无铅的焊料、其制备方法以及使用该焊料的焊接方法技术

本发明专利技术披露了一种具有改进性能的基本上无铅的焊料，该焊料包括８８．５％到９３．２％的锡；３．５％到４．５％的银；２．０％到６．０％的铟；以及０．３％到１．０％的铜。所述焊料也可包括到０．５％的一种抗氧化剂或抗结皮添加剂。本发明专利技术的焊料在波峰钎焊方法中特别适用，在这种钎焊方法中该焊料可用作常规锡／铅焊料的直接替代品。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及焊料，尤其是涉及基本上无铅的焊料。
技术介绍
许多常规的焊料包含作为其主要组分的铅。这种焊料常常具有所希望的物理性能，含铅焊料的使用在一些行业得到广泛应用，包括与那些印刷电路板生产有关的行业。例如，含有63％锡和37％铅的焊料一般用于波峰钎焊生产过程中。可是，对无铅焊料的需求在不断增加，这是由于例如环境方面的考虑，看起来在以后的几年内，对许多物品的生产制造中使用含有很少或不含铅的焊料在一些国家将会有法律规定。以前研制无铅焊料的一些尝试没有获得完全成功。常规的无铅焊料一般具有不理想的物理性能，包括差的润湿性、低流动性、与现有的组件涂层不好的相容性和过量的熔渣。在无铅焊料应用中已经意识到的一个特别问题是角焊缝隆起(咬起)的出现，在一块印刷电路板中，在穿过板的通孔的边缘处焊料的隆起倾向于与下面的材料(例如镍/金涂层)分离开。另一个问题在于无铅焊料倾向于对铜具有高的溶解率，以致于铜从与焊料接触的组件和电路板中溶解到无铅焊料中。因此，一些制造商逐步意识到现存的已经有效地实施了许多年的钎焊工艺方法现在必须大大适用于无铅焊料的使用。此外，现存的在印刷电路板生产中使用的材料可能必须被替代，以便与使用无铅焊料不发生冲突。采用这种方法和材料被广泛认为是资源的不良使用，如上面所提到的那样，特别由于采用已知的无铅焊料生产的产品标准通常大大低于采用普通的含铅焊料生产的产品所能达到的标准。专利技术概述本专利技术的目的是提供一种无铅焊料，该焊料能够不同程度地作为常规含铅焊料的直接替代品。因此按照本专利技术的一个方面，提供了一种基本上无铅的焊料，该焊料包括88.5％到93.2％的锡；3.5％到4.5％的银；2.0％到6.0％的铟；以及0.3％到1.0％的铜。本专利技术的焊料也可包括到0.5％的抗氧化剂或抗结皮添加剂，例如磷或其它非金属化合物或元素。在一个优选实施例中，该焊料包括91.3％的锡，4.2％的银，4.0％的铟和0.5％的铜。在另一个优选实施例中，该焊料包括91.39％的锡，4.1％的银，4.0％的铟和0.5％的铜和0.01％的磷。按照本专利技术的另一方面，提供了一种制备基本上无铅焊料的方法，该方法包括这样混合锡、银、铟和铜的步骤锡在整个焊料中的比例从88.5％到93.2％；银在整个焊料中的比例从3.5％到4.5％；铟在整个焊料中的比例从2.0％到6.0％；以及铜在整个焊料中的比例从0.3％到1.0％。制备按照本专利技术的焊料的方法可包括，在焊料混合物中混合0.5％以下的抗氧化剂或抗结皮添加剂。制备本专利技术焊料的优选方法包括这样混合锡、银、铟和铜的步骤锡在整个焊料中的比例为91.3％；银在整个焊料中的比例为4.2％；铟在整个焊料中的比例为4.0％；以及铜在整个焊料中的比例为0.5％。制备本专利技术焊料的另一种优选方法包括这样混合锡、银、铟、铜和磷的步骤锡在整个焊料中的比例为91.39％；银在整个焊料中的比例为4.1％；铟在整个焊料中的比例为4.0％；铜在整个焊料中的比例为0.5％；以及磷在整个焊料中的比例为0.01％。按照本专利技术的进一步方面提供了一种钎焊方法，包括采用基本上无铅焊料的步骤，该无铅焊料包括从88.5％到93.5％的锡；从3.5％到4.5％的银；从2.0％到6.0％的铟；和从0.3％到1.0％的铜。优选地，该钎焊方法包括使用这样一种焊料的步骤，所述焊料包括91.3％的锡，4.2％的银，4.0％的铟和0.5％的铜。有利地，该钎焊方法包括使用这样一种焊料的步骤，所述焊料包括91.39％的锡，4.1％的银，4.0％的铟和0.5％的铜和0.01％的磷。有利地，该钎焊方法包括使用基本上无铅焊料的波峰钎焊步骤。附图简述为了更容易地理解本专利技术，下面将参考附图，通过实施例的方式描述本专利技术的实施例，其中附图说明图1是选择的各种不同的焊料(包括本专利技术的焊料)在各种不同的温度下的润湿时间(秒)表；图2是表示图1表中的数据的曲线图；图3是选择的各种不同的焊料(包括本专利技术的焊料)在各种不同的温度下的最大润湿力表；图4是表示图3表中表示的数据的曲线图；图5是一个表示物理特性的表格，包括所选择的各种焊料(包括本专利技术的焊料)的热膨胀系数；图6是表示图5表格中表示的热膨胀数据的曲线图；图7是一个机械性能表，包括所选择的各种不同焊料(包括本专利技术的焊料)的抗拉强度和屈服强度；图8是表示图7表格中表示的抗拉强度和屈服强度数据的曲线图；图9是对所选择的各种不同无铅焊料(包括本专利技术的焊料)进行角焊缝隆起试验中获得的结果表；图10A和10B是两种不同比例的两对显微照片图，该两对照片分别表示本专利技术的焊料粘附到镍/金和OSP涂层(在铜基底上的聚合物涂层)的角焊缝；图11是表示铜溶解到各种不同类型的焊料(包括本专利技术的焊料)中的溶解速度表；图12是表示图11表格中表示的数据的曲线图；以及图13是表示各种焊料(包括本专利技术的焊料)显示的熔渣水平的表。专利技术详述如上所述，当与传统的含铅焊料相比时常规的无铅焊料具有各种各样的缺点，包括差的润湿性、低的流动性、与现有的组件涂层不好的相容性、角焊缝隆起、高的铜溶解率以及过多的熔渣。可是，已经发现与现有的无铅焊料相比，本专利技术的由无铅合金组成的焊料(包括88.5％到93.2％的锡；3.5％到4.5％的银；2.0％到6.0％的铟；0.3％到1.0％的铜和0.5％以下的的抗氧化剂或抗结皮添加剂，例如磷或其它非金属化合物或元素)具有大大改善的性能。当然，本专利技术焊料与常规含铅焊料可比较的性能是润湿性、流动性、与现有组件涂层的相容性、角焊缝隆起、铜溶解率和熔渣。为了论证本专利技术焊料的有利性能，进行了下面将进行描述的五种实验。用本专利技术的焊料优选实施例进行这些试验，这里的焊料称之为合金349(ALLOY 349)，其包括91.39％的锡，4.2％的银，4.0％的铟0.5％的铜和0.01％的磷。试验1润湿性第一个试验是有关本专利技术的焊料样品的润湿性与已知的一些焊料样品(即8种现有的无铅焊料和一种常规的含铅焊料)的润湿性进行比较的试验。九种已知焊料如下1.组分为63％Sn、37％Pb的含铅焊料。2.组分为99.3％Sn、0.7％Cu的无铅焊料。3.组分为96.5％Sn、3.5％Ag的第二种无铅焊料。4.组分为88.3％Sn、3.2％Ag、4.5％Bi和4.0％In的第三种无铅焊料(此处称其为VIROMET 217)。5.组分为92％Sn、2％Cu、3％Ag和3％Bi的第四种无铅焊料(此处称其为VIROMET 411)。6.组分为92.8％Sn、0.7％Cu、0.5％Ga和6％In的第五种无铅焊料(此处称其为VIROMET 513)。7.组分为93.5％Sn、3.5％Ag和3.0％Bi的第六种无铅焊料。8.组分为95.5％Sn、4.0％Ag和0.5％Cu的第七种无铅焊料。9.组分为96.0％Sn、2.5％Ag、1.0％Bi和0.5％Cu的第八种无铅焊料。第一个试验的第一个方面包括根据ANSI/J Std-003标准，在从235℃到265℃温度范围内的多种不同温度条件下测量焊料润湿时间。在该试验中，铜样品浸入一定量的每一种熔融焊料中。灵敏力测量装置被连接到所述铜样品，并且被设置成在样品上的垂直力能够被测量和记录。在将铜样品浸入熔融焊料期间，铜样品上垂直力的变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基本上无铅的焊料，包括： 从８８．５％到９３．２％的锡； 从３．５％到４．５％的银； 从２．０％到６．０％的铟； 以及从０．３％到１．０％的铜。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CK瓦，PW赤，
申请(专利权)人：量子化学技术新加坡股份有限公司，新加坡朝日化学品及焊料工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]