CN1139607A - 具有优越力学性质的无铅焊料 - Google Patents

Abstract

本发明透露了一种具有优越的力学性质的无铅焊料。该无铅焊料的组成按重量％的含有：4-9％的Zn、2-5％的In、1-24％的Bi以及其余为Sn。

Description

具有优越力学性质的无铅焊料

本发明涉及用于诸如印刷电路板，混合板等电子组件中布线的无铅焊料。特别地，本发明涉及具有优越的力学性质的Sn-Zn-In-Bi的无铅焊料。

已被最广泛使用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组件中。

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的焊料可用于较宽的温度范围，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。

作为出现了禁止用焊接铅的规定的结果，近来开始研制无铅焊料。例如，美国专利1,778,733提出由Sn-Ag(0.005-3％)-Cu(0.7-6％)组成的无铅焊料。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。然而，这些无铅焊料是用于焊接管道的，不仅其熔化点高，而且其熔化点范围宽。因而不能用于焊接电子组件，其原因如下：即，用于焊接电子组件的无铅焊料必须具有适合于焊接温度的独特性质。这就是，在用于焊接电子组件的无铅焊料的情形下，熔化温度和凝固温度的范围是重要的。

即，特别用于焊接电子组件所选的无铅焊料应具有低的熔化温度，其低的程度应使得不会损坏邻近的温度敏感的电子部件。而且，在焊接之后，它必须具有高的熔化温度范围，使得焊接结合处在使用中具有温度稳定性。

而且，无铅焊料大部分具有经过易熔反应的组合体系。因而，如果焊料具有不同于相关易熔组成的特殊组成，则它穿过焊接后从熔化状态开始凝固的液态线。从而液相和固相共存，并且然后到达固态线而完成凝固。这就是凝固温度范围。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，如果凝固温度范围短，则特别在无铅焊料中对于分步式焊接它将是有利的。

同时作为适用于焊接电子组件的无铅焊料，最近已研制出Sn-Zn-In无铅焊料。这些焊料的一个典型是美国专利5,242,658中所透露的。美国专利5,242,658的无铅焊料的组成为：72.28-89.4％的Sn，6.7-1 9.2％的Zn和2.7-19.4％的In。在该无铅焊料中，是通过向传统的Sn-Zn合金添加In降低熔化温度的，并解决了Zn的氧化和抗蚀以及废渣形成的问题。而且提供了低熔化温度以及窄的熔化温度范围。但是由于添加In的结果，在微观结构中形成了不规则的针状枝晶，从而降低了机械强度，结果减弱了最终的结合强度。

本发明旨在克服上述传统技术的缺点。

于是本发明的目的是提供一种具有改进的机械强度的无铅焊料，其中向传统的Sn-Zn-In无铅焊料加入了适量的Bi，以便抑制针状枝晶的形成从而具有不同的微观结构，使得无铅焊料具有适当的熔化温度和凝固温度的范围以及改进的机械强度。

为达到以上目的，根据本发明的无铅焊料按重量％的组成为：4-9％的Zn，2-5％In，1-24％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是表示传统的无铅焊料和根据本发明的无铅焊料的力学性质的示意图；

图2是一曲线图，表示传统的无铅焊料和根据本发明的无铅焊料的应力—应变；以及

图3是一照片，表示传统的无铅焊料和根据本发明的无铅焊料的微观结构。

根据本发明的无铅焊料中所含的Zn的量最好应在易熔组成(Sn-9Zn)附近。如果Zn的含量过小或过大，则熔化温度范围变宽。因而，根据本发明的无铅焊料中Zn的含量最好应限制在4-9重量％(以下称为％)。

同时，组份In降低了熔化温度并改进了无铅焊料的浸润性。如果In的含量小于2％，则它添加的作用变得不足，而如果其含量多于5％，则在室温下沉积γ-Sn相。进而γ-Sn相(六方晶体)被相移到β-Sn相(面心立方晶体)，其结果是焊接结合处的热疲劳特性恶化。因而添加In的含量最好应限制在2-5％。

与组份In组合添加的组份Bi降低了熔化温度，更重要的是，由于In的添加所引起的针状枝晶通过加Bi而被抑制。即使以少量的Bi即可抑制针状枝晶。但是如果Bi的添加太大，则熔化温度大大降低，可是熔化温度的范围变得太宽。考虑到这一因素，Bi的含量最好应当限制在1-24％。

具有上述组成的本发明的无铅焊料可通过一般方法浇铸制造，即秤重金属原料，并在坩埚或熔锅中在空气中加热并搅动。可是，如果在空气中熔化原料金属，原料金属及合金中的杂质或非金属物与空气发生反应，其结果是可溶性气体、诸如可溶性氮或可溶性氧存留在焊接合金中。从而阻止了基材料上浸润性以致降低了可焊接性，或在被焊接的部件中形成孔隙。因而，可能在导热性、热疲劳性和产品的可靠性上会出现问题。因而，为了最大限度地减少在空气中铸造所形成的杂质或非金属物以及可溶性气体，并为了改进了可焊接性、热疲劳性和产品的可靠性，根据本发明的无铅焊料最好是在真空中或是在惰性气体中制造(熔化)。于是抑制了Bi和Zn的氧化，从而使废渣的形成减少到最小。

按上述方式制造的本发明的无铅焊料可具有各种形状，诸如铸锭、矩形、圆形等。而且，它可制成各种大小。而且在粉末焊料的情形下，通过混合焊剂制成焊料糊的形状。

这样制成的本发明的无铅焊料不仅具有适用于焊接电子部件的熔点，而且具有窄的凝固温度范围，因而适用于进行分步式焊接。而且它具有优于传统的Sn-Zn或Sn-Zn-In焊料的改进的机械强度。特别地，本发明的无铅焊料当其形成包含5-9％的Zn，2-5％的In，1-10％的Bi以及其余为Sn时，则成为合乎需要的。

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>

诸如Sn，Zn，In与Bi金属原料按以下表1中所示秤重，并通过在感应炉中熔化它们在空气中铸造。

并且，为了比较之用，铸造了包含Sn，Zn与In的传统的焊料。

对于各铸造合金，测量其在凝固过程中的液态线温度与固态线温度，测量结果示于以下表1。<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   9    2    4      188         193          5发明例2  80   9    2    9      175         190          15发明例3  75   9    2    14     165         185          20发明例4  65   9    2    24     140         167          27发明例5  85   9    5    1      188         191          3发明例6  80   9    5    6      175         184          9发明例7  76   9    5    10     172         182          10发明例8  70   9    5    16     153         170          17发明例9  87   7    2    4      187         194          7发明例10 89   5    2    4      186         193          7发明例11 79   4    5    12     165         -            -传统例1  86   9    5    -      188         192          4传统例2  81   9    10   -      178         -            -

如以上表1中所示，在本发明的例子1-11的情形下，看到凝固温度范围与传统的Sn-Zn-In无铅焊料的温度范围相等，同时熔点是低的。这表示根据本发明的Sn-Zn-In-Bi的无铅焊料具有象传统无铅焊料那样适用于焊接电子组件的可焊接性。<例子2>

为了比较地看出传统的无铅焊料与本发明的无铅焊料的力学性质，对于传统的Sn-40Pb与Sn-8Zn-5In焊料，以及对于本发明例子1与5测量了力学性质。该测量结果示于图1中。

如图1中所示，在本发明例子1与5的情形下，与传统焊料相比其张力强度是特别优越的。

进而，对于传统的Sn-9Pb与Sn-8Zn-5In焊料以及本发明例子1与5，测量其应力-应变关系，测量结果示于图2中。

如图2所示，同传统的Sn-9Pb与Sn-8Zn-5In焊料相比在本发明的例子1与5中引起应变需要大的应力。

考虑上述力学性质，显然同传统的Sn-Pb，Sn-Zn或Sn-Zn-In焊料相比，根据本发明的无铅焊料在其最终连接强度上是优越的。

为了通过观察微观结构确认这一事实，拍摄了示于图3的传统的Sn-8Zn-5In焊料与本发明材料1的微观结构的照片。

如图3所示，在传统的Sn-8Zn-5In焊料中(图3，(A))观察到针状枝晶结构，同时在本发明的材料1(图3，(B))中无规则的针状枝晶结构通过添加Bi受到抑制。看到微观结构中的这一差别，显然本发明的无铅焊料在其力学性质上是优于传统的无铅焊料的。

如上所述，根据本发明的无铅焊料不仅在其可焊接性上与传统的无铅焊料几乎相等，而且其机械性质优于传统的无铅焊料。因而，如果它用于电子组件的接线，最终的连接强度变得较高。

Claims (5)

1.一种具有优越的力学性质的无铅焊料，它包括按重量％的组成含有：4-9％的Zn、2-5％的In、1-24％的Bi以及其余为Sn。

2.如权利要求1所述的无铅焊料，其中按重量％的组成包含：5-9％的Zn、2-5％的In、1-10％的Bi以及其余为Sn。

3.如权利要求1所述的无铅焊料，其中按重量％的组成包含：7-9％的Zn、2-3％的In、4-9％的Bi以及其余为Sn。

4.如权利要求1所述的无铅焊料，其中按重量％的组成包含：8-9％的Zn、4-5％的In、6-10％的Bi以及其余为Sn。

5.一种具有优越的力学性质的无铅焊料，其特征为：

该材料具有固态线温度140-193℃以及液态线温度167-196℃；并且

该材料由Zn，In，Bi与Sn组成。

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