CN1195592A - 焊料用无铅合金 - Google Patents

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Abstract

一种焊料用无铅合金,不含铅,熔点、焊接强度及寿命得到改善,代替含铅的焊料,可防止焊接时铅对人体的侵害,减少金属氧化物的产生量,降低电路板焊接时的不良率,其组成为:铋(Bi)0.1—5.0wt%,银(Ag)0.1—5.0wt%,锑(Sb)0.1—3.0wt%,铜(Cu)0.1—5.5wt%,磷(P)0.001—0.01wt%,锗(Ge)0.01—0.1wt%,其余为锡(Sn)。

Description

焊料用无铅合金
本发明涉及焊料用无铅合金，特别涉及采用不含有铅的合金进行焊接，防止人体受铅中毒损伤，减少金属氧化物的产生量，降低电路板连接时的不良率，并且可以明显降低废铅产生量的焊料用无铅合金。
一般，焊接是将焊料熔融而连接金属的方法，作为焊接用材料，使用比所焊接金属的熔点温度还要低的金属，其种类大致可分为在比铅(Pb)的熔点温度(327℃)低的温度熔融的软铅，和熔点温度大致在450℃以上的硬铅。
上述软铅因为在低温下熔融，所以容易进行焊接作业，但机械强度不够，用于大部分应力不作用的部分及钢铁、黄铜、铜或镍等的薄板材、或细线材、马口铁、及锌板、或铜合金等产品。
上述软铅使用铅(Pb)和锡(Sn)的合金，各成份的含量不同，其拉伸强度及折断强度也不一样。而硬铅为粉沫、条及线形状，具有以铜、锌、及铅为主要成份的黄铜铅，及添加有银、流动性良好的银铅。
铅焊作业是在焊接部位涂上盐酸，在加热的烙铁头部接触到盐酸水后，将铅熔化而进行焊接；硬焊接是用乙炔枪或气体加热而进行焊接。
然而，如上所述的现有焊料其主要成份含有10-75％的铅，因此，在进行焊接作业时，操作者暴露于因焊料熔融所产生的有毒气体中，从而对人体产生致命的损害。
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供如下一种焊料用无铅合金，其不含铅，熔点、焊接强度及寿命均较优越，可以替代含铅的焊料，可防止焊接时铅对人体产生损害，并减少金属氧化物的产生量，降低电路板焊接时的不良率。
为了达到上述目的，本发明的无铅合金由以下成份组合：铋(Bi)0.1-5.0wt％、银(Ag)0.1-5.0wt％、锑(Sb)0.1-3.0wt％、铜(Cu)0.1-5.5wt％、磷(P)0.001-0.01wt％、锗(Ge)0.01-0.1wt％、及剩余部分锡(Sn)。
下面，说明本发明的实施例。
本发明涉及的无铅合金，在作为焊料基本组合物的锡和铅中不使用剧毒性的铅，具有比现有的焊料更加优良的焊接性能。
而且，本发明涉及的无铅合金，非常适用于将IC及芯片这样的电子元件焊接到印刷电路板(PCB：Printed Circuit Board)及多层电路板的焊接区(LAND)或焊盘(PAD)上。在焊接时，相关的工艺(Process)由化学的、冶金的反应进行，在与熔融的焊料焊接的金属材料之间形成金属间化合物(intermetallic compound)。即，现有的焊接，是在焊接过程中，作为焊料主要成份的锡和铅的锡与焊接区构成材料铜形成金属间化合物Cu3Sn或Cu6Sn5，通过该金属化合物进行焊料与焊接区(LAND)的焊接反应。这时，铅用于帮助铜与锡顺利地结合形成二元化合物，起降低两种金属的反应温度、及熔融温度的作用。
这样，在由锡和铅构成的现有焊料中一旦去除铅，则熔融温度将上升，在单独使用锡的情况下，因锡发生β变态-α变态，所以强度提高，但冲击强度却不足。
因此，本发明在全部组成成份中含有0.1-5.0wt％的铋(Bi)，起到降低焊料的熔融温度的固相线(Solidusline)的作用。
但是，由于铋本身为脆性材料，所以在本发明中还在锡中分散有锑(Sb)0.1-3.0wt％，以防止锡熔融时产生β-α变态，也可改善锡-铋合金的脆性。由于锑与铋具有完全混合的性质，所以不会发生因锑的添加而使锡在某种程度上不发挥作用的情况。
为了提高焊接强度，本发明还添加有0.1-5.0wt％的银(Ag)，但因银的原子半径小，所以，加速了合金熔融过程中向焊接母材的扩散速度，起到了提高焊料合金与母材金属的焊接强度的作用。
此外还添加铜。由于与焊接母材属同一成份，所以起提高焊接强度的作用，其含量在全部组成中占0.1-5.5wt％。
另外，本发明代之不含铅而含有大量的锡，但会因此增加金属氧化物的产生量，因此，添加有0.01-0.1wt％的锗(Ge)和0.001-0.01wt％的磷(P)，锗及银可以抑制与氧结合而产生的金属氧化物，可以提高焊接部承受热变形及应力的热疲劳特性，防止结晶颗粒粗大化，以减少焊接部位产生裂缝的可能性，确保可靠焊接。而且，由于减少了构成焊料的金属产生金属氧化物的产生量，而提高了焊接作业的操作性，在从根本上杜绝因桥接、冷铅或少铅等产生的不良焊接方面发挥重要作用。
根据以上各成份的作用，本发明的合金不含有铅，与现有的焊料合金相比，显示了优越的特性。
下面，根据实施例详述本发明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
所制造的焊料用无铅合金组成为：铋6.0wt％，银1.5wt％，锑0.4wt％，铜0.1wt％，磷0.03wt％，锗0.003wt％，其余为锡。
实施例2
所制造的焊料用无铅合金组成为：铋7.0wt％，银2.0wt％，锑0.8wt％，铜0.5wt％，磷0.02wt％，锗(Ge)0.004wt％，其余为锡。
实施例3
所制造的焊料用无铅合金组成为：铋8.5wt％，银2.5wt％，锑1.0wt％，铜1.0wt％，磷0.04wt％，锗0.008wt％，其余为锡。
实施例4
所制造的焊料用无铅合金组成为：铋6.0wt％，银1.5wt％，锑0.4wt％，铜0.1wt％，磷0.01wt％，锗0.001wt％，其余为锡。
实施例5
所制造的焊料用无铅合金组成为：铋7.0wt％，银2.0wt％，锑0.8wt％，铜0.5wt％，磷0.05wt％，锗0.005wt％，其余为锡。
实施例6
所制造的焊料用无铅合金组成为：铋8.5wt％，银2.5wt％，锑1.0wt％，铜2.0wt％，磷0.1wt％，锗0.01wt％，其余为锡。
比较例
所制造的焊料合金其组成为：锡63wt％，铅37wt％。
实施例
将由上述实施例1至6所制造的焊料用无铅合金与比较例的焊料进行比较，其熔点、氧化量、焊接强度、蠕变寿命显示如下：[表1]
Figure A9810385700061
如上表所示可知，由本发明制造的焊料用无铅合金与现有的比较例焊料相比，在熔点、焊接强度、及蠕变寿命等方面具有优越性，在氧化量上，实施例1-4比较好，实施5则相同。
如上所述的本发明，焊料用无铅合金以锡为主要成份，并添加有铅、银、铋、锑、磷、及锗而构成，不使用铅，与现有的焊料相比，在熔点、氧化量、焊接强度、及蠕变寿命等方面得到进一步改善，由于不含有铅，可以使焊接时所产生的气体对人体产生不良影响减为最小。

Claims (1)

1.一种焊料用无铅合金，其特征在于，其组成为：铋(Bi)0.1-5.0wt％，银(Ag)0.1-5.0wt％，锑(Sb)0.1-3.0wt％，铜(Cu)0.1-5.5wt％，磷(P)0.001-0.01wt％，锗(Ge)0.01-0.1wt％，其余为锡(Sn)。
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