TW201402259A

TW201402259A - 軟銲合金

Info

Publication number: TW201402259A
Application number: TW102113805A
Authority: TW
Inventors: Hikaru NOMURA; Shunsaku Yoshikawa
Original assignee: Senju Metal Industry Co
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-01-16
Also published as: TWI561329B; KR101528446B1; US20150086263A1; JPWO2013157572A1; CN104411449B; WO2013157572A1; JP5387808B1; EP2839920A4; KR20140126780A; US9808890B2; EP2839920B1; CN104411449A; EP2839920A1

Abstract

本發明係在提供一種Sn-Zn系軟銲合金，即使熔融軟銲合金曝露於大氣中，也可降低浮渣之發生量，抑制熔融軟銲合金之變色及再氧化，並抑制Al及Ni之咬蝕現象。為了於軟銲槽之表面，比Zn更先形成氧化膜，抑制Al及Ni擴散至軟銲合金中，具有由Zn：3~25%、Ti：0.002~0.25%、Al：0.002~0.25%、及其餘部分為Sn之質量%所構成之合金組成。

Description

軟銲合金

本發明係關於軟銲合金。尤其是，與可抑制實施銲接時所發生之浮渣，並抑制被接合物之Al或Ni電鍍等之咬蝕現象的軟銲合金相關。

傳統上，使用於汽車之線組的電線、使用於電化製品等之馬達端子或電路配線，逐漸採用銅做為導電材。近年來，汽車及電化製品持續要求輕量化，使用於該等之Cu(比重：8.9)，也逐漸被比重為Cu之1/3程度的Al(比重：2.7)所取代。

對此種Al電線、Al端子、Al配線等(以下，適度地稱為「Al構件」)實施銲接的方法，例如，有浸漬方式及流動方式等之熔融銲接方法。浸漬方式，係將Al電線之端部或Al端子浸漬於靜止槽之軟銲槽來進行銲接。流動方式，則係使噴流槽之噴流銲材接觸Al配線來進行銲接。該等銲接方法，靜止槽及噴流槽之熔融銲材都長時間曝露於大氣。

然而，傳統以來，以對Al構件進行銲接為目的之軟銲合金，一向使用Sn-Zn軟銲合金。其係因為Zn與Al之電極電位差較小而可抑制電蝕。Sn-Zn軟銲合金，如JIS Z 3281之規定所示，以作業性之觀點而言，例如，低融點之Sn-9Zn、Sn-15Zn、Sn-20Zn。

此外，專利文獻1揭示著含有Ti及Al之Sn-Zn系軟銲合金，係可以對具有Al等氧化皮膜之難銲接金屬進行直接銲接之軟銲合金。

專利文獻

專利文獻1：日本特開2000-326088號公報

然而，Sn-Zn軟銲合金，雖然可以抑制對Al之腐蝕，然而，因為Zn之高活性而與大氣中之氧產生反應，使用於浸漬方式或流動方式的話，軟銲槽之液面發生多量浮渣。該浮渣，不但有損軟銲接頭之外觀，也因為必須在Al構件浸漬前進行除去，而導致作業性變差。此外，因為發生多量浮渣，軟銲合金之消耗激增並導致成本的上揚。

另一方面，專利文獻1所揭示之軟銲合金，係含有Ti或Al。該等元素係非常容易氧化的元素，其係以改善玻璃或陶瓷等氧化物之濕潤性來提高接合強度為目的所添加的元素。

然而，氧化物之銲接，如專利文獻1之實施方式的記載所示，每次超音波軟銲需除去玻璃板表面之異物來進行銲接。專利文獻1所揭示之軟銲合金，係直接對Al實施銲接，然而，實質上，係對Al表面之氧化皮膜進行銲接，軟銲合金並非在熔融狀態下長時間曝露於大氣之環境下來使用者。所以，專利文獻1，並無軟銲槽之液面發生浮渣的問題。

此外，專利文獻1進行了以提高與氧化物之接合強度為目的的檢討。使用於軟銲合金之元素，因為不會與氧化物表面之元素進行相互擴散，接合時不會形成金屬間化合物。所以，銲接時，也不會對氧化物發生咬蝕現象。

此處，就算發生浮渣，只要從熔融軟銲合金之液面除去浮渣的話，應該也可以使用於Al之接合。然而，在除去浮渣後、接合Al前，若熔融軟銲合金之液面變色或再發生氧化物的話，則有損銲接之Al的外觀。

而且，為了抑制Al等之表面氧化，通常會實施Ni電鍍，而為了接合Al構件，也希望能抑制覆蓋表面之Ni電鍍的咬蝕現象。

本發明之課題，係在提供一種Sn-Zn系軟銲合金，即使熔融軟銲合金曝露於大氣中，也可減少浮渣之發生量，抑制熔融軟銲合金之變色及再氧化，進而抑制Al或Ni之咬蝕現象。

本發明者們，針對Sn-Zn系軟銲合金，為了抑制軟銲槽之氧化，藉由添加比Zn之氧化更優先在軟銲槽之液面形成氧化膜來抑制大氣中之氧侵入軟銲槽中之元素而減少浮渣之發生量，進行檢討。結果，本發明者們，發現藉由將Al及Ti等容易形成氧化膜之元素添加於Sn-Zn軟銲合金，可以在瞬時於軟銲槽之液面形成氧化膜，該氧化膜可以抑制軟銲槽中之Zn的氧化並得到明顯減少浮渣之發生量的效果。此外，為了抑制Al及Ni之咬蝕現象，不但添加Al，也藉由同時將Ti添加於Sn-Zn軟銲合金，相較於只添加了Al之軟銲合金及只添加了Ti之軟銲合金，也發現其抑制咬蝕現象的效果比預估的更為優良。本發明者們，不但發現了上述結果，也發現Sn-Zn-Ti-Al軟銲合金可以抑制除去浮渣後之變色或氧化物的再發生，而完成了本發明。

而且，本發明者們，也發現藉由對Sn-Zn-Ti-Al軟銲合金添加Ni，可以更進一步提高抑制Ni咬蝕現象的效果。

本發明如以下所示。

(1)具有由Zn：3~25%、Ti：0.002~0.25%、Al：0.002~0.25%、及其餘部分為Sn之質量%所構成之合金組成的軟銲合金。

(2)前述合金組成更含有Ni：0.005~0.3質量%的上述(1)所記載之軟銲合金。

(3)具有前述合金組成且使用於Al之接合的上述(1)或上述(2)所記載之軟銲合金。

(4)具有前述合金組成且使用於Ni之接合的上述(1)或上述(2)所記載之軟銲合金。

(5)質量比為0.4≦Al/(Al+Ti)<0.6的上述(1)~上述(4) 中之任一項所記載之軟銲合金。

(6)由上述(1)~上述(5)中之任一項所記載之軟銲合金所構成的軟銲接頭。

(7)使用上述(1)~上述(5)中之任一項所記載之軟銲合金的接合方法。

1‧‧‧浮渣發生裝置

2‧‧‧Al咬蝕試驗機

第1圖係浮渣發生裝置之示意圖。

第2圖係Al及Ni咬蝕試驗機之示意圖。

第3圖係Sn-15Zn-(Ti)-(Al)軟銲合金之浮渣重量圖。

第4圖係浮渣重量與Ti及Al之合計量的關係圖。

第5圖係Sn-15Zn-(Ti)-(Al)軟銲合金之Al線斷線時間圖。

第6圖係Al斷線時間與Al及Ti之合計量的關係圖。

以下，針對本發明進行詳細說明。本說明書中，與軟銲合金組成相關之「%」，並未特別限定為「質量%」。

本發明之Sn-Zn-Ti-Al軟銲合金，係藉由含有Ti及Al之兩元素，來減少浮渣之發生量。軟銲合金中之Zn，係高活性。添加Ti或Al時，於軟銲合金之表面，比Zn與大氣中之氧的反應更早來形成Ti或Al之氧化膜。結果，該氧化膜抑制大氣中之氧與軟銲合金中之Zn的反應。因此，本發明之軟銲合金，熔融狀態之軟銲合金即使曝露於大氣中，也可減少浮渣之發生量。

此外，本發明之Sn-Zn-Ti-Al軟銲合金可以抑制Al之咬蝕現象。一般而言，咬蝕現象，係因為軟銲合金之元素與被接合物中之元素相互擴散，而使被接合物中之元素溶出於軟銲合金中所發生之被接合物被侵蝕的現象。為了抑制Al之咬蝕現象，從防止Al擴散至Sn之觀點而言，不只是單純增加Al之含有量，尚要藉由對軟銲合金添加對Sn之擴散係數高於Al之Ti，來抑制Al對軟銲合金中之擴散，才可減少Al咬蝕現象。該現象，軟銲槽之熔融溫度愈高愈為明顯。此外，本發明之Sn-Zn-Ti-Al軟銲合金，也可抑制Ni咬蝕現象。從防止Ni擴散至Sn之觀點而言，不只是單純增加Ni之含有量，尚要藉由對軟銲合金添加對Sn之擴散係數高於Ni之Ti，來抑制Ni對軟銲合金中之擴散，才可減少Ni咬蝕現象。

本發明之軟銲合金的合金組成，如以下所示。

Zn之含有量為3~25%。Zn提高對Al之銲接性。Zn少於3%的話，無法抑制電蝕。Zn多於25%的話，軟銲合金之融點上升太高，難以處理，而導致作業性變差。Zn之含有量，以4~23%為佳，5~20%更好，最好為12~20%。

Ti之含有量為0.002~0.25%。Ti不但可以抑制浮渣之發生量，尚可抑制Al之咬蝕現象。Ti之含有量少於0.002%的話，無法得到Al之咬蝕現象的抑制效果，未含有Ti的話，有時也會無法抑制浮渣之發生量。Ti多於0.25%的話，軟銲合金之融點較高，即使除去浮渣也會再發生氧化物。Ti之含有量，分別以0.002~0.23%為佳，最好為0.005~0.20%。

Al之含有量為0.002~0.25%。Al，與Ti相同，用以減少浮渣之發生量，抑制Al之咬蝕現象。Al之含有量少於0.002%的話，無法得到抑制浮渣之發生量及Al之咬蝕現象的效果。此外，軟銲槽中之熔融之軟銲合金的表面產生變色，利用變色之軟銲合金所形成的軟銲接頭，外觀惡化。而且，即使除去浮渣也會再發生氧化物。Al多於0.25%的話，軟銲合金之融點較高，即使除去浮渣也會再發生氧化物。Al之含有量，以0.002~0.23%為佳，最好為0.005~0.20%。

Ti及Al之含有量的合計，以0.002~0.4%為佳。在該範圍的話，可以抑制融點之上昇，減少浮渣之發生量，抑制Al或Ni之咬蝕現象，抑制外觀之變色，也可抑制除去浮渣後之氧化物的再發生。Ti及Al之含有量的合計，以0.004-0.4%為佳，最好為0.01~0.4%。

此外，Ti及Al，質量比，以0.4≦Al/(Al+Ti)<0.6為佳。滿足該條件的話，尤其能抑制Al之咬蝕現象。因為Al線愈粗則表面積愈小，更能明顯呈現咬蝕現象的抑制效果。亦即，Al線較粗時，因為需要至切斷Al線為止之時間，故可防止Al之侵蝕。上述比，以0.5≦Al/(Al+Ti)<0.6為佳。以0.6以下做為上限值，係因為要利用Ti得到咬蝕現象之抑制效果。

本發明之軟銲合金，也可進一步含有Ni。Ni，除了可以抑制Al之咬蝕現象以外，對Al表面實施Ni電鍍時，也可抑制Ni之咬蝕現象。藉由在存在著Ti及Al之下，添加Ni，可以進一步抑制Ni咬蝕現象。

溶解於熔融之軟銲合金中的Ni量，有其限度。若使軟銲合金預先含有Ni的話，銲接時，可以減少Ni的溶解量。此外，因為Ti對Sn之擴散係數高於Ni，藉由Ti之添加，也可減少Ni之溶解量。因此，藉由添加Ni，可以抑制Ni之咬蝕現象。由此種觀點而言，Ni之含有量以0.005~0.3%為佳，由抑制軟銲合金之融點上昇的觀點而言，最好為0.01~0.25%。

本發明之軟銲合金，除了前述元素以外，也可含有其他無法避免的不純物。含有無法避免的不純物時，當然對前述效果沒有影響。

將本發明之軟銲合金使用於熔融銲接。熔融銲接，有使用令軟銲槽之液面不動之靜止槽的方法(浸漬方式)、及使用令軟銲槽面產生波紋之噴流槽的方法(流動方式)。

本發明之軟銲合金，主要係使用於Al或Ni之接合，例如，也可以使用於Cu材、Cu電極等Al或Ni以外之元素的接合。

本發明之軟銲合金，也可以銲材棒、銲材球、錠料、線料等之形態來使用。尤其是，本發明之銲材球，係典型之直徑0.01~1.0mm程度之球形銲材。銲材球，可以一般的銲材球製造法來製造。

本發明之使用軟銲合金的接合方法，例如，可以使用將軟銲合金熔融於軟銲槽後，將銲劑塗佈於端子並浸漬於軟銲槽之常法的接合方法。使用本發明之軟銲合金，對本發明之接合方法並無特殊條件的要求。進行此種接合時，軟銲槽中之熔融軟銲合金的溫度以400℃程度為佳。如以上所示之本發明的軟銲合金，特別適合使用於熔融銲接之用途。

本發明之軟銲合金，也可使用於本發明之軟銲合金、與變壓器、電容器、線圈等電子零件及馬達等之驅動零件的端子之連接上。亦即，本發明之軟銲接頭，係指如上所述之端子與銲材的接合部。因此，本發明之軟銲接頭，可以使用如前面所述之一般銲接條件來形成。

此外，本發明之軟銲合金，藉由使用高純度材料或低α線材料來製造，即成為低α線之軟銲合金。將該軟銲合金使用於記憶體周邊等之端子間接合的話，可以防止軟性錯誤。

實施例

使用表1所示之合金組成所構成的軟銲合金，執行Al線斷線時間(秒)、浮渣重量(g)之測定、熔融狀態之軟銲合金的變色評估、再氧化抑制評估、以及Ni線斷線時間(秒)之測定。各評估方法如以下說明所示。

(1)浮渣重量之測定

第1圖係以測定浮渣重量為目的所使用之浮渣發生裝置1的示意圖。對可以加熱器11進行加熱之容積150cc的銲材槽12，導入1000g之軟銲合金。以溫度感測器14使被導入銲材槽12之軟銲合金的溫度成為400℃之方式，對軟銲合金進行加熱．熔融並做為軟銲槽13。其後，利用氣體導入管15，以150cc/min之條件對軟銲槽13中進行10分鐘之大氣吹入。吹入結束後，採取形成於軟銲槽13表面之浮渣，並測定其重量。本實施例，將浮渣重量為30g以下者，視為無實用上之問題者。並且，軟銲槽13之合金組成如表1所示，針對各合金組成進行上述檢討。結果如表1所示。

(2)Al線斷線時間之測定

第2圖係以測定Al線斷線時間及Ni線斷線時間為目的所使用之Al及Ni咬蝕試驗機2的示意圖。對直徑0.4mm之Al線21進行銲劑(千住金屬工業股份有限公司製：Alphlux No.2A)之塗佈後，將Al線21之一端固定於固定柱22，另一端則連結著錘23並由支柱24支撐。與第1圖相同，將軟銲合金裝入銲材槽12後，以400℃進行熔融做為軟銲槽13，以浸漬治具25將Al線21從上往下壓，使Al線21浸漬於從軟銲槽13表面之5mm深度。計測從浸漬開始至Al線21斷線(錘23落下)為止之時間。重複進行5次同樣之試驗，求取至Al線斷線為止之時間的平均值。本實施例，將Al線斷線時間為50秒以上者視為實用上沒有問題者。並且，軟銲槽13之合金組成如表1所示，針對各合金組成進行上述檢討。結果如表1所示。

(3)變色之評估

在第1圖所示之銲材槽12，以400℃實施軟銲合金之熔融，以目視觀察軟銲槽13液面之變色程度。本實施例，係無變色時視為實用上沒有問題者。結果如表1所示。

(4)再氧化抑制評估

於(1)採取浮渣後，將軟銲槽13以400℃放置於大氣中10分鐘，以目視觀察軟銲槽13表面再發生氧化物之程度。評估係依以下之基準來實施。本實施例，◎係實用上沒有問題之程度者。結果如表1所示。

◎：大致未發現氧化物之再發生

○：發現少許氧化物之再發生

×：明顯發現氧化物之再發生

如表1所示，實施例1~實施例10，任一合金組成，皆呈現實用上無問題之結果。

未含有Ti及Al之比較例1~比較例3，浮渣重量較多，發現軟銲槽液面變色，再氧化抑制評估為「×」。未含有Al之比較例4，發現變色，再氧化抑制評估為「○」，呈現實用上有問題之結果。未含有Ti之比較例5，呈現Al線斷線時間較短的結果。未含有Ti及Al，只含有Ni之比較例6，浮渣重量較多，發現變色，再氧化抑制評估為「×」。Ti及Al之含有量較少的比較例7，Al線斷線時間、浮渣重量、變色及再氧化抑制評估皆呈現實用上有問題之結果。Ti及Al之含有量較多之比較例8，融點較高，再氧化抑制評估為「○」，呈現實用上有問題之結果。

彙整表1之結果，依據第3圖~第5圖，針對本發明之效果進一步進行說明。

第3圖係Sn-15Zn-(Ti)-(Al)軟銲合金之浮渣重量圖。由第3圖可以得知，對Sn-Zn軟銲合金添加Al(及Ti)可以大幅抑制浮渣重量。

第4圖係浮渣重量與Ti及Al之合計量的關係圖。由第4圖可以得知，Ti及Al之含有量為0.01%以上，浮渣重量急速減少，其後，浮渣重量為相同程度。此外，含有Ni之實施例8~實施例10，與不含有Ni之實施例1~實施例7呈現相同程度之浮渣重量。

第5圖係Sn-15Zn-(Ti)-(Al)軟銲合金的Al線斷線時間圖。由第5圖可以得知，對Sn-Zn軟銲合金添加Ti或Al的話，Al線斷線時間變長，添加Ti及Al的話，Al線斷線時間更為延長。

第6圖係Al斷線時間與Al及Ti之合計量的關係圖。由第6圖可以得知，隨著Ti及Al之含有量的增加，Al線斷線時間也增加。其應該是Ti及Al之含有量增加，抑制了Al咬蝕現象。此外，含有Ni之實施例8~10，呈現與未含有Ni之實施例1~實施例7相同程度之Al線斷線時間。

此外，依據第4圖及第6圖，著眼於浮渣重量及Al線斷線時間的話，Ti(0.3%)+Al(0.3%)=0.6之比較例8最為優良。然而，如表1所示，該合金組成，因為有少許氧化物再發生，無法滿足本實施方式所檢討之全部評估項目。

(5)Ni線斷線時間之測定

本實施例，為了評估Ni咬蝕現象之抑制效果，除了使用直徑0.1mm之Ni線以外，與(2)Al線斷線時間之測定相同，求取至Ni線斷線為止之時間的平均值。將Ni線斷線時間為240秒以上視為實用上無問題者。結果如表2所示。

未含有Ni之實施例4及含有Ni之實施例8，Ni線斷線時間皆呈現超過240秒的結果。尤其是，含有Ni之實施例8，Ni線斷線時間較長，更能抑制Ni咬蝕現象。未含有Ti、Al及Ni之比較例2，Ni線立即斷線。可以得知，本發明之軟銲合金對Ni可以抑制咬蝕現象。

由以上所示，本發明之軟銲合金，適合使用於以熔融銲材對馬達等之軸向型電子零件之端子或電路之配線用Al進行銲接為目的者。以熔融銲材進行銲接時，銲材槽之軟銲槽曝露於大氣下。即使在此種使用環境下，本發明之軟銲合金，可以抑制浮渣之發生量，抑制Al或Ni之咬蝕現象，熔融時不會變色，也可以抑制浮渣除去後之再氧化。亦即，例如，將電子零件之Al端子浸漬於軟銲槽時、或以流動方式實施電路之Al配線的銲接時，在熔融軟銲合金曝露於大氣環境下使用時特別有效。

1‧‧‧浮渣發生裝置

11‧‧‧加熱器

12‧‧‧銲材槽

13‧‧‧軟銲槽

14‧‧‧溫度感測器

15‧‧‧氣體導入管

Claims

一種軟銲合金，其特徵為具有：由Zn：3~25%、Ti：0.002~0.25%、Al：0.002~0.25%、及其餘部分為Sn之質量%所構成的合金組成。
如申請專利範圍第1項所記載之軟銲合金，其中前述合金組成，更含有Ni：0.005~0.3質量%。
如申請專利範圍第1或2項所記載之軟銲合金，其中具有前述合金組成且使用於Al之接合。
如申請專利範圍第1或2項所記載之軟銲合金，其中具有前述合金組成且使用於Ni之接合。
如申請專利範圍第1~4項中之任一項所記載之軟銲合金，其中質量比係0.4≦Al/(Al+Ti)<0.6。
一種軟銲接頭，其特徵為：由申請專利範圍第1~5項中之任一項所記載之軟銲合金所構成。
一種接合方法，其特徵為：使用申請專利範圍第1~5項中任一項所記載之軟銲合金。