TW508281B - Lead-free solder alloy and electronic components using same - Google Patents

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508281 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明係有關於-種不含斜（Pb)之焊料合金，即無 紹焊料合金及使用其之電子零件。 以往，作為行使電子零件内部之電性連接 子零件連接於電路基板上之焊料，大多使用含二多= (Sn )-鉛（Pb )系焊料合金。 近年，船之有害性已被視為問題，並正在檢討在法律 上限制其之使用。因此，乃急於開發一種鉛含量極少之焊 料合金或完全不含鉛成分之無鉛焊料合金以作為取代 Sn-Pb系焊料合金者。 無鉛焊料合金之實例，係可舉日本專利第3〇36636號及 美國專利第4758407號為例。 曰本專利第3036636號係有關於一種用以將電子零件 接著於電子儀器之電路基板上之無鉛焊料合金，係將錫 (Sn)-銅（Cu)合金之部分銅成分以鎳（Ni)置換者， 其目的即在於藉由使其成分比為Cu: 0.005 — 20wt%、Ni : 0.001 — 20wt%、Sn:殘餘部分，以提高前述接著部分之機 械強度。 該焊料合金係如上述於用以使電子零件接著於電路基 板之導體部上之平坦化熱處理時所用，其使用溫度（即焊 接時之溫度）約在230°C左右。 又，美國專利第4758407號係為防止由用作自來水管線 之鉛管溶解析出鉛或鎘於飲用水中，而提倡使用銅管、黃 銅管作為自來水管線，該專利即有關於一種用以熔接該等 銅管、黃銅管及用以接上其等之連接接頭之焊料合金。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、可I -4- 508281 五、發明説明6 ) 此外，該焊料合金之主成分係錫（Sn)或錫（sn)與 銻（Sb),且任一焊料合金皆不包含鉛及鎘（cd)。 於此’錫為主體之焊料合金之組成係Sn: 92.5—96.9wt

Cu · 3·0 5.0wt%、Ni : 0·1 —20wt%、Ag : 〇·〇—5.0wt % 〇 又，锡-錄為主體之焊料合金之組成係Sn:87 〇_92 9wt % . Sb ： 4.0-6.〇wt% > Cu ： 3.0-5.0wt% ^ Ni ： 0.0-2.0wt %、Ag : 0·0—5.〇wt%。 此外，該焊料合金之熔融溫度雖在240。(：前後至33〇°C 别後，但該焊料合金係運用於如用作家庭用熱水供水器之 供水管線之銅管、黃銅管、及其等之接頭的熔接者，因此 若將熔接時之作業性考慮在内，則該焊料合金之熔融溫度 以低者為宜。 然而’電子零件中有一種捲繞線狀或細帶狀之電性導 鱧（以下稱卷線材料）而形成之高頻線圈或變壓器（以下 稱線圈零件）。且，作為該等線圈零件之卷線材料者，係 使用一種於銅芯線上塗布瓷漆或尿烷等並施有絕緣塗膜之 絕緣塗膜電線。 前述線圈零件中，係使捲繞於繞線管等上之卷線材料 之抽出線端部進行焊接，以與設於該繞線管上之端子等之 電極部做電性連接。為使端子等與卷線材料之抽出線端部 藉焊接而電性連接，則必須去除前述抽出線端部之絕緣塗 膜材料。一般而言，去除前述絕緣塗膜電線之絕緣塗膜材 料之方法，有機械削去之方法，以藥品溶解之方法，及以 508281

發明説明 南溫加熱而分解或溶解之方法。 而以往多所利用之方法係採用以高溫加熱之方法。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 線圈零件之製造’係於將卷線材料之抽出線端部紮於 端子上後，藉由令該紮繞部浸潰於加熱成高溫之焊浴槽中 而行者，並以焊液之熱度將卷線材料之絕緣塗膜材料熔解 去除且同時進行焊接。 於前述抽出線端部與端子之紮繞部做焊接時，若使用 不含銅成分之無錯焊料合金，則前述紮繞部與溶融焊料（焊 液）相接觸之期間，將引起作為絕緣塗膜電線（卷線材料.） 之基材之銅在焊液中熔解消蝕，即稱為Γ銅蝕」之現象。 •、可| 該「銅餘」現象乃成為如上述線圈零件之電子零件中斷線 故障之最大要因。 此一現象係焊液之熔融溫度越高，則熔入前述焊液中 之銅量越多，且，銅溶解之速度亦變快。因此，隨著卷線 材料之線徑越細，上述斷線故障就越容易發生。 反之，為防止「銅蝕」現象，一般所知之方法係於前 述無鉛焊料合金中添加微量之銅，但銅之含量若過多，則 熔融焊料（焊液）之黏性變高，且於進行焊接時，毗連之 端子之間等進行焊接之部分上將附著超過所需之焊料，而 發生使端子間電性短路之橋接現象，或發生電鍍厚度（即 焊料之附著量）不均、浸潤性惡化等不良情形。 前述橋接現象於電子零件越小型化，且毗連之端子間 之間隔（節距）越狹小就越容易發生。 、 但，若為使前述無鉛焊料合金之Γ銅蝕」減少而降低

-6- 五、發明説明（4 溶融焊料之溶融溫度’則卷線材料之抽出線端之竞漆或尿 院等絕緣塗膜材料無法完全溶解，且前述紫繞部分上附著 有前述塗附材料之殘逢以致焊接不完全，而成為引起傳導 不良之要因。又，前述殘渣亦為上述橋接之發生要因。 本發明人等發現，於先在錫（Sn)中添加有適量之銅 口(Cu)與鎳（Ni)之無鉛焊料合金中，藉由添加鎳⑽ 可預防「銅钕」，且，該無錯焊料合金焊接後之機械性強 度增加。 但，該無鉛焊料合金中為完全預防「銅蝕」現象，亦 宜使銅之含量增加，但隨著銅之含量變多，焊料合金熔融 時之黏性則變大，且焊液之截斷性也變差。因此，如上述 之毗連端子間間隔（節距）狹窄之小型線圈零件般之電子 零件進行焊接時，容易發生橋接現象。 因此，本發明之目的即在於提供一種抑制錫-銅-鎳系 無鉛焊料合金之「銅蝕」之性質可充分維持，且熔融焊料 (焊液）之黏性降低之無鉛焊料合金。 本發明係有關於一種包含有銅（Cu) : 3.0〜5.5 wt%、 錄（Νι) : 〇·ι 〜0e5wt% 及鍺（Ge) : 〇〇〇1〜〇，且 殘餘部分為錫（Sn)之無鉛焊料合金。 又’本發明係有關於一種使用有芯部以銅或含銅之合 金構成且於該芯部施以絕緣塗膜之導體的電子零件，其中 則述導體間或前述導體與該電子零件之其他部位係藉含有 銅（Cu ) : 3.0〜5.5wt%、鎳（Ni ) : 0.1 〜〇.5wt% 及鍺（Ge ): 〇·〇〇1〜O.lwt%，且殘餘部分為錫（Sn)之無鉛焊料合金 一 ·__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） ------------------------裝------------------訂------------------線. (請先閲讀背面之注意事呀再填寫本頁} -7- A7 —----- B7___ 五、發明説明（5 ) —---— 進行焊接者。 (請先閲讀t面之注意事項再填寫本頁) 即，本發明係有關於一種於錫中添加有鋼與鎳之無釵 焊料合金中，篇由使鎳之添加量在一定之範圍内，且將= 之添加量設定在一定之範圍内，進而添加_定範圍内之 錯’以預防利用無鉛焊料合金焊接線圈零件時之「銅钱 現象所致之斷線敌障，並可減少前述線圈零件之端子間之 橋接現象發生之無錯焊料合金。 本發明之無鉛焊料合金係適用於一種與毗連之端子之 間隔狹小，即所謂之精細節距之電子零件，特別是一種使 用有芯部以銅或含銅之合金構成且於其表面施以絕緣塗膜 之絕緣塗膜導線之電子零件中，該絕緣塗膜導線間或該絕 緣塗膜導線與其他部位之焊接上者。 以下為圖示之說明。 第1圖、第2圖及第3圖所示者係線圈零件之一例之說明 圖。 第1圖所示者係線圈零件之裏面。第2圖所示者係端子 之電線連接部之部分擴大圖，第3圖所示者係焊料橋接生成 狀態之部分擴大圖。 作為線圈材料者，於第1圖、第2圖及第3圖中顯示一種 使用有於銅芯線上塗布瓷漆或尿烷並施以絕緣塗膜之絕緣 塗膜電線之線圈零件之一例。 第1圖、第2圖及第3圖中，1係高頻變壓器之繞線管， 且於相對向之兩端上具有端子台2。3係於端子台2上隔一定 間隔並列植設之端子，4係捲繞於繞線管1上之絕緣塗膜電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -8- 五、發明説明（6 ) 線（卷線材料），5係絕緣塗膜電線4之抽出線端，並分別 紮繞於列設在端子台2上之各端子3根部上。抽出線端5與端 子3則藉由焊料6做電性連接。 第3圖中之Brd所示者係毗連端子3間附著過剩之焊料 而生成之橋接狀態。另，前述端子3上大多使用在鋼之芯線 表面鑛銅之HCP線或在鐵之芯線表面鍍銅之cP線。 於此’為使端子3與卷線材料之抽出線端5做電性連 接，則需去除該抽出線端5之絕緣塗膜材料。而去除絕緣塗 膜材料之方法有前述之機械削去之方法，以藥品溶解之方 法’及以高溫加熱而分解或熔解之方法。本發明中係採用 藉南溫加熱而溶解去除之方法。 即，將卷線材料4之抽出線端5紮繞於端子3上後，藉由 令.該紮繞部分浸潰於焊浴液中而使卷線材料之絕緣塗膜溶 解去除同時並進行焊接。 實施例 表1所示者係第1圖、第2圖及第3圖中由使用直徑為 0.35腿之瓷漆塗膜銅線作為卷線材料4，又，使用在鐵之芯 部鍍有銅之環狀CP線作為’端子3之材質，且端子3之寬度呈 0.5腿’而rtt連端子間之間隔（節距）呈1力咖之高頻變壓 器之繞線管所構成之樣品，浸潰於以高溫（43〇〇c )熔融之 焊液中時’端子間發生橋接情形之比例與焊料合金之組成 含量的關係。 另，表1中「再以焊料修正之可能性」，係表示是否可 將最初浸潰於熔融焊液時有橋接情形發生之樣品，藉由再 508281 A7 _ - B7 _ 五、發明説明（7 ) 一 ~~ 度’七潰於溶融焊液中而使該橋接情形去除者。 此外，若於錫（Sn)-銅（Cu) _鎳（Ni)系之無鉛焊 料合金中添加鍺（Ge),則焊料合金之熔解溫度即成“Ο °C左右。 但，使用於線圈零件之卷線材料上之絕緣塗膜電線， 舉例言之，為去除瓷漆塗膜銅線之瓷漆塗膜則必須使無鉛 焊料合金之熔融焊料溫度（焊接溫度）在35〇。(：以上，因此 使用有絕緣塗膜銅線之電子零件進行焊接時，為使前述絕 緣塗膜銅線之絕緣塗膜材料確實熔解，該無鉛焊料合金之 熔融焊料溫度（焊接溫度）以設定在々⑼^前後較為適當。 本實施例中該無鉛焊料合金之熔融焊料溫度（焊接溫度） 則設定為430°C。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ. -10- 508281 A7 B7 五、發明説明f 表1

(熔融焊料溫度：430°c ) 焊料合金組成 可橋接之比例 (樣品：5個中之個數） 再以焊接修正之可能性 (有：〇無：X ) Sn- 2Cu- 0.2Ni 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu- 0.2Ni 1 〇 Sn-5Cu- 0.2Ni 全部有橋接情形 X Sn- 6Cu- 0.2Ni 全部有橋接情形 X Sn- 2Cu- 0.05Gc 3 〇 Sn- 3Cu- 0.05Ge 4 〇 Sn- 6Cu- 0.05Ge 全部有橋接情形 X Sn-2Cu- 0.2Ni-O.OOlGe 全數無橋接情形 〇 Sn-2Cu-0.2Ni-0.05Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu- 0.2Ni-O.OOlGe 2 〇 Sn-3Cu- 0.2Ni- 0.002Ge 1 〇 Sn-3Cu- 0.2Ni- 0.005Ge 1 〇 Sn-3Cu-0.2Ni-0.01Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu-0.2Ni-0.02Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu-0.lNi-0.02Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu-0.2Ni-0.05Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu-0.2Ni-0.1Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-3Cu-0.5Ni-0.02Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-5Cu- 0.2Ni· O.OOlGe 全數無橋接情形 〇 Sn-5Cu_ 0.2Ni- 0.002Ge 1 〇 Sn-5Cu-0.2Ni-0.01Ge 1 〇 Sn-5Cu-0.2Ni-0.02Ge 1 〇 Sn- 5.5Cu- 0.2Ni- 0.02Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-5Cu- 0.2Ni-0.03Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-5Cu-0.2Ni-0.05Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-5Cu-0.2Ni-0.1Ge 全數無橋接情形 〇 Sn-6Cu-0.2Ni_0.05Ge 全數無橋接情形 X Sn-6Cu- 0.2Ni-0.1Ge 全數無橋接情形 X -----------------------裝------------------、可------------------緣 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，表2之測定結果係表示將前述端子3所用之CP線浸 潰於高溫（430°C )之熔融焊液中時，在CP線之裏層（芯 部）之鐵露出並變色前的浸潰次數、焊料合金之組成與成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -11- 508281 A7 B7 五、發明説明f ) 1 分含量之關係。 即，表2係表示焊料合金組成之成分含量與「銅餘」之 大小的關係，並顯示前述浸潰次數越多而「銅蝕」越小。 此外，表2中浸潰次數在10次以上較佳。 表2 ----------ΛΨ::-------------------訂！…；…Φ· f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) j' (熔融焊料溫度：430°C ) 焊料合金組成 重複焊接時 至端子表面變色前之次數 Sn- 2Cu- 0.2Ni 1 Sn-3Cu- 0.2Ni 10 Sn-5Cu- 0.2Ni 20以上 Sn-6Cu- 0.2Ni 20以上 Sn- 2Cu- 0.05Ge 1 Sn- 3Cu- 0.05Ge 4 Sn- 6Cu- 0.05Ge 7 Sn-2Cu- 0.2Ni-O.OOlGe 2 Sn-2Cu_0.2Ni-0.05Ge 2 Sn-3Cu- 0.2Ni-O.OOlGe 10 Sn_3Cu_ 0.2Ni- 0.002Ge 10 Sn-3Cu- 0.2Ni- 0.005Ge 10 Sn- 3Cu- 0.2Ni- O.OlGe 11 Sn-3Cu-0.2Ni-0.02Ge 10 Sn-3Cu-0.lNi-0.02Ge 10 Sn- 3Cu- 0.2Ni- 0.05Ge 10 Sn-3Cu- 0.2Ni-0.1Ge 10 Sn-3Cu-0.5Ni-0.02Ge 20 Sn-5Cu- 0.2Ni-O.OOlGe 20以上 Sn-5Cu- 0.2Ni- 0.002Ge 20以上 Sn-5Cu- 0.2Ni-O.OlGe 20以上 Sn-5Cu_0.2Ni-0.02Ge 20以上 Sn- 5.5Cu- 0.2Ni- 0.02Ge 20以上 Sn- 5Cu- 0.2Ni- 0.03Ge 20以上 Sn-5Cu-0.2Ni-0.05Ge 20以上 Sn-5Cu- 0.2Ni-0.1Ge 20以上 Sn-6Cu-0.2Ni-0.05Ge 20以上 Sn-6Cu- 0.2Ni-0.1Ge 20以上 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -12- 五、發明説明（10 ) 由上述表1清楚顯示，於錫（Sn)-銅（Cu)-鎳（Ni) 系之無錯焊料合金中，鎳之含量呈一定而改變銅之含量之 狀態下，銅之含量增加時，焊液之黏性變高，且毗連端子 間之橋接情形發生比例增加，縱使再藉焊接亦無法使最初 形成之橋接消除。 於錄（Νι )含量一定之錫（Sn )—銅（Cu ) _鎳（Ni ) 系之無錯焊料合金中添加鍺（Ge)，並分別改變銅含量與 錯含量之狀態下，令鍺含量在一定值（〇〇〇lwt% )以上且 使銅含量在5.5wt%以下時，橋接情形完全不發生。 如此一來’藉由使含特定範圍内之鎳（Ν〇之錫（sn) -銅（Cu)-鎳（Ni)系之無鉛焊料合金中含有至少〇〇〇lwt %之鍺（Ge)，以調整熔融焊液之黏性，使熔融焊液呈流 動狀態而使液體切截性變佳，則可減少端子間之橋接發生 比例。 此時，銅含量於規定之範圍内且鍺（Ge)含量在至少 〇.〇〇lwt%以上時，可使橋接之發生比例極少，進而可藉再 焊而使最初形成之橋接消除。而，於銅含量超過規定之上 限值之領域上，縱使增加鍺（Ge)之含量亦無法使橋接之 發生比例減少，且，縱使再焊亦無法使最初形成之橋接消 失。 另，使銅含量呈一定時，縱使鍺（Ge)之含量較01;^ %多亦看不出橋接發生比例之變化。 又’因鍺（Ge)之含4而使存在於溶融焊浴中之浮游 物（銅/鎳之析出物）之量改變，且於鍺（Ge)不 之狀 A7 ------- ---B7___ ' 五、發明説明P ' 態下熔融焊洛中之浮游物量變多。該浮游物則附著於焊接 部表面而使焊接部粗面化，且焊料厚度難以平均，/並易於 引起橋接現象。 此外，由表2可知，「銅蝕」之比例係可藉由無鉛焊料 合金之鎳含量而調整。即，錫（Sn)-銅（Cu)系之無鉛 焊料合金中，「銅蝕」之大小係受銅含量影響，雖有於銅 各量少之領域上「銅餘」變大，而銅含量多之領域則「銅 姓」變小之傾向，但於銅含量少之領域中，若使鎳之含量 變多則可使「銅餘」變小。又，銅含量多之領域中係可以 少量之鎳抑制「銅姓」。而鍺（Ge)之含量與前述「銅姓」 之大小則無相關性。 本發明之無鉛焊料合金係如以上說明，縱使於焊接時 溫度高之領域中亦難以引發「銅蝕」，因此，可預防使用 有以銅或含銅之合金作為芯線之絕緣塗膜導體之電子零件 於焊接時產生斷線故障，而，其黏性低且焊液切截性佳， 則可預防端子與端子間間隔狹小之電子零件於焊接時，端 子間發生因焊料而短路之橋接現象。' 【元件標號對照表】

Brd...橋接狀態 6…焊料 1…繞線管 2...端子台 3·"端子 4···絕緣塗膜電線（卷線材料） 5…抽出線端 -14- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 508281 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1. 一種無鉛焊料合金，係包含有銅（Cu) : 3·0〜5.5wt%、 鎳（Ni) :0·1 〜0.5wt% 及鍺（Ge) :0.001 〜O.lwt%， 且殘餘部分為錫（Sn)者。 2. —種電子零件，係使用有芯部以銅或含銅之合金構成且 於該芯部施以絕緣塗膜之導鱧者；其中前述導體間或前 述導體與該電子零件之其他部位係藉含有銅（Cu) :3.0 〜5.5wt%、鎳（Ni) :0·1 〜0.5wt% 及鍺（Ge) :0.001 〜O.lwt%，且殘餘部分為錫（Sn)之無鉛焊料合金焊接 者0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -15-