焊料的或者與焊料有關的改進的製作方法
2023-05-26 21:37:11 3
專利名稱：焊料的或者與焊料有關的改進的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊料，特別地涉及基本無鉛的焊料。
許多常規焊料含鉛作為其主要成分。這樣的焊料常常具有理想的物理性質，含鉛焊料的使用廣泛遍及多種行業，包括與生產印刷電路板相關的行業。
然而，例如出於環境考慮，對於無鉛焊料的需要不斷增加，而且似乎可能的是，許多國家將在今後幾年內將出臺法律規範，要求許多物品製造中使用的焊料幾乎不含鉛或者不含鉛。
一類已經用作常規錫鉛焊料的代替物的合金是錫銅合金，而且由99.3％錫和0.7％銅構成的合金已經在某些工業中相對廣泛地使用。然而，這樣的錫銅合金的性能與常規錫鉛合金的性能相比不是那麼理想，特別地，與常規錫鉛合金相比，錫銅合金顯示出較低強度、較低疲勞強度和較高的共晶溫度。
這是特別不理想的，因為許多工業機器和工藝被配置以有效地利用常規錫鉛合金工作，因此希望無鉛焊料代替物應該能與相同機器和工藝一起使用而無需對其進行大量改造。然而，許多製造商發現，現有焊料工藝必須經顯著改裝以適合使用無鉛焊料，而這種工藝和材料的適應被廣泛視為對資源的不良使用，特別是使用已知無鉛焊料製造的製品標準經常顯著小於使用常規鉛焊料能獲得的那些。
本發明的一個目的是設法提供改進的無鉛焊料。
因此，本發明的一個方面提供了基本無鉛的焊料，包括大約96.8％至大約99.3％的錫、大約0.2％至大約3.0％的銅和大約0.02％至大約0.12％的矽。
有利地，該焊料還包括大約0.005％至大約0.01％的磷。
優選地，該焊料包括大約0.01％磷。
適宜地，該焊料還包括大約0.005％至大約0.01％的鍺。
有利地，該焊料包括大約0.01％的鍺。
適宜地，該焊料包括大約0.7％至大約3.0％的銅。
優選地，該焊料包括大約0.7％銅和大約0.02％矽。
有利地，該焊料包括大約0.7％銅。
優選地，該焊料包括大約2.0％的銅。
適宜地，該焊料包括大約3.0％銅。
本發明的另一方面提供了一種用於製備基本無鉛焊料的方法，該方法包括混合錫、銅和矽的步驟，使得錫在焊料中的比例為大約96.8％至大約99.3％；銅在焊料中的比例為大約0.2％至大約3.0％；和矽在焊料中的比例為大約0.02％到大約0.12％。
適宜地，該方法還包括下面步驟即在焊料混合物中包含大約0.005％至大約0.01％的磷。
有利地，該方法包括下面步驟，即在焊料混合物中包括大約0.01％的磷。
優選地，該方法還包括下面步驟即在焊料混合物中包含大約0.005％至大約0.01％的鍺。
適宜地，該方法包括下面步驟，即在焊料混合物中包括大約0.01％的鍺。
優選地，該方法包括下面步驟，即在焊料混合物中包括大約0.01％的鍺。
適宜地，該方法還包括下面步驟，即包含大約0.7％至大約3.0％的銅。
有利地，該方法包括下面步驟，即在該焊料混合物中包含大約0.7％的銅和大約0.02％的矽。
優選地，該方法包括下面步驟，即包含大約0.7％的銅。
有利地，該方法包括下面步驟，即包含大約2.0％的銅。
適宜地，該方法包括下面步驟，即包含大約3.0％的銅。
因此，本發明的另一方面提供了軟釺焊的方法，包括使用基本無鉛焊料的步驟，其中該無鉛焊料包括大約96.8％至大約99.3％的錫、大約0.2％至大約3.0％的銅和大約0.02％至大約0.12％的矽。
優選地，該方法包括使用具有大約0.005％至大約0.01％磷的焊料。
適宜地，該方法包括使用具有大約0.01％磷的焊料。
有利地，該方法包括使用具有大約0.005％至大約0.01％鍺的焊料。
優選地，該方法包括使用具有大約0.01％鍺的焊料。
適宜地，該方法包括使用具有大約0.7％銅和大約0.02％矽的焊料。
為了可以更容易地理解本發明，現在將參考附圖通過示例來描述本發明的實施方案，其中
圖1是各種合金的機械性能的比較表；圖2是各種合金的機械性能的圖；圖3是示出各種合金在經受老化過程後的機械性能的圖；圖4是示出各種合金在經受變化長度的老化過程後的拉伸強度的圖表；圖5示出了各種合金在經受變化長度的老化過程後的屈服強度；圖6是示出各種合金在經受變化長度的老化過程後的應變值的圖表；圖7是示出了使各種合金在經受變化長度的老化過程後產生屈服所需能量量的圖表；圖8是示出使各種合金在經受變化長度的老化過程後斷裂所需能量量的圖表；圖9是示出各種合金在經受變化長度的老化過程後的韌性的圖表；圖10和11是示出各種合金的機械性能的表；圖12是體現本發明的合金的差示掃描量熱曲線；圖13示出了各種合金在各種溫度下的潤溼時間；和圖14示出了各種合金在各種溫度下的潤溼力。
論及上述錫銅焊料合金，已經發現向該合金添加低百分比的矽顯著改善該合金的性質和性能。特別地，已經發現向該合金添加大約0.02wt％至0.12wt％的矽將增強該合金，以及尤其賦予該合金改善的延性和應變性質。
據信，這些理想的性質可能是因為矽的價態而出現的，矽的價態允許矽形成四面體矽化物結構，導致固溶體的聚合鏈結構，由此引起改善的應變百分比。
圖1是示出某些焊料的各種機械性能的表，所述焊料是常規的63％錫/37％鉛焊料，99.3％錫/0.7％銅焊料，已知的錫/銅/鎳焊料和六種其它焊料(包括錫基礎、0.7％銅和分別0.2％矽、0.4％矽、0.6％矽、0.8％矽、0.10％矽和0.12％矽)。
從圖1可以看出，由體現本發明的錫/銅/矽焊料顯示出的物理性能通常優於由99.3％錫/0.7％銅焊料顯示出的物理性能，也更加接近常規63％錫/37％鉛焊料顯示出的性能。多數情況下，錫/0.7％銅/0.02％矽焊料最接近常規63％錫、37％鉛焊料的性能，因此預計這種焊料可以成為這種常規焊料的直接的「不期而遇的(drop-in)」代替物的強有力的備選對象。
圖2是從圖1的表中選出的量的圖表，特別顯示了這些量如何隨著被添加到錫/銅焊料基礎中以形成體現本發明的焊料的矽的量變化而變化。可以看出，這些性能中大部分都在當矽在錫/銅焊料基礎中的比例約為0.02％時達到它們的最大值。
從圖1和2中可以看出，向錫/銅合金中添加0.02％到0.12％的矽導致合金的拉伸強度顯著改善，導致該值高於常規錫/銅合金，以及常規錫/鉛合金的值。由於有拉伸強度增加，錫/銅/矽合金的應變百分比沒有顯著降低，這證明在與常規錫/鉛合金相比較時具有優異的延性。在該合金中引發裂紋所需能量也顯著大於在常規錫/鉛合金中和在常規錫/銅合金中引發裂紋所需的能量。
如上所述，所述錫/銅/矽合金的性能可以通過向其中添加少量鍺或磷而進一步增強或者改善。特別地，添加大約0.005％至0.01％的這兩種元素的任意一種都能導致理想的結果，包括增加強度和提供抗氧化劑作用。
來看圖3，該圖示出了合金在經歷了老化過程之後的機械性能的圖表，其中所述合金經受125℃的溫度達96小時。本測試旨在發現如果使用該合金製造的製品長時間經受這樣的高溫，合金的性質將如何變化。可以看到，含有錫基礎、0.7％銅、0.02％矽和0.01％鍺的合金以及含有錫基礎、0.7％銅、0.02％矽和0.01％磷的合金顯示出比常規錫/0.7％銅/0.02％矽合金優良的UTS(極限拉伸強度)。本領域技術人員將會理解到這些合金由此將對隨時間的熱疲勞或蠕變顯示出增加的抵抗性，而且使用上述含鍺或磷的焊料製造的產品將在延長時間裡維持理想的物理機械性能。
圖4示出了各種合金在經歷了老化過程之後的拉伸強度，其中所述合金經受125℃的溫度達24、48和96小時。能夠看出，與常規錫/鉛合金以及常規錫/銅合金相比，體現本發明的合金在老化後顯示出優異的拉伸強度。
圖5示出了各種合金在經受上述老化過程後的屈服強度，同樣也可以看出，與常規錫/鉛合金和錫/銅合金相比，體現本發明的合金在老化後顯示出優良的屈服強度。此外，與不含鍺或磷的體現本發明的焊料相比，含有少量的鍺或磷的體現本發明的合金在經受顯著老化過程後顯示出改善的屈服強度。
圖6示出了各種合金在經歷了上述老化過程(即經受125℃的溫度達24、48和96小時)之後的應變百分比。能夠看出，與常規錫/鉛焊料以及常規錫/銅合金相比，體現本發明的合金顯示出優異的應變百分比。
圖7和8顯示出各種焊料在經受上述老化過程後各自的屈服能和斷裂能。還能夠看出，與常規錫/鉛焊料以及常規錫/銅焊料相比，體現本發明的合金在達到屈服和達到斷裂時需要更多的能量。特別地，在125℃老化96小時後，使錫/0.7％銅/0.02％矽合金屈服需要0.05焦耳，使其斷裂需要20.735焦耳，而使常規錫/鉛合金屈服需要0.038焦耳，使常規錫/鉛合金斷裂需要5.647焦耳。相反，使常規錫/銅合金屈服需要0.018焦耳而使其斷裂需要5.364焦耳。本領域技術人員將理解，與常規錫/鉛合金和錫/銅合金相比，體現本發明的該合金明顯在延長時間內更為穩定。
圖9示出了各種合金在經受上述老化過程後的韌性，同樣可以看出，與常規錫/鉛和錫/銅焊料相比，體現本發明的合金在老化後顯示出優良的韌性。
還已發現，向錫/銅焊料合金添加矽改善了合金在經受高溫時的機械性能。圖10示出了在經受23℃、75℃和125℃的溫度時常規錫/鉛合金、常規錫/銅合金和體現本發明的錫/0.7％銅/0.02％矽合金的機械性質。儘管所有合金的UTS、YS(屈服強度)、應變百分比、屈服能、斷裂能和韌性在高溫影響下都降低，但是體現本發明的合金在這些條件下顯示出較少的性能降低量。例如，當溫度從23℃增加到125℃時，常規錫/鉛合金的UTS降低了大約71.2％，但是當體現本發明的合金經受相同升溫時的UTS僅降低大約53.04％。
來看圖11，該圖示出了當在拉伸實驗機中使用各種十字頭速度時常規錫/鉛合金、常規錫/銅合金和體現本發明的錫/0.7％銅/0.02％矽合金的UTS、YS、應變百分比、屈服能、斷裂能和韌性的表。從該表中可以看出，與常規合金相比，體現本發明的合金在各種十字頭速度下明顯表現出更穩定的機械特性。
參見圖9，本圖示出了體現本發明的錫/0.7％銅/0.02％矽合金的差示掃描量熱曲線，可以看出向該合金添加矽幾乎沒有或者沒有影響其熔融溫度。因此，體現本發明的合金維持了99.3％錫/0.7％銅合金的理想的可潤溼性，例如後者的潤溼時間和潤溼力。
圖13和14示出了各種合金在某些溫度下的潤溼時間和潤溼力，可以看出體現本發明的合金顯示出與常規錫/銅合金非常相似的潤溼特性。
可以設想的是，任何本文中描述的體現本發明的焊料可以包括大約0.2％至大約3.0％的銅。優選地，該焊料包括大約0.7％至大約3.0％的銅。
在本發明的實施方案中，如文中所述並根據本發明的焊料可以包含大約0.5％至0.9％、更優選0.7％的銅；1.8％至2.2％，更優選2.0％的銅；或者2.8％至3.2％、更優選3.0％的銅。矽的百分比可以是大約0.02％至0.03％。
本領域技術人員將會理解到，本發明提供了與常規無鉛焊料相比具有顯著改善性能的基本無鉛合金。所設想的是，體現本發明的合金可以用作常規鉛焊料的直接「不期而遇(drop-in)」的代替物，特別是用于波焊應用。
在所附權利要求中，所要求保護的基本無鉛的焊料可以基本由所列組分組成，換句話說除了不可避免的雜質之外可以包括這些組分。但是，情況無需必然是這樣。
當在說明書和權利要求中使用時，術語「包括」及其變體是指包含了所指明的特徵、步驟或整數。這些術語不應解釋為排除其它特徵、步驟或組分的存在。
在上面說明書或者在下面權利要求或附圖中公開的特徵(以它們的特定形式或者根據用於實施該公開功能的裝置進行表達)或者用於獲得該公開結果的方法或工藝，可以，單獨地或者以這些特性的任意組合，用於以它們的不同形式實現本發明。
權利要求
1.一種基本無鉛的焊料，包括大約96.8％至大約99.3％的錫、大約0.2％至大約3.0％的銅和大約0.02％至大約0.12％的矽。
2.根據權利要求1的焊料，還包括大約0.005％至大約0.01％的磷。
3.根據權利要求2的焊料，包括大約0.01％的磷。
4.根據前述權利要求中任一項的焊料，還包括大約0.005％至大約0.01％的鍺。
5.根據權利要求4的焊料，包括大約0.01％的鍺。
6.根據前述權利要求中任一項的焊料，包括大約0.7％至大約3.0％的銅。
7.根據前述權利要求中任一項的焊料，包括大約0.7％銅和大約0.02％矽。
8.根據前述權利要求中任一項的焊料，包括大約0.7％的銅。
9.根據權利要求1-6中任一項的焊料，包括大約2.0％的銅。
10.根據權利要求1-6中任一項的焊料，包括大約3.0％的銅。
11.一種製備基本無鉛焊料的方法，該方法包括混合錫、銅和矽的步驟，使得錫在焊料中的比例為大約96.8％至大約99.3％；銅在焊料中的比例為大約0.2％至大約3.0％；和矽在焊料中的比例為大約0.02％到大約0.12％。
12.根據權利要求11的方法，還包括下面步驟即在焊料混合物中包括大約0.005％至大約0.01％的磷。
13.根據權利要求12的方法，還包括下面步驟即在焊料混合物中包括大約0.01％的磷。
14.根據權利要求11-13中任一項的方法，還包括下面步驟即在焊料混合物中包括大約0.005％至大約0.01％的鍺。
15.根據權利要求14的方法，還包括下面步驟即在焊料混合物中包括大約0.01％的鍺。
16.根據權利要求11-15中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約0.7％到大約3.0％的銅。
17.根據權利要求11-16中任一項的方法，包括下面步驟，即在焊料混合物中包括大約0.7％的銅和大約0.02％的矽。
18.根據權利要求11-17中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約0.7％的銅。
19.根據權利要求11-16中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約2.0％的銅。
20.根據權利要求11-16中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約3.0％的銅。
21.一種軟釺焊的方法，包括使用基本無鉛焊料的步驟，該基本無鉛焊料包括大約96.8％至大約99.3％的錫、大約0.2％至大約3.0％的銅和大約0.02％至大約0.12％的矽。
22.根據權利要求21的方法，包括使用具有大約0.005％至大約0.01％的磷的焊料。
23.根據權利要求22的方法，包括使用具有大約0.01％的磷的焊料。
24.根據權利要求21-23中任一項的方法，包括使用具有大約0.005％至大約0.01％的鍺的焊料。
25.根據權利要求24的方法，包括使用具有大約0.01％的鍺的焊料。
26.根據權利要求21-25中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約0.7％到大約3.0％的銅。
27.根據權利要求21-26中任一項的方法，包括使用具有大約0.7％的銅和大約0.02％的矽的焊料。
28.根據權利要求21-27中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約0.7％的銅。
29.根據權利要求21-26中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約2.0％的銅。
30.根據權利要求21-26中任一項的方法，包括下面步驟，即包括大約3.0％的銅。
31.一種焊料，基本上如上所述，並參考附圖。
32.一種方法，基本上如上所述，並參考附圖。
全文摘要
一種無鉛焊料，包括大約96.8％至大約99.3％的錫，0.2％至3.0％的銅，0.02％至大約0.12％的矽和任選的0.005％至0.01％的P和/或0.0005％至0.01％的Ge。
文檔編號B23K35/26GK101080505SQ200580036568
公開日2007年11月28日 申請日期2005年8月26日 優先權日2004年10月27日
發明者周家華, 許喻勝 申請人:量子化學技術(新加坡)股份有限公司, 新加坡朝日化學品及焊料工業股份有限公司