CN1354065A

CN1354065A - 焊料或涉及焊料的改进

Info

Publication number: CN1354065A
Application number: CN01122037A
Authority: CN
Inventors: K·H·楚; P·W·赤
Original assignee: Quantum Chemical Technologies Singapore Pte Ltd
Current assignee: Quantum Chemical Technologies Singapore Pte Ltd
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2002-06-19
Also published as: HK1045824A1; MY134159A; JP2002153991A; US20020057986A1

Abstract

一种焊料,它含有:87.2%～89.5%的锡;4.0%～4.8%的铋;3.5%～4.5%的铟;以及3.0%～3.5%的银。

Description

焊料或涉及焊料的改进

本发明涉及焊料，具体说涉及基本上不含铅的焊料。

很多传统的焊料含有铅，并是其主要组分。这样的焊料常具备要求的物理特性，在一些工业部门中，包括与生产印刷电路板有关的工业部门中，广泛地使用着含铅的焊料。

但是，由于例如环保问题，愈来愈要求使用无铅的焊料，看来似乎在未来数年内，一些国家将在法律上要求在制造很多物品时，所使用的焊料中只含很少的铅或不含铅。

以往在配制无铅焊料的尝试中成效有限。传统的无铅焊料其物理特性往往不合需要，包括润湿特性差、流动性低、与现有组件镀膜的相容性差、以及废渣过多。

因此，有些制造商发现，必须采用多年来行之有效的现行焊接工艺，来适应无铅焊料的使用。此外，生产印刷电路板中所采用的现有材料可能必须被更换成与使用无铅焊料相容的材料。这一工艺与材料的适配措施，广泛认为是资源运用不良，特别是被认为用传统无铅焊料制造的制品的标准，常低于用含铅焊料制造的制品所能达到的标准。

本发明的目的是寻求提供出能减少无铅焊料上述一部分或全部缺点的无铅焊料。

于是，本发明的一个方面是提供出一种焊料，它含有87.2％～89.5％的锡、4.0％～4.8％的铋、3.5％～4.5％的铟和3.0％～3.5％的银。

该焊料有利之处在于基本上不含铅。

该焊料优选为不含铅。

该焊料的简便配方为包括88.3％的锡、4.5％的铋、4.0％的铟和3.2％的银。

本发明的另一个方面是提供出一种制备焊料的方法，它包括将锡、铋、铟和银加以混合的步骤，混合中要使锡在焊料中的比例为87.2％～89.5％；铋在焊料中的比例为4.0％～4.8％；铟在焊料中的比例为3.5％～4.5％；以及银在焊料中的比例为3.0％～3.5％。

该方法有利之处在于包括基本上不往焊料中加入铅。

该方法优选包括不往焊料中加铅。

该方法包括简便地将锡、铋、铟、银加以混合的步骤，混合中要使锡在焊料中的为88.3％；铋在焊料中的比例为4.5％；铟在焊料中的比例为4.0％；以及银在焊料中的比例为3.2％。

本发明的又一个方面，是提供出一种焊接的方法，它包括使用一种焊料的步骤，该焊料包括有：87.2％～89.5％的锡、4.0％～4.8％的铋、3.5％～4.5％的铟；以及3.0％～3.5％的银。

该方法有利之处在于包括使用一种焊料的步骤，该焊料包括88.3％的锡、4.5％的铋、4.0％的铟和3.2％的银。

该方法优选包括波焊的步骤。

为使本发明更便于理解，现将描述几个实施例，并参照附图进行描述。附图有：

图1示出多种不同的焊料在多种温度下的润湿时间(以秒计)表；

图2示出代表图1表中数据的曲线图；

图3示出多种不同的焊料在多种温度下的最大润湿力表；

图4示出代表图3表中数据的曲线图；

图5示出体现本发明的焊料和一种现有技术焊料当用于各种镀膜时的润湿时间表；

图6示出用体现本发明的焊料在波焊机中进行试验的试验条件；

图7和8示出图6中的试验得出的结果。

如上所述，传统的无铅焊料有着若干缺点，包括润湿特性差、流动性低、与现有组件镀膜的相容性差、以及通常使用的含铅焊料相比废渣过多。

但是，已经发现了一种由无铅合金组成的焊料，它比传统的无铅焊料具有显著改进的特性，该合金中包括有：87.2％～89.5％的锡、4.0％～4.8％的铋、3.5％～4.5％的铟；以及3.0％～3.5％的银。这种焊料是本发明的具体体现。的确，这种体现本发明的焊料在润湿性能、流动性、与现有组件镀膜的相容性以及废渣等方面的特性呆与传统的盒铅焊料相比美。

为了展示体现本发明的焊料的优越物理特性，已做了多项试验，下面将另以描述。

第一项试验是体现本发明的焊料的润湿性，它与多种现有无铅焊料和一种传统的含铅焊料(含63％的锡和37％的铅)的对比情况。在第一项试验中所采用的焊料中含有88.3％的锡、4.5％的铋、4.0％的铟和3.2％的银。

第一项试验的第一个方面，包括根据ANSI/J Std-003标准、在235℃至265℃范围内的多种温度下，对要测试的焊料测量润湿时间。在该项试验中，一块铜样品被浸入一定量的每种熔融焊料中。铜试样上连接着一台灵敏的测力仪，安装成能测量并记录出作用于试样的垂直力。

在试样浸入熔融焊料时，作用于试样上的垂直力的变化是由于两个主要因素。其一为浮力，这是由于试样取代焊料而引起的作用于试样的向上力，该力等于被试样取代的焊料的重量。由于试样浸入焊料的部分的体积和焊料的密度是已知的，所以这一向上力可以计算出来并说明原因。第二个因素是由于焊料表面与试样表面之间接触角的变动而引起的对试样的作用力。每一特定状态下的润湿时间，被定义为作用于试样上的润湿力等于零的时间。

第一项试验第一个方面的试验结果示于图1中。

总起来说，体现本发明的焊料在每种温度下的润湿时间可与传统的含铅焊料所展示出的相比美。此外，本发明的焊料除一种温度外，在每种设定温度下所展示的润湿时间，都较任一种现有无铅焊料所展示的为短。润湿时间是焊料粘接到基片上的快速性的量度，很明显，对焊料来说，润湿时间短是合乎需要的特性。由此可见，本发明的焊灶在第一项试验的第一个方面，总体上表面得比任何现有的无铅焊料都好。

第一项试验第一个方面的试验结果用曲线展示于图2中。由该曲线图可见，代表传统含铅焊料和本发明的焊料的试验结果非常接近，而相比之下，与代表现有无铅焊料性能的试验结果则差别较大。

第一项试验的第二个方面，包括测量试样浸入相关焊料2秒时的最大润湿力。如上所述，润湿力是焊料与试样之间的粘结力。很明显，润温力是焊料粘结在基片上的强度指标，对焊料来说，润湿力高是合乎需要的特性。

第一项试验第二个方面的试验结果示于图3中。这些结果总起来说，本发明的焊料在每种设定温度下、在将试样浸入后2.0秒钟的润湿力为最大，这可与传统的含铅焊料所展示的结果相比美。虽然有几种现有的无铅焊料，在几种温度下所展示的润湿时间与传统的含铅焊料相近，但本发明的焊料在所有温度下所展示的润湿时间均与传统的含铅焊料相近。可以断定，本发明的焊料的这种特性使它可在多种温度条件下、或在变动的温度条件下焊接时展示出与传统含铅焊料相似的性能。

第一项试验第二个方面的结果，以曲线图方式示于图4中，由图3可以清楚地看出，代表本发明的焊料的试验结果离代表传统含铅焊料试验结果的距离，要大大近于代表任何一种现有无铅焊料的试验结果离它们的距离。

由第一项试验的结果可见，本发明的焊料在润湿性能方面与所讨论过的现有无铅焊料展示出非常相似的特性。很明显，这一物理特性上的相似，使本发明的焊料用作传统含铅焊料的代用品，要比任何现有无铅焊料更适合得多。

第二项试验是有关本发明的焊料与现有组的镀膜的相容性。例如印刷电路板，其上的组件可有多种材料的镀膜，重要的是，与这样的组件结合使用的焊料，应能方便地与其镀膜相粘结。

在第二项试验中，六种普通组件镀的是锡、金、银、锡铅合金和铜磷合金等金属的膜。随后进行了本发明的焊料和一种传统含铅焊料在多种温度下，用于每种镀膜组件时的润湿时间对比试验。本发明的焊料的组成为88.3％的锡、4.5％的铋、4.0％的铟和3.2％的银，含铅焊料含有60％的锡和40％的铅。用的是珠滴试验法，该法与上述测量润湿力的方法相似，但是在小规模下进行。在第二项试验中使用的助熔剂是不洁净的含有4％固体的助熔剂。

第二项试验的试验结果列于图5中。由这些试验结果可以看出，本发明的焊料在大多数设定温度(范围为235℃-265℃)，对大多数镀膜表现出的润湿时间与传统含铅焊料所表现的润温时间相似。在绝大多数情况下，本发明的焊料与传统含铅焊料所表现出的润湿时间差小于半秒。

从第二项试验的试验结果可以清楚看出，本发明的焊料在与现有组件镀膜的相容性方面是适于用作传统含铅焊料的直接替代品的。

第三项试验是有关本发明的焊料是否适合用于波焊机中。在波焊的一个实施例中，一块电路板被刚好固定在一定量的熔融焊料上方。然后搅起具有足够波幅的波浪横过熔融焊料的表面传播，以使其波峰与电路板的表面接触。波浪的宽度与电路板的宽度相同(或与其需要焊接的部分同宽)，随着波浪横过熔融的焊料表面传播，电路板的全部朝下的表面都被熔融的焊料所接触。

这种给电路板涂敷焊料的方法，比起将电路板直接浸入熔融焊料的方法，肯定会大大减少焊料与电路板朝上表面接触的危险。

现有的无铅焊料，当用于波焊机的熔融焊料槽中时，在波焊机使用一定次数后，已经发现会导致焊料槽的严重污染。在波焊机中通常有两个槽区。当电路板用这种波焊机进行焊接时，一开始是在第一槽区运作，在该槽区内，首先用“切削”波(chip wave)通过电路板朝下的表面，以清洗该表面。然后，电路板前进到第二槽区上方的位置，在这里进一步用层状波(laminar wave)通过其朝下的表面，以完成要求的焊接。现在已很清楚，由于切削波是与电路板在焊接前清洗表面有关的，因此在第一槽区具有形成不希望有的污染的危险，而已经发现，这一问题已由于使用现有的无铅焊料而加重。

此外，已经发现，当采用现有的无铅焊料时，在使用若干次以后，槽中出现的废渣会高到不可接受的水平。

在第三项试验中，本发明的含有88.3％锡、4.5铋、4.0％铟和3.2％银的焊料，被用于传统的波焊机中。波焊机没有作任何改变来适应使用本焊料。于是，就用该波焊机来时接电路板，所用的方法与使用含锡/铅合金的焊料时相同。

波焊机在四种不同的槽温、即在235℃、245℃、255℃和265℃下使用。这四种温度都在采用传统含铅焊料时波焊机正常使用的温度范围内。此外，传送带速度(即电路板在槽表面上方移动的速度)调节为可使用1.0m/s、1.4m/s和1.8m/s三种速度。这三种传送带速度都在采用传统含铅焊料时波焊机正常使用的传送带速度的范围内。该第三项试验是在正常的空气环境下进行的。

为采用完全无铅的工艺过程，还开发出了一种无铅助熔剂，称为RMA，是含有13％固体的助熔剂。在每个试验日结束时，都测量并记录了槽中的污染程度和槽的合金组成。此外，还取出槽中的废渣并加以称重，以确定波焊过程所产生的废渣量。

第三项试验的试验条件列于图6中，每天结束时留在槽中的废渣量列于图7中。槽中焊料的污染程度(分切削波与层状波)列于图8中。

本领域的普通技术人员在考虑了这些试验结果后会认定，槽内的污染程度以及所产生的废渣量，都显著地比用现有的无铅焊料在未经改进的波焊机中所出现的要低。

事情已很清楚，由于本发明的焊料所展示的润湿性能、流动性、与现有组件镀膜的相容性以及废渣等可比特性都更优秀，因此，本发明已提供出了更适于用作传统含铅焊料的直接替代品的无铅焊料。

这一适用性的一个优点是，使用本发明的无铅焊料，可减少或消除生产厂家为使用无铅焊料而更换现有机器、工艺过程或组件镀膜的必要性。很清楚，其结果是对很多厂家来说，转向使用无铅焊料可使他们更简便而经济。

在本说明书中，“comprises”一词意谓“含有或由…组成”，而“comprising”一词意谓“含有或由…组成”。

在以上描述中或下面的权利要求或附图中以特有形式所公开的特征，不管是以设备(能借以完成所公开的功能)或方法过程(能借以取得所公开的结果)的面貌出现，这些特征都可以适当地单独或结合起来，以多种形式来实现本发明。

Claims

1.一种焊料，它含有：

87.2％～89.5％的锡；

4.0％～4.8％的铋；

3.5％～4.5％的铟；以及

3.0％～3.5％的银。

2.权利要求1的焊料，其中该焊料是基本上无铅的焊料。

3.权利要求2的焊料，其中该焊料是无铅焊料。

4.上述权利要求之任一项的焊料，其中该焊料含有88.3％的锡、4.5％的铋、4.0％的铟和3.2％的银。

5.一种制备焊料的方法，它包括混和锡、铋、铟、银的步骤，要使得：

锡在焊料中的比例为87.2％～89.5％；

铋在焊料中的比例为4.0％～4.8％；

铟在焊料中的比例为3.5％～4.5％；

银在焊料中的比例为3.0％～3.5％.

6.权利要求5的方法，其中该方法包括基本上不向焊料中加入铅。

7.权利要求6的方法，其中该方法包括在焊料中不加铅。

8.权利要求5～7之任一项的方法，其中该方法包括混和锡、铋、铟、银的步骤，以使得：

锡在焊料中的比例为88.3％；

铋在焊料中的比例为4.5％；

铟在焊料中的比例为4.0％；

银在焊料中的比例为3.2。

9.一种焊接方法，它包括使用一种含有下列组分的焊料：

87.2％～89.5％的锡；

4.0％～4.8％的铋；

3.5％～4.5％的铟；

3.0％～3.5％的银。

10.权利要求9的方法，它包括使用一种含有下列组分的焊料：88.3％的锡；4.5％的铋；4.0％的铟和3.2％的银。

11.权利要求9或10的方法，其中该方法包括波焊的步骤。

12.一种基本上如以上所描述的参照附图的焊料。

13.一种有如以上所描述的参照附图的方法。

14.在此所公开的任何新颖特征或特征的结合。