CN1139605A - 具有优越可焊接性的无铅焊料 - Google Patents

Abstract

本发明透露了用于焊接电子部件导线的一种无铅焊料。该无铅焊料按重量％的组成为：3-4％的Ag、2-5％In、6-14％的Bi以及其余为Sn，并且该焊料显示出优越的可焊接性。

Description

具有优越可焊接性的无铅焊料

本发明涉及供电子部件中接线之用的无铅焊料。特别地，本发明涉及锡—银—铟—铋系列可焊接性优越的无铅焊料。

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，焊接的材料必须具有高的熔化点范围，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合系统构成的。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。因而重要的是焊料组成应具有尽可能小的凝固温度范围。在连续焊接过程中具有小的凝固温度范围的焊料是有利的。

此外，对基材料的浸润性必须优越，使得可焊接性优越，并且焊接后的结合强度高。

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，Sn-Pb合金包含不分解的金属铅，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件，并用来焊接铜件。然而发现铅溶解到水中对人体健康在常时期构成有害影响。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)对于空气和工作中可忍受的铅含量规定了铅标准。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目的也是被禁止的。这种趋势在国内场合是类似的。

由于出现了这样的禁止用焊接铅的规定，从而开始研制无铅焊料。例如，美国专利5,256,370透露了用于连接和密封电子部件的无铅焊料。上述专利的无铅焊料包含50-92％的Sn，1-6％的Ag研究4-35％的In，并且其特点在于，它在用于电子部件的情形下包含有大量的铟。但是铟是昂贵的，特别地，如果铟的添加在5％或更多，则微观结构包含γ-Sn相。而且根据温度的变化，γ-Sn相(六方晶系)转移为β-Sn相(面心立方晶系)，结果焊接部分的可靠性受到不利影响。

本发明旨在克服上述传统技术的缺点。

作为不断研究和反复实验的结果，本发明者们提出本发明。

于是本发明的目的是提供一种无铅焊料，其中铟和铋是混合添加的以便抑制γ-Sn的形成并改进浸润性，使得焊料能具有适用于电子部件接线的熔点，并且凝固温度的范围是狭窄的，力学性质优越，并且可焊接性优越。

为达到以上目的，无铅焊料按重量％的组成为：3-4％的Ag，2-5％的In，6-14％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，表示传统的焊料和根据本发明的焊料的可焊接性；

图2是根据本发明的无铅焊料的一张照片；以及

图3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。

包含在根据本发明的无铅焊料中的组份Ag起到改进浸润性及热疲劳性的作用。其含量最好应为3-4重量％(以下由％表示)。其原因如下。如果其含量小于3％，浸润性与热疲劳性降低，而如果其含量多于4％，其熔化温度陡然升高，而且无助于改进浸润性。

同时，组份In起到改进浸润性和降低熔化温度的作用。其原因如下。如果其含量小于2％，则它变得无效，而如果其含量多于5％，则在微观结构中形成γ-Sn相，其结果是出现从γ-Sn到β-Sn的相移，因而降低了可焊接性。于是合乎需要的添加In的组份在2-5％的范围。

而且，组份Bi与组份In一起通过抑制微观结构中的γ-Sn相的生长改进了浸润性。如果添加组份Bi为6％或更少，则其作用太弱，而如果添加它达14％或更多，使得熔化温度范围变宽。因而Bi的含量最好应当限制在6-14％。

具有上述组成的无铅焊料可通过一般方法浇铸制造，即把改进的原料组份放入坩埚或熔锅，在空气中加热并搅动。在这样的条件下，在空气中进行熔化时，金属中的杂质或合金中的非金属物可能与空气发生反应而形成可溶性气体，诸如可溶性氮或可溶性氧。从而基材料中浸润性恶化以致降低可焊接性，或在被焊接的部件中产生孔隙。因而，浸润性，导热性，热疲劳性和产品的可靠性会恶化。

因而，本发明通过在以下方式的合金制造过程中把杂质中以及非金属物中可溶性气体减少到最少，改进了可焊接性性，热疲劳性和产品的可靠性。即本发明所述的焊料最好是通过在真空中或是在惰性气体气氛中熔化合金组份来制造，于是能特别抑制Bi组份的氧化，从而把废渣的形成减少到最小。

按上述方法制造的本发明的无铅焊料可形成各种形状，诸如铸锭，矩形，圆形等。而且，它可制成各种大小的圆球形。而且可与适当的焊剂混合制成焊料糊。

根据本发明的无铅焊料可用于焊接电子部件。而且，凝固温度范围窄，因而有利于进行分步式焊接。本发明的无铅焊料与传统的Sn-Pb焊料相比不仅机械强度优越，而且与传统的Sn-Ag-In焊料相比浸润性及可焊接性也是优越的。

现基于实例说明本发，但是本发明的范围是不限于这里所提出的特别的例子的。

<例1>

准备出如下表1所示的焊接成分，并在感应炉中熔化。然后进行铸造，并对于铸成的焊料测量其固态线和液态线。测量结果示于以下表1中。<表1>

                                                 重量百分比％实例       Sn    Zn   In   Bi   固态线温   液态线温   凝固温度范

                              度(℃)     度(℃)    围度(℃)发明例1    85    3    5    6      191.4      204.5      13.1发明例2    84    3    5    8      194        205        11发明例3    83    3    5    9      192        204        12发明例4    82    3    5    10     189        202        13发明例5    80    3    5    12     189        205        16发明例6    78    3    5    14     187.5      205        17.5发明例7    88.2  3.05 1.98 6.77   199        213        14传统例1    87.7  3.2  9.1  -      202.4      207.5      5.1传统例2    77.2  2.8  20   -      178.5      189.1      10.6

如以上表1中所示，在其中Bi添加在Sn-Ag-In系列焊接组成的发明例1-7的情形中，液态线的温度为202-213℃，固态线温度为187-199℃，而凝固温度范围是11-17.5℃。这些特点几乎与其组成包含Sn，Ag与In的传统例子1-2的特点相似，在传统例子中液态线温度为189.1-207.5℃，固态线温度为178.5-202.4℃，凝固温度范围是5.1-10.6℃。

<例2>

测量例1的传统焊料1与本发明的焊料7的浸润性，其结果如图1中所示。

如图1所示，与具有Sn-Ag-In组成的传统的例1相比，加有Bi的本发明的例7在时间上的浸润性优越。可以断定，虽然两个例子在它们的液化温度与固化温度上是类似的，但是与传统的例1比较本发明的例7显示出优越的可焊接性。

其原因如下。即如显示了微观结构的图2的照片所示，Ag3Sn沉积物在本发明的无铅焊料中更为均匀，其结果是可焊接性优越。

<例3>

为了同传统的Sn-Pb焊料比较无铅焊料的性质，对于本发明的例2与Sn-Pb焊料两者对比地测量了其力学性质，测量结果示于图3中。

如图3中所示，与传统的Sn-40Pb焊接合金比较，本发明例子2显示出优越的张力强度。这就是说本发明的无铅焊料在结合强度上是优于传统的Sn-Pb焊料的。

根据上述的本发明，本发明的无铅焊料在机械强度上是优于传统的Sn-Pb焊料的。而且在焊接后最后的结合强度上是远比现有的焊料优越的。而且由于它不含铅，工作环境得以改善。特别是根据本发明的无铅焊料的浸润性优于传统的Sn-Ag-In无铅焊料，同时与后者比较前者表现出熔化温度和凝固温度范围的类似水平。

Claims (4)

1.具有优越的可焊接性的一种无铅焊料，包括按重量％所含的组成为：3-4％的Ag，2-5％的In，6-14％的Bi以及其余为Sn。

2.如权利要求1中所述的无铅焊料，其中按重量％的组成包含：3-4％的Ag，2-3％的In，6-7％的Bi以及其余为Sn。

3.如权利要求1中所述的无铅焊料，其中按重量％的组成包含：3-4％的Ag，4-5％的In，7-10％的Bi以及其余为Sn。

4.具有优越的可焊接性的一种无铅焊料，其特征为：

该焊料具有固态线温度为202-213℃，液态线温度为187-199℃，以及

该焊料包含Ag，In，Bi与Sn。