專利名稱：無鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無鉛焊料，其被歸類為一種高溫焊料，并且更具體而言，涉及一種適宜在焊接和預(yù)涂線圈端頭中使用的無鉛錫基焊料。
背景技術(shù)：
在電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)中使用各種線圈。例如，在電子設(shè)備中將線圈結(jié)合進(jìn)入變壓器中或進(jìn)入磁盤驅(qū)動器的馬達(dá)或冷卻用風(fēng)扇中。通常將這些線圈的末端焊接到電接頭以形成電連接。
通常，由用絕緣涂層覆蓋的銅線形成線圈，該絕緣涂層典型地由里面的搪瓷涂層和外面的聚氨酯樹脂涂層組成。因此，為了將線圈的末端焊接到電接頭，必須將銅線線圈端頭里面的搪瓷涂層和外面的聚酯樹脂涂層(以下將這兩個涂層統(tǒng)稱為絕緣涂層)都除去?？梢韵氲降氖峭ㄟ^使用工具如刀具的機(jī)械方法除去線圈端頭的絕緣涂層，但這種機(jī)械去除緩慢，因此不利地影響焊接的操作效率。因此，通常通過融掉絕緣涂層的熱法進(jìn)行線圈端頭絕緣涂層的去除。更具體而言，通過在足夠融掉絕緣涂層的溫度(400℃左右)下將線圈端頭浸漬在熔融焊料中熱去除線圈端頭的絕緣涂層。
為了確保形成滿意的焊接接頭，優(yōu)選通過用焊料預(yù)涂線圈端頭進(jìn)行線圈端頭的焊接。通過將線圈端頭浸漬在熔融焊料中進(jìn)行這種預(yù)涂。
因此，在焊接之前，將涂布的銅線線圈的末端浸漬在熔融焊料中的操作可以同時(shí)履行兩個功能，即除去銅線線圈端頭的絕緣涂層和用焊料預(yù)涂銅線線圈端頭。
通常在已經(jīng)涂布助焊劑到線圈端頭之后，在熔融焊料中進(jìn)行線圈端頭的浸漬。熔融焊料的熱量引起絕緣涂層熔化進(jìn)入熔融焊料中，并且涂布到線圈端頭表面的助焊劑漂浮在線圈端頭周圍的熔融焊料的上面。作為結(jié)果，由于通過熔融焊料的熱量除去線圈端頭的絕緣涂層以暴露銅線，所以在線圈端頭周圍漂浮的助焊劑對暴露的銅線上起作用，使得幫助熔融焊料機(jī)械地結(jié)合到銅線。
然后將以此方法用焊料預(yù)涂過的線圈端頭焊接到電接頭。在某些情況下，可以單獨(dú)使用預(yù)涂焊料進(jìn)行焊接。當(dāng)預(yù)涂焊料不足以形成滿意的焊接接頭時(shí)，使用其它的焊料以將預(yù)涂的線圈端頭焊接到電接頭。其它的焊料可以是與預(yù)涂所使用的焊料相同，或者它可以是一種不同的無鉛焊料，優(yōu)選它是一種具有較低熔點(diǎn)的焊料。
一些用于在電子設(shè)備中制備線圈的銅線為直徑細(xì)至100μm或更細(xì)的銅線。當(dāng)將這種細(xì)銅線的末端浸漬在熔融焊料中時(shí)，可以發(fā)生所謂的銅浸出。銅浸出是這樣一種現(xiàn)象，其中浸漬在熔融焊料中的細(xì)銅線溶解在熔融焊料中，因此導(dǎo)致銅線相當(dāng)明顯地變得更細(xì)或完全地消失。銅浸出也可以發(fā)生在線圈端頭的焊接期間，特別是在浸漬軟釬焊期間。過去已經(jīng)采取了防備這種細(xì)銅線的銅浸出的措施。
為了防止在熔融焊料中細(xì)銅線的銅浸出，已經(jīng)最廣泛使用的技術(shù)是向焊料中添加銅。由于在熔融焊料中可以溶解的銅量是有限的，所以當(dāng)將銅線浸漬在熔融焊料中時(shí)，使用已加有銅的焊料使銅線難以在熔融焊料中溶解。一個這種焊料的實(shí)例為Pb-Sn-Cu合金，并且這種焊料的典型組成是Pb-63Sn合金，其中向該合金中加入Cu，以使銅的含量為約1.5％至2％。Pb-Sn-Cu焊料對于銅線具有良好的可焊性，所以已將它廣泛地應(yīng)用于線圈端頭的預(yù)涂。
但是，由于鉛(Pb)的毒性，當(dāng)將含鉛廢物在填埋場處置時(shí)，酸雨從廢物中溶解鉛并且由于鉛而污染地下水，它可以導(dǎo)致鉛中毒，因此需要一種用于線圈端頭預(yù)涂和焊接的無鉛焊料。
過去已經(jīng)提出的作為能夠防止銅浸出的無鉛焊料是含有銅的Sn基合金，所述Cu是一種已知的有效防止銅浸出的元素。例如在JP P2001-121286A中描述了一種Sn基無鉛焊料，其包括用質(zhì)量％表示，5.5-8.0％的Cu，任選的0.01-1.00％的Ag和0.001-0.010％的Ni，和剩余部分的Sn。這種焊料還可以含有少量的Ge和Au中的一種或兩者都含有。在JPP2001-334384A中描述了另一種含Cu的Sn基無鉛焊料。那種焊料包括用質(zhì)量％表示，0.01-0.5％的Ni，2-5％的Cu，和任選的0.01-3.5％的Ag，0.01-5％的Sb，0.01-9％的Zn，0.01-3％的Bi，0.01-0.5％的Ge和0.01-0.5％的P中的一種或多種，和剩余部分的Sn。
為銅浸出負(fù)責(zé)的元素是Sn，因?yàn)橛蒀u在Sn中溶解而引起銅浸出。因此，使用上面所述現(xiàn)有技術(shù)的Sn基無鉛焊料，通常銅浸出更明顯地發(fā)生，原因在于與使用常規(guī)的含Cu的Pb-Sn焊料相比，其較高的Sn含量。此外，因?yàn)檫@種Sn基無鉛焊料具有較高的液相線溫度，所以焊接溫度或熔融焊料的溫度也較高，銅浸出變得還要更嚴(yán)重。作為結(jié)果，這些現(xiàn)有技術(shù)的Sn基無鉛焊料的作用不足以使線圈端頭的銅浸出的預(yù)防達(dá)到一個滿意的程度，特別是當(dāng)線圈是用直徑至多為100μm的細(xì)銅線形成的時(shí)候。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種無鉛焊料，即使是當(dāng)將其用于預(yù)涂細(xì)銅線的線圈端頭時(shí)或當(dāng)在熔融焊料中浸漬這種線圈端頭時(shí)，其引起銅浸出的傾向也非常低。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)將Co加入到Sn-Cu合金時(shí)，Co對于防止銅浸出非常有效，并且向得到的Sn-Cu-Co合金中加入Ni具有進(jìn)一步減少銅浸出的作用。
因此，一種根據(jù)本發(fā)明的一種形式的無鉛焊料包括1.5-8質(zhì)量％的Cu，0.01-2質(zhì)量％的Co，任選0.01-1質(zhì)量％的Ni，和剩余部分的Sn，并且它具有的液相線溫度為420℃或更低。
無鉛焊料還可以包括至少一種抑制氧化的元素和/或至少一種改善可濕性的元素。所述至少一種抑制氧化的元素可以選自P，Ge和Ga，其中這些元素的總量為0.001-0.5質(zhì)量％。所述至少一種改善可濕性的元素可以是Ag，其量為0.05-2質(zhì)量％。
本發(fā)明還提供一種線圈，所述線圈的一個末端是用根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料涂布的。
為了通過將線圈端頭浸漬在熔融焊料中而用熱的方法除去線圈端頭的絕緣涂層，并且同時(shí)用焊料預(yù)涂線圈端頭，根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料合金對于與具有絕緣涂層的銅線制成的線圈一起使用特別適宜。無鉛焊料對于將銅線線圈的末端焊接至電接頭也適宜。這類焊接可以通過浸漬軟釬焊或鐵焊接進(jìn)行。優(yōu)選用焊料對將要焊接的線圈端頭預(yù)涂。對于這種情況，通過在熔爐中或用加熱工具如焊鐵加熱焊料，可以在某些場合單獨(dú)用預(yù)涂焊料進(jìn)行焊接。
為了用熱的方法從線圈的末端除去絕緣涂層，該絕緣層通常由里面的搪瓷涂層和外面的聚酯樹脂涂層組成，必須將線圈端頭加熱至400℃左右的溫度。因此，焊料應(yīng)當(dāng)在那個溫度熔化以形成熔融焊料，在其中浸漬線圈端頭以用熱的方法除去絕緣涂層。但是，如果熔融焊料的溫度高于470℃，在其中浸漬的線圈端頭的絕緣涂層將立即碳化，并且產(chǎn)生的碳將粘附到線圈端頭，從而阻止焊料以金屬的方式結(jié)合至銅線。高于470℃的溫度也是不利的，原因在于銅浸出在此高溫下大量地發(fā)生。
通常在比焊料的液相線溫度高20℃至50℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行使用熔融焊料的浸漬軟釬焊，其取決于將要焊接部件的熱容。因此，為了使在470℃或更低的溫度下可以進(jìn)行浸漬軟釬焊，根據(jù)本發(fā)明的焊料的液相線溫度為420℃或更低。
當(dāng)將線圈端頭浸漬在熔融焊料中時(shí)，為了防止銅浸出，根據(jù)本發(fā)明的Sn基無鉛焊料含有1.5-8質(zhì)量％的Cu和0.01-2質(zhì)量％的Co。如果銅的含量低于1.5質(zhì)量％，防止銅浸出的效果是不明顯的。銅的加入量超過8質(zhì)量％導(dǎo)致焊料的液相線溫度超過420℃，從而引起嚴(yán)重的銅浸出并且不利地影響可焊性。
向Sn-Cu焊料中加入Co對于進(jìn)一步降低Sn-Cu焊料的銅浸出高度有效。如果Co含量低于0.01質(zhì)量％，此效果是不明顯的，而當(dāng)Co的含量增加至約2質(zhì)量％時(shí)，此效果飽和。Co的加入量超過2質(zhì)量％也是不利的，原因在于它相當(dāng)明顯地增加焊料的液相線溫度。
優(yōu)選Cu含量為2-5質(zhì)量％，并且優(yōu)選Co含量為0.05-0.5質(zhì)量％并且更優(yōu)選為0.05-0.2質(zhì)量％。
為了進(jìn)一步提高Cu和Co對于防止銅浸出的作用，可以任選地將Ni加入到根據(jù)本發(fā)明的焊料中。如果Ni含量低于0.01質(zhì)量％，此效果是不明顯的。Ni的加入量超過1質(zhì)量％增加焊料的液相線溫度至這樣一個程度，即它高于420℃，如上所述這是不理想的。因此，當(dāng)加入Ni時(shí)，優(yōu)選Ni含量為0.01-1質(zhì)量％，并且更優(yōu)選為0.1-0.3質(zhì)量％。
為了通過在熔融焊料中浸漬被涂布的銅線的線圈末端而除去其絕緣涂層，熔融焊料的溫度高達(dá)約400℃或以上(并且如上所述優(yōu)選低于470℃)。在此高溫下，焊料的氧化變得相當(dāng)明顯，并且在熔融焊料的表面上形成大量氧化物。為了抑制焊料的氧化，可以加入一種或多種具有阻止熔融焊料氧化作用的元素。這種元素的實(shí)例是P，Ge和Ga。當(dāng)加入時(shí)，這些抑制氧化的元素中的一種或多種在焊料中存在的總量為0.001-0.5質(zhì)量％。如果這些抑制氧化的元素的總量小于0.001質(zhì)量％，不能明顯達(dá)到理想的效果。但是，如果這些元素的總量大于0.5質(zhì)量％，它們不利地影響可焊性。優(yōu)選地，抑制氧化的元素的總量為0.005-0.1質(zhì)量％。
當(dāng)將線圈端頭浸漬在熔融焊料中時(shí)，熔融焊料必須充分潤濕已除去絕緣涂層的線圈的浸漬銅線。無鉛的Sn-Cu-Co和Sn-Cu-Co-Ni焊料不能始終顯示足夠的可濕性以完全地潤濕浸漬的銅線。作為結(jié)果，不能用焊料預(yù)涂已經(jīng)浸漬在熔融焊料中的銅線的整個部分。為了避免發(fā)生這種不理想的現(xiàn)象，可以向焊料中加入一種具有改善可濕性作用的元素。這類改善可濕性的元素的實(shí)例是Ag。當(dāng)加入時(shí)，優(yōu)選Ag在焊料中存在的量為0.05-2質(zhì)量％，并且更優(yōu)選為0.1-2質(zhì)量％。如果Ag含量小于0.05質(zhì)量％，不能明顯顯示其改善可濕性的效果。在Ag含量為約2質(zhì)量％時(shí)，Ag改善可濕性的作用飽和，并且Ag也是貴重的，所以不優(yōu)選以超過2質(zhì)量％的不必須的大量加入Ag。
根據(jù)本發(fā)明的無鉛Sn-Cu-Co或Sn-Cu-Co-Ni焊料可以采用任何形態(tài)，但是通常它處于適宜于形成熔融焊料的形態(tài)中，如條狀焊料，預(yù)成型焊料或類似物。當(dāng)通過提供焊料給電接頭而將焊料用于將預(yù)涂的線圈端頭對電接頭的焊接時(shí)，它可以采用線型焊料，粉芯焊絲焊料或焊膏的形狀。
如上所述，在將被涂布的銅線的線圈端頭浸漬于熔融焊料中之前，可以將一種助焊劑涂布至線圈端頭，以便在熔融焊料中將絕緣涂層從銅線中除去之后，助焊劑可以立即對銅線發(fā)揮它的作用?？梢詫⒁环N松香基的助焊劑用于此目的，盡管可以使用其它的助焊劑，只要它們在熔融焊料的溫度下是有效的即可，該溫度高達(dá)400℃或更高。
根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料有效地抑制在熔融狀態(tài)下銅浸出，盡管它具有容易溶解Cu的基于Sn的組成。因此，它特別適宜用于在熔融狀態(tài)下，通過將線圈端頭浸漬在熔融焊料中進(jìn)行去除絕緣涂層的和預(yù)涂線圈端頭，從而將銅線直徑顯著減小或銅線完全消失的可能性最小化或消除，即使線圈是由直徑為100μm或更小的細(xì)銅線制成。作為結(jié)果，大大地提高用焊料預(yù)涂線圈的可靠性。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例制備具有表1所示組成的焊料并且用下面的方法測試銅浸出速度和可濕性。
銅浸出速度將每種焊料在金屬熔化浴中加熱至400℃，以達(dá)到熔融狀態(tài)。將被涂布的銅線并且用里面的搪瓷涂層和外面的聚氨酯樹脂涂層覆蓋的線圈用作將要浸漬的測試材料。在將松香助焊劑沿著預(yù)定長度涂布到線圈末端之后，將線圈的末端浸漬于400℃的熔融焊料中10秒鐘，20秒鐘或30秒鐘。在每一個浸漬期后測量銅線的直徑，以確定由銅浸出引起的銅線直徑的減小速度(μm每秒)作為銅浸出速度。
可濕性用下面的方法用潤濕平衡測試(wetting balance test)每種焊料的可濕性將尺寸為10mm×30mm×0.3mm的銅片材浸漬在400℃熔融焊料中。用由測試獲得的潤濕曲線的零相交時(shí)間(潤濕時(shí)間)評估可濕性。
每種焊料的測試結(jié)果隨同其組成及固相線和液相線溫度也示于下表1中。
表1

注1熔點(diǎn)溫度L＝液相線溫度，S＝固相線溫度；2在潤濕天平測試中的零相交時(shí)間(潤濕時(shí)間)；3發(fā)明＝本發(fā)明的焊料；比較＝比較的焊料；4剩余部分如從表1可以看出，根據(jù)本發(fā)明的含有Co的無鉛Sn-Cu基焊料明顯地表現(xiàn)出對銅浸出抑制，由通過下面的事實(shí)所證實(shí)其銅浸出速度明顯地低于常規(guī)或已知的Sn-Cu基焊料的銅浸出速度。因此，將少量的Co加入到Sn-Cu焊料中對于抑制銅浸出是高度有效的。從表1也可以看出，Ag的加入具有改善可濕性的作用，由更短的潤濕時(shí)間所證明。
權(quán)利要求
1.一種無鉛焊料，其包括1.5-8質(zhì)量％的Cu，0.01-2質(zhì)量％的Co，0-1質(zhì)量％的Ni和剩余部分的Sn，并且具有420℃或更低的液相線溫度。
2.如權(quán)利要求1所要求的無鉛焊料，其中所述Ni含量為0.01-1質(zhì)量％。
3.如權(quán)利要求1或2所要求的無鉛焊料，其還包括至少一種抑制氧化的元素。
4.如權(quán)利要求3所要求的無鉛焊料，其中所述至少一種抑制氧化的元素選自P，Ge和Ga，其中這些元素的總量為0.001-0.5質(zhì)量％。
5.如權(quán)利要求1至4任何一項(xiàng)所要求的無鉛焊料，其還包括至少一種改善可濕性的元素。
6.如權(quán)利要求5所要求的無鉛焊料，其中所述至少一種改善可濕性的元素為Ag，其量為0.05-2質(zhì)量％。
7.一種包括線材的線圈，其中所述導(dǎo)線的一個末端被用如權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)所要求的無鉛焊料所預(yù)涂。
8.一種焊接接頭，其具有如權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)所列舉的組成。
全文摘要
一種無鉛焊料，當(dāng)于熔融狀態(tài)下在其中浸漬銅線的線圈端頭而使用它時(shí)，其相當(dāng)少地容許銅浸出，該焊料包括1.5－8質(zhì)量％的Cu，0.01－2質(zhì)量％的Co，任選0.01－1質(zhì)量％的Ni和剩余部分的Sn，并且具有420℃或更低的液相線溫度。該焊料還包括至少一種選自P，Ge和Ga的抑制氧化的元素，其總量為0.001－0.5質(zhì)量％，和/或作為改善可濕性的元素的Ag，其量為0.05－2質(zhì)量％。
文檔編號B23K1/20GK1496780SQ200310101358
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者大西司 申請人:千住金屬工業(yè)株式會社