CN1496780A - 无铅焊料 - Google Patents
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Abstract
一种无铅焊料，当于熔融状态下在其中浸渍铜线的线圈端头而使用它时，其相当少地容许铜浸出，该焊料包括：1.5－8质量％的Cu，0.01－2质量％的Co，任选0.01－1质量％的Ni和剩余部分的Sn，并且具有420℃或更低的液相线温度。该焊料还包括至少一种选自P，Ge和Ga的抑制氧化的元素，其总量为0.001－0.5质量％，和/或作为改善可湿性的元素的Ag，其量为0.05－2质量％。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铅焊料，其被归类为一种高温焊料，并且更具体而言，涉及一种适宜在焊接和预涂线圈端头中使用的无铅锡基焊料。
背景技术
在电子设备如计算机中使用各种线圈。例如，在电子设备中将线圈结合进入变压器中或进入磁盘驱动器的马达或冷却用风扇中。通常将这些线圈的末端焊接到电接头以形成电连接。
通常，由用绝缘涂层覆盖的铜线形成线圈，该绝缘涂层典型地由里面的搪瓷涂层和外面的聚氨酯树脂涂层组成。因此，为了将线圈的末端焊接到电接头，必须将铜线线圈端头里面的搪瓷涂层和外面的聚酯树脂涂层(以下将这两个涂层统称为绝缘涂层)都除去。可以想到的是通过使用工具如刀具的机械方法除去线圈端头的绝缘涂层，但这种机械去除缓慢，因此不利地影响焊接的操作效率。因此，通常通过融掉绝缘涂层的热法进行线圈端头绝缘涂层的去除。更具体而言，通过在足够融掉绝缘涂层的温度(400℃左右)下将线圈端头浸渍在熔融焊料中热去除线圈端头的绝缘涂层。
为了确保形成满意的焊接接头，优选通过用焊料预涂线圈端头进行线圈端头的焊接。通过将线圈端头浸渍在熔融焊料中进行这种预涂。
因此，在焊接之前，将涂布的铜线线圈的末端浸渍在熔融焊料中的操作可以同时履行两个功能，即除去铜线线圈端头的绝缘涂层和用焊料预涂铜线线圈端头。
通常在已经涂布助焊剂到线圈端头之后，在熔融焊料中进行线圈端头的浸渍。熔融焊料的热量引起绝缘涂层熔化进入熔融焊料中，并且涂布到线圈端头表面的助焊剂漂浮在线圈端头周围的熔融焊料的上面。作为结果，由于通过熔融焊料的热量除去线圈端头的绝缘涂层以暴露铜线，所以在线圈端头周围漂浮的助焊剂对暴露的铜线上起作用，使得帮助熔融焊料机械地结合到铜线。
然后将以此方法用焊料预涂过的线圈端头焊接到电接头。在某些情况下，可以单独使用预涂焊料进行焊接。当预涂焊料不足以形成满意的焊接接头时，使用其它的焊料以将预涂的线圈端头焊接到电接头。其它的焊料可以是与预涂所使用的焊料相同，或者它可以是一种不同的无铅焊料，优选它是一种具有较低熔点的焊料。
一些用于在电子设备中制备线圈的铜线为直径细至100μm或更细的铜线。当将这种细铜线的末端浸渍在熔融焊料中时，可以发生所谓的铜浸出。铜浸出是这样一种现象，其中浸渍在熔融焊料中的细铜线溶解在熔融焊料中，因此导致铜线相当明显地变得更细或完全地消失。铜浸出也可以发生在线圈端头的焊接期间，特别是在浸渍软钎焊期间。过去已经采取了防备这种细铜线的铜浸出的措施。
为了防止在熔融焊料中细铜线的铜浸出，已经最广泛使用的技术是向焊料中添加铜。由于在熔融焊料中可以溶解的铜量是有限的，所以当将铜线浸渍在熔融焊料中时，使用已加有铜的焊料使铜线难以在熔融焊料中溶解。一个这种焊料的实例为Pb-Sn-Cu合金，并且这种焊料的典型组成是：Pb-63Sn合金，其中向该合金中加入Cu，以使铜的含量为约1.5％至2％。Pb-Sn-Cu焊料对于铜线具有良好的可焊性，所以已将它广泛地应用于线圈端头的预涂。
但是，由于铅(Pb)的毒性，当将含铅废物在填埋场处置时，酸雨从废物中溶解铅并且由于铅而污染地下水，它可以导致铅中毒，因此需要一种用于线圈端头预涂和焊接的无铅焊料。
过去已经提出的作为能够防止铜浸出的无铅焊料是含有铜的Sn基合金，所述Cu是一种已知的有效防止铜浸出的元素。例如在JP P2001-121286A中描述了一种Sn基无铅焊料，其包括：用质量％表示，5.5-8.0％的Cu，任选的0.01-1.00％的Ag和0.001-0.010％的Ni，和剩余部分的Sn。这种焊料还可以含有少量的Ge和Au中的一种或两者都含有。在JPP2001-334384A中描述了另一种含Cu的Sn基无铅焊料。那种焊料包括：用质量％表示，0.01-0.5％的Ni，2-5％的Cu，和任选的0.01-3.5％的Ag，0.01-5％的Sb，0.01-9％的Zn，0.01-3％的Bi，0.01-0.5％的Ge和0.01-0.5％的P中的一种或多种，和剩余部分的Sn。
为铜浸出负责的元素是Sn，因为由Cu在Sn中溶解而引起铜浸出。因此，使用上面所述现有技术的Sn基无铅焊料，通常铜浸出更明显地发生，原因在于与使用常规的含Cu的Pb-Sn焊料相比，其较高的Sn含量。此外，因为这种Sn基无铅焊料具有较高的液相线温度，所以焊接温度或熔融焊料的温度也较高，铜浸出变得还要更严重。作为结果，这些现有技术的Sn基无铅焊料的作用不足以使线圈端头的铜浸出的预防达到一个满意的程度，特别是当线圈是用直径至多为100μm的细铜线形成的时候。
发明内容
本发明提供一种无铅焊料，即使是当将其用于预涂细铜线的线圈端头时或当在熔融焊料中浸渍这种线圈端头时，其引起铜浸出的倾向也非常低。
已经发现当将Co加入到Sn-Cu合金时，Co对于防止铜浸出非常有效，并且向得到的Sn-Cu-Co合金中加入Ni具有进一步减少铜浸出的作用。
因此，一种根据本发明的一种形式的无铅焊料包括：1.5-8质量％的Cu，0.01-2质量％的Co，任选0.01-1质量％的Ni，和剩余部分的Sn，并且它具有的液相线温度为420℃或更低。
无铅焊料还可以包括至少一种抑制氧化的元素和/或至少一种改善可湿性的元素。所述至少一种抑制氧化的元素可以选自P，Ge和Ga，其中这些元素的总量为0.001-0.5质量％。所述至少一种改善可湿性的元素可以是Ag，其量为0.05-2质量％。
本发明还提供一种线圈，所述线圈的一个末端是用根据本发明的无铅焊料涂布的。
为了通过将线圈端头浸渍在熔融焊料中而用热的方法除去线圈端头的绝缘涂层，并且同时用焊料预涂线圈端头，根据本发明的无铅焊料合金对于与具有绝缘涂层的铜线制成的线圈一起使用特别适宜。无铅焊料对于将铜线线圈的末端焊接至电接头也适宜。这类焊接可以通过浸渍软钎焊或铁焊接进行。优选用焊料对将要焊接的线圈端头预涂。对于这种情况，通过在熔炉中或用加热工具如焊铁加热焊料，可以在某些场合单独用预涂焊料进行焊接。
为了用热的方法从线圈的末端除去绝缘涂层，该绝缘层通常由里面的搪瓷涂层和外面的聚酯树脂涂层组成，必须将线圈端头加热至400℃左右的温度。因此，焊料应当在那个温度熔化以形成熔融焊料，在其中浸渍线圈端头以用热的方法除去绝缘涂层。但是，如果熔融焊料的温度高于470℃，在其中浸渍的线圈端头的绝缘涂层将立即碳化，并且产生的碳将粘附到线圈端头，从而阻止焊料以金属的方式结合至铜线。高于470℃的温度也是不利的，原因在于铜浸出在此高温下大量地发生。
通常在比焊料的液相线温度高20℃至50℃的温度范围内进行使用熔融焊料的浸渍软钎焊，其取决于将要焊接部件的热容。因此，为了使在470℃或更低的温度下可以进行浸渍软钎焊，根据本发明的焊料的液相线温度为420℃或更低。
当将线圈端头浸渍在熔融焊料中时，为了防止铜浸出，根据本发明的Sn基无铅焊料含有1.5-8质量％的Cu和0.01-2质量％的Co。如果铜的含量低于1.5质量％，防止铜浸出的效果是不明显的。铜的加入量超过8质量％导致焊料的液相线温度超过420℃，从而引起严重的铜浸出并且不利地影响可焊性。
向Sn-Cu焊料中加入Co对于进一步降低Sn-Cu焊料的铜浸出高度有效。如果Co含量低于0.01质量％，此效果是不明显的，而当Co的含量增加至约2质量％时，此效果饱和。Co的加入量超过2质量％也是不利的，原因在于它相当明显地增加焊料的液相线温度。
优选Cu含量为2-5质量％，并且优选Co含量为0.05-0.5质量％并且更优选为0.05-0.2质量％。
为了进一步提高Cu和Co对于防止铜浸出的作用，可以任选地将Ni加入到根据本发明的焊料中。如果Ni含量低于0.01质量％，此效果是不明显的。Ni的加入量超过1质量％增加焊料的液相线温度至这样一个程度，即它高于420℃，如上所述这是不理想的。因此，当加入Ni时，优选Ni含量为0.01-1质量％，并且更优选为0.1-0.3质量％。
为了通过在熔融焊料中浸渍被涂布的铜线的线圈末端而除去其绝缘涂层，熔融焊料的温度高达约400℃或以上(并且如上所述优选低于470℃)。在此高温下，焊料的氧化变得相当明显，并且在熔融焊料的表面上形成大量氧化物。为了抑制焊料的氧化，可以加入一种或多种具有阻止熔融焊料氧化作用的元素。这种元素的实例是P，Ge和Ga。当加入时，这些抑制氧化的元素中的一种或多种在焊料中存在的总量为0.001-0.5质量％。如果这些抑制氧化的元素的总量小于0.001质量％，不能明显达到理想的效果。但是，如果这些元素的总量大于0.5质量％，它们不利地影响可焊性。优选地，抑制氧化的元素的总量为0.005-0.1质量％。
当将线圈端头浸渍在熔融焊料中时，熔融焊料必须充分润湿已除去绝缘涂层的线圈的浸渍铜线。无铅的Sn-Cu-Co和Sn-Cu-Co-Ni焊料不能始终显示足够的可湿性以完全地润湿浸渍的铜线。作为结果，不能用焊料预涂已经浸渍在熔融焊料中的铜线的整个部分。为了避免发生这种不理想的现象，可以向焊料中加入一种具有改善可湿性作用的元素。这类改善可湿性的元素的实例是Ag。当加入时，优选Ag在焊料中存在的量为0.05-2质量％，并且更优选为0.1-2质量％。如果Ag含量小于0.05质量％，不能明显显示其改善可湿性的效果。在Ag含量为约2质量％时，Ag改善可湿性的作用饱和，并且Ag也是贵重的，所以不优选以超过2质量％的不必须的大量加入Ag。
根据本发明的无铅Sn-Cu-Co或Sn-Cu-Co-Ni焊料可以采用任何形态，但是通常它处于适宜于形成熔融焊料的形态中，如条状焊料，预成型焊料或类似物。当通过提供焊料给电接头而将焊料用于将预涂的线圈端头对电接头的焊接时，它可以采用线型焊料，粉芯焊丝焊料或焊膏的形状。
如上所述，在将被涂布的铜线的线圈端头浸渍于熔融焊料中之前，可以将一种助焊剂涂布至线圈端头，以便在熔融焊料中将绝缘涂层从铜线中除去之后，助焊剂可以立即对铜线发挥它的作用。可以将一种松香基的助焊剂用于此目的，尽管可以使用其它的助焊剂，只要它们在熔融焊料的温度下是有效的即可，该温度高达400℃或更高。
根据本发明的无铅焊料有效地抑制在熔融状态下铜浸出，尽管它具有容易溶解Cu的基于Sn的组成。因此，它特别适宜用于在熔融状态下，通过将线圈端头浸渍在熔融焊料中进行去除绝缘涂层的和预涂线圈端头，从而将铜线直径显著减小或铜线完全消失的可能性最小化或消除，即使线圈是由直径为100μm或更小的细铜线制成。作为结果，大大地提高用焊料预涂线圈的可靠性。
具体实施方式
实施例
制备具有表1所示组成的焊料并且用下面的方法测试铜浸出速度和可湿性。
铜浸出速度
将每种焊料在金属熔化浴中加热至400℃，以达到熔融状态。将被涂布的铜线并且用里面的搪瓷涂层和外面的聚氨酯树脂涂层覆盖的线圈用作将要浸渍的测试材料。在将松香助焊剂沿着预定长度涂布到线圈末端之后，将线圈的末端浸渍于400℃的熔融焊料中10秒钟，20秒钟或30秒钟。在每一个浸渍期后测量铜线的直径，以确定由铜浸出引起的铜线直径的减小速度(μm每秒)作为铜浸出速度。
可湿性
用下面的方法用润湿平衡测试(wetting balance test)每种焊料的可湿性：将尺寸为10mm×30mm×0.3mm的铜片材浸渍在400℃熔融焊料中。用由测试获得的润湿曲线的零相交时间(润湿时间)评估可湿性。
每种焊料的测试结果随同其组成及固相线和液相线温度也示于下表1中。
表1
| 序号 | 组成(质量％) | M.T.1(℃) | Cu浸出速度(μ/Sec) | 可湿性2(Sec) | 备注3 | ||||||||
| Sn | Cu | Co | Ni | P | Ge | Ga | Ag | S | L | ||||
| 1 | Bal.4 | 2 | 0.01 | 227 | 286 | 2.8 | 1.6 | 发明 | |||||
| 2 | Bal. | 2 | 0.3 | 0.01 | 227 | 286 | 2.5 | 1.5 | 发明 | ||||
| 3 | Bal. | 4 | 2 | 0.3 | 228 | 356 | 1.6 | 1.6 | 发明 | ||||
| 4 | Bal. | 8 | 1 | 1 | 228 | 409 | 1.0 | 1.5 | 发明 | ||||
| 5 | Bal. | 2 | 0.5 | 0.02 | 228 | 352 | 2.8 | 1.5 | 发明 | ||||
| 6 | Bal. | 2 | 1 | 0.5 | 0.05 | 228 | 356 | 2.4 | 1.5 | 发明 | |||
| 7 | Bal. | 4 | 0.5 | 0.2 | 0.3 | 227 | 352 | 1.6 | 1.7 | 发明 | |||
| 8 | Bal. | 6 | 0.3 | 0.3 | 0.02 | 0.01 | 0.07 | 227 | 380 | 1.5 | 2.1 | 发明 | |
| 9 | Bal. | 2 | 0.2 | 0.2 | 0.01 | 0.07 | 2 | 218 | 281 | 2.2 | 0.5 | 发明 | |
| 10 | Bal. | 2 | 0.2 | 0.2 | 0.01 | 0.07 | 0.3 | 217 | 282 | 2.5 | 0.9 | 发明 | |
| 11 | Bal. | 0.7 | 227 | 229 | 5.5 | 1.8 | 比较 | ||||||
| 12 | Bal. | 2 | 227 | 286 | 5.2 | 1.8 | 比较 | ||||||
| 13 | Bal. | 4 | 227 | 347 | 3.2 | 1.8 | 比较 | ||||||
| 14 | Bal. | 4 | 0.2 | 228 | 350 | 3.0 | 1.6 | 比较 | |||||
| 15 | Bal. | 0.5 | 3 | 217 | 219 | 5.3 | 0.5 | 比较 | |||||
注：1熔点温度：L＝液相线温度，S＝固相线温度；
2在润湿天平测试中的零相交时间(润湿时间)；
3发明＝本发明的焊料；比较＝比较的焊料；
4剩余部分
如从表1可以看出，根据本发明的含有Co的无铅Sn-Cu基焊料明显地表现出对铜浸出抑制，由通过下面的事实所证实：其铜浸出速度明显地低于常规或已知的Sn-Cu基焊料的铜浸出速度。因此，将少量的Co加入到Sn-Cu焊料中对于抑制铜浸出是高度有效的。从表1也可以看出，Ag的加入具有改善可湿性的作用，由更短的润湿时间所证明。
Claims (8)
1.一种无铅焊料，其包括1.5-8质量％的Cu，0.01-2质量％的Co，0-1质量％的Ni和剩余部分的Sn，并且具有420℃或更低的液相线温度。
2.如权利要求1所要求的无铅焊料，其中所述Ni含量为0.01-1质量％。
3.如权利要求1或2所要求的无铅焊料，其还包括至少一种抑制氧化的元素。
4.如权利要求3所要求的无铅焊料，其中所述至少一种抑制氧化的元素选自P，Ge和Ga，其中这些元素的总量为0.001-0.5质量％。
5.如权利要求1至4任何一项所要求的无铅焊料，其还包括至少一种改善可湿性的元素。
6.如权利要求5所要求的无铅焊料，其中所述至少一种改善可湿性的元素为Ag，其量为0.05-2质量％。
7.一种包括线材的线圈，其中所述导线的一个末端被用如权利要求1至6任何一项所要求的无铅焊料所预涂。
8.一种焊接接头，其具有如权利要求1至6任何一项所列举的组成。
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