CN1047236A - 回流焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种通过由包含非松香基焊剂的焊料进行回流焊接而将元件连接到基片上的方法，该方法包括在低氧化性气氛中在元件存在情况下加热焊料。

Description

本发明涉及用含非松香基焊剂的焊料进行回流焊接的过程气氛，它能达到：基本上无有机或无机残留物，基片和元件的良好沾化，较宽的温度操作窗和元件在高温下的较短时间暴露。这些优点能产生良好的焊接点牢固性和使元件失效减少。

回流焊接被广泛地用于表面装配工业，特别是用于印刷电路板的自动生产。通常，将小型电子元件表面安装到一印刷电路板上，在其上已通过诸如网板印刷、型版喷刷或撒布等方法施加了一种乳状或浆状稠度的焊料。

然后，将印刷电路板置于足够高的温度下，通常高出合金的熔点50℃，从而使焊料中的焊剂和合金液化，并与元件接触，这样在随后印刷电路板冷却后，元件被焊接在线路板的位置上。所述热量可通过例如红外线、蒸气相、加热的传送带（热带）或对流装置来施加。

所述焊料一般是由分散于液体介质的软粉末状金属合金构成的，该液体介质包含一种焊剂、一种有机溶剂和一种增稠剂，增稠剂是特别用来给予混合物以所需的稠度。理想的情况下，所述焊剂组份应是非腐蚀性的，由此在焊接完成后得到本身非腐蚀性的不导电的焊剂残留物。然而，在实践中并不是这样。松香基焊剂材料诸如松香酸基焊剂被用于大多数商业上可购到的、用于表面装配工业的、配料成分具体规定的焊料中。这些焊剂通常包含活化剂，诸如卤化物，特别是溴化物，它产生了腐蚀性和导电性残留物，这需要昂贵的消耗时间的去除工艺。一般来说，这些去除工艺利用有机溶剂，例如氟氯烃，这也引起了环境问题。作为一种替换，已有人试图用水系统来去除残留物。选择的是，螯合剂也可以存在，例如能够减少由焊料反应物产生的任何脱色的苯并三唑或咪唑。

较佳的是，焊料膏的液体介质包含（以重量百分数计）0.2%至10%，较佳为0.5%至5%有机焊剂;0.1%至10%，较佳为0.5%至5%增稠剂;0至约10%，较佳为0至约3%有机胺;以及0至约1%，较佳为0至1%，最好为0至约0.5%（重量）螯合剂。

用于含非松香基焊剂的焊料的粉末状软焊料合金可包括（以重量计）例如锡∶铅合金、锡∶铅∶锑合金、锡∶铅∶银合金或锡∶铅∶银∶锑合金的颗粒。这些合金包括（以重量计）例如60%锡∶40%铅、63%锡∶37%铅、63%锡∶36.7%铅∶0.3%锑、63%锡∶35%铅∶2%银、62%锡∶36%铅∶2%银或62%锡∶35.7%铅∶2%银∶0.3%锑。焊料合金粉末的颗粒度较佳在10至150微米范围内，最好在20至100微米范围内。

含非松香基焊剂的焊料可以常规方式，通过将粉末状软合金与液体介质混合而制得。较佳的是，所述焊料包括70%至95%（重量）合金和相应的5%至30%（重量）液体介质，最佳包括75%至90%（重量）合金和相应的10%至25%（重量）液体介质（以合金和液体介质的合并重量100%计算。

为了显著地消除合金颗粒的氧化作用以制得基本上无氧化物的焊料，即氧化物小于0.1%（重量，以合金总重量计算），可在一仅有氮气或惰性气体的气氛中制备粉末状软焊料合金。

本发明的加热步骤可通过红外线、对流、蒸汽或加热的传送带（热带）手段进行，操作可以在其中进行的室或容器可包括炉子等。

图1热分布曲线A是用于常规回流焊接的典型热分布曲线。所述基片、焊料和元件在最高温度下保持较长的时间，如由加热周期中部的平顶所表示的。尽管这种热分布可用于本发明，但较佳的热分布是图1所示的那类热分布B，其中在表示为一尖峰的较短时间内达到最然而，由于沾化较差，用该系统难以获得必需的渗透作用以达到所需的清除。另外，焊剂残留物的去除是困难的，特别是从位于焊接其上的元件下方的印刷电路板区域去除是困难的。

松香基焊剂具有另外的缺点，不管它们是否包含常规的活化剂。例如，腐蚀性的松香基焊剂残留物趋于粘着，由此禁止了电路的自动测试，并就美观方面来说也是不利的。

使用含松香基或轻度活化的松香基焊剂的焊料也会导致焊料对基片和待焊接的元件的湿润性较差。

焊剂残留物趋于吸湿，由此引起溅射，并且有些焊剂也损害焊接点牢固性，通过诸如让焊料中的合金颗粒从焊料位置迁移的机制，从而在焊接点周围形成许多离散的软焊料小球，结果产生了电路短路。

Hedges等（英国专利号GB2，198，676）试图用配料中没有松香基焊剂的焊料来解决焊剂残留物问题，其中粉末状合金分散在内的液体介质包括一种基本上与水不溶混的有机溶剂，诸如萜品醇，它包含作为焊剂的至少一种有机酸（而不是松香或改性松香），一种胺或一种氢卤化胺以及至少一种增稠剂。这种含非松香基焊剂的配方可在商业上由Multicore    Solders，Hertfordshire，England购得，牌号为Multicore    X-32。

然而，即使当遵循推荐的加热温度分布，当在空气中回流时，Hedges等的焊料仍会获得一种察觉得到的残留物。其沾化较差。这就意味着，用上述焊料对于在空气中进行回流操作的操作窗是窄的，因此难于在商业上实用化。

通过采用消除氧与焊料任何接触的氮气消洗系统，可控制引线镀锡工艺中熔融焊料表面的氧化，见The    Welding    Journal，Vol    65，No.10，P65（1986）。在任何焊接操作之前，在元件上进行引线镀锡操作。已证实氮气可减少白雾，并增加勉强可焊元件的焊接机会。基本上与水溶混的有机溶剂;和至少一种增稠料;

（ⅱ）将所述基片置于低氧化性气氛中，该气氛包括不超过约百万分之1500的氧;不超过约1.5%（体积）水蒸气;选自由氮气、二氧化碳、氢气、惰性气体或其混合物构成的组的基本气体;其中如果存在水蒸气或氧气，氢气存在的量应能有效地减少水蒸气或氧气的氧化势;其中如果既不存在氧气也不存在水蒸气时，所述基本气体是从由氮气、二氧化碳、氢气或其混合物构成的组中选取的;和（ⅲ）将在所述含非松香基焊剂的焊料中的焊料合金加热，并熔化元件的焊接点以形成基本上无残留物的焊接点。

还揭示了一种方法，其中步骤（ⅱ）在步骤（ⅰ）前进行。

图1是用较佳的含非松香基焊剂的焊料在含空气的气氛中和在低氧化性气氛中进行回流焊接的两种热分布型示意图。

本发明的气氛是一种低氧化性气氛。它较佳包括不超过过约百万分之1500的氧气;不超过约1.5%（体积）的水蒸气;和选自由氮气、二氧化碳、氢气、惰性气体或其混合物构成的组的一种基本气体;其中如果存在水蒸气或氧气，则氢气存在的量应能有效地减少水蒸气或氧气的氧化势;当既不存在氧气也不存在水蒸气时，所述基本气体是从由氮气、二氧化碳、氢气或其混合物构成的组中选取的。更佳的是包括约0.5%（体积）至约1.5%（体积）水蒸气的气氛。

另外，较佳的是这样的气氛，其中氢气占气氛总体积的约2%至约20%（体积），记住氢气存在的量总是应能有效地减少气氛中存在的水蒸气或氧气的氧化（电）势。水蒸气和氧气两者各自的氧化势或两者结合的净氧化势必须如此低，以致使得在回流焊接时不形成残留物或只形成极少的残留物。这结果是存在的氢气量（体积）通常大于水蒸气量，因为氢气将减少水的氧化势。氧气被限制仅为痕量，以致使得不产生氧化，并因此不干扰焊接过程。氢气也减少了氧气的氧化势。任估计它还能减少不沾化、开路、焊料球、跨接和未对准，见M.J.Mead和M.Nowotarski在SMART    IV    Conference，January    11-14，1988会议上宣读的文章“The    Effects    of    Nitrogen    for    IR    Reflow    Slodering，Technical    Paper，SMT-IV-34。

本发明出人意料地克服了上述问题，并保证了基片和元件的良好沾化。另外，本发明只留下极微的焊后残留物，由此省去了焊后清洁操作。因此，本发明的一个目的是提供一种将焊后残留物减至最小的回流焊接的方法。本发明的进一步目的在于提供一种可在较宽温度范围内操作的回流焊接的方法。本发明的又一个目的在于提供了一种保证基片和元件良好沾化的回流焊接方法。本发明的另一个目的是提供一种使元件在最高温度下暴露较短时间的回流焊接的方法。

根据本发明，提供了一种通过在低氧化气氛中在所述组分存在情况下加热含非松香基焊剂的焊料来将至少一个可焊元件连接到基片上的方法。

本发明的一个较佳特征是一个包括不超过约百万分之1500的氧气;不超过约1.5%（体积）水蒸气;和选自由氮气、二氧化碳、氢气、惰性气体或其混合物构成的组的基本气体的气氛;其中如果存在水蒸气或氧气，氢气存在的量应有效地减少水蒸气或氧气的氧化气势;而如果既不存在氧气也不存在水蒸气时，则所述基本气体是从由氮气、二氧化碳、氢气或其混合物构成的组中选取的。

本发明进一步考虑的是一种将至少一个元件连接到基片上的方法，该方法包括（ⅰ）将包含非松香基焊剂的焊料施加到所述基片上或施加到所述基片之上的所述元件上，所述含非松香基焊剂的焊料包括分散于液体介质中的细散软焊料合金，所述液体介质包括含有作为焊剂的一种或多种有机酸（而不是松香或改性松香）以及胺或氢卤化胺盐的何惰性气体在本发明中都是令人满意的。然而，如果氧气和水蒸气都不存在的话，那么基本气体是氮气、二氧化碳、氢气或其混合物。

本发明的最佳气氛包括（以体积计）约1%水蒸汽、约15%氢气和约84%氮气。

含非松香基焊剂的焊料与通常用于表面装配工业中的含松香基或轻度活化的松香基（RMA）焊剂的焊料不同之处在于：它们在焊剂中不包含树脂酸，并且它们不包含含卤化物的活化剂。

本发明的含非松香基焊剂的焊料一般为一种乳状物或浆状物。

可用于配制成本发明的较佳含非松香基焊剂的焊料包括脂族羧酸，诸如丙酸、草酸、己二酸、苹果酸、马来酸和柠檬酸，以及芳族羧酸，诸如水杨酸。在一较佳实施例中，两种或两种以上脂族羧酸，例如苹果酸和己二酸，构成了非松香基焊剂。可使用的其他有机酸为磺酸。

可用作非松香基焊剂的胺类和胺氢卤化物包括烷基或环烷基胺和芳族胺以及这些胺的氢卤化物盐类，例如二乙胺、三乙胺、环己胺、N-甲酰苯胺，以及相应的上述物质的氢卤化物，诸如三乙胺氢溴酸盐。

可用于本发明的基本上与水不溶混的有机溶剂包括单羟化合物，诸如萜品醇，以及酯，诸如2-乙氧基乙酸乙酯。这些溶剂具有较低的熔点，低于焊接温度的沸点和低的吸湿性。只要所得混合物具有较低熔点、低于焊接温度的沸点和低的吸湿性，这些溶剂可任选地与多羟化合物混合，多羟化合物诸如二元醇，例如二甘醇、丙二醇或己二醇;或诸如含羟醚，例如三甘醇单乙醚或四甘醇二甲醚。

所述增稠剂可以是任何通常用于焊料膏制备领域的那些物质，例如乙基纤维素或氢化蓖麻油。在一较佳实施例中，含非松香基焊剂的焊料膏中存在有两种或多种增稠剂，例如乙基纤维素和氢化蓖麻油。

较佳存在于液体介质中的挥发性胺可为例如吗啉或三丁胺。可供大加热。因此，所述基片、焊料和元件处于最大加热的时间周期比常规热分布型缩短了，从而减少了元件失效。

合适的基片包括（并不仅限于此）印刷电路板、混合电路、清洁金属诸如铜等，以及轻度氧化的金属诸如轻度氧化的铜等。

下列例子阐述了本发明，而不是对其限制。

例1-3

将含非松香基焊剂的焊料浆（合金组成：62重量%    Sn：36重量%    Pb：2重量%    Ag（Multicore    X-32））施加于轻度氧化的铜试样基片表面上，施加于印刷电路板基片上，施加于混合电路基片上。将基片放入一包含1%（体积）水蒸汽、15%（体积）氢气和84%（体积）氮气的室中，然后由红外线装置将其加热，加热是根据这样的热分布型进行的：175℃下预热调定200秒，在260℃峰值温度下加热5秒。焊料回流，织构不显著，没有可观察到的残留物。

例4-6

将含非松香基焊剂的焊料浆（合金组成：62重量%    Sn：36重量%    Pb：2重量%    Ag（Multicore    X-32））施加于清洁的铜试样基片表面、印刷电路板基片和混合电路基片上。将基片放入含0.55%（体积）水蒸汽、5%（体积）氢气和94.45%（体积）氮气的室中，然后由红外线装置将其加热，加热是根据下列热分布型进行的：175℃下预热调定200秒，在260℃峰值温度下加热5秒。焊料回流，织构是粗糙的，没有可见的残留物。

例7

遵照例4的过程，但用一种轻度氧化的铜试样基片代替所述基片，并用含0.60%（体积）水蒸汽、5%（体积）氢气和94.4%（体积）氮气的气氛来代替所述气氛。焊料回流，织构是粗糙的，没有可见的残留物。

例8-9

遵循例7的过程，但用印刷电路板基片和混合电路基片来代替所述基片。焊料回流良好，织构粗糙，没有可见的残留物。

对照例10-12

遵循例1-3的过程，但用含1%（体积）水蒸汽、2%（体积）氢气和97%（体积）氮气的气氛来代替所述气氛。焊料回流，有残留物。

例13-15

遵循例7-9的过程，但用含15%（体积）氢气和85%（体积）氮气的气氛来代替所述气氛。焊料回流良好，有微量残留物。

例16

遵循例4的过程，但用氮气气氛来代替所述气氛。焊料回流良好，有一些可见的有机残留物，基片的沾化充分。

例17和18

遵循例5和6的过程，但用氮气气氛来代替所述气氛，焊料回流良好，有一些可见残留物。

例19

遵循例6的过程，但用一种轻度氧化的铜试样基片来代替所述基片。焊料回流良好，几乎没有有机残留物。

例20

将一种含有非松香基焊剂的焊料（合金组成：62重量%    Sn：36重量%    Pb：2重量%    Ag（Multicore    X-32））施加于轻度氧化的铜试样基片表面。将所述基片放入二氧化碳气氛中，随后由红外线方法将其加热，加热是根据下列热分布型进行的：200℃下预热调定180秒，在260℃峰值温度下加热5秒。焊料回流良好，有一些有机残留物。基片的沾化充分。

对照例21-23

将含有非松香基焊剂的焊料浆（合金组成：62重量%    Sn：36重量%Pb：2重量%    Ag（Multicore    X-32）分别施加于清洁铜试样基片表面、印刷电路板基片和混合电路基片上。将基片放入总流速为2英尺/小时的100%氦气气氛中，然后通过红外线方法加热，加热是根据下列热分布型进行的：175℃下预热调定200秒，在260℃峰值温度下加热6秒。焊料不熔化。

对照例24-26

遵循对照例21-23的过程，但采用不同的热分布型，即在175℃下预热调定200秒，在260℃峰值温度下加热7秒。所述焊料不熔化。

对照例27-29

遵循例4-6的过程，但用空气气氛来代替所述气氛。焊料熔化，但仅部分回流，有焊料球形成。

对照例30

遵循对照例27的过程，但用轻度氧化的铜试样基片来代替所述基片。焊料熔化，但仅部分回流。所述焊料不沾化铜试样基片，有焊料球形成。

所有上述专利、申请和公告是作为参考结合于本文中的。

在上述详细描述的基础上，对于那些该领域的熟练人员来说，还可以提出本发明的许多变化形式，例如，可用其他合金来形成焊料，可用其他方法来提供热量。所有这些明显的变化都在附属权项的全部范围内。

Claims (19)

1、一种将至少一个可焊剂元件连接到基片上的方法，它包括在低氧化性气氛中在所述元件的存在条件下将含非松香基焊剂的焊料加热。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛包括不超过约百万分之1500的氧;为超过约1.5%（体积）水蒸汽;以及一种选自由氮气、二氧化碳、氢气、惰性气体或其混合物构成的组的基本气体;其中如果存在水蒸汽或氧气，存在的氢气量应有效地减少水蒸汽或氧气的氧化势;其中如果氧气和水蒸气两者都不存在的话，所述基本气体是从由氢气、氮气、二氧化碳和其混合物构成的组中选取的。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述基本气体是氮气。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛包括约0.5%至约1.5%（体积）水蒸汽以及约2%至20%（体积）氢气。

5、如权利要求3所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛包括约1%（体积）水蒸汽、约15%（体积）氢气和约84%（体积）氮气。

6、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述含非松香基焊剂的焊料包括分散在液体介质中的细分散的软焊料合金，所述液体介质包括含有作为焊剂的一种或多种有机酸（而不是松香或改性松香）以及胺或氢卤化胺盐的基本上与水不溶混的有机溶剂;和至少一种增稠剂。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述含有非松香基焊剂的焊料进一步包括一种在使用该焊料的焊接操作过程中能与任何多余的残留酸反应的挥发性胺，能减少由焊料反应产物引起的任何脱色的螯合剂，或其组合物。

8、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述基本上与水不溶混的有机溶剂是从由单羟化合物、与多羟化合物混合的单羟化合物或其混合物构成的组中选取的。

9、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述合金是从由锡∶铅合金、锡∶铅∶锑合金、锡∶铅∶银合金和锡∶铅∶银∶锑合金构成的组中选取的。

10、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛是包含于一红外线回流炉中。

11、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛是包含于一对流回流炉中。

12、一种将至少一个元件连接到基片上的方法，其特征在于该方法包括：

（ⅰ）将包含非松香基焊剂的焊料施加到所述基片上或在所述基片上的所述元件上，所述含非松香基焊剂的焊料包括分散于液体介质中的细散软焊料合金，所述液体介质包括含有作为焊剂的一种或多种有机酸（而不是松香或改性松香）以及胺或氢卤化胺盐的基本上与水不溶混的有机溶剂;和至少一种增稠剂;

（ⅱ）将所述基片置于低氧化性气氛中，该气氛包括不超过约百万分之1500的氧;不超过约1.5%（体积）水蒸汽;选自由氮气、二氧化碳、氢气、惰性气体或其混合物构成的组的基本气体;其中如果存在水蒸汽或氧气，氢气存在的量应能有效地减少水蒸汽或氧气的氧化势;其中如果既不存在氧气也不存在水蒸汽时，所述基本气体是从由氮气、二氧化碳、氢气或其混合物构成的组中选取的;和

（ⅲ）将所述基体加热至一温度，以足够能形成基本上无残留物的焊接接头。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述步骤（ⅱ）是在步骤（ⅰ）前进行的。

14、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述基本气体是氮气。

15、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛包括0.5%至约1.5%（体积）水蒸汽以及约2%至约20%（体积）氢气。

16、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛包括约1%（体积）水蒸汽、约15%（体积）氢气和约84%（体积）氮气。

17、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛是包含于红外线回流炉中。

18、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述低氧化性气氛是包含于对流回流炉中。

19、如权利要求12所述的方法，其特征在于所述焊料合金包括铅∶锡∶银合金;所述低氧化性气氛包括约1%（体积）水蒸汽、约15%（体积）氢气和约84%（体积）氮气，所述低氧化性气氛是包含于红外线回流炉中;所述加热是根据合适的热分布型进行的。