SK15152001A3

SK15152001A3 - Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli

Info

Publication number: SK15152001A3
Application number: SK1515-2001A
Authority: SK
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: 2002-02-05
Also published as: MY122835A; BR0104486B1; US20020134200A1; MXPA01009644A; KR20020007384A; BR0104486A; CZ301025B6; SK286033B6; WO2001062433A1; CA2368384A1; DE60127911T2; DE60127911D1; US6699306B2; AU3415501A; EP1189725A1; JP2001237536A; CA2368384C; ATE359894T1; JP3221670B2; TW533115B

Description

r »*

Oblasť techniky

Predmetný vynález sa týka zloženia bezolovnatej spájky a hlavne spôsobu regulácie zloženia roztavenej spájkovacej zliatiny v spájkovacom kúpeli používanom na výrobu príslušných spájkovaných spojov pri ponornom spájkovaní.

Doterajší stav techniky

Spájka je zvyčajne charakteristická svojou zmáčateľnosťou kovových povrchov pri pomerne nízkej teplote, ako je napríklad teplota 250 °C a podobne. Pokiaľ sú dosky s plošnými spojmi alebo vodiče vyrobené z medi, dochádza pri spájkovaní k rozpúšťaniu medi prítomnej na povrchu uvedených súčiastok do spájkovacieho kúpeľa. Tento dej sa označuje ako lúhovanie medi. Pri použití bezolovnatých spájok dochádza počas uvedeného zmáčania k rýchlemu rozpúšťaniu medi. Zistilo sa, že koncentrácia medi v spájkovacom kúpeli v tomto prípade veľmi rýchlo rastie. S rastúcou koncentráciou medi rastie tiež teplota topenia danej spájky, mení sa jej povrchové napätie a tekutosť, čo vedie k vzniku mostíkov, dutín, nedokončených spájkovaných spojov, hrotov a útvarov v tvare cencúľov vytvorených zo spájky, atď. Kvalita spájkovaných spojov tak podstatne klesá. Okrem toho spolu s narastajúcou koncentráciou medi dochádza tiež k zvyšovaniu teploty topenia. Uvedený rast koncentrácie medi sa zvyšuje spolu so zvyšovaním teploty topenia.

Vo zverejnenej medzinárodnej prihláške číslo WO 99/48639 bola opísaná nová spájka obsahujúca nikel, pričom v tomto dokumente sa uvádza, že pridanie niklu vedie k zlepšeniu tekutosti uvedenej spájky. V tomto prípade je žiaduce presne regulovať obsah medi v uvedenej zliatine.

31816/H

Len čo dôjde k zvýšeniu koncentrácie medi, vzniknutý problém možno účinne vyriešiť tým, že sa vykoná výmena celého objemu spájky obsiahnutej v kúpeli za novú. Avšak túto výmenu spájky je potrebné vykonávať často, čo zvyšuje výrobné náklady a vedie k celkom zbytočnej likvidácii zdrojov.

Podstata vynálezu

Vyššie opísaný problém je možné vyriešiť pomocou predmetného vynálezu. Predmetom tohto vynálezu je spôsob regulácie koncentrácie medi v požadovanom rozsahu bez toho, aby bolo potrebné vymieňať spájku obsiahnutú v kúpeli.

Pokiaľ sú široko používané dosky s plošnými spojmi opatrené medenou doštičkou a súčiastky obsahujúce medené vodiče podrobené ponornému spájkovaniu, dochádza v dôsledku lúhovania medi k zvyšovaniu koncentrácie medi v roztavenej spájke obsiahnutej v uvedenom kúpeli. Pretože nie je možné tomuto javu celkom zabrániť, usúdilo sa, že najlepším možným spôsobom zamedzenia tomuto javu je presná regulácia koncentrácie medi riedením obsahu medi v danej spájke.

Medzi spájkami, ktoré ako základnú zložku obsahujú meď, sa kvôli zlepšeniu spájateľnosti používa napríklad zliatina na báze cínu, medi a niklu, ktorá sa vyrába tak, že sa k eutektickej zliatine cínu a medi pridáva malé množstvo niklu, pričom tieto kovy sú základnými zložkami bezolovnatých spájok. Vyššie opísaná spájka vykazuje po rozpustení výbornú tekutosť a vysokú účinnosť pri ponornom spájkovaní počas výroby veľkého množstva elektronických dosiek s plošnými spojmi. Pri použití uvedenej spájky takmer nedochádza k vzniku mostíkov, dutín, nedokončených spájkovaných spojov, hrotov a cencúľov vytvorených zo spájky, atď., ktorých vznik pri vysokoobjemovej výrobe vždy predstavuje problém. Avšak v závislosti od výkonu daného kúpeľa dochádza k výraznému zvýšeniu koncentrácie medi v roztavenej spájke obsiahnutej v tomto kúpeli. Pri už uvedenom lúhovaní medi

31816/H vznikajú interkovové zlúčeniny na báze cínu a medi, ktoré majú vysokú teplotu topenia a nie je možné ich rozpustiť pri vopred stanovenej prevádzkovej teplote. Pozorovalo sa, že takáto zliatina sa lepí na predmet, ktorý sa má spájkovať, čím dochádza k znižovaniu kvality spájkovania. Množstvo medi rozpustenej v cíne sa mení s teplotou. Pretože meď má vysokú teplotu topenia, ktorá je 1083 ^eC, vedie čo i len malé zvýšenie obsahu medi k podstatnému zvýšeniu teploty topenia danej spájky. Na základe štúdií možností pokračovania v spájkovaní bez zvyšovania koncentrácie medi v danej spájke sa vyvinul nižšie opísaný spôsob.

Pokiaľ dôjde k zvýšeniu koncentrácie medi v roztavenej spájke obsahujúcej ako hlavné zložky cín, nikel a meď, ktorá sa nachádza v kúpeli, je do tejto roztavenej pôvodnej spájky nachádzajúcej sa v uvedenom kúpeli doplnená zliatina obsahujúca aspoň cín a nikel, ktorá však neobsahuje vôbec žiadnu meď alebo obsahuje meď v menšej koncentrácii ako je koncentrácia medi v uvedenej pôvodnej roztavenej spájke. Pokiaľ sa teda do uvedeného kúpeľa pridáva bezolovnatá spájka obsahujúca približne 0,5 % medi, približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah je zvyšok do 100 %, doplňuje sa do uvedeného kúpeľa za účelom udržania dobrých podmienok spájkovania zliatina obsahujúca aspoň približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah je zvyšok do 100 %, alebo zliatina obsahujúca aspoň približne 0,05 % niklu, menej ako 0,5 % medi a cín, ktorého obsah je zvyšok do 100 %.

Ako ďalší príklad možno uviesť prípad, kedy sa do spájkovacieho kúpeľa pridáva bezolovnatá spájka obsahujúca približne 0,8 % medi, približne 3,5 % striebra, približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah je zvyšok do 100 %. V tomto prípade sa do uvedeného kúpeľa za účelom udržania dobrých podmienok spájkovania pridáva zliatina obsahujúca aspoň približne 3,5 % striebra, približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah je zvyšok do 100 % alebo zliatina obsahujúca aspoň približne 3,5 % striebra, približne 0,05 % niklu, menej ako 0,8 % medi a cín, ktorého obsah je zvyšok do 100 %.

31816/H

Pretože zliatina, ktorá sa má dopĺňať do kúpeľa (v ďalšom texte označovaná rovnako ako „doplňovaná zliatina,,) neobsahuje vôbec žiadnu meď alebo obsahuje menšie množstvo medi, ako daná roztavená zliatina pred doplnením uvedenej zliatiny, dochádza po rozpustení doplňovanej zliatiny v danom kúpeli k zníženiu koncentrácie medi v zliatine obsiahnutej v kúpeli. Hoci pridávanie medi v doplňovanej zliatine nie je nevyhnutne nutné, môže sa v prípade, keď rýchlosť zvyšovania koncentrácie medi je menšia ako by bolo možné očakávať podľa daných teplotných podmienok v spájkovacom kúpeli, výhodne pridávať i malé množstvo medi. Uvedená spájka sa môže spotrebovávať vo veľkom množstve napríklad doskami s plošnými spojmi, ktoré obsahujú otvory. V takom prípade sa predpokladá, že doplňovanie zliatiny neobsahujúcej vôbec žiadnu meď by viedlo k nadmernému zníženiu obsahu medi v danej spájke, a preto je výhodne dopĺňať k uvedenej spájke zliatinu obsahujúcu malé množstvo medi.

Vyššie opísaná bezolovnatá spájka, ktorá je obsiahnutá v spájkovacom kúpeli, obsahuje cín, meď a nikel. Predmetný vynález nie je obmedzený len na tento typ spájky, ale je možné ho aplikovať vo všetkých prípadoch, kedy spájka v kúpeli obsahuje aspoň malé množstvo medi. Predmetný vynález možno rovnako použiť pokiaľ spájka v kúpeli obsahuje prvky, slúžiace na zlepšenie zmáčateľnosti alebo na zabránenie oxidácie. Za týmto účelom môže byť v uvedenej spájke prítomné striebro, bizmut, indium, fosfor, germánium, atď. Vyššie uvedené zliatiny rovnako spadajú do rozsahu predmetného vynálezu.

Množstvo doplňovanej spájky sa riadi v závislosti od spotreby roztavenej spájky v kúpeli, teploty likvidu, spotreby spájky na jednu šaržu dosiek s plošnými spojmi, atď. V mnohých prípadoch zvýšenie koncentrácie medi lineárne koreluje s množstvom dosiek s plošnými spojmi, ktoré prechádzajú kúpeľom. Hladina roztavenej spájky v kúpeli je nepretržite monitorovaná. Pokiaľ množstvo spájky v kúpeli klesne pod vopred stanovenú úroveň, do uvedeného kúpeľa sa doplní ďalšia spájka. Tvary pevných častíc doplňovanej spájky

31816/H zahrňujú, bez akéhokoľvek obmedzenia, tyčinky alebo drôty vytvorené z uvedenej spájky. Pretože, ako sa už uviedlo, zvýšenie koncentrácie medi lineárne koreluje s množstvom dosiek s plošnými spojmi, ktoré prechádzajú kúpeľom, je možné do uvedeného kúpeľa doplniť, po tom, ako týmto kúpeľom prejde vopred stanovené množstvo dosiek s plošnými spojmi, vopred určené hmotnostné množstvo spájky. V alternatívnom prípade je možné dopĺňanie spájky vykonávať po uplynutí vopred stanovenej doby. Oba vyššie uvedené spôsoby možno prípadne navzájom kombinovať.

Pri optimálnej regulácii, vykonávanej za účelom vyriešenia rôznych problémov spojených s nárastom koncentrácie medi, sa koncentrácia medi v roztavenej spájke, ktorá obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a nikel, výhodne udržiava na hodnote nižšej ako 0,85 hmotn. %, pričom teplota roztavenej spájky je približne 255 °C. Cieľová koncentrácia 0,85 hmotn. % nie je úplne presná, ale iba približná, pričom odchýlka od tejto hodnoty je závislá od posunu v teplote likvidu. Avšak pretože spájkované spoje začínajú degradovať, ak spájka obsahuje viac ako 0,90 hmotn. % medi, je možné v tomto zmysle pokladať hodnotu koncentrácie 0,85 hmotn. % za cieľovú.

V prípade zariadenia, v ktorom sa používa doska s plošnými spojmi vyrobená s pomocou spájkovania v ponornom kúpeli, ktoré sa reguluje spôsobom podľa predmetného vynálezu, sa v podstate zamedzí vneseniu olova, ktoré sa pokladá za jedovatý kov, do tohto zariadenia. Uvedené zariadenie tak nekontaminuje pracovné prostredie počas jeho výroby a nepredstavuje vážny problém z hľadiska životného prostredia pri likvidácii.

31816/H

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obrázku 1 je graf zmeny koncentrácie medi v bežne používanej spájke.

Na obrázku 2 je graf zmeny koncentrácie medi v prípade, kedy sa do kúpeľa dopĺňa spájka obsahujúca cín a 0,05 % niklu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Nasledujúce príklady opisujú iba výhodné vyhotovenia predmetného vynálezu, slúžia len ako ilustrácia a nijako neobmedzujú rozsah tohto vynálezu daný patentovými nárokmi.

Pokiaľ nie je uvedené inak, všetky percentuálne hodnoty sa v nasledujúcom texte udávajú v hmotnostných percentách.

Porovnávací príklad

Spájkovací kúpeľ bol naplnený spájkou obsahujúcou približne 0,5 % medi, približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah bol zvyšok do 100 %. Pri teplote spájky 255 ± 2 °C sa spracovával veľký počet dosiek s plošnými spojmi. Pokiaľ sa do kúpeľa kontinuálne dopĺňala spájka s rovnakým zložením ako východisková spájka, došlo po spracovaní viac ako 2 000 dosiek s plošnými spojmi k zvýšeniu koncentrácie medi v uvedenom kúpeli na nežiaducu hodnotu (pozri obrázok 1). V dôsledku zvýšenia koncentrácie medi došlo rovnako k zvýšeniu teploty topenia spájky obsiahnutej v uvedenom kúpeli, k zmene jeho povrchového napätia a tekutosti. Spájkovateľnosť uvedenej spájky bola extrémne nízka, pričom dochádzalo k vzniku mostíkov, dutín, nedokončených spájkovaných spojov, hrotov a cencúľov vytvorených zo spájky, atď.

31816/H

Príklad 1

Spájkovací kúpeľ bol naplnený bezolovnatou spájkou obsahujúcou približne 0,5 % medi, približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah bol zvyšok do 100 %. Pri teplote spájky 255 ± 2 °C a za rovnakých podmienok ako v porovnávacom príklade sa spracovával veľký počet dosiek s plošnými spojmi. Potom sa do kúpeľa doplnila spájka neobsahujúca vôbec žiadnu meď. V tomto prípade sa kontinuálne doplňovala spájka obsahujúca približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah bol zvyšok do 100 %. Ako je zrejmé z obrázku 2, koncentrácia medi sa ustálila na hodnote 0,7 %. Nepozorovali sa žiadne nevyhovujúce vlastnosti z hľadiska spájkovateľnosti.

Príklad 2

Spájkovací kúpeľ bol naplnený východiskovou spájkou obsahujúcou približne 0,6 % medi, približne 0,05 % niklu spolu s účinným množstvom kovu brániaceho oxidácii, ako je germánium, fosfor alebo vápnik a cín, ktorého obsah bol zvyšok do 100 %. Spájkovanie prebiehalo pri teplote spájky 255 ± 2 °C a za rovnakých podmienok ako v porovnávacom príklade. Potom sa do kúpeľa doplnila spájka s rovnakým zložením ako uvedená východisková spájka, avšak neobsahujúca vôbec žiadnu meď. I v tomto prípade, podobne ako v príklade 1, dosiahla koncentrácia medi hodnotu približne 0,7 % a zostala stabilizovaná na tejto hodnote

Príklad 3

Spájkovací kúpeľ bol naplnený bezolovnatou spájkou obsahujúcou približne 0,6 % medi, približne 0,05 % niklu a cín, ktorého obsah bol zvyšok do 100 %. Spájkovanie prebiehalo pri teplote spájky 255 ± 2 °C a za rovnakých podmienok ako vo vyššie opísaných príkladoch. Potom sa do kúpeľa doplnila spájka na báze zliatiny cínu s niklom, ktorá neobsahovala vôbec žiadnu meď, avšak obsahovala účinné množstvo kovu brániaceho oxidácii, ako je

31816/H germánium, fosfor alebo vápnik. I v tomto prípade, podobne ako v predchádzajúcich príkladoch, dosiahla koncentrácia medi hodnotu približne 0,7 % a zostala stabilizovaná na tejto hodnote.

Spájky, ktoré sa používali vo vyššie opísaných príkladoch, boli zliatiny na báze cínu, medi a niklu. Presne regulovaný bol len obsah medi, pričom obsah ostatných prvkov nebolo potrebné regulovať. Toto tvrdenie platí v prípade uvedených zliatin, ktoré ďalej obsahujú striebro, bizmut, indium, fosfor, germánium, atď., pričom tieto prvky slúžia na zlepšenie zmáčateľnosti alebo na zabránenie oxidácii.

Spôsobom podľa predmetného vynálezu je možné v roztavenej spájke, ktorá je obsiahnutá v kúpeli, presne regulovať obsah medi, pričom meď na jednej strane tvorí nevyhnutnú súčasť uvedenej spájky a na druhej strane má nepriaznivé účinky na spájkovateľnosť, pokiaľ jej koncentrácia prekročí určitú medzu. Spôsobom podľa tohto vynálezu sa zaistilo, že i pri vykonávaní veľkého počtu spájkovania s použitím rovnakého spájkovacieho kúpeľa je kvalita spájkovaných spojov stále výborná.

Zariadenie, v ktorom sa používa doska s plošnými spojmi vyrobená pomocou spájkovania v ponornom kúpeli, ktoré sa reguluje spôsobom podľa predmetného vynálezu, obsahuje výrazne menšie množstvo olova a uvedené zariadenie tak nekontaminuje výrobné ani pracovné prostredie a ani nie je zdrojom veľkého množstva olova pri jeho likvidácii. Kontaminácia životného prostredia spôsobená objemovou produkciou je tak výrazne znížená.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli obsahujúcom roztavenú spájku, ktorá ako nevyhnutný prvok obsahuje aspoň meď, počas stupňa ponorného spájkovania pri výrobe dosky s plošnými spojmi, ktorá má na svojom povrchu pripevnenú medenú fóliu, alebo pri výrobe súčiastky, ku ktorej sú pripojené medené vodiče, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje stupeň vpravenia doplňovanej spájky neobsahujúcej vôbec žiadnu meď alebo obsahujúcej meď v menšej koncentrácii ako je koncentrácia medi v uvedenej roztavenej spájke, ktorá sa nachádza v uvedenom kúpeli pred pridaním uvedenej doplňovanej spájky do kúpeľa, takže hodnota koncentrácie medi v uvedenom kúpeli je regulovaná na vopred stanovenú konštantnú hodnotu alebo na hodnotu nižšiu.
2. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že uvedená roztavená spájka nachádzajúca sa v uvedenom kúpeli obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a nikel, pričom uvedená doplňovaná spájka obsahuje ako hlavné zložky cín a nikel.
3. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že uvedená roztavená spájka nachádzajúca sa v uvedenom kúpeli obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a nikel, pričom uvedená doplňovaná spájka obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a nikel.

31816/H
4. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že uvedená roztavená spájka nachádzajúca sa v uvedenom kúpeli obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a striebro, pričom uvedená doplňovaná spájka obsahuje ako hlavné zložky cín a striebro.
5. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že uvedená roztavená spájka nachádzajúca sa v uvedenom kúpeli obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a striebro, pričom uvedená doplňovaná spájka obsahuje ako hlavné zložky cín, meď a striebro.
6. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že uvedená doplňovaná zliatina sa pridáva do kúpeľa pri poklese hladiny uvedenej roztavenej spájky v kúpeli pod vopred stanovenú úroveň.
7. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že uvedená doplňovaná zliatina sa pridáva do kúpeľa zakaždým, kedy je v uvedenom kúpeli spracovaný vopred stanovený počet dosiek s plošnými spojmi.
8. Spôsob regulácie koncentrácie medi v spájkovacom ponornom kúpeli podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že koncentrácia medi v uvedenom kúpeli obsahujúca roztavenú spájku sa udržiava na hodnote menšej ako 0,85 hmotn. % pri teplote roztavenej spájky približne 255 °C.

31816/H
9. Elektrické a elektronické zariadenie obsahujúce spájkovaný spoj, vyznačujúce sa tým, že uvedený spájkovaný spoj je vyrobený v spájkovacom ponornom kúpeli, v ktorom je koncentrácia medi regulovaná spôsobom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 8.
10. Doplňovaná spájka, ktorá sa pridáva do kúpeľa obsahujúceho roztavenú spájku obsahujúcu ako hlavné zložky cín, meď a nikel, vyznačujúca sa tým, že obsahuje ako hlavné zložky cín a nikel.
11. Doplňovaná spájka, ktorá sa pridáva do kúpeľa obsahujúceho roztavenú spájku obsahujúcu ako hlavné zložky cín, meď a striebro, vyznačujúca sa tým, že obsahuje ako hlavné zložky cín a striebro.