CN1931508A

CN1931508A - 无铅焊料合金

Info

Publication number: CN1931508A
Application number: CN 200510103927
Authority: CN
Inventors: 李柱东; 南基平
Original assignee: HISUNG MATERIAL CO Ltd
Current assignee: HISUNG MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-21

Abstract

本发明涉及无铅焊料合金，在制备电气和电子产品时所述焊料合金用于将零件固定到基材上，与传统产品相比，在不使用焊料的情况下熔点、氧化量和焊接强度能够获得很大的改善。因为焊料没有包含在合金中，因此能够使由于焊接过程中产生的气体对人类身体的负面影响最小化。因此，本发明涉及无铅焊料合金，其包括0.05～1.5重量％的Cu，0.001～0.5重量％的Ni、0.001～0.5重量％的P、0.001～0.5重量％的Ga，以及余下重量％的Sn。

Description

无铅焊料合金

技术领域

本发明涉及无铅焊料合金，在制备电气和电子产品时所述焊料合金用于将零件固定到基材上，与传统产品相比，在不使用焊料的情况下熔点、氧化量和焊接强度能够获得很大的改善。因为焊料没有包含在合金中，因此能够使由于焊接过程中产生的气体对人类身体的负面影响最小化。

因此，本发明涉及无铅焊料合金，其包括0.05～1.5重量％的Cu，0.001～0.5重量％的Ni、0.001～0.5重量％的P、0.001～0.5重量％的Ga，以及余下重量％的Sn。

本发明涉及无铅焊料，具体而言，涉及无铅焊料合金，其通过焊接无铅焊料合金而防止由于焊料中毒所产生的危害。

背景技术

通常地，因为焊接通过熔融铅而结合金属，因此使用具有熔融温度的金属。铅分成在低于铅熔融温度(327℃)的温度熔化的软铅，以及熔融温度通常超过450℃的硬铅。软铅由铅和锡构成，根据含量，而表现出不同的张力和剪切力。此外，硬铅以粉末、带材和线材形成，而且有一种银铅，它通过加入Ag和含有Cu，Zn和Pb的黄铜铅而改善流动性。

通常，电子设备因为小故障而丢弃，并且不能燃尽而只能切割成极小的片。然后，它们作为稳定类型的工业废弃材料回归地下。但是，最近几年，在填埋场处置的电子设备变成严峻问题。即，由于使用大量的矿物染料，因此在大气中产生硫氧化物和氮氧化物，而且雨水渗入酸性大气中。结果，产生了酸雨。如果这种酸雨深入地下，则有害金属如在电子设备中使用的铅就渗漏出来，地下水被污染，并且如果人类长期吸入被铅污染的地下水，则在人体中累积的铅会导致铅中毒。而且，如果工人的身体暴露于焊接操作过程中由焊料熔融产生的气体中，铅通过呼吸器官累积到身体中，由此的铅中毒能够致命性地损害人的身体。直到现在一直在开发的无铅焊料包括Cu，Ag，Bi，Zn，Ni和P以及主要成分的Sn。无铅焊料的通常组分是二元合金，如含有0.7重量％Sn的Cu、含3.5重量％Sn的Ag、含58重量％Sn的Bi和含0.7重量％Sn的Zn，根据目的而能够加入其它添加剂金属的三元合金，或其它合金可以根据使用目的而使用。

在与无铅焊料接触中，每一种合金都存在问题。例如，因为Sn-Zn体系如含有9重量％Sn的Zn的焊料是容易氧化的金属，因此它易于形成厚的氧化膜，并且在大气中焊接时润湿性非常差。此外，Sb-Bi体系焊料如含有58重量％Sn的Bi的焊料由于Bi的性质而导致其机械强度弱，因而存在焊接部分可靠性降低的问题。

现在，在无铅焊料中，最有实用的焊料可例举的有Sn-Cu体系焊料如含有0.7重量％Sn的Cu、Sn-Ag体系焊料如含有3.5重量％Sn的Ag以及向Sn-Ag体系焊料中加入Cu的Sn-Ag-Cu体系焊料。但是，对于Sn-Cu体系焊料如含有0.7重量％Sn的Cu，它的成本效益很好，但是润湿性不能满足所需要的条件。相反，在Sn-Ag体系焊料如含有3.5重量％Sn的Ag、和其中向Sn-Ag体系焊料中加入少量Cu的Sn-Ag-Cu体系焊料的情况下，润湿性很优异，但是它们含有非常昂贵的Ag，因而成本变高。如果为了降低成本而减少Ag成分，则焊料的润湿性和合金强度都降低。

发明内容

本发明的目的是提供无铅焊料合金，在焊料中不含铅的状态下，所述焊料合金能够防止由于焊接而导致的铅对人类身体的损害。具体而言，无铅焊料的性质受无铅焊料中含有的非常少量的金属的影响很大，并且所述影响根据金属含量而不同。

因此，本发明的特征在于Sn为基础材料，机械性能通过改善操作效率和强度而加以改善，并且在制备无铅焊料过程中，为了使浮渣的量最小，加入作为添加剂金属的Cu，Ni，P和Ga，而形成无铅焊料。

具体实施方式

根据本发明的无铅焊料合金由0.05～1.5重量％的Cu、0.001～0.5重量％的Ni、0.001～0.5重量％的P、0.001～0.5重量％的Ga和含有余下重量％的Sn组成。

在本发明中，Sn自身没有有毒成分，并且是为接合的母体元件提供润湿性的必要金属。

Cu加入到无铅焊料合金中，用于通过使合金结构精细地形成而改善结合强度，并且用于抑制电子零件PCB基材的腐蚀。根据本发明，含有0.05～1.5重量％的Cu。如果Cu含量低于0.05重量％，则机械硬度改善很小，大于1.5重量％，则熔融温度增加，润湿性劣化并且浮渣产生量增加。

Ni用作在Sn中的固溶体，并改善了机械硬度。在本发明中，含有0.001～0.5重量％的Ni。如果Ni含量低于0.001重量％，则机械硬度改善很小，而如果Ni焊料低于0.5重量％，则液体温度增加，因而焊料的流动性降低。

P在防止氧化和改善润湿性上有显著的作用。因为如果加入P制备无铅焊料，则在熔化状态下P(磷)漂浮进入上层部分，因此通过形成与空气中氧接触的膜能够使浮渣含量最小化。在本发明中，含有0.001～0.5重量％的P。如果P的加入量变成低于0.001重量％，则不能够实现防止氧化和改善润湿性。如果P加入量变成超过0.5重量％，则焊料的粘度增加，因而产生诸如桥之类的缺陷。

此外，因为向无铅焊料合金中加入0.001～0.5重量％的Ga，因此熔点降低，因而改善了操作效率。因此，防止氧化有显著效果，并且能够实现改善润湿性。如果Ga在熔化焊料过程中加入，则Ga非常薄地扩散进入熔融焊料中，因此在熔融焊料表面上覆盖了薄厚度的氧化物，因而防止了与大气的接触。因此，能够防止高温熔化的无铅焊料被氧化。如果Ga低于0.001重量％(这是很低的含量)，则不能够完全实现防止氧化和改善润湿性以及降低熔点。如果Ga为0.5重量％，则熔化焊料的粘度增加，操作变得困难，并且生产成本增加。

下面，解释本发明的实施方案。

实施方案1

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu、0.06重量％Ni、0.07重量％P、0.02重量％Ga以及含有余下重量％的Sn。

实施方案2

制备无铅焊料合金，其含有0.8重量％Cu、0.4重量％Ni、0.4重量％P、0.4重量％Ga以及含有余下重量％的Sn。

对照1

制备含铅合金，其含有63.0重量％的Sn和37重量％的Pb。

在实施方案1和2制备的无铅焊料合金和在对照1制备的含铅合金根据固相线温度、液相线温度、抗张强度和蠕变寿命进行比较，所得结果在表1示出。

表1

	组成(重量％)					固相线温度(℃)	液相线温度(℃)	抗张强度(kgf)	蠕变寿命(hr)
	组成(重量％)										Sn	Cu	Ni	P	Ga
实施方案1	余量	0.5	0.06	0.07	0.02						Sn	Cu	Ni	P	Ga	200-205	212-215	12.5	11.9
实施方案1	余量	0.5	0.06	0.07	0.02	实施方案2	余量	0.8	0.4	0.4	0.4	202-208	214-215	112.3	11.8	200-205	212-215	12.5	11.9
对照1	63.0	Pb：37.0				实施方案2	余量	0.8	0.4	0.4	0.4	202-208	214-215	112.3	11.8	183	183	8.5	1.4

如表1所示，在根据本发明无铅焊料合金的情况下，固相线温度为200～208℃，而液相线温度为212～215℃。因此，固化范围非常狭窄，因此能够用它作为电子部件的线材的无铅焊料合金。此外，在本发明中，因为加入了添加剂元素，因此焊接的抗张强度和蠕变寿命增加，因而力学性质获得改善。

实施方案3

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu、0.06重量％Ni、0.002重量％P、0.01重量％Ga以及含有余下重量％的Sn。

实施方案4

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu、0.06重量％Ni、0.004重量％P、0.2重量％Ga以及含有余下重量％的Sn。

实施方案5

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu、0.06重量％Ni、0.008重量％P、0.4重量％Ga以及含有余下重量％的Sn。

对照2

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu和含有余下重量％的Sn。

对照3

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu、0.06重量％的Ni和含有余下重量％的Sn。

对照4

制备无铅焊料合金，其含有0.5重量％Cu、0.06重量％的Ni、0.002重量％的P和含有余下重量％的Sn。

在实施方案3～5中制备的无铅焊料合金以及在对照2～4中制备的无铅焊料合金的情况下，当10kg每一种合金在小的焊料浴(solder bath)中熔化并搅拌1小时时，所产生的浮渣量在表2示出。

表2

	组成(重量％)					浮渣量(g)
	组成(重量％)							Sn	Cu	Ni	P	Ga
实施方案3	余量	0.5	0.06	0.002	0.01			Sn	Cu	Ni	P	Ga	194
实施方案3	余量	0.5	0.06	0.002	0.01	实施方案4	余量	0.5	0.06	0.004	0.2	150	194
实施方案5	余量	0.5	0.06	0.008	0.4	实施方案4	余量	0.5	0.06	0.004	0.2	150	95
实施方案5	余量	0.5	0.06	0.008	0.4	对照2	余量	0.5				298	95
对照3	余量	0.5	0.06			对照2	余量	0.5				298	300
对照3	余量	0.5	0.06			对照4	余量	0.6	0.06	0.002		230	300

如表2所示，当P和Ga同时加入到传统无铅合金中时，所产生的浮渣量显著减少。原因如下。少量加入的P和Ga在熔融焊料的表面上形成薄氧化膜，由此与大气的接触被中断，因此，防止了熔融无铅焊料的氧化。

如上所述，相比于传统的Sn-Pb体系焊料，因为根据本发明的无铅焊料合金不包含铅，因此工作环境被改善，并且防止了环境污染。

如上述实施方案解释的那样，相比于传统的Sn-Pb工艺焊料，本发明具有优异的作用：焊接抗张强度加强，并且蠕变寿命延长。此外，相比于现有的无铅焊料合金，本发明能够通过加入Ga元素改善机械性能，减少浮渣量和降低熔点。

此外，因为根据本发明的合金的熔点与不使用铅的传统焊料的相近，因此能够使用利用Sn-Pb体系焊料的装置。此外，改善了润滑性，并降低了所产生的浮渣量。因此，使无铅合金用量最小化，能够获得非常经济的效果。

Claims

1.无铅焊料合金，其包括0.05～1.5重量％的Cu、0.001～0.5重量％的Ni、0.001～0.5重量％的P、0.001～0.5重量％的Ga、和含有余下重量％的Sn。