CN1187161C - 焊料浸槽中铜含量的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在有表面铜线圈的印刷电路板和其上有铜引线的组件的浸焊步骤期间控制浸焊槽中的铜密度的方法，该槽装有含有至少铜作为基本组分的熔融焊料合金。该方法包括加入补充的焊料的步骤，该补充焊料完全没有铜或其铜含量的密度低于加入补充焊料之前槽中熔融焊料的铜密度，因此槽中铜密度控制在预定不变的密度或更低的密度。槽中的熔融焊料合金含有锡、铜和镍作为主要组分，补充的焊料例如含有镍和余量为锡。另外，槽中熔融焊料合金含有锡、铜和银作为主要组分，补充的焊料含有银和余量为锡。槽中熔融焊料的铜密度控制在焊料温度约255℃下为0.85重量%以下。
Description
发明的技术背景
发明领域
本发明涉及一种无铅焊料组合物，更具体地，本发明涉及一种控制焊料槽中熔融焊料合金组成的方法，以便在焊料浸入操作中得到适合的焊接接缝。
相关技术的描述
焊料典型地要求在250℃相对低的温度下焊料在金属上的可润湿性等。当印刷电路板或引线是由铜制造时，在焊接操作过程中组件表面上的铜溶解于焊料槽中。这就是所谓的铜浸出。对于无铅的焊料，在润湿过程中铜快速溶解。本发明的发明人发现了铜密度在焊料槽中快速增加。随着铜密度的增加，焊料熔点升高，表面张力和流动性改变了，从而导致焊料架桥、有孔隙、焊料连接不完全、焊料呈尖状、毛刺等。焊缝质量因此严重降低。另外，与铜密度升高有关，熔点升高。一旦开始，铜密度升高与熔点升高同时增加。
本发明的其中一个发明人研制了一种新的含有镍的焊料合金(国际公开WO99/48639)，在公开的技术中由于加镍而其流动性获得成功的改善。在这种情况下，适当控制铜含量是希望的。
一旦铜密度增加，用新的焊料更换槽中全部焊料是解决这个问题的一种有效办法。但是，更换这种焊料需要经常进行，因此增加了成本，还需要资源的无用处置。
发明的简要说明
本发明曾研究解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种控制方法，将铜密度控制在适当范围内，还不需要更换槽中的焊料。
当广泛使用的镀铜印刷板和有铜引线的组件进行浸焊操作时，由于铜的浸出，槽中熔融焊料的铜密度升高。由于认识到不可能防止这种现象，于是我们得出，通过稀释铜含量有效地控制铜密度是最好的可能办法。
在含有作为其主要组成铜的焊料合金中，例如，往无铅焊料基本组成的锡-铜低共熔合金中加入少量镍，可生产锡-铜-镍基合金，从而改善可焊接性。这种焊料溶解时，它具有极佳的可流动性，在大量电子线路板装配中还具有高浸焊操作性能。这种焊料几乎不架桥、无孔隙、焊料连接完全、焊料无尖状、毛刺等，而这些问题在大批量生产中始终存在。但是，根据槽的生产量，槽中熔融焊料的铜密度有很大增加。铜浸出产生了具有高熔点的、在预定操作温度下不能溶解的锡-铜中间化合物。我们观察到该合金粘在待焊接物体上，因此降低了焊接质量。溶于锡中的铜量随温度而改变。因为铜的熔点高达1083℃，甚至稍微增加铜也会导致焊料熔点显著增加。我们曾研究连续进行焊接操作而不增加焊料中铜密度的方法，并研制了下述方法。
当观察到含有锡、镍和铜作为其主要组成的槽中的熔融焊料的铜密度增加时，可补充含有至少锡和镍和完全无任何铜或其铜含量的铜密度低于槽中起始熔融焊料的铜密度的合金。当将约0.5％铜和约0.05％镍与余量为锡的无铅焊料加入槽中时，可补充含有至少约0.05％镍和余量为锡的合金，或含有至少约0.05％镍和余量为包括小于0.5％铜的锡的合金，以通过补充铜保持良好的焊接状态。
在另一个实例中，将约0.8％铜、约3.5％银和约0.05％镍以及余量为锡的无铅焊料加入到焊料槽中，可补充含有至少约3.5％银、约0.05％镍和余量为锡的合金，或补充含有至少约3.5％银、约0.05％镍以及余量为包括小于0.8％铜的锡的合金以保持良好的焊接状态。
由于待补充的合金(下面“补充的合金”)完全不含任何的铜或其密度低于补充合金前的熔融焊料合金密度的铜含量，补充的合金溶解于槽时，槽中的铜被稀释了。尽管以补充焊料形式加入铜不是必需的，但铜密度增加速率比预料的低时，这取决于焊料槽中的温度条件，可加入少量铜可能更好。焊料可能例如因具有透孔的印刷电路板被大量消耗。在这样的情况下，可预料补充完全没有任何铜含量的合金会过量降低铜含量，因此，补充含有少量铜的合金是优选的。
在槽中无铅焊料包括锡、铜以及镍。本发明不限于此。只要槽中焊料合金至少包括铜，就可以应用本发明。槽中焊料合金包括改善润湿性或抗氧化的元素时也可以应用本发明。为此，银、铋、铟、磷、锗等可能包括在焊料合金中。这也意味落在本发明的范围内。
考虑到槽中熔融焊料的消耗、液态温度、每块印刷电路板的焊料消耗等，可确定补充焊料的量。在许多情况下，铜密度增加与印刷电路板的产量是线性相关的。连续检测槽中熔融焊料的水平。当焊料量降低到预定水平以下时，就补充焊料。补充焊料块的形状包括，但不限于焊料棒或焊丝。因为如已经所讨论的，铜密度增加与印刷电路板的产量是线性相关的，可以补充预定重量的焊料，以满足预定的印刷电路板的产量。另外，在预定时间内进行焊料的补充。这些方法任选地可以结合使用。
以最佳的控制达到解决因铜密度升高所涉及的各种问题时，含有锡、铜和镍作为主要组成的熔融焊料的铜密度在熔融焊料温度为约255℃时优选地保持小于0.85重量％。0.85重量％密度目标值不是严格的值，而是近似值，取决于液态温度的偏移而有一余量。但是，超过0.90重量％，焊料连接变坏，从这个意义上讲，铜密度目标值可保持为0.85重量％。
通过上述方法控制的浸焊槽生产印刷电路板的设备可基本上避免加入被认为是毒性金属的铅。该设备在生产期间不污染加工的环境，而且，处理时也没有任何严重的环境问题。
附图简要说明
图1是一般技术中铜密度随连续加入Sn-约0.5％Cu-约0.05％Ni焊料时的变化图。
图2是补充含有Sn-约0.05％Ni的焊料时铜密度的变化图。
优选实施方案的描述
对比实施例
焊料槽装入含有约0.5％铜和约0.05％镍以及余量为锡的焊料。在焊接温度255±2℃下加工大量印刷电路板。当连续补充具有与起始焊料同样组成的焊料时，产量超过20000个印刷电路板时，槽中铜密度增加到不希望的值，如图1所示。结果，槽中焊料熔点升高，槽中焊料的表面张力和可流动性发生变化。焊料的可焊接性变得极差，焊料架桥、有孔隙、焊料连接不完全、焊料呈尖状、毛刺等。下面百分数全是以重量百分数表示的。
本发明的实施例1
焊料槽装有无铅焊料，该焊料含有约0.5％铜和约0.05％镍以及余量为锡。在与对比实施例相同的条件下，在焊接温度255±2℃下加工大量印刷电路板。然后补充完全没有任何铜含量的焊料。在这个实施例中，连续加入含有约0.05％镍以及余量为锡的补充焊料。铜密度稳定在约0.7％处或如图2所示。未产生很差的焊接性能。
本发明的实施例2
焊料槽装有起始焊料合金，该合金含有约0.6％铜和约0.05％镍，适当量的抗氧化金属如锗、磷或钙，以及余量为锡。在与对比实施例相同的条件下，在焊接温度255±2℃下进行焊接操作。然后补充与槽中起始焊料合金相同的焊料合金，但没有铜。结果，如实施例1，铜密度达到约0.7％并曲线展平，在这个水平达到稳定。
本发明实施例3
焊料槽装有无铅焊料，该焊料含有约0.6％铜和约0.05％镍以及余量为锡。在与前述实施例相同的条件下，在焊接温度255±2℃下进行焊接操作。然后补充没有铜，但有适当量抗氧化金属如锗、磷或钙的锡-镍焊料。结果，如上述实施例，铜密度达到约0.7％并曲线展平，在这个水平达到稳定。
使用的焊料合金是锡-铜-镍合金。有效控制的元素仅是铜，不需要控制其他元素。这是真正的合金，它含有改善润湿性或抗氧化的银、铋、铟、磷、锗等。
本发明有效控制了槽中熔融焊料中的铜，铜是主要需要的金属，但其密度超过阈值时不利于焊接性。即使使用相同的焊接槽进行大量焊接操作，焊缝的质量都保持极佳。通过上述方法控制的浸焊槽生产印刷电路板的设备可显著降低铅，既不污染生产环境和操作环境，也不在处置操作中放出大量的铅。因此大量生产时环境污染也得到基本控制。
Claims (21)
1、一种控制浸焊槽中铜密度的方法，其包括：
提供装有包含铜和锡的熔融焊料合金的浸焊槽，
浸焊至少一个含铜部件，该部件选自其上连接有铜箔的印刷线路板和其上连接有铜导线的部件，
加入补充焊料，该补充焊料完全没有铜或其铜含量的铜密度低于在加入补充焊料之前槽中熔融焊料的铜密度，使得槽中铜密度控制在预定不变的密度或更低的密度。
2、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有锡、铜和镍作为其主要组分，且其中补充的焊料含有锡和镍作为其主要组分。
3、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有锡、铜和镍作为其主要组分，补充的焊料含有锡、铜和镍作为其主要组分。
4、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有锡、铜和银作为其主要组分，补充的焊料含有锡和银作为其主要组分。
5、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有锡、铜和银作为其主要组分，补充的焊料含有锡、铜和银作为其主要组分。
6、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料水平降低到预定水平以下时，加入补充的焊料。
7、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中每次通过槽加工预定数量的印刷电路板时，把补充的焊料加到熔融焊料槽中。
8、根据权利要求1所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中在熔融焊料合金温度约255℃下，熔融焊料槽中的铜密度控制小于0.85重量％。
9、根据权利要求2所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料水平降低到预定水平以下时，加入补充的焊料。
10、根据权利要求3所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料水平降低到预定水平以下时，加入补充的焊料。
11、根据权利要求4所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料水平降低到预定水平以下时，加入补充的焊料。
12、根据权利要求5所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中槽中熔融焊料水平降低到预定水平以下时，加入补充的焊料。
13、根据权利要求2所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中每次通过槽加工预定数量的印刷电路板时，把补充的焊料加到熔融焊料槽中。
14、根据权利要求3所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中每次通过槽加工预定数量的印刷电路板时，把补充的焊料加到熔融焊料槽中。
15、根据权利要求4所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中每次通过槽加工预定数量的印刷电路板时，把补充的焊料加到熔融焊料槽中。
16、根据权利要求5所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中每次通过槽加工预定数量的印刷电路板时，把补充的焊料加到熔融焊料槽中。
17、根据权利要求2所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中在熔融焊料合金温度约255℃下，熔融焊料槽中的铜密度控制小于0.85重量％。
18、根据权利要求3所述的控制浸焊槽中铜密度的方法，其中在熔融焊料合金温度约255℃下，熔融焊料槽中的铜密度控制小于0.85重量％。
19、一种有焊缝的电气电子设备，该焊缝是根据权利要求1所述的铜控制方法在浸焊槽中产生的。
20、一种控制浸焊槽中的铜含量的方法，包括：提供装有包含锡、铜和镍作为其主要组分的熔融焊料合金的熔融焊料槽，向该槽中加入含有锡和镍作为其主要组分的补充的焊料。
21、一种控制浸焊槽中的铜含量的方法，包括：提供装有包括锡、铜和银作为其主要组分的熔融焊料合金的熔融焊料槽，向该槽中加入含有锡和银作为其主要组分的补充焊料。
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