CZ20013830A3

CZ20013830A3 - Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni

Info

Publication number: CZ20013830A3
Application number: CZ20013830A
Authority: CZ
Inventors: Tetsuro Nishimura; Masuo Koshi; Kenichirou Todoroki
Original assignee: Nihon Superior Sha Co., Ltd.; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-05-15
Also published as: EP1189725A1; CA2368384A1; SK286033B6; AU3415501A; MY122835A; US6699306B2; TW533115B; BR0104486A; CN1187161C; DE60127911T2; ES2286099T3; JP3221670B2; AU782095B2; ATE359894T1; BR0104486B1; WO2001062433A1; US20020134200A1; KR20020007384A; CZ301025B6; KR100852403B1

Description

(57) Anotace:

Je popsán způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni obsahující roztavenou pájku, která jako nezbytný prvek obsahuje alespoň měď, během stupně ponořovacího pájení při výrobě desky s plošnými spoji, která má na svém povrchu připevněnou měděnou fólii, nebo při výrobě součástky, ke které jsou připojeny měděné vodiče. Uvedený způsob zahrnuje stupeň vpravení doplňované pájky neobsahující vůbec žádnou měď nebo obsahující měď nebo obsahující měď v menší koncentraci, než je koncentrace mědi v uvedené roztavené pájce, která se nachází v uvedené lázni před přidáním uvedené doplňované pájky do lázně, takže hodnota koncentrace mědi v uvedené lázni je regulována na předem stanovenou konstantní hodnotu nebo na hodnotu nižší. Roztavená pájka nacházející se v uvedené lázni obsahuje jako hlavní složky cín, měď a nikl a uvedená doplňovaná pájka obsahuje například nikl a cín.

V alternativním případě roztavená pájka nacházející se v uvedené lázni obsahuje jako hlavní složky cín, měď a stříbro a uvedená doplňovaná pájka obsahuje stříbro a cín. Koncentrace mědi v uvedené lázni obsahující roztavenou pájku je udržována na hodnotě menší než 0,85 hmotnostního procenta při teplotě roztavené pájky přibližně 255 °C.

tmi -MSo • · · • · · · • Φ · » · « * • · · · · · <5·· ·· ·· ···

Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni

Oblast techniky

Předmětný vynález se týká složení bezolovnaté pájky a zejména způsobu regulace složení roztavené pájkové slitiny v pájecí lázni používané pro výrobu příslušných pájených spojů při ponořovacím pájení.

Dosavadní stav techniky

Pájka je obvykle charakteristická svou smáčitelností kovových povrchů při poměrně nízké teplotě, jako je například teplota 250 °C a podobně. Pokud jsou deky s plošnými spoji nebo vodiče vyrobeny z mědi, dochází při pájení k rozpouštění mědi přítomné na povrchu uvedených součástek do pájecí lázně.

Tento děj se označuje jako loužení mědi. Při použití bezolovnatých pájek dochází během uvedeného smáčení k rychlému rozpouštění mědi. Bylo zjištěno, že koncentrace mědi v pájecí lázni v tomto případě velice rychle roste. S rostoucí koncentrací mědi roste také teplota tání dané pájky, mění se její povrchové napětí a tekutost, což vede ke vzniku můstků, dutin, nedokončených pájených spojů, hrotů a rampouchů vytvořených z pájky atd. Kvalita pájených spojů tak podstatně klesá. Kromě toho spolu se vzrůstající koncentrací mědi dochází také ke zvyšování teploty tání. Uvedený růst koncentrace mědi se zvyšuje spolu se zvyšováním teploty tání.

Ve zveřejněné mezinárodní přihlášce číslo WO 99/48639 byla popsána nová pájka obsahující nikl, přičemž v tomto dokumentu se uvádí, že přidání niklu vede ke zlepšení tekutosti uvedené • · ·

pájky. V tomto případě je žádoucí přesně regulovat obsah mědi v uvedené slitině.

Jakmile dojde ke zvýšení koncentrace mědi, je vzniklý problém možné účinně vyřešit tím, že se provede výměna celého objemu pájky obsažené v lázni za novou. Avšak tuto výměnu pájky je třeba provádět často, což zvyšuje výrobní náklady a vede ke zcela zbytečné likvidaci zdrojů.

Podstata vynálezu

Výše popsaný problém je možné vyřešit pomocí předmětného vynálezu. Předmětem tohoto vynálezu je způsob regulace koncentrace mědi v požadovaném rozsahu, aniž by bylo třeba vyměňovat pájku obsaženou v lázni.

Pokud jsou široce používané desky s plošnými spoji opatřené měděnou destičkou a součástky obsahující měděné vodiče podrobeny ponořovacímu pájení, dochází v důsledku loužení mědi ke zvyšování koncentrace mědi v roztavené pájce obsažené v uvedené lázni. Protože není možné tomuto jevu zcela zabránit, byl učiněn závěr, že nej lepším možným způsobem zamezení tomuto jevu je přesná regulace koncentrace mědi ředěním obsahu mědi v dané pájce.

Mezi pájkami, které jako základní složku obsahují měď, se pro zlepšení pájitelnosti používá například slitina na bázi cínu, mědi a niklu, která se vyrábí tak, že se k eutektické slitině cínu a mědi přidává malé množství niklu, přičemž tyto kovy jsou základními složkami bezolovnatých pájek. Výše popsaná pájka vykazuje po rozpuštění výbornou tekutost a

• 9 9 vysokou účinnost při ponořovacím pájení během výroby velkého množství elektronických desek s plošnými spoji. Při použití uvedené pájky téměř nedochází ke vzniku můstků, dutin, nedokončených pájených spojů, hrotů a rampouchů vytvořených z pájky atd., jejichž vznik při vysokoobjemové výrobě vždy představuje problém. Avšak v závislosti na výkonu dané lázně dochází k výraznému zvýšení koncentrace mědi v roztavené pájce obsažené v této lázni. Při již zmíněném loužení mědi vznikají interkovové sloučeniny na bázi cínu a mědi, které mají vysokou teplotu tání a není možné je rozpustit při předem stanovené provozní teplotě. Bylo pozorováno, že takováto slitina se lepí na předmět, který má být pájen, čímž dochází ke snižování kvality pájení. Množství mědi rozpuštěné v cínu se mění s teplotou. Protože měď má vysokou teplotu tání, která činí 1083 °C, vede i jen malé zvýšení obsahu mědi k podstatnému zvýšení teploty tání dané pájky. Na základě studií možností pokračování v pájení bez zvyšování koncentrace mědi v dané pájce byl vyvinut níže popsaný způsob.

Pokud dojde ke zvýšení koncentrace mědi v roztavené pájce obsahující jakožto hlavní složky cín, nikl a měď, která se nachází v lázni, je do této roztavené původní pájky nacházející se v uvedené lázni doplněna slitina obsahující alespoň cín a nikl, která však neobsahuje vůbec žádnou měď nebo obsahuje měď v menší koncentraci, než je koncentrace mědi v uvedené původní roztavené pájce. Pokud se tedy do uvedené lázně přidává bezolovnatá pájka obsahující přibližně 0,5 procenta mědi, přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činí zbytek do 100 procent, doplňuje se do uvedené lázně za účelem udržení dobrých podmínek pájení slitina obsahující alespoň přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činí • · · • ·· fcfc • · · · · • · · · zbytek do 100 procent, nebo slitina obsahující alespoň přibližně 0,05 procenta niklu, méně než 0,5 procenta mědi a cín, jehož obsah činí zbytek do 100 procent.

Jako další příklad je možné uvést případ, kdy se do pájecí lázně přidává bezolovnatá pájka obsahující přibližně 0,8 procenta mědi, přibližně 3,5 procenta stříbra, přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činí zbytek do 100 procent. V tomto případě se do uvedené lázně za účelem udržení dobrých podmínek pájení přidává slitina obsahující alespoň přibližně 3,5 procenta stříbra, přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činí zbytek do 100 procent, nebo slitina obsahující alespoň přibližně 3,5 procenta stříbra, přibližně 0,05 procenta niklu, méně než 0,8 procenta mědi a cín, jehož obsah činí zbytek do 100 procent.

Protože slitina, která se má doplňovat do lázně (v dalším textu označovaná rovněž jako „doplňovaná slitina) neobsahuje vůbec žádnou měď nebo obsahuje menší množství mědi, než daná roztavená slitina před doplněním uvedené slitiny, dochází po rozpuštění doplňované slitiny v dané lázni ke snížení koncentrace mědi ve slitině obsažené v lázni. Ačkoli přidávání mědi v doplňované slitině není nezbytně nutné, může být v případě, kdy rychlost zvyšování koncentrace mědi je menší, než by bylo možné očekávat podle daných teplotních podmínek v pájecí lázni, výhodné přidávat i malé množství mědi. Uvedená pájka může být spotřebovávána ve velkém množství například deskami s plošnými spoji, které obsahují otvory. V takovém případě se předpokládá, že doplňování slitiny neobsahující vůbec žádnou měď by vedlo k nadměrnému snížení obsahu mědi v dané pájce a proto je výhodné doplňovat k uvedené pájce slitinu obsahující malé množství mědi.

Výše popsaná bezolovnatá pájka, která je obsažena v pájecí lázni, obsahuje cín, měď a nikl. Předmětný vynález není omezen jen na tento typ pájky, ale je možné jej aplikovat ve všech případech, kdy pájka v lázni obsahuje alespoň malé množství mědi. Předmětný vynález je rovněž možné použít pokud pájka v lázni obsahuje prvky sloužící pro zlepšení smáčitelnosti nebo pro zabránění oxidace. Za tímto účelem může být v uvedené pájce přítomno stříbro, bismut, indium, fosfor, germanium atd. Výše uvedené slitiny rovněž spadají do rozsahu předmětného vynálezu.

Množství doplňované pájky se řídí v závislosti na spotřebě roztavené pájky v lázni, teplotě likvidu, spotřebě pájky na jednu šarži desek s plošnými spoji atd. V mnoha případech zvýšení koncentrace mědi lineárně koreluje s množstvím desek s plošnými spoji, které procházejí lázní. Hladina roztavené pájky v lázni je nepřetržitě monitorována. Pokud množství pájky v lázni klesne pod předem stanovenou úroveň je do uvedené lázně doplněna další pájka. Tvary pevných částic doplňované pájky zahrnují, bez jakéhokoli omezení, tyčinky nebo dráty vytvořené z uvedené pájky. Protože, jak již bylo zmíněno, zvýšení koncentrace mědi lineárně koreluje s množstvím desek s plošnými spoji, které procházejí lázní, je možné do uvedené lázně doplnit, poté co touto lázní projde předem stanovené množství desek s plošnými spoji, předem určené hmotnostní množství pájky. V alternativním případě je možné doplňování pájky provádět po uplynutí předem stanovené • · · « · · • · · ·* « · ··*· · ·♦ · · « ♦ ·· • · · · » · ······ · • · · · · · »·· ·· ·* ·· doby. Oba výše uvedené způsoby je případně vzájemně kombinovat.

Při optimální regulaci, prováděné za účelem vyřešení různých problémů spojených se vzrůstem koncentrace mědi, je koncentrace mědi v roztavené pájce, která obsahuje jako hlavní složky cín, měď a nikl, výhodně udržována na hodnotě nižší než 0,85 hmotnostního procenta, přičemž teplota roztavené pájky je přibližně 255 °C. Cílová koncentrace 0,85 hmotnostního procenta není úplně přesná, ale pouze přibližná, přičemž odchylka od této hodnoty je závislá na posunu v teplotě likvidu. Avšak protože pájené spoje začínají degradovat pokud pájka obsahuje více než 0,90 hmotnostního procenta mědi, je možné v tomto smyslu považovat hodnotu koncentrace 0,85 hmotnostního procenta za cílovou.

V případě zařízení, ve kterém se používá deska s plošnými spoji vyrobená pomocí pájení v ponořovací lázni, které se reguluje způsobem podle předmětného vynálezu, je v podstatě zamezeno vnesení olova, které je považováno za jedovatý kov, do tohoto zařízení. Uvedené zařízení tak nekontaminuje pracovní prostředí během jeho výroby a nepředstavuje vážný problém z hlediska životního prostředí při likvidaci.

Popis obrázků na výkresech

Na obrázku 1 je graf změny koncentrace mědi v běžně používané pájce.

Na obrázku 2 je graf změny koncentrace mědi v případě, kdy se do lázně doplňuje pájka obsahující cín a 0,05 procenta niklu.

• · • · ·· · · * · • ···· ·

Příklady provedení vynálezu

Následující příklady popisují pouze výhodná provedení předmětného vynálezu, slouží jen pro ilustraci a nijak neomezují rozsah tohoto vynálezu daný patentovými nároky.

Pokud není uvedeno jinak, jsou veškeré procentické hodnoty v následujícím textu udávané v hmotnostních procentech.

Srovnávací příklad

Pájecí lázeň byla naplněna pájkou obsahující přibližně 0,5 procenta mědi, přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činil zbytek do 100 procent. Při teplotě pájky 255 ± 2 °C byl zpracováván velký počet desek s plošnými spoji. Pokud byla do lázně kontinuálně doplňována pájka o stejném složení jako výchozí pájka, došlo po zpracování více než 2000 desek s plošnými spoji ke zvýšení koncentrace mědi v uvedené lázni na nežádoucí hodnotu (viz. obrázek 1). V důsledku zvýšení koncentrace mědi došlo rovněž ke zvýšení teploty tání pájky obsažené v uvedené lázni, ke změně jejího povrchového napětí a tekutosti. Pájitelnost uvedené pájky byla extrémně nízká, přičemž docházelo ke vzniku můstků, dutin, nedokončených pájených spojů, hrotů a rampouchů vytvořených z pájky atd.

Příklad 1

Pájecí lázeň byla naplněna bezolovnatou pájkou obsahující přibližně 0,5 procenta mědi, přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činil zbytek do 100 procent. Při teplotě • «·99 9 9 9 9 9 9 9 · • 9 · · 9 9 9 9 • 999 9 999 99 ·· 9·· pájky 255 ± 2 °C a za stejných podmínek jako ve srovnávacím příkladu byl zpracováván velký počet desek s plošnými spoji. Poté byla do lázně doplněna pájka neobsahující vůbec žádnou měď. V tomto případě byla kontinuálně doplňována pájka obsahující přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činil zbytek do 100 procent. Jak je patrné z obrázku 2, koncentrace mědi se ustálila na hodnotě 0,7 procenta. Nebyly pozorovány žádné nevyhovující vlastnosti z hlediska páj itelnosti.

Příklad 2

Pájecí lázeň byla naplněna výchozí pájkou obsahující přibližně 0,6 procenta mědi, přibližně 0,05 procenta niklu spolu s účinným množstvím kovu bránícího oxidaci, jako je germanium, fosfor nebo vápník, a cín, jehož obsah činil zbytek do 100 procent. Pájení probíhalo při teplotě pájky 255 ± 2 °C a za stejných podmínek jako ve srovnávacím příkladu. Poté byla do lázně doplněna pájka o stejném složení jako uvedená výchozí pájka, avšak neobsahující vůbec žádnou měď. I v tomto případě, podobně jako v příkladu 1, dosáhla koncentrace mědi hodnoty přibližně 0,7 procenta a zůstala stabilizovaná na této hodnotě.

Příklad 3

Pájecí lázeň byla naplněna bezolovnatou pájkou obsahující přibližně 0,6 procenta mědi, přibližně 0,05 procenta niklu a cín, jehož obsah činil zbytek do 100 procent. Pájení probíhalo při teplotě pájky 255 ±2 °C a za stejných podmínek jako ve ·· · • 49

4 4 44

4

4 9 4

4 4 4 4

4 4 4 · 4 4

4 4 4 4

4 · · 4 ·

9 4 4 9

944 94 ·9 9 výše popsaných příkladech. Poté byla do lázně doplněna pájka na bázi slitiny cínu s niklem, která neobsahovala vůbec žádnou měď, avšak obsahovala účinné množství kovu bránícího oxidaci, jako je germanium, fosfor nebo vápník. I v tomto případě, podobně jako v předcházejících příkladech, dosáhla koncentrace mědi hodnoty přibližně 0,7 procenta a zůstala stabilizovaná na této hodnotě.

Pájky, které se používaly ve výše popsaných příkladech byly slitiny na bázi cínu, mědi a niklu. Přesně regulovaný byl pouze obsah mědi, přičemž obsah ostatních prvků nebylo třeba regulovat. Toto tvrzení platí v případě uvedených slitin, které dále obsahují stříbro, bismut, indium, fosfor, germanium atd., přičemž tyto prvky slouží pro zlepšení smáčitelnosti nebo pro zabránění oxidaci.

Způsobem podle předmětného vynálezu je možné v roztavené pájce, která je obsažena v lázni, přesně regulovat obsah mědi, přičemž měď na jedné straně tvoří nezbytnou součást uvedené pájky a na druhé straně má nepříznivé účinky na pájitelnost, pokud její koncentrace překročí určitou mez. Způsobem podle tohoto vynálezu je zajištěno, že i při provedení velkého počtu pájení s použitím stejné pájecí lázně je kvalita pájených spojů stále vynikající.

Zařízení, ve kterém se používá deska s plošnými spoji vyrobená pomocí pájení v ponořovací lázni, které se reguluje způsobem podle předmětného vynálezu, obsahuje výrazně menší množství olova a uvedené zařízení tak nekontaminuje výrobní ani pracovní prostředí a ani není zdrojem velkého množství » ·

0· • 00 olova při jeho likvidaci. Kontaminace životního prostředí způsobená objemovou produkcí je tak výrazně snížena.

Claims

NÁROKY

1. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni obsahující roztavenou pájku, která jako nezbytný prvek obsahuje alespoň měď, během stupně ponořovacího pájení při výrobě desky s plošnými spoji, která má na svém povrchu připevněnou měděnou fólii, nebo při výrobě součástky, ke které jsou připojeny měděné vodiče, vyznačující se tím, že zahrnuje stupeň vpravení doplňované pájky neobsahující vůbec žádnou měď nebo obsahující měď v menší koncentraci, než je koncentrace mědi v uvedené roztavené pájce, která se nachází v uvedené lázni před přidáním uvedené doplňované pájky do lázně, takže hodnota koncentrace mědi v uvedené lázni je regulována na předem stanovenou konstantní hodnotu nebo na hodnotu nižší.
2. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená roztavená pájka nacházející se v uvedené lázni obsahuje jako hlavní složky cín, měď a nikl, přičemž uvedená doplňovaná pájka obsahuje jako hlavní složky cín a nikl.
3. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená roztavená pájka nacházející se v uvedené lázni obsahuje jako hlavní složky cín, měď a nikl, přičemž uvedená doplňovaná pájka obsahuje jako hlavní složky cín, měď a nikl.
4. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená • A ······

A4AA · AAA ·· ·· ··· roztavená pájka nacházející se v uvedené lázni obsahuje jako hlavní složky cín, měď a stříbro, přičemž uvedená doplňovaná pájka obsahuje jako hlavní složky cín a stříbro.
5. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená roztavená pájka nacházející se v uvedené lázni obsahuje jako hlavní složky cín, měď a stříbro, přičemž uvedená doplňovaná pájka obsahuje jako hlavní složky cín, měď a stříbro.
6. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že uvedená doplňovaná slitina se přidává do lázně při poklesu hladiny uvedené roztavené pájky v lázni pod předem stanovenou úroveň.
7. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že uvedená doplňovaná slitina se přidává do lázně pokaždé, kdy je v uvedené lázni zpracován předem stanovený počet desek s plošnými spoji.
8. Způsob regulace koncentrace mědi v pájecí ponořovací lázni podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že koncentrace mědi v uvedené lázni obsahující roztavenou pájku je udržována na hodnotě menší než

0,85 hmotnostního procenta při teplotě roztavené pájky přibližně 255 °C.

• I*
9.
10.
11.

• 0 · · · 0 0· 000 · 0 0 0 00000· • 000 4 ·00 44 4· ···

Elektrické a elektronické zařízení obsahující pájený spoj, vyznačující se tím, že uvedený pájený spoj je vyrobený v pájecí ponořovací lázni, ve které je koncentrace mědi regulována způsobem podle kteréhokoli z nároků 1 až 8.

Doplňovaná pájka, která se přidává do lázně obsahující roztavenou pájku obsahující jako hlavní složky cín, měď a nikl, vyznačující se tím, že obsahuje jako hlavní složky cín a nikl.

Doplňovaná pájka, která se přidává do lázně obsahující roztavenou pájku obsahující jako hlavní složky cín, měď a stříbro, vyznačující se tím, že obsahuje jako hlavní složky cín a stříbro.