專利名稱：具有優(yōu)越力學(xué)性質(zhì)的無(wú)鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于諸如印刷電路板，混合板等電子組件中布線的無(wú)鉛焊料。特別地，本發(fā)明涉及具有優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)的Sn-Zn-In-Bi的無(wú)鉛焊料。
已被最廣泛使用的傳統(tǒng)的焊料之一是Sn-Pb系列合金。這種焊接合金的各種力學(xué)和物理性質(zhì)是優(yōu)越的，因而廣泛用于諸如管道和熱交換器結(jié)構(gòu)以及一般的電子組件中。
然而，Sn-Pb合金包含不分解的金屬鉛，如果鉛一旦被人體攝取，它不能被排出而是在人體中聚集。例如，美國(guó)疾病預(yù)防中心報(bào)告，血液中的鉛濃度如果超過(guò)10μg/dl則將是致命的。特別，鉛的聚集引起兒童智力的減退，并且鉛的廢料污染土壤。
特別地，傳統(tǒng)的諸如50Sn-50Pb和70Sn-30Pb的焊料可用于較寬的溫度范圍，構(gòu)成強(qiáng)力機(jī)械連接部件，并用來(lái)焊接銅件。然而發(fā)現(xiàn)鉛溶解到水中對(duì)人體長(zhǎng)時(shí)期構(gòu)成有害影響。于是對(duì)于在焊接輸送飲用水的管道中使用鉛已開始作出規(guī)定。
作為出現(xiàn)了禁止用焊接鉛的規(guī)定的結(jié)果，近來(lái)開始研制無(wú)鉛焊料。例如，美國(guó)專利1,778,733提出由Sn-Ag(0.005-3％)-Cu(0.7-6％)組成的無(wú)鉛焊料。美國(guó)專利4,929,423提出由Sn-Bi(0.08-20％)-Ag(0.01-1.5％)-Cu(0.02-1.5％)-P(0.01％)-稀土元素的混合物組成的無(wú)鉛焊料。然而，這些無(wú)鉛焊料是用于焊接管道的，不僅其熔化點(diǎn)高，而且其熔化點(diǎn)范圍寬。因而不能用于焊接電子組件，其原因如下即，用于焊接電子組件的無(wú)鉛焊料必須具有適合于焊接溫度的獨(dú)特性質(zhì)。這就是，在用于焊接電子組件的無(wú)鉛焊料的情形下，熔化溫度和凝固溫度的范圍是重要的。
即，特別用于焊接電子組件所選的無(wú)鉛焊料應(yīng)具有低的熔化溫度，其低的程度應(yīng)使得不會(huì)損壞鄰近的溫度敏感的電子部件。而且，在焊接之后，它必須具有高的熔化溫度范圍，使得焊接結(jié)合處在使用中具有溫度穩(wěn)定性。
而且，無(wú)鉛焊料大部分具有經(jīng)過(guò)易熔反應(yīng)的組合體系。因而，如果焊料具有不同于相關(guān)易熔組成的特殊組成，則它穿過(guò)焊接后從熔化狀態(tài)開始凝固的液態(tài)線。從而液相和固相共存，并且然后到達(dá)固態(tài)線而完成凝固。這就是凝固溫度范圍。如果凝固溫度范圍大，則凝固時(shí)間長(zhǎng)，并可能出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。因而，如果凝固溫度范圍短，則特別在無(wú)鉛焊料中對(duì)于分步式焊接它將是有利的。
同時(shí)作為適用于焊接電子組件的無(wú)鉛焊料，最近已研制出Sn-Zn-In無(wú)鉛焊料。這些焊料的一個(gè)典型是美國(guó)專利5,242,658中所透露的。美國(guó)專利5,242,658的無(wú)鉛焊料的組成為72.28-89.4％的Sn，6.7-1 9.2％的Zn和2.7-19.4％的In。在該無(wú)鉛焊料中，是通過(guò)向傳統(tǒng)的Sn-Zn合金添加In降低熔化溫度的，并解決了Zn的氧化和抗蝕以及廢渣形成的問(wèn)題。而且提供了低熔化溫度以及窄的熔化溫度范圍。但是由于添加In的結(jié)果，在微觀結(jié)構(gòu)中形成了不規(guī)則的針狀枝晶，從而降低了機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)果減弱了最終的結(jié)合強(qiáng)度。
本發(fā)明旨在克服上述傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)。
于是本發(fā)明的目的是提供一種具有改進(jìn)的機(jī)械強(qiáng)度的無(wú)鉛焊料，其中向傳統(tǒng)的Sn-Zn-In無(wú)鉛焊料加入了適量的Bi，以便抑制針狀枝晶的形成從而具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，使得無(wú)鉛焊料具有適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟群湍虦囟鹊姆秶约案倪M(jìn)的機(jī)械強(qiáng)度。
為達(dá)到以上目的，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料按重量％的組成為4-9％的Zn，2-5％In，1-24％的Bi以及其余為Sn。
本發(fā)明的以上的目的和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)參照附圖對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的詳述將變得更為明顯，這些附圖是

圖1是表示傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料和根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料的力學(xué)性質(zhì)的示意圖；圖2是一曲線圖，表示傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料和根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料的應(yīng)力—應(yīng)變；以及圖3是一照片，表示傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料和根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料的微觀結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料中所含的Zn的量最好應(yīng)在易熔組成(Sn-9Zn)附近。如果Zn的含量過(guò)小或過(guò)大，則熔化溫度范圍變寬。因而，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料中Zn的含量最好應(yīng)限制在4-9重量％(以下稱為％)。
同時(shí)，組份In降低了熔化溫度并改進(jìn)了無(wú)鉛焊料的浸潤(rùn)性。如果In的含量小于2％，則它添加的作用變得不足，而如果其含量多于5％，則在室溫下沉積γ-Sn相。進(jìn)而γ-Sn相(六方晶體)被相移到β-Sn相(面心立方晶體)，其結(jié)果是焊接結(jié)合處的熱疲勞特性惡化。因而添加In的含量最好應(yīng)限制在2-5％。
與組份In組合添加的組份Bi降低了熔化溫度，更重要的是，由于In的添加所引起的針狀枝晶通過(guò)加Bi而被抑制。即使以少量的Bi即可抑制針狀枝晶。但是如果Bi的添加太大，則熔化溫度大大降低，可是熔化溫度的范圍變得太寬?？紤]到這一因素，Bi的含量最好應(yīng)當(dāng)限制在1-24％。
具有上述組成的本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可通過(guò)一般方法澆鑄制造，即秤重金屬原料，并在坩堝或熔鍋中在空氣中加熱并攪動(dòng)?？墒?，如果在空氣中熔化原料金屬，原料金屬及合金中的雜質(zhì)或非金屬物與空氣發(fā)生反應(yīng)，其結(jié)果是可溶性氣體、諸如可溶性氮或可溶性氧存留在焊接合金中。從而阻止了基材料上浸潤(rùn)性以致降低了可焊接性，或在被焊接的部件中形成孔隙。因而，可能在導(dǎo)熱性、熱疲勞性和產(chǎn)品的可靠性上會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因而，為了最大限度地減少在空氣中鑄造所形成的雜質(zhì)或非金屬物以及可溶性氣體，并為了改進(jìn)了可焊接性、熱疲勞性和產(chǎn)品的可靠性，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料最好是在真空中或是在惰性氣體中制造(熔化)。于是抑制了Bi和Zn的氧化，從而使廢渣的形成減少到最小。
按上述方式制造的本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可具有各種形狀，諸如鑄錠、矩形、圓形等。而且，它可制成各種大小。而且在粉末焊料的情形下，通過(guò)混合焊劑制成焊料糊的形狀。
這樣制成的本發(fā)明的無(wú)鉛焊料不僅具有適用于焊接電子部件的熔點(diǎn)，而且具有窄的凝固溫度范圍，因而適用于進(jìn)行分步式焊接。而且它具有優(yōu)于傳統(tǒng)的Sn-Zn或Sn-Zn-In焊料的改進(jìn)的機(jī)械強(qiáng)度。特別地，本發(fā)明的無(wú)鉛焊料當(dāng)其形成包含5-9％的Zn，2-5％的In，1-10％的Bi以及其余為Sn時(shí)，則成為合乎需要的。
現(xiàn)基于實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明，但是本發(fā)明的范圍將不限于這些特別的例子。<例子1>
諸如Sn，Zn，In與Bi金屬原料按以下表1中所示秤重，并通過(guò)在感應(yīng)爐中熔化它們?cè)诳諝庵需T造。
并且，為了比較之用，鑄造了包含Sn，Zn與In的傳統(tǒng)的焊料。
對(duì)于各鑄造合金，測(cè)量其在凝固過(guò)程中的液態(tài)線溫度與固態(tài)線溫度，測(cè)量結(jié)果示于以下表1。<表1>
重量百分比％實(shí)例 Sn Zn In Bi 固態(tài)線溫 液態(tài)線溫 凝固溫度范度(℃) 度(℃) 圍度(℃)發(fā)明例1 85 924 188 193 5發(fā)明例2 80 929 175 190 15發(fā)明例3 75 9214 165 185 20發(fā)明例4 65 9224 140 167 27發(fā)明例5 85 951 188 191 3發(fā)明例6 80 956 175 184 9發(fā)明例7 76 9510 172 182 10發(fā)明例8 70 9516 153 170 17發(fā)明例9 87 724 187 194 7發(fā)明例10 89 524 186 193 7發(fā)明例11 79 4512 165 --傳統(tǒng)例1 86 95- 188 192 4傳統(tǒng)例2 81 910 - 178 --
如以上表1中所示，在本發(fā)明的例子1-11的情形下，看到凝固溫度范圍與傳統(tǒng)的Sn-Zn-In無(wú)鉛焊料的溫度范圍相等，同時(shí)熔點(diǎn)是低的。這表示根據(jù)本發(fā)明的Sn-Zn-In-Bi的無(wú)鉛焊料具有象傳統(tǒng)無(wú)鉛焊料那樣適用于焊接電子組件的可焊接性。<例子2>
為了比較地看出傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料與本發(fā)明的無(wú)鉛焊料的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于傳統(tǒng)的Sn-40Pb與Sn-8Zn-5In焊料，以及對(duì)于本發(fā)明例子1與5測(cè)量了力學(xué)性質(zhì)。該測(cè)量結(jié)果示于圖1中。
如圖1中所示，在本發(fā)明例子1與5的情形下，與傳統(tǒng)焊料相比其張力強(qiáng)度是特別優(yōu)越的。
進(jìn)而，對(duì)于傳統(tǒng)的Sn-9Pb與Sn-8Zn-5In焊料以及本發(fā)明例子1與5，測(cè)量其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，測(cè)量結(jié)果示于圖2中。
如圖2所示，同傳統(tǒng)的Sn-9Pb與Sn-8Zn-5In焊料相比在本發(fā)明的例子1與5中引起應(yīng)變需要大的應(yīng)力。
考慮上述力學(xué)性質(zhì)，顯然同傳統(tǒng)的Sn-Pb，Sn-Zn或Sn-Zn-In焊料相比，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料在其最終連接強(qiáng)度上是優(yōu)越的。
為了通過(guò)觀察微觀結(jié)構(gòu)確認(rèn)這一事實(shí)，拍攝了示于圖3的傳統(tǒng)的Sn-8Zn-5In焊料與本發(fā)明材料1的微觀結(jié)構(gòu)的照片。
如圖3所示，在傳統(tǒng)的Sn-8Zn-5In焊料中(圖3，(A))觀察到針狀枝晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)在本發(fā)明的材料1(圖3，(B))中無(wú)規(guī)則的針狀枝晶結(jié)構(gòu)通過(guò)添加Bi受到抑制。看到微觀結(jié)構(gòu)中的這一差別，顯然本發(fā)明的無(wú)鉛焊料在其力學(xué)性質(zhì)上是優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料不僅在其可焊接性上與傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料幾乎相等，而且其機(jī)械性質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料。因而，如果它用于電子組件的接線，最終的連接強(qiáng)度變得較高。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)的無(wú)鉛焊料，它包括按重量％的組成含有4-9％的Zn、2-5％的In、1-24％的Bi以及其余為Sn。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊料，其中按重量％的組成包含5-9％的Zn、2-5％的In、1-10％的Bi以及其余為Sn。
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊料，其中按重量％的組成包含7-9％的Zn、2-3％的In、4-9％的Bi以及其余為Sn。
4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊料，其中按重量％的組成包含8-9％的Zn、4-5％的In、6-10％的Bi以及其余為Sn。
5.一種具有優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)的無(wú)鉛焊料，其特征為該材料具有固態(tài)線溫度140-193℃以及液態(tài)線溫度167-196℃；并且該材料由Zn，In，Bi與Sn組成。
全文摘要
本發(fā)明透露了一種具有優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)的無(wú)鉛焊料。該無(wú)鉛焊料的組成按重量％的含有4-9％的Zn、2-5％的In、1-24％的Bi以及其余為Sn。
文檔編號(hào)C22C13/02GK1139607SQ9511928
公開日1997年1月8日 申請(qǐng)日期1995年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者劉忠植, 金美延, 尹德龍, 李爀模 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社