CN103480978A - 环保无铅防电极溶出焊锡丝 - Google Patents

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    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent

Abstract

本发明公开了一种环保无铅防电极溶出焊锡丝，其特征在于：环保无铅防电极溶出焊锡丝有至少一种选自0.01~1％（重量）的Co，0.01~0.2％（重量）的Fe，0.01~0.2％（重量）的Mn，0.01~0.2％（重量）的Cr，0.01~2％（重量）的Pd，0.5~2％（重量）的Cu和90.5％（重量）或更多的Sn；环保无铅防电极溶出焊锡丝也可有至少一种选自0.01~0.2％（重量）的Mn和0.01~0.2％（重量）的Cr，至少一种选自0.5至9％（重量）的Ag和为0.5~5％（重量）的Sb，以及90.5％（重量）或更多的Sn；环保无铅防电极溶出焊锡丝还可含有0.01~1％（重量）的Co，0.5~9％（重量）的Ag，0.5~2％（重量）的Cu，和88.0％（重量）或更多的Sn。本发明的有益效果是：良好的可焊性，对环境负荷少。

Description

环保无铅防电极溶出焊锡丝
技术领域
    本发明涉及一种焊锡丝，特别是一种环保无铅防电极溶出焊锡丝。
背景技术
    焊锡丝通常用于电气性地或机械性地连接电子设备和电子部件。作为这样的焊锡丝，一种主要成分的Sn和Pb已被普遍使用。然而，考虑到全球环境，主要包括Sn，同时也包含，例如，Ag,Bi,Cu,In或Sb，作为平衡元素，并且无铅焊锡丝已有使用。具有令人满意的焊点可焊性的焊锡制品是用这些无铅焊锡丝制成的。然而，使用焊锡丝的焊锡制品主要含Sn，特别是那些焊接时使用无铅焊锡丝来导致电极溶出。此外，当将焊锡制品放在高温下或进行热老化时，Sn扩散到电极（导体）中，从而使所得到的电子设备和电子部件的电气特性和机械特性变差。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种环保无铅防电极溶出焊锡丝，用以解决上述的现有问题。
本发明的技术方案如下：一种环保无铅防电极溶出焊锡丝，其特征在于：环保无铅防电极溶出焊锡丝是包含有至少一种选自0.01?1％（重量）的Co，0.01?0.2％（重量）的Fe，0.01?0.2％（重量）的Mn，0.01?0.2％（重量）的Cr，0.01?2％（重量）的Pd，0.5?2％（重量）的Cu和90.5％（重量）或更多的Sn；环保无铅防电极溶出焊锡丝也可以是包含有至少一种选自0.01?0.2％（重量）的Mn和0.01?0.2％（重量）的Cr，至少一种选自0.5至9％（重量）的Ag和为0.5?5％（重量）的Sb，以及90.5％（重量）或更多的Sn；环保无铅防电极溶出焊锡丝还可以是包含有0.01?1％（重量）的Co，0.5?9％（重量）的Ag，0.5?2％（重量）的Cu，和88.0％（重量）或更多的Sn。
环保无铅防电极溶出焊锡丝只包含每个所述组合的一种成分。
通过焊锡丝结合的焊锡制品包括过渡金属导体，该金属导体包括哟至少一种选自Cu，Ag，Ni，Au，Pd，Pt和Zn的单质或它们的合金。
本发明的有益效果是：在焊点上表现出令人满意的可焊性，且在焊接时或当焊接制品处于高温下时，其表现出防电极溶出的高电阻，对环境负荷更少，方便实用。
附图说明
图1为对本发明无铅焊锡丝在焊接时防止电极溶出的性能及可焊性进行评估表图。
图2为图1的结果示意图。
具体实施方式
本发明将在下面进一步详细地说明。
    根据第一方面，本发明的无铅焊锡丝包括：Cu,Sn和至少一种选自Co,Fe,Mn, Cr和Pd。根据第二方面，本发明的无铅焊锡丝包括：Sn和至少一种选自Mn和Cr，至少一种选自Ag和Sb。根据第三方面，本发明的无铅焊锡丝包括Co,Ag,Cu和Sn。
    本发明的焊锡制品包括一种含有过渡金属导体的制品，其通过焊锡丝接合。过渡金属导体在熔融Sn中容易扩散。作为焊锡丝，可以使用第一、第二或第三种组合成分的无铅焊锡丝。该组合物可以提供具有令人满意的可焊性和粘接强度高的焊锡制品，并且能够防止电极溶出。
    根据本发明，添加少量的Co,Fe,Mn,Cr或Pb在导体和焊锡丝之间的界面处形成了一个隔离层，以防止电极（导体）与熔融焊锡丝之间的反应，从而抑制电极溶出。
    在第一个和第三个组合成分的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总重量，Co量设置为0.01?1％（重量）。如果Co量低于0.01％（重量），防止电极溶出的性能恶化。相反，如果Co量超过1％（重量），液相线温度上升使熔融性变差。因此，Co量优选的范围为0.01?0.5％（重量），更优选的范围为0.4％?0.5％（重量）。
    在第一种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总重量，Fe量被设定为0.01?0.2％（重量）。如果Fe量小于0.01％（重量），防止电极溶出的性能恶化。与此相反，如果其量超过0.2％（重量），液相线温度升高使熔融性变差。因此Fe量优选的范围为0.01?0.1％（重量），更优选的范围为0.05?0.1％（重量）。
    在第一和第三种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总质量，Mn量被设置为0.01?0.2％（重量）。如果Mn量小于0.01％（重量），防止电极溶出的性能恶化。与此相反，如果其量超过0.2％（重量），液相线温度升高使熔融性变差。因此Mn量优选的范围为0.01?0.1％（重量），更优选的范围为0.05?0.1％（重量）。
    在第一和第二种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总质量，Cr量为0.01?0.2％（重量）。如果Cr量低于0.01％（重量），防止电极溶出的性能恶化。与此相反，如果其量超过0.2％（重量），液相线温度升高使熔融性变差。因此，Cr量优选的范围为0.01?0.1％（重量），更优选的范围为0.05?0.1％（重量）。
    在第一和第二种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总质量，Pd量被设定为0.01?2％（重量）。如果Pd量低于0.01％（重量），防止电极溶出的性能恶化。相反，如果其量超过2％（重量），液相线温度升高使熔融性变差。因此， Pd量优选的范围为0.01?1％（重量），更优选为0.4?0.6％（重量）。
    在第二和第三种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总质量，Ag量设置为0.5～9％（重量）。如果Ag的量低于0.5％（重量），不能得到令人满意的改善强度。相反，如果其量超过9％（重量），过量的Ag3Sn金属间化合物会沉积降低接合强度，并且焊锡丝的液相线温度上升使熔融性变差。Ag的含量优选为1～6％（重量）的范围内，更优选为3～5％（重量）的范围内。
    在第一和第三种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总质量，Cu量为0.5?2％（重量）。如果Cu量小于0.5％（重量），不能得到令人满意的改善强度。相反，如果其量超过2％（重量），多余的Cu6Sn5和Cu3Sn中间金属间化合物会沉积降低接合强度，并且焊锡丝的液相线温度增加使熔融性变差。Cu含量优选的范围为0.5?1.5％（重量），更优选为0.5?1％（重量）的范围内。
    在第二种的无铅焊锡丝中，根据焊锡丝的总质量，Sb量设置为0.5?5％（重量）。如果Sb量小于0.5％（重量），不能得到令人满意的改善强度。相反，如果其量超过5％（重量），焊锡丝的伸长率降低导致其耐热冲击性和加工性变差。
     本发明中使用的典型过渡金属导体容易在包括Cu, Ag, Ni, Au，Pd, Pt和Zn单质的熔融Sn中扩散。这些过渡金属的合金，如Ag-Pd，Ag-Pt，也可以使用。可以优选地使用Cu, Ag和Ni的单质以及这些金属的合金。本发明的无铅焊锡丝可以抑制电极溶出，同时保持良好的可焊性和粘接强度，即使当它们用在含有易于经受电极溶出的导体的制品中。
    对于过渡金属导体来说，可以根据需要添加玻璃熔块以及各种添加剂（例如，金属氧化物）。只有当作为导电成分的金属组合物是上述组合物的条件下，本发明的焊锡制品可表现出上述优点可以添加低熔点的金属，例如Bi或In，作为焊锡丝的成分加入到其中，以降低工作温度。在这种情况下，本发明的焊锡丝可以表现出与上述相同的优点。
    另外，在本发明中，作为焊锡丝组合物，无铅焊锡丝可以进一步包括上述组分以外的不可避免的杂质。这种不可避免的杂质包括焊锡丝制造时污染的元素以及焊锡丝最初包含的元素，如Pb,Bi,Cu和Na元素。
    可以容易地制造本发明的焊锡制品，例如，通过熔化上述添加的成分到主要成分Sn中，以形成无铅焊锡，从而将无铅焊锡形成焊锡球。将焊锡球放在部件或基板之上，施加焊剂到焊锡球上，在空气中预定温度下加热焊锡球，以连接部件的导体。
     一般情况下，将焊锡丝在氮气气氛中焊接，以在许多情况下改善可焊性。然而，本发明的焊锡丝具有少量的Co,Fe, Mn,Cr和Pd，并可以在空气中进行焊接。
     本文所用的术语“焊锡制品”是指并包括全部的制品，其中包括被接合的电子部件本身，以及焊点。其中在焊点处，这些电子部件的导体电气地或机械地互相连接。在这种焊锡制品的典型例子中，形成于元件安装基板上的导体与形成于电子元件上的导体相焊接，以电气地或机械地连接导体，或者电子部件元件的电极彼此焊接，以电气地或机械地连接电极。
    这样元件安装基板包括，但不限于，由环氧树脂（玻璃环氧树脂）制成的印刷电路板，由苯酚制成的印刷电路板，由氧化铝制成的陶瓷基板，以及具有绝缘膜的基板，该绝缘膜如金属表面上的陶瓷。玻璃纤维织物制成的印刷电路板诸如陶瓷的。导体包括印刷电路板和其他引线电路，端子电极和电子部件的引线端子。
    从而本发明制备的无铅焊锡丝和焊锡制品具有令人满意的可焊性，粘接强度高，以及优良的防止电极溶出性能。这些焊锡丝和焊锡制品的焊接温度可以比较自由地设置，且焊接过程具有良好的加工性。此外，可以最大地降低昂贵的用于抑制电极溶出的元素含量。
    下面将具体参照几个发明实施例和比较例进一步说明本发明，但这不会限制本发明的范围。
    下面的图1中示出本发明实施例和比较例中采用的焊锡丝成分。
    图1所示对无铅焊锡丝在焊接时防止电极溶出的性能及可焊性进行评估。其结果示于图2。
    可以根据剩余的电极面积来评估其防止电极溶出的性能。根据下列方式的电容变化方法，可以计算剩余的电极面积。在一个单一镀层电容器上，Cu电极（厚度：3微米）或Ag电极（厚度：2微米）被印刷和焙烧，将电容器浸入焊锡丝中；浸入前后比较电容差；剩余的电极面积是由浸入前电容差异的比率来测定的。在Cu电极上，浸入10秒后可以测定电容变化。在容易溶出的Ag电极上，3秒后可测定电容变化。
评估中采用的焊接温度也示于表2。
    图2表明，根据本发明的实施例，与具有类似组合物的相应比较例相比，该无铅焊锡丝在Cu电极上表现出更大的剩余电极面积，并有效地抑制电极溶出。这是因为添加的元素，如Co,Fe,Mn,Cr和Pb，可以抑制电极溶出。特别地，根据实施例1?3和实施例5～22的无铅焊锡丝显示出95％或更多的剩余电极面积，并表现出非常令人满意的防止电极溶出性能。与此相反，根据比较例1和2显示的典型常规无铅焊锡丝的剩余电极面积不超过90％。根据实施例4的无铅焊锡丝（其中Sn为0.01％（重量），Cr为5.00％（重量），Sb）显示出剩余电极面积为86.0％，其低于根据本发明其他实施例的剩余电极面积。这是因为无铅焊锡丝具有更少量的添加元素。然而，即使这样的无铅焊锡丝与比较实施例1（Sn为5.00%，Sb）相比，也表现出令人满意的电极溶出抑制作用。依照焊接条件可以采用本发明的所有组合物。
    本发明实施例的优点在于，在Ag电极中的作用比Cu电极中的作用更明显。根据本发明实施例的所有焊锡丝，与具有类似组合物的相应比较例相比，其具有较大的剩余电极面积，并能有效地抑制电极溶出。这是由于添加的元素，如Co,Fe,Mn, Cr和Pb可以抑制电极溶出。
    具体而言，当使用比较例1（Sn为5.00％（重量），Sb）的无铅焊锡丝和比较例3（Sn为0.70％（重量），Cu）的无铅焊锡丝时，剩余的Ag电极为0（零）。与此相反，当使用实施例1?6中通过添加Mn或Cr到Sn-Sb合金中得到的无铅焊锡丝，以及使用实施例9～15中通过添加Co Fe,Mn,Cr,或Pd到Sn～Cu焊锡丝使中得到的无铅焊锡丝，剩余的电极面积分别为为60.2～80.1％和40.8％～68.9％。
    同样地，当使用比较实施例2（Sn为3.50％（重量），Ag）的无铅焊锡丝时，剩余的Ag电极为31.7％。相反，当使用实施例7和8中通过添加Mn或Cr到上述组合物得到的无铅焊锡丝，其剩余率为85.0％～89.7％。
    比较例4（Sn为3.50％（重量），Ag为0.70％（重量），Cu）的无铅焊锡丝显示出31.0％的Ag电极剩余率。与此相反，实施例16～22中通过添加Co到上述组合物获得的无铅焊锡丝，通表现出33.8％～86.3％的剩余率。
    在可焊性上，实施例1，4，9，13～22的无铅焊锡丝表现出非常令人满意的可焊性，其焊锡丝扩散速率为70％或更多。比较例1?4中的无铅焊锡丝也表现出了非常令人满意的可焊性，其焊锡丝扩展速率为70％或更多。
    在这方面，实施例3和6中的无铅焊锡丝与具有类似组合物的比较例1中的焊锡丝相比，其表现出更低的焊锡丝扩展速率。在这些焊锡丝中，添加元素如Co,Fe,Mn,Cr和Pb的含量是很高的，并且液相线温度上升，使焊锡丝的流动性变差。实施例2，3，5?8，11和12中的无铅焊锡丝表现出比其他实施例中焊锡丝更低的扩展速率。这是因为Mn和Cr易于氧化。但是，可根据焊接条件使用本发明实施例的任何组合物。
    根据实施例15中的无铅焊锡丝，焊锡丝扩展速率随着Sb,Ag和Cu量的增加而上升。这是因为增加的焊接温度是随着液相线温度对焊锡丝扩展速率影响的增加而增加。
    其它实施例和变化对本领域的技术人员是显而易见的，并且本发明并不局限于以上所述的具体事项。

Claims (3)

1.一种环保无铅防电极溶出焊锡丝，其特征在于：
无铅焊锡丝是包含有至少一种选自0.01?1％（重量）的Co，0.01?0.2％（重量）的Fe，0.01?0.2％（重量）的Mn，0.01?0.2％（重量）的Cr，0.01?2％（重量）的Pd，0.5?2％（重量）的Cu和90.5％（重量）或更多的Sn；
无铅焊锡丝也可以是包含有至少一种选自0.01?0.2％（重量）的Mn和0.01?0.2％（重量）的Cr，至少一种选自0.5至9％（重量）的Ag和为0.5?5％（重量）的Sb，以及90.5％（重量）或更多的Sn；
无铅焊锡丝还可以是包含有0.01?1％（重量）的Co，0.5?9％（重量）的Ag，0.5?2％（重量）的Cu，和88.0％（重量）或更多的Sn。
2.根据权利要求1所述的环保无铅防电极溶出焊锡丝，其特征在于：无铅焊锡丝只包含每个所述组合的一种成分。
3.根据权利要求1所述的环保无铅防电极溶出焊锡丝，其特征在于：通过焊锡丝结合的焊锡制品包括过渡金属导体，该金属导体包括哟至少一种选自Cu，Ag，Ni，Au，Pd，Pt和Zn的单质或它们的合金。
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