專利名稱：低未焊透率焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用焊料焊接或涂布基板，特別是焊接或涂布至印刷線路板上的基板上的方法。
印刷線路板在電子工業(yè)中廣為使用。在高速、自動(dòng)化的大規(guī)模生產(chǎn)中，基板和元件導(dǎo)線要用焊料來涂布和/或焊接。對每一個(gè)焊接點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)檢查是不可行的，所以希望達(dá)到最高的質(zhì)量和可靠性，避免出現(xiàn)缺陷。
為了跟上線路密度不斷提高的趨勢，線路板上的基板和焊接點(diǎn)的接近程度提高了。這就使在基板和焊接點(diǎn)間出現(xiàn)不應(yīng)有的接合點(diǎn)和未焊透點(diǎn)的傾向不斷增加。因此，電子工業(yè)亟待尋求一些方法來減少在現(xiàn)行的大規(guī)模生產(chǎn)焊接法即波焊中發(fā)生的包括上述特殊缺陷在內(nèi)的種種缺陷。
僅次于最流行方法的焊接方法即回流焊接，除未焊透外，還存在特有的一些其他缺陷，即焊料對基板不濕潤、線路板褪色及線路板上出現(xiàn)白暈。焊料對基板不濕潤造成基板上焊料涂布不連續(xù)，焊料和基板間的粘附力下降，最終導(dǎo)致焊接點(diǎn)強(qiáng)度低，可靠性差?；亓骱附雍缶€路板褪色現(xiàn)象使人們擔(dān)心線路板已受到某種方式的損壞。因?yàn)閾p壞的方式常不明顯，故褪色現(xiàn)象在很大程度上被容許了。在焊接過程中線路板上出現(xiàn)的白暈是一種特別值得注意的褪色形式。用于保護(hù)焊接線路板的許多涂料都不能牢固粘附到線路板上的白暈區(qū)域上。
1991年12月10日授予Nowotarski的題為“用具有可控氧化能力的氣氛進(jìn)行焊接/涂布的方法”的美國專利5，041，058，公開了一種旨在使未焊透缺陷及毛刺現(xiàn)象減少的改良波焊法，以及一種旨在使焊料對基板的不濕潤、線路板上白暈及線路板上褪色現(xiàn)象減少的改良回流焊接法。在所公開的方法中，焊接在一可控氧化氣氛中進(jìn)行，該氣氛中的氧濃度約為0.001～10%(體積)。采用常規(guī)焊劑和焊料，未公開任何添加劑。
上述專利公開的方法使未焊透等缺陷減少，而本發(fā)明能使這些缺陷進(jìn)一步減少。
本發(fā)明提供用常見于印刷線路板上的焊料涂布基板或焊接至少兩塊基板的改進(jìn)方法。本發(fā)明可在波焊和回流焊操作中實(shí)施。該方法包括在氧體積含量為約0.1%～10%的稀釋氣氛中，使基板與一定量的熔融焊料接觸，該熔融焊料中含有約0.0001～1%的至少一種選自下列物質(zhì)的物質(zhì)磷、鈣、銀、鉍、銅、金、汞、鋇、鋰、鈉、碲、鉀、銣、銫以及鋁與銻的混合物或鋁與銻和鋅和/或鎘的混合物。
在波焊中，本發(fā)明可使未焊透現(xiàn)象減少;在回流焊接中，本發(fā)明可使未焊透、基板不濕潤、線路褪色或線路板上白暈等現(xiàn)象減少。
本發(fā)明以一種特別有利的應(yīng)用即印刷線路板的波焊為例加以具體說明。準(zhǔn)備用焊料涂布或焊接的帶基板(包括元件導(dǎo)線)線路板上最好略涂一些焊劑，優(yōu)選低固含量的焊劑，如固含量低于4%的松香焊劑，或者無須清理的焊劑。無須清理的焊劑在與焊料接觸后只留下少量非腐蝕性和非導(dǎo)電性殘余物。
在一裝有熔融焊料的焊料鍋中形成焊波。在焊波周圍，優(yōu)選在鍋中熔融焊料的整個(gè)暴露表面周圍，提供保護(hù)性氣氛。但是，保護(hù)性氣氛可能會擴(kuò)展到波焊操作的其他部分，如線路板涂焊劑和線路板預(yù)熱操作。
保護(hù)性氣氛包含一種稀釋氣體，并可含有最多約10%(體積)的氧，優(yōu)選約0.1～10%的氧，最優(yōu)選的是約0.1%～3%的氧。稀釋氣體是非氧化性或溫和氧化性的氣體，如氮、氬、二氧化碳、氦、氫、水蒸汽或這些氣體的混合物，并可含有氣態(tài)的己二酸和甲酸。保護(hù)性氣氛中優(yōu)選較低的氧濃度，這樣即使有環(huán)境空氣流進(jìn)入而導(dǎo)致保護(hù)性氣氛中氧濃度提高，也還不足以發(fā)生未焊透現(xiàn)象。
焊料包括已知的任何組合物，如重量比為63∶37的錫和鉛，并含有最多約3%的其他物質(zhì)，最優(yōu)選的是這些物質(zhì)中包括磷。磷可降低未焊透現(xiàn)象的發(fā)生率，即，可減少焊料在線路板上形成的不良連接點(diǎn)。磷還可降低熔融焊料中毛刺的形成率，從而減少了由設(shè)備中除去毛刺和更換毛刺中所消耗的焊料時(shí)所需的維修操作和成本。
磷可降低在所述保護(hù)性氣氛下存在的熔融焊料的表面張力，從而降低了未焊透現(xiàn)象的發(fā)生率。對此假設(shè)也許有不同看法。其他可降低熔融焊料的表面張力而可在本發(fā)明中用來減少未焊透現(xiàn)象的發(fā)生率的物質(zhì)有鈣、銀、鉍、銅、金、汞、鋇、鋰、鈉、碲、鉀、銣、銫、以及鋁和銻的混合物、或者鋁和銻及鋅和/或鎘的混合物。另外也可用上述物質(zhì)的混合物，包括含磷的混合物。在上述物質(zhì)中，優(yōu)選鈣、銀、鉍、銅、金以及鋁和銻的混合物或者鋁和銻及鋅和/或鎘的混合物。最優(yōu)選的物質(zhì)為磷，因?yàn)樗瓤蓽p少未焊透現(xiàn)象，又可減少毛刺的形成。
表面張力降低劑含量的可使用范圍約為0.0001%～1%(重量比)，優(yōu)選范圍為約0.001%～0.1%，最優(yōu)選的范圍為約0.002%～0.01%。
磷或其他表面張力降低劑可作為焊料組合物的一部分引入，或加至焊料鍋中的焊料中，或加到已涂在基板上的焊劑中，或加入焊劑載體(增稠劑、粘結(jié)劑等)中。磷可以以化合態(tài)引入，如磷化錫，或以有機(jī)磷化物引入，如亞磷酸二辛酯、亞磷酸二苯酯、亞磷酸丁基苯基酯、亞磷酸辛基苯基酯。
印刷線路板在保護(hù)氣氛下和焊波接觸，并在保護(hù)氣氛下脫離焊料。產(chǎn)生焊波及使線路板和焊波接觸的設(shè)備，宜采用在空氣中進(jìn)行焊接的典型設(shè)備。如同在空氣中進(jìn)行焊接一樣，為盡可能減少毛刺的影響，最好使線路板先接觸并破開靠近波峰的焊料表面的焊料氧化層，并在線路板經(jīng)過該波的過程中，把焊料表面的焊料氧化物帶過或推過波峰。
本發(fā)明也可在浸焊或牽焊(dragsoldering)操作中實(shí)施。另外還可用振動(dòng)或振蕩熔融焊料來促進(jìn)焊料對穿透印刷線路板的電鍍孔的涂布和填充。
本發(fā)明也可應(yīng)用于回流焊接。在回流焊接中，給基板涂布焊劑和上述組成的焊料，但焊料為粉狀或膏狀。接著將備好的基板在上述保護(hù)氣氛中加熱至焊料熔融。然后將基板和熔融焊料置于保護(hù)氣氛中至少冷卻至焊料固化。這種回流焊接可使未焊透和不濕潤現(xiàn)象的發(fā)生率減小。
實(shí)施例本發(fā)明以十六塊印刷線路板為一組，在所研究的各種不同條件下進(jìn)行波焊。每組十六塊板分成四個(gè)小組，每小組四塊不同的工業(yè)中常用的線路板。每組十六塊板上共有11，000個(gè)接合點(diǎn)待焊。所有板上均涂上少量無須清理的焊劑，焊劑的固含量不超過2%。然后線路板與泵出的焊波接觸，焊波中包含重量比為63∶37的錫和鉛。下表中給出了在焊波周圍氣氛中不同氧濃度情況下的結(jié)果，以與不含磷的焊料和含0.002%(重量)磷的焊料接觸后每11，000個(gè)焊接點(diǎn)中出現(xiàn)的未焊透數(shù)表示每11，000個(gè)焊接點(diǎn)中的未焊透數(shù)氧濃度(體積%)00.51135焊料含磷10200563不含磷6727425072數(shù)據(jù)表明，使用含磷焊料時(shí)，在所試驗(yàn)的氧濃度范圍(最高達(dá)5%)內(nèi)，未焊透率低。使用含磷焊料時(shí)，在氧濃度約0.5～3%范圍內(nèi)，未焊透率明顯低。在所試驗(yàn)的所有氧濃度下(氧濃度為零時(shí)除外)，用含磷焊料時(shí)比用不含磷焊料時(shí)未焊透率低。在氧濃度約0.5%～3%范圍，用含磷焊料時(shí)比用不含磷焊料時(shí)未焊透率明顯降低。用含磷焊料較之用不含磷焊料的一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)就是在較高氧濃度時(shí)，未焊透現(xiàn)象的發(fā)生率最小。這樣就可以用較為廉價(jià)的保護(hù)氣氛進(jìn)行焊接操作，所有這些結(jié)果均是不可預(yù)測的和出乎意料的。
盡管本發(fā)明是以具體方案為例進(jìn)行描述的，但應(yīng)該認(rèn)識到，這些描述旨在覆蓋所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有修正和同等內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.用焊料涂布基板或焊接至少兩塊基板的方法，該方法包括提供一定量的熔融焊料，并在最多含約10%(體積)氧的稀釋氣體氣氛下，使基板與所述焊料接觸，所述焊料含有約0.0001～1%至少一種選自下列物質(zhì)的物質(zhì)磷、鈣、銀、鉍、銅、金、汞、鋇、鋰、鈉、碲、鉀、銣、銫以及鋁和銻的混合物，或者鋁或銻及鋅和/或鎘的混合物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣氛含約0.1～3%的氧。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述焊料含約0.001～0.1%的所述物質(zhì)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述焊料含約0.002～0.01%的所述物質(zhì)。
5.權(quán)利要求1的方法，該方法還包括在基板接觸熔融焊料前，先接觸焊劑。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述熔融焊料為焊波形式，所述方法還包括使基板脫離所述焊波。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述提供一定量的含所述物質(zhì)的熔融焊料的步驟包括提供一定量的熔融焊料，并在使基板與熔融焊料接觸之前，先與含所說物質(zhì)的焊劑或焊劑載體接觸。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣氛包括至少一種選自下列氣體的氣體氮、氬、二氧化碳、氦、氫、水蒸汽、甲酸及己二酸。
9.權(quán)利要求1的方法，其中使基板與所述熔融焊料接觸的步驟包括使所述基板與固態(tài)或膏狀焊料接觸，加熱所述基板和所述固態(tài)或膏狀焊料，直到所述固態(tài)或膏狀焊料熔融。
全文摘要
一種波焊或回流焊接方法，包括使基板在氧含量最高約10％(體積)的稀釋氣氛中與一種含約0.0001％～0.1％(重量)磷的熔融焊料接觸。未焊透和其他焊接缺陷的發(fā)生率減小。
文檔編號H05K3/34GK1081401SQ9310761
公開日1994年2月2日 申請日期1993年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月24日
發(fā)明者M·G·麥唐納德 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司