Припой, по существу не содержащий свинец, и способ его получения

Изобретение относится к припоям, которые по существу не содержат свинец. Припой получают путем смешения олова, серебра, индия, меди и фосфора. Полученный припой, по существу не содержащий свинец, содержит 91,39% олова, 4,1% серебра, 4,0% индия, 0,5% меди и 0,01% фосфора и используется в способах пайки волной. Обеспечиваются простота и экономичность пайки при использовании предложенного припоя. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Данное изобретение относится к припоям, в частности к припоям, которые по существу не содержат свинец.

Многие общепринятые припои содержат свинец в качестве основного компонента. Такие припои часто имеют желательные физические свойства, и использование содержащих свинец припоев является широко распространенным в нескольких отраслях промышленности, включая отрасли, относящиеся к получению печатных плат. Например, припой, содержащий 63% олова и 37% свинца, обычно используют в способах пайки волной припоя.

Однако существует возрастающая потребность в припоях без свинца вследствие, например, соображений охраны окружающей среды, и, по-видимому, весьма вероятно, что через несколько лет будет узаконено в нескольких странах требование к припоям, используемым во многих технологических операциях, чтобы они содержали небольшое количество или вообще не содержали свинец.

Предыдущие попытки составления припоев без свинца не имели большого успеха. Общепринятые припои без свинца обычно имеют нежелательные физические свойства, в том числе плохую смачиваемость, низкую текучесть, низкую совместимость с существующими компонентными покрытиями и избыточную окалину. Особой проблемой, которая была обнаружена при использовании припоев без свинца, является проблема отслаивания кромки, когда отслаивание припоя на краю металлизированного сквозного отверстия в печатной плате приводит к отделению его от подложенного материала, например покрытия никель/золото. Другой проблемой является тот факт, что припои без свинца часть имеют высокую скорость растворения меди, часто так что медь выщелачивается в припой без свинца из компонентов и печатной платы в контакте с припоем.

В результате некоторыми производителями обнаружено, что существующие способы пайки, которые действовали эффективно в течение многих лет, теперь должны быть значительно модифицированы для приспособления к использованию припоев без свинца. Кроме того, существующие материалы, которые используют при получения печатных схем, могут быть заменены, чтобы быть совместимыми с использованием припоев без свинца. Такая модификация способов и материалов широко рассматривается в качестве слабого использования ресурсов, в частности потому, что стандарт изделий, изготовляемых с использованием известных припоев без свинца, как указано выше, часто является значительно более низким, чем может быть достигнуто с использованием общепринятых содержащих свинец припоев.

Наиболее близким к заявленному изобретению является решение, согласно которому по существу не содержащий свинец припой содержит 85,6-97,6% олова, 1,5-7,0% серебра, 0,5-6,0% индия, 0,4-1,4% меди (см, WO 9709455, кл. С 22 С 13/00, от 13.03.97 г.)

Задачей настоящего изобретения является предложение припоя без свинца, который способен служить в качестве более или менее непосредственного заменителя общепринятых содержащих свинец припоев.

В соответствии с этим в одном аспекте настоящего изобретения припой включает 91,39% олова, 4,1% серебра, 4,0% индия, 0,5% меди и 0,01% фосфора.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ получения по существу не содержащего свинец припоя, включающий стадию смешивания олова, серебра, индия, меди и фосфора таким образом, чтобы содержание олова в припое составляло 91,39%; содержание серебра в припое составляло 4,1%; содержание индия в припое составляло 4,0%, содержание меди в припое составляло 0,5% и содержание фосфора составляло 0,01%.

Следующий аспект настоящего изобретения предлагает способ пайки, включающий стадию использования припоя, включающего 91,39% олова, 4,1% серебра, 4,0% индия, 0,5% меди и 0,01% фосфора.

Способ, преимущественно, включает стадию пайки волной припоя с использованием по существу не содержащего свинец припоя.

Чтобы настоящее изобретение могло быть легче понято, теперь будут описаны его примеры путем приведения примера со ссылкой на прилагаемый графический материал, в котором

Фиг.1 представляет собой таблицу времени смачивания в секундах при различных температурах для выбора различных припоев, в том числе припоя, включенного в изобретение;

Фиг.2 представляет собой графическое предоставление данных, выраженных в таблице на фиг.1;

Фиг.3 представляет собой таблицу максимальной силы смачивания при различных температурах для выбора различных припоев, в том числе припоя, включенного в настоящее изобретение;

Фиг.4 представляет собой графическое изображение данных, представленных в таблице на фиг.3;

Фиг.5 представляет собой таблицу, показывающую физические свойства, в том числе коэффициент теплового расширения, для выбора припоев, в том числе припоя, включенного в настоящее изобретение;

Фиг.6 представляет собой графическое изображение данных теплового расширения, представленных в таблице на фиг.5;

Фиг.7 представляет собой таблицу механических свойств, включая прочность на растяжение и предел текучести для выбора различных припоев, в том числе припоя, включенного в настоящее изобретение;

Фиг.8 представляет собой графическое изображение данных прочности на растяжение и предела текучести, представленных в таблице на фиг.7;

Фиг.9 представляет собой таблицу результатов, полученных в испытаниях на отслаивания кромки, проведенных для выбора различных припоев без свинца, в том числе припоя, включенного в настоящее изобретение;

Фиг.10А и 10В представляют собой две пары микрографических изображений на двух различных шкалах, указанные пары изображений соответственно показывают кромки припоя, включенного в изобретение, сцепляющегося с покрытиями никель/золото и OSP (полимерные покрытия на медном субстрате);

Фиг.11 представляет собой таблицу, показывающую скорость растворения меди в различных типах припоя, в том числе припоя без свинца, включенного в настоящее изобретение;

Фиг.12 представляет собой графическое изображение данных, представленных в таблице на фиг.12;

Фиг.13 представляет собой таблицу, показывающую уровень образования окалины различными припоями, включая припой без свинца, включенный в настоящее изобретение.

Как описано выше, общепринятые припои без свинца страдают несколькими недостатками, включая слабые смачивающие свойства, низкую текучесть, низкую совместимость с существующими компонентными покрытиями, отслаивание кромки, высокие скорости растворения меди и избыточное образованием окалины по сравнению с общепринятыми припоями, содержащими свинец.

Однако теперь обнаружено, что припой, включенный в настоящее изобретение и состоящий из сплава без свинца, включающего от 88,5% до 93,2% олова, от 3,5% до 4,5% серебра, от 2,0% до 6,0% индия, от 0,3% до 1,0% меди и до 0,5% антиоксиданта или добавки против окалины, такой как фосфор или другое неметаллическое соединение или элемент, обладает значительно улучшенные свойства по сравнению с известными не содержащими свинец припоями. Действительно, свойства припоев, включенных в настоящее изобретение, являются сравнимыми с общепринятыми припоями, содержащими свинец, в отношении смачиваемости, текучести, совместимости с существующими компонентными покрытиями, отслаивания кромки, скорости растворения меди и образования окалины.

Чтобы продемонстрировать преимущественные свойства припоев, включенных в настоящее изобретение, провели пять испытаний, как будет описано ниже. Указанные испытания проводили на предпочтительном варианте осуществления припоя настоящего изобретения, который назван здесь СПЛАВОМ 349 и включает 91,39% олова, 4,2% серебра, 4,0% индия, 0,5% меди и 0,01% фосфора.

Испытание 1: Смачиваемость

Первое испытание относилось к смачиваемости образца припоя, включенного в настоящее изобретение, по сравнению с образцами, выбранными из известных припоев, а именно восемью существующими припоями без свинца и общепринятым содержащим свиней припоем.

Девятью известными припоями были следующие:

1. Содержащий свинец припой состава: 63% Sn; 37% Pb.

2. Первый не содержащий свинец припой состава: 99,3% Sn; 0,7% Cu.

3. Второй не содержащий свинец припой состава: 96,5% Sn; 3,5% Ag.

4. Третий не содержащий свинец припой (названный здесь VIROMET 217) состава: 88,3% Sn; 3,2% Ag; 4,5% Bi; 4,0% In.

5. Четвертый не содержащий свинец припой (названный здесь VIROMET 411) состава: 92% Sn.; 2% Cu; 3% Ag; 3% Bi.

6. Пятый не содержащий свинец припой (названный здесь VIROMET 513) состава: 92,8% Sn; 0,7% Cu; 0,5% Ga; 6% In.

7. Шестой не содержащий свинец припой состава: 93,5% Sn; 3,5% Ag, 3,0% Bi.

8. Седьмой не содержащий свинец припой состава: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu.

9. Восьмой не содержащий свинец припой состава: 96,0% Sn; 2,5% Ag; 1,0% Bi; 0,5% Cu.

Первый аспект первого испытания включает измерение времени смачивания, основанное на стандарте ANSI/J Std-003, для припоев при разных температурах, составляющих от 235°С до 265°С. В данном испытании образец меди погружали в некоторое количество каждого расплавленного припоя. Измеряющее точную силу устройство соединяли с образцом меди и располагали так, чтобы можно было измерить и зарегистрировать вертикальные силы, действующие на образец.

Варьирование в вертикальной силе, действующей на образец меди во время погружения его в расплавленные припои, обусловлено двумя основными факторами. Первый из них, подъемная сила, увеличивается от направленной силы, оказывающей воздействие на образец из-за вытеснения припоя; эта сила равна весу припоя, вытесненного образцом. Поскольку объем части образца, который был погружен в припой, и плотность припоя известны, эта направленная вверх сила может быть вычислена и принята во внимание.

Вторым фактором является сила, действующая на образец вследствие изменения угла контакта между поверхностью припоя и поверхностью образца. Время смачивания в каждом конкретном случае определяли как время, необходимое, чтобы сила смачивания, действующая на образец, была равна нулю.

Результаты первого аспекта первого испытания показаны на фиг.1. Итак, припой, включенный в настоящее изобретение, обнаруживал время смачивания для каждой из температур, которое было совместимо с временем смачивания, обнаруживаемым общепринятым, содержащим свинец припоем. Кроме того, припой, включенный в настоящее изобретение, демонстрировал время смачивания, которое обычно было ниже, чем время смачивания, показываемое любым из других не содержащих свинец припоев. Время смачивания представляет собой величину скорости, с которой припой прилипает к веществу и, несомненно, низкое время смачивания является желательным свойством припоя. Отсюда можно увидеть, что припой, включенный в настоящее изобретение, проявлял себя в целом лучше в первом аспекте первого испытания, чем любой из существующих припоев без свинца.

Результаты первого аспекта первого испытания демонстрируются в графической форме на фигуре 2. Из данного графика можно видеть, что результаты, представляющие характеристики общепринятого припоя, содержащего свинец, и припоя, включенного в настоящее изобретение, следуют друг за другом совсем близко по сравнению с результатами, представляющими характеристики других не содержащих свинец припоев.

Второй аспект первого испытания включал измерение максимальной силы смачивания через 2,0 секунды после погружения образца в соответствующие припои. Сила смачивания, как описано выше, является силой прилипания припоя к образцу. Очевидно, что сила смачивания предоставляет полезный показатель силы, с которой припой связывается с субстратом, и высокая сила смачивания является желательным свойством для припоя.

Результаты второго аспекта первого испытания показаны на фиг.3. Они таковы: включенный в настоящее изобретение припой проявлял максимальную силу смачивания через 2,0 секунды после погружения в него образца при каждой из рассматриваемых температур, что сравнимо с максимальной силой смачивания, демонстрируемой общепринятым содержащим свинец припоем, хотя иногда этот показатель был ниже. Хотя некоторые из существующих не содержащих свинец припоев обнаруживали силу смачивания, которая была ближе к силе смачивания общепринятого содержащего свинец припоя при таких же температурах, только VIROMET 217 проявлял несколько лучшие общие результаты и припой настоящего изобретения проявлял силу смачивания, которая была близка к силе смачивания общепринятого содержащего свинец припоя при всех рассматриваемых температурах. Это свойство припоя, включенного в настоящее изобретение, позволяет припою изобретения вести себя аналогично общепринятым содержащим свинец припоям при различных температурных условиях или когда пайку проводят при различных температурных условиях.

Результаты второго аспекта первого испытания представлены в графической форме на фиг.4, которая ясно показывает, что результаты припоя, включенного в настоящее изобретение, повторяют результаты, представляющие общепринятый содержащий свинец припой, по меньшей мере так близко, как лучший из результатов, представляющих другие не содержащие свинец припои.

Из результатов первого испытания ясно видно, что припой, включенный в настоящее изобретение, проявляет очень близкие свойства в отношении смачиваемости с общепринятым содержащим свинец припоем. Несомненно, что такая близость в физических свойствах делает припой, включенный в настоящее изобретение, подходящим для использования в качестве заменителя общепринятого содержащего свинец припоя.

Испытание 2: Механические свойства

Второе испытание сравнивало механические свойства припоя настоящего изобретения с механическими свойствами общепринятого содержащего свинец припоя. В данном втором испытании различные механические свойства испытывали в соответствии со стандартом ASTM для сравнения свойств ALLOY 349, припоя, включенного в настоящее изобретение, с общепринятым содержащим свинец припоем состава 63% Sn/37% Pb и с семью другими существующими не содержащими свинец припоями со следующими составами:

1. Первый не содержащий свинец припой: 99,3% Sn; 0,7% Cu.

2. Второй не содержащий свинец припой: 96,5% Sn; 3,5% Ag.

3. Третий не содержащий свинец припой (названный здесь VIROMET 217): 88,3% Sn; 3,2% Ag; 4,5% Bi, 4,0% In.

4. Четвертый не содержащий свинец припой (названный здесь VIROMET HF): 92,8% Sn; 0,7% Cu; 0,5% Ga; 6% In.

5. Пятый не содержащий свинец припой: 93,5% Sn; 3,5% Ag; 3,0% Bi.

6. Шестой не содержащий свинец припой: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu.

7. Седьмой не содержащий свинец припой: 96% Sn; 2,5% Ag; 0,5% Cu; 1,0% Bi.

Первый аспект данного второго испытания включает определение температуры плавления, коэффициента теплового расширения (СТЕ) и удельную плотность припоев при испытании. Результаты данного первого аспекта второго испытания табулированы на фиг.5 и показаны в графической форме на фиг.6.

Как должно быть ясно из данных таблицы и графика, оказалось, что припой ALLOY 349 настоящего изобретения имеет коэффициент теплового расширения, который является очень близким коэффициенту общепринятого содержащего свинец припоя, так что любое опасение несовместимости между припоем настоящего изобретения и существующими компонентами и печатной платой значительно снижается.

Второй аспект второго испытания включает измерение прочности на растяжение, нагрузки при максимальной нагрузке, предела текучести и модуля Юнга различных припоев. Результаты этих испытаний представлены полностью в таблице на фиг.7, тогда как на фиг.8 графически показана прочность на растяжение и предел текучести каждого из припоев.

Как можно видеть из фиг.7 и 8, результаты данного испытания демонстрируют, что припой СПЛАВА 349, включенного в настоящее изобретение, имеет лучшую прочность и лучший модуль Юнга по сравнению с общепринятым содержащим свинец припоем, в результате чего указываем, что соединения кромки, образованные сплавом по данному изобретению, могут быть потенциально значительно крепче, чем соединения, образованные из общепринятого содержащего свинец припоя.

Испытание 3: Отслаивание кромки

Повышенное использование не содержащих свинец припоев в различных отраслях промышленности показало, что имеется тенденция к отслаиванию кромки, когда не содержащие свинец припои используют вместе с печатными платами с металлизированными сквозными отверстиями с использованием как OSP-, так и Ni/Au-покрытий.

В третьем испытании появление такого отслаивания кромки испытывали для выбора припоев без свинца, а именно припоя СПЛАВ 349, включенного в настоящее изобретение, и следующих шести существующих припоев без свинца:

1. Первый не содержащий свинец припой: VIROMET 217.

2. Второй не содержащий свинец припой: 92,3% Sn; 3,2% Ag; 0,5% Bi; 4,0%.

3. Третий не содержащий свинец припой: 89,8% Sn, 3,2% Ag; 1,0% Bi; 6,0% In.

4. Четвертый не содержащий свинец припой: 88,8% Sn, 3,2% Ag; 2,0% Bi; 6,0% In.

5. Пятый не содержащий свинец припой: 94,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu; 1,0% Bi.

6. Шестой не содержащий свинец припой: 96,5% Sn; 3,5% Ag.

Результаты данного третьего испытания иллюстрируются на фиг.9, 10А и 10В, причем на фиг.9 результаты представлены в табулированной форме. На фиг.10А и 10В показаны микрофотографии на двух различных шкалах соединений кромки, образованных с использованием припоя СПЛАВ 349, включенного в настоящее изобретение, на Ni/Au- и OSP-покрытиях соответственно. Эти результаты очевидно показывают, что использование припоя, включенного в настоящее изобретение, позволяет исключить дефекты отслаивания кромки при использовании OSP- и никель/золото-покрытых сквозных отверстий в печатных платах.

Испытание 4: Скорость растворения меди

Четвертое испытание проводили для сравнения скорости растворения меди в не содержащем свинец припое, включенном в настоящее изобретение, с общепринятым содержащим свинец припоем (63% Sn/37% Pb) и тремя следующими существующими не содержащими свинец припоями:

1. Первый не содержащий свинец припой: VIROMET 217.

2. Второй не содержащий свинец припой: 99,3% Sn; 0,7% Cu.

3. Третий не содержащий свинец припой: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu.

Испытание проводили погружением известной массы обработанной флюсом медной пластины в расплавленный припой, и концентрацию меди в припое затем измеряли с использованием плазменного оборудования с индуктивной связью. Скорость растворения меди затем вычисляли на основе концентрации меди, обнаруженной в припое, в зависимости от массы меди, погруженной в припой.

Результаты данного четвертого испытания выражены на фиг.11 и 12, которые соответственно показывают результаты в табулированной форме и в графической форме. Как можно видеть на фиг.11 и 12, сплав, включенный в настоящее изобретение, имеет незначительно более высокую скорость растворения меди, чем общепринятый содержащий свинец припой, но имеет также одну из самых низких скоростей растворения, обнаруженных в испытанных не содержащих свинец припоях.

Испытание 5: Образование окалины

Пятое испытание относится к пригодности припоя настоящего изобретения для использования в машине пайки волной припоя. В примере пайки волной припоя печатную плату удерживают непосредственно выше поверхности расплавленного припоя в тигле. Затем вызывают распространение волны поперек поверхности расплавленного припоя с достаточной амплитудой, чтобы гребень волны входил в контакт с поверхностью печатной платы. Волна является такой широкой, как печатная плата (или ее части, которые требуется припаять), и поскольку волна распространяется поперек поверхности расплавленного припоя, все части обращенной вниз поверхности печатной платы контактируют с расплавленным припоем.

При использовании существующих не содержащих свинец припоев уровни окалины, присутствующей в тигле после нескольких использований, как было показано, в некоторых случаях являются неприемлемо высокими.

Пятое испытание проводили для определения степени образования окалины при использовании припоя из СПЛАВА 349, включенного в настоящее изобретение, по сравнению с общепринятым припоем состава 63%Sn/37% Pb и с тремя другими следующими существующими не содержащими свинец припоями.

1. Первый не содержащий свинец припой: VIROMET 217.

2. Второй не содержащий свинец припой: 99,3% Sn; 0,7% Cu.

3. Третий не содержащий свинец припой: 95,5%Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu.

В данном испытании испытываемый припой использовали в тигле расплавленного припоя в имитированной общепринятой машине для пайки волной припоя. Никакие изменения в машине не проводили, чтобы приспособить использование припоя настоящего изобретения и машины для пайки волной припоя для пайки печатных схем таким же образом, как для общепринятого припоя олово/свинец. Машина для пайки волной припоя действовала при нормальном воздухе окружающей среды при температуре тигля 245°С, причем платы двигались над поверхностью тигля со скоростью от 1,4 до 1,8 м/мин. В конце каждого из четырех последовательных 15 минутных периодов операции окалину в тигле удаляли и взвешивали для определения количества окалины, образованной способом пайки волной припоя в каждый период. Массы затем суммированы для определения скорости образования окалины в час. Результаты данного пятого испытания табулированы на фиг.13, которая ясно демонстрирует, что припой, включенный в настоящее изобретение, образует окалину в меньшей степени, чем все другие, не содержащие свинец припои, кроме одного, и в меньшей степени, чем общепринятый, содержащий свинец припой.

Как может быть очевидно из вышеуказанных результатов, настоящее изобретение предлагает не содержащий свинец припой, который является очень подходящим для использования в качестве прямой замены общепринятых содержащих свинец припоев из-за сравнимых характеристик смачиваемости, текучести, совместимости с существующими компонентными покрытиями, отслаивания кромки и образования окалины, проявляемых припоем настоящего изобретения.

Таким образом, для изготовителей может быть исключена или значительно снижена необходимость замены существующего оборудования, способов или компонентных покрытий для приспособления с целью применения не содержащего свинец припоя посредством использования припоя, включенного в настоящее изобретение. В результате этого способ преобразования оборудования изготовителя для использования не содержащего свинец припоя может стать более простым и более экономически выгодным, чем рассматриваемый до сих пор.

В настоящем описании термин "включает" означает "включает или состоит из" и термин "включающий" означает "включающий или состоящий из".

Признаки, описанные в вышеприведенном описании или нижеследующей формуле изобретения или сопутствующих графических материалах, представленные в их конкретных формах или в виде средств для выполнения описанной функции, или способа, или процесса достижения полученного результата, по мере необходимости могут быть по отдельности или в виде любой комбинации таких признаков использованы для реализации данного изобретения в его разнообразных формах.

1. По существу не содержащий свинец припой, содержащий 91,39% олова, 4,1% серебра, 4,0% индия, 0,5% меди и 0,01% фосфора.

2. Способ получения по существу не содержащего свинец припоя, включающий стадию смешения олова, серебра, индия, меди и фосфора таким образом, чтобы

содержание олова в припое составляло 91,39%;

содержание серебра в припое составляло 4,1%;

содержание индия в припое составляло 4,0%;

содержание меди в припое составляло 0,5% и

содержание фосфора в припое составляло 0,01%.

3. Способ пайки, включающий в себя стадию использования по существу не содержащего свинец припоя, содержащего 91,39% олова, 4,1% серебра, 4,0% индия, 0,5% меди и 0,01% фосфора.

4. Способ по п.3, который включает в себя стадию пайки волной припоя с использованием по существу не содержащего свинец припоя.