PL215688B1 - Spoiwo lutownicze bezołowiowe - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest spoiwo lutownicze bezołowiowe do lutowania na miękko materiałów i układów elektronicznych.

Połączenia lutowane spełniają funkcję wzajemnego połączenia elektrycznego, termicznego i mechanicznego w systemach elektronicznych. Podczas użytkowania połączenia lutowane są narażone na działanie naprężeń termicznych, wynikających ze zmian temperatury, włączania/wyłączania zasilania i innych uwarunkowań otoczenia. Wymagania stawiane w związku z tym obwodom elektronicznym mają wpływ zarówno na ich konstrukcję, jak i na materiał stosowany w tych układach, zwłaszcza w zakresie wytrzymałości i odporności na zmęczenie połączeń lutowanych.

Znane materiały lutownicze bezołowiowe zawierają jako podstawowy składnik cynę, a głównym dodatkiem większości stopów bezołowiowych jest srebro, które tworzy z cyną, topiącą się w temperaturze 232°C, eutektykę o punkcie topliwości 221°C. Charakterystyka stopu Sn-Ag jest zbliżona do zastępowanych lutów SnPb37 z temperaturą eutektyczną 183°C. Srebro, podobnie jak dodatki miedzi, niklu, cynku, indu, bizmutu, antymonu oraz metali ziem rzadkich poprawiają zwilżalność stopem wkładek metalowych Cu, Ni, Pd i z innych materiałów np. ceramicznych oraz zwiększają własności wytrzymałościowe spoiny dzięki wydzielaniu w niej faz międzymetalicznych, wskutek czego aparatura elektroniczna wykazuje większą odporność na zmęczenie, pełzanie, szoki cieplne i obciążenia udarowe.

W opisie wynalazku CN101081463 przedstawiono skład stopu bezołowiowego Sn-Ag-Cu-Dy o zawartości Dy 0,01-4,0% wagowych, Ag 0,1-5,0% wagowych, Cu 0,01-2,0% wagowych, który zawiera dodatkowo P, Mg i/lub Al w ilości 0,001-0,1% wagowych.

Inny skład stopu bezołowiowego na podłożu Sn ujawnia opis wynalazku JP2008031550, w którym zawartość Ag stanowi 0,1-5,0% wagowych, Cu 0,1-5,0% wagowych, a zawartość dodatków wybranych odpowiednio z grupy składającej się z Sb, Bi, Cd, In, Ag, Au, Ni, Ti oraz drugiej grupy składającej się z Ge, Zn, P, K, Cr, Mn, Na, V, Si, Al, Li, Mg i Ca jest nie większa niż 10% dla każdej z grup. Z japońskiego opisu wynalazku Jp2005103645 znany jest stop bezołowiowy, który składa się głównie Sn i zawiera wagowo 1,0-4,5% Ag, 0,3-1,2% Cu i, jako inne elementy, w ilości 0,006-0,1%, zawiera jeden albo więcej elementów spośród Ge, Ni, P, Mn, Au, Pd, Pt, Si, Bi, Sb i In.

Z opisu patentowego US7338567B2 znany jest stop zawierający wagowo 0,1-3% Cu, 0,0010,1% P i opcjonalnie 0,001-0,1% Ge, a resztę stanowi Sn. Stop może zawierać przynajmniej jeden ze składników Ag i Sb w ilości nie więcej niż 4% wagowych i/lub przynajmniej jeden składnik spośród Ni, Co, Fe, Mn, Cr i Mo w ilości nie więcej niż 0,5% wagowych i /lub przynajmniej jeden element spośród Bi, W i Zn W całkowitej ilości nie więcej niż 5% wagowych.

Spoiwo lutownicze bezołowiowe według wynalazku zawierające, oprócz cyny, 2,5-4,5% wagowych srebra, 0,3-0,7% wagowych miedzi, 0,001-0,1% wagowych manganu oraz magnez, charakteryzuje się tym, że zawiera dodatkowo 0,001-0,01% wagowych boru a zawartość magnezu wynosi 0,1-0,3% wagowych, natomiast współczynnik k wynosi 0,35-0,70, gdzie Δ = 100% - %Sn.

Spoiwo według wynalazku, ze względu na odpowiednio dobrany skład wykazuje przydatność do lutowania elementów zespołów opto-elektronicznych oraz wkładek i podłoży z metali lub metalizowanych tworzyw sztucznych według technologii montażu powierzchniowego w elektronicznych układach scalonych, jak również do lutowania miedzianych rur i łączników w instalacjach wodociągowych. W spoiwie srebro działa jako antyutleniacz wskutek bardzo małego powinowactwa do tlenu i rozlokowywania się na powierzchni kropel lutowia. Natomiast miedź dodawana jest w innych, niż podane na wstępie celach takich jak poprawa zwilżalności i tworzenie rozproszonych wydzieleń umacniających osnowę cynową. W spoiwie według wynalazku dodatek miedzi zapobiega zbyt szybkiemu rozpuszczaniu się miedzi z wkładek metalowych w cynie i tworzeniu się masywnej, kruchej i podatnej na odpryskiwanie warstwy faz międzymetalicznych w granicznym obszarze złącza. Nieoczekiwanie okazało się, że dodatek boru wpływa na zwilżalność i rozpływ spoiwa, natomiast dodatek magnezu poprawia przyczepność spoiwa do warstw ceramicznych, jako że wchodzi w reakcje z nimi, zawartość magnezu obniża również temperaturę eutektyki Sn-Mg o 20-30°C. Dodatek manganu przeciwdziała natomiast kożuszeniu ciekłego spoiwa. Test tej własności, polegający na koagulacji powyżej temperatury topnienia na niezwilżalnym podłożu nadruku pasty lutowniczej z udziałem proszku spoiwa, nie prowadzi do pozostawania na podłożu wysepek zaglomerowanych cząstek spoiwa oddzielonych od głównej kulki metalu.

PL 215 688 B1

W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano spoiwo lutownicze zawierające wagowo 2,5% Ag; 0,4% Cu; 0,05% Mn; 0,3% Mg; 0,001% B, resztę stanowi cyna z nieuniknionymi zanieczyszczeniami.

Współczynnik k = 0,5

W innym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano spoiwo lutownicze zawierające wagowo 3,0% Ag; 0,55% Cu; 0,05% Mn; 0,15% Mg; 0,01% B; resztę stanowi cyna z nieuniknionymi zanieczyszczeniami.

Współczynnik k = 0,49

W jeszcze innym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano spoiwo lutownicze zawierające wagowo 2,5% Ag; 0,3% Cu; 0,1% Mn; 0,2% Mg, 0,001% B, resztę stanowi cyna z nieuniknionymi zanieczyszczeniami.

Claims (1)

1. Spoiwo lutownicze bezołowiowe zawierające, oprócz cyny, 2,5-4,5% wagowych srebra, 0,3-0,7% wagowych miedzi, 0,001-0,1% wagowych manganu oraz magnez, znamienne tym, że zawiera dodatkowo 0,001-0,01% wagowych boru a zawartość magnezu wynosi 0,1-0,3% wagowych, natomiast współczynnik

   Δ - (%Mg + %Μη + %Β)

   Δ + %Ag wynosi 0,35-0,70, gdzie Δ = 100% - %Sn.