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[ ZH ]
钎料膏


本发明涉及一种无铅钎料膏,特别是涉及一种含有无铅的Sn-Zn合金钎料的钎料膏。
多年来,Sn-Pb合金作为一种钎焊合金,被广泛用于电子设备的 钎焊上。Sn-Pb合金在其共晶成分(63%Sn-余者Pb)处的熔点为 183℃,该合金的钎焊温度为220-230℃,这一温度足够低,不会对热敏 感的电子器件造成热损伤。此外,Sn-Pb合金表现出极优异的钎焊性能, 而且,它也有如下特点,即:由于该合金的液相线与固相线间的温差不大, 因此在钎焊之后凝固即刻发生,而不会使钎焊区出现裂纹或分离,即使在 钎焊期间对焊区施加振动或冲击,也是如此。
当电子设备,例如电视机、录像机、收音机、磁带录音机、计算机和 复印机失灵时,或着变得过时时,就要被丢弃。因为这些设备中的每一种 都包含由合成树脂制成的外壳和印刷线路板,也包含由金属材料制成的导 电部件及内部构架,因此,不能通过燃烧对它们进行处理,对它们的处理 主要采取地下掩埋的方式。
近年来,矿物燃料如汽油和重油已被大量消耗,大量的硫的氧化物被 释放到大气中,结果导致酸雨的发生。这种酸雨水渗入到地下,就会溶解 被掩埋于地下的电子设备上的钎焊点处所含的铅,这样,地下水就会受到 铅的污染。如果被污染的水进入供水系统并被长期饮用,那么饮用这种水 的人的体内就可能形成铅的积累,从而发生铅中毒。
这种情况下,在电子设备工业就迫切需要发展一种不含铅的,即无铅 的合金钎料。
通常,已提出作为无铅钎焊合金的有:Sn-Ag合金,Sn-Sb合 金,Sn-Bi合金及Sn-Zn合金,所有这些合金均以含Sn为主。
Sn-Ag合金在其为共晶成分Sn-3.5%Ag时的熔化温度为221 ℃,此为该种合金的最低熔点。该合金成分的钎焊温度为260-270℃,此 温度相对较高,当对某些热敏感的电子器件进行钎焊时,就会产生热损伤, 从而导致性能的劣化和器件的破坏。
Sn-Pb合金在成分为Sn-5%Sb时其熔化温度最低。在这一成分, 固相线温度为235℃而液相线温度为240℃,均相当高。因此,这种合金 的钎焊温度是280-300℃,这比Sn-3.5%Ag合金的钎焊温度还高。 在此范围内,不可避免地会对热敏感的电子设备造成热损伤。
另一方面,至于Sn-Bi合金,其共晶成分是Sn-42%Bi,共晶点 为139℃,这比共晶Sn-Pb合金的共晶点相对低些。从这点看,Sn-Bi合金可以作为钎料合金使用,只要钎焊之后,钎焊区不被暴露在高于共晶 点的温度环境。然而,Sn-Bi合金又脆又硬,其机械性能如抗拉强度和延 伸率均不令人满意。
相比之下,Sn-Zn合金在其为共晶成分Sn-9%Zn时的共晶点为 199℃。因此,就熔点即共晶点而言,Sn-Zn合金优于所述其它合金, 它的共晶点接近于传统的63%Sn-Pb钎焊合金的共晶点183℃。 Sn-Zn合金在机械强度上也优于Sn-Pb合金。
然而,Sn-Zn合金的钎焊性能并不令人满意。为改善其钎焊性及 其机械强度,已提出各种Sn-Zn系合金,其中,将各种任选元素如Ag、 Cu、Bi、In、Ni和P添加到Sn-Zn合金基础合金中。
对于焊丝形式的这些Sn-Zn系合金,只要使用成分适当的钎剂, 使用钎焊烙铁就能获得钎焊性。
然而,当这些Sn-Zn系合金作为钎料膏使用时,此时所述 Sn-Zn合金被研磨成粉末并与糊状钎剂混合成钎料膏,其钎焊性能却不能令 人满意。因此,当使用含Sn-Zn合金的钎料膏进行钎焊时,钎焊缺陷 的存在不可避免,结果,待钎焊区没有被完全润湿(断续润湿),在已被 钎焊部位的下面,空洞作为斑斑点点的未被钎焊的部位而保留下来,而从 表面看,钎焊质量又似乎很好。
为了改善含Sn-Zn系钎料合金的钎料膏(下面,仅将所述钎料膏 称作Zn系钎料膏)的钎焊性,可将一种能有效改善钎料润湿性的强活性 剂添加到钎剂中。然而,当接触强活性剂时,Sn-Zn合金中的Zn极 易被氧化或腐蚀,从而完全丧失其金属性能,造成所述Zn系钎料膏发生 老化。
如果发生这种老化,所述膏的粘度将会变化。通常,钎料膏是粘性的, 但所述膏在刚刚配制好后很容易用匙或棒加以搅拌,因为此时根本没有发 生老化。然而,一旦老化发生,所述膏的粘度增加,结果进行搅拌就相当 困难。
传统的Zn系钎料膏很容易因老化而发生品质劣化。当通过丝网印刷 或配送来将它们应用于印刷线路版上并在软熔炉中加热时,有时会发现, 所述钎料膏根本未熔化或者是形成了大量的氧化物。而且,即使传统的 Zn系钎料膏未发生老化,其钎焊性也很差。也就是说,当其在有空气存在 的软熔炉中加热时,所述钎料会熔化,但熔化的钎料却难于铺展开来。
因此,本发明的目的是提供一种Zn系钎料膏,该钎料膏不仅非常抗 老化,而且即使在软熔炉中空气环境下加热,也表现出令人满意的钎焊 性。
本发明的发明人基于如下发现达到了这一发明目的,即:某些类型的 胺化合物能有效地在Sn-Zn系钎料合金粒子上形成覆层,从而防止 Zn离子在钎剂中溶解,而且这种钎料膏的抗老化性和钎焊性均得以改善至 令人满意的水平。
尽管由钎料合金粒子上形成覆层所引起的抗老化性和钎焊性的改 善,对于所述Zn系钎料膏而言尤其显著,但甚至当使用其它的钎料粒子 时,仍能够获得这种对现有技术的抗老化性和钎焊性的改进。
因此,广义上讲,本发明是一种钎料膏,其特征在于钎料粒子与一种 钎剂混合一起,所述钎剂中混有0.5-5wt%(重量)的一种化合物,该化合 物是通过将环氧乙烷加入到环己胺中而形成的。
另一方面,本发明是一种钎料膏,其特征在于钎料粒子与一种钎剂混 合一起,所述钎剂中混有0.5-5wt%的一种由环氧乙烷加入到环己胺中 所形成的化合物和0.5-5wt%的聚氧乙烯烷基胺。
更具体而言,本发明是一种钎料膏,其特征在于一种Sn-Zn系钎料 合金的粒子与一种钎剂混合一起,所述钎剂中混有0.5-5wt%的一种由 环氧乙烷加入到环己胺中所形成的化合物。
此外,本发明是一种钎料膏,其特征在于一种Sn-Zn系钎料合金的 粒子与一种钎剂混合在一起,所述钎剂中混有0.5-5wt%的一种由环氧 乙烷加入到环己胺中所形成的化合物,以及0.5-5wt%的聚氧乙烯烷基 胺。
图1展示的是作为一个实施例的本发明的一种Zn系钎料膏和作为一 比较例的一种Zn系钎料膏的粘度随时间的变化。
本发明中所使用的并且由环氧乙烷加入到环己胺中所形成的化合物 是一种具有下面的式(1)所示的化学结构的化合物。为清楚起见,在下文中 将该化合物称作“胺化合物”。这种化合物市场上有售,其商品名为Nihon Nyukazai K.K.(日本Emulsion有限公司)生产的“CHE-20”和Shin Nihon Rika K.K的“CHE-20P”
                                 n=1~3
根据本发明,0.5-5wt%的所述胺化合物添加至一种钎料膏的钎剂 中。当所述胺化合物的量低于0.5wt%时,对于钎焊性和抗老化性的改进 达不到预期的效果。另一方面,当添加量高于5wt%时,则钎焊性会变 差。优选地,添加量的下限为1.0wt%,进一步优选其为1.5wt%,而其上 限为3.0wt%。
根据本发明的另一实施方案,将聚氧乙烯烷基胺添加到含所述胺化 合物的钎剂中可进一步改善钎剂的抗老化性。
本发明中所用的聚氧乙烯烷基胺是一种非离子表面活性剂,其有着 如下面的式(2)或(3)所示的化学结构。这种化合物有效地加强对钎料粒子 的覆盖。为清楚起见,该化合物在下文中被称作“胺型表面活性剂”。所 述胺型表面活性剂市场上有售,其商品名分别为Nihon Nyukazai K.K.(日 本Emulsion有限公司)的“NEWCOL 405”、“NEWCOL410”、或 “NEWCOL LA-407”和Kao Corporation的“AMIET105”或 “AMIET320”。
或RNH(C 2 H 4 O) n H                 …(3)
其中R:C m H 2m+1 ,式(2)和(3)中m=8-18
要添加至其中已加有所述胺化合物的钎剂中的所述胺型表面活性剂 的合适的量为0.5-5wt%。当所述胺型表面活性剂的添加量低于0.5wt% 时,Zn系钎料膏的抗老化性不能得以完全改善,另一方面,当所述胺型表 面活性剂的添加量高于5wt%时,钎焊性会变坏。所述胺型表面活性剂的 优选含量是1.5-3.0wt%。
传统的Zn系钎料膏很容易发生老化,因为Zn是一种极易与酸或碱 反应的金属,而且,在活性钎剂中,Zn会发生选择性腐蚀。尤其是,由于 所述Sn-Zn合金系合金以粒子形式存在于钎料膏中,Zn的表面积显著 增加并受到钎剂的强烈侵蚀。然而,如果在钎剂中混有所述胺化合物,则 胺对所述钎料粒子的覆盖会防止钎剂所造成的腐蚀。而且,如果所述胺型 表面活性剂与所述胺化合物一起加入到钎剂中,则所述胺化合物的覆盖 进一步加强,使抗老化性得以改善。
术语“老化”一般指的是钎料膏性能随时间的变化。但在本专利说明 书中,术语“老化”却是指粘度随时间的变化。
术语“钎焊性”指是在含空气的气氛下,在软熔炉中加热时熔化的钎 料的铺展面积来评价的性能。根据本发明,这样的性能可通过使所述的胺 化合物和任选的所述的胺型表面活性剂加以改善。在这一方面,传统的 Sn-Zn合金的这种性能甚至可以通过将Ag,Cu,Bi,In,Ni,和P作为合金元素 进行添加而在某种程度上得以改善,但这些元素却不能用于钎料膏中。因 此,在本发明的一个进一步优选的实施方案中,另外含有这样一种合金元 素的Sn-Zn系合金可以用于钎料膏中。
根据本发明,所述胺化合物或所述胺化合物与所述胺型表面活性剂 一起可以加入其中的钎剂可以与例如,含Sn-Pb系钎料合金的钎料膏中 使用的钎剂相同。所述钎剂的一个实例是松香钎剂,它以松香为主要组份, 其它组份可以是摇溶剂,活化剂等。这些组份以固态存在,在使用时需将 它们在溶剂中加以溶解。
本发明的一种优选的钎剂主要含有松香或改性的松香,以及任选地, 在一种溶剂(如α-萜品醇油,二甘醇一己醚)中含有一种摇溶剂(例如,硬 化的蓖麻油,脂肪酰胺),一种活化剂(例如,HBr二苯基胍,HBr环己 胺)。
实施例
实施例1
10wt%的一种钎剂与90wt%的一种钎料合金粉末混合以制备出一种 钎料膏。从抗老化性和钎焊性方面评价所得到的钎料膏。
钎剂:10wt%
      聚合的松香(松香)      47wt%
      硬化的蓖麻油(摇溶剂)  5wt%
      HBr二苯基胍(活化剂)   2wt%
      CHE-20(胺化合物)      3wt%
      α-萜品醇油(溶剂)     43wt%
Sn-8%Zn-3%Bi合金粉末:    90wt%
实施例2
将10wt%的一种钎剂与90wt%的一种钎料合金粉末混合以制备出一 种钎料膏。从其抗老化性方面对所得到的钎料膏进行评价。
钎剂:10wt%
      聚合的松香(松香)       47wt%
      硬化的蓖麻油(摇溶剂)   5wt%
      HBr二苯基胍(活化剂)    2wt%
      CHE-20(胺化合物)       3wt%
NEWCOL 405(胺类表面活性剂)   2wt%
      α-萜品醇油(溶剂)      41wt%
Sn-8%Zn-3%Bi合金粉末:     90wt%
比较例1
钎剂:10wt%
      聚合的松香(松香)       50wt%
      硬化的蓖麻油(摇溶剂)   5wt%
      HBr二苯基胍(活化剂)    2wt%
      α-萜品醇油(溶剂)      43wt%
Sn-8%Zn-3%Bi合金粉末:     90wt%
对作为实施例1和2以及比较例1的含锌钎料膏的抗老化性作了测定 并在图1中以曲线形式示出。
将所述含Zn钎料膏置于一温度保持在25℃的容器中,再测出粘度的 变化情况,由此来测定其抗老化性。
由图1中可明显看出,对于作为实施例1的含Zn钎料膏,在配制后 的7天内,粘度逐渐增加,但在这之后,粘度基本不变。对于作为实施例2 的含Zn钎料膏,自其配制后,粘度基本不变。
相比之下,对于作为比较例1的含Zn钎料膏,在配制之后,其粘度即 开始急剧增加。配制好3天以后,粘度值非常高,根据不可能进行印刷或 配送。
当钎料膏发生老化时,所述膏的粘度增加,从而难于进行印刷或配 送。而且,钎焊性变坏,在钎焊点周围的表面上,不可避免会粘附有许多 钎料小球或钎料氧化物。
表1示出了所测定的作为实施例1和2以及比较例1的含Zn钎料膏 的钎焊性的结果。由表1中示出的结果可明显看出,根据本发明,钎焊性 也得以改善。
表1
                配制后的钎焊性
  0天   3天   7天   14天   25天
比较例1   ○   △   ×   ×   ×
实施例1   ○   ○   ○   ○   ○
实施例2   ○   ○   ○   ○   ○
注:钎焊性○:未形成钎料球,且软熔良好
      △:少量钎料球形成
      ×:基本不能熔化
本发明的含Zn钎料膏长时间内基本上不发生老化,将所述钎料膏应 用于印刷或配送上不存在困难。也可能获得可靠的钎焊点,没有小钎料球 及氧化物粘附于钎焊点的表面上。