TW200529963A - Solder alloy for preventing Fe erosion and method for preventing Fe erosion - Google Patents

Description

200529963 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 之防止鐵瀝濾 別有關藉由手 機器構件的防

Pb-Sn合金者 i虫點爲1 8 3 °c者 1電子部品之熱 >出現未焊接， •金含有對人體 含P b之「無鉛 ί所使用之無鉛 n-0.7Cii (融點 •58Bi (融點： A g、C u、Ζ η、 、Ga等第三元 :成份之合金者 本發明係有關被覆F e或F e系合金構f 用焊料合金與防止鐵瀝濾之方法。本發明裝 焊於印刷基板進行焊接時，所使用之焊接月 止鐵瀝濾用之焊料合金與防止鐵瀝濾之方法

【先前技術】 先行技術中，印刷基板之焊接時係使用 。此P b - S η合金其共晶組成（p b - 6 3 S η )之_ ’可於較低溫進行焊接。因此，對於不耐絜 影響亦不大，且，焊接性良好，因此，極多 脫落等焊接不良者爲其優點。惟，p b - S η合 有害之P b成份，因此，最近被偏好使用未-焊接」，的電子機器之焊接者。

無鉛焊接係指以Sn爲主成份者，目ft 焊接合金除 S η - 3 · 5 A g (融點：2 2 1。(：） 、S :22 7。。) 、Sn-9Zn (融點：199〇C ) 、Sn. 1 3 9°C )等二元合金之外，此等中適當添加

Bi、In、Sb、Ni、Cr、Co、Fe、Μη、P、Ge 素者。 本發明之「……合金」係指至少含有 ’如上述之二元合金係該二元合金與該二元合金更添加一 種以上第三元素之合金者。如：S η - Ζ η系係S η - Ζ η合金及 200529963 (2) 該S η - Z ii中更添加一種以上上述之第三元素之合 S η - A g系係指S η - A g合金及S n - A g中更添加一種以 之第三元素之合金者。 目前，S η - A g - C u系無鉛焊料合金之主流係! 0.5Cu、Sn-3.5Ag_0.75Cu 等之 Sn-Ag-Cu 系無鉛焊 者。Sn-Ag-Cii系無鉛焊料合金可對應手焊（ s ο 1 d e r i n g )、流動焊接（f 1 〇 w s ο 1 d e r i n g )、再流動 φ reflow soldering )等所有工法，具良好焊接強度之 及理想焊接性者。 實際上被使用之其他無鉛焊料合金中，做爲低 流動焊接用焊料合金者如：S η - 0.7 C u無鉛焊料合 S n-Cu系合金、及做爲低熔融溫度之再流動焊接用 如：Sn-Zn系焊料合金及Sn-In系焊料合金等者， 整體觀之，僅極微之比例者。 手焊係指以手動作業之焊接者，利用焊： _ S ο 1 d e r i n g i r 〇 η，S ο 1 d e r i n g t r 〇 w e 1 )後進行者。手焊 流動焊接、再流動焊接之修正、後接部品之焊接進 焊料鏝係於內藏加熱器之焊料鏝本體頂端裝置鏝尖 者。 鏝尖之主材料係使用導熱性良好之Cu及Cu合 ，於進行焊接之頂端部份藉由Sn防止Cii之瀝濾， 進行Fe鍍敷、Ni鍍敷之外，Fe鍍敷後進行被覆者 惟，用於手焊之焊料合金由先行技術之Sn-Pb 合金被目前所使用之Sn-Ag-Cu系無鉛焊料合金取 金者， 上上述 >n-3 Ag- 料合金 manual 焊接（ 信賴性 成本之 金等之 金合者 而，由 料鍍（ 係針對 行者。 之構造 金等者 因此， 〇 系焊料 代後， -6 - 200529963 (3) 其鏝尖之耗損劇烈，該焊料鏝之鏝尖壽命約呈1 /3者。 先行技術中亦被揭示，做爲抑制使用無鉛焊料時之鏝 尖Fe被覆層之侵蝕的方法者，以使用添加o.oi質量 %〜〇·2質量％之焊料合金者。（專利文獻1 )惟，無鉛焊 料合金之Fe的配合雖具相同焊接時間之抑制Fe被覆層之 侵蝕效果，惟，明顯阻礙焊料之濕潤性，而，延長焊接時 間，結果，Fe被覆層受侵蝕之。 g [專利文獻1]特開2003-62688號 【發明內容】 本發明課題係以提供一種利用被覆F e或F e系合金之 構件’以Sn做爲主成份於Sn-Ag-Cu系之無鉛焊料合金進 行焊接時，爲防止被覆Fe或Fe系合金之焊接用機器構件 之鐵瀝濾之防止焊料合金及Fe瀝濾之方法者。 該F e瀝濾現象明顯之原因係被無鉛焊料取代後，其 φ 易溶F e之焊料中S η含有率變高，焊料本身濕潤性不良， 藉由焊鏝之焊接時間務必花2倍時間，由先行技術之s η-P b系焊料合金之溶融溫度（約1 8 3 °C )其S η · A g - C u系無 錯焊料合金之熔融溫度（約2 2 0 °C )與焊料之熔融溫度約 上昇4 0 °C，因此，鏝尖之使用溫度亦由S η - P b系焊料合金 之使用溫度之3 5 0 °C〜42 0 °C，其Sn-Ag-Cu系無鉛焊料合 金之使用溫度上昇爲3 8 0 t〜4 5 0 t等例，其結果促進與Fe 之反應，易侵蝕被覆層。 本發明者藉由使用添加微量之C 〇於S η - A g - C u系無錯 200529963 (4) 焊料合金之焊料後，於S η - A g - C u系無錯焊料合金中分散 C 〇後，發現可防止F e之溶解，因此，不易出現焊鏝之鏝 尖的F e瀝濾，進而完成本發明。 本發明防止鐵瀝濾用焊料合金係由 Ag : 〇 · 3質量％以 上，4.0質量％以下、Cu ·· 0·：[質量％以上，1 ·〇質量％以下 、C 〇 : 0 · 0 0 1質量％以上，〇 . 5質量％以下，剩餘部份實質 上由S η所成之合成組成的焊料合金者。 Β 爲提昇焊料合金之耐疲勞性，亦可含〇·〇1質量％以上 ，0.1質量％以下之Ni於該焊料合金組成中。 本發明之特徵係利用被覆Fe或Fe系合金之焊接用構 件後，以Sn做爲主成份之Sn-Ag-Cu系無鉛焊料合金進行 焊接時，使用含有0.001質量％以上，〇·5質量％以下之Co 之Sn-Ag-Cii系無鉛焊料合金後進行焊接者之被覆Fe或 Fe系合金之焊接用機器構件的鐵瀝濾之防止方法者。 做爲藉由本發明防止鐵瀝濾之易產生鐵瀝濾之焊接用 φ 機器構件者如：用於手焊之焊鏝之鏝尖’用於焊接機器人 之焊鏝之鏝尖，及用於修補裝置之焊鏝之鏝尖等例。 此部材係於如上述已Fe鍍敷’或Ni鍍敷上進行Fe 鍍敷後被覆者。又，Fe鍍敷時亦包含Fe-C合金類之Fe系 合金鍍敷。 本發明之Sn-Ag-Cu系無鉛焊料合金中使用加有Co : 0.0 0 1質量％以上，0.5質量％以下，較佳者C 〇 ·· 0.0 1質量 %以上，0.1質量％以下之焊料合金後，相較於先行之Sn-P b系焊料合金，即使使用焊料之F e瀝濾劇烈之S η - A g - C u 200529963 (5) 系無鉛焊料合金，仍可減少用於手焊之焊鏝的鏝尖保護膜 之Fe被覆層的瀝濾，鏝尖壽命約增爲3倍。 【實施方式】 (發明實施之最佳形態） 其中，有關本發明之焊料合金的防止Fe瀝濾機序並 未明朗，惟，可如以下之推測。 φ 亦即，「Fe瀝濾」係指含於焊料所接觸構件等之Fe 份耗損於焊接中之現象者，通常，熔融焊料中出現Fe份 溶解現象。 如此，於使用無鉛焊料合金之焊接中產生Fe瀝濾之 原因係S η與F e進行反應（相互擴散）合金化後，易將此 溶解於熔融焊料中之Sn所致。Sn之含量愈多，Fe瀝濾將 愈明顯。 此現象於不銹鋼仍同樣出現，產生不銹鋼之瀝濾。不 φ 銹鋼亦爲F e系合金之一種，因此，本明細書中亦含此現 象稱F e瀝濾者。 無鉛焊料合金所出現之防止F e瀝濾中，亦可證明只 要限制可溶解F e量及其速度者即可。 該溶解量與速度係依其焊料組成與溫度而異。因此， 抑制F e溶於焊料中S η之速度時，如先行技術所示，可預 先添加F e於S η中即可抑制之。惟，熔融狀態中溶解之 Fe於凝固後對於Sn仍不會固溶，即使微量，Fe溶解後， 凝固時析出F e S η化合物（晶出），而出現液相線溫度上 -9 - 200529963 (6) 昇之。 F e由周期表所具係屬第8族之金屬者，相同的屬於第 8族之C 〇及N i，屬於第6族之C r等稱爲過渡金屬，具相 似性質者。大部份之過渡金屬與F e相同，於s η不會固溶 ，做成化合物析出，而上昇液相線溫度，惟，N i、C 〇具 降低作成共晶組成之熔融溫度性質。本發明者針對此點進 行硏討。 φ 添力日Ni、Co於Sn-Ag-Cii系無鉛焊料合金後，此等於 熔融時溶於Sn中。特別是Co時，微量存在於Sn-Ag-Cu 系無鉛焊料合金仍溶解Co後，Fe、Ni、Cr等同種過渡金 屬不再溶解，證明Fe系合金構件或Fe或被覆Fe系合金 構件之瀝濾被抑制之。實驗結果與N i具相同效果者，惟 ，添加Ni於Sn-Ag-Cu系合金後，伴隨液相線溫度之上昇 ，其可容許量受限制，未能大量添加N i。另外，C 〇之添 加，相較於Ni，僅微量即出現效果，且，即使與Ni呈同 φ 等量仍不致出現液相線溫度之上昇。 對於S η _ A g - C 11系無鉛焊料合金之最適c 〇的添加量係 依S η之含量而定，S η約9 5 %以上時，以〇 . 〇 〇1質量％以 上，0 · 5質量％以下者宜，更佳者爲〇 · 〇 1質量％以上，〇 . i 質量％以下。 當C 〇量爲少於〇 . 〇 1質量％，特別是少於〇 . 0 〇丨質量％ 時，則將無被覆Fe或Fe系合金之機器構件的Fe瀝濾抑 制效果，反之，C 〇量多於〇 · ;ι質量％，特別是多於〇. 5質 量％則出現液相線溫度之上昇，恐造成作業性不良之虞。 -10- 200529963 (7) 本發明特別可實現適於手焊之焊料合金組成，因此， 本發明之焊料合金其濕潤性特別理想。 後述表1顯示S η - A g - C u系無鉛焊料合金之熔融溫度 與毛細現象曲線圖法之歸零時間。適於手焊之無鉛焊料合 金之組成其歸零時間爲3秒以內之焊料者。 其中，針對S η之A g添加可明顯提昇焊料合金之濕潤 性。對於S η基劑無鉛焊料之A g的添加藉由〇 . 3質量％以 φ 上添加後效果彰顯，特別是加入3 ·0質量％更提昇其焊料 合金之濕潤性。加入4.0質量％之Ag後，將提高焊料合金 之熔融溫度，因此，務必提昇焊鏝之設定溫度，使F e瀝 濾變大。 又，對於Sn基劑無鉛焊料微加微量之Cu後，不僅提 昇焊料合金之強度，同時亦降低焊料合金之熔融溫度，濕 潤性亦提昇之。 C u之添加爲0 . 1質量％以上者宜，較佳者爲0.5質量 φ %以上，可彰顯所期待之效果，超出1 ·〇質量％後將提高焊 料合金之熔融溫度，因此，務必提昇焊鏝之設定溫度，而 使F e瀝濾變大。 適於手焊之S η - A g - C u系無給焊料合金係由 A g : 〇 . 3 質量％以上，4.0質量％以下、Cn : 0·1質量％以上，1 .〇質 量％以下，剩餘部份爲Sn之組成者宜，其中最理想之Sn-Ag-Cu系無鉛焊料合金組成爲Ag : 3.0質量％以上，4.0質 量％以下、Cu ·· 0. 1質量％以上，1 ·0質量％以下，剩餘部 份：S η者。 -11 - 200529963 (8) 本發明藉由添加0.0 0 1質量％以上’ 〇 · 5質量％以下’ 較佳者爲0. 〇 1質量％以上’ 0 .1質量％以下之c 0於此等無 鉛焊料合金後，可減少對於焊鏝鏝尖之F e或F e系合金之 鍍敷的鐵瀝濾者。 用於被覆F e或F e系合金之焊接用構件之防止鐵渥灑 方法之本發明焊料合金組成係由A § : 0.3質量％以上’ 4 · 0 質量％以下、C u : 0 . 1質量。/〇以上’ 1 · 〇質量％以下、C 〇 : • 0 · 0 0 1質量％以上，0 · 5質量％以下，剩餘部份實質上爲S η 所成之合金組成的焊料合金者。理想之該焊料合金以Ag :3.0質量％以上，4.0質量％以下、Cu : 0·1質量％以上， 1 · 0質量％以下、C 〇 : 0.0 1質量％以上，0 · 1質量％以下， 剩餘部份實質上爲Sn所成之合金組成的焊料合金者。 本發明藉由添加微量N i於被覆F e或F e系合金之焊 接用構件之防止鐵瀝濾方法所使用之焊料合金組成後，可 改善焊料合金之耐疲勞性者。所添加之Ni其Ni若少於 φ 〇·〇〗質量％則將未能改善耐疲勞性，該Ni量若高於0.1質 量％則將析出Ni，焊料合金之融點上昇至接近30(TC，因 此，務必提昇焊鏝之設定溫度，使得鐵瀝濾變大。 本發明之焊料合金可爲任意形態者，惟，爲防止鐵瀝 濾之前提下’多半用於流動焊接或再流動焊接之修正，後 接部品之焊接者，所謂的做爲添加樹脂之焊料使用者多。 其中添加樹脂焊料係預先存在3 %左右之焊劑於線狀 所成型之焊料中心部者，同時進行焊料合金之供給與焊劑 之添加係已爲公知之焊料合金使用形態之一者。當然此時 - 12- 200529963 (9) 之焊劑亦爲公知者，如：松脂系或鹵系者，而，目前以松 脂系爲較佳者。另外，用於樹脂焊料之焊劑組成均依j j s 所規定者，本發明亦採用其即可，並特別限定。 以下，藉由實施例進行本發明作用效果之具體說明。 (實施例） 製作表1所示之各焊料合金組成之添加樹脂焊料，進 0 行焊接印刷基板之溢料面，檢測鏝尖之可使用次數。其焊 料合金組成，其熔融溫度、濕潤均衡法之歸零時間及鏝尖 可使用次數之結果同樣整理於表1。 表

焊料組成 Sn Ag Cu Co Ni 其他 溶融溫度(°C) 歸零 時間 使用 次數 固相 線 液相 線 (sec) 實施 例 1 剩餘部份 1 0.5 0.01 217 227 2.3 2180 2 剩餘部份 0.3 0.5 0.01 0.01 218 228 2.5 2330 3 剩餘部份 3 0.5 0.01 - 217 220 1.5 2877 4 剩餘部份 3 0.5 0.1 0.01 218 221 1.6 2746 5 剩餘部份 3.5 1 0.01 - 217 233 1.5 2843 6 剩餘部份 3.9 0.5 0.01 - 217 ^229 1.3 3201 7 剩餘部份 3.9 1 0.1 - 218 231 Γ"[.4 2981 8 剩餘部份 3.9 1 0.1 0.1 218 233 1.4 2874 比較 例 1 剩餘部份 - 0.5 雜 227 231 4.0 780 2 剩餘部份 - 0.7 - - Fe0.05 227 230 3.6 1463 3 剩餘部份 0.3 0.5 - - 217 228 2.6 985 4 剩餘部份 0.1 0.7 - - 217 228 3.1 820 5 剩餘部份 3.5 1 1 217 270 3.2 1830 6 剩餘部份 - - - - Pb37 183 183 0.8 3506 7 剩餘部份 3.0 0.5 - 0.25 218 320 1.9 1980 -13- 200529963 (10) 取得此等結果之試驗條件如下。 (η鏝尖之使用次數 成型段形狀：圓形 成型段尺寸：直徑〇.8mm 焊鏝溫度：焊料合金之熔融溫度+ 1 6 0 °C 鏝尖材質構造：母材 Cu 0 基底 鑛Ni (厚度50μηι) 表面 鍍Fe (厚度30μηι) 添加樹脂之焊料 添加樹脂之焊料徑：直徑〇.5mm 焊劑等級：AA ( JIS Z 3 2 8 3 ) 焊劑含有量：3質量％ (2 )熔融溫度（JIS Z 3198-1 ) φ 測定方法：示差掃描熱量測定法（D S C ) 昇溫速度：5°C /分載氣：Air

(3 )藉由濕潤均衡法之濕潤性測定（JIS Z 3 1 98-4 ) 浸漬深度：2mm 浸漬速度：5mm/秒 浸漬時間：1 〇秒 焊料溫度：2 5 0 °C -14- 200529963 (11) 含0.001質量％以上，Ο.5質量％以下co之本發明焊 料合金中，對於鏝尖可使用次數接近3 0 0 0次’相反的未 添加C。之比較例之添加樹脂焊料可使用次數則爲1 0 00次 以下，使用前述專利文獻1所揭示之焊料合金之添加樹脂 焊料亦僅可使用1 5 0 〇次而已。

•15-

Claims (1)

1. 200529963 (1) 十、申請專利範圍 1·一種防止鐵瀝濾用焊料合金，其特徵係由 Ag : 0.3 質量％以上，4.0質量％以下、c u : 0 . 1質量％以上，1 . 〇質 量％以下、C 〇 : 0 · 〇 〇 1質量％以上，〇 . 5質量。/〇以下，剩餘 部份實質上爲S η所成者。 2 .如申請專利範圍第1項之防止鐵瀝濾用焊料合金， 其中該Co爲0.01質量％以上，〇.丨質量％以下者。 3 ·如申請專利範圍第1項或第2項之防止鐵瀝濾用焊 料合金，其中該Ag爲3質量％以上，4.0質量％以下者。 4.如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之防止鐵 瀝濾用焊料合金，其中該C u爲〇 . 5質量％以上，1 . 0質量 %以下者。 5 .如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之防止鐵 瀝濾用焊料合金’其中該焊料合金更含有Ni : 0.01質量。 以上，0 · 1質量％以下者。 6·—種被覆Fe或Fe系合金之焊接用機器構件的防止 鐵瀝濾之方法’其特徵係利用A g : 〇 . 3質量％以上，4.0 質量％以下、C u ·· 0.1質量％以上，1 · 〇質量。/。以下、c 〇 : 0 · 0 0 1質量％以上，〇 . 5質量％以下，必要時，更含N i : 〇.〇1質量％以上、0.1質量。/。以下，剩餘部份實質上爲Sn 所成之合金組成的焊料合金者。 7.—種被覆Fe或Fe系合金之構件的防止鐵瀝濾之方法 ’其特徵係利用被覆Fe或Fe系合金之焊接用構件，於以Sn 做爲主成份之Sn-Ag-Cu系無鉛焊料合金進行焊接之方法中 -16- 200529963 (2) ，使用含有〇.〇〇1質量％以上，〇.5質量％以下0〇之8!1-八§- Cu系無鉛焊料合金進行焊接者。

   -17- 200529963 七 無 明 說 單 簡 t，lu 符 表 為代 圖件 表元 代之 定圖 指表 :案代 圖本本 代 \ly 定一二 匕日/i 無 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：無