專利名稱：無鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括錫、鉍和銀的無鉛焊料組合物。這些組合物是特別適用于將電氣元件/電子學(xué)元件焊接在印刷電路板上的無鉛焊料組合物。
目前，用于電子學(xué)工業(yè)的典型焊料包括錫-鉛合金。對鉛的使用日益關(guān)注，意味著電子學(xué)工業(yè)已著手研究無鉛合金。W B Hampshire發(fā)表在焊接和表面貼裝技術(shù)(Soldering and Surface MountTechnology)1993年6月14期上的一篇題為”無鉛焊料的研究(Thesearch for lead-free solders)”的論文列出了一些涉及無鉛焊料的專利。該表如下所示一些無鉛焊料的專利專利號(hào) 年代公司 AgCu Sb Zn Bi 其他US 4,879,096 1989Oatey 0.05-3.0 0.5-6.00.1-3.0Eur 0,336,5751989Cookson 0.01-1.5 0.02-1.5 0.08-200-0.1 P+0-0.2 ReUS 4,806,309 1989Willard Indus 0.1-0.53.0-5.01.0-4.5US 4,758,407 1988J W Harris 0-5.0 3.0-5.0 0.1-2.0 Ni0-0.5 3.0-5.0 4.0-6.0 0-2.0 NiUS 4,695,428 1987J W Harris 0.1-3.00.1-3.0 0.5-4.00.5-4.0Eur 0,251,6111988Engelhard 0.05-3.0 0.7-6.0US 4,670,217 1987J W Harris 0.5-2.00.5-4.00.5-4.0UK 2,158,459A1985IMI Yorkshire 0.3-0.7Jap 82 30598 1982Aoki Metal 0.1-2.00.05-0.5 0.5-1.0 InUS 1,437,641 19220.5-4.50.5-4.50.5-9.5根據(jù)上文中所述，上述專利幾乎僅開發(fā)管道工程方面的應(yīng)用，與電子學(xué)方面的應(yīng)用相比其所允許的溫度較高。這樣較高的溫度易于損害電氣元件，特別是沒有散熱保護(hù)的半導(dǎo)體器件。此外，在構(gòu)成管道接頭時(shí)通常優(yōu)選具有某一膏狀范圍的合金，而電子學(xué)焊料具有更窄的膏狀范圍。因此，這些作者認(rèn)為，上述焊料中的任一種能否在電子學(xué)工業(yè)中成功地代用是值得懷疑的。該論文著眼于各種錫-x合金的共晶，而不再考慮錫-鉍合金。
已允準(zhǔn)了一些有關(guān)無鉛焊料的其他專利。例如，美國專利5,368,814公開了一種多組分的焊料合金，該合金含有至少約50％(重量)Bi、至多約50％(重量)Sn(以Sn和Bi的總量為基準(zhǔn))以及有效量的增強(qiáng)物理和機(jī)械性能的第三種組分。該第三種組分可以是Cu、In、Ag以及Cu和Ag的組合物。
美國專利5,320,272公開了一種具有接合搭接面的焊接頭的電子學(xué)儀器組件，該焊接頭由包括第三種金屬的錫-鉍合金組成。這些實(shí)例表明這些錫-鉍合金含有作為第三種金屬的金。據(jù)稱，該合金優(yōu)選含有約48-68％(重量)的鉍。據(jù)說，含有低于30％(重量)或大于70％(重量)鉍的錫合金要求較高的回流溫度，這往往會(huì)損害通常存在于微電子學(xué)組件中的其他接合組分。該專利公開了將第三種金屬涂覆在搭接面上，然后，將錫-鉍焊膏淀積在該薄膜上。
美國專利4,879,096公開了一種無鉛和無銻的焊料組合物，該組合物包括約0.05％至約3.0％(重量)銀、約0.5％至約6.0％(重量)銅、約0.1％至3.0％(重量)鉍以及約88％至約99.35％(重量)錫。據(jù)稱，該專利的組合物特別適用于焊接銅管、黃銅管和管道工程中所用的配件。美國專利4,929,423還公開了一種用于焊接和密封的無鉛合金，該合金用作管道工程的焊料，該焊料包括0.08％至20.0％(重量)鉍、0.02％至1.5％(重量)銅、0.01％至1.5％(重量)銀、0至0.10％(重量)磷、0至0.20％(重量)稀土混合物、其余為錫、以及附帶的雜質(zhì)。這種合金具有與常規(guī)的錫-鉛管道工程焊料類似的膏狀范圍。
鑒于例如環(huán)境和衛(wèi)生上的原因，在電子學(xué)方面的應(yīng)用中使用無鉛焊料將是有利的。如果這種焊料能夠與現(xiàn)有的用于Pb/Sn合金的機(jī)械一起使用，就更有優(yōu)越性。
本發(fā)明人現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)一種新的焊料組合物，該組合物可在電子學(xué)方面的應(yīng)用中使用。根據(jù)本發(fā)明，有一種焊料組合物，該組合物包括15.0-30.0％鉍、1.0-3.0％銀和任選包括0-2.0％銅和0-4.0％銻以及附帶的雜質(zhì)，其余為錫。
本說明書中所用的術(shù)語“包括”可解釋為是用來詳細(xì)說明存在著所涉及的指定特征、整數(shù)、步驟或組分，但是，不排除存在或增加一種或多種其他的特征、整數(shù)、步驟、組分或其組合。
本發(fā)明的組合物可以包括少量，通常小于約4.0％，用以增強(qiáng)機(jī)械性能的其他合金添加劑。這類任選的添加劑可以包括例如銅、銻和/或鎵。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的焊料包括0-2％銅和/或0-4％銻。除任何以雜質(zhì)形式存在的鉛以外，優(yōu)選本發(fā)明的焊料是無鉛的。市場上買到的鉍可能含有微量的鉛，因?yàn)橐寻l(fā)現(xiàn)，在自然界中鉍與鉛結(jié)合在一起。不過，鉛的含量通常很低，約為幾個(gè)ppm。
本發(fā)明的焊料可以形成為混合物或合金的形式。當(dāng)以混合物形式使用時(shí)，可以將它們以膏狀形式通過人工或自動(dòng)配料器，采用類似絲絹網(wǎng)的模板或通過直接成像法，涂覆在例如印刷電路板的表面貼裝板(surface mount)上。本發(fā)明的組合物也可以形成為合金的形式。
焊接是低溫的、通常是可逆的冶金接合方法。在電子學(xué)方面的應(yīng)用中，由于所涉及的材料以及再加工和更換有缺陷部件的必要性，低溫和可逆性是特別重要的。用于電子學(xué)儀器生產(chǎn)的焊料組合物，作為焊料合金必須是可潤濕的，且在焊接點(diǎn)或焊接區(qū)冶金(pad or landmetallurgy)的情況下，具有至少一種能夠形成導(dǎo)電性的、熱穩(wěn)定的、非脆性的、塑性金屬互化物的組分。鑒于上述原因，最常用的焊料合金已經(jīng)是鉛基合金，例如Sn-Pb合金。
雖然已提出了一些其他應(yīng)用例如管道工程方面應(yīng)用的替換物，然而，Pb/Sn焊料仍然最常用于電子學(xué)方面的應(yīng)用。Pb/Sn合金具有低的固相線溫度，它們是易加工的且所產(chǎn)生的Cu/Sn金屬互化物(在焊料/Cu接觸界面處形成的)在很寬的溫度范圍形成，從Pb/Sn合金到Cu焊接區(qū)或焊接點(diǎn)可以獲得Cu/Sn金屬互化物的良好粘附力，該方法的設(shè)備容易得到，且一些Pb/Sn合金的添加劑例如樹脂、助熔劑和焊料混合物是廉價(jià)的。鑒于鉛基焊料的“柔軟性”或塑性，加工Pb/Sn焊料合金所要求的較低溫度是特別重要的。
本發(fā)明的焊料具有許多上述的特性，因而，使其適合于在電子學(xué)方面的應(yīng)用中代替Pb/Sn焊料。本發(fā)明焊料的特殊優(yōu)越性在于，它可以用作現(xiàn)有Pb/Sn焊料的“隨意(drop in)”代用品。其他已建議在電子學(xué)方面應(yīng)用的無鉛焊料的缺點(diǎn)在于，現(xiàn)有的用于Pb/Sn焊料的機(jī)械不能與無鉛代用品一起使用。本發(fā)明的組合物可以用作Pb/Sn合金的直接代用品，因此，可節(jié)省更換設(shè)備的費(fèi)用。
早先提出的大多數(shù)無鉛焊料在其熔點(diǎn)、膏狀范圍、表面張力和潤濕能力方面并不具有常規(guī)Pb/Sn焊料那樣的特性。本發(fā)明的合金在焊接的性能上接近常規(guī)的鉛焊料。
本發(fā)明的焊料組合物設(shè)計(jì)成具有良好的潤濕和表面張力特性以提供電子學(xué)工業(yè)所要求的可靠焊接。
已建議將無鉛的錫合金代替目前使用的錫-鉛涂料電鍍到電子學(xué)元件上。本發(fā)明的焊料特別適合于與這種無鉛的錫合金一起使用。
焊料必須符合多方面的技術(shù)要求，因此，能夠?qū)⒑辖鸶淖兪蛊錆M足所要求的規(guī)格是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這些技術(shù)要求通常涉及下列各項(xiàng)中的一些·熔點(diǎn)和范圍；·抗蠕變性；·熱循環(huán)性能；·張力試驗(yàn)；以及·電性質(zhì)上述各項(xiàng)中的個(gè)別數(shù)值可隨國家和公司的不同而改變。通過改變該組合物的組分可以使本發(fā)明的焊料符合上述技術(shù)要求。
例如，本發(fā)明焊料組合物的熔點(diǎn)可以通過改變該組合物的組分調(diào)整。該熔點(diǎn)可以在最低約155℃和最高約230℃之間調(diào)整。增加組合物中鉍的比例可降低熔點(diǎn)。組合物中銀的存在可使該組合物的潤濕性、表面張力、芯吸作用和流動(dòng)性能改善。增加組合物中銀的比例可使熔點(diǎn)范圍變窄。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的焊料還包括0-2.0％銅。將至多2.0％的銅添加到本發(fā)明的焊料中，可減少在焊料和銅襯底之間生成銅錫金屬互化物層。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的焊料還包括0-4.0％銻。添加至多4.0％的銻，可改善該焊料的高溫性能。
能調(diào)整本發(fā)明焊料的熔點(diǎn)對許多方面的應(yīng)用是有益的。例如，這意味著該焊料可按有差別的方式(differential mode)使用。例如，采用熔點(diǎn)較高的合金將一些組件焊接在印刷電路板上。然后，以具有較低熔點(diǎn)的焊料將另外的組件焊接在印刷電路板的相同面上或另一面上，而不致使第一種組件脫落。
對溫度不太敏感的組件而言，熔點(diǎn)較高的合金是容許的。因此，可以改變該組合物的組成以降低成本。
在另一個(gè)實(shí)例中，當(dāng)在生產(chǎn)印刷電路板的過程中采用熱空氣整平時(shí)，調(diào)整焊料的熔點(diǎn)是重要的。在此情況下，焊料可能被來自該板表面的銅污染。為了增加焊罐的壽命，通常要在193-195℃的溫度下將銅/錫晶體除去。在這樣的情況下，最好是調(diào)整焊料的熔點(diǎn)，這可以在不損失任何焊料的情況下完成。
本發(fā)明的焊料組合物適用于所有電子學(xué)方面的應(yīng)用，且特別適用于如在印刷電路板制造中，將集成的表面芯片(integrated surface chips)焊接在芯片載體(chip carriers)和襯底上，將芯片載體焊接在襯底上，在多層印刷電路板中焊接電路的焊接區(qū)和焊接點(diǎn)(circuitisation landsand pads)，以及將組件與印刷電路板的引線相焊接。
本發(fā)明的焊料組合物可以采用任一種目前用于電子學(xué)方面應(yīng)用的方法涂覆，例如可將該組合物淀積在印刷電路的電觸點(diǎn)上。例如，可以采用人工焊接、波紋焊接淀積、電沉積的方法，以焊膏或焊球的形式，涂覆焊料組合物?？梢酝ㄟ^采用模板、直接分散或直接成像的方法涂覆該焊膏。也可以將該合金電鍍到組件上。
以下實(shí)施例說明本發(fā)明的焊料組合物。
熔點(diǎn)均采用RTD鉑電阻溫度計(jì)測得
上表中的熔點(diǎn)范圍是該焊料的膏狀范圍。
含有適宜的銅和/或銻的合金的實(shí)施例如下
應(yīng)該理解的是，上述說明僅僅涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，各種變化和改進(jìn)都是可能的。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種基本上無鉛的焊料組合物，該組合物包括20.0-30.0％鉍1.0-2.0％銀0.5-2.0％銅和任選包括0至4.0％銻和附帶的雜質(zhì)，其余為錫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物，該組合物還包括0.0-4.0％的其他合金添加劑。
3.撤銷4.撤銷5.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物，該組合物包括0.01-4.0％的銻。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的焊料，其中，所述其他合金添加劑選自銻、鎵、或其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料，該焊料是一種合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料，該焊料是一種混合物。
9.撤銷10.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料在電子學(xué)方面應(yīng)用中的使用。
11.一種焊接兩種或多種組件的方法，該方法包括將根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物涂覆到所述組件之間的接點(diǎn)或界面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，采用人工焊接、波紋焊接淀積、電沉積、模板、直接分散或直接成像的方法涂覆所述焊料。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述組件選自集成的表面芯片、芯片載體、印刷電路板、電路的焊接區(qū)和焊接點(diǎn)以及引線。
14.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的焊料的電子學(xué)組件或印刷電路板。
權(quán)利要求
1.一種焊料組合物，該組合物包括15.0-30.0％鉍、1.0-3.0％銀和任選包括0至2.0％銅和0-4.0％銻以及附帶的雜質(zhì)，其余為錫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物，該組合物還包括0.0-4.0％的其他合金添加劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物，該組合物包括20.0-30.0％鉍、1.0-2.5％銀和任選包括0至2.0％銅和0-4.0％銻以及附帶的雜質(zhì)，其余為錫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物，該組合物包括0.01-2.0％的銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物，該組合物包括0.01-4.0％的銻。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的焊料，其中，所述其他合金添加劑選自銅、銻、鎵、或其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料，該焊料是一種合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料，該焊料是一種混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料，除附帶的雜質(zhì)外該焊料基本上是無鉛的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的焊料在電子學(xué)方面應(yīng)用中的使用。
11.一種焊接兩種或多種組件的方法，該方法包括將根據(jù)權(quán)利要求1的焊料組合物涂覆到所述組件之間的接點(diǎn)或界面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，采用人工焊接、波紋焊接淀積、電沉積、模板、直接分散或直接成像的方法涂覆所述焊料。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述組件選自集成的表面芯片、芯片載體、印刷電路板、電路的焊接區(qū)和焊接點(diǎn)和引線。
14.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的焊料的電子學(xué)儀器組件或印刷電路板。
全文摘要
一種焊料組合物,該組合物包括:15.0－30.0%鉍、1.0－3.0%銀和任選包括0至2.0%銅和0－4.0%銻以及附帶的雜質(zhì),其余為錫。
文檔編號(hào)C22C13/00GK1252842SQ98804277
公開日2000年5月10日 申請日期1998年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月22日
發(fā)明者伊恩·諾埃爾·沃爾頓 申請人:伊科索爾德國際股份有限公司