專利名稱：焊料合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是焊料合金，具體地講就是通過在焊料原材料中加碳獲得新 型焊料合金以及制造該焊料合金的制造方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，以前的焊料合金主要以Pb-Sn焊料合金為代表，但由于該焊料 合金存在鉛的有害性的問題，會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，其使用已經(jīng)受到限制。
因此，現(xiàn)在要求使用不含有害鉛的無鉛焊料合金。迄今為止，已有多種有 關(guān)使用無鉛焊料合金的方案提出(參照專利文獻(xiàn)1 ~ 5 )，其典型代表，如Sn中 含3.5%Ag的Sn - Ag系焊料合金，該Sn - Ag系焊料合金熔點(diǎn)較低，只有221 °C，現(xiàn)在已作為無鉛焊料合金廣泛應(yīng)用。
然而，使用Sn-Ag系焊料合金同以前的含鉛焊料合金相比，Sn-Ag系焊料 合金存在結(jié)合強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，因此，從安全角度考慮，在要求高結(jié)合可靠性的 領(lǐng)域(比如汽車領(lǐng)域等)，無鉛化方案被推遲了， 一般仍然使用含Pb的焊料合 金。但鑒于對(duì)環(huán)境的影響，無論何種領(lǐng)域都應(yīng)該盡快實(shí)現(xiàn)無鉛化。為此，開發(fā) 出結(jié)合可靠性優(yōu)于或者不低于含Pb焊料合金的無鉛焊料已是勢在必行。
專利文獻(xiàn)1日本專利特開2007 - 237252號(hào)/>才艮
專利文獻(xiàn)2日本專利特開2006 - 255784號(hào)7>才艮
專利文獻(xiàn)3日本專利特開2002 - 346788號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)4日本專利特開2001 - 225188號(hào)^^才艮
專利文獻(xiàn)5日本專利特開平10-6075號(hào)^^艮

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前面所述的問題，即以前無鉛焊料合金的結(jié)合強(qiáng)度劣于含Pb焊料合金 之問題，本發(fā)明的目的是解決這些問題，提高無鉛焊料合金的結(jié)合可靠性。
為了達(dá)到前述目的，本次發(fā)明的焊料合金是在高溫條件下通過在無鉛焊料 材料中添加碳獲得的。
前述焊料合金制造時(shí)的高溫條件最好在800 ~ 1200°C范圍。 而且前述焊料合金制造時(shí)添加的碳元素量為0.01~0.7wt. % 。 為了達(dá)到前述目的，本次發(fā)明的焊料合金制造方法由將已投入無鉛焊料材 料的金屬熔解爐加熱到高溫狀態(tài)從而使該無鉛焊料材料熔解的熔解工序、在經(jīng) 前述熔解工序熔解的無鉛焊料材料(熔解的無鉛焊料材料)中添加加碳劑的加 碳工序、對(duì)熔解的無鉛焊料材料和加碳劑進(jìn)行攪拌的攪拌工序以及讓前述攪拌 工序形成的熔解無鉛焊料材料與加碳劑的混合物流入鑄造才莫具中進(jìn)行冷卻、凝 固的冷卻工序構(gòu)成。
前述熔解工序中的高溫條件最好在800 ~ 1200。C范圍。 而且前述熔解工序中最好通過調(diào)節(jié)加熱燃料的供給量使金屬熔解爐排氣口 的氧氣含量為0。
而且前述加碳工序中加碳劑相對(duì)于無鉛焊料材料的含量最好為0.01~0.7wt.%。
而且前述焊料合金的制造方法也可由對(duì)前述冷卻工序冷卻凝固后的熔解無 鉛含量材料與加碳劑的混合物進(jìn)行碳元素量分析的分析工序、在前述分析工序 獲得的碳元素量基礎(chǔ)上將前述混合物再次投入金屬熔解爐中進(jìn)行熔解的同時(shí)在 其中添加無鉛含量材料從而將碳元素量調(diào)整到必要的程度的調(diào)整工序，以及讓 前述調(diào)整工序調(diào)整碳元素量后的混合物再次流入鑄造模具中進(jìn)行冷卻凝固的再 次冷卻工序組成。
本次發(fā)明的焊料合金通過無鉛化消除了有毒鉛對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)解決了 以前的無鉛焊料合金結(jié)合強(qiáng)度劣于含Pb焊料合金的問題，大幅度提高了結(jié)合強(qiáng) 度和結(jié)合可靠性。
另外，利用本發(fā)明涉及的焊料合金的制造方法，可簡單且高效地獲得結(jié)合 強(qiáng)度大幅提高的無鉛焊料合金。


圖1為Sn-3.5wt.%Ag+0.03wt.%C (試-瞼樣品A)的熔點(diǎn)測定結(jié)果；
圖2是Sn - 0.35wt.%Ag (試驗(yàn)樣品B )的熔點(diǎn)測定結(jié)果； 圖3是Sn - 0.7wt.%Cu + 0.05wt.%C (試驗(yàn)樣品C)的熔點(diǎn)測定結(jié)果； 圖4是Sn - 0.7wt.%Cu (試驗(yàn)樣品D)的熔點(diǎn)測定結(jié)果； 圖5是Pb - Sn焊料合金及各種試驗(yàn)樣品的電阻率的測定結(jié)果； 圖6是Pb - Sn焊料合金及各種試驗(yàn)樣品的Vickers硬度的測定結(jié)果； 圖7和圖8分別是Pb-Sn焊料合金及各種試驗(yàn)樣品的屈月良應(yīng)力和抗拉伸強(qiáng) 度的測定結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的最大特點(diǎn)是在高溫條件下通過在無鉛焊料材料中添加碳荻得焊料 合金。以下將介紹本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)，但本發(fā)明并不僅限于以下所述內(nèi)容。
本發(fā)明所謂的高溫條件是指溫度最好控制在800~ 1200'C。在無鉛焊料材料 中添加碳元素時(shí)，如果溫度不到800。C,屬于低溫環(huán)境，那么碳?jí)K就不能分解， 因而也不能獲得理想的焊料合金。因此，必須在高溫環(huán)境下添加石友，尤其在1200 。C時(shí)可獲得理想的碳元素形態(tài)。雖然在超過1200。C的高溫環(huán)境下也能達(dá)到良好 的效果，但已沒有意義，反而會(huì)增大燃料成本。
在無鉛焊料材料中添加的碳元素量最好在0.01 0.7wt。/。范圍。如果碳元素 量在0.01wt。/。以下，就不能獲得理想的結(jié)合強(qiáng)度。另一方面，碳添加量越多， 所獲得的焊料合金的強(qiáng)度、硬度就越高。但是經(jīng)本次發(fā)明過程中對(duì)不同碳添加 量的焊料合金強(qiáng)度的測定，結(jié)果表明碳添加量達(dá)到0.7wt。/。時(shí)，就能夠滿足目 前各種領(lǐng)域的最大強(qiáng)度要求。因此，本發(fā)明將碳添加量的上限確定為0.7wt.%。
總之，應(yīng)結(jié)合焊料用途、需要的強(qiáng)度和硬度以及電導(dǎo)率等確定碳添加量。
以下通過實(shí)際事例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。實(shí)驗(yàn)中采用的本發(fā)明相關(guān)的焊料合 金為Sn-3.5wt.%Ag+0.03wt.%C (試驗(yàn)樣品A)及Sn - 0.7wt.%Cu+0.05wt.%C (試驗(yàn)樣品C )。 (試驗(yàn)例1)
首先對(duì)試驗(yàn)樣品1和試驗(yàn)樣品2進(jìn)行二軸X射線分析測定，確認(rèn)二者的碳 元素峰值。
(試驗(yàn)例2 )然后通過SEM觀察試驗(yàn)樣品的表面，將試驗(yàn)樣品A與未添加碳元素的Sn -3.5wt.%Ag (試驗(yàn)樣品B)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者表面均勻，而后者表明存 在疑為碳元素的黑色物體。另外，在將試驗(yàn)樣品C與Sn-0.7wt.%Cu (試驗(yàn)樣 品D)的比較中，發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果。以此可判斷由于石友的炫點(diǎn)遠(yuǎn)高于制造 試驗(yàn)樣品A和試驗(yàn)樣品C時(shí)的溫度(800 ~ 1200°C )，碳在未熔解狀態(tài)下被埋入 試驗(yàn)樣品中。 (試驗(yàn)例3 )
接著利用DSC測定各種試驗(yàn)樣品的熔點(diǎn)。測定結(jié)果如圖1 ~圖4所示。 (試驗(yàn)樣品A )Sn - 3.5wt.%Ag+0.03wt.%C的熔點(diǎn)測定結(jié)果如圖1所示；(試 驗(yàn)樣品B) Sn - 0.35wt.%Ag的熔點(diǎn)測定結(jié)果如圖2所示；(試驗(yàn)樣品C) Sn-0.7wt.%Cu + 0.05wt.%C的熔點(diǎn)測定結(jié)果如圖3所示；(試驗(yàn)樣品D ) Sn -0.7wt.%Cu的熔點(diǎn)測定結(jié)果如圖4所示。
如圖1和圖2所示，比較試驗(yàn)樣品A和試驗(yàn)樣品B的炫點(diǎn)，可見幾乎沒有 變化。而且如圖3和圖4所示，比4交試-瞼樣品C和試-瞼樣品D的熔點(diǎn)，同樣可 見幾乎沒有變化。以此可判定添加碳不影響焊料合金的熔點(diǎn)。這正是碳在沒 熔解的狀態(tài)下存在于試驗(yàn)樣品A和試驗(yàn)樣品C中的原因。即是說在試驗(yàn)樣品 A和試驗(yàn)樣品C的熔點(diǎn)下，碳沒有發(fā)生一點(diǎn)變化，因此與試-瞼樣品B和試驗(yàn)樣 品D的熔點(diǎn)相比，沒有變化。 (實(shí)驗(yàn)例4)
為了與電子部件結(jié)合，焊料合金的電阻率是一項(xiàng)非常重要的因素，因此對(duì) Pb - Sn焊料合金及前述各種試驗(yàn)樣品的電阻率進(jìn)行了測定，測定結(jié)果如圖5所 示。
如圖5所示，作為無鉛焊料合金的試驗(yàn)樣品B和試驗(yàn)樣品D，電阻率低于 含鉛的Pb-Sn焊料合金，結(jié)果良好。而且添加了碳的試驗(yàn)樣品A和試驗(yàn)樣品C 的電阻率更是得到極大改善。從該圖中還可發(fā)現(xiàn)在Sn-3.5wt.%Ag中添加碳 的效果最為明顯。通過添加碳使電阻率降低的原因在于表面積較大的碳可吸 附焊料的金屬間化合物，從而抑制金屬間化合物的生成，同時(shí)使金屬相細(xì)分化。 電阻率的改善也有助于焊料整體特性的改善，因此可以說添加碳取得了非常理 想的效果。.
(試驗(yàn)例5 )
接著對(duì)Pb - Sn焊料合金及前述各種試驗(yàn)樣品的Vickers硬度進(jìn)行了測定， 測定結(jié)果如圖6所示。
如圖6所示，比較試驗(yàn)樣品A、試驗(yàn)樣品B、試驗(yàn)樣品C及試驗(yàn)樣品D, 可見添加碳后硬度有較大提高。而且將Pb - Sn焊料合金與試驗(yàn)樣品A和試驗(yàn)樣 品C比較，試驗(yàn)樣品A和試驗(yàn)樣品C由于添加了碳，因而硬度高于Pb-Sn焊 料合金。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因與前述電阻率的降低一樣，均是由于表面積較大 的碳可吸附焊料的金屬間化合物、從而抑制金屬間化合物的生成、同時(shí)使金屬 相細(xì)分化之緣故。 (試驗(yàn)例6)
通常，如果焊料合金與銅基板結(jié)合，基板的銅(Cu)會(huì)進(jìn)入因熱熔解的焊 料合金并在其中擴(kuò)散，然后通過合金化與焊料合金結(jié)合。該合金稱為金屬間化 合物(1MC)，由于其硬度、脆性及電氣傳導(dǎo)性差，將會(huì)顯著降低焊料的結(jié)合可 靠性。但如果沒有金屬間化合物，焊料合金就不可能與基板結(jié)合，因此希望金 屬間化合物層應(yīng)盡可能薄，而且能夠高強(qiáng)度結(jié)合。
通過觀察試驗(yàn)樣品A與銅基板界面的SEM像，可發(fā)現(xiàn)該界面非常細(xì)膩、形 狀均勻。而試驗(yàn)樣品B與銅基板界面的SEM像則不同，界面粗糙、不均勻，而 且存在許多凹凸不平的形狀。可見，同試驗(yàn)樣品B相比，試驗(yàn)樣品A與銅基板 之間的界面表面積更大，結(jié)合更為緊密、牢固。
另夕卜，通過觀察不同界面的放大圖像(mapping),可清楚地觀察到利用SEM 不能看到的Cu與Sn的界面，并可讀取Cu與Sn的混合面積，這一混合面積范 圍內(nèi)的物質(zhì)就是金屬間化合物。同試驗(yàn)樣品B相比，試驗(yàn)樣品A的金屬間化合 物面積更大，可見，通過添加碳提高了結(jié)合可靠性。 (試驗(yàn)例7 )
另外還對(duì)Pb - Sn焊料合金及各類試驗(yàn)樣品進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，測定了各類 焊料合金的屈服應(yīng)力和抗拉伸強(qiáng)度。測定結(jié)果如圖7和圖8所示。
如圖7和圖8所示，試驗(yàn)樣品A同試驗(yàn)樣品B相比，試驗(yàn)樣品A的屈服應(yīng) 力和抗拉伸強(qiáng)度均有所提高，而且試驗(yàn)樣品C同試驗(yàn)樣品D相比，試驗(yàn)樣品C 的屈服應(yīng)力和抗拉伸強(qiáng)度也有所提高。即是說屈服應(yīng)力和抗拉伸強(qiáng)度的提高.
是由于添加碳的結(jié)果。尤其是試驗(yàn)樣品A的抗拉伸強(qiáng)度超過了 Pb - Sn焊料合金 的抗拉伸強(qiáng)度。
如前所述，對(duì)于改善無鉛焊料合金的硬度、抗拉伸強(qiáng)度尤其是結(jié)合可靠性， 添加碳非常有效。
下面根據(jù)實(shí)施事例介紹通過在鉛焊料材料中添加碳制造本發(fā)明相關(guān)的焊料 合金的方法。但本發(fā)明所涉及范圍并不僅限于這些實(shí)施事例。實(shí)施事例
首先將96.5wt.°/。Sn - 3wt.%Ag - 0.5wt%Cu (統(tǒng)稱為305合金)無鉛焊料材 料投入金屬熔解爐，將該金屬熔解爐加熱到100(TC的高溫，讓305合金熔解(熔 解工序)。
此時(shí)，調(diào)節(jié)加熱燃料的供給量，使金屬熔解爐的排氣口氧氣量為0，讓燃料 完全燃燒。否則將引起碳燃燒，從而降低添加碳的效率。
接著向前面熔解工序中在金屬熔解爐內(nèi)熔解的305合金(熔解305合金) 里添加0.5wt。/。的加碳劑(鐵的加碳劑)。(加碳工序)
然后在金屬熔解爐內(nèi)攪拌熔解305合金和加碳劑，使其混合均勻(攪拌工序)。
接著將前面攪拌工序攪拌均勻后的熔解305合金與加碳劑的混合物流入鑄 造模具，使其冷卻、凝固(冷卻工序)。
其后分析經(jīng)前面冷卻工序凝固后的熔解305合金與加碳劑混合物中的碳元 素含量。
在前項(xiàng)分析工序得到的碳元素含量的基礎(chǔ)上，將前述混合物再次投入金屬 熔解爐內(nèi)熔解，同時(shí)向其中添加305合金，最終將碳元素含量調(diào)整到0.1wt。/o(調(diào) 整工序)。
經(jīng)前項(xiàng)調(diào)整工序?qū)μ荚睾空{(diào)整后，再次將混合物流入鑄造模具中冷卻、 凝固(再次冷卻工序)。
只要經(jīng)過以上工序、在無鉛焊料材料中添加了碳，便解決了以前無鉛焊料 合金的結(jié)合強(qiáng)度劣于含Pb焊料合金之問題，便可制造出結(jié)合可靠性較高的無鉛 焊料合金。
在本實(shí)施事例中，無鉛焊料材料中采用了 305合金。但不僅限于305合金，
比如也可采用99.3wt.%Sn - 0.7wt%Cu。
另外，在本實(shí)施事例中，溫度條件設(shè)定為1000°C,但不僅限于1000。C，只 要在800 ~ 1200。C范圍便可。
本實(shí)施事例中，添加的加碳劑為0.5wt.%，但不僅限于0.5wt.%,只要在 0.01 ~0.7wt.%范圍{更可。
而且在本實(shí)施事例中的調(diào)整工序中，將碳元素含量整體調(diào)整到0.1wt.%，但 不僅限于O.lwt.%,可結(jié)合焊料合金的最終用途適當(dāng)調(diào)整碳元素含量。
可利用本發(fā)明技術(shù)思想的領(lǐng)域均可事宜地適用這一技術(shù)思想，本發(fā)明尤其 適用于結(jié)合可靠性要求較高的汽車領(lǐng)域等，在其它工業(yè)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前 景。
權(quán)利要求
1.一種焊料合金，其特征在于，在高溫條件下通過在無鉛焊料材料中添加碳制得。
2. 如權(quán)利要求1所述的焊料合金，其特征在于，所述高溫范圍為800~ 1200°C。
3. 如權(quán)利要求1或者2所述的焊料合金，其特征在于，碳添加量在0.01~0.7wt.%范圍。
4. 一種焊料合金的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下工序熔解工序即將已投入無鉛焊料材料的金屬熔解爐加熱到高溫狀態(tài)，使該 無鉛焊料材料熔解；加碳工序即在經(jīng)所述熔解工序熔解的無鉛焊料材料中添加加碳劑；攪拌工序即是對(duì)熔解的無鉛焊料材料和加碳劑進(jìn)行攪拌；冷卻工序即是讓所述攪拌工序形成的熔解無鉛焊料材料與加碳劑的混合物流入鑄造模具中進(jìn)行冷卻、凝固。
5. 如權(quán)利要求4所述的焊料合金的制造方法，其特征在于，所述熔解工序的高 溫范圍為800 ~ 1200。C。
6. 如權(quán)利要求4或者5所述的焊料合金的制造方法，其特征在于，所述熔解工 序中，通過調(diào)節(jié)加熱燃料的供給量，使金屬熔解爐排氣口的氧氣含量為0。
7. 如權(quán)利要求4至6所述的任一種焊料合金的制造方法，其特征在于，所述加 碳工序中，加碳劑相對(duì)于無鉛焊料材料的含量為0.01 0.7wt.%。
8. 如權(quán)利要求4至7所述的任一種焊料合金的制造方法，其特征在于，所述制 造方法還包括以下工序分析工序即對(duì)所述冷卻工序冷卻凝固后的熔解無鉛含量材料與加碳劑的 混合物進(jìn)行碳元素量分析；調(diào)整工序即在所述分析工序獲得的碳元素量基礎(chǔ)上，將所述混合物再次 投入金屬熔解爐中熔解，同時(shí)在其中添加無鉛含量材料，將^f灰元素量調(diào)整到必 要的程度；再次冷卻工序即是讓所述調(diào)整工序調(diào)整碳元素量后的混合物再次流入鑄 造模具中進(jìn)行冷卻、凝固。
9. 一種利用權(quán)利要求4至8所述的任一種焊料合金的制造方法制成的焊料合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種焊料合金以及其制造方法。本發(fā)明的焊料合金是在高溫條件下向無鉛焊料材料中添加碳。高溫條件即是在800～1200℃范圍，碳添加量在0.01～0.7wt.％范圍。制造方法的步驟是首先將制造焊料合金的無鉛焊料材料投入到金屬熔解爐，然后將金屬熔解爐加熱到高溫狀態(tài)即800～1200℃，使無鉛焊料材料熔解，其后在其中添加加碳劑，攪拌均勻后將混合物流到鑄造模具中冷卻、凝固。本發(fā)明解決以前無鉛焊料合金結(jié)合強(qiáng)度劣于含Pb焊料合金之問題，提供了結(jié)合可靠性高的無鉛焊料合金。
文檔編號(hào)B23K35/22GK101204761SQ200810002598
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者伊地知祥人, 大島健一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社白金;國立大學(xué)法人筑波大學(xué)