CN1040303C - 通用无铅焊料 - Google Patents

Abstract

本发明透露了一种用于焊接一般电子组件的通用无铅焊料.该通用无铅焊料具有的组成包含：3.1-7%的Ag、6-30%的Bi、以及其余为Sn。

Description

通用无铅焊料

本发明涉及用于焊接电子部件的通用无铅焊料，并特别涉及Sn-Ag-Bi无铅焊料。

一般而言，每一种焊料具有适合其使用场合的独特性质。通常的焊料中，熔化温度和凝固温度的范围是重要的。

即，用于特定用途所选的焊料应具有较低的熔化温度，其低的程度应不会引起邻近的温度敏感部件的损坏。而且，在焊接完成之后，被焊接的材料必须具有高的熔化温度范围，使得连接的状态将是温度稳定的。

而且，焊料一般是由发生易熔反应的组成体系构成的。因而，如果焊料具有不同于相关易熔组成的特殊组成，则穿过焊接后开始凝固的液态线而使得液相和固相共存，并且然后到达凝固完成的固态线，这就是该特定组成的凝固温度范围。如果凝固温度范围大，则凝固时间长，并可能出现收缩现象。因而重要的是焊接组成应具有尽可能小的凝固温度范围。具有小的凝固温度范围的焊料是有利于在连续焊接过程中分步式焊接的。

具有上述性质的传统的焊料之一是Sn-Pb系列合金。这种焊接合金的各种力学和物理性质是优越的，因而广泛用于诸如管道和热交换器结构，以及一般的电子部件中。

然而，铅是不分解的金属，并且如果铅一旦被人体摄取，它不能被排出而是在人体中聚集。例如，美国疾病预防中心报告，血液中的铅浓度如果超过10μg/dl，则将是致命的。特别，铅的聚集引起儿童智力的减退，并且铅的废料污染土壤。

特别地，传统的诸如50Sn-50Pb和70Sn-30Pb的焊料可用于广泛的温度范围，构成强力机械连接部分，并用来焊接铜件。然而发现铅溶解到水中对人体健康在长时期构成有害影响。于是对于在焊接输送饮用水的管道中使用铅已开始作出规定。

作为使用铅和含铅化合物的规定的例子，在美国于1978年完全禁止在消费者漆中使用铅，并且美国环保局(EPA)在有毒物质控制条例(TSCA)中颁布了一个规定：有责任回收含铅物料。而且，美国众议院提出为了形成Pb-清除基金，征收100-200％的税(HR2479)。进而，参议院形成铅暴露法令(S-729)，提出对于工业铅的使用作出完整的规定。又美国职业安全与健康局(OHSA)为了规定空气和工作中可忍受的铅含量确定了标准。这个规定声称雇佣的人员在铅中暴露应该为低于高铅浓度气氛的下限。于是在美国，铅的使用，特别是50Sn-50Pb的使用对于管线的连接是被禁止的，并且含铅焊料的的使用在有关饮水的场合是被禁止的。而且使用含铅焊料对于管线连接以外的用途也是被禁止的。这种趋势在国内的场合也是类似的。

由于出现了禁止用焊接铅的规定，从而开始研制无铅焊料。美国专利1,778,733提出由Sn-Ag(0.05-3％)-Cu(0.7-6％)组成的无铅焊料。进而美国专利4,929,423提出由Sn-Bi(0.08-20％)-Ag(0.01-1.5％)-Cu(0.02-1.5％)-P(0.01％)-稀土元素的混合物组成的无铅焊料。

此外，美国专利499,452 A1提出其组成为87-97％的Sn、0.1-3％的Ag、以及3-7％的Bi的无铅焊料。进而，日本公开专利平5-228685号提出了一种无铅焊料，包含：92-95.8％的Sn、3-5％的Ag、1.2-3％的Bi。然而上述的无铅焊料是高熔化温度的焊料，因而不能用于焊接电子组件，而是用于特定用途的。另外，美国专利5,389,160号中提出一种Sn-Bi-Ag(Au)焊料，但其中Ag或Au的含量只为1.0～2.2％，其热疲劳性能较差。

为了解决上述传统技术的缺点，本发明者们进行了反复的实验和研究，并基于这些实验和研究提出本发明。

于是本发明的目的是提供一种适用于焊接电子组件的通用的无铅焊料，其中Sn-Ag-Bi的无铅焊料的组成被适当地控制，使得其机械强度优于传统的Sn-40Pb焊料，且其热疲劳性能也有较大改善。

为达到以上目的，通用无铅料料的组成包括：3.1-7％的Ag、6-30％的Bi、以及其余为Sn。

本发明的以上的目的和优点通过参照附图对本发明较佳实施例的详述将变得更为明显，这些附图是：

图1是一曲线图，表示根据本发明的通用无铅焊料的可焊接性；以及

图2是一曲线图，表示传统的焊料和根据本发明的焊料的力学性质。

首先，考虑到焊料的低熔化温度，通用无铅焊料中的Ag的含量可保持在3％，但是实际上Ag的添加量在3.1％或更多以便改进热疲劳特性。

可是如果Ag的含量过高，则焊料的熔化温度升高，因而Ag的含量最好应限制在7％或更少。

当Bi组分添加到Sn-Ag合金体系中，例如添加到Sn-3％Ag合金体系(熔化温度221℃)，则组分Bi降低了熔化温度并改进了浸润性。可是如果Bi的添加少于6％，则其作用不充分。如果其添加在30％或更多，则熔化温度降低，并且改进了浸润性，但是焊料本身变得易碎，并且熔化温度范围变宽。

如上述组成的本发明的通用无铅焊料可按通常的方法通过秤重金属原料，在坩埚或熔锅中熔化并搅拌而在空气中制造。在这样的条件下，如果在空气中进行熔化，杂质、非金属物以及合金金属可能与空气发生反应而形成在焊接合金中的可溶性气体，诸如可溶性氮或可溶性氧。从而相对于基材料的浸润性降低以致降低可焊接性，或在焊接连接中形成孔隙。其结果，导热性、热疲劳性和产品的可靠性会恶化。因而，为了把在空气中熔化时所形成的杂质或非金属物以及可溶性气体减少到最少，并为了改进可焊接性、热疲劳性和产品的可靠性，金属原料在真空中或在惰性气体的气氛中熔化，于是在金属原料中，特别是要禁止Bi的氧化，以便减少废渣的形成。

按上述方法制造的本发明的通用无铅焊料可以具有各种形状，诸如铸锭、矩形、圆形等。而且，也可制成各种大小的圆球形颗粒粉。在粉末的情形下，粉末可与适当的焊剂混合形成焊料糊。

这样制造的本发明的通用无铅焊料不仅具有适用于焊接一般电子部件的熔化温度，而且具有窄的凝固温度范围，因而有利于分步式自动焊接。而且与传统的Sn-Pb焊料相比具有改进的机械强度。

现基于实例说明本发明，但是本发明的范围将不限于这些特别的例子。例子1<发明例子1>

金属组份Sn，Ag与Bi按下表1所示的组成秤重。使用真空感应炉在超过10-3乇的真空中熔化组合物进行铸造。对于这样制造的合金测量其凝固过程的固态线温度和液态线温度，其测量结果示于以下表1中。<表1>Sn      Ag        Bi    固态线温度    液态线温度90％    3.9％    6.1％    200C°               220C°

如表1中所示，对于本发明例子1，液态线温度为220℃，固态线温度为200℃，而凝固范围是20℃。于是显然该材料适于作为通用的无铅焊料。<发明例子2>

具有如下表2中所示的组成的金属原料用感应炉在空气中熔化，并进行铸造。对于铸造后的铸造合金，测量固态线温度，液态线温度和凝固温度范围，其测量结果示于以下表2中。<表2>Sn        Ag     Bi     固态线温度    液态线温度90％    3.1％    6.9％    195C°               218C°

如以上表2中所示，本发明的材料2具有特性为：液态线温度为218℃，固态线温度为195℃，而凝固温度范围是23℃。于是，该材料极为适于作为通用的无铅焊料。<发明例子3>

具有如以下表3中所示的组成的无铅焊接材料用真空感应炉在惰性气体(N2)的气氛中熔化，该惰性气体的气氛保持在250-300m bar(毫巴)的气压。然后进行铸造，并对于铸造的合金，测量其固态线温度和液态线温度，测量结果示于以下表3中。<表3>Sn         Ag       Bi    固态线温度    液态线温度81.7％    3.3％    15％    180C°                 206C°

如以上表3中所示，本发明的材料3具有特性为，液态线温度为206℃，固态线温度为180℃，而凝固温度范围是26℃。于是，显然该材料可用作通用的无铅焊料。<发明例子4>

具有如以下表4中所示的组成的无铅焊料以类似于发明例子3的方法制造，并对于所制造的材料，测量其凝固温度。所测量的凝固温度结果示于以下表4中。<表4>Sn       Ag      Bi     固态线温度    液态线温度63.2％  6.8％    30％    138C°                144C°

如以上表4中所示，本发明的材料4具有特性为，液态线温度为144℃，固态线温度为138℃，而凝固温度范围是6℃。于是，显然该材料可用作通用的无铅焊料。<比较例子1>

制造具有如以下表5中所示的组成的传统的无铅焊料，并然后对于所制造的合金测量其凝固温度。测量的结果示于以下表5中。<表5>Sn         Ag       Bi    固态线温度    液态线温度94.5％    3.5％    2％    215C°                  220C°

如以上表5中所示，具有如表5中所示的组成的焊料的特性为，液态线温度为220℃，固态线温度为215℃，而凝固温度范围是5℃。于是，该材料是高熔化温度的无铅焊料。<比较例子2>

具有如以下表6中所示的组成的无铅焊料以类似于比较例子1的方法制造，测量数值示于以下表6中。<表6>Sn           Ag      Bi     固态线温度   液态线温度93-93.5％  1.5-2％  5％     211C°              223-236C°

如以上表6中所示，具有如表6中所示的组成的焊料特性为，液态线温度为223-236℃，固态线温度为211℃，而凝固温度范围是12-25℃。于是，该材料是高熔化温度的无铅焊料。例子2

其组成为Sn-3.1％Ag-6.9％Bi的本发明的材料2，和组成为Sn-3.5％Ag-4.5％Bi的比较材料3使用感应炉在空气中熔化。并然后进行铸造。对于铸造的合金，测量其浸润性，所测量的结果示于图1中。

如图1中所示，本发明的材料2在浸润性上是优于比较材料3的，由此显示出优越的可焊接性。

为了看出传统的焊料与根据本发明的无铅焊料的力学性质，就力学性质测量Sn-40Pb所组成的传统焊料与本发明的材料2。测量结果示于图2之中。

如图2中所示，本发明的材料2在拉伸强度上显著优于传统材料。这表示本发明的无铅焊料的最终结合强度是优越的。

正如在以上诸例子中可看到的，根据本发明的无铅焊料在力学性质上是优于传统的Sn-Pb焊料的，其结果，在最终结合强度上本发明的无铅焊料是优越的。而且，由于不含铅，工作环境得以改善。而且，熔化温度是低的，凝固温度是窄的。因而，与传统的Sn-Ag-Bi高熔化温度的无铅焊料比较，根据本发明的无铅焊料更适合于焊接一般的电子组件。

Claims (4)

1.一种通用无铅焊料，包含有Ag，Bi和Sn，其特征在于其组成为：3.1-7％(重量)的Ag，6-30％(重量)的Bi，以及其余为Sn。

2.如权利要求1中所述的通用无铅焊料，其特征在于其组成为：6-7％(重量)的Ag，29-30％(重量)的Bi，以及其余为Sn。

3.如权利要求1中所述的通用无铅焊料，其特征在于其组成为：3.1-4％(重量)的Ag，6-7％(重量)的Bi，以及其余为Sn。

4.如权利要求1所述的通用无铅焊料，其特征在于：该焊料所具有的固态线温度为138～200℃，液态线温度为144～220℃。

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