Бессвинцовый припой

Изобретение относится к области металлургии, а именно к бессвинцовым припоям. Бессвинцовый припой содержит, мас.%: Zn 4-12, Bi 0,5-4, In 0,5-5, Р 0,005-0,5, Zr 0,001-0,5, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из: Y 0-0,1, Ge 0-0,2, Mg 0-0,05, В 0-0,02, Al 0-0,05, Ni 0-0,2 и Ag 0-0,3, Sn - остальное. Припой характеризуется низкой температурой плавления и высокой стойкостью. 2 табл., 10 пр.

 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка имеет приоритет по китайской заявке на патент №201310025378.2, поданной в Государственное ведомство интеллектуальной собственности 22 января 2013 года, полное содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Варианты осуществления настоящего изобретения в целом относятся к области пайки и, в частности, к бессвинцовому припою и способу его изготовления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В электронной промышленности, в качестве основного материала для пайки обычно применяются эвтектические сплавы Sn-Pb с температурой плавления 183°C, которые играют важную роль при сборке электронных компонентов. Однако свинец и его сплавы являются токсичными, из-за чего возможно загрязнение окружающей среды и причинение вреда здоровью пользователей.

В качестве материала для пайки также применяются сплавы Sn-Ag-Cu. Помимо недостатков, связанных с неудовлетворительными характеристиками смачивания, большим объемом, неравномерным распределением и недостаточной стойкостью, температура плавления сплава Sn-Ag-Cu составляет 221°C, что обуславливает необходимость внесения изменений в производственное оборудование, связанное с выполнением пайки. Следовательно, применение сплава Sn-Ag-Cu влечет за собой увеличение затрат на производство. Кроме того, из-за высокой температуры плавления сплава Sn-Ag-Cu во время сборки электронных компонентов максимальная температура, требуемая в технологическом процессе с применением сплава Sn-Ag-Cu, превышает температуру технологического процесса для сплава Sn-Pb на 40-50°C. При таких условиях возрастают затраты времени на выполнение монтажа, а увеличение потребления энергии при монтаже может составить до 25%. Более того, в процессе монтажа выделяется большее количество углекислого газа, который является основной причиной парникового эффекта и неблагоприятно влияет на окружающую среду. Следовательно, существует потребность в припое, который обеспечил бы решение упомянутых проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на решение по меньшей мере одной из проблем, существующих в предшествующем уровне техники, по меньшей мере, в некоторой степени, или на обеспечение для потребителя приемлемого коммерческого выбора.

Объектом вариантов осуществления настоящего изобретения является бессвинцовый припой. Бессвинцовый припой может содержать: 4-12% содержания по массе Zn, 0,5-4% содержания по массе Bi, 0,5-5% содержания по массе In, 0,005-0,5% содержания по массе Р, 0,001-0,5% содержания по массе Zr, и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из: 0-0,1% содержания по массе Y, 0-0,2% содержания по массе Ge, 0-0,05% содержания по массе Mg, 0-0,02% содержания по массе В, 0-0,05% содержания по массе Al, 0-0,2% содержания по массе Ni и 0-0,3% содержания по массе Ag, а остаток составляет Sn.

Бессвинцовый припой согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может иметь низкую температуру плавления и высокую стойкость. При наличии элементов Р и Zr точка плавления бессвинцового припоя может быть снижена, например, до температуры, близкой к точке плавления эвтектического сплава Sn-Pb, т.е. до 183°C. Кроме того, присутствие Zr может способствовать формированию более мелкой кристаллической структуры бессвинцового припоя, а также может снизить содержание в бессвинцовом припое массивных дендритных кристаллических структур. Таким образом, могут быть усилена интенсивность и вязкость на границах зерен бессвинцового припоя, а также может быть увеличен условный предел текучести σ_0,2 бессвинцового припоя. Следовательно, могут быть уменьшены и даже устранены концентрации напряжений и деформации. Это может затруднить распространение трещин в бессвинцовом припое, за счет чего могут быть улучшены характеристики пайки, выполненной с применением бессвинцового припоя. Кроме того, бессвинцовый припой, соответствующий вариантам осуществления настоящего изобретения, может иметь повышенную стойкость.

При наличии по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из: 0-0,1% содержания по массе Y, 0-0,2% содержания по массе Ge, 0-0,05% содержания по массе Mg, 0-0,02% содержания по массе В, 0-0,05% содержания по массе Al, 0-0,2% содержания по массе Ni и 0-0,3% содержания по массе Ag, могут быть модифицированы границы зерен бессвинцового припоя, за счет чего может быть дополнительно улучшена стойкость бессвинцового припоя. Например, припой может иметь улучшенные показатели устойчивости к воздействию тепла и влаги. Бессвинцовый припой может иметь уменьшенный угол смачивания θ, то есть такой бессвинцовый припой будет обладать хорошими смачивающими свойствами для спаиваемых частей. Дополнительно может быть повышена стойкость бессвинцового припоя к окислению. В силу того, что на бессвинцовом припое легко формируется оксидная пленка, она защищает бессвинцовый припой от повреждений. Такая пленка легко может быть удалена в процессе пайки при помощи растворителя. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь более однородную структуру и меньшее количество дефектов, а также может характеризоваться улучшенной адгезией. В силу вышесказанного могут быть дополнительно улучшены характеристики паяных соединений, выполненных при помощи бессвинцового припоя, соответствующего вариантам осуществления настоящего изобретения.

Бессвинцовый припой, соответствующий вариантам осуществления настоящего изобретения, может изготавливаться в различных формах, таких как стержень, проволока, порошок и т.д. Следовательно, бессвинцовый припой может применяться в различных процессах пайки, а его использование позволяет удовлетворить различные требования, предъявляемые к процессу пайки.

Дополнительные аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения будут частично приведены в последующих описаниях, будут очевидны, частично, из последующих описаний или могут быть определены на основании практических вариантов осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Будут сделаны ссылки на подробные описания, касающиеся вариантов осуществления настоящего изобретения. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе со ссылками на чертежи, являются пояснительными и иллюстративными и используются для общего понимания настоящего изобретения. Такие варианты осуществления не следует рассматривать как ограничение настоящего изобретения. Одни и те же или аналогичные элементы и элементы, имеющие одни и те же или аналогичные функции, обозначены одинаковыми номерами позиций во всех описаниях.

В соответствии с целью настоящего описания и приведенной далее формулы изобретения определения числовых диапазонов всегда включают в себя граничные значения, если не указано иное.

Следует заметить, что когда в настоящем изобретении речь заходит о содержании по массе (%), такое содержание по массе всегда указывается, исходя из общей массы бессвинцового припоя.

Варианты осуществления объекта настоящего изобретения предусматривают не содержащий свинца (бессвинцовый) припой. Бессвинцовый припой может содержать: 4-12% содержания по массе цинка (Zn), 0,5-4% содержания по массе висмута Bi, 0,5-5% содержания по массе индия (In), 0,005-0,5% содержания по массе фосфора (Р), 0,001-0,5% содержания по массе циркония (Zr), по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из: 0-0,1% содержания по массе иттрия (Y), 0-0,2% содержания по массе германия (Ge), 0-0,05% содержания по массе магния (Mg), 0-0,02% содержания по массе бора (В), 0-0,05% содержания по массе алюминия (Al), 0-0,2% содержания по массе никеля (Ni) и 0-0,3% содержания по массе серебра (Ag), и остаток составляет олово (Sn).

Бессвинцовый припой согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может иметь низкую температуру плавления и высокую стойкость. Изобретатели выяснили, что в присутствии Р и Zr температура плавления бессвинцового припоя может быть снижена, например, близко к точке плавления эвтектического сплава Sn-Pb, т.е. 183°C.

Также изобретатели выяснили, что в присутствии Zr может быть повышена стойкость бессвинцового припоя, а также могут быть улучшены характеристики пайки, выполняемой при помощи бессвинцового припоя. С одной стороны, атом Zr может присоединиться к границе зерна бессвинцового припоя из-за его большого атомного радиуса. С другой стороны, атом Zr может образовывать материальную точку ZrN на границе зерна, что препятствует распространению трещин в бессвинцовом припое. Кроме того, поскольку ZrN может действовать как карман для водорода (Н), он может способствовать образованию более мелкой кристаллической структуры бессвинцового припоя, а также может снизить содержание в бессвинцовом припое массивных дендритных кристаллических структур. Таким образом, могут быть усилена интенсивность и вязкость на границах зерен бессвинцового припоя, а также может быть увеличен условный предел текучести σ_0,2 бессвинцового припоя. Следовательно, могут быть уменьшены и даже устранены концентрации напряжений и деформации. Это может затруднить распространение трещин в бессвинцовом припое, за счет чего могут быть улучшены характеристики пайки, выполненной с применением бессвинцового припоя.

Кроме того, поскольку Zr также обладает сильной адгезией с кислородом (О), на поверхности бессвинцового припоя может быть образована материальная точка ZrO. Также на поверхности бессвинцового припоя может быть образовано соединение с Р. При формировании на поверхности бессвинцового припоя материальной точки ZrO и соединения с Р зерна бессвинцового припоя могут иметь уменьшенные диаметры. Кроме того, материальная точка ZrO и соединение с Р могут препятствовать повреждению бессвинцового припоя, благодаря чему может быть повышена износостойкость и коррозионная устойчивость бессвинцового припоя.

Бессвинцовый припой согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может характеризоваться дополнительным повышением стойкости и характеристик пайки, например уменьшенным углом смачивания и повышенной устойчивостью к растрескиванию. Изобретатели обнаружили, что по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из: 0-0,1% содержания по массе Y, 0-0,2% содержания по массе Ge, 0-0,05% содержания по массе Mg, 0-0,02% содержания по массе В, 0-0,05% содержания по массе Al, 0-0,2% содержания по массе Ni и 0-0,3% содержания по массе Ag, может взаимодействовать с Zr и Р в бессвинцовом припое.

В варианте осуществления бессвинцовый припой может дополнительно содержать Ge и Y. Изобретатели обнаружили, что Ge и Y могут быть окислены с формированием на поверхности бессвинцового припоя соединения Ge или соединения Y, тем самым обеспечивая защиту точек сварки во время процесса пайки. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь улучшенные рабочие характеристики.

В варианте осуществления, бессвинцовый припой может дополнительно содержать Mg и Y. Изобретатели обнаружили, что Mg, Y и Zr могут окисляться в процессе пайки и примеси, такие как сера (S), могут быть связаны в бессвинцовом припое. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь улучшенные рабочие характеристики.

В варианте осуществления, бессвинцовый припой может дополнительно содержать Y, В и Mg. Изобретатели обнаружили, что взаимодействия между Y, В, Mg и Zr могут повысить прочность точки пайки. Поскольку В имеет очень малый радиус атома, это позволяет уменьшить напряжения, возникающие в зернах бессвинцового припоя. Кроме того, В может окисляться с образованием пленки на поверхности бессвинцового припоя, которая защищает бессвинцовый припой от повреждений. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь улучшенные рабочие характеристики.

В варианте осуществления, бессвинцовый припой может дополнительно содержать Al. Изобретатели обнаружили, что Al также может образовывать соединение Al на поверхности бессвинцового припоя, тем самым обеспечивая защиту бессвинцового припоя. Поскольку при затвердевании бесссвинцового припоя Al имеет гранецентрированную кубическую структуру и является изотропным, Al может быть отделен и распределен в бессвинцовом припое в форме крошечных материальных точек, имеющих высокую диффузионную концентрацию. Такие крошечные материальные точки могут обеспечить устойчивость бессвинцового припоя к окислению. Следовательно, использование малого количества Al может значительно повысить устойчивость бессвинцового припоя к окислению. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь улучшенные рабочие характеристики.

В варианте осуществления, бессвинцовый припой может дополнительно содержать Ni и Al. Изобретатели обнаружили, что такой бессвинцовый припой может обладать улучшенной стойкостью и прочностью. Al и Ni могут образовывать на поверхности бессвинцового припоя интерметаллические наномасштабные соединения, в результате чего может быть повышена стойкость бессвинцового припоя. Когда пайка осуществляется на медной (Cu) подложке, на поверхности контакта между медной подложной и бессвинцовым припоем может образовываться соединение Cu, в результате чего повышается прочность адгезии между подложкой из Cu и бессвинцовым припоем. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь улучшенные рабочие характеристики.

В варианте осуществления, бессвинцовый припой может дополнительно содержать Ag. При добавлении Ag может быть дополнительно увеличена прочность адгезии между подложкой из Cu и бессвинцовым припоем. Таким образом, бессвинцовый припой может иметь улучшенные рабочие характеристики.

Бессвинцовый припой, соответствующий вариантам осуществления настоящего изобретения, может быть изготовлен способом, включающим в себя следующие этапы: обеспечение наличия материалов, содержащих соответствующие элементы бессвинцового припоя, при этом количество таких материалов соответствует содержанию по массе соответствующих элементов; выполнение плавки материалов и их отливка, в результате которых образуется бессвинцовый припой.

Этап плавки может быть осуществлен любым традиционным способом. В качестве примера и без ограничений, этап плавки может быть выполнен в вакууме или в среде инертного газа. Инертным газом может являться газ, известный средним специалистам в данной области техники, такой как аргон. Присутствие инертного газа уменьшает возможность проникновения примесей (таких как азот или кислород) в готовый бессвинцовый припой. Таким образом, бессвинцовый припой, изготовленный описанным выше способом, может иметь улучшенные рабочие характеристики.

Подробности, касающиеся вариантов осуществления настоящего изобретения, могут быть разъяснены при помощи следующих примеров.

Пример 1

Бессвинцовый припой Е1, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена первая смесь определенного состава, затем плавка и отливка первой смеси.

Пример 2

Бессвинцовый припой Е2, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена вторая смесь определенного состава, затем выполнена плавка и отливка второй смеси.

Пример 3

Бессвинцовый припой Е3, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена третья смесь определенного состава, затем плавка и отливка третьей смеси.

Пример 4

Бессвинцовый припой Е4, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена четвертая смесь определенного состава, затем плавка и отливка четвертой смеси.

Пример 5

Бессвинцовый припой Е5, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена пятая смесь определенного состава, затем плавка и отливка пятой смеси.

Пример 6

Бессвинцовый припой Е6, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена шестая смесь определенного состава, затем плавка и отливка шестой смеси.

Пример 7

Бессвинцовый припой Е7, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена седьмая смесь определенного состава, затем плавка и отливка седьмой смеси.

Пример 8

Бессвинцовый припой Е8, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена восьмая смесь определенного состава, затем плавка и отливка восьмой смеси.

Пример 9

Бессвинцовый припой Е9, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена девятая смесь определенного состава, затем плавка и отливка девятой смеси.

Пример 10

Бессвинцовый припой Е10, имеющий состав, который показан в Таблице 1, был подготовлен в ходе следующих этапов: изготовлена десятая смесь определенного состава, затем плавка и отливка десятой смеси.

Сравнительный пример 1

Был предоставлен бессвинцовый припой СЕ1, имеющий состав, который показан в Таблице 1.

Сравнительный пример 2

Был предоставлен бессвинцовый припой СЕ2, имеющий состав, который показан в Таблице 1.

ИСПЫТАНИЯ

Угол смачивания

Бессвинцовые припои Е1-Е10 и СЕ1-СЕ2 были испытаны при помощи испытания на смачиваемость. Величины угла смачивания θ для всех бессвинцовых припоев показаны в Таблице 2.

Стойкость

Каждый из бессвинцовых припоев Е1-Е10 и СЕ1-СЕ2 подвергался нагреву в течение 2000 часов при относительной влажности 85% и температуре 85°C. Затем была замерена длина трещин на поверхности точки пайки для каждого бессвинцового припоя Е1-Е10 и СЕ1-СЕ2. Результаты показаны в Таблице 2.

Точка плавления

Были проведены испытания на определение точки плавления бессвинцовых припоев Е1, Е6, Е8 и Е9, результаты составили 196°C, 192°C, 192°C и 190,5°C соответственно.

Как указано в Таблицах 1 и 2 выше, бессвинцовый припой, соответствующий примерам осуществления настоящего изобретения, характеризуется меньшим углом смачивания и меньшей длиной трещин. Следовательно, можно сделать вывод, что бессвинцовый припой, соответствующий примерам осуществления настоящего изобретения, может иметь улучшенные показатели стойкости и качества пайки.

Упоминания во всем данном документе «вариант осуществления», «некоторые варианты осуществления», «один вариант осуществления», «другой пример», «пример», «конкретный пример» или «некоторые примеры» означают, что конкретный признак, структура, материал или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления или примером, включены в по меньшей мере один вариант осуществления или пример настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз, таких как «в некоторых вариантах осуществления», «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления», «в другом примере», «в примере», «в конкретном примере» или «в некоторых примерах» в различных местах данного документа не обязательно относятся к одним и тем же вариантам осуществления или примерам настоящего изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры, материалы или характеристики могут быть объединены любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления или примерах.

Хотя были показаны и описаны пояснительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что приведенные выше варианты осуществления не должны рассматриваться как ограничения настоящего изобретения и что в варианты осуществления могут быть внесены изменения, альтернативы и модификации без отступления от сущности, принципов и объема настоящего изобретения.

Бессвинцовый припой, содержащий, мас.%:

Zn 4-12,

Bi 0,5-4,

In 0,5-5,

P 0,005-0,5,

Zr 0,001-0,5,

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из: Y 0-0,1, Ge 0-0,2, Mg 0-0,05, B 0-0,02, Al 0-0,05, Ni 0-0,2 и Ag 0-0,3, и

Sn - остальное.