CN1264635A - 无铅焊料粉末、无铅焊料膏及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种性能优异的无铅焊料粉末、无铅焊料膏,以及一种制备所述粉末和膏的方法。制备了包括能够形成一种金属间化合物,以及一种无定形相和一种未反应相的两种或多种金属的无铅焊料粉末。这种无铅焊料粉末能够通过机械研磨而获得。进一步,本发明的无铅焊料膏是通过将所述粉末与一种焊剂混合而制成的。

Description

无铅焊料粉末、无铅焊料膏及其制备方法

本发明涉及一种无铅焊料粉末，一种无铅焊料膏，以及一种制备它们的方法。更详细地说，本发明涉及一种具有良好润湿性的低熔点优质无铅焊料粉末，一种包括这种焊料粉末的焊料膏以及一种制备所述焊料粉末和焊料膏的方法。

在通常的焊料合金中包括金属铅(Pb)。所以，人们关心在钎焊过程中由熔化焊料产生的有毒气体对工人的影响。进一步，近来越来越多的微电子设备的制造过程包括钎焊。从废弃的IC芯片或印刷线路板上冲洗下来的铅污染地下水，而这又引起包括铅中毒或类似的环境问题。

现在正在开发研究几种无铅焊料。然而，由于它们比锡-铅焊料合金的熔点高、润湿性低，所以实际上难以使用。

关于制备焊料粉末的方法，日本专利公开特许公报No.3-169500公开了一种不采用气体雾化方法的焊料制备方法，在该公报中，将预定成分的材料粉末和小球放入一个器皿中，然后再充以惰性气体，最后密封起来并摇动，由此所述材料粉末被小球机械研碎。这种方法主要用于通过将具有高熔点的金属间化合物与Sn-Pb合金混合而使焊料粉末产生热阻和耐热性来制造焊料粉末。这种焊料粉末的优点在于能防止所述焊料粉末形成大颗粒，并且在制备过程中不需要热来熔化所述材料粉末。

然而，使用高熔点和金属间化合物需要采用包括铅的合金。所以，不能避免前述的由铅引起的缺点。

我们研究的结果是克服了上述的缺点，并且提供了一种无铅焊料粉末和类似物，其熔点低、润湿性好，我们最终完成了本发明。

本发明的一个目的是提供一种低熔点的优异的无铅焊料粉末。这里所说的熔点也包括熔化开始点和终了点。

本发明的另一个目的是提供一种包括这种无铅焊料粉末的无铅焊料膏。

本发明还有一个目的是提供一种制备低熔点优质无铅焊料粉末的方法。

本发明的无铅焊料粉末是一种金属粉末，这种金属粉末包括一种能够形成金属间化合物的两种或多种金属的混合物，并且包括所述混合物的一种无定型相和一种未反应相，这是一种形成一金属间化合物的先前状态。

本发明的无铅焊料膏是通过将上述无铅焊料粉末与一种钎剂混合而制备的。

在本发明的无铅焊料粉末的制备方法中，将两种或多种金属的材料粉末和小球放入一个密封的容器中，通过机械力驱使所述金属小球运动，这种运动球将所述材料金属粉末精细地研磨以获得无铅焊料粉末。

下面将详细描述本发明的优选实施例。

本发明的无铅焊料粉末是一种金属粉末，这种金属粉末包括一种能够形成金属间化合物的两种或多种金属的混合物。这种金属粉末包括所述混合物的无定形相和未反应相，这是形成一种金属间化合物的先前状态。

制备这种金属粉末的优选方法是将能够形成一种金属间化合物的两种或多种金属材料粉末和一些金属小球放入一个充满惰性气体的密封容器内，给所述的密封容器施加机械力以运动所述小球，并由所述小球精细地研磨所述材料粉末。

对于材料粉末，可以选择能够形成一种金属间化合物的简单结构的两种或多种金属的混合物。对于本领域的技术人员来说，这种能够形成一种金属间化合物的金属组合是已知的，本发明可选择它们中的任何一种。包括在这种组合中的优选金属可选自包括由锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组。所述组合的例子包括：Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn。优选地将一种或多种金属添加到上述实施例组合的一种中去而制成一种三元或多元组合。

可替换地，包括至少一种或多种选自由锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组中的合金粉末可被用作材料粉末。这种合金粉末可通过组合上述金属中的至少两种来产生，或者将至少一种上述金属与其它金属组合而制备。将这样得到的合金粉末(第一种合金粉末)然后与一种简单金属物质或另一种合金粉末(第二种合金粉末)混合，上述的简单金属物质或另一种合金粉末都能够与第一种合金粉末形成金属间化合物以制备本发明的材料粉末。与第一合金粉末混合的简单金属物质最好选自由锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组。上述的第二种合金粉末也最好包括至少一种或多种选自包括锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组的金属。

每种材料粉末的直径虽不进行限定，但最好在100μm到200μm范围内。

对本发明中采用的材料和金属小球的尺寸不进行限定，但最好使用由黄铜或不锈钢制成的直径为5mm-20mm的小球。

制备本发明无铅焊料粉末使用的器皿充满了惰性气体。这种惰性气体非限定性地可以是氩气、氮气或类似气体。

除了除了粉末、金属球和惰性气体外，可在所述器皿中加入液体以防止除了粉末粘接到所述器皿壁上。这种液体例如是甲醇。

将所述器皿密封、然后再摇动、搅拌或振动以使所述小球在器皿内运动，或者旋转或振动一根搅拌棒以在所述器皿中运动所述小球来研磨所述金属粉末一段时间。器皿或搅拌棒的转动次数和研磨所述金属粉末所用的时间不被限定，但可根据所用金属的种类来适当地选择。具体地，所述的次数和时间是以这种方式进行选择的，即所述的研磨后的金属粉末被精细地研磨并包括未反应相，这种未反应相是一种形成一金属间化合物的先前状态，并且所述的研磨后金属粉末处于一种无定形状态，即一种组成成分的过冷状态。

这里所用的术语“精细地研磨的金属粉末”意思是所获得的直径在10nm-100μm范围内的金属粉末。研磨金属粉末很好地降低了这样得到的焊料粉末的熔点。

如果最后得到的金属粉末或焊料粉末包括未反应相，一种形成金属间化合物的先前状态，或不能由例如使用示差扫描量热计(DSC)检测的状态，更具体地说，当最后得到的金属粉末的温度被升高或降低时用一台DSC测量卡的变化情况，则可根据卡的变化来计算所述最后得到的金属粉末的熔点，将所计算出的熔点与由相同种类的金属材料产生的作为所述最后得到的金属粉末的金属间化合物(这对本领域技术人员来说是已知的)的熔点进行比较，来证实所述最后得到的金属粉末是否包括未反应相。

可通过粉末X射线衍射分析法来检测无定形状态、或组成成分的过冷状态。

任何包括其它的用于降低所得到的无铅焊料粉末熔点的金属粉末的添加剂可与所述的粉末混合。然而，本发明的这种低熔点无铅焊料粉末作为焊料即使在没有添加剂的情况下也具有优异的性能。

可将焊剂添加到所述的无铅焊料粉末中，以制备本发明的无铅焊料膏。虽然没有限定，但可以使用一种普通的松香型焊剂。

由于本发明的无铅焊料膏包含由所述的无铅焊料粉末产生的未反应相，所以，其熔点低于具有由通用的熔融方法制备的相同金属成分的焊料粉末或焊料膏的熔点。进一步，当采用本发明的无铅焊料膏即使在低于其熔点的温度下实际进行钎焊时，它们起反应以形成一种金属间化合物，并产生反应热来熔化所使用的焊料，由此可预测熔化焊料膏的实际温度降低得甚至更多。

对这样获得的本发明的无铅焊料粉末和无铅焊料膏的使用没有进行限定。优选地，它们可被用于钎焊各种各样的微电子设备。

这样已经描述了本发明的无铅焊料粉末和焊料膏的制备情况，但是本发明没有被限定于此。如果需要，在不超出本发明发明宗旨或范围的前提下，可对本发明及其使用和应用情况进行变化和修改。

实施例

下面将对本发明以实施例的形式进行具体详细的描述。然而，本发明不被限定于这些实施例的内容。

图1表示生产本发明无铅焊料粉末的一种装置。将预定成分的金属球2和材料粉末4放入一个器皿10中，然后充以惰性气体并将其密封。在器皿10的中央有一根搅拌棒6，所述器皿10由所安装的马达驱动。在制备本发明的无铅焊料粉末的方法中，金属球2按照所述搅拌棒6的转动任意地在器皿10内运动。这些小球运动的结果是材料粉末4被精细地研磨。最后所得到的粉末的尺寸可通过改变如所述搅拌棒6的转动速度或转动时间、金属球的尺寸和数量以及类似量等参数来进行调节。

图2表示生产本发明无铅焊料粉末的另一种装置。将预定成分的金属球2和材料粉末4放入一个容器12中，然后充以惰性气体并将其密封。将所述容器放置在一块振动板14上。在所述振动板14的中心有一根轴18。由一驱动马达16将所述轴18向上、向下、向左和向右移动，这样所述的容器12就以这种无止境的方式运动。金属球2在容器12中随意地运动。这些球运动的结果是所述材料粉末4被精细地研磨。最后所得到的粉末的尺寸可通过改变如所述轴的运动速度、金属球的尺寸和数量以及类似量等参数来进行调节。

实施例1

采用图2所示的设备来生产本发明的无铅焊料。将36g重、直径为3/8英寸的不锈钢球和平均粒径为0.5mm的金属粉末放入容器12中。所述金属粉末由重量比为95.7∶3.5∶0.8的Sn，Ag和Cu组成。然后用一滴管添加几滴甲醇以防止所述金属粉末粘接到容器和金属球壁上。然后，在所述容器内充氩气以防止所述金属粉末被氧化，然后将容器密封起来。

采用图2所示的一台振动球磨机设备(Super Misumi NEV-MA8，Nisshin Giken的产品)将材料粉末以13.1Hz的频率研磨5小时。然后，在温度从150℃到250℃以每分钟10℃的速度增加的情况下，将所获得的金属粉末用一台DSC7(Perkin Elmer)进行分析，以确定熔化的开始点。所测得的点为213℃。

比较例

当实施例1得到的焊料粉末完全熔化后，将其重新凝固。然后，在温度从150℃到250℃以每分钟10℃的速度增加的情况下，将所获得的金属粉末用一台DSC7(Perkin Elmer)进行分析，以确定熔化的开始点。所测得的点为217℃。

这样，实施例1得到的焊料粉末的熔点比比较例1中的焊料粉末的熔点低4℃。这就意味着实施例1中所得到的焊料粉末包含一种未反应相或一种无定形相。

由于本发明的无铅焊料粉末不包含有害的铅，所以使用时它非常安全，即使在包括本发明的焊料的装置被废弃后，铅对环境的影响也可被减小。

本发明的无铅焊料粉末包括一种能够形成金属间化合物的两种或多种金属的未反应相和无定形相，其熔点低于相同金属成分的金属间化合物的熔点。低熔点导致焊料粉末的优异性能。

当使用包括本发明的无铅焊料粉末的无铅焊料膏时，该焊料膏发生反应而形成一种金属间化合物，这样，所述的焊料膏即使在熔点以下的温度也被熔化。所以，在相对较低的温度下可用本发明的焊料膏进行钎焊，并且可以减少由钎焊过程引起的对印刷线路板这样的元件的损坏和影响。这就可以导致延长所生产的元件的寿命。

图1是制备本发明无铅焊料粉末的装置的投影图；

图2是制备本发明无铅焊料粉末的另一种装置的平面图。

图中标记号2表示金属球，标记号4表示材料粉末，标记号6表示一根搅拌棒，10表示一个器皿，12表示一个容器，14表示振动板，16表示驱动马达，18表示轴。

Claims (10)

1、一种金属粉末的无铅焊料粉末，这种金属粉末包括一种能够形成金属间化合物的两种或多种金属的混合物，其中，所述金属粉末包括所述混合物的一种无定形相和一种未反应相，这是形成一种金属间化合物的先前状态。

2、一种如权利要求1所述的无铅焊料粉末，其中，所述能够形成一种金属间化合物的两种或多种金属的至少一种选自由锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组。

3、一种如权利要求1或2所述的无铅焊料粉末，其中，所述能够形成一种金属间化合物的两种或多种金属的混合物是一种选自由Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn组成的组中的一种，或者通过将一种或多种金属添加到选自由Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn组成的组中的一种中而获得的。

4、一种按照权利要求1至3中任何一项所述的无铅焊料粉末，其中，每一种粉末的粒径在范围10nm-100μm内。

5、一种无铅焊料膏是通过将按照权利要求1到4中的任何一种无铅焊料粉末与一种焊剂混合而制备的。

6、一种制备无铅焊料粉末的方法，包括步骤：

将能够形成一种金属间混合物的两种或多种金属的材料粉末以及一些金属小球放入一个密封的容器内；

在该密封的容器内运动所述金属球以精细地研磨两种或多种金属的材料粉末，由此获得一种包括一种未反应相和一种无定形相的金属粉末。

7、一种按照权利要求6所述的制备无铅焊料粉末的方法，其中，所述的能够形成一种金属间化合物的两种或多种金属都是选自由锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组中的金属的简单物质。

8、一种按照权利要求6所述的制备无铅焊料粉末的方法，其中，所述的能够形成一种金属间化合物的两种或多种金属是一种包括选自由由锡(Sn)，银(Ag)，铜(Cu)，铋(Bi)，锌(Zn)，铟(In)，金(Au)，镍(Ni)，锑(Sb)，钯(Pd)，铂(Pt)和锗(Ge)组成的组中的至少一种金属的合金和一种能够与所述合金形成一种金属间化合物的金属的混合物。

9、一种如权利要求6到8中任一项所述的无铅焊料粉末的制备方法，其中，所述能够形成一种金属间化合物的两种或多种金属包括一种选自由Cu-Sn，Ag-Sn，Au-Sn，Au-Cu，Au-Bi，Au-Zn，Au-In，Au-Sb，Au-Pt，Ni-Sn，Cu-In，Ni-In，Ag-In，Ag-Sb，Ag-Pt，Ag-Zn，Bi-In，Ni-Bi，Cu-Zn，Cu-Sb，Cu-Ge，Cu-Pd，Cu-Pt，Ge-Ni，In-Pd，In-Sb，Ni-Zn，Ni-Sb，Ni-Pt，Pd-Sn，Pt-Sn，Pt-Sb以及Sb-Zn组成的组的混合物。

10、一种如权利要求6到9中任一项所述的无铅焊料粉末的制备方法，其中，所述粉末的粒径在范围10nm-100μm内。

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