專利名稱：焊劑和焊接材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及焊劑和焊接材料，更具體來說，涉及具有預(yù)定的溫度-粘度關(guān)系的焊劑和焊接材料。
背景技術(shù)：
在焊接過程中，使用焊料將兩個或更多個部件彼此連接。正如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的，并且根據(jù)定義，焊料是液相線溫度不超過450°C (840° F)的合金或填充金屬。當(dāng)與待連接的部件接觸時，焊料熔化并通過毛細管作用流入連接部。在熔化的焊料冷卻后，在部件之間形成了永久性連接部。焊料的一種常見應(yīng)用是在電子工業(yè)中，其中使用焊料連接電元件。 焊料可以作為沉積在至少一個待連接部件的表面上的多組分焊糊被提供。典型情況下，焊糊包含焊劑和焊料合金粒子。配有焊劑是為了改進焊接操作。例如，配有焊劑通常是為了從金屬部件除去表面污染，例如表面氧化。通過這種方式，焊劑也可以改進焊料合金在金屬表面上的流動和浸潤。在焊接操作中，在將焊糊施加到表面上之后，將焊糊加熱到焊劑準備表面的溫度。在進一步加熱后，焊料粒子熔化、流過準備好的表面并進入連接部，并且在冷卻后，焊料形成永久性連接部。盡管現(xiàn)有的焊糊便于形成一致的、高質(zhì)量的焊接連接部，但由于從焊糊在焊接前暴露于室溫或高于室溫的溫度時發(fā)生降解或劣化的意義上說，焊糊是溫度敏感的，因此它們的使用還存在困難。具體來說，在溫度敏感性方面，如果將焊糊在甚至與室溫一樣高的溫度下長時間暴露，它可能逐漸失去其有益屬性。此外，將焊糊暴露于更高溫度下加速了它的劣化。因此，在室溫和高于室溫下，現(xiàn)有焊糊被視為具有有限的儲存期限。延長現(xiàn)有焊糊的儲存期限的一種解決方案是將它們冷藏，直到并包括將焊料沉積在待連接部件上的時間。冷藏遏制或減少在焊糊內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并防止焊料在沉積之前與焊劑分離。典型的冷藏溫度包括由可商購冰箱或空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的溫度，例如一般低于 10°C的溫度。但是，冷藏具有顯著的缺點。最明顯的是與使用冷藏設(shè)備相關(guān)的高的資產(chǎn)和運行成本。此外，通常情況下，制造環(huán)境的自然狀態(tài)排除了冷藏作為阻止焊糊降解的手段， 這是由于這些環(huán)境所固有的高溫或由于其他因素例如制造工廠的建坪所致。因此，由于焊糊的有益屬性在這些益處能夠完全實現(xiàn)之前受到限制或破壞，并且由于缺乏對這些問題的成本有效的解決方案，焊糊不能用于這些環(huán)境。限制現(xiàn)有焊糊的使用或使其使用變困難的另一個問題是焊糊在沉積后保持柔軟或糊狀。例如，當(dāng)焊糊預(yù)先沉積在部件上但實際的焊接操作在較晚時間和/或在另一個制造設(shè)備中進行時，會出現(xiàn)問題。在沉積與焊接操作之間的中間時段中，如果部件被儲存和/或被處理，外來物體可能接觸、摩擦或粘在柔軟的焊糊中。除了由于外來材料粘附于焊糊所引起的問題之外，焊糊可能粘著外來物體并附著在其表面上。這種類型的接觸消耗了最初的焊糊沉積物，并且在極端情況下，最初的沉積物可能從目標(biāo)表面顯著消耗或甚至完全除去。因此，焊糊可能被無意轉(zhuǎn)移到焊糊或焊料合金對其有害的部件的表面上。在任一情況下，焊糊在大約室溫下的糊狀的、可流動的性質(zhì)限制了沉積后操作，并可能增加制造成本。 盡管冷藏可能改善焊糊的儲存期限，但冷藏不能使焊糊在這些溫度下變得不粘。換句話說， 冷的焊糊可能具有上面提到的所有的無意轉(zhuǎn)移問題。除了上面提出的成本考慮之外，冷藏一般不是保存沉積的焊糊的解決方案。一種部分地應(yīng)對運輸和處理問題的解決方案包括使用隨后施加的焊劑將分配的焊糊即刻再流平，以保護再流平的焊料合金。在最初的再流平過程中，焊糊在預(yù)定的沉積位置熔化。在清理后，通過重新加熱沉積的、熔化的焊料合金、然后冷卻，使焊料合金變平。向變平的焊料施加外部焊劑涂層，以防止焊料氧化并促進隨后的焊料再流平。然后可以將用焊劑覆蓋的、再流平過的焊料合金運輸或儲存以備后用。但是，正如所指出的，這種工藝需要將部件加熱至少一段額外的時間，這可能是適得其反的，因為在電子組件的情況下，部件本身可能是溫度敏感的。額外的加熱周期可能增加元件的故障數(shù)。此外，焊劑保持發(fā)粘，因此將防粘膜附著到焊劑上以防止污染。因此，對于應(yīng)付上面提到的問題的焊劑和焊接材料存在著需求。例如，所需要的是在室溫下或室溫附近以及在高于這些溫度的溫度、包括正常的制造、儲存和運輸溫度下不發(fā)粘的焊劑和/或焊接材料。此外，所需要的是可以在沉積之前被加熱、在沉積溫度下不降解以及可以被冷卻并重新加熱而不降解的焊劑和焊接材料。

發(fā)明內(nèi)容
為了達到這些目的，在本發(fā)明的一個實施方案中，焊接用焊劑包含以高于約50重量％的量存在的主要固體組分和選自溶劑、增稠劑和/或金屬氧化物還原劑的一種或多種次要組分。焊劑具有這樣的溫度曲線圖，即其中焊劑在處于或低于最大儲存溫度的溫度處于不可流動的無活性狀態(tài)，所述最大儲存溫度高于約27°C，在活化溫度處于液體活性狀態(tài)， 以及在高于最大儲存溫度并低于活化溫度的沉積溫度范圍內(nèi)處于可流動的無活性狀態(tài)。在一個實施方案中，焊接材料包含分散在焊劑中的焊料粒子。焊料粒子在活化溫度或高于活化溫度時處于液體狀態(tài)。在另一個實施方案中，制造焊接材料的方法包括將焊劑加熱到沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度。該方法還包括將焊料粒子分散在整個加熱的焊劑中形成焊料/焊劑混合物，并將焊料/焊劑混合物冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，由此使焊料/焊劑混合物處于不可流動的無活性狀態(tài)。在本發(fā)明的另一個實施方案中，分配焊接材料的方法包括將焊接材料加熱到沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度。當(dāng)焊接材料在沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度時，該方法還包括將加熱的焊接材料分配到基材上，并將焊接材料冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，由此使焊接材料處于不可流動的無活性狀態(tài)。在另一個實施方案中，使用焊接材料進行焊接的方法包括將焊接材料加熱到沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度。當(dāng)焊接材料在沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度時，該方法還包括將加熱的焊接材料分配到工件上。該方法還包括將焊接材料加熱到活化溫度處于或高于活化溫度，由此使焊劑從工件的表面除去氧化物；將焊接材料加熱到焊料粒子的熔化溫度以使焊料粒子熔化并同時與工件的表面相接觸；以及將熔化的焊料冷卻。在另一個實施方案中，使用焊接材料進行焊接的方法包括將焊接材料從處于或低于最大儲存溫度的溫度加熱到焊料粒子的熔化溫度以使焊料粒子熔化。焊接材料位于第一工件與第二工件之間并與每個工件相接觸。該方法還包括將熔化的焊料冷卻，由此在第一工件和第二工件之間形成連接部。


包含在本說明書中并構(gòu)成其一部分的隨附的圖，說明了本發(fā)明的實施方案，并與下面給出的詳細描述一起，用于解釋本發(fā)明的各種不同方面。圖1是溫度-粘度/硬度圖，描繪了本發(fā)明的三個示例性實施方案的三個溫度曲線圖。發(fā)明的詳細描述本發(fā)明提供了用于焊接工藝的焊劑。在一個實施方案中，將焊劑與焊料合金粒子混合以形成焊接材料。正如在下面更詳細描述的，焊劑包含以高于約50重量％的量存在的主要固體組分和選自溶劑、增稠劑和/或金屬氧化物還原劑的一種或多種次要組分。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，對主要固體組分、次要組分和/或焊料粒子進行選擇，以建立描述了在一定溫度范圍內(nèi)焊劑的粘度的特定溫度-粘度/硬度關(guān)系或曲線圖。具體來說，可以選擇主要組分和次要組分來建立溫度曲線圖，以預(yù)先確定焊劑在最大儲存溫度的粘度、焊劑在沉積溫度范圍內(nèi)的溫度下的粘度、和焊劑有活性的溫度，其每一種都在下文更充分地描述。具體來說，如圖1中所示，在本發(fā)明的實施方案中，焊劑通過這樣的溫度曲線圖進行表征，即該溫度曲線圖描述了在焊劑的溫度與焊劑的粘度/硬度(即分別為χ-軸和 y-軸)之間的關(guān)系。應(yīng)該認識到，溫度-粘度/硬度關(guān)系適用于無論是單獨的還是與焊料合金混合的焊劑(即焊接材料)。因此，除非在本文中特意指出，否則對焊劑性質(zhì)的指稱包括焊劑或焊接材料(即焊劑加焊料合金)。圖1描述了三個不同的示例性溫度曲線圖(標(biāo)為10、12和14)，其每個描述了示例性焊劑的粘度-溫度關(guān)系?？偟膩碚f，并參考示例性溫度曲線圖10、12和14，每種焊劑的粘度/硬度隨著溫度升高而降低。焊劑的粘度/硬度是焊劑的可流動性的指示，焊劑的可流動性隨著粘度降低而增加。因此，溫度曲線圖依靠粘度 /硬度，提供了關(guān)于在焊劑所遇到的高達活化溫度的溫度時焊劑的可流動性的信息。作為示例，并且為了更充分地解釋焊劑的粘度/硬度與焊劑的溫度的關(guān)系，通過最大儲存溫度TS1、 Ts2和Ts3，沉積溫度范圍Δ τ” Δ T2禾口 Δ T3,以及活化溫度Tai、Ta2和Ta3對每個示例性溫度曲線圖10、12和14分別進行了部分的描述，其中焊劑在處于或高于活化溫度時有活性，在低于活化溫度時無活性。最大儲存溫度例如TS1、TS2和Ts3表示相應(yīng)的焊劑可以耐受并保持在不可流動狀態(tài)下的最高溫度。正如所示，每種焊劑在高達并包含相應(yīng)焊劑的最大儲存溫度TS1、TS2和Ts3時的粘度相對高。在這些粘度下，焊劑是不可流動的。也就是說，當(dāng)焊劑的溫度處于或低于最大儲存溫度的溫度時，焊劑無助于向表面的分配、泵送或施加。此外，焊劑可能不是粘性或發(fā)粘的。但是，正如在下文更詳細說明的，可以對焊劑的組成進行調(diào)整，使得焊劑在不可流動狀態(tài)下具有預(yù)定的粘性。應(yīng)該認識到，預(yù)定的粘性可以隨著焊劑預(yù)計被使用的應(yīng)用的不同而異。雖然在暴露于處于或低于最大儲存溫度的溫度時焊劑可能是不可流動的，但將焊劑加熱到高于最大儲存溫度的溫度會降低焊劑的粘度/硬度。換句話說，在高于最大儲存溫度的溫度下，焊劑變得更軟并更易流動。在進一步加熱后，焊劑的溫度達到沉積溫度范圍的下限溫度。從沉積溫度范圍的低端值到高端值，焊劑是可流動和無活性的。換句話說，當(dāng)焊劑的溫度處在沉積溫度范圍內(nèi)時，焊劑的粘度低得足以允許焊劑被分配。正如所示，沉積溫度范圍可以根據(jù)具體的焊劑配方而變。此外，沉積溫度范圍可以包括高于焊劑的最大儲存溫度并低于焊劑的活化溫度的溫度。在焊劑處于可流動狀態(tài)時分配焊劑，可以包括強迫加熱的焊劑通過可被加熱的孔口。在一個實施方案中，焊劑可以使用可商購的分配設(shè)備進行分配，例如DEK International公司的型板噴刷設(shè)備。例如，沉積溫度范圍可以包括約 45°C到約100°C范圍內(nèi)的溫度。將焊劑向沉積溫度范圍的更高端值進一步加熱可以進一步降低焊劑的粘度。焊劑的粘度可被降低到焊劑可在重力影響下流動的點，并且在進一步加熱后，粘度可以降低到焊劑處于液體狀態(tài)的點。在一個實施方案中，沉積溫度范圍中的最高溫度可以略低于焊劑的活化溫度。但是，應(yīng)該認識到，在最高沉積溫度與活化溫度之間可以存在這樣一個溫度范圍，在該溫度范圍中焊劑過于液化而不能沉積并且也沒有活性。例如，當(dāng)焊料粒子與焊劑混合(即焊接材料)時，焊劑的粘度可以降低到粒子沉積或與焊劑分離的點。因此，盡管焊劑在這些溫度下可能是可流動和無活性的，但是在焊料粒子不能保持懸浮在焊劑中時分配焊接材料可能是不切實際的。因此，沉積溫度范圍的實用上限可以是使焊劑的粘度降低到這樣的點時的溫度，即在所述點處焊料粒子與焊劑分離的速率對從中形成的焊糊沉積物的質(zhì)量有負面影響。但是，普通技術(shù)人員將會觀察到，焊料粒子從液體焊劑沉降的速率可能受到每個焊料粒子的個體尺寸以及焊料粒子的密度的影響。此外，正如下文顯示的，可以改變焊劑的組分以促進和維持處于懸浮的焊料粒子。因此，焊接材料的沉積溫度范圍的實用上限溫度可能受到焊料粒子的變化和焊劑組分的變化的影響。在高于沉積溫度范圍的溫度，焊劑的粘度可以繼續(xù)降低。具體來說，隨著進一步加熱，焊劑的粘度可以低至足以被當(dāng)作液體。正如所示，焊劑可以從具有糊狀粘度向具有更加液體狀粘度轉(zhuǎn)變。此外，在該溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的進一步升高，粘度可能以增加的速率降低。當(dāng)焊劑的溫度進一步增加時，粘度可以以減少的速率降低，直到隨著溫度升高粘度達到接近恒定值，如圖1中所示。參考圖1中的溫度曲線圖10、12和14，當(dāng)相應(yīng)焊劑的溫度達到相應(yīng)的活化溫度 TA1、TA2和Ta3時，焊劑的粘度可能相對低，使得焊劑可以被當(dāng)作處于液體狀態(tài)。因此，在活化溫度例如TA1、TA2和Ta3，焊劑可能容易地流過沉積表面。此外，當(dāng)焊劑達到活化溫度時，焊劑變得有活性。在活性狀態(tài)下，焊劑可能與它所分配在其上的表面反應(yīng)，和/或焊劑的組分可能彼此反應(yīng)。相比之下，低于活化溫度TA1、TA2和Ta3，相應(yīng)的焊劑處于無活性狀態(tài)。因此，焊劑不與它所駐留在其上的表面反應(yīng)，焊劑組分也不彼此反應(yīng)。因此，考慮到焊劑的液體活性狀態(tài)，在達到活化溫度后，焊劑可以流過表面，同時與任何污染物例如氧化物反應(yīng)，以準備用于焊接的表面。例如，活化溫度可以為至少約50°C。在一個實施方案中，活化溫度高于約 120°C。在高于活化溫度的溫度，焊劑的粘度可以進一步降低，并且任何的焊料粒子熔化。 但是，如圖1中所示，在高于活化溫度的溫度下，焊劑的粘度可能僅僅略微降低或可能完全不降低。在這種情況下，當(dāng)焊劑的溫度達到并然后超過活化溫度時，焊劑的粘度可能變得恒定或接近恒定。此外，對于某些焊劑來說，在低于活化溫度的溫度，焊劑的粘度可以達到最小值。應(yīng)該認識到，任何特定焊劑的最小粘度可能與對于不同焊劑所觀察到的最小粘度不同。在一個實施方案中，在包含活化溫度的溫度范圍內(nèi)，焊劑的溫度-粘度曲線可能變得與溫度軸漸進。在高于活化溫度的溫度，焊料粒子可能熔化。一旦焊料粒子熔化后，焊劑就可以額外地促進熔化的焊料與部件表面之間的潤濕，以促進高質(zhì)量的焊接連接部的形成。焊劑也可以限制熔化的焊料與周圍環(huán)境的反應(yīng)。熔化焊料粒子(在圖1中沒有標(biāo)出)所需的溫度根據(jù)焊料的不同而異，并且至少與活化溫度一樣高，盡管焊料的熔化溫度通常高于活化溫度。例如，熔化溫度可以超過約150°C，并典型地在約185°C到約^(TC的范圍內(nèi)。正如以前提到的，液相線溫度(即焊料合金完全變?yōu)橐后w時的最低溫度)必須處于或低于450°C才能取得作為焊接材料的資格。在焊料熔化并冷卻后，焊料形成了永久性焊接連接部。具體來說，并參考圖1中的溫度曲線圖10，焊劑如下進行表征，即在高達并包含最大儲存溫度Tsi的溫度時具有高粘度。更具體來說，由溫度曲線圖10所表示的焊劑，當(dāng)該焊劑處于一直到最大儲存溫度Tsi的任何溫度時，是固體。例如，當(dāng)焊劑是固體時，焊劑的粘度可以超過IO12Pa · S。此外，在一個實施方案中，當(dāng)焊劑的溫度處于或低于最大儲存溫度Tsi 時，焊劑是硬的或堅固的，盡管當(dāng)需要特殊應(yīng)用時可以配制焊劑組合物以使焊劑具有最大量的粘性。繼續(xù)參考由溫度曲線圖10所表示的焊劑，可以配制焊劑以將最大儲存溫度Tsi設(shè)定在焊劑在運輸和倉儲期間可能經(jīng)歷的溫度范圍(由箭頭16所示)處或略高于所述范圍。 正如所知，許多產(chǎn)品在運輸和倉儲期間經(jīng)歷廣范圍的溫度，因為這些溫度通常是不受控制的，并取決于地理和其他因素而變，并可能超過焊劑在所有其他環(huán)境中所經(jīng)歷的溫度。在一個實施方案中，例如在溫度曲線圖10所表示的焊劑中，焊劑在運輸和倉儲環(huán)境中處于不可流動的無活性狀態(tài)，因為最大儲存溫度Tsl略高于在這些環(huán)境中可能發(fā)現(xiàn)的極端溫度。因此，當(dāng)焊劑的最大儲存溫度超過運輸和倉儲期間達到的最高溫度時，焊劑可被運輸?shù)降乩砦恢美缈拷嗟阑蚣竟?jié)溫度相對高的位置，而不用擔(dān)心焊劑在使用前降解或劣化。例如， 在運輸和倉儲期間觀察到的溫度可以超過約45°C，并在某些情況下可以達到50°C或甚至 60°C。高于最大儲存溫度Tsi時，粘度隨著溫度升高而降低，并且由溫度曲線圖10所表示的焊劑進入可流動的無活性狀態(tài)，其中焊接材料的沉積是可能的，并且在有利情況下是實用的。在溫度曲線圖10的情況下，沉積溫度范圍AT1被顯示為完全位于該材料的糊狀范圍內(nèi)，盡管其他實施方案也考慮了在該材料的液體范圍內(nèi)沉積。用于沉積的實用溫度范圍取決于沉積的方法、分配裝置的類型、焊接材料的組成和本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認識到的其他因素。例如，AT1可以為約70°C到約90°C、或約75°C到約105°C、或約90°C到約120°C。高于沉積溫度范圍AT1并在該材料的液體粘度范圍內(nèi)時，焊劑在活化溫度Tai達到液體活性狀態(tài)。在Tai和以上的溫度，焊劑是化學(xué)活性的，并且表面準備和潤濕功能被啟動。例如，Tai可以高于約100°C、或高于約120°C。還例如，Tai可以高于約120°C并低于焊料合金的熔化溫度。正如可以認識到的，對于具有溫度曲線圖10的焊劑來說，焊劑組分和焊料合金的選擇旨在提供相對高的活化和熔化溫度，以適應(yīng)預(yù)期的運輸和倉儲條件所需的高的最大儲存溫度。盡管術(shù)語“不可流動的”可以是指如上所述的固體焊劑，但本發(fā)明不限于此。焊劑可以具有焊糊樣的稠度(即位于如圖1中所標(biāo)注的粘度的糊狀范圍內(nèi))并仍然可以被當(dāng)作是不可流動的。例如，處于和低于相應(yīng)的最大儲存溫度Ts2和Ts3時，由溫度曲線圖12和14 所表示的每種焊劑都是不可流動的，這是因為焊劑的粘度足夠高，從而阻止焊劑在經(jīng)歷焊糊分配時所遇到的正常力或由于重力所致的被分配。此外，與溫度曲線圖10所表示的焊劑相似，由溫度曲線圖12和14所表示的焊劑在一直到并包含相應(yīng)的最大儲存溫度TS2、t3時可以是非粘性或不發(fā)粘的，盡管相應(yīng)焊劑的粘度位于糊狀范圍內(nèi)。繼續(xù)參考圖1并具體參考溫度曲線圖12，最大儲存溫度可以設(shè)定到Ts2，其低于 Tsio但是，最大儲存溫度I^2高于焊劑在例如溫度不受控制的制造環(huán)境中所經(jīng)歷的溫度(如箭頭18所示)。正如本技術(shù)領(lǐng)域中所知，制造環(huán)境中的溫度可以隨著大量因素而廣泛變化， 這些因素包括地理位置、年度中的時間以及所執(zhí)行的操作的類型。例如，制造環(huán)境的溫度可以在低于室溫到超過約40°C的溫度范圍內(nèi)。但是，不受控制的制造環(huán)境溫度可以低于如上所述的在運輸和倉儲期間所遇到的溫度。因此，在一個實施方案中，例如由溫度曲線圖12 所表示的焊劑，焊劑在制造環(huán)境中處于不可流動的無活性狀態(tài)，因為最大儲存溫度處于或略微高于焊劑在該環(huán)境中所經(jīng)歷的最大溫度。此外，正如圖1所提供的，由溫度曲線圖10所表示的焊劑在制造環(huán)境中也可以處于不可流動的無活性狀態(tài)，因為Tsi也高于在制造環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的溫度。由溫度曲線圖10所表示的焊劑可以儲存在制造環(huán)境中，例如在焊接設(shè)備附近，而不用擔(dān)心該焊劑將過早地降解或劣化，但是由溫度曲線圖12所表示的焊劑則不能如此，這是因為兩種不同焊劑之間配方不同。由溫度曲線圖12所表示的焊劑可以被特別配制用于特定的制造環(huán)境。正如可以認識到的，對于具有溫度曲線圖12的焊劑的焊接材料來說，因為必需的最大儲存溫度較低， 可以選擇焊劑組分和焊料合金以提供比溫度曲線圖10所需的更低的沉積和活化溫度。因此，通過調(diào)整焊劑的配方以獲得特定的最大儲存溫度、沉積溫度范圍和活化溫度，儲存期限可以無限延伸或至少被延長，同時可以制定焊劑的粘度和其他性質(zhì)用于特定沉積技術(shù)和/ 或為具體應(yīng)用進行優(yōu)化。進一步參考溫度曲線圖12，高于最大儲存溫度時，顯示出沉積溫度范圍八1~2延伸在糊狀范圍的較低粘度部分與液體范圍的較高粘度部分之間。在△[與Ta2之間，可能發(fā)生焊料粒子開始析出，使得焊劑的粘度太低而不能維持焊料懸浮，從而使沉積不能實行的情況。在任何情形下，為了將最大儲存溫度Ts2設(shè)置到適應(yīng)于不受控制的制造環(huán)境，AT2 可以為例如約45°C到約100°C，還例如，可以是約50°C到約75°C?；罨瘻囟萒A2可以例如高于約10(TC、或高于約120°C，并低于焊料合金的熔化溫度。同樣地，參考由溫度曲線圖14所表示的焊劑，在一個實施方案中，焊劑被配制成使得最大儲存溫度Ts3略高于室溫或溫控室的溫度(如箭頭20所示)。溫控室可以通過可商購的加熱和空調(diào)設(shè)備被保持在一定溫度。該溫度可以是對于操作人員來說舒適的，和/ 或適合于保持室內(nèi)的電子設(shè)備涼爽。這些室溫和/或受控的溫度可以包括約16°C到約27 °C 范圍內(nèi)的溫度。例如，最大儲存溫度可以為約30°C。同樣地，通過配制焊劑以建立起如上所述的所需溫度曲線圖，可以延長儲存期限，同時可以為特定沉積技術(shù)調(diào)配焊劑的粘度和其他性質(zhì)，和/或為特定應(yīng)用對這些性質(zhì)進行優(yōu)化。因此，盡管由溫度曲線圖10和12所表示的焊劑可以儲存在略高于溫控室的溫度同時各自保持在不可流動的無活性狀態(tài)下，但由溫度曲線圖14所表示的焊劑可以為該環(huán)境進行特定調(diào)配，使得可以在允許由溫度曲線圖 10和12所表示的焊劑不沉積或不活化的預(yù)定溫度下，由溫度曲線圖14所表示的焊劑沉積和活化。例如，被顯示成從糊狀范圍的末端延伸到液體范圍的高粘度部分的沉積溫度范圍 Δ T3，可以為約35°C到約45°C、約40°C到約55°C或約45°C到約60°C?；罨瘻囟萒a3可以低至約50°C，并例如可以高于約100°C、或高于約150°C并低于焊料合金的熔化溫度。此外，參考圖1中的溫度曲線圖10、12、14并考慮上述的無活性狀態(tài)和活性狀態(tài)， 每個溫度曲線圖10、12、14的一直到略低于活化溫度的溫度的部分是可逆的。換句話說，焊劑可以分別在低于活化溫度TA1、TA2和Ta3的任何兩個溫度之間(即在焊劑處于無活性狀態(tài)時)重復(fù)地加熱和冷卻，以改變焊劑的粘度。溫度-粘度/硬度曲線在一直到活化溫度的可逆性質(zhì)是有利的。例如，可以將焊劑加熱到沉積溫度范圍內(nèi)的溫度，分配或沉積到部件的表面上，冷卻到不可流動的無活性狀態(tài)，然后重新加熱和再流平所需的次數(shù)，而不發(fā)生焊劑的明顯降解。然后，在任何重新加熱后的某些時間，可以將焊劑加熱到活化溫度，并隨后進行焊接。除了溫度曲線圖的可逆性質(zhì)之外，焊劑在一直到至少最大儲存溫度的不可流動性質(zhì)是有利的。正如上面提出的，在處于或低于最大儲存溫度的溫度，所分配的焊劑可能不具有與傳統(tǒng)的被分配焊糊有關(guān)的糊狀和/或柔軟性問題。因此，在分配和冷卻后，焊劑不太可能被無意轉(zhuǎn)移到其他表面上。例如，可以將焊劑分配到工件上。一旦將焊劑冷卻到低于最大儲存溫度后，可以對工件進行運輸和操作而不污染焊劑，也不會從其上不慎移除焊劑。工件可以是線路板、電線、銅管或其他基材。使用銅管作為具體實例，可以將焊接材料以最適量預(yù)先施加到管的最適位置處。一旦焊劑被冷卻到低于焊劑的最大儲存溫度時，管就可以進行儲存、運輸和隨后銷售。在隨后的運輸和操作期間，焊劑保持完好并在原來位置。購買者可以簡單地將預(yù)先施加的焊接材料重新加熱到高于焊料的活化溫度和熔化溫度，以與另一個管或配件形成連接部。這種類型的工序可以提供更一致的、更高質(zhì)量的連接部，并可以允許較不熟練的人形成高質(zhì)量的連接部。在另一個實施方案中，工件可以是線路板。正如本技術(shù)領(lǐng)域中已知的，在許多情況下，線路板上的銅接頭鍍有金、銀或其他貴重合金以便減少氧化。根據(jù)本發(fā)明的實施方案， 將不需要這些貴重合金，因為可以施加焊接材料來代替合金。焊劑可以是疏水的，從而形成了疏水性屏障層，保護表面使其避免發(fā)生氧化和其他腐蝕型反應(yīng)。然后可以將帶有焊接材料的線路板運輸?shù)狡渌恢茫灰鸷竸┑拿黠@喪失或電觸點的氧化。這也將消除對隨后將焊糊印刷在線路板上的需要。此外，通過使用焊劑，可以只在最后連接時才加熱線路板，這將減少線路板暴露于高溫下的次數(shù)。正如本領(lǐng)域所已知的，電氣元件例如線路板被加熱的次數(shù)越多，它在使用期間過早故障的機會越大。
在一個實施方案中，可以通過強迫焊劑通過處于沉積溫度范圍內(nèi)的溫度的孔口來分配焊劑。一般來說，除了目前用于分配焊劑焊糊的刻花模版系統(tǒng)之外，據(jù)信傳統(tǒng)的熱熔分配方法和/或產(chǎn)品也可以用于分配焊劑，因為這些系統(tǒng)控制沉積溫度。例如，可以使用圓筒式分配系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的實例描述在美國專利No. 5，435，462中，其公開內(nèi)容在此以其全文引為參考。因此，可以將含有焊劑或焊接材料的圓筒插入到這種系統(tǒng)的加熱腔中。作為替代，也可以將焊劑或焊接材料放置在散料容器例如5加侖的桶或55加侖的滾筒中?？梢詫⑼盎驖L筒放置在被加熱的壓盤或其他加溫裝置上，以將焊劑加熱到沉積溫度范圍內(nèi)的溫度，從而可以從單一來源沉積大量焊劑。在另一個實施方案中，可以使用芯子熔化器(slug melter)。在這種情況下，可以將預(yù)制桿狀或其他預(yù)制形狀的焊接材料插入到芯子熔化器中，并可以使用活塞樣裝置加熱材料并強迫材料到達工件上。在另一個實施方案中，可以將焊劑印刷到具有被加熱的印刷系統(tǒng)的基板上，所述被加熱的印刷系統(tǒng)將刻花模板或絲網(wǎng)維持在沉積溫度范圍內(nèi)的選定溫度。也可以加熱基板。在另一個實施方案中， 沉積可以包括將部件浸在被保持在沉積溫度的焊劑儲存器中。部件可以是目標(biāo)部件，或部件可用于將預(yù)定量的焊劑轉(zhuǎn)移到目標(biāo)部件上。也可使用其他類似的適合的系統(tǒng)來加熱和分配焊劑。正如上面介紹的，焊劑包含超過約50重量％的量的主要固體組分和選自溶劑、增稠劑和/或金屬氧化物還原劑例如酸的一種或多種次要組分。主要固體組分和一種或多種次要組分的比例被選擇為提供上述的所需溫度曲線圖。例如，在準備焊劑中，可以根據(jù)儲存、操作或運輸焊劑的所需最大儲存溫度、所需的沉積溫度范圍、所需的活化溫度、和焊劑活化時的功能，來選擇主要固體組分和次要組分。在一個實施方案中，主要固體組分包含松香、樹脂或蠟或其組合或混合物。其他的主要固體可以包括聚二醇、椰油酰胺和其他適合的化合物。主要固體組分將焊劑和任何焊料粒子保持在一起，并可以包括一種或多種共同占焊劑的50重量％以上的化合物。因此， “組分”不應(yīng)該被解釋為嚴格意義的單數(shù)。主要固體組分可以具有高于約50°C的軟化點。 一般來說，主要固體組分的軟化溫度越高，則最大儲存溫度越高，并且沉積溫度范圍越高。 還例如，軟化點可以為至少約80°C。松香可以是例如天然松香，例如水白松香。其他松香例如氫化木松香、妥爾油松香、脂松香和歧化木松香或其混合物，可以與次要組分混合以提供上述的所需溫度曲線圖。適合的可商購松香包括由festman公司銷售的Dymerex 或由 Newport Industries Ltd 公司銷售的 Nuroz 。通過將樹脂與不飽和有機酸組合對如上所述的一種或多種松香進行改性，可以獲得樹脂。適合的可商購樹脂的實例包括由Ashland公司銷售的Maybelite 和由festman公司銷售的Poly-Pale 。適合使用的蠟的實例包括微晶蠟、環(huán)烷蠟和/或石蠟等。適合的可商購蠟包括由CaromaxInternational公司銷售的CM 7010W和其他CM系列的蠟。在一個實施方案中，可以使用一種或多種次要組分來調(diào)節(jié)焊劑的溫度曲線圖，以便產(chǎn)生上面所提出的運輸和倉儲期間預(yù)期的和/或制造環(huán)境中的溫度。此外，除了其他標(biāo)準之外，可以選擇次要組分并調(diào)配其比例，以調(diào)整沉積溫度范圍和活化溫度以及與目標(biāo)表面的特定反應(yīng)。例如，次要組分可以是一種或多種溶劑例如礦物油精和增稠劑。此外，次要組分可以包括酸或酸的混合物。適合的酸可以包括弱酸，更具體來說是弱有機酸，例如羧酸，例如硬脂酸和/或壬二酸。在一個實施方案中，焊劑包括通過移除氧化物和其他污染物對表面進行清潔的活化劑?；罨瘎┛梢允侨跤袡C酸、商代化合物、胺或其他金屬氧化物還原劑。此外，活化劑可以根據(jù)焊劑所要分配的表面的類型進行選擇。其他適合的次要組分包括油、醇和/或二醇例如聚乙二醇。焊劑任選地包括其他次要組分，例如表面張力改性劑或表面活性劑，其在焊劑與焊料粒子混合并用于形成焊接連接部時，減少或消除焊料珠的產(chǎn)生。在一個實施方案中，焊劑可以包含2 1比例的、軟化點約為70°C的氫化松香與 1-十八醇。該混合物可以進一步包括弱有機酸，其量適合于在再流平過程中減少氧化物。 焊劑還可以包括觸變劑，以將沉積溫度范圍調(diào)整到包括40°C的溫度。可以將焊料粒子分散在焊劑中，并可以添加礦物油精以調(diào)節(jié)沉積溫度范圍。在一個實施方案中，與焊劑混合的焊料粒子可以包含適合于應(yīng)用的錫(Sn)、鉛 (Pb)、銀(Ag)、鉍(Bi)、銅(Cu)、銻(Sb)、銦(In)、鋅(Zn)或鎳(Ni)，及其合金或組合。上面提到的元素的各種組合的合金可以各自具有特定應(yīng)用。但是，廣泛使用的焊料合金包括例如Sn-Pb合金如60Sn-40Pb和63Sn_37Pb。但是，基于“無鉛”焊料合金例如Sn_Cu、Sn-Ag 和Sn-Sb合金的焊料，在本技術(shù)領(lǐng)域中是已知的。為了便于更完全地理解本發(fā)明，提供了下面非限制性的實施例。
具體實施例方式制備了在室溫下為固體的焊劑。焊劑含有80重量％且軟化溫度為約80°C且酸值為150-170的部分氫化松香、15重量％的聚乙二醇1450、2. 5重量％的壬二酸和2.5重量％ 的硬脂酸。通過將焊料粒子分散在上述焊劑中，制備了焊接材料。該焊接材料含85重量％的 96. 5Sn-3Ag-0. 5Cu合金焊料粒子，以及構(gòu)成其余焊接材料的上述焊劑。在22°C下焊接材料是固體。沉積溫度范圍大約為45°C到60°C?；罨瘻囟燃s為95°C。在另一個實施方案中，制造焊劑的方法包括加熱主要固體組分呈液體狀態(tài)。當(dāng)主要固體組分處于液體狀態(tài)時，加入一種或多種次要組分以形成焊劑混合物。將焊劑混合物冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，在該溫度焊劑混合物處于不可流動的無活性狀態(tài)。在本發(fā)明的一個實施方案中，可以通過將焊劑加熱處于或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度來制造焊接材料。當(dāng)焊劑處于可流動的無活性狀態(tài)時，將焊料粒子分散在整個加熱的焊劑中以形成焊料/焊劑混合物。使焊料/焊劑混合物冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，由此使焊料/焊劑混合物處于不可流動的無活性狀態(tài)。盡管已通過各種實施方案的描述對本發(fā)明進行了說明，并且盡管對這些實施方案在某些方面進行了詳細描述，但是被申請人不打算將權(quán)利要求書的范圍約束或以任何方式限制于這些詳細描述。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通專業(yè)人員來說，其他優(yōu)點和修改將是顯而易見的。取決于用戶的需要和偏好，本發(fā)明的各種不同特點可以單獨或以大量的組合來使用。
權(quán)利要求
1.焊接用焊劑，其包含以高于約50重量％的量存在的主要固體組分和選自溶劑、增稠劑和/或金屬氧化物還原劑的一種或多種次要組分，其中焊劑具有這樣的溫度曲線圖，即其中焊劑在處于或低于最大儲存溫度的溫度處于不可流動的無活性狀態(tài)，所述最大儲存溫度高于約27°C，在活化溫度處于液體活性狀態(tài)，以及在高于最大儲存溫度并低于活化溫度的沉積溫度范圍內(nèi)處于可流動的無活性狀態(tài)。
2.權(quán)利要求1的焊劑，其中主要固體組分具有高于約50°C的軟化點。
3.權(quán)利要求1的焊劑，其中最大儲存溫度為約40°C，在該最大儲存溫度或低于該最大儲存溫度焊劑處于不可流動的無活性狀態(tài)。
4.權(quán)利要求3的焊劑，其中不可流動的無活性狀態(tài)是固體狀態(tài)。
5.權(quán)利要求3的焊劑，其中沉積溫度范圍包括在約45°C到約100°C范圍內(nèi)的溫度。
6.權(quán)利要求5的焊劑，其中活化溫度高于約120°C。
7.權(quán)利要求1的焊劑，其中沉積溫度范圍包括在約75°C到約105°C范圍內(nèi)的溫度，且活化溫度高于沉積溫度范圍。
8.權(quán)利要求1的焊劑，其中沉積溫度范圍包括在約45°C到約60°C范圍內(nèi)的溫度，且活化溫度高于沉積溫度范圍。
9.權(quán)利要求1的焊劑，其中主要固體組分包括松香、樹脂、蠟或聚二醇，或其組合。
10.焊接材料，其包含其中分散有焊料粒子的權(quán)利要求1的焊劑，其中焊料粒子在活化溫度或高于活化溫度處于液體狀態(tài)。
11.制造權(quán)利要求10的焊接材料的方法，所述方法包括將焊劑加熱到沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度；將焊料粒子分散在整個加熱的焊劑中形成焊料/焊劑混合物；將焊料/焊劑混合物冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，由此使焊料/焊劑混合物處于不可流動的無活性狀態(tài)。
12.分配權(quán)利要求10的焊接材料的方法，所述方法包括將焊接材料加熱到沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度；當(dāng)焊接材料在沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度時，將加熱的焊接材料分配到基材上；并且將焊接材料冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，由此使焊接材料處于不可流動的無活性狀態(tài)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中分配包括強迫加熱的焊接材料通過孔口。
14.權(quán)利要求12的方法，其中在加熱焊接材料之前，所述方法還包括在最大儲存溫度或低于最大儲存溫度儲存焊接材料，由此使焊接材料處于不可流動的無活性狀態(tài)。
15.使用權(quán)利要求10的焊接材料進行焊接的方法，所述方法包括將焊接材料加熱到沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度的溫度；當(dāng)焊接材料在沉積溫度范圍內(nèi)或高于沉積溫度范圍并低于活化溫度時，將加熱的焊接材料分配到工件上；將焊接材料加熱到活化溫度或高于活化溫度，由此使焊劑從工件的表面除去氧化物；將焊接材料加熱到焊料粒子的熔化溫度以使焊料粒子熔化并同時與工件的表面相接觸；并且將熔化的焊料冷卻。
16.權(quán)利要求15的方法，其中分配包括強迫加熱的焊接材料通過孔口。
17.使用權(quán)利要求10的焊接材料進行焊接的方法，所述方法包括將焊接材料從處于或低于最大儲存溫度的溫度加熱到焊料粒子的熔化溫度以使焊料粒子熔化，焊接材料位于第一工件與第二工件之間并與每個工件相接觸；并且將熔化的焊料冷卻，由此在第一工件和第二工件之間形成連接部。
18.權(quán)利要求17的方法，其中第一工件是銅管或金屬配件、電氣元件或電線中的一種。
19.制造權(quán)利要求1的焊劑的方法，所述方法包括 加熱主要固體組分呈液體狀態(tài)；在液體狀態(tài)下向主要固體組分加入一種或多種次要組分，形成處于可流動的無活性狀態(tài)的焊劑混合物；將焊劑混合物冷卻到處于或低于最大儲存溫度的溫度，由此使焊劑混合物處于不可流動的無活性狀態(tài)。
20.權(quán)利要求19的方法，所述方法還包括當(dāng)焊劑混合物在冷卻前處于可流動的無活性狀態(tài)時，將焊料粒子分散在整個焊劑混合物中。
21.裝置，其包含 基材；以及附著在基材上包含權(quán)利要求1的焊劑的層。
22.權(quán)利要求21的裝置，其中基材是銅管或金屬配件、電氣元件或電線中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了焊劑和焊接材料及其制備方法。本發(fā)明特別地公開了一種焊接用焊劑，其包含以高于約50重量％的量存在的主要固體組分和選自溶劑、增稠劑和/或金屬氧化物還原劑的一種或多種次要組分。該焊劑具有這樣的溫度曲線圖，即其中焊劑在處于或低于最大儲存溫度的溫度處于不可流動的無活性狀態(tài)，所述最大儲存溫度高于約27℃，在活化溫度處于液體活性狀態(tài)，以及在高于最大儲存溫度并低于活化溫度的沉積溫度范圍內(nèi)處于可流動的無活性狀態(tài)。焊接材料包含分散在焊劑中的焊料粒子。
文檔編號B23K35/363GK102211261SQ201110035989
公開日2011年10月12日 申請日期2011年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者約翰·A·維瓦里 申請人:諾信公司