Бессвинцовый припой, способ его производства и способ пайки с использованием этого припоя

Бессвинцовый припой, способ его производства и способ пайки с использованием этого припоя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к мягким (легкоплавким) припоям и, в частности, к мягким припоям, которые по существу не содержат свинца.

Многие стандартные мягкие припои содержат свинец в качестве их основного компонента. Такие мягкие припои часто имеют требуемые физические свойства, а использование мягких припоев, содержащих свинец, распространено в нескольких областях промышленности, включая те, которые связаны с производством печатных плат.

Однако имеются растущие требования бессвинцовых припоев, например, вследствие экологических соображений, и представляется вероятным, что в течение следующих нескольких лет в нескольких странах в производстве многих товаров появится юридическое требование использования припоев, содержащих немного свинца или не содержащих его вообще.

Одним типом сплавов, который использовали до настоящего времени в качестве замены стандартных оловянно-свинцовых припоев, являются оловянно-медные сплавы, и сплав, содержащий 99,3% олова и 0,7% меди, получил относительно широкое использование в некоторых отраслях промышленности. Однако свойства такого оловянно-медного сплава являются менее желательными, чем свойства стандартного оловянно-свинцового сплава, а в частности, оловянно-медный сплав обладает меньшей прочностью, меньшей усталостной прочностью и более высокой эвтектической температурой, чем стандартный оловянно-свинцовый сплав.

Это является особенно нежелательным, поскольку многие промышленные установки и технологические процессы сформированы для эффективной работы со стандартным оловянно-свинцовым сплавом, а в идеальном случае замена бессвинцовым припоям должна быть способной использоваться с подобными установками и технологическими процессами без их значительного изменения. Однако многие изготовители до настоящего времени считают, что существующие технологические процессы пайки мягким припоем, в настоящее время значительно адаптированы для использования бессвинцовых припоев, и эта адаптация технологических процессов и материалов широко рассматривается как плохое использование ресурсов, в частности, когда стандарт изделий, производимых при использовании известных бессвинцовых припоев, часто значительно ниже, чем достигаемый при использовании стандартных свинцовых припоев.

Объектом настоящего изобретения является поиск улучшенного бессвинцового припоя.

В соответствии с этим, одним аспектом настоящего изобретения является обеспечение получения по существу бессвинцового припоя, содержащего приблизительно 96,8-99,3% олова; приблизительно 0,2-3,0% меди и приблизительно 0,02-0,12% кремния.

Предпочтительно, чтобы припой дополнительно содержал приблизительно 0,005-0,01% фосфора.

Припой предпочтительно содержит приблизительно 0,01% фосфора.

Предпочтительно, если припой дополнительно содержит приблизительно 0,005-0,01% германия.

Припой предпочтительно содержит приблизительно 0,01% германия.

Предпочтительно, если припой содержит приблизительно 0,7-3,0% меди.

Припой предпочтительно содержит приблизительно 0,7% меди и приблизительно 0,02% кремния.

Припой предпочтительно содержит приблизительно 0,7% меди.

Припой предпочтительно содержит приблизительно 2,0% меди.

Припой предпочтительно содержит приблизительно 3,0% меди.

Другим аспектом настоящего изобретения является обеспечение способа получения по существу бессвинцового припоя, предусматривающего этап смешивания олова, меди и кремния так, чтобы доля олова в припое составляла приблизительно 96,8-99,3%; доля меди в припое составляла приблизительно 0,2-3,0%; а доля кремния в припое составляла приблизительно 0,02-0,12%.

Способ предпочтительно дополнительно предусматривает этап введения в припойную смесь приблизительно 0,005-0,01% фосфора.

Способ предпочтительно предусматривает этап введения в припойную смесь приблизительно 0,01% фосфора.

Способ предпочтительно дополнительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 0,005-0,01% германия.

Способ предпочтительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 0,01% германия.

Способ дополнительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 0,01% германия.

Способ предпочтительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 0,7-3,0% меди.

Способ предпочтительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 0,7% меди и приблизительно 0,02% кремния.

Способ предпочтительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 0,7% меди.

Способ предпочтительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 2,0% меди.

Способ предпочтительно предусматривает введение в припойную смесь приблизительно 3,0% меди.

Дополнительным аспектом настоящего изобретения является обеспечение способа пайки мягким припоем, предусматривающее использование по существу бессвинцового припоя, содержащего приблизительно 96,8-99,3% олова; приблизительно 0,2-3,0% меди; и приблизительно 0,02-0,12% кремния.

Способ предпочтительно предусматривает использование мягкого припоя, имеющего приблизительно 0,005-0,01% фосфора.

Способ предпочтительно предусматривает использование мягкого припоя, имеющего приблизительно 0,01% фосфора.

Способ предпочтительно предусматривает использование мягкого припоя, имеющего приблизительно 0,005-0,01% германия.

Способ предпочтительно предусматривает использование мягкого припоя, имеющего приблизительно 0,01% германия.

Способ предпочтительно предусматривает использование мягкого припоя, имеющего приблизительно 0,7% меди и приблизительно 0,02% кремния.

Для лучшего понимания настоящего изобретение далее его варианты осуществления будут описаны на характерных примерах со ссылкой на сопроводительные чертежи, где

Фиг.1 - сравнительная таблица механических свойств различных сплавов;

Фиг.2 - диаграмма механических свойств различных сплавов;

Фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая механические свойства различных сплавов после воздействия на них процесса старения;

Фиг.4 - график, иллюстрирующий предел прочности при растяжении различных сплавов после воздействия на них процессов старения переменной длительности;

Фиг.5 - иллюстрация предела текучести различных сплавов после воздействия на них процессов старения переменной длительности;

Фиг.6 - график, иллюстрирующий значения деформации различных сплавов после воздействия на них процессов старения переменной длительности;

Фиг.7 - график, иллюстрирующий количество энергии, требуемое для генерирования текучести в различных сплавах после воздействия на них процессов старения переменной длительности;

Фиг.8 - график, иллюстрирующий количество энергии, требуемое для разрушения различных сплавов после воздействия на них процессов старения переменной длительности;

Фиг.9 - график, иллюстрирующий ударные вязкости различных сплавов после воздействия на них процессов старения переменной длительности;

Фиг.10 и фиг.11 - таблицы, иллюстрирующие механические свойства различных сплавов;

Фиг.12 - кривая дифференциальной сканирующей калориметрии сплава, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.13 - иллюстрация времени смачивания различных сплавов при различных температурах;

Фиг.14 - иллюстрация сил смачивания различных сплавов при различных температурах.

Что касается сплавов оловянно-медных припоев, описанных выше, было установлено, что введение небольшого процента кремния в сплав значительно улучшает свойства и эксплуатационные качества сплава. В частности, было установлено, что введение приблизительно 0,02-0,12 мас.% кремния в сплав упрочнит сплав, а также среди прочего придаст сплаву улучшенные свойства пластичности и деформации.

Представляется, что эти желательные свойства могут возникать вследствие валентности кремния, которая обеспечивает ему возможность образовывать тетраэдральную структуру силицида, приводящую в результате к полимерной цепочечной структуре твердого раствора, давая в соответствии с этим увеличение повышенного процента деформации.

На фиг.1 приведена таблица, иллюстрирующая различные механические свойства некоторых мягких припоев, в частности стандартного оловянно (63%)-свинцового (37%) припоя, оловянно (99,3%)-медного (0,7%) припоя, известного оловянно-медно-никелевого припоя и шести дополнительных припоев, имеющих оловянную основу, 0,7% меди и, соответственно, 0,2% кремния, 0,4% кремния, 0,6% кремния, 0,8% кремния, 0,10% кремния и 0,12% кремния.

Из фиг.1 очевидно, что физические свойства, которыми обладают оловянно-медно-кремниевые припои, соответствующие вариантам осуществления настоящего изобретения, в общем, превосходят свойства, которыми обладают оловянно (99,3%)-медный (0,7%) припой, а также более близко приближаются к свойствам, демонстрируемым стандартным оловянно (63%)-свинцовым (37%) припоем. Во многих случаях оловянно-медно (0,7%)-кремниевый (0,02%) припой обладает свойствами, более всего приближающиеся к свойствам стандартного оловянно (63%)-свинцового (37%) припоя, и предугадывается, что этот припой может быть сильным кандидатом для прямой "локальной" замены этого стандартного мягкого припоя.

На фиг.2 приведена диаграмма, иллюстрирующая выбранные величины из таблицы, приведенной на фиг.1, и, в частности, иллюстрирующая то, как эти величины изменяются с величиной кремния, который введен в основу оловянно-медного припоя для образования припоя, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения. Можно видеть, что большинство этих свойств находятся при их максимальном значении, если доля кремния в основе оловянно-медного припоя составляет приблизительно 0,02%.

Из данных, приведенных на фиг.1 и фиг.2, очевидно, что введение 0,02-0,12% кремния в оловянно-медный сплав ведет к значительному увеличению предела прочности при растяжении сплава, приводя в результате к значениям, которые выше, чем соответствующие свойства стандартного оловянно-медного сплава, а также стандартного оловянно-свинцового сплава. При таком увеличении предела прочности при растяжении отсутствует значительное падение процента деформации оловянно-медно-кремниевого сплава, что доказывает наличие превосходной пластичности при сравнении со стандартным оловянно-свинцовым сплавом. Энергия, необходимая для инициирования трещины в сплаве, также значительно больше энергии, необходимой для инициирования трещины в стандартном оловянно-свинцовом сплаве и в стандартном оловянно-медном сплаве.

Свойства оловянно-медно-кремниевых сплавов, описанные выше, могут быть дополнительно усилены или улучшены путем введения в них небольшого количества германия или фосфора. В частности, введение приблизительно 0,005-0,01% любого из этих элементов ведет к требуемым результатам, включая увеличение прочности и обеспечения противоокислительного эффекта.

На фиг.3 приведена диаграмма, иллюстрирующая механические свойства сплавов после воздействия на них процесса старения, в котором сплавы подвергаются воздействию температуры 125°С в течение 96 часов. Это испытание проводили для выявления того, как будут изменяться свойства сплава, если изделие, полученное при использовании сплава, должно подвергаться таким высоким температурам в течение продолжительных периодов времени. Очевидно, что сплав, имеющий оловянную основу 0,7% меди, 0,02% кремния и 0,01% германия, а также сплав, содержащий в оловянной основе 0,7% меди, 0,02% кремния и 0,01% фосфора, демонстрирует более высокий предел прочности при растяжении (UTS), чем стандартный оловянно-медно (0,7%)-кремниевый (0,2%) сплав. Квалифицированному в этой области техники специалисту будет очевидно, что эти сплавы будут, следовательно, демонстрировать повышенное сопротивление термической усталости или ползучести со временем и что изделия, полученные при использовании мягких припоев, описанных выше, содержащих германий или фосфор, будут сохранять требуемые физические и механические свойства в течение более продолжительных периодов времени.

На фиг.4 иллюстрируются пределы прочности при растяжении различных сплавов после воздействия на них процесса старения, в котором сплавы подвергали воздействию температуры 125°С в течение 24, 48 и 96 часов. Можно видеть, что сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, демонстрируют более высокий предел прочности при растяжении после старения по сравнению со стандартным оловянно-свинцовым сплавом, а также со стандартным оловянно-медным сплавом.

На фиг.5 иллюстрируются пределы текучести различных сплавов после воздействия на них вышеописанного процесса старения, и в этом случае будет очевидно, что сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, демонстрируют более высокие пределы текучести после старения по сравнению со стандартным оловянно-свинцовым сплавом и оловянно-медным сплавом. Сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, содержащие небольшие количества германия или фосфора, также демонстрируют улучшенный предел текучести после воздействия значительным процессам старения, по сравнению с мягкими припоями, соответствующими варианту осуществления настоящего изобретения, которые не содержат германий или фосфор.

На фиг.6 иллюстрируются проценты деформации различных сплавов после воздействия процесса старения, описанного выше, то есть после того, как они были подвергнуты воздействию температуры 125°С в течение 24, 48 и 96 часов. Можно видеть, что сплавы, соответствующие вариантам осуществления настоящего изобретения, демонстрируют превосходные проценты деформации как по сравнению со стандартным оловянно-свинцовым припоем, так и по сравнению со стандартным оловянно-медным сплавом.

На фиг.7 и фиг.8 приведены энергии, требуемые, соответственно, для различных мягких припоев, чтобы течь и разрушаться, после воздействия процесса старения, описанного выше. И в этом случае, очевидно, что сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, требуют больших количеств энергии для течения и разрушения по сравнению со стандартным оловянно-свинцовым припоем и по сравнению со стандартным оловянно-медным припоем. В частности, после 96 часов старения при температуре 125°С, оловянно-медно (0,7%)-кремниевый (0,02%) сплав требует 0,05 Джоулей для течения и 20,735 Джоулей для разрушения, тогда как стандартный оловянно-свинцовый сплав требует 0,038 Джоулей для течения и 5,647 Джоулей для разрушения. Для контраста, стандартный оловянно-медный сплав требует 0,018 Джоулей для течения и 5,364 Джоулей для разрушения. Квалифицированному специалисту в этой области техники будет очевидно, что этот сплав, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения, будет значительно более стабильным в течение продолжительных периодов времени, чем стандартные оловянно-свинцовый и оловянно-медный сплавы.

На фиг.9 приведены ударные вязкости различных сплавов после воздействия процесса старения, описанного выше, и в этом случае можно видеть, что сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, демонстрируют более высокие ударные вязкости после старения, по сравнению со стандартными оловянно-свинцовым и оловянно-медным сплавами.

Было также установлено, что введение кремния в сплав оловянно-медного припоя улучшает механические свойства сплава, когда сплав подвергается воздействию высоких температур. На фиг.10 приведены механические свойства стандартного оловянно-свинцового сплава, стандартного оловянно-медного сплава и оловянно-медно (0,7%)-кремниевого (0,02%) сплава, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения, при воздействии температур 23°С, 75°С и 125°С. Хотя предел прочности при растяжении, предел текучести, проценты деформации, энергия для течения, энергии для разрушения и ударная вязкость всех сплавов уменьшаются под влиянием высокой температуры, сплав, соответствующий варианту осуществлению настоящего изобретения, демонстрирует меньшее уменьшение эксплуатационных качеств в этих условиях. Например, предел прочности при растяжении стандартного оловянно-свинцового сплава падает приблизительно на 71,2%, когда температура увеличивается от 23°С до температуры 125°С, но предел прочности при растяжении сплава, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения, падает только приблизительно на 53,04%, когда сплав подвергается подобному повышению температуры.

На фиг.11 приведена таблица предела прочности при растяжении, предела текучести, процентов деформации, энергии течения, энергии разрушения и ударной вязкости стандартного оловянно-свинцового сплава, стандартного оловянно-медного сплава, и оловянно-медно (0,7%)-кремниевого (0,02%) сплава, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения, при использовании различных скоростей зажимной головки в устройстве для испытания на растяжение. Из таблицы видно, что сплав, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения, демонстрирует значительно более стабильные механические свойства, по сравнению со стандартными сплавами при различных скоростях зажимной головки.

На фиг.12 приведена кривая дифференциальной сканирующей калориметрии оловянно-медно (0,7%)-кремниевого (0,02%) сплава, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения, из которой следует, что введение кремния в этот сплав имеет небольшое влияние или вообще не оказывает влияния на его температуру плавления. Этот сплав, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения, следовательно, сохраняет требуемые свойства смачиваемости оловянно (99,3%)-медного (0,7%) сплава, например, его время смачивания и силу смачивания.

На фиг.13 и фиг.14 приведены данные времени смачивания и силы смачивания при некоторых температурах различных сплавов, из которых можно видеть, что сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, демонстрируют очень подобные характеристики смачивания, характерные для стандартного оловянно-медного сплава. Предполагается, что для любого из мягких припоев, соответствующих варианту осуществления настоящего изобретения, описанных в этой заявке, медь может составлять приблизительно 0,2-3,0%. Мягкий припой предпочтительно содержит приблизительно 0,7-3,0% меди.

В вариантах осуществления настоящего изобретения мягкий припой, описанный в этой заявке и соответствующий настоящему изобретению, может содержать приблизительно 0,5-0,9%, а более предпочтительно 0,7% меди; 1,8-2,2%, а более предпочтительно 2,0% меди; или 2,8-3,2%, а более предпочтительно 3,0% меди. Доля кремния может составлять приблизительно 0,02-0,03%.

Квалифицированному специалисту в этой области техники будет очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает получение по существу бессвинцовых сплавов, имеющих существенно улучшенные свойства по сравнению со стандартными бессвинцовыми припоями. Предполагается, что сплавы, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения, могут быть использованы для прямых "локальных" замен стандартных свинцовых припоев, в частности для использования в технологических процессах пайки волной.

В прилагаемой формуле изобретения заявляемые по существу бессвинцовые припои могут состоять по существу из перечисленных компонентов, другими словами, могут содержать эти компоненты, помимо неизбежных примесей. Однако для этого случая это необходимо, но не является обязательным.

При использовании в этом описании и формуле изобретения терминов "содержит" и "содержащий" и их вариаций имеется в виду, что включены определенные элементы, этапы или компоненты. Эти термины не должны пониматься как исключающие наличие других элементов, этапов или компонентов.

Элементы, описанные в вышеприведенном описании, или в следующей формуле изобретения, или на сопроводительных чертежах, выражены в их характерных формах или в зависимости от средств для выполнения описанной функции, или способа, или технологического процесса для достижения описанного результата, могут быть отдельно или в любой комбинации таких элементов использованы для реализации настоящего изобретения в его различных конфигурациях.

-+1. Бессвинцовый припой, содержащий по массе приблизительно 96,8-99,3% олова, приблизительно 0,2-3,0% меди, приблизительно 0,02-0,12% кремния, факультативно приблизительно 0,005-0,01% фосфора и факультативно приблизительно 0,005-0,01% германия.

2. Припой по п.1, содержащий приблизительно 0,01% фосфора.

3. Припой по п.1 или 2, содержащий приблизительно 0,01% германия.

4. Припой по п.1, содержащий приблизительно 0,7-3,0% меди.

5. Припой по п.1, содержащий приблизительно 0,7% меди, и приблизительно 0,02% кремния.

6. Припой по п.1, содержащий приблизительно 0,7% меди.

7. Припой по п.1, содержащий приблизительно 2,0% меди.

8. Припой по п.1, содержащий приблизительно 3,0% меди.

9. Способ получения бессвинцового припоя, предусматривающий этап смешивания олова, меди и кремния так, чтобы массовая доля олова в припое составляла приблизительно 96,8-99,3%, массовая доля меди в припое составляла приблизительно 0,2-3,0%, массовая доля кремния в припое составляла приблизительно 0,02-0,12%, массовая доля факультативной добавки фосфора в припойную смесь составляла приблизительно 0,005-0,01% и массовая доля факультативной добавки германия в припойную смесь составляла приблизительно 0,005-0,01%.

10. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 0,01% фосфора.

11. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 0,01% германия.

12. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 0,7-3,0% меди.

13. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 0,7% меди и приблизительно 0,02% кремния.

14. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 0,7% меди.

15. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 2,0% меди.

16. Способ по п.9, предусматривающий этап введения в припойную смесь приблизительно 3,0% меди.

17. Способ пайки мягким припоем, предусматривающий этап использования бессвинцового припоя, содержащего по массе приблизительно 96,8-99,3% олова, приблизительно 0,2-3,0% меди, приблизительно 0,02-0,12% кремния, факультативно приблизительно 0,005-0,01% фосфора и факультативно приблизительно 0,005-0,01% германия.

18. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 0,01% фосфора.

19. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 0,01% германия.

20. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 0,7-3,0% меди.

21. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 0,7% меди и приблизительно 0,02% кремния.

22. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 0,7% меди.

23. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 2,0% меди.

24. Способ по п.17, предусматривающий использование мягкого припоя, содержащего приблизительно 3,0% меди.