适于元件组装和返修用的含铜低熔点焊料制造技术

本发明专利技术公开了一种用于在铜表面上进行焊接和返修的低熔点含铜焊料。发明专利技术人发现，为了抑制被焊接的铜表面的溶解，焊料中所需的含铜量为掺杂水平，其熔点低于锡铜二元共晶点。（*该技术在2010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印制电路板低温焊接和返修的焊料配方。更确切地说，本专利技术涉及一种由锡组成的低温焊料的配方，在这种焊料中掺有铜，其掺杂量级低于锡铜共晶点。使用焊料喷管及其它常规的焊接技术便可将这种新型焊料涂敷在待焊接的材料上。由于其熔点低于其它含铜焊料，因此这种新型焊料可用于对那些不适合用迄今为止已有的含铜焊料焊接的材料进行非破坏性的焊接。进一步说，本专利技术涉及一种掺铜的低温焊料的配方，这种焊料适用于印制电路板上的元件装配和返修。本领域所报道的焊料配方的范围很宽。通过精心选择配料的成分和比例，已经专利技术了多种用于特殊应用的焊料。例如，用于湿润并焊接碳和半导体的焊料(1985年4月23日发表的Hosoda等的专利US4，512，950和1983年8月2日发表的Intrater的专利US4，396，677)，用于防止氧化物生成的焊料(1987年3月31日发表的Bose的专利US4，654，275)，用于增加抗拉强度的焊料(1986年5月13日发表的Kujas的专利US4，588，657)，用于软焊接铝的焊料(1978年1月24日发表的Arbib等的专利US4，070，192)，用于半导体与金属的焊接的焊料(1982年11月2日发表的Guan的专利US4，357，162)，用振动法焊接氧化物表面的焊料(1978年8月15日发表的Nomaki等的专利US4，106，930)，用于无铅饮用水接缝的封焊的焊料(1987年9月22日发表的Ballentine等的专利US4，695，428)，以及用于改善珠宝首饰的抗锈蚀性的焊料(1972年3月21日发表的Monace的专利US3，650，735)。然而，本专利技术要解决的问题是完全不同的，即，怎样对印制电路中的连接通孔进行焊接和返修才能防止连接通孔孔壁上所镀的铜溶入焊料中。返修将使焊料在焊接点重新流动。本专利技术的目的在于提供一种新型焊料配方，它可以减缓通孔或盲孔内和周围的镀铜层的溶解，并且可在低于现有含铜焊料的熔点下进行操作，从而允许对印制电路板的通孔内和周围的不合格焊接点进行装配和多次返修，同时还可以避免与高温返修相关的其它一些问题，例如多层印制板的层间剥离，局部机械变形，焊接接点的退化以及超过被安装器件的极限温度。在1954年3月9日发表的Laubmeyer等的美国专利2，671，844中曾经指出在锡铅焊料中加入一定量的铜可以减缓铜制电烙铁头的损耗，这种损耗是由于铜渐渐溶进焊料引起的。在焊料中加入3%的铜可使铜烙铁头的溶解速率减小25%，而5%的铜可使溶解速率减至焊料中不加铜时的10%。该文并未论及焊料中加铜对焊接温度的影响，而且随着惰性烙铁头和非接触式焊接方法的出现，这一技述变得过时了。上述专利认为必须形成合金(焊料)形式的锡铜共晶体，该共晶体由99%锡和1%铜组成(见第2栏30～37行)。它还认为，不管焊料中铜的掺杂量是多少，它应至少能形成锡铜二元共晶点。因此，在50比50的铅锡焊料中应加入的铜量为焊料总重量的0.5%。在1986年11月11日发表的Fouts等的专利US4，622，205中谈到在Pb/Sn焊料中加入一定量的铜可以当工作温度范围为50℃～90℃时，减小电流流动期间焊点和铜导线之间的电迁移(electromigration)，从而可延长铜导线的寿命。就电迁移而言，问题的根源在于焊料中Cu3Sn和痕量Cu6Sn5的金属互化微粒的非均匀分布。解决该问题的办法是在焊料中加入一种与锡形成金属互化合金的元素(例如铜)，其数量至少约为焊料的0.5%至10%，最好是3.5%重量比的铜，以便延缓晶界扩散，从而减少电迁移和热迁移的趋势。至少从1964年McGraw-HillBook公司的H.H.Menko的《焊料与焊接》第65～66页发表以来，市场上就可以买到含铜焊料了。但是这篇文章并未给出可供批量生产含铜焊料的具体配方，而只是说含铜量是“高”的。由纽约MulticoreofWestbury公司提供的一种称为Sevbit1合金的商品化产品已用于延长静态手工焊接用铜烙铁焊头的寿命。这种产品含有大约1.5%至2.0%重量百分比的铜。可是该产品的说明资料推荐的最小焊头温度为272～294℃，超过了在印制电路板上进行非破坏性装配和返修所需的温度范围。在焊料中加铜还可能引起的其它问题包括凝固时间的增加，短路桥的形成、冷焊点(coldsolderjeints)、不规则结节及各种其它的疵点。本专利技术的目的是在不降低焊料机械性能和可焊性的条件下，对铜表面进行焊接和返修。本专利技术的另一目的是在足够低的温度下对铜表面进行焊接和返修，以避免降低与铜表面相连接的器件的机械性能。本专利技术的进一步目的是提供一种适合于在较低焊接温度下对铜表面进行焊接的含铜焊料。本专利技术的进一步目的是在镀铜通孔内进行焊接和返修时阻止铜溶入焊料。本专利技术的进一步目的是提供一种适于对铜表面进行焊接和返修的含铜焊料。与本领域一般认识相反，本专利技术者意外地发现在锡焊料中掺入含量低于锡铜二元共晶点的非零级铜将大大减少装配及返修过程中通孔孔壁的铜溶入掺铜焊料的量，而且不会降低焊料的可焊性或增高焊接温度。与本领域中的一般认识相反，本专利技术者还发现，含铜锡焊料还具有这样的效果，即，可使焊接温度低到足以避免在多层印制电路板装配中的层剥离及其它由于高温引起的损伤，并且可提供良好的疲劳特性。按照美国金属学会在《金相、结构和相位图》第299页的定义，低于锡-铜二元共晶点是指按重量百分比为99.1%的锡和1.9%的铜直到100%的锡。以下对附图作简单说明。附图说明图1为镀铜通孔沿长度方向的孔的一角的剖面图。该通孔的一头已用标称值为54锡/26铅/20铟的低溶点焊料加以焊接但未作过返修。在焊接领域内，标称值是最佳的实际规定值。存在着一个与标称值有关的容许范围。例如，标称值为54锡/26铅/20铟(重量百分比)，实际容许偏差范围为正、负2%。图的放大倍率为800X。图2为经过4次返修的镀铜通孔一角的剖面图。所用焊料为在图1中所用焊料中掺入重量比0.14%铜的掺铜低熔点焊料。放大倍率为800X。图3为经过4次返修后的镀铜通孔一角的剖面图。所用焊料为图1中所用焊料，未掺铜，其中铜含量小于0.01%重量百分比。图4示出几种焊料按重量百分比标示的配方表。对这些焊料进行了测试以便搜集有关可焊性、铜溶解及疲劳强度的统计数据。这些数据在后面的附图中列出。图5表示图4表中列出的几种焊料承受标准可焊性测试时的性能变化数据。图6示出可焊性评价标准，图5表中的可焊性评价就是按照这一标准得出的。图7为图4中各焊料对铜的溶解量，条件为在250℃下试验最长达75秒。图8示出图4所列各种焊料在疲劳试验中在焊接点失效前能经受的周期数。图9表示镀铜通孔壁上的铜在标称配方为54锡/26铅/20铟的掺铜三元焊料中的溶解量，测试条件为在204℃下试验长达200秒。以下对本专利技术的实施例作简单说明。在印制电路板上采用喷焊处理来装配、再装配或返修元件通常是通过一个吸筒抽吸和注入液化的焊料来进行的。这种方法借助于印制板上的通孔使元件或连接件焊接在印制电路板上。除此之外也可以采用波焊技术或焊接笔。印制电路板上的通孔孔壁通常镀一层铜，用来实现至少两级电路之间的电连接。元件的管脚插入并焊接在通孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由锡和铜组成的低熔点焊料配方，其特征为：其含铜量高于痕量，且选择其使所形成的焊料的熔点低于共晶体的熔点。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔斯科特尼德里奇，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]