專利名稱：具有優(yōu)越可焊接性的無鉛焊料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及供電子部件中接線之用的無鉛焊料。特別地，本發(fā)明涉及錫—銀—銦—鉍系列可焊接性優(yōu)越的無鉛焊料。
每一種焊料具有適合其使用場合的獨特性質。通常的焊料中，熔化溫度和凝固溫度的范圍是重要的。
即，用于特定用途所選的焊料應具有低的熔化溫度，其低的程度應不會引起鄰近的溫度敏感部件的損壞。而且，在焊接完成之后，焊接的材料必須具有高的熔化點范圍，使得連接的狀態(tài)將是溫度穩(wěn)定的。
而且，焊料一般是由發(fā)生易熔反應的組合系統(tǒng)構成的。因而，如果焊料具有不同于相關易熔組成的特殊組成，則穿過焊接后開始凝固的液態(tài)線而使得液相和固相共存，并且然后到達凝固完成的固態(tài)線，這就是該特定組成的凝固溫度范圍。如果凝固溫度范圍大，則凝固時間長，并可能出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。因而重要的是焊料組成應具有盡可能小的凝固溫度范圍。在連續(xù)焊接過程中具有小的凝固溫度范圍的焊料是有利的。
此外，對基材料的浸潤性必須優(yōu)越，使得可焊接性優(yōu)越，并且焊接后的結合強度高。
具有上述性質的傳統(tǒng)的焊料之一是Sn-Pb系列合金。這種焊接合金的各種力學和物理性質是優(yōu)越的，因而廣泛用于諸如管道和熱交換器結構，以及一般的電子部件中。
然而，Sn-Pb合金包含不分解的金屬鉛，如果鉛一旦被人體攝取，它不能被排出而是在人體中聚集。例如，美國疾病預防中心報告，血液中的鉛濃度如果超過10μg/dl，則將是致命的。特別，鉛的聚集引起兒童智力的減退，并且鉛的廢料污染土壤。
特別地，傳統(tǒng)的諸如50Sn-50Pb和70Sn-30Pb的焊料可用于廣泛的溫度范圍，構成強力機械連接部件，并用來焊接銅件。然而發(fā)現(xiàn)鉛溶解到水中對人體健康在常時期構成有害影響。于是對于在焊接輸送飲用水的管道中使用鉛已開始作出規(guī)定。
作為使用鉛和含鉛化合物的規(guī)定的例子，在美國于1978年完全禁止在消費者漆中使用鉛，并且美國環(huán)保局(EPA)在有毒物質控制條例(TSCA)中頒布了一個規(guī)定有責任回收含鉛物料。而且，美國眾議院提出為了形成Pb-清除基金，征收100-200％的稅(HR2479)。進而，參議院形成鉛暴露法令(S-729)，提出對于工業(yè)鉛的使用作出完整的規(guī)定。又美國職業(yè)安全與健康局(OHSA)對于空氣和工作中可忍受的鉛含量規(guī)定了鉛標準。這個規(guī)定聲稱雇傭的人員在鉛中暴露應該為低于高鉛濃度氣氛的下限。于是，在美國鉛的使用特別是50Sn-50Pb的使用對于管線的連接是被禁止的，并且含鉛焊料的的使用在有關飲水的場合是被禁止的。而且使用含鉛焊料對于管線連接以外的目的也是被禁止的。這種趨勢在國內場合是類似的。
由于出現(xiàn)了這樣的禁止用焊接鉛的規(guī)定，從而開始研制無鉛焊料。例如，美國專利5,256,370透露了用于連接和密封電子部件的無鉛焊料。上述專利的無鉛焊料包含50-92％的Sn，1-6％的Ag研究4-35％的In，并且其特點在于，它在用于電子部件的情形下包含有大量的銦。但是銦是昂貴的，特別地，如果銦的添加在5％或更多，則微觀結構包含γ-Sn相。而且根據(jù)溫度的變化，γ-Sn相(六方晶系)轉移為β-Sn相(面心立方晶系)，結果焊接部分的可靠性受到不利影響。
本發(fā)明旨在克服上述傳統(tǒng)技術的缺點。
作為不斷研究和反復實驗的結果，本發(fā)明者們提出本發(fā)明。
于是本發(fā)明的目的是提供一種無鉛焊料，其中銦和鉍是混合添加的以便抑制γ-Sn的形成并改進浸潤性，使得焊料能具有適用于電子部件接線的熔點，并且凝固溫度的范圍是狹窄的，力學性質優(yōu)越，并且可焊接性優(yōu)越。
為達到以上目的，無鉛焊料按重量％的組成為3-4％的Ag，2-5％的In，6-14％的Bi以及其余為Sn。
本發(fā)明的以上的目的和優(yōu)點通過參照附圖對本發(fā)明較佳實施例的詳述將變得更為明顯，這些附圖是

圖1是一曲線圖，表示傳統(tǒng)的焊料和根據(jù)本發(fā)明的焊料的可焊接性；圖2是根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料的一張照片；以及圖3是一曲線圖，表示傳統(tǒng)的焊料和根據(jù)本發(fā)明的焊料的力學性質。
包含在根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料中的組份Ag起到改進浸潤性及熱疲勞性的作用。其含量最好應為3-4重量％(以下由％表示)。其原因如下。如果其含量小于3％，浸潤性與熱疲勞性降低，而如果其含量多于4％，其熔化溫度陡然升高，而且無助于改進浸潤性。
同時，組份In起到改進浸潤性和降低熔化溫度的作用。其原因如下。如果其含量小于2％，則它變得無效，而如果其含量多于5％，則在微觀結構中形成γ-Sn相，其結果是出現(xiàn)從γ-Sn到β-Sn的相移，因而降低了可焊接性。于是合乎需要的添加In的組份在2-5％的范圍。
而且，組份Bi與組份In一起通過抑制微觀結構中的γ-Sn相的生長改進了浸潤性。如果添加組份Bi為6％或更少，則其作用太弱，而如果添加它達14％或更多，使得熔化溫度范圍變寬。因而Bi的含量最好應當限制在6-14％。
具有上述組成的無鉛焊料可通過一般方法澆鑄制造，即把改進的原料組份放入坩堝或熔鍋，在空氣中加熱并攪動。在這樣的條件下，在空氣中進行熔化時，金屬中的雜質或合金中的非金屬物可能與空氣發(fā)生反應而形成可溶性氣體，諸如可溶性氮或可溶性氧。從而基材料中浸潤性惡化以致降低可焊接性，或在被焊接的部件中產生孔隙。因而，浸潤性，導熱性，熱疲勞性和產品的可靠性會惡化。
因而，本發(fā)明通過在以下方式的合金制造過程中把雜質中以及非金屬物中可溶性氣體減少到最少，改進了可焊接性性，熱疲勞性和產品的可靠性。即本發(fā)明所述的焊料最好是通過在真空中或是在惰性氣體氣氛中熔化合金組份來制造，于是能特別抑制Bi組份的氧化，從而把廢渣的形成減少到最小。
按上述方法制造的本發(fā)明的無鉛焊料可形成各種形狀，諸如鑄錠，矩形，圓形等。而且，它可制成各種大小的圓球形。而且可與適當?shù)暮竸┗旌现瞥珊噶虾?br> 根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料可用于焊接電子部件。而且，凝固溫度范圍窄，因而有利于進行分步式焊接。本發(fā)明的無鉛焊料與傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料相比不僅機械強度優(yōu)越，而且與傳統(tǒng)的Sn-Ag-In焊料相比浸潤性及可焊接性也是優(yōu)越的。
現(xiàn)基于實例說明本發(fā)，但是本發(fā)明的范圍是不限于這里所提出的特別的例子的。
<例1>
準備出如下表1所示的焊接成分，并在感應爐中熔化。然后進行鑄造，并對于鑄成的焊料測量其固態(tài)線和液態(tài)線。測量結果示于以下表1中。<表1>
重量百分比％實例 SnZn In Bi 固態(tài)線溫 液態(tài)線溫 凝固溫度范度(℃) 度(℃)圍度(℃)發(fā)明例185356 191.4 204.5 13.1發(fā)明例284358 19420511發(fā)明例383359 19220412發(fā)明例4823510 18920213發(fā)明例5803512 18920516發(fā)明例6783514 187.5 20517.5發(fā)明例788.2 3.05 1.98 6.77 19921314傳統(tǒng)例187.7 3.2 9.1 - 202.4 207.5 5.1傳統(tǒng)例277.2 2.8 20 - 178.5 189.1 10.6如以上表1中所示，在其中Bi添加在Sn-Ag-In系列焊接組成的發(fā)明例1-7的情形中，液態(tài)線的溫度為202-213℃，固態(tài)線溫度為187-199℃，而凝固溫度范圍是11-17.5℃。這些特點幾乎與其組成包含Sn，Ag與In的傳統(tǒng)例子1-2的特點相似，在傳統(tǒng)例子中液態(tài)線溫度為189.1-207.5℃，固態(tài)線溫度為178.5-202.4℃，凝固溫度范圍是5.1-10.6℃。
<例2>
測量例1的傳統(tǒng)焊料1與本發(fā)明的焊料7的浸潤性，其結果如圖1中所示。
如圖1所示，與具有Sn-Ag-In組成的傳統(tǒng)的例1相比，加有Bi的本發(fā)明的例7在時間上的浸潤性優(yōu)越。可以斷定，雖然兩個例子在它們的液化溫度與固化溫度上是類似的，但是與傳統(tǒng)的例1比較本發(fā)明的例7顯示出優(yōu)越的可焊接性。
其原因如下。即如顯示了微觀結構的圖2的照片所示，Ag3Sn沉積物在本發(fā)明的無鉛焊料中更為均勻，其結果是可焊接性優(yōu)越。
<例3>
為了同傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料比較無鉛焊料的性質，對于本發(fā)明的例2與Sn-Pb焊料兩者對比地測量了其力學性質，測量結果示于圖3中。
如圖3中所示，與傳統(tǒng)的Sn-40Pb焊接合金比較，本發(fā)明例子2顯示出優(yōu)越的張力強度。這就是說本發(fā)明的無鉛焊料在結合強度上是優(yōu)于傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料的。
根據(jù)上述的本發(fā)明，本發(fā)明的無鉛焊料在機械強度上是優(yōu)于傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料的。而且在焊接后最后的結合強度上是遠比現(xiàn)有的焊料優(yōu)越的。而且由于它不含鉛，工作環(huán)境得以改善。特別是根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料的浸潤性優(yōu)于傳統(tǒng)的Sn-Ag-In無鉛焊料，同時與后者比較前者表現(xiàn)出熔化溫度和凝固溫度范圍的類似水平。
權利要求
1.具有優(yōu)越的可焊接性的一種無鉛焊料，包括按重量％所含的組成為3-4％的Ag，2-5％的In，6-14％的Bi以及其余為Sn。
2.如權利要求1中所述的無鉛焊料，其中按重量％的組成包含3-4％的Ag，2-3％的In，6-7％的Bi以及其余為Sn。
3.如權利要求1中所述的無鉛焊料，其中按重量％的組成包含3-4％的Ag，4-5％的In，7-10％的Bi以及其余為Sn。
4.具有優(yōu)越的可焊接性的一種無鉛焊料，其特征為該焊料具有固態(tài)線溫度為202-213℃，液態(tài)線溫度為187-199℃，以及該焊料包含Ag，In，Bi與Sn。
全文摘要
本發(fā)明透露了用于焊接電子部件導線的一種無鉛焊料。該無鉛焊料按重量％的組成為3-4％的Ag、2-5％In、6-14％的Bi以及其余為Sn，并且該焊料顯示出優(yōu)越的可焊接性。
文檔編號B23K35/26GK1139605SQ9511928
公開日1997年1月8日 申請日期1995年11月15日 優(yōu)先權日1995年6月30日
發(fā)明者劉忠植, 金美延, 尹德龍 申請人:三星電機株式會社