无铅钎料合金制造技术

一种无铅的钎料合金，基本上由以下成分组成： ２－１０重量％的Ｚｎ， ０．０１－１重量％的Ｎｉ、０．０５－３．５重量％的Ａｇ以及０．１－３重量％的Ｃｕ中的至少一种， ０－３０重量％的Ｂｉ， ０－３重量％的Ｉｎ， ０－１重量％的Ｐ， 其余为Ｓｎ， 所说的钎料合金具有至少５ｋｇｆ／ｍｍ↑［２］的拉伸强度和至少１０％的延伸率。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适用于钎焊电子元件而不造成热损伤的完全不含铅的钎料合金。Sn-Pb合金很早就已经用于钎焊，而且现在仍然广泛应用于将电子元件钎焊到印刷电子线路板或其它基板上。当电子产品，包括电视机、收音机、录音机或录像机、计算机、复印机或打印机等要废弃时，需要埋入填埋场，因为它们含有各种材料，如用作外壳和印刷电路板的合成树脂、用作导线和其它起通电作用的金属以及框架材料，从而不适合于通过焚烧进行处理。近年来，主要由于广泛使用如汽油和(重)燃油等化石燃料将硫的氧化物排入大气中，雨的酸性不断提高，因此酸雨现象已成为一个严重的问题。酸雨使存在于填埋场中废弃的电子产品中的钎料溶解并渗入土地中。如果人体长期饮用这种受污染的地下水，那么铅在人体中的积累就可以造成铅中毒(铅毒症)。因此，在电子工业中需要一种无铅的钎料合金。传统的无铅钎料合金是Sn基合金，如Sn-Ag合金和Sn-Sb合金。在Sn-Ag合金中，Sn-3.5Ag合金为共晶成分，其熔点为221℃。即使这种在Sn-Ag合金成分范围中具有最低熔化温度的共晶成分，在用作钎料合金时，钎焊的温度也会高达260℃到280℃，这会在钎焊过程中使对热敏感的电子元件造成热损伤，从而使电子元件性能劣化或破坏。在Sn-Sb合金中，Sn-5Sb合金具有最低的熔化温度，但其熔化温度也高达固相线的235℃和液相线的240℃。因此，钎焊温度在280℃到300℃之间，比Sn-3.5Ag合金的钎焊温度还高，所以不能避免对热敏感的电子元件造成热损伤。考虑到Sn-Ag合金和Sn-Sb合金用作钎料合金熔化温度比较高，已经提出了许多降低它们熔化温度的方法。例如，特开平6-15476(1994)，特开平6-344180(1994)，特开平7-1178(1995)，特开平7-40079(1995)和特开平7-51883(1995)。为了降低熔化温度，这些日本专利申请中给出的钎料合金成分含有大量的Bi和/或In，虽然Bi和In都有效降低Sn-Ag和Sn-Sb合金的熔化温度，但是加入大量的Bi和/或In会产生以下问题。加入大量的Bi会使钎料合金变得很硬而脆。结果使这些钎料合金不可能或难以通过塑性加工成为线材，或者在用于钎焊电子元件时，钎焊接头即使只受到很轻微的冲击也容易开焊。在钎料合金中加入大量的铟由于成本很高而不受欢迎。为了避免钎焊过程中对电子元件的热损伤，钎焊温度应为250℃或更低，而为了在这样的温度下进行钎焊，希望钎料合金的液相线为210℃或更低，优选的是200℃或更低。然而，除非加入大量的Bi和/或In，采用上述加入Bi和/或In来降低Sn-Ag和Sn-Sb钎料合金的熔化温度的方法，是难以将液相线温度降低到200℃或更低的。而且，即使可能通过这样的方法获得一种液相线温度为200℃或更低的钎料合金，其固相线温度，即该合金完全凝固的温度可能会降低得更多，因而会使由钎焊形成的钎焊接头处的钎料合金完全凝固的时间变长。结果是，如果钎焊接头在完全固化前受到任何振动或冲击就会开裂。传统无铅钎料合金的另一个问题是，那些液相线温度低到足以与它们的固相线温度接近的无铅合金的力学性能如拉伸强度和延伸率不能令人满意，因而形成的钎焊接头结合强度低或者易于因受冲击而开焊。本专利技术的一个目的是提供一种无铅钎料合金，其液相线温度低于210℃，优选的是低于200℃，合金凝固或基本凝固的固相线温度或峰值温度与液相线温度比较接近。本专利技术的另一个目的是提供一种在用于钎焊时结合强度好的无铅钎料合金。本专利技术的一个更为具体的目的是提供具有以下性质的无铅钎料合金1)可以在250℃以下的钎焊温度使用，优选的是在230℃到240℃的钎焊温度使用，以便防止在钎焊过程中造成对热敏感的电子元件的热损伤。2)具有很好的可钎焊性。3)在液相线和固相线之间具有窄的(凝固)温度范围(或凝固基本完成的峰值温度)，使得所说的合金在钎焊后可以快速凝固，以防止钎焊后在立即受到振动或冲击时使所得的钎焊接头开裂，所说的温度范围与Sn-Pb合金的共晶温度接近。4)形成的钎焊接头具有足够高的结合强度以防止所说的钎焊接头因受冲击而开焊。5)容易通过塑性加工形成线材，使其可以用钎焊烙铁进行钎焊。一种共晶温度接近Sn-Pb合金共晶温度(183℃)的Sn基合金是Sn-9Zn合金(共晶温度199℃)。然而，Sn-9Zn合金的机械强度，尤其是拉伸强度不够高，不能形成结合强度好的钎焊接头。我们已经发现添加Ni、Ag、和/或Cu对改善Sn-Zn合金的拉伸强度相当有效，因而其结合强度达到可以用于钎焊电子元件的程度。改善了拉伸强度的所得的合金的熔化温度可能提高到钎焊过程中电子元件可能遭受热损伤的程度，特别是在加入Ag时。在这种情况下，与Ag一起加入较多的Bi使Sn-Zn合金的拉伸强度得到改善，而不会显著提高熔化温度。大体上说，本专利技术提供了一种无铅钎料合金，基本上由以下成分组成2-10重量％的Zn；0.01-1重量％的Ni、0.05-3.5重量％的Ag以及0.1-3重量％的Cu中的至少一种；0-30重量％的Bi、0-3重量％的In和0-1重量％的P，其余成分为Sn，其中，所说的的钎料合金的拉伸强度至少为5Kgf/mm2，延伸率至少为10％。在本专利技术的一个实施方案中，一种无铅钎料合金基本上由以下成分组成7-10重量％的Zn；0.01-1重量％的Ni、0.1-3.5重量％的Ag以及0.1-3重量％的Cu中的至少一种；任选地含有0.2-6重量％的Bi、0.5-3重量％的In、0.001-1重量％的P中的一种或多种；其余为Sn。在本专利技术的另一个实施方案中，一种无铅钎料合金基本上由以下成分组成2-10重量％的Zn；10-30重量％的Bi、0.05-2重量％的Ag；任选的是0.001-1重量％的P，其余为Sn。现在详细描述本专利技术。在以下的描述中，所有关于合金成分的百分数都是重量百分数。根据本专利技术的无铅钎料合金可以用作传统的Sn-Pb合金的替代材料。因此，希望这些合金的熔化温度，即液相线和固相线温度，与Sn-Pb合金的共晶温度(183℃)接近。所说的无铅钎料合金的熔化温度优选的是在183℃±30℃范围内。所说的液相线温度优选的是210℃或更低，更优选的是200℃或更低。只要钎料合金的液相线温度在210℃以下，就可以在250℃以下进行钎焊，从而消除或减小对热敏感的电子元件的热损伤。钎料合金的固相线温度(或峰值温度)优选的是在150℃以上，更优选的是在170℃以上，最优选的是在180℃以上。如果固相线温度降低到150℃以下，钎焊后合金凝固的时间就被延长，而如果在完全凝固之前经受任何振动或冲击，钎焊接头就会开裂。钎焊接头的结合强度与使用的钎料合金的拉伸强度有关，并且钎料合金所需的拉伸强度大小因钎焊的目的而变化。用于钎焊电子元件的钎料合金所需的拉伸强度(在断裂时)是至少5kgf/mm2。拉伸强度低于5kgf/mm2的钎料合金是不可靠的，因为用其形成的钎焊接头可能在受冲击时开焊。为了在用钎焊烙铁进行钎焊时钎料合金能以线材形式使用，钎料合金通常也有必要具有足够高的延伸率，以便能通过塑性加工形成线材。因此，为了顺利进行塑性加工，钎料合金通常需要至少10％的延伸率。根据本专利技术的钎料合金满足了对力学性能的这些要求，即在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：村田敏一，野口博司，岸田贞雄，田口稔孙，浅野省三，大石良，堀隆志，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，千住金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：