[发明专利]无铅焊料合金

说明书

本申请是申请号为02142912.X的分案申请。申请号为02142912.X的专利申请的申请日为2002年6月28日，发明名称为无铅焊料合金。

技术领域

本发明涉及无铅焊料合金，特别是当采用浇注钎焊(flow soldering)将电子元件焊接到印刷线路板上时使用的具有极好钎焊性的无铅焊料合金。

背景技术

印刷电路板广泛用于电气和电子设备，包括家用电器例如电视、录像机、冰箱和空调，也包括办公或家用电子设备例如个人计算机、打印机和复印机。典型的印刷电路板包括许多电子元件例如大规模集成电路，集成电路，晶体管、寄存器和通过焊接固定到印刷线路板上的电容器。

为达到此目的而选用的焊料要考虑到焊料的不同性能和成本。在电子元件和印刷线路板表面上的焊料浸润性或钎焊性是焊料的重要性能之一。如果使用浸润性差的焊料进行焊接，则焊接的接头会包括焊接缺陷例如不浸润、桥接和孔隙。

Sn-Pb焊料由于具有低焊接温度、良好钎焊性或焊料浸润性和低成本，很长时间一直用于将电子元件焊接到印刷线路板上。特别是63％ Sn-Pb焊料，称作Sn-Pb共晶焊料或简称共晶焊料，这是由于其合金的组成接近Sn-Pb合金的共晶组成(61.9％Sn-Pb)，该焊料广泛用于焊接领域，因为其具有窄的凝固温度范围(在合金的液相线和固相线之间的温度差)并且能够形成可靠的焊接接头。(在本说明书中，除非有其它的说明，在合金组成中元素的百分含量指重量百分含量或“wt％”。)

当废弃电的或电子设备时，通常要拆卸回收塑料零件例如外壳和金属零件例如回收用的底盘。但是，在废弃设备中印刷电路板不适合于回收，因为它们含有以复杂方式结合在一起的金属部分和塑料部分。所以，在许多情况下，从拆卸设备中分离出的印刷电路板是被切碎的，并以稳定形态作为工业废料埋入地下。

但是，最近几年中，包含有印刷电路板的埋入地下的含铅废料已经成为了一个环境问题。当埋入地下的含铅废料与酸雨(由于溶解了存在于空气中的硫和氮的氧化物而具有很高的酸性)接触时，酸雨会溶解废物中的铅，被溶解的铅会污染地下水。这样会涉及到一些问题，如果人类长期引用这种被污染的水，会引起铅中毒。为消除这种环境问题，目前，在电子工业中需要无铅焊料。

到目前为止，已经发展的无铅焊料是基于锡和含有一种或多种附加的元素例如Cu、Ag、Bi和Zn。典型的无铅焊料合金组分是二元合金例如Sn-0.7％Cu，Sn-3.5％Ag，Sn-58％Bi和Sn-9％Zn，每一种组分与二元合金体系的共晶组分相同或相近。由用途来决定，可以添加附加的合金元素以得到三元或更多元的合金。

上面提到的每种无铅合金都存在自己的问题。例如，Sn-Zn焊料例如Sn-9％Zn焊料存在的问题是Zn很容易氧化，导致在焊料上形成厚的氧化膜。结果，如果在空气中进行焊接，浸润性会变得不好。除此之外，当在浇注钎焊中使用时，Sn-Zn焊料会引起大量浮渣的形成，这些会在焊料的实际应用中造成难于解决的问题。

Sn-Bi焊料例如Sn-58％Bi焊料，在浇注钎焊时浮渣的形成不是一个很大的问题，但是由于大比例的Bi存在，使其具有不好的延展性，焊料脆并且机械强度差。所以，由这种焊料形成的焊接接头并不是足够可靠的。随着Bi比例的增加，Sn-Bi焊料的机械强度有减少的趋势。

目前，最能实际应用的无铅焊料是Sn-Cu焊料例如Sn-0.7％Cu，Sn-Ag焊料例如Sn-3.5％Ag，和Sn-Ag-Cu焊料(例如Sn-3.5％Sn-0.6％Cu)其中，添加少量Cu到Sn-Ag焊料中。

Sn-Cu焊料例如Sn-0.7％Cu是便宜的，它们的单位成本可以与传统的Sn-Pb焊料相比。但是，焊料浸润性不好。

另一方面，Sn-Ag焊料例如Sn-3.5％Ag和Sn-Ag-Cu焊料例如Sn-3.5％Ag-0.6％Cu具有相对好的焊料浸润性，它们的机械强度可以与Sn-Pb焊料的机械强度相比甚至超过它。所以，这些焊料作为焊剂在性能上是有优势的，但是由于昂贵的金属银的存在，它们的成本比传统的Sn-Pb焊料要高得多。如果为减少成本而减少焊料中Ag的含量，焊料的浸润性和强度都会变坏。

所以，需要一种改进的无铅焊料，该焊料具有与Sn-Cu焊料同样的成本优势，但具有改进的性能，特别是改进的浸润性。

发明概述