。
在高于活化温度的温度，焊料粒子可能熔化。一旦焊料粒子熔化后，焊剂就可以额外地促进熔化的焊料与部件表面之间的润湿，以促进高质量的焊接连接部的形成。焊剂也可以限制熔化的焊料与周围环境的反应。熔化焊料粒子(在图1中没有标出)所需的温度根据焊料的不同而异，并且至少与活化温度一样高，尽管焊料的熔化温度通常高于活化温度。例如，熔化温度可以超过约150℃，并典型地在约185℃到约280℃的范围内。正如以前提到的，液相线温度(即焊料合金完全变为液体时的最低温度)必须处于或低于450℃才能取得作为焊接材料的资格。在焊料熔化并冷却后，焊料形成了永久性焊接连接部。
具体来说，并参考图1中的温度曲线图10，焊剂如下进行表征，即在高达并包含最大储存温度TS1的温度时具有高粘度。更具体来说，由温度曲线图10所表示的焊剂，当该焊剂处于一直到最大储存温度TS1的任何温度时，是固体。例如，当焊剂是固体时，焊剂的粘度可以超过1012Pa·s。此外，在一个实施方案中，当焊剂的温度处于或低于最大储存温度TS1时，焊剂是硬的或坚固的，尽管当需要特殊应用时可以配制焊剂组合物以使焊剂具有最大量的粘性。
继续参考由温度曲线图10所表示的焊剂，可以配制焊剂以将最大储存温度TS1设定在焊剂在运输和仓储期间可能经历的温度范围(由箭头16所示)处或略高于所述范围。正如所知，许多产品在运输和仓储期间经历广范围的温度，因为这些温度通常是不受控制的，并取决于地理和其他因素而变，并可能超过焊剂在所有其他环境中所经历的温度。在一个实施方案中，例如在温度曲线图10所表示的焊剂中，焊剂在运输和仓储环境中处于不可流动的无活性状态，因为最大储存温度Ts1略高于在这些环境中可能发现的极端温度。因此，当焊剂的最大储存温度超过运输和仓储期间达到的最高温度时，焊剂可被运输到地理位置例如靠近赤道或季节温度相对高的位置，而不用担心焊剂在使用前降解或劣化。例如，在运输和仓储期间观察到的温度可以超过约45℃，并在某些情况下可以达到50℃或甚至60℃。
高于最大储存温度TS1时，粘度随着温度升高而降低，并且由温度曲线图10所表示的焊剂进入可流动的无活性状态，其中焊接材料的沉积是可能的，并且在有利情况下是实用的。在温度曲线图10的情况下，沉积温度范围ΔT1被显示为完全位于该材料的糊状范围内，尽管其他实施方案也考虑了在该材料的液体范围内沉积。用于沉积的实用温度范围取决于沉积的方法、分配装置的类型、焊接材料的组成和本领域普通技术人员可以认识到的其他因素。例如，ΔT1可以为约70℃到约90℃、或约75℃到约105℃、或约90℃到约120℃。
高于沉积温度范围ΔT1并在该材料的液体粘度范围内时，焊剂在活化温度TA1达到液体活性状态。在TA1和以上的温度，焊剂是化学活性的，并且表面准备和润湿功能被启动。例如，TA1可以高于约100℃、或高于约120℃。还例如，TA1可以高于约120℃并低于焊料合金的熔化温度。正如可以认识到的，对于具有温度曲线图10的焊剂来说，焊剂组分和焊料合金的选择旨在提供相对高的活化和熔化温度，以适应预期的运输和仓储条件所需的高的最大储存温度。
尽管术语“不可流动的”可以是指如上所述的固体焊剂，但本发明不限于此。焊剂可以具有焊糊样的稠度(即位于如图1中所标注的粘度的糊状范围内)并仍然可以被当作是不可流动的。例如，处于和低于相应的最大储存温度TS2和TS3时，由温度曲线图12和14所表示的每种焊剂都是不可流动的，这是因为焊剂的粘度足够高，从而阻止焊剂在经历焊糊分配时所遇到的正常力或由于重力所致的被分配。此外，与温度曲线图10所表示的焊剂相似，由温度曲线图12和14所表示的焊剂在一直到并包含相应的最大储存温度TS2、TS3时可以是非粘性或不发粘的，尽管相应焊剂的粘度位于糊状范围内。
继续参考图1并具体参考温度曲线图12，最大储存温度可以设定到TS2，其低于TS1。但是，最大储存温度TS2高于焊剂在例如温度不受控制的制造环境中所经历的温度(如箭头18所示)。正如本技术领域中所知，制造环境中的温度可以随着大量因素而广泛变化，这些因素包括地理位置、年度中的时间以及所执行的操作的类型。例如，制造环境的温度可以在低于室温到超过约40℃的温度范围内。但是，不受控制的制造环境温度可以低于如上所述的在运输和仓储期间所遇到的温度。因此，在一个实施方案中，例如由温度曲线图12所表示的焊剂，焊剂在制造环境中处于不可流动的无活性状态，因为最大储存温度TS2处于或略微高于焊剂在该环境中所经历的最大温度。
此外，正如图1所提供的，由温度曲线图10所表示的焊剂在制造环境中也可以处于不可流动的无活性状态，因为TS1也高于在制造环境中发现的温度。由温度曲线图10所表示的焊剂可以储存在制造环境中，例如在焊接设备附近，而不用担心该焊剂将过早地降解或劣化，但是由温度曲线图12所表示的焊剂则不能如此，这是因为两种不同焊剂之间配方不同。由温度曲线图12所表示的焊剂可以被特别配制用于特定的制造环境。正如可以认识到的，对于具有温度曲线图12的焊剂的焊接材料来说，因为必需的最大储存温度较低，可以选择焊剂组分和焊料合金以提供比温度曲线图10所需的更低的沉积和活化温度。因此，通过调整焊剂的配方以获得特定的最大储存温度、沉积温度范围和活化温度，储存期限可以无限延伸或至少被延长，同时可以制定焊剂的粘度和其他性质用于特定沉积技术和/或为具体应用进行优化。
进一步参考温度曲线图12，高于最大储存温度TS2时，显示出沉积温度范围ΔT2延伸在糊状范围的较低粘度部分与液体范围的较高粘度部分之间。在ΔT2与TA2之间，可能发生焊料粒子开始析出，使得焊剂的粘度太低而不能维持焊料悬浮，从而使沉积不能实行的情况。在任何情形下，为了将最大储存温度TS2设置到适应于不受控制的制造环境，ΔT2可以为例如约45℃到约100℃，还例如，可以是约50℃到约75℃。活化温度TA2可以例如高于约100℃、或高于约120℃，并低于焊料合金的熔化温度。
同样地，参考由温度曲线图14所表示的焊剂，在一个实施方案中，焊剂被配制成使得最大储存温度TS3略高于室温或温控室的温度(如箭头20所示)。温控室可以通过可商购的加热和空调设备被保持在一定温度。该温度可以是对于操作人员来说舒适的，和/或适合于保持室内的电子设备凉爽。这些室温和/或受控的温度可以包括约16℃到约27℃范围内的温度。例如，最大储存温度可以为约30℃。同样地，通过配制焊剂以建立起如上所述的所需温度曲线图，可以延长储存期限，同时可以为特定沉积技术调配焊剂的粘度和其他性质，和/或为特定应用对这些性质进行优化。因此，尽管由温度曲线图10和12所表示的焊剂可以储存在略高于温控室的温度同时各自保持在不可流动的无活性状态下，但由温度曲线图14所表示的焊剂可以为该环境进行特定调配，使得可以在允许由温度曲线图10和12所表示的焊剂不沉积或不活化的预定温度下，由温度曲线图14所表示的焊剂沉积和活化。例如，被显示成从糊状范围的末端延伸到液体范围的高粘度部分的沉积温度范围ΔT3，可以为约35℃到约45℃、约40℃到约55℃或约45℃到约60℃。活化温度TA3可以低至约50℃，并例如可以高于约100℃、或高于约150℃并低于焊料合金的熔化温度。
此外，参考图1中的温度曲线图10、12、14并考虑上述的无活性状态和活性状态，每个温度曲线图10、12、14的一直到略低于活化温度的温度的部分是可逆的。换句话说，焊剂可以分别在低于活化温度TA1、TA2和TA3的任何两个温度之间(即在焊剂处于无活性状态时)重复地加热和冷却，以改变焊剂的粘度。温度-粘度/硬度曲线在一直到活化温度的可逆性质是有利的。例如，可以将焊剂加热到沉积温度范围内的温度，分配或沉积到部件的表面上，冷却到不可流动的无活性状态，然后重新加热和再流平所需的次数，而不发生焊剂的明显降解。然后，在任何重新加热后的某些时间，可以将焊剂加热到活化温度，并随后进行焊接。
除了温度曲线图的可逆性质之外，焊剂在一直到至少最大储存温度的不可流动性质是有利的。正如上面提出的，在处于或低于最大储存温度的温度，所分配的焊剂可能不具有与传统的被分配焊糊有关的糊状和/或柔软性问题。因此，在分配和冷却后，焊剂不太可能被无意转移到其他表面上。例如，可以将焊剂分配到工件上。一旦将焊剂冷却到低于最大储存温度后，可以对工件进行运输和操作而不污染焊剂，也不会从其上不慎移除焊剂。工件可以是线路板、电线、铜管或其他基材。使用铜管作为具体实例，可以将焊接材料以最适量预先施加到管的最适位置处。一旦焊剂被冷却到低于焊剂的最大储存温度时，管就可以进行储存、运输和随后销售。在随后的运输和操作期间，焊剂保持完好并在原来位置。购买者可以简单地将预先施加的焊接材料重新加热到高于焊料的活化温度和熔化温度，以与另一个管或配件形成连接部。这种类型的工序可以提供更一致的、更高质量的连接部，并可以允许较不熟练的人形成高质量的连接部。
在另一个实施方案中，工件可以是线路板。正如本技术领域中已知的，在许多情况下，线路板上的铜接头镀有金、银或其他贵重合金以便减少氧化。根据本发明的实施方案，将不需要这些贵重合金，因为可以施加焊接材料来代替合金。焊剂可以是疏水的，从而形成了疏水性屏障层，保护表面使其避免发生氧化和其他腐蚀型反应。然后可以将带有焊接材料的线路板运输到其他位置，而不引起焊剂的明显丧失或电触点的氧化。这也将消除对随后将焊糊印刷在线路板上的需要。此外，通过使用焊剂，可以只在最后连接时才加热线路板，这将减少线路板暴露于高温下的次数。正如本领域所已知的，电气元件例如线路板被加热的次数越多，它在使用期间过早故障的机会越大。
在一个实施方案中，可以通过强迫焊剂通过处于沉积温度范围内的温度的孔口来分配焊剂。一般来说，除了目前用于分配焊剂焊糊的刻花模版系统之外，据信传统的热熔分配方法和/或产品也可以用于分配焊剂，因为这些系统控制沉积温度。例如，可以使用圆筒式分配系统。这种系统的实例描述在美国专利No.5,435,462中，其公开内容在此以其全文引为参考。因此，可以将含有焊剂或焊接材料的圆筒插入到这种系统的加热腔中。
作为替代，也可以将焊剂或焊接材料放置在散料容器例如5加仑的桶或55加仑的滚筒中。可以将桶或滚筒放置在被加热的压盘或其他加温装置上，以将焊剂加热到沉积温度范围内的温度，从而可以从单一来源沉积大量焊剂。在另一个实施方案中，可以使用芯子熔化器(slug melter)。在这种情况下，可以将预制杆状或其他预制形状的焊接材料插入到芯子熔化器中，并可以使用活塞样装置加热材料并强迫材料到达工件上。在另一个实施方案中，可以将焊剂印刷到具有被加热的印刷系统的基板上，所述被加热的印刷系统将刻花模板或丝网维持在沉积温度范围内的选定温度。也可以加热基板。在另一个实施方案中，沉积可以包括将部件浸在被保持在沉积温度的焊剂储存器中。部件可以是目标部件，或部件可用于将预定量的焊剂转移到目标部件上。也可使用其他类似的适合的系统来加热和分配焊剂。
正如上面介绍的，焊剂包含超过约50重量％的量的主要固体组分和选自溶剂、增稠剂和/或金属氧化物还原剂例如酸的一种或多种次要组分。主要固体组分和一种或多种次要组分的比例被选择为提供上述的所需温度曲线图。例如，在准备焊剂中，可以根据储存、操作或运输焊剂的所需最大储存温度、所需的沉积温度范围、所需的活化温度、和焊剂活化时的功能，来选择主要固体组分和次要组分。
在一个实施方案中，主要固体组分包含松香、树脂或蜡或其组合或混合物。其他的主要固体可以包括聚二醇、椰油酰胺和其他适合的化合物。主要固体组分将焊剂和任何焊料粒子保持在一起，并可以包括一种或多种共同占焊剂的50重量％以上的化合物。因此，“组分”不应该被解释为严格意义的单数。主要固体组分可以具有高于约50℃的软化点。一般来说，主要固体组分的软化温度越高，则最大储存温度越高，并且沉积温度范围越高。还例如，软化点可以为至少约80℃。松香可以是例如天然松香，例如水白松香。其他松香例如氢化木松香、妥尔油松香、脂松香和歧化木松香或其混合物，可以与次要组分混合以提供上述的所需温度曲线图。适合的可商购松香包括由Eastman公司销售的DymerexTM或由NewportIndustries Ltd公司销售的NurozTM。
通过将树脂与不饱和有机酸组合对如上所述的一种或多种松香进行改性，可以获得树脂。适合的可商购树脂的实例包括由Ashland公司销售的 和由Eastman公司销售的Poly-PaleTM。适合使用的蜡的实例包括微晶蜡、环烷蜡和/或石蜡等。适合的可商购蜡包括由CaromaxInternational公司销售的CM 7010W和其他CM系列的蜡。
在一个实施方案中，可以使用一种或多种次要组分来调节焊剂的温度曲线图，以便产生上面所提出的运输和仓储期间预期的和/或制造环境中的温度。此外，除了其他标准之外，可以选择次要组分并调配其比例，以调整沉积温度范围和活化温度以及与目标表面的特定反应。例如，次要组分可以是一种或多种溶剂例如矿物油精和增稠剂。此外，次要组分可以包括酸或酸的混合物。适合的酸可以包括弱酸，更具体来说是弱有机酸，例如羧酸，例如硬脂酸和/或壬二酸。在一个实施方案中，焊剂包括通过移除氧化物和其他污染物对表面进行清洁的活化剂。活化剂可以是弱有机酸、卤代化合物、胺或其他金属氧化物还原剂。此外，活化剂可以根据焊剂所要分配的表面的类型进行选择。其他适合的次要组分包括油、醇和/或二醇例如聚乙二醇。焊剂任选地包括其他次要组分，例如表面张力改性剂或表面活性剂，其在焊剂与焊料粒子混合并用于形成焊接连接部时，减少或消除焊料珠的产生。
在一个实施方案中，焊剂可以包含2∶1比例的、软化点约为70℃的氢化松香与1-十八醇。该混合物可以进一步包括弱有机酸，其量适合于在再流平过程中减少氧化物。焊剂还可以包括触变剂，以将沉积温度范围调整到包括40℃的温度。可以将焊料粒子分散在焊剂中，并可以添加矿物油精以调节沉积温度范围。
在一个实施方案中，与焊剂混合的焊料粒子可以包含适合于应用的锡(Sn)、铅(Pb)、银(Ag)、铋(Bi)、铜(Cu)、锑(Sb)、铟(In)、锌(Zn)或镍(Ni)，及其合金或组合。上面提到的元素的各种组合的合金可以各自具有特定应用。但是，广泛使用的焊料合金包括例如Sn-Pb合金如60Sn-40Pb和63Sn-37Pb。但是，基于“无铅”焊料合金例如Sn-Cu、Sn-Ag和Sn-Sb合金的焊料，在本技术领域中是已知的。
为了便于更完全地理解本发明，提供了下面非限制性的实施例。
具体实施方式
制备了在室温下为固体的焊剂。焊剂含有80重量％且软化温度为约80℃且酸值为150-170的部分氢化松香、15重量％的聚乙二醇1450、2.5重量％的壬二酸和2.5重量％的硬脂酸。
通过将焊料粒子分散在上述焊剂中，制备了焊接材料。该焊接材料含85重量％的96.5Sn-3Ag-0.5Cu合金焊料粒子，以及构成其余焊接材料的上述焊剂。在22℃下焊接材料是固体。沉积温度范围大约为45℃到60℃。活化温度约为95℃。
在另一个实施方案中，制造焊剂的方法包括加热主要固体组分呈液体状态。当主要固体组分处于液体状态时，加入一种或多种次要组分以形成焊剂混合物。将焊剂混合物冷却到处于或低于最大储存温度的温度，在该温度焊剂混合物处于不可流动的无活性状态。
在本发明的一个实施方案中，可以通过将焊剂加热处于或高于沉积温度范围并低于活化温度的温度来制造焊接材料。当焊剂处于可流动的无活性状态时，将焊料粒子分散在整个加热的焊剂中以形成焊料/焊剂混合物。使焊料/焊剂混合物冷却到处于或低于最大储存温度的温度，由此使焊料/焊剂混合物处于不可流动的无活性状态。
尽管已通过各种实施方案的描述对本发明进行了说明，并且尽管对这些实施方案在某些方面进行了详细描述，但是被申请人不打算将权利要求书的范围约束或以任何方式限制于这些详细描述。对于本技术领域的普通专业人员来说，其他优点和修改将是显而易见的。取决于用户的需要和偏好，本发明的各种不同特点可以单独或以大量的组合来使用。

Claims (19)

1.焊接材料，其包含：
分散在焊剂中的焊料粒子的焊料/焊剂混合物；
其中焊料/焊剂混合物冷却到处于或低于最大储存温度的温度时是固体；
焊剂包含以高于50重量％的量存在的主要固体组分和选自溶剂、增稠剂和金属氧化物还原剂的一种或多种次要组分；
焊剂具有这样的温度曲线图，即其中焊剂在处于或低于最大储存温度的温度处于不可流动的无活性状态，所述最大储存温度为60℃，在活化温度处于液体活性状态，以及在高于最大储存温度并低于活化温度的沉积温度范围内处于可流动的无活性状态，其中活化温度高于120℃；以及
焊料粒子在活化温度或高于活化温度处于液体状态。
2.权利要求1的焊接材料，其中主要固体组分具有高于50℃的软化点。
3.权利要求1的焊接材料，其中不可流动的无活性状态是固体状态。
4.权利要求1的焊接材料，其中沉积温度范围包括在75℃到105℃范围内的温度。
5.权利要求1的焊接材料，其中主要固体组分包括松香、树脂、蜡或聚二醇，或其组合。
6.权利要求1的焊接材料，其中焊剂包含松香和聚二醇。
7.制造权利要求1的焊接材料的方法，所述方法包括：
将焊剂加热到沉积温度范围内的温度；
将焊料粒子分散在整个加热的焊剂中形成焊料/焊剂混合物；以及
将焊料/焊剂混合物冷却到处于或低于最大储存温度的温度，由此使焊料/焊剂混合物是固体。
8.分配权利要求1的焊接材料的方法，所述方法包括：
将焊接材料加热到沉积温度范围内的温度；
当焊接材料在沉积温度范围内时，将加热的焊接材料分配到基材上；并且
将焊接材料冷却到处于或低于最大储存温度的温度，由此使焊接材料处于不可流动的无活性状态。
9.权利要求8的方法，其中分配包括强迫加热的焊接材料通过孔口。
10.权利要求8的方法，其中在加热焊接材料之前，所述方法还包括：
在最大储存温度或低于最大储存温度储存焊接材料，由此使焊接材料处于不可流动的无活性状态。
11.使用权利要求1的焊接材料进行焊接的方法，所述方法包括：
将焊接材料加热到沉积温度范围内的温度；
当焊接材料在沉积温度范围内时，将加热的焊接材料分配到工件上；
将焊接材料加热到活化温度或高于活化温度，由此使焊剂从工件的表面除去氧化物；
将焊接材料加热到焊料粒子的熔化温度以使焊料粒子熔化并同时与工件的表面相接触；并且
将熔化的焊料冷却。
12.权利要求11的方法，其中分配包括强迫加热的焊接材料通过孔口。
13.使用权利要求1的焊接材料进行焊接的方法，所述方法包括：
将焊接材料从处于或低于最大储存温度的温度加热到焊料粒子的熔化温度以使焊料粒子熔化，焊接材料位于第一工件与第二工件之间并与每个工件相接触；并且
将熔化的焊料冷却，由此在第一工件和第二工件之间形成连接部。
14.权利要求13的方法，其中第一工件是金属配件、电气元件或电线中的一种。
15.权利要求14的方法，其中所述金属配件是铜管。
16.制造权利要求1的焊接材料的方法，所述方法包括：
加热主要固体组分呈液体状态；
在液体状态下向主要固体组分加入一种或多种次要组分，形成处于可流动的无活性状态的焊剂混合物；
将焊料粒子分散在整个加热的焊剂混合物中形成焊料/焊剂混合物；以及
将焊料/焊剂混合物冷却到室温，由此使焊料/焊剂混合物是固体。
17.焊接用装置，其包含：
基材；以及
附着在基材上包含权利要求1的焊接材料的层。
18.权利要求17的焊接用装置，其中基材是金属配件、电气元件或电线中的一种。
19.权利要求18的焊接用装置，其中所述金属配件是铜管。
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