焊接用Ag焊料和使用它的釺焊方法
2023-05-16 06:14:06 1
專利名稱：焊接用Ag焊料和使用它的釺焊方法
技術領域：
本發明涉及焊接用Ag焊料和使用它的釺焊方法，特別涉及其固相線溫度在800℃以上、液相線溫度在900℃以下、廉價、且適用範圍廣、焊接性優良的Ag焊料。
背景技術：
將Ag-Cu合金作為主成分的現有Ag焊料(JIS、Z3261)，其釺焊溫度範圍為620～900℃，固相線溫度為605～780℃。這種Ag-Cu焊料，廣泛用於金屬焊接中，例如，向陶瓷基質上焊接金屬、不鏽鋼之間的焊接、向不鏽鋼上焊接銅(Cu)製品，或銅件之間的焊接等。
這些現有的Ag-Cu焊料，根據其種類，低的，在605℃開始熔融，高的，在780℃開始熔融。
在只有一個焊接部位時，用這種現有的Ag焊料雖然比較理想，但，根據組裝工序，在不同時間焊接數處部位時，使用各熔點不同的數種焊料，依次進行焊接作業。將這樣的釺焊稱作分步釺焊，或多段分步釺焊。通常首先使用熔點高的焊料，將某部位焊接住。隨後，再用熔點低的焊料焊接別的部位。例如，首先使用熔點1000℃的Ni系焊料，進行焊接處理後，其他部位再用上述的Ag-Cu焊料焊接。
然而，使用Ni系高熔點焊料分步焊接，對於焊接對象的構件是耐熱性很高的構件時，不存在問題，但對於在釺焊溫度很容易軟化的部件，例如將銅(Cu)制部件焊接搭載在基板上時，在焊接作業中，Cu制部件的母材發生軟化，這樣的結晶軟化會影響設備的特性。
比以BAg-8為代表的現有Ag焊料熔融溫度高的、而且具有對被焊接部件的母材軟化沒有影響的熔融溫度的焊料，換言之，其固相線溫度在800℃以上、液相線溫度在900℃以下的Ag焊料，是最受歡迎的，但是，當前還不存在這種溫度範圍的Ag-Cu焊料。
在Ag-Cu系之外的焊料中，作為800-900℃熔融溫度範圍的焊料，有使用鈀(Pd)的Pd系焊料(JIS，Z3267)、使用金(Au)的Au系焊料(JIS，Z3266)。然而、Pd系焊料和Au系焊料，與Ag焊料比較，材質價格極高，存在著製造成本極大的問題。
進而，作為其他的問題，在使用現有的Ag焊料，焊接像不鏽鋼構件等表面上具有鈍性被膜的構件時，作為前處理，必須對被焊接構件實施鍍Ni(鎳)。這是因為，在鈍性膜的影響下，不能確保表面擴展性，或焊料的擴展性。即，使用現有的焊料時，需要進行鍍Ni部分，其餘部分需要其他工序，導致製造成本增高。雖然也考慮了使用預先混合了Ni的現有Ag焊料(JIS)代替鍍Ni，但BAg-13a和BAg-21的固相線溫度在800℃以下，在低溫釺焊時，有時再熔融不穩定。此外，BAg-23的固相線溫度遠遠超過900℃，釺焊溫度變得過高，很不理想。
進而作為其他問題，現有的Ag-Cu焊料中，將釺焊溫度範圍不重疊的2種Ag焊料，例如固相線溫度為780℃的與液相線溫度低於780℃的(例如，BAg-3)組合併進行分步釺焊時，存在不能進行真空處理的問題。低熔點的Ag-Cu系焊料的組成中含有鋅(Zn)和鎘(Cd)，這種焊料在真空室內用於焊接處理時，真空室內會形成汙染，所以不得不在大氣環境中進行焊接處理。
在大氣環境中進行處理時，由於被焊接構件的表面被氧化，所以必須一邊用助熔劑去除表面的氧化物一邊進行焊接，在焊接後還需要去除助熔劑，整個被焊接物必須清洗。因此，增加焊接工序的同時，也影響到環境問題。
進而，在電子部件等焊接對象微小化的進程中，需要微小構件的焊接時，和需要氣密封的構件也很多，如真空管、真空球等。在這樣的氣密釺焊和微小釺焊中，需要能夠充分進入微小間隙內的浸透性。
發明內容
本發明的第1個目的是提供一種固相線溫度在800℃以上、液相線溫度在900℃以下的新型Ag焊料。
本發明的第2個目的是提供一種焊接之前，不需要對被焊接物(不鏽鋼、陶瓷等)進行鍍Ni處理、並具有充分擴展性和浸透性的Ag焊料。
本發明的第3個目的是提供一種既可以在大氣中進行處理，又能在真空室內進行焊接處理的Ag焊料。
本發明的第4個目的是提供一種適合氣密性高的構件和微小電子部件的焊接、並具有浸透性的Ag焊料。
這樣的Ag焊料，約在800℃開始熔融，約在900℃熔融結束。因此，通過將釺焊溫度為620℃-800℃的現有Ag焊料與釺焊溫度在1000℃以上的現有Ni焊料進行組合，可實現數次多分步釺焊。
本發明的新型Ag焊料與焊接對象的材質無關，可在廣泛的領域內用作焊接的焊料。
為了達到上述目的，本發明1的焊接用Ag焊料由1.0-10.0重量％的錫(Sn)、2.5-10重量％的銅(Cu)、其餘部分為銀(Ag)構成。
這種Ag焊料的固相線溫度在800℃以上，液相線溫度在900℃以下。基本上是利用了Ag和Cu的共晶，通過將Cu的組成取為2.5-10重量％(以下根據情況只採用「％」)的範圍，使Ag焊料的熔融溫度範圍大致設定在接近800℃-900℃的範圍。再向其中添加Sn，可降低液相線溫度，可將Ag焊接的熔融溫度控制在800℃-900℃的目標範圍內。Sn具有改善擴展性的效果，即使焊接物表面具有鈍性被膜的情況，也沒有必要實施鍍Ni作為前處理。
Cu量在2.5％以下，難以將Ag焊料的液相線溫度控制在900℃以下，若在10％以上，難以將固相線溫度控制在800℃以上。
Sn量在1.0％以下，將Ag焊料的液相線溫度控制在900℃以下的效果會降低。Sn量超過10.0％，會增加脆性，有損於以Ag和Cu作為主成分的基質的延展性。
上述Ag焊料的成本很低，而且浸透性非常好，能夠發揮良好的焊接性。
本發明2的焊接用Ag焊料由1.0-10.0重量％的錫(Sn)、2.5-10重量％的銅(Cu)、6.0重量％以下的錳(Mn)、其餘為銀(Ag)所形成。通過添加6.0％以下的Mn，可提高(Ag)焊料的強度，同時也提高了對不鏽鋼和陶瓷的潤溼性或擴展性。Mn含量在0.3-6.0％時，擴展性特別好。尤其是上述Ag焊料自身的浸透性非常好，但與Mn含量沒有關係，即使Mn含量低於0.3％，作為整體的Ag焊料也能發揮適當的強度和良好的焊接性。當Mn量達到7.5％以上時，焊料過於擴展，導致焊接部分不穩定，很不理想。
根據焊接物，有時對Ag焊料的浸透性比對其擴展性更加重視。例如，對要求真空氣密的真空管和真空球及微小部件進行焊接時，如果浸透性高，焊料能侵入到細微間隙，可提高焊接的可靠性。特別是在真空管和微小部件的焊接中，由於沒有必要通過添加Mn獲得強度，所以低Mn或無Mn的Ag焊料特別適於焊接氣密構件和微小部件。
本發明3的焊接用Ag焊料由1.0-10.0重量％的錫(Sn)、2.5-10重量％的銅(Cu)、2.5重量％以下的鎳(Ni)、其餘部分為銀(Ag)所形成。通過添加2.5重量％以下的鎳(Ni)，可提高釺焊部分的潤溼性或擴展性及焊接強度。當Ni含量超過2.5％時，導致液相線溫度升高，難以將Ag焊料的液相線溫度控制在900℃以下。
在這些Ag焊料中，可以用銦(In)置換一部分或全部錫。用In置換一部分Sn或全部Sn，也能將Ag焊料的固相線溫度控制在800℃以上，液相線溫度控制在900℃以下。同時能提高Ag焊料的擴展性或釺焊部分的擴展性，這樣可提高焊接性。
Ag焊料含有錳(Mn)時，也可用鈦(Ti)置換一部分或全部Mn。用Ti置換一部分或全部分Mn時，可達到與上述同樣的效果，即，確保擴展性和提高焊接強度。即使被焊接部分有鈍性膜覆蓋，仍不需要鍍Ni就能釺焊。
上述任何一種Ag焊料在固體狀態下都存在以具有延展性的Ag和Cu為主成分的基質，以便包圍含Sn的微小析出化合物。這樣就能阻止具有脆性的含Sn化合物的龜裂和擴展，從而改善製造Ag焊料時的加工性(即，鍛造、壓延、拉絲)。同時，在焊接後保護了焊接層的脆化。
上述Sn的組成如果超過10％，在Ag-Cu基質中析出的含Sn化合物會大大增加，導致焊料自身的脆化。由於固相線溫度過度降低，固體狀態下析出的Sn化合物中的Sn量的大體標準是5％～60％(重量比)。
這樣，Ag和Cu對整個焊料的材料物性共同發揮作用，特別是能左右固相線溫度和液相線溫度及機械強度。與此同時，焊接後能吸收傳達到焊接部位的機械衝擊，抑制龜裂的發生和傳播。由於由Ag-Cu基質包圍析出的含Sn化合物，所以也具有阻止以含Sn化合物為起點的龜裂擴展的效果。
為了調整固相線溫度和液相線溫度，Ag/(Ag+Cu)的比率最好為89.4～97.5％上述任何一種Ag焊料，其製造成本與以前的Ag焊料大致相同，即使不使用高價的Pd系焊料(JIS，Z3267)和Au系焊料(JIS，Z3226)，通過與現有的Ag焊料組合使用，也能夠進行多段分步釺焊，使最終製品的製造成本得到降低。
由於抑制了釺焊作業溫度下被焊構件母材的軟化，所以能確保最終製品的操作特性。由於本發明的Ag焊料的熔融溫度範圍為800～900℃，所以其他焊料的選擇幅度在各段中很寬。實際釺焊焊接作業的溫度與固相線溫度相等或高於此溫度，最好在比液相線溫度高數十度的溫度下進行。
由於組成中不含有Pb、Zn、Cd等，所以適於在真空室內焊接處理，這樣就不需要使用大氣處理中所必須的助熔劑(熔劑)及其清洗工序。進而，因為具有充分的擴展性和浸透性，所以，即使對表面具有鈍性皮膜的不鏽鋼等進行焊接時，也不需要鍍Ni的前處理。由於浸透性優良，適合對氣密性有所要求的構件和微小電子部件的焊接。
本發明的其他特徵和效果在經過以下具體實施例和比較例的詳細說明後會更加明確。
圖1表示為證實本發明效果而進行的剪切強度和浸透性試驗中所用的試驗片。
圖2為使用了本發明的Ag料的多段分步釺焊的說明圖。
圖中，1為被焊接部件，2為本發明的Ag焊料，3為不鏽鋼基板，4為氧化鋁基板，5為Cu部件，7為現有焊料。
實施發明的最佳方式(試驗用Ag焊料的製作)將直徑50mm、長度400mm的各種組成坯料，在真空中約1050℃進行真空熔解後選擇350～750℃退火，選擇3-30％的加工率進行壓延，重複必要的次數，加工成0.3mm厚度後，作為最終加工，利用切條機加工成規定寬度(如30mm)的板狀焊料，將其作為試驗用焊料示於表1和表2。
需要線材時，利用擠壓將上述坯料擠壓成直徑10mm，再將其退火(350～750℃)和拔絲(加工率3-30％)，重複必要次數，得到直徑0.1mm的線材。表1 表2
(評價方法、評價條件)如圖1所示，準備2塊寬24mm×長125mm×厚3mm的無鍍不鏽鋼板，使其兩端部的一部分重疊，如圖1所示大致2～4mm，在重疊部分夾入表1所示組成的試驗用板狀焊料2。根據所用焊料的液相線溫度，選擇焊接溫度(如875～925℃)進行釺焊後，根據JIS-Z-3192(釺焊接縫的剪切試驗方法)評價焊接性。對預先實施鍍Ni的不鏽鋼板進行同樣的釺焊焊接作為參考。
分別測定各組成試驗用焊料的1)剪切強度(N/mm2)、2)擴展性、3)浸透性，並進行觀察，以觀察結果為基準再進行綜合評估，其結果示於表3和表4。剪切強度的評價按以下基準進行。
·350N/mm2以上時評價A(優良)·150～350N/mm2時評價B(良好)·150N/mm2以下時評價C(不良)擴展性的評價，將衝切成直徑15mm的各組成試驗用焊料板搭載在無鍍SUS板上，觀察加熱到875～925℃時SUS板表面上焊料的流動(擴展)狀況，按以下基準進行評價。
·加熱時焊料面積的直徑30mm以上評價A(優良)·加熱時焊料面積的直徑為15～30mm評價B(良好)·無擴展(或直徑小於15mm)評價C(不良)浸透性的評價，如圖1(b)所示，在2塊重疊焊接物1的約0.05mm間隙A點處，放置φ1.0的焊料，熔融。然後，利用熔融金屬的毛細管現象觀察焊料向相反側B點的到達度，按以下基準評價。
·完全到達B點評價A(優良)·幾乎到達B點評價B(良好)·未到達B點評價C(不良)即使剪切性、擴展性和浸透性都達到上述要求，但溫度範圍未在本發明焊料的目標溫度範圍內，即不能夠滿足固相線溫度在800℃以上，液相線溫度在900℃以下的前提條件，引起真空室汙染的產品也認為是不合格產品。
表3
表4
以下對表1和表2所示組成的Ag焊料實施例和比較例作具體說明。
(實施例1～4)將Sn量設定為4.0％，按0.1％、0.3％、2.5％、5.0％改變Mn量，進行釺焊處理後，測定剪切強度。[Ag-Cu-Mn-Sn]合金中的Mn量分別為0.1％、0.3％、2.5％和5.0％任何一種時，剪切強度為150～350N/mm2，評價為B，顯現出良好的強度。
將衝切為直徑15mm的各個焊料搭載在未鍍Ni的SUS板上，根據進行釺焊處理時的擴展性實驗，Mn含量為0.3％、2.5％、5.0％時(實施例2～4)都呈現出15～30mm左右的擴展，評價為B，顯現出良好的擴展性。另一方面，Mn含量為0.1％時(實施例1)，擴展面積小於15mm，評價為C。
在浸透性試驗中，Mn含量選自0.1％、0.3％、2.5％和5.0％，焊料都浸透到重疊的2塊不鏽鋼板的細微間隙內，完全達到相反一側，評價為A，呈現出良好的焊接質量。
Mn含量為0.1％時，擴展性稍稍差些，但由於具有充分的浸透性，在實際應用中作為焊料的焊接性良好。在對真空管進行密封和微小電子部件進行焊接時，焊料的浸透性成為更重要的要素，實施例1的焊料特別適用於微小釺焊和真空氣密的用途。
實施例1-4的任何一種焊料的固相線(熔融開始)溫度都在800℃以上，液相線溫度都在900℃以下，達到目標溫度範圍。
表1和2中雖然沒有示出，但使用了實施例1-4的組成的Ag焊料作為被焊接構件材料，選擇實施鍍Ni的SUS板時，呈現出更加穩定的剪切強度(大致提高10～50％)和良好的浸透性，即使是擴展性，實施例1-4中擴展面積大約都提高了10-30％。
(比較例1)作為比較例，製造Sn含量為4.0％、Mn含量為7.5％的[Ag-Cu-Mn-Sn]坯料，並製作成0.1mm厚的板狀焊料。將該板狀焊料夾在圖1所示2塊無鍍SUS板之間，進行釺焊處理後，同樣測定剪切強度。得到150～350N/mm2的剪切強度，評價為B，顯現出良好的強度。
以下，將衝切成直徑15mm的比較例1(Mn量為7.5％)焊料搭載在無鍍SUS板上，進行釺焊處理，根據此擴展性實驗，顯示出15～30mm的擴展性(評價B)，強度、擴展性都良好。浸透性也良好，整體焊接性更好。然而，隨著Mn含量增加，蒸氣壓較高的Mn的蒸發量增多，產生汙染焊接物和爐內環境的問題，進而，根據釺焊條件，Ag焊料過分擴展，有時焊接穩定性欠佳。製造焊料時的焊料質量也產生偏差，存在質量穩定性欠佳的問題。
由這些實施例和比較例，可知Mn量在0.1～6％的範圍內呈現出良好的焊接性。
(實施例5、6)在實施例1-4和比較例1中，雖然呈現出添加Mn的效果，但Mn和規定量的Ti共存時，也能發揮出同等的效果。在實施例5和6中，得到Mn量為1.5％，Ti分別為0.5％和2.0％的[Ag-Cu-Mn-Sn-Ti]的坯料後，製成0.1厚的板狀焊料。將這些板狀焊料夾在圖1所示2塊無鍍SUS板之間，進行釺焊處理後，同樣測定剪切強度。含0.5％Ti時，顯示出350N/mm2以上的剪切強度(評價A)和150～350N/mm2的剪切強度(評價B)，含2.0％Ti時，顯示出150～350N/mm2的剪切強度(評價B)，顯現出良好的強度。
將衝切成直徑15mm的各種焊料搭載在無鍍SUS板上，根據同時進行釺焊處理的擴展性實驗，在這兩種焊料上顯示出15～30mm的擴展(評價B)，顯現了良好的擴展性。利用毛細管現象的浸透性的觀察結果也很優良。
作為參考，Mn量同樣為1.5％、Ti量增到5％時，生成大量的CuTi化合物，導致加工性降低，可知加工板狀和線狀的工序變得複雜，不利於工業應用。
(實施例7～10和比較例2)在實施例1-6和比較例1的[Ag-Cu-Mn-Sn]合金中，Mn量為0.1％～6.0％或其部分被置換成Ti時，發揮出良好的焊接強度(剪切強度)和擴展性。實施例7～10是在實施例1～4的合金中添加1.0％的Ni的情況，對其剪切強度和擴展性進行了評估。結果示於表3，剪切強度提高10-40％(評價A～B)、擴展性(潤溼性)也進一步穩定。雖然含有Mn或Ti，但浸透性非常好。
另一方面，作為比較例2，Mn量為7.5％時，與比較例1一樣，釺焊後的剪切強度、擴展性、浸透性都達到了合格基準，但是，Mn的蒸發量增多，確認爐內產生汙染，不理想。
(實施例11～12和比較例3～4)實施例1-10和比較例1、2的[Ag-Cu-Mn-Sn]合金中，Sn量取為4.0％時，都呈現出剪切強度、擴展性、浸透性，但在實施例11和12中，Sn量分別變為1.0％和10％時，證實也發揮了良好的焊接效果。即，製造Sn量為1.0％和10％的焊料，將這些板狀焊料夾在圖1所示2塊無鍍SUS板之間，進行釺焊處理。之後，測定剪切強度，Sn量為1.0％、10％時，都呈現出150～350N/mm2的剪切強度(評價B)，發揮出良好的強度。將衝切成直徑15mm的各種焊料搭載在無鍍SUS板上，同時進行釺焊處理，根據該擴展性實驗，Sn量為1.0％時(實施例9)，顯示出15～30mm的擴展(評價B)，發揮出良好的擴展性。Sn量為10％時(實施例10)，顯示出30mm以上的擴展(評價A)，進一步提高了擴展性，不論Sn量如何變化，浸透性最好。
通過在1.0％～10％之間調整Sn的含量，可保持Ag焊料的良好焊接性，同時又能將固相線溫度、液相線溫度控制在800～900℃的目標範圍內。
與其相反，在比較例3中將Sn量取為0.1％時，剪切強度在350N/mm2以上(評價A)、擴展面積為15～30mm(評價B)，每種特性都很好。然而，Ag焊料的液相線溫度沒能在900℃以下，由於沒有達到本發明的第1個目的，所以不理想。作為比較例6，將Sn量取為20％時，根據擴展性實驗，顯示出15mm以上～30mm的擴展(評價B)，雖然也在合格範圍內，但剪切強度的測定結果卻低於150N/mm2(評價C)、可知焊接強度低劣。根據顯微鏡的組織研究認為其原因是生成了大量的Sn化合物。
(實施例13～14)在實施例11～12和比較例3～4中，雖然示出了Sn量的適當範圍，但Sn和規定量的In共存，也能獲得同等的效果。在實施例13和14中，將Sn量取為4％，將In量分別取為1.0％和5.0％，得到[Ag-Cu-Mn-Sn-In]坯料後，製成0.1厚的板狀焊料。將這樣的板狀焊料夾在圖1所示的2塊無鍍SUS板之間，進行釺焊處理後，同樣測定剪切強度。實施例13和14都顯示出150～350N/mm2的剪切強度(評價B)，發揮出良好的強度。將衝切成直徑15mm的各焊料搭載在無鍍SUS板上，同時進行釺焊處理，根據擴展性實驗，在無鍍SUS板上顯示出15mm以上～30mm的擴展(評價B)、顯現出良好的擴展性。
雖然表中沒有示出，但作為參考，將Sn量保持在4.0％、並將In量增加到10％時，加工性顯著降低，可知加工成板狀和線狀的工序變得很複雜，不能工業實用。
(實施例15～16和比較例5)在實施例7～10和比較例2中，示出了將[Ag-Cu-Mn-Sn-Ni]合金中的Ni量取為1.0％時，適於剪切強度、擴展性的Mn量。在實施例15和16中，將Sn量取為4.0％、Mn量取為1.5％、改變Ni量，確認其效果。即，將Ni量分別取為0.1％(實施13)和2.5％(實施例14)，得到[Ag-Cu-Mn-Sn-Ni]坯料後，製造出0.1mm厚的板狀焊料。將這些板狀焊料夾在圖1所示2塊無鍍SUS板之間，進行釺焊處理後，同樣測定剪切強度。任何一個實施例都顯示出150～350N/mm2的剪切強度(評價B)，發揮出良好的強度。將衝切成直徑15mm的各種焊料搭載在無鍍SUS板上，同時進行釺焊處理的擴展性實驗，雙方在無鍍SUS板上顯示出30mm以上的擴展(評價A)，發揮出良好的擴展性。利用擠壓機將上述壞料擠壓成直徑10mm，將其退火(350～750℃)和拔絲(加工率3～30％)，重複必要次數，得到直徑0.1mm的線材，同樣測定剪切強度，實施擴展性評價，在同等的Ni量範圍內，發揮出良好的特性，浸透性也很好。
另一方面，作為比較例5，將Ni量增加到5.0％，進行同樣的釺焊處理，焊接後的剪切強度為150～350N/mm2(評價B)，根據擴展性實驗，衝切成直徑15mm的焊料，在無鍍SUS板上顯示出15mm以上～30mm的擴展(評價B)、浸透性也很好。然而，液相線溫度升高，由於不能控制在900℃以下，所以很不理想。
如上所述，焊料中的Ni量在2.5％以下，同時具備焊接強度(剪切強度)、擴展性和浸透性，而且，液相線溫度也能控制在900℃以下。
(實施例17～18和比較例6～7)在實施例17、18中，確證在[Ag-Cu-Mn-Sn]合金或[Ag-Cu-Mn-Sn-Ni]合金中的適宜Cu量。Ag焊料中所含Cu量與Ag的含量都對合金的固相線溫度和液相線溫度調整在規定值範圍之內起著重要的作用。
在實施例17中，Cu量取為2.5％(Mn量為1.5％，Sn為4.0％)、Ag量取為92.0％(Ag+Cu＝94.5％、Ag/(Ag+Cu)＝97.4％)。進行釺焊處理後，顯示出的剪切強度為150～350N/mm2(評價B)、15mm以上～30mm的擴展(評價B)、焊料在焊接物的間隙中完全浸透到相對一側，全都顯示出良好的特性。進而，也能將焊料的固相線溫度、液相線溫度控制在800～900℃的範圍內。
在實施例18中，將Cu量取為10.0％、Ag量取為84.5％(Ag+Cu＝94.5％、Ag/(Ag+Cu)＝89.4％)時，進行釺焊處理後，剪切強度為150～350N/mm2(評價B)。擴展性測試中顯示出15mm以上～30mm的擴展，浸透性也很好，在該組成中，全都顯示出良好的特性，固相線溫度、液相線溫度也能控制在800～900℃的範圍內。
與其相反，作為比較例6，準備Cu量1.0％、Ag量93.5％(Ag+Cu＝94.5％、Ag/(Ag+Cu)＝98.9％)的Ag焊料，進行釺焊處理後，剪切強度為150～350N/mm2(評價B)，在擴展性實驗中，衝切成直徑15mm的焊料在無鍍SUS板上顯示出30mm以上極好的擴展性(評價A)，兩種特性都很好。浸透性也極好。然而，該組成不能將液相線溫度控制在900℃以下。
作為比較例7，將Cu量取為20.0％、Ag量取為74.5％(Ag+Cu＝94.5％、Ag/(Ag+Cu)＝78.8％)時，進行釺焊處理後，剪切強度為150～350N/mm2(評價B)，發揮出良好的強度，在擴展性實驗中，在無鍍SUS板上呈現出15～30mm的擴展(評價B)。浸透性也最好。然而，固相線溫度難以控制在800℃以上。
(實施例19和比較例8)在實施例19中，將Cu量取為2.5％(Mn量為0.5％、Sn量為1.0％)，將Ag量增加到96.0％(Ag+Cu＝98.5％、Ag/(Ag+Cu)＝97.5％)，以該組成進行釺焊處理後，剪切強度在350N/mm2以上(評價A)，擴展性顯示出15mm以上～30mm的擴展(評價B)，浸透性也極好。固相線溫度和液相線溫度能控制在800～900℃的範圍。
與其相反，在比較例8中，將Cu量取為0.5％(Mn量為0.5％，Sn量為1.0％)、Ag量為98.0％(Ag+Cu＝98.5％、Ag/(Ag+Cu)＝99.5％)。進行釺焊處理後，剪切強度在350N/mm2以上(評價A)，浸透性也極好，但擴展性在15mm以下(評價C)。而且，液相線溫度上升到900℃，很不理想。
(實施例20～23)在實施例20～23中，將Ag焊料的Cu含量取為6.0％，Sn含量分別取為1.0％、4.0％、7.0％、10.0％，其餘部分為Ag，測定其焊接性。在這些組成中，由於不含Mn，所以在擴展性的測定中低於15mm，稍稍低劣，剪切強度評價為B、浸透性也很好，焊料焊接性的綜合評價很好，滿足了固相線溫度在800℃以上，液相線溫度在900℃以下的目標範圍。這些組成的Ag焊料與在單一平面上的擴展性相比，更為重視向2個焊接物間隙的浸透性時，例如，要求微小構件的焊接和不希望含有蒸發金屬元素的真空管等氣密性時，最為適宜。
(實施例24～26)在實施例24～26中，將Sn含量取為4.0％、Cu含量取為6.0％，Ni含量分別取為0.5％、1.5％、2.5％，其餘部分為Ag，測定其焊接性。在這些組成中，剪切強度、擴展性、浸透性都顯示出良好的特性，可知焊接性極好。
(實施例27～29)在實施例27～29中，證實本發明的Ag焊料並不限於SUS，可適用於更廣泛的構件材料。即，直到實施例26，作為焊接物，只選擇了無實施鍍的SUS(不鏽鋼)作為示例，但在實施例27～29中，作為焊接物分別選擇無鍍SUS和氧化鋁、無鍍SUS和Cu、Cu和Cu。任何一種情況都顯示出良好的剪切強度、擴展性和浸透性。雖然表中未示出，在使用鍍SUS代替無鍍SUS時，呈現出更為穩定的剪切強度、擴展性和浸透性。
以下對將本發明的Ag焊料和現有的Ag焊料進行組合，依次焊接不同部位的分步釺焊進行說明。
例如，如圖2所示，考察在不鏽鋼基板3上焊接熔點為1083℃的Cu部件5，在該Cu部件5上覆蓋焊接陶瓷、氧化鋁等任意材料構件4的情況，這時，不能同時焊接Cu部件5與下面的不鏽鋼基板3和上面的構件4。當Cu部件5的焊接面向上進行焊接時，焊料會流落下來，會汙染Cu部件5，進而汙染下面的不鏽鋼基板3。
因此，Cu部件5的焊接面常常向下，首先焊一個面，然後將Cu部件5翻轉再焊接另一面。
在圖2所示實例中，在焊接表面具有鈍性被膜的不鏽鋼基板3和Cu部件5時，使用本發明的Ag焊料2。在不鏽鋼基板3和在規定位置配置的Cu部件5之間，插入切割好的本發明Ag焊料片，將氛圍氣加熱到920～925℃進行釺焊。由於作業溫度設定為該範圍，所以能避免對Cu部件5的母材軟化產生不良影響。由於本發明的Ag焊料擴展性極好，所以在焊接前不需要對不鏽鋼基板3作鍍Ni處理以下使用熔融溫度比本發明Ag焊料的固相線溫度低的現有Ag焊料7，在Cu部件的其他面，例如焊接氧化鋁基板4。這時，使Cu部件5的焊接面向下，再使預先焊接在不鏽鋼基板3上的組件逆轉向，這樣，在800℃以下的作業溫度下對全部組件加熱處理進行釺焊。
上述釺焊處理可在大氣中進行，也可在真空室內進行。
以下根據實施例30～33證實使用本發明Ag焊料進行分步釺焊的效果。
(實施例30)預先利用本發明的Ag焊料焊接第1焊接部位，接著在第2焊接部位配置公知的共晶Ag焊料[72％Ag-其餘為Cu](固相線溫度780℃，液相線溫度780℃)，選擇在上述第1焊接部位所用本發明Ag焊料不熔融的溫度，與第1焊接部位同時進行加熱處理。焊接完成後，對第1焊接部位進行剪切強度、浸透性、擴展性的評價，浸透性評價為A，對剪切強度和擴展性評價為A～B。
(實施例31)利用現有的焊料JIS Z3265的BNi-2(固相線溫度995℃、液相線溫度1000℃)焊接第1焊接部位。接著，用本發明的Ag焊料焊接第2焊接部位。進而，在第3焊接部位配置公知的共晶Ag焊料(固相線溫度780℃，液相線溫度780℃)。在上述第2焊接部位用本發明Ag焊料的固相線溫度和第3焊接部位用共晶Ag焊料的液相線溫度之間的溫度下，對第1焊接部位和第2焊接部位同時進行加熱處理，完成多段分步釺焊。隨後，對第2焊接部位評價浸透性、剪切強度和擴展性。浸透性評價為A，對剪切強度和擴展性評價為A～B。
(變形例)在實施例30～31中，被焊接物主要都是無鍍不鏽鋼板，但即使用於預先進行了鍍Ni的不鏽鋼的焊接，在剪切強度、浸透性和擴展性方面也都能夠獲得良好的結果。如圖2所示，即使一方或兩方為Cu等其他金屬、合金時，或為氧化鋁等非金屬時，在焊接部位都獲得了良好的剪切強度、浸透性和擴展性。
本發明提供了一種前所未有的具有800～900℃固相線溫度和液相線溫度的Ag焊料。由於沒有使用高價的Pd，所以可以低成本進行焊接。
將本發明的Ag焊料用作多段分步釺焊中的一種焊料時，另一種焊料的選擇幅度和焊接作業溫度的選擇範圍都很大。
在實施例27～29中，證實本發明的Ag焊料並不僅限於用於SUS，它能適用於更多的材料構件。即，直到實施例26中，作為被焊接物只選擇了未實施電鍍的SUS(不鏽鋼)作為示例，但在實施例27～29中，作為焊接物分別選擇了無鍍SUS和氧化鋁、無鍍SUS和Cu、Cu和Cu。任何一種情況都顯示出優良的剪切強度、擴展性和浸透性。雖然表中未示出，但在用鍍SUS時，呈現出更穩定的剪切強度、擴展性和浸透性。
特別是在焊接容易引起母材軟化的部件時的多段分步釺焊中，可有效地使用。
不論被焊接物的材質如何，本發明的Ag焊料可廣泛使用，即使在不鏽鋼等表面不實施鍍Ni，仍能獲得良好的釺焊效果。
本發明的Ag焊料不僅適用於大氣中的處理，也適用於在真空室內的焊接處理，而且不需要FLUX溶劑處理。
權利要求
1.一種焊接用Ag焊料，其特徵是由1.0～10.0重量％的錫(Sn)、2.5～10重量％的銅(Cu)、其餘部分為銀(Ag)所形成。
2.一種焊接用Ag焊料，其特徵是由1.0～10.0重量％的錫(Sn)、2.5～10重量％的銅(Cu)、6.0重量％以下的錳(Mn)，其餘部分為銀(Ag)所形成。
3.一種焊接用Ag焊料，其特徵是由1.0～10.0重量％的錫(Sn)、2.5～10重量％的銅(Cu)、2.5重量％以下的鎳(Ni)，其餘部分為銀(Ag)所形成。
4.根據權利要求2記載的焊接用Ag焊料，其特徵是還含有2.5重量％以下的鎳(Ni)。
5.根據權利要求2或4記載的焊接用Ag焊料，其特徵是上述錳(Mn)的一部分或全部用鈦(Ti)置換。
6.根據權利要求1-5中任一項記載的焊接用Ag焊料，其特徵是上述錫(Sn)的一部分或全部用銦(In)置換。
7.根據權利要求1-6中任一項記載的焊接用Ag焊料，其特徵是上述Ag焊料中的以銀(Ag)和銅(Cu)為主成分的基質以包圍著含有錫(Sn)的微小析出化合物形式存在。
8.根據權利要求1-6中任一項記載的焊接用Ag焊料，其特徵是上述Ag焊料的固相線溫度在800℃以上，液相線溫度在900℃以下。
9.一種多段分步釺焊方法，其特徵是包括以下步驟，即，製造由1.0～10.0重量％的錫(Sn)、2.5～10重量％的銅(Cu)、其餘部分為銀(Ag)所形成的、其固相線溫度在800℃以上的第1焊接用Ag焊料的步驟、使用上述第1焊接用Ag焊料對任意部件的第1部分進行釺焊的步驟、使用具有比上述第1焊接用Ag焊料的固相線溫度低的液相線溫度的第2焊接用焊料，對上述部件的第2部分進行釺焊的步驟。
10.一種多段分步釺焊方法，其特徵是包括以下步驟，即，製造由1.0～10.0重量％的錫(Sn)、2.5～10重量％的銅(Cu)、其餘部分為銀(Ag)所形成的、其液相線溫度在900℃以下的第1焊接用Ag焊料的步驟、使用具有比上述第1焊接用焊料的液相線溫度高的固相線溫度的第2焊接用焊料，對任意部件的第1部分進行釺焊的步驟、使用上述第1焊接用Ag焊接材料，對上述部件的第2部分進行釺焊的步驟。
11.根據權利要求9或10記載的多段分步釺焊方法，其特徵是上述第1焊接用Ag焊料的製造步驟中，使所得Ag焊料還含有6重量％以下的錳(Mn)。
12.根據權利要求9或10記載的多段分步釺焊方法，其特徵是上述第1焊接用Ag焊料的製造步驟中，使所得Ag焊料還含有2.5重量％以下的鎳(Ni)。
13.根據權利要求9或10記載的多段分步釺焊方法，其特徵是上述第1焊接用Ag焊料的製造步驟中，使所得Ag焊料還含有6重量％以下的錳(Mn)和2.5重量％以下的鎳(Ni)。
全文摘要
本發明提供了一種固相線溫度和液相線溫度在800～900℃範圍的Ag焊料。焊接用Ag焊料由1.0～10.0重量%的錫(Sn)、2.5～10重量%的銅(Cu)、其餘部分為Ag所形成。這種Ag焊料的固相線溫度在800℃以上,液相線溫度在900℃以下。根據需要,還可含有6.0重量%以下的錳(Mn)及/或0.1～2.5%的鎳(Ni)。
文檔編號B23K35/30GK1377753SQ0210626
公開日2002年11月6日 申請日期2002年3月7日 優先權日2001年3月26日
發明者奧富功, 海田博, 山本佳克, 草野貴史, 山本敦史, 長部清 申請人:株式會社東芝