用于玻璃的無鉛焊料組合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于玻璃的無鉛焊料組合物。用于玻璃的無鉛焊料組合物包括銦、鋅和錫。銦（In）在約30.0wt%～約60wt%的范圍內(nèi)。鋅（Zn）在約0.01wt%～約11.0wt%的范圍內(nèi)。錫（Sn）作為剩余組分包含于其中。
【專利說明】用于玻璃的無鉛焊料組合物
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于玻璃的無鉛焊料組合物。更具體地，本發(fā)明涉及環(huán)保型的用于玻璃的無鉛焊料組合物，其沒有重金屬例如鉛，并且防止在車輛運(yùn)行中玻璃開裂。
【背景技術(shù)】
[0002]通常而言，玻璃用在車輛的所有側(cè)，以保證駕駛員對道路和周邊環(huán)境的視野。具體而言，用在車輛的前側(cè)(例如，擋風(fēng)玻璃)和后側(cè)(后窗玻璃)的玻璃通常要承載其他的車輛功能性，例如，與擋風(fēng)玻璃相關(guān)的除霜器、無線電天線等，以及與后窗玻璃相關(guān)的加熱元件、天線等。
[0003]為了向車窗提供這些類型的功能性，有必要提供電連接用于電力供應(yīng)和電信號傳導(dǎo)。為了向車輛的玻璃窗穩(wěn)定地供電，用于從電池向形成于玻璃表面上/內(nèi)的電極供應(yīng)電力的端子必須被焊接。不幸的是，端子和玻璃是由熱膨脹系數(shù)顯著不同的不同材料構(gòu)成。在范圍可為約-40°C?約+105°C的車輛運(yùn)行溫度下，這些材料的熱膨脹率差異可能引起玻璃開裂。
[0004]因此，通常將軟金屬鉛(Pb)加到玻璃用焊料中，以分散在玻璃和端子之間出現(xiàn)的熱應(yīng)力。例如，在擋風(fēng)玻璃的情況下，加熱元件電線布置在玻璃的下部以防止雨刮器在冬季凍住。在側(cè)窗玻璃的情況下，天線可以布置在車輛例如廂式貨車的側(cè)窗玻璃上。相似地，在后窗玻璃的情況下，可以布置加熱電線、天線等。
[0005]通常通過印刷包含銀(Ag)作為主成分的漿料并在玻璃中燒結(jié)漿料來形成加熱元件電線和天線。加熱元件電線和天線與端子焊接在一起用于電連接。目前，常規(guī)使用含鉛焊料，即包含有大量鉛(Pb)的焊料，例如錫(Sn) -62鉛(Pb) -3銀(Ag) -10鉍(Bi)組合物。
[0006]近來，由于化石燃料例如汽油或重油的使用增加，大量的SOx和NOx被釋放到大氣中。這些空氣中的污染物具有降低雨的pH的作用，造成酸雨。不幸的是，當(dāng)酸雨與地面上電子設(shè)備的焊接部分接觸時，可能使鉛從鉛-錫合金焊料中熔出，并滲透到地下，從而地下水被重金屬(例如Pb)污染。這些重金屬污染可能在攝入污水的人體中引起多種健康問題，例如鉛中毒。因此，需要無鉛焊料。
[0007]在無鉛焊料的情況下，通常使用基于三種元素(Sn-Ag-Cu)的焊料例如錫(Sn)-3.0銀(Ag)-0.5銅(Cu)組合物。不幸的是，該組合物在玻璃-金屬應(yīng)用中具有局限性，由于高溫下熔融的無鉛焊料在焊接過程中在玻璃基板中變硬時所產(chǎn)生的應(yīng)力，玻璃會發(fā)生開裂。這是由玻璃與含有錫(Sn)和其他金屬的合金之間的膨脹系數(shù)差而造成的。
[0008]并且，美國專利第6，253，988號公開用于車輛玻璃應(yīng)用的錫(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu)-銦(In)組合物的基于4種元素的無鉛焊料組合物，其提供錫(Sn)-4.5銀(Ag)-0.5銅(Cu)-65銦(In)的組合物。不幸的是，該組合物的商業(yè)價值有限，因為其包含顯著水平的銦(In)和銀(Ag)，成本非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明提供玻璃用的無鉛焊料組合物，其具有多個優(yōu)點(diǎn)，包括:降低的/消除的毒性、優(yōu)化的可濕性，并且防止焊接的端子部分的玻璃開裂，以及增加的粘合強(qiáng)度。
[0010]在ー個方面，本發(fā)明提供玻璃用的無鉛焊料組合物，包含:約30.0wt%?約60wt%的銦(In);約0.01wt%?約11.0wt%的鋅(Zn);以及作為剩余組分的錫(Sn)。在示例性實施方式中，組合物還可包含ー種或多種選自銅(Cu)、錳(Mn)和鎳(Ni)的元素。在另ー個示例性實施方式中，組合物還可包含約0.lwt%?約3.0wt%的銅(Cu)。在另ー個示例性實施方式中，組合物還可包含約0.01wt%?0.5wt%的猛(Mn)。在另ー個示例性實施方式中，組合物還可包含約0.01wt%?約0.5wt%的鎮(zhèn)(Ni)。
[0011]在另ー個示例性實施方式中，組合物可被制備為用于制造選自焊膏、焊球、軟焊棒(solder bar)、焊絲、焊料凸點(diǎn)(solder bump)、焊板、焊粉、焊塊(solder pellet)、焊接顆粒、焊帶(solder ribbon)、焊料墊圈(solder washer)和焊接環(huán)的一種或多種焊料預(yù)成型件。
[0012]本發(fā)明的其他方面和示例性實施方式在下文中討論。
【具體實施方式】
[0013]下面將詳細(xì)地參照本發(fā)明的各個實施方式，其實施例在附圖中圖示，并在下文加以描述。盡管將結(jié)合示例性實施方式描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本說明書無意于將本發(fā)明局限于這些示例性實施方式。相反，本發(fā)明不僅要涵蓋這些示例性實施方式，還要涵蓋由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替代形式、修改、等效形式和其它實施方式。
[0014]應(yīng)理解，本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似術(shù)語包括通常的機(jī)動車，例如，包括多功能運(yùn)動車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的客車，包括各種船只和船舶的水運(yùn)工具，飛行器等等，并且包括混合動カ車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其它代用燃料車(例如，來源于石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動カ車是具有兩種或多種動カ源的車輛，例如，具有汽油動力和電動カ的車輛。
[0015]本文中提供的范圍應(yīng)理解為該范圍內(nèi)所有數(shù)值的簡寫。例如，I?50的范圍應(yīng)理解為包括選自 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、或50、以及所有介于上述整數(shù)之間的小數(shù)值(例如，1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8、和1.9)的任何數(shù)字、數(shù)字的組合、或子范圍。關(guān)于子范圍，具體考慮從范圍內(nèi)的任意端點(diǎn)開始延伸的“嵌套的子范國”。例如，I?50的示例性范圍的嵌套子范圍可以包括ー個方向上的I?10、1?20、1?30和I?40，或在另一方向上的50?40、50?30、50?20和50?10。
[0016]除非具體說明或從上下文明顯得到，否則本文所用的術(shù)語“約”理解為在本領(lǐng)域的正常容許范圍內(nèi)，例如在均值的2個標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)?！凹s”可以理解為在所述數(shù)值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01% 內(nèi)。除非另外從上下文清楚得到，本文提供的所有數(shù)值都由術(shù)語“約”修飾。
[0017]本發(fā)明涉及玻璃用的無鉛焊料組合物，其為包含錫(Sn)-銦(In)-鋅(Zn)的基于3種元素的焊料的環(huán)境友好型無毒焊料組合物，其使接合點(diǎn)玻璃開裂特性、焊料的熔點(diǎn)和粘合強(qiáng)度最優(yōu)。
[0018]考慮焊料相對于玻璃基板的可濕性和可使用性特性以及焊料對抗機(jī)械沖擊的可靠性來形成本發(fā)明的無鉛焊料組合物，這些特性與常規(guī)的含鉛焊料相同或優(yōu)于常規(guī)含鉛焊料。具體地，本發(fā)明可以提供用于玻璃的基于3種元素(錫(Sn)-銦(In)-鋅(Zn))的無鉛焊料組合物，其可包括約30.0wt%?約60.0wt%的銦(In)、約0.01wt%?11.0wt%的鋅(Zn)和作為剩余組分的錫(Sn )。
[0019]在無鉛焊料組合物中，錫(Sn)是無鉛焊料合金的主要組分，其無毒且能夠容易地與其他金屬形成合金，并且使相對于用于粘合的基材的可濕性增加。
[0020]并且，在無鉛焊料組合物中，可以包括約30.0wt%?約60.0wt%的銦(In)。當(dāng)以少于約30.0wt%的水平添加銦(In)時，焊料的柔軟度可能降低而在焊接到玻璃板的過程中引起玻璃開裂。當(dāng)以大于約60.0wt%的水平添加銦(In)時，焊料的柔軟度和機(jī)械特性可能并不與銦(In)含量成比例地改善，而焊料合金的價格可能迅速增加。因此，銦(In)的含量可以在約30.0wt%?約60wt%的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地，可以是約42wt%。
[0021]在無鉛焊料組合物中，因為鋅(Zn)的含量可以在約0.01wt%?約11.0wt%的范圍內(nèi)，Zn可以通過其對基材(例如用作端子材料的銀(Ag))的親和性，通過在焊料與基材之間形成粘合界面而防止銀析出。當(dāng)以少于約0.01wt%的含量添加鋅(Zn)時，由于鋅(Zn)與基材之間的粘合界面的形成減少，可能發(fā)生銀的析出。當(dāng)以多于約llwt%的含量添加鋅(Zn)時，不管工藝組成如何，粘合強(qiáng)度和機(jī)械特性可能不會與鋅(Zn)含量成比例地改善，且由于鋅(Zn)的氧化，可使用性可能顯著降低。因此，鋅(Zn)的含量可以在約0.01wt%?約
11.0wt%的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為約4wt%。
[0022]無鉛焊料組合物可另外包括一種或多種選自銅(Cu)、錳(Mn)、和鎳(Ni)的元素。具體地，無鉛焊料組合物可另外包括約0.1?約3.0wt%的Cu、約0.01wt%?約0.5wt%的Mn、以及約 0.01wt% ?約 0.5wt% 的 Ni。
[0023]由于在無鉛焊料組合物中包括約0.1?3.0wt%的銅(Cu)，在高溫環(huán)境下的物理變形可能會最小化。當(dāng)以少于約0.lwt%的含量包括Cu時，效果可能比較輕微。另一方面，當(dāng)以高于約3.0wt%的含量包括Cu時，Cu與Zn金屬之間的過量化合物形成可能影響所得焊料的可使用性。
[0024]因為在無鉛焊料組合物中包括約0.01?0.5wt%的Mn，合金的熔點(diǎn)可能增加。當(dāng)以少于約0.01wt%的含量包括Mn時，提高合金熔點(diǎn)的效果可能比較輕微。另一方面，當(dāng)以高于約0.5wt%的含量包括Mn時,可使用性可能因Mn的氧化而降低。
[0025]因為在無鉛焊料組合物中包含約0.01?約0.5wt%的Ni，粘合界面結(jié)構(gòu)可能被致密化，因此粘合強(qiáng)度可能增加。當(dāng)以少于約0.01wt%的含量包括Ni時，粘合強(qiáng)度增加的效果可能是輕微的。另一方面，當(dāng)以高于約0.5wt%的含量包括Ni時,糊狀區(qū)(mush zone)可能變寬，從而降低焊料的可使用性。
[0026]本發(fā)明的無鉛焊料組合物可被制備為用于制造選自焊膏、焊球、軟焊棒、焊絲、焊料凸點(diǎn)、焊板、焊粉、焊塊、焊接顆粒、焊帶、焊料墊圈和焊接環(huán)的一種或多種焊料預(yù)成型件。
[0027]最理想的無鉛焊料組合物是基于三種元素的錫(Sn)_42銦(In)_4鋅(Zn)的組合物。在根據(jù)以下實施例和比較例進(jìn)行制造之后將通過相同的實驗來評估根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的無鉛焊料組合物、典型的含鉛焊料組合物(Sn-3Ag-62Pb-10Bi)、和典型的基于4種元素的無鉛焊料組合物(Sn-2.5Ag-2.0Cu-0.8In)。
[0028]實施例
[0029]根據(jù)實施例1~8的合金被制備為具有表1所示的組成。
[0030]比較例
[0031]根據(jù)比較例I~3的合金被制備成具有表1所示的組成。根據(jù)比較例I的合金具有與典型的基于3種元素的無鉛焊料一樣的組成，且根據(jù)比較例2的合金具有與典型的基于4種元素的無鉛焊料一樣的組成。并且，根據(jù)比較例3的合金具有與典型的基于含鉛焊料一樣的組成。
[0032]表1
【權(quán)利要求】
1.一種組合物，包括: 銦(In)； 鋅(Zn);和 錫(Sn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物,其中In的含量在約30.0wt%~約60.0wt%的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物,其中Zn的含量在約0.01wt%~約11.0wt%的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物,其中In的含量在約30.0wt%~約60.0wt%的范圍內(nèi)且Zn的含量在約0.01wt%~約11.0wt%的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組合物，其中Sn的含量在約69.99wt%~約29wt%的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，還包括一種或多種選自銅(Cu)、錳(Mn)和鎳(Ni)的元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，還包括含量在約0.lwt%~約3.0wt%的范圍內(nèi)的銅(Cu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，還包括含量在約0.01wt%~0.5wt%的范圍內(nèi)的猛(Mn)?！?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，還包括含量在約0.01wt%~約0.5wt%的范圍內(nèi)的鎳(Ni)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述組合物是選自焊膏、焊球、軟焊棒、焊絲、焊料凸點(diǎn)、焊板、焊粉、焊塊、焊接顆粒、焊帶、焊料墊圈和焊接環(huán)的焊料預(yù)成型件。
11.一種組合物，基本由以下組分構(gòu)成: 銦(In)，其中In的含量在約30.0wt%~約60.0wt%的范圍內(nèi)； 鋅(Zn)，其中Zn的含量在約0.01wt%~約11.0wt%的范圍內(nèi)；以及 余量的錫(Sn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中In的含量為30.0wt%。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中In的含量為60wt%。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中Zn的含量為0.01wt%。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中Zn的含量為11.0wt%。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中所述組合物是選自焊膏、焊球、軟焊棒、焊絲、焊料凸點(diǎn)、焊板、焊粉、焊塊、焊接顆粒、焊帶、焊料墊圈和焊接環(huán)的焊料預(yù)成型件。
17.—種組合物，由以下組分構(gòu)成:
30.0wt% 的銦(In)； 0.01wt%的鋅(Zn);以及 余量的錫(Sn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的組合物，其中所述組合物是選自焊膏、焊球、軟焊棒、焊絲、焊料凸點(diǎn)、焊板、焊粉、焊塊、焊接顆粒、焊帶、焊料墊圈和焊接環(huán)的焊料預(yù)成型件。
【文檔編號】B23K35/26GK103586595SQ201310163760
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月13日
【發(fā)明者】丁海元, 樸炫達(dá), 李泰承, 金承奎, 朱洪魯, 尹鎬俊, 樸民豪, 李柱東, 鄭鉉采, 李善明 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社, 韓國汽車玻璃株式會社, 喜星素材株式會社