專利名稱：適于元件組裝和返修用的摻銅低熔點焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于印制電路板低溫焊接和返修的焊料配方。
更確切地說，本發(fā)明涉及一種由錫組成的低溫焊料的配方，在這種焊料中摻有銅，其摻雜量級低于錫銅共晶點。使用焊料噴管及其它常規(guī)的焊接技術(shù)便可將這種新型焊料涂敷在待焊接的材料上。由于其熔點低于其它含銅焊料，因此這種新型焊料可用于對那些不適合用迄今為止已有的含銅焊料焊接的材料進行非破壞性的焊接。
進一步說，本發(fā)明涉及一種摻銅的低溫焊料的配方，這種焊料適用于印制電路板上的元件裝配和返修。
本領(lǐng)域所報道的焊料配方的范圍很寬。通過精心選擇配料的成分和比例，已經(jīng)發(fā)明了多種用于特殊應用的焊料。例如，用于濕潤并焊接碳和半導體的焊料(1985年4月23日發(fā)表的Hosoda等的專利US4，512，950和1983年8月2日發(fā)表的Intrater的專利US4，396，677)，用于防止氧化物生成的焊料(1987年3月31日發(fā)表的Bose的專利US4，654，275)，用于增加抗拉強度的焊料(1986年5月13日發(fā)表的Kujas的專利US4，588，657)，用于軟焊接鋁的焊料(1978年1月24日發(fā)表的Arbib等的專利US4，070，192)，用于半導體與金屬的焊接的焊料(1982年11月2日發(fā)表的Guan的專利US4，357，162)，用振動法焊接氧化物表面的焊料(1978年8月15日發(fā)表的Nomaki等的專利US4，106，930)，用于無鉛飲用水接縫的封焊的焊料(1987年9月22日發(fā)表的Ballentine等的專利US4，695，428)，以及用于改善珠寶首飾的抗銹蝕性的焊料(1972年3月21日發(fā)表的Monace的專利US3，650，735)。
然而，本發(fā)明要解決的問題是完全不同的，即，怎樣對印制電路中的連接通孔進行焊接和返修才能防止連接通孔孔壁上所鍍的銅溶入焊料中。返修將使焊料在焊接點重新流動。本發(fā)明的目的在于提供一種新型焊料配方，它可以減緩通孔或盲孔內(nèi)和周圍的鍍銅層的溶解，并且可在低于現(xiàn)有含銅焊料的熔點下進行操作，從而允許對印制電路板的通孔內(nèi)和周圍的不合格焊接點進行裝配和多次返修，同時還可以避免與高溫返修相關(guān)的其它一些問題，例如多層印制板的層間剝離，局部機械變形，焊接接點的退化以及超過被安裝器件的極限溫度。
在1954年3月9日發(fā)表的Laubmeyer等的美國專利2，671，844中曾經(jīng)指出在錫鉛焊料中加入一定量的銅可以減緩銅制電烙鐵頭的損耗，這種損耗是由于銅漸漸溶進焊料引起的。在焊料中加入3%的銅可使銅烙鐵頭的溶解速率減小25%，而5%的銅可使溶解速率減至焊料中不加銅時的10%。該文并未論及焊料中加銅對焊接溫度的影響，而且隨著惰性烙鐵頭和非接觸式焊接方法的出現(xiàn)，這一技述變得過時了。上述專利認為必須形成合金(焊料)形式的錫銅共晶體，該共晶體由99%錫和1%銅組成(見第2欄30～37行)。它還認為，不管焊料中銅的摻雜量是多少，它應至少能形成錫銅二元共晶點。因此，在50比50的鉛錫焊料中應加入的銅量為焊料總重量的0.5%。
在1986年11月11日發(fā)表的Fouts等的專利US4，622，205中談到在Pb/Sn焊料中加入一定量的銅可以當工作溫度范圍為50℃～90℃時，減小電流流動期間焊點和銅導線之間的電遷移(electromigration)，從而可延長銅導線的壽命。就電遷移而言，問題的根源在于焊料中Cu3Sn和痕量Cu6Sn5的金屬互化微粒的非均勻分布。解決該問題的辦法是在焊料中加入一種與錫形成金屬互化合金的元素(例如銅)，其數(shù)量至少約為焊料的0.5%至10%，最好是3.5%重量比的銅，以便延緩晶界擴散，從而減少電遷移和熱遷移的趨勢。
至少從1964年McGraw-HillBook公司的H.H.Menko的《焊料與焊接》第65～66頁發(fā)表以來，市場上就可以買到含銅焊料了。但是這篇文章并未給出可供批量生產(chǎn)含銅焊料的具體配方，而只是說含銅量是“高”的。
由紐約MulticoreofWestbury公司提供的一種稱為Sevbit1合金的商品化產(chǎn)品已用于延長靜態(tài)手工焊接用銅烙鐵焊頭的壽命。這種產(chǎn)品含有大約1.5%至2.0%重量百分比的銅?？墒窃摦a(chǎn)品的說明資料推薦的最小焊頭溫度為272～294℃，超過了在印制電路板上進行非破壞性裝配和返修所需的溫度范圍。
在焊料中加銅還可能引起的其它問題包括凝固時間的增加，短路橋的形成、冷焊點(coldsolderjeints)、不規(guī)則結(jié)節(jié)及各種其它的疵點。
本發(fā)明的目的是在不降低焊料機械性能和可焊性的條件下，對銅表面進行焊接和返修。
本發(fā)明的另一目的是在足夠低的溫度下對銅表面進行焊接和返修，以避免降低與銅表面相連接的器件的機械性能。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種適合于在較低焊接溫度下對銅表面進行焊接的含銅焊料。
本發(fā)明的進一步目的是在鍍銅通孔內(nèi)進行焊接和返修時阻止銅溶入焊料。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種適于對銅表面進行焊接和返修的含銅焊料。
與本領(lǐng)域一般認識相反，本發(fā)明者意外地發(fā)現(xiàn)在錫焊料中摻入含量低于錫銅二元共晶點的非零級銅將大大減少裝配及返修過程中通孔孔壁的銅溶入摻銅焊料的量，而且不會降低焊料的可焊性或增高焊接溫度。與本領(lǐng)域中的一般認識相反，本發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)，含銅錫焊料還具有這樣的效果，即，可使焊接溫度低到足以避免在多層印制電路板裝配中的層剝離及其它由于高溫引起的損傷，并且可提供良好的疲勞特性。按照美國金屬學會在《金相、結(jié)構(gòu)和相位圖》第299頁的定義，低于錫-銅二元共晶點是指按重量百分比為99.1%的錫和1.9%的銅直到100%的錫。
以下對附圖作簡單說明。


圖1為鍍銅通孔沿長度方向的孔的一角的剖面圖。該通孔的一頭已用標稱值為54錫/26鉛/20銦的低溶點焊料加以焊接但未作過返修。在焊接領(lǐng)域內(nèi)，標稱值是最佳的實際規(guī)定值。存在著一個與標稱值有關(guān)的容許范圍。例如，標稱值為54錫/26鉛/20銦(重量百分比)，實際容許偏差范圍為正、負2%。圖的放大倍率為800X。
圖2為經(jīng)過4次返修的鍍銅通孔一角的剖面圖。所用焊料為在圖1中所用焊料中摻入重量比0.14%銅的摻銅低熔點焊料。放大倍率為800X。
圖3為經(jīng)過4次返修后的鍍銅通孔一角的剖面圖。所用焊料為圖1中所用焊料，未摻銅，其中銅含量小于0.01%重量百分比。
圖4示出幾種焊料按重量百分比標示的配方表。對這些焊料進行了測試以便搜集有關(guān)可焊性、銅溶解及疲勞強度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在后面的附圖中列出。
圖5表示圖4表中列出的幾種焊料承受標準可焊性測試時的性能變化數(shù)據(jù)。
圖6示出可焊性評價標準，圖5表中的可焊性評價就是按照這一標準得出的。
圖7為圖4中各焊料對銅的溶解量，條件為在250℃下試驗最長達75秒。
圖8示出圖4所列各種焊料在疲勞試驗中在焊接點失效前能經(jīng)受的周期數(shù)。
圖9表示鍍銅通孔壁上的銅在標稱配方為54錫/26鉛/20銦的摻銅三元焊料中的溶解量，測試條件為在204℃下試驗長達200秒。
以下對本發(fā)明的實施例作簡單說明。
在印制電路板上采用噴焊處理來裝配、再裝配或返修元件通常是通過一個吸筒抽吸和注入液化的焊料來進行的。這種方法借助于印制板上的通孔使元件或連接件焊接在印制電路板上。除此之外也可以采用波焊技術(shù)或焊接筆。
印制電路板上的通孔孔壁通常鍍一層銅，用來實現(xiàn)至少兩級電路之間的電連接。元件的管腳插入并焊接在通孔中從而被安裝在印制電路板上。有時由于元件管腳和孔的安裝位置未對準或取向錯誤，或者由于元件失效，就必須將元件拆下重新對準管腳或重新進行裝配。這一過程稱之為返修。顯然每次返修，電路板上的返修點便被局部加熱。焊料的配方是焊料液化、實施返修所需溫度的決定因素。實施返修所需的溫塑通常比焊料液化溫度高約50℃。焊料的流動速率應保持為最小程度以使焊料得以保留在一個滿足要求的范圍內(nèi)而不致到處亂流。焊接時間也應該維持在最短的時間內(nèi)。這種使焊接溫度、焊接時間、流動速率最小化的措施有助于把導電通孔孔壁上的銅溶進焊料的現(xiàn)象減至最低。
已往采用的一種焊料是高熔點共晶體，其配方重量百分比為63%錫、37%鉛，它在183℃下液化?？墒怯捎谟≈齐娐钒迳显芏鹊脑黾樱≈齐娐钒宄惺芊敌薜拇螖?shù)也必然會更多。多次承受高溫焊接將導致疊層板樹脂層結(jié)構(gòu)受損，而且可能使返修元件所在的局部區(qū)域產(chǎn)生層剝離或變形。還有，由于多次承受高溫焊接(約183℃+50℃)，大量的銅從通孔的孔壁溶化，結(jié)果在焊料中形成Cu3Sn和Cu6Sn5正交晶系金屬互化物。
元件密度的增加還必然會增加電路板上的熱載荷或熱滲透。器件散熱能力的增加以及其它一些發(fā)展都意味著對印制電路板器件進行返修將需要更長的焊接時間，因而導致導電通孔壁上的銅溶進焊料，這就得出了本發(fā)明的必要性。
我們發(fā)現(xiàn)由鉛和錫，在一定的標稱范圍內(nèi)還可以加上銦，所組成的摻銅焊料可以在電路板上對已焊接通孔或盲孔實施裝配及多次非破壞性低溫返修。按下列范圍配方的焊料可有效地實現(xiàn)這一目的。所謂痕量指的是約0.02%的重量百分比、即使未加入也可能存在的量或者說是最小誤差范圍內(nèi)的量。痕量事實上是無關(guān)緊要的。
錫按重量比為53～55%鉛按重量比為25～27%銦按重量比為18～22%銅按重量比為痕量～0.50%在特殊情況下可選擇低于錫銅二元共晶點的量。
特別是，下列標稱配方同樣是有效的。
錫按重量比為54%鉛按重量比為26%銦按重量比為20%銅高于痕量、低于錫銅二元共晶點的量。
此外，如下標稱的配方同樣是有效的。
錫按重量比為63%鉛按重量比為37%銅高于痕量、低于錫銅二元共晶點的量。
此外，如下配方同樣是有效的。
錫按重量比為99%銅高于痕量、低于重量比1.0%之間，在特殊情況下可選為低于錫銅二元共晶點的量。
此外，下列配方同樣是有效的。
錫按重量比為50%鉛按重量比為50%銅在痕量和重量比0.5%之間，
在特殊情況下可選擇低于錫銅二元共晶點的量。
圖1為用標稱配方為54錫/26鉛/20銦的低熔點焊料焊接但未經(jīng)返修的鍍銅通孔一角的剖面圖。放大倍率為800倍。
圖2為焊料配方基本上與圖1相同但摻入重量比0.14%的銅、經(jīng)過4次返修后的鍍銅通孔一角的剖面圖。放大倍率為800倍。
圖3為焊料配方與圖1的焊料相同、經(jīng)4次返修后的鍍銅通孔一角的剖面圖。
圖中黑色區(qū)域是電路板的絕緣介質(zhì)材料。層狀的中間區(qū)是鍍銅層?；疑珔^(qū)為焊料。圖1中通孔已焊接但未經(jīng)返修。比較起來圖3中通孔經(jīng)過4次返修后，鍍銅層已不再保持電學連續(xù)。圖2中的通孔與圖3一樣經(jīng)過了4次返修，不同的是圖2所用焊料是摻銅的，而且鍍銅層仍然保持著電學連續(xù)。
上面這些圖所說明的結(jié)果代表了對約8，500個通孔進行焊接、返修和測試所得的結(jié)果。
用已往的未摻雜鉛錫焊料進行4次返修后的鍍銅通孔其孔壁上大體上已沒有殘留的銅了。
圖4的表給出幾種焊料的重量百分比配方。對這幾種焊料進行了測試，匯集出有關(guān)可焊性、銅溶解及疲勞強度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)并示于隨后的附圖中。這些焊料的錫與鉛的重量百分比標稱值為63/37，摻雜銅的重量百分比在0.13～1.52的范圍內(nèi)。
圖5為圖4中所列配方的焊料按圖6說明的方法進行標準焊料球涂敷試驗時的性能數(shù)據(jù)。
摻銅二元焊料在可焊性或沾潤性方面得到的評價范圍從良好到極優(yōu)。在這幾種配方的焊料中可以發(fā)現(xiàn)，在較低的摻銅濃度下具有最好的沾潤性，而在較高的摻銅濃度下沾潤性只是良好或非常好。總起來說測試的所有配方都是可接受的?？梢灶A測當摻銅百分比高于1.52時沾潤性將進一步下降，而高于錫銅二元共晶點時將逐漸變差。此外可以預測當摻銅量高于錫銅二元共晶點時焊料的“砂性”將增加。1975年2月號的《MetalsTechnology》雜志的73～85頁上由Aokroyd等在題為“WettingPropertiesofTin-LeadSolders”(錫鉛焊料的沾潤性能)一文中進一步指出了各種包括銅在內(nèi)的有害雜質(zhì)對錫鉛焊料的沾潤性的負作用。
圖7表示將銅置于圖4所列幾種焊料中經(jīng)過各種不同時間(最長75秒)時，以微時為單位溶解在各種配方的焊料中的銅量。數(shù)據(jù)是按如下方法獲取的。將銅電鍍在一塊10″×15″的薄片上，鍍層厚度為0.8密耳，以此作為測試載體。進而將該測試載體切割成1″×1/2″的試樣。用X射線熒光作初始非破壞性測量。鍍銅層的厚度在SFT/157X熒光射線測厚儀(SFT備有)上進行測量的。測量精度為±1微吋，樣本變化為±150微吋。在測量過程中焊料溫度保持為250℃。試樣借助于Meniscograph沾潤平衡儀(WettingBalance)浸入靜止的液態(tài)焊料中，浸入深度為10毫米，浸入時間為15、30、45、60、75秒。最后測量通過金相橫截面讀出。從初始測量值減去最后測量值便可以確定銅的溶解量。把這些值對各時間區(qū)間求平均值并繪出溶解銅與時間關(guān)系的曲線。從圖7的數(shù)據(jù)可以看出，在測試的幾種焊料中，摻銅的重量百分比越大則從通孔壁上溶解的銅就越少。根據(jù)這些結(jié)果可以預料，如果焊料中的銅含量高于錫銅二元共晶點，將只有極少的銅溶入焊料。因此，從銅溶解的觀點看隨著焊料中的含銅量高于二元錫銅共晶點，將幾乎沒有銅溶入焊料，但既使在銅溶解率上會有改善，然而卻需要一個較高的也許是破壞性的焊接溫度。
圖8示出圖4所列各配方的焊料的疲勞試驗結(jié)果。按照美國金屬學會編篡的金屬手冊，臺式版第28～34頁定義的ASTM＃466軸向疲勞試驗所敘述的測試技術(shù)準備試驗樣本并獲取數(shù)據(jù)。失效周期數(shù)(numberofcyclestofailure)是按下列方法來確定的。把銅導線焊在疲勞試棒的任一端，該疲勞棒中央部分的直徑比兩端的直徑要細。然后將試棒裝進按照ASTM過程工作的頻率及振幅可變的“疲勞機”中。一個曲線記錄儀記下了整個時間內(nèi)的電阻曲線，從而獲得室溫下焊料的疲勞周期。電阻增加10%，對應著焊料的80%到90%的斷裂，這時便認為焊料失效了。一般來說，如圖所示含銅量較少即重量百分比在0.13～0.47的焊料，在失效前能經(jīng)受最大的周期數(shù)，而含銅量較高為0.82～1.52的焊料能經(jīng)受的周期數(shù)大約要少1/3。因此可以測知含銅量高于錫銅二元共晶點的焊料配方疲勞特性較差。
圖9表示銅容解量(以密耳為單位)與焊料含銅量(%)的關(guān)系，即將通孔暴露于摻銅量低于錫銅二元共晶點、重量百分比在0.1～0.2之間的三元混合焊料中，孔壁上的銅溶解的厚度。該三元焊料的標稱配方按重量百分比為54錫/26鉛/20銦，再加上摻雜的銅。為了對比起見，圖中還示出了銅在不摻雜的純焊料中的溶解量。數(shù)據(jù)是用下列方法得到的通過金相橫截面對未經(jīng)加工的電路板進行零時刻的控制測量。為了表示最壞情況的產(chǎn)品零件測試，準備了四種工藝制造的電路板和八種不同的元件。對于每種電路板制造工藝來說每個元件在焊接噴咀上進行的返修次數(shù)是各電路板所需的最大次數(shù)。每個元件與焊料的接觸時間保持相同而不同種類元件的焊料接觸時間稍有不同，總接觸時間最大約為200秒。最終測量(在最大次數(shù)的返修后)是在裝配部位和緊挨裝配部位的相鄰鍍金屬通孔內(nèi)通過金相橫截面來進行的。對各裝配部位的數(shù)據(jù)點取平均值。再按各模件類型對所有裝配部位的平均數(shù)據(jù)取平均值。從平均初始測量值減去平均最終測量值便可確定溶解銅的平均量。對每種摻銅焊料求全部元件的平均值并繪出溶解銅與焊料含銅量的關(guān)系圖。在零時刻、用純焊料作四次返修后以及用摻0.14%銅的焊料作四次返修這三種情況下的顯微照相證明了含銅焊料的優(yōu)越性。圖9表明在三元焊料和上面討論過的二元焊料中隨著摻雜銅量的增加，銅的溶解量戲劇性地下降并且當摻雜銅增多時將繼續(xù)下降直至可檢測到的最小極限值。
總之，實驗表明，基于下述理由低于錫銅二元共晶點的焊料配方用于銅和鍍銅材料的焊接和返修是合乎要求的(a)這種焊料配方可以在比熔點高于錫銅二元共晶點的焊料所需的焊接溫度低的焊接溫度下進行裝配和返修。
(b)這種焊料配方顯示出的疲勞強度比熔點高于錫銅二元共晶點的焊料要好。
(c)這種焊料配方和含銅量高于含銅量為錫銅二元共晶點的焊料相比，銅從工件上溶解的速率較低。
(d)這種焊料配方比熔點高于錫銅二元共晶點的焊料配方顯示出更好的可焊性。
對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，下述結(jié)論是顯而易見的。即本發(fā)明的焊接配方對于鍍銅電路板的焊接和返修是有效的，不僅如此它同樣也適用于焊接任何由銅構(gòu)成的材料以及那些希望或必須在低溫下進行的材料焊接。
權(quán)利要求
1.一種由錫和銅組成的低熔點焊料配方，其特征為其含銅量高于痕量，且選擇其使所形成的焊料的熔點低于共晶體的熔點。
2.如權(quán)利要求1所述的焊料配方，還包含有鉛，其特征為含銅量高于痕量，且選擇其使所形成的焊料配方的熔點低于錫銅二元共晶點。
3.如權(quán)利要求2所述的焊料配方，進一步含有銦，其特征為含銅量高于痕量，且選擇其使所形成的焊料配方的熔點低于錫銅二元共晶點。
4.如權(quán)利要求3所述焊料配方，其特征為各金屬成份的重量百分比分別在下述范圍之內(nèi)，錫 約53～55鉛 約25～27銦 約18～22銅 高于痕量，且選擇其使所形成焊料配方的熔點低于錫銅二元共晶點。
5.如權(quán)利要求4所述焊料配方，其特征為該焊料由約54%錫/26%鉛/20%銦構(gòu)成，並摻雜有約0.12～0.2%的銅。
6.如權(quán)利要求2所述焊料配方，其特征為錫和鉛按重量百分比的標稱成分為63錫/37鉛，且銅的摻雜量高于痕量，且選擇其使所形成的焊料配方的熔點低于錫銅二元共晶點。
7.如權(quán)利要求2所述焊料配方，其特征為錫和鉛，按重量百分比的標稱成分為50/50，銅的摻雜量高于痕量，且選擇其使所形成的焊料配方的熔點低于錫銅二元共晶點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于在銅表面上進行焊接和返修的低熔點含銅焊料。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了抑制被焊接的銅表面的溶解，焊料中所需的含銅量為摻雜水平，其熔點低于錫銅二元共晶點。
文檔編號C22C13/00GK1047639SQ90102758
公開日1990年12月12日 申請日期1990年5月14日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月31日
發(fā)明者丹尼爾·斯科特·尼德里奇 申請人:國際商業(yè)機器公司