CN1252842A - 无铅焊料 - Google Patents

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Abstract

一种焊料组合物,该组合物包括:15.0－30.0%铋、1.0－3.0%银和任选包括0至2.0%铜和0－4.0%锑以及附带的杂质,其余为锡。

Description

无铅焊料
本发明涉及包括锡、铋和银的无铅焊料组合物。这些组合物是特别适用于将电气元件/电子学元件焊接在印刷电路板上的无铅焊料组合物。
目前，用于电子学工业的典型焊料包括锡-铅合金。对铅的使用日益关注，意味着电子学工业已着手研究无铅合金。W B Hampshire发表在焊接和表面贴装技术(Soldering and Surface MountTechnology)1993年6月14期上的一篇题为”无铅焊料的研究(Thesearch for lead-free solders)”的论文列出了一些涉及无铅焊料的专利。该表如下所示：
                                    一些无铅焊料的专利专利号           年代    公司             Ag        Cu          Sb          Zn     Bi         其他US 4,879,096     1989    Oatey           0.05-3.0   0.5-6.0                        0.1-3.0Eur 0,336,575    1989    Cookson         0.01-1.5   0.02-1.5                       0.08-20    0-0.1 P+
                                                                                          0-0.2 ReUS 4,806,309     1989    Willard Indus   0.1-0.5                3.0-5.0            1.0-4.5US 4,758,407     1988    J W Harris      0-5.0      3.0-5.0                                   0.1-2.0 Ni
                                     0-0.5      3.0-5.0     4.0-6.0                       0-2.0 NiUS 4,695,428     1987    J W Harris      0.1-3.0    0.1-3.0     0.5-4.0    0.5-4.0Eur 0,251,611    1988    Engelhard       0.05-3.0   0.7-6.0US 4,670,217     1987    J W Harris      0.5-2.0                0.5-4.0    0.5-4.0UK 2,158,459A    1985    IMI Yorkshire              0.3-0.7Jap 82 30598     1982    Aoki Metal      0.1-2.0                0.05-0.5                      0.5-1.0 InUS 1,437,641     1922                    0.5-4.5    0.5-4.5                0.5-9.5
根据上文中所述，上述专利几乎仅开发管道工程方面的应用，与电子学方面的应用相比其所允许的温度较高。这样较高的温度易于损害电气元件，特别是没有散热保护的半导体器件。此外，在构成管道接头时通常优选具有某一膏状范围的合金，而电子学焊料具有更窄的膏状范围。因此，这些作者认为，上述焊料中的任一种能否在电子学工业中成功地代用是值得怀疑的。该论文着眼于各种锡-x合金的共晶，而不再考虑锡-铋合金。
已允准了一些有关无铅焊料的其他专利。例如，美国专利5,368,814公开了一种多组分的焊料合金，该合金含有至少约50％(重量)Bi、至多约50％(重量)Sn(以Sn和Bi的总量为基准)以及有效量的增强物理和机械性能的第三种组分。该第三种组分可以是Cu、In、Ag以及Cu和Ag的组合物。
美国专利5,320,272公开了一种具有接合搭接面的焊接头的电子学仪器组件，该焊接头由包括第三种金属的锡-铋合金组成。这些实例表明这些锡-铋合金含有作为第三种金属的金。据称，该合金优选含有约48-68％(重量)的铋。据说，含有低于30％(重量)或大于70％(重量)铋的锡合金要求较高的回流温度，这往往会损害通常存在于微电子学组件中的其他接合组分。该专利公开了将第三种金属涂覆在搭接面上，然后，将锡-铋焊膏淀积在该薄膜上。
美国专利4,879,096公开了一种无铅和无锑的焊料组合物，该组合物包括约0.05％至约3.0％(重量)银、约0.5％至约6.0％(重量)铜、约0.1％至3.0％(重量)铋以及约88％至约99.35％(重量)锡。据称，该专利的组合物特别适用于焊接铜管、黄铜管和管道工程中所用的配件。美国专利4,929,423还公开了一种用于焊接和密封的无铅合金，该合金用作管道工程的焊料，该焊料包括0.08％至20.0％(重量)铋、0.02％至1.5％(重量)铜、0.01％至1.5％(重量)银、0至0.10％(重量)磷、0至0.20％(重量)稀土混合物、其余为锡、以及附带的杂质。这种合金具有与常规的锡-铅管道工程焊料类似的膏状范围。
鉴于例如环境和卫生上的原因，在电子学方面的应用中使用无铅焊料将是有利的。如果这种焊料能够与现有的用于Pb/Sn合金的机械一起使用，就更有优越性。
本发明人现已发现一种新的焊料组合物，该组合物可在电子学方面的应用中使用。根据本发明，有一种焊料组合物，该组合物包括：
15.0-30.0％铋、
1.0-3.0％银和任选包括0-2.0％铜和0-4.0％锑以及附带的杂质，其余为锡。
本说明书中所用的术语“包括”可解释为是用来详细说明存在着所涉及的指定特征、整数、步骤或组分，但是，不排除存在或增加一种或多种其他的特征、整数、步骤、组分或其组合。
本发明的组合物可以包括少量，通常小于约4.0％，用以增强机械性能的其他合金添加剂。这类任选的添加剂可以包括例如铜、锑和/或镓。在一个优选的实施方案中，本发明的焊料包括0-2％铜和/或0-4％锑。除任何以杂质形式存在的铅以外，优选本发明的焊料是无铅的。市场上买到的铋可能含有微量的铅，因为已发现，在自然界中铋与铅结合在一起。不过，铅的含量通常很低，约为几个ppm。
本发明的焊料可以形成为混合物或合金的形式。当以混合物形式使用时，可以将它们以膏状形式通过人工或自动配料器，采用类似丝绢网的模板或通过直接成像法，涂覆在例如印刷电路板的表面贴装板(surface mount)上。本发明的组合物也可以形成为合金的形式。
焊接是低温的、通常是可逆的冶金接合方法。在电子学方面的应用中，由于所涉及的材料以及再加工和更换有缺陷部件的必要性，低温和可逆性是特别重要的。用于电子学仪器生产的焊料组合物，作为焊料合金必须是可润湿的，且在焊接点或焊接区冶金(pad or landmetallurgy)的情况下，具有至少一种能够形成导电性的、热稳定的、非脆性的、塑性金属互化物的组分。鉴于上述原因，最常用的焊料合金已经是铅基合金，例如Sn-Pb合金。
虽然已提出了一些其他应用例如管道工程方面应用的替换物，然而，Pb/Sn焊料仍然最常用于电子学方面的应用。Pb/Sn合金具有低的固相线温度，它们是易加工的且所产生的Cu/Sn金属互化物(在焊料/Cu接触界面处形成的)在很宽的温度范围形成，从Pb/Sn合金到Cu焊接区或焊接点可以获得Cu/Sn金属互化物的良好粘附力，该方法的设备容易得到，且一些Pb/Sn合金的添加剂例如树脂、助熔剂和焊料混合物是廉价的。鉴于铅基焊料的“柔软性”或塑性，加工Pb/Sn焊料合金所要求的较低温度是特别重要的。
本发明的焊料具有许多上述的特性，因而，使其适合于在电子学方面的应用中代替Pb/Sn焊料。本发明焊料的特殊优越性在于，它可以用作现有Pb/Sn焊料的“随意(drop in)”代用品。其他已建议在电子学方面应用的无铅焊料的缺点在于，现有的用于Pb/Sn焊料的机械不能与无铅代用品一起使用。本发明的组合物可以用作Pb/Sn合金的直接代用品，因此，可节省更换设备的费用。
早先提出的大多数无铅焊料在其熔点、膏状范围、表面张力和润湿能力方面并不具有常规Pb/Sn焊料那样的特性。本发明的合金在焊接的性能上接近常规的铅焊料。
本发明的焊料组合物设计成具有良好的润湿和表面张力特性以提供电子学工业所要求的可靠焊接。
已建议将无铅的锡合金代替目前使用的锡-铅涂料电镀到电子学元件上。本发明的焊料特别适合于与这种无铅的锡合金一起使用。
焊料必须符合多方面的技术要求，因此，能够将合金改变使其满足所要求的规格是一个优点。这些技术要求通常涉及下列各项中的一些：·熔点和范围；·抗蠕变性；·热循环性能；·张力试验；以及·电性质
上述各项中的个别数值可随国家和公司的不同而改变。通过改变该组合物的组分可以使本发明的焊料符合上述技术要求。
例如，本发明焊料组合物的熔点可以通过改变该组合物的组分调整。该熔点可以在最低约155℃和最高约230℃之间调整。增加组合物中铋的比例可降低熔点。组合物中银的存在可使该组合物的润湿性、表面张力、芯吸作用和流动性能改善。增加组合物中银的比例可使熔点范围变窄。
在一个优选的实施方案中，本发明的焊料还包括0-2.0％铜。将至多2.0％的铜添加到本发明的焊料中，可减少在焊料和铜衬底之间生成铜锡金属互化物层。
在另一个优选的实施方案中，本发明的焊料还包括0-4.0％锑。添加至多4.0％的锑，可改善该焊料的高温性能。
能调整本发明焊料的熔点对许多方面的应用是有益的。例如，这意味着该焊料可按有差别的方式(differential mode)使用。例如，采用熔点较高的合金将一些组件焊接在印刷电路板上。然后，以具有较低熔点的焊料将另外的组件焊接在印刷电路板的相同面上或另一面上，而不致使第一种组件脱落。
对温度不太敏感的组件而言，熔点较高的合金是容许的。因此，可以改变该组合物的组成以降低成本。
在另一个实例中，当在生产印刷电路板的过程中采用热空气整平时，调整焊料的熔点是重要的。在此情况下，焊料可能被来自该板表面的铜污染。为了增加焊罐的寿命，通常要在193-195℃的温度下将铜/锡晶体除去。在这样的情况下，最好是调整焊料的熔点，这可以在不损失任何焊料的情况下完成。
本发明的焊料组合物适用于所有电子学方面的应用，且特别适用于如在印刷电路板制造中，将集成的表面芯片(integrated surface chips)焊接在芯片载体(chip carriers)和衬底上，将芯片载体焊接在衬底上，在多层印刷电路板中焊接电路的焊接区和焊接点(circuitisation landsand pads)，以及将组件与印刷电路板的引线相焊接。
本发明的焊料组合物可以采用任一种目前用于电子学方面应用的方法涂覆，例如可将该组合物淀积在印刷电路的电触点上。例如，可以采用人工焊接、波纹焊接淀积、电沉积的方法，以焊膏或焊球的形式，涂覆焊料组合物。可以通过采用模板、直接分散或直接成像的方法涂覆该焊膏。也可以将该合金电镀到组件上。
以下实施例说明本发明的焊料组合物。
熔点均采用RTD铂电阻温度计测得。
  实施例   锡％(重量)   银％(重量)   铋％(重量)   熔点(℃)
    1     68.0     2.0     30.0   165-185
    2     75.0     2.0     23.0   170-190
    3     84.0     1.0     15.0   198-230
    4     69.0     1.0     30.0   194-206
    5     68.2     1.8     30.0   172-188
    6     71.38     1.62     27.0   174-195
    7     74     2     24   165-186
    8     73     3     24   163-198
上表中的熔点范围是该焊料的膏状范围。
含有适宜的铜和/或锑的合金的实施例如下：
 实施例  锡％(重量)  银％(重量)  铋％(重量)  铜％(重量)   锑％(重量)
    9     78.5     1.8     20.0     0.5     0.0
    10     73.5     1.8     25.0     0.5     0.0
    11     71.5     1.5     25.0     0.0     2.0
    12     69.5     1.5     25.0     0.0     4.0
    13     70.7     1.8     25.0     0.5     2.0
应该理解的是，上述说明仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，各种变化和改进都是可能的。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1.一种基本上无铅的焊料组合物，该组合物包括：
20.0-30.0％铋
1.0-2.0％银
0.5-2.0％铜和任选包括0至4.0％锑和附带的杂质，其余为锡。
2.根据权利要求1的焊料组合物，该组合物还包括0.0-4.0％的其他合金添加剂。
3.撤销
4.撤销
5.根据权利要求1的焊料组合物，该组合物包括0.01-4.0％的锑。
6.根据权利要求2的焊料，其中，所述其他合金添加剂选自锑、镓、或其混合物。
7.根据权利要求1的焊料，该焊料是一种合金。
8.根据权利要求1的焊料，该焊料是一种混合物。
9.撤销
10.根据权利要求1的焊料在电子学方面应用中的使用。
11.一种焊接两种或多种组件的方法，该方法包括将根据权利要求1的焊料组合物涂覆到所述组件之间的接点或界面上。
12.根据权利要求11的方法，其中，采用人工焊接、波纹焊接淀积、电沉积、模板、直接分散或直接成像的方法涂覆所述焊料。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述组件选自集成的表面芯片、芯片载体、印刷电路板、电路的焊接区和焊接点以及引线。
14.一种包含根据权利要求1的焊料的电子学组件或印刷电路板。

Claims (14)

1.一种焊料组合物，该组合物包括：
15.0-30.0％铋、
1.0-3.0％银和任选包括0至2.0％铜和0-4.0％锑以及附带的杂质，其余为锡。
2.根据权利要求1的焊料组合物，该组合物还包括0.0-4.0％的其他合金添加剂。
3.根据权利要求1的焊料组合物，该组合物包括：
20.0-30.0％铋、
1.0-2.5％银和任选包括0至2.0％铜和0-4.0％锑以及附带的杂质，其余为锡。
4.根据权利要求1的焊料组合物，该组合物包括0.01-2.0％的铜。
5.根据权利要求1的焊料组合物，该组合物包括0.01-4.0％的锑。
6.根据权利要求2的焊料，其中，所述其他合金添加剂选自铜、锑、镓、或其混合物。
7.根据权利要求1的焊料，该焊料是一种合金。
8.根据权利要求1的焊料，该焊料是一种混合物。
9.根据权利要求1的焊料，除附带的杂质外该焊料基本上是无铅的。
10.根据权利要求1的焊料在电子学方面应用中的使用。
11.一种焊接两种或多种组件的方法，该方法包括将根据权利要求1的焊料组合物涂覆到所述组件之间的接点或界面上。
12.根据权利要求11的方法，其中，采用人工焊接、波纹焊接淀积、电沉积、模板、直接分散或直接成像的方法涂覆所述焊料。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述组件选自集成的表面芯片、芯片载体、印刷电路板、电路的焊接区和焊接点和引线。
14.一种包含根据权利要求1的焊料的电子学仪器组件或印刷电路板。
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