CN1732063A - 无铅混合合金焊膏 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无铅的混合合金焊膏，一种制备该焊膏的方法，和一种使用该焊膏的方法。该焊膏包括在焊剂中混合的第一合金和第二合金的粒子。第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过15℃。

Description

无铅混合合金焊膏
技术领域
本发明涉及一种无铅的混合合金焊膏，以及一种制备和使用这种焊膏的方法。更具体的说，该混合合金是至少两种类型的具有能在焊接过程中减少或消除墓碑效应(tombstoning effects)的液线温度的合金粒子的组合物。
背景技术
由于电子工业被迫从消费者的产品消除铅，对于制造新的对环境友好的焊膏有越来越多的要求。新的无铅焊料随着这种新要求而产生。
公开号为US 2002/0040624 A1的美国专利披露了一种由无铅焊料合金粉末和焊剂组成的焊膏。该焊料合金粉末是10-30vol％的第一粉末和70-90vol％的第二粉末的混合物，其中第一粉末是基本上由10-45wt％的Bi和余量的Sn组成的Sn-Bi合金，第二粉末是基本上由9-15wt％的Zn和余量的Sn组成的Sn-Zn合金。该混合物形成一种合金，该合金熔融时的组成主要包括7-11wt％的Zn、1-5wt％的Bi和余量的Sn。
美国专利6,360,939 B1披露了一种制造电子工业中的无铅焊膏的方法，该焊膏具有一基本焊料粉末和一在焊接过程中不熔化的添加金属粉末成分。基本焊料粉末与常规焊膏中使用的相同。添加粉末的熔点比基本焊料粉末的熔点要高很多。基本焊料粉末包括80-99％的Sn和1-20％的Ag。添加粉末金属选自包括Sn、Ni、Cu、Ag和Bi及其混合物的金属组。
伴随着焊接的一个问题是墓碑效应。墓碑效应通常定义为在软熔期间电子元件位移到有些竖直的位置。换句话说，墓碑效应是当电子元件被焊接到一基板上时，电子元件的一端位移到一向上的位置。在无铅焊接中特别关心的问题是无铅材料具有特别高的结合力(润湿力)，从而会促进墓碑效应。因此，找到一种能显著减少或消除墓碑效应的无铅焊接材料是非常有利的。
发明内容
本发明的焊膏是一种均匀的焊接材料，能够在软熔期间显著减少或消除不希望发生的墓碑效应。在一个实施例中，本发明制造了一种混合合金焊膏，焊膏包括第一合金的粒子和第二合金的粒子，其中第一合金的液线温度与固线温度相差不超过20℃，第二合金的液线温度与固线温度相差不超过20℃。焊膏也包括焊剂。优选地，第一和第二合金的粒子与焊剂混合，并且第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过15℃。
在本发明的一实施例中，第一合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过15℃，第二合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过15℃。优选地，第一合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过10℃，第二合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过10℃。更优选地，第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过10℃。更优选地，第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过5℃。
在本发明的另一实施例中，第一合金包括Sn、Ag和至少一种添加金属。优选地，该至少一种添加金属选自包括Cu、Zn、Bi、Ni和In的组。更优选地，第二合金包括Sn和Ag。
在进一步的实施例中，本发明涉及一种无铅的混合合金焊膏，焊膏包括第一合金Sn-Ag-Cu的粒子、第二合金Sn-Ag的粒子和焊剂。第一和第二合金的粒子与焊剂混合。
在本发明的另一实施例中，第一合金包括2.3-4.3wt％的Ag和0.4-1.2wt％的Cu，余下的是Sn。优选地，第一合金包括2.5-4.1wt％的Ag和0.5-1.0wt％的Cu，余下的是Sn。
在另一实施例中，第二合金包括2.0-5.0wt％的Ag，余下的是Sn。优选地，第二合金包括2.3-4.2wt％的Ag，余下的是Sn。
本发明进一步包括的是一种制造焊膏的方法。在一实施例中，该方法包括：提供第一合金的粒子，其中第一合金的液线温度与固线温度相差不超过20℃；提供第二合金的粒子，其中第二合金的液线温度与固线温度相差不超过20℃，并且第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过15℃；第一和第二合金的粒子与焊剂混合，形成焊膏。
在一实施例中，焊膏中粒子的混合物的组成为至少50wt％的第一合金和不超过50wt％的第二合金。优选地，焊膏中粒子的混合物的组成为50-90wt％的第一合金和10-50wt％的第二合金。
本发明进一步包括一种将电子元件焊接到一基板上的方法。在一实施例中，该方法包括将一无铅的混合合金焊膏施加到一基板上，无铅的混合合金焊膏包括第一合金Sn-Ag-Cu的粒子、第二合金Sn-Ag的粒子和焊剂，第一和第二合金的粒子与焊剂混合。一电子元件放置在无铅的混合合金焊膏上，电子元件、基板和焊膏被加热至第一合金和第二合金熔化并流动。然后，电子元件、基板以及熔化的第一合金和第二合金被冷却，以将电子元件固定到基板上。
具体实施方式
本发明提供一种焊膏以及用该焊膏将焊膏、基板和电子元件焊接到一起的方法。本发明的焊膏是一种混合合金焊膏，其中的合金具有相类似的熔融性质。使用本发明的焊膏将电子元件焊接到基板上，焊接的产品将显示出很少的墓碑效应。换句话说，电子元件将会相对平坦地粘附在基板上，而不是被焊接到基板上的元件的一端相对于它相反的一端成一相当倾斜的角度。
本发明的焊膏包括第一合金组合物的粒子和第二合金组合物的粒子。粒子与焊剂一起混合以形成焊膏。然后焊膏用于将电子元件焊接到基板上。
理想地，焊膏中包含的第一合金的液线温度与固线温度相差不超过约20℃。一般地，液线温度是合金完全处于熔融状态时的最低温度。固线温度是合金完全处于固体或非熔融状态时的最高温度。优选地，液线温度与固线温度相差不超过约15℃；更优选地，液线温度与固线温度相差不超过约10℃。
在本发明的一实施例中，第一合金包括Sn、Ag和至少一种添加金属。第一合金的液线温度不超过约225℃，优选不超过约222℃，最优选不超过约220℃。
第一合金中的至少一种添加金属选自Cu、Zn、Bi、Ni和In。优选地，添加金属是Cu。
在本发明的一实施例中，第一合金包括作为第三金属的Cu和第四金属，其中第四金属不会显著增加固线温度与液线温度之间的差异。优选地，第四金属选自Zn、Bi、Ni和In。更优选地，第四金属是Bi。当存在第四金属时，第四金属的浓度为基于合金的总重量的约0.1-5wt％。
在本发明的一实施例中，第一合金包括约2.3-4.3wt％的Ag和约0.4-1.2wt％的Cu，余下的是Sn。优选地，第一合金包括约2.5-4.1wt％的Ag和约0.5-1.0wt％的Cu，余下的是Sn。
理想的是第二合金具有与第一合金相类似的熔融性质。从这方面考虑，理想的是焊膏中包含的第二合金的液线温度与固线温度相差不超过约20℃。优选地，液线温度与固线温度相差不超过约15℃；更优选地，液线温度与固线温度相差不超过约10℃。
在本发明的一实施例中，第二合金包括Sn和Ag。第一合金的液线温度不超过约225℃，优选不超过约222℃，最优选不超过约220℃。
在本发明的一个方面，第二合金包括约2.0-5.0wt％的Ag，余下的是Sn。优选地，第二合金包括约2.3-4.2wt％的Ag，余下的是Sn。
在本发明的另一方面，第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过15℃。优选地，第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过10℃。更优选地，第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过5℃。
本发明中使用的合金能够通过常规的方法制备。在一实施例中，合金是这样制备的：在金属坩埚或陶瓷坩埚中混合适当配比的金属，加热混合物直到金属熔化。然后将熔融的金属注入模子，当金属冷却并凝固后就制得金属锭。
金属锭能够通过任何常规的方法制成合金粒子，例如包括气体喷雾和离心喷射。理想的粒子平均粒径为约200-400目。更细的粒子也能使用。制得的粒子与焊剂混合以形成焊膏。
本发明的焊膏中的焊剂组分可以是任何常规的、适用于将电子元件焊接到基板材料上的焊剂材料。这种焊剂的一个例子是松香焊剂。优选地，松香焊剂是不溶于水的、基于松香的焊剂。焊剂中的松香可以是天然松香，也可以是人造松香，包括聚合松香。焊剂也可以包含活化剂和溶剂。
本发明的焊膏是将第一和第二合金的粒子与焊剂一起混合而制得的。理想的是，粒子混合物加入到焊剂中或者与焊剂混合，粒子混合物包括至少50wt％的第一合金和不超过50wt％的第二合金。优选地，粒子混合物包括约50-90wt％的第一合金和约10-50wt％的第二合金；更优选的是约55-85wt％的第一合金和约15-45wt％的第二合金；最优选的是约60-80wt％的第一合金和约20-40wt％的第二合金。
焊膏一般包括约42-83wt％的第一合金、约9-42wt％的第二合金和约8-16wt％的焊剂。优选地，焊膏包括约47-77wt％的第一合金、约14-39wt％的第二合金和约9-14wt％的焊剂；更优选地，焊膏包括约53-72wt％的第一合金、约18-35wt％的第二合金和约10-12wt％的焊剂。
本发明的焊膏被认为是一种无铅焊膏。按照本发明，无铅意味着焊膏本身包含不超过基于焊膏总重量约3000ppm的铅。优选地，焊膏包含不超过约2000ppm的铅；更优选地，焊膏包含不超过基于焊膏总重量约1000ppm的铅。
本发明的焊膏被施加到一基板上，例如电路板。施加焊膏可以用任何常规的方法，如模版印刷或丝网印刷。在将焊膏施加到基板上之后，一电子元件被放置在印刷电路板上的焊膏上，并且这一套部件被放入烘箱中，加热至足够使焊料粉末熔化并流动的温度。当温度降低，熔融的焊料凝固，与电子元件形成焊接接头。这类方法可以参考常规的软熔焊接。
如果希望的话，加热可以用两个阶段来完成。在两个阶段的加热过程中，温度相对恒定地保持在约100-170℃的预加热温度。然后温度升高至不高于约240℃，优选不高于约230℃。
加热之后，这一套部件被冷却，以制备其上焊接有电子元件的一基板。由于本发明提供的合金粉末的组成，如墓碑效应等问题被显著地减少或消除了。结果得到的是一基板和电子元件的组合，其中电子元件被一均匀的焊料合金固定到基板上。
本发明的焊膏能用于将任何数量的电子元件焊接到任何数量的适当的基板上。电子元件包括那些用于表面安装组装的电子元件。这些元件有可软焊的末端，当焊膏熔化形成液体，然后液体冷却固化，元件的末端就被焊膏粘结。这种电子元件包括例如球形栅格阵列(BallGrid Array，BGA)、薄型小尺寸封装(Thin Small Outline Package，TSOP)、电容器、电阻器、空芯线圈(air wound coils)，以及其他用于电子装配的元件。
本发明中所用的基板可以是任何类型的适合与电子元件连接的基板。这种基板包括那些可软焊的和能够暴露于本发明中描述的软熔温度下的基板。一般地，这种基板包括陶瓷和玻璃纤维环氧树脂材料，并且可以是柔性或刚性的类型。合适的基板的特定例子包括在电子装配中常见的印刷电路板和陶瓷基板。印刷电路板是包含导电的线路、焊盘和通路的玻璃纤维环氧树脂覆板的多层复合物。
使用本发明的焊膏和方法将得到一被无铅焊料牢固地固定在基板上的电子元件。该焊料是基本上均匀的并表现出非常理想的焊接性质。硬化的焊料将包括焊料合金中元素的各相的混合物。各相的具体大小和形状取决于冷却速度和在两种合金一起熔化并随后冷却凝固之后形成的最终具体的合金组成。
以上已充分地描述了本发明，本领域熟练的技术人员能够在权利要求的一个宽的参数范围内完成本发明，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种混合合金焊膏，包括：
第一合金的粒子，其液线温度与固线温度相差不超过20℃；
第二合金的粒子，其液线温度与固线温度相差不超过20℃；和
焊剂，其中第一和第二合金的粒子与焊剂混合，并且第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过15℃。
2.如权利要求1的方法，其中，第一合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过15℃，第二合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过15℃。
3.如权利要求1的方法，其中，第一合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过10℃，第二合金的粒子的液线温度与固线温度相差不超过10℃。
4.如权利要求1的方法，其中第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过10℃。
5.如权利要求1的方法，其中第一合金的液线温度与第二合金的液线温度相差不超过5℃。
6.如权利要求1的方法，其中第一合金包括Sn、Ag和至少一种添加金属。
7.如权利要求6的方法，其中所述至少一种添加金属选自包括Cu、Zn、Bi、Ni和In的组。
8.如权利要求1的方法，其中第二合金包括Sn和Ag。
9.一种无铅混合合金焊膏，包括：
第一合金Sn-Ag-Cu的粒子；
第二合金Sn-Ag的粒子；和
焊剂，其中第一和第二合金的粒子与焊剂混合。
10.如权利要求9的无铅混合合金焊膏，其中第一合金包括2.3wt％至4.3wt％的Ag和0.4wt％至1.2wt％的Cu，余下的是Sn。
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