專利名稱：焊料浸槽中銅含量的控制方法
發(fā)明的技術(shù)背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種無(wú)鉛焊料組合物，更具體地，本發(fā)明涉及一種控制焊料槽中熔融焊料合金組成的方法，以便在焊料浸入操作中得到適合的焊接接縫。
相關(guān)技術(shù)的描述焊料典型地要求在250℃相對(duì)低的溫度下焊料在金屬上的可潤(rùn)濕性等。當(dāng)印刷電路板或引線是由銅制造時(shí)，在焊接操作過(guò)程中組件表面上的銅溶解于焊料槽中。這就是所謂的銅浸出。對(duì)于無(wú)鉛的焊料，在潤(rùn)濕過(guò)程中銅快速溶解。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了銅密度在焊料槽中快速增加。隨著銅密度的增加，焊料熔點(diǎn)升高，表面張力和流動(dòng)性改變了，從而導(dǎo)致焊料架橋、有孔隙、焊料連接不完全、焊料呈尖狀、毛刺等。焊縫質(zhì)量因此嚴(yán)重降低。另外，與銅密度升高有關(guān)，熔點(diǎn)升高。一旦開始，銅密度升高與熔點(diǎn)升高同時(shí)增加。
本發(fā)明的其中一個(gè)發(fā)明人研制了一種新的含有鎳的焊料合金(國(guó)際公開WO99/48639)，在公開的技術(shù)中由于加鎳而其流動(dòng)性獲得成功的改善。在這種情況下，適當(dāng)控制銅含量是希望的。
一旦銅密度增加，用新的焊料更換槽中全部焊料是解決這個(gè)問(wèn)題的一種有效辦法。但是，更換這種焊料需要經(jīng)常進(jìn)行，因此增加了成本，還需要資源的無(wú)用處置。
發(fā)明的簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明曾研究解決上述問(wèn)題。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種控制方法，將銅密度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，還不需要更換槽中的焊料。
當(dāng)廣泛使用的鍍銅印刷板和有銅引線的組件進(jìn)行浸焊操作時(shí)，由于銅的浸出，槽中熔融焊料的銅密度升高。由于認(rèn)識(shí)到不可能防止這種現(xiàn)象，于是我們得出，通過(guò)稀釋銅含量有效地控制銅密度是最好的可能辦法。
在含有作為其主要組成銅的焊料合金中，例如，往無(wú)鉛焊料基本組成的錫-銅低共熔合金中加入少量鎳，可生產(chǎn)錫-銅-鎳基合金，從而改善可焊接性。這種焊料溶解時(shí)，它具有極佳的可流動(dòng)性，在大量電子線路板裝配中還具有高浸焊操作性能。這種焊料幾乎不架橋、無(wú)孔隙、焊料連接完全、焊料無(wú)尖狀、毛刺等，而這些問(wèn)題在大批量生產(chǎn)中始終存在。但是，根據(jù)槽的生產(chǎn)量，槽中熔融焊料的銅密度有很大增加。銅浸出產(chǎn)生了具有高熔點(diǎn)的、在預(yù)定操作溫度下不能溶解的錫-銅中間化合物。我們觀察到該合金粘在待焊接物體上，因此降低了焊接質(zhì)量。溶于錫中的銅量隨溫度而改變。因?yàn)殂~的熔點(diǎn)高達(dá)1083℃，甚至稍微增加銅也會(huì)導(dǎo)致焊料熔點(diǎn)顯著增加。我們?cè)芯窟B續(xù)進(jìn)行焊接操作而不增加焊料中銅密度的方法，并研制了下述方法。
當(dāng)觀察到含有錫、鎳和銅作為其主要組成的槽中的熔融焊料的銅密度增加時(shí)，可補(bǔ)充含有至少錫和鎳和完全無(wú)任何銅或其銅含量的銅密度低于槽中起始熔融焊料的銅密度的合金。當(dāng)將約0.5％銅和約0.05％鎳與余量為錫的無(wú)鉛焊料加入槽中時(shí)，可補(bǔ)充含有至少約0.05％鎳和余量為錫的合金，或含有至少約0.05％鎳和余量為包括小于0.5％銅的錫的合金，以通過(guò)補(bǔ)充銅保持良好的焊接狀態(tài)。
在另一個(gè)實(shí)例中，將約0.8％銅、約3.5％銀和約0.05％鎳以及余量為錫的無(wú)鉛焊料加入到焊料槽中，可補(bǔ)充含有至少約3.5％銀、約0.05％鎳和余量為錫的合金，或補(bǔ)充含有至少約3.5％銀、約0.05％鎳以及余量為包括小于0.8％銅的錫的合金以保持良好的焊接狀態(tài)。
由于待補(bǔ)充的合金(下面“補(bǔ)充的合金”)完全不含任何的銅或其密度低于補(bǔ)充合金前的熔融焊料合金密度的銅含量，補(bǔ)充的合金溶解于槽時(shí)，槽中的銅被稀釋了。盡管以補(bǔ)充焊料形式加入銅不是必需的，但銅密度增加速率比預(yù)料的低時(shí)，這取決于焊料槽中的溫度條件，可加入少量銅可能更好。焊料可能例如因具有透孔的印刷電路板被大量消耗。在這樣的情況下，可預(yù)料補(bǔ)充完全沒有任何銅含量的合金會(huì)過(guò)量降低銅含量，因此，補(bǔ)充含有少量銅的合金是優(yōu)選的。
在槽中無(wú)鉛焊料包括錫、銅以及鎳。本發(fā)明不限于此。只要槽中焊料合金至少包括銅，就可以應(yīng)用本發(fā)明。槽中焊料合金包括改善潤(rùn)濕性或抗氧化的元素時(shí)也可以應(yīng)用本發(fā)明。為此，銀、鉍、銦、磷、鍺等可能包括在焊料合金中。這也意味落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
考慮到槽中熔融焊料的消耗、液態(tài)溫度、每塊印刷電路板的焊料消耗等，可確定補(bǔ)充焊料的量。在許多情況下，銅密度增加與印刷電路板的產(chǎn)量是線性相關(guān)的。連續(xù)檢測(cè)槽中熔融焊料的水平。當(dāng)焊料量降低到預(yù)定水平以下時(shí)，就補(bǔ)充焊料。補(bǔ)充焊料塊的形狀包括，但不限于焊料棒或焊絲。因?yàn)槿缫呀?jīng)所討論的，銅密度增加與印刷電路板的產(chǎn)量是線性相關(guān)的，可以補(bǔ)充預(yù)定重量的焊料，以滿足預(yù)定的印刷電路板的產(chǎn)量。另外，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行焊料的補(bǔ)充。這些方法任選地可以結(jié)合使用。
以最佳的控制達(dá)到解決因銅密度升高所涉及的各種問(wèn)題時(shí)，含有錫、銅和鎳作為主要組成的熔融焊料的銅密度在熔融焊料溫度為約255℃時(shí)優(yōu)選地保持小于0.85重量％。0.85重量％密度目標(biāo)值不是嚴(yán)格的值，而是近似值，取決于液態(tài)溫度的偏移而有一余量。但是，超過(guò)0.90重量％，焊料連接變壞，從這個(gè)意義上講，銅密度目標(biāo)值可保持為0.85重量％。
通過(guò)上述方法控制的浸焊槽生產(chǎn)印刷電路板的設(shè)備可基本上避免加入被認(rèn)為是毒性金屬的鉛。該設(shè)備在生產(chǎn)期間不污染加工的環(huán)境，而且，處理時(shí)也沒有任何嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是一般技術(shù)中銅密度隨連續(xù)加入Sn-約0.5％Cu-約0.05％Ni焊料時(shí)的變化圖。
圖2是補(bǔ)充含有Sn-約0.05％Ni的焊料時(shí)銅密度的變化圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的描述對(duì)比實(shí)施例焊料槽裝入含有約0.5％銅和約0.05％鎳以及余量為錫的焊料。在焊接溫度255±2℃下加工大量印刷電路板。當(dāng)連續(xù)補(bǔ)充具有與起始焊料同樣組成的焊料時(shí)，產(chǎn)量超過(guò)20000個(gè)印刷電路板時(shí)，槽中銅密度增加到不希望的值，如圖1所示。結(jié)果，槽中焊料熔點(diǎn)升高，槽中焊料的表面張力和可流動(dòng)性發(fā)生變化。焊料的可焊接性變得極差，焊料架橋、有孔隙、焊料連接不完全、焊料呈尖狀、毛刺等。下面百分?jǐn)?shù)全是以重量百分?jǐn)?shù)表示的。
本發(fā)明的實(shí)施例1焊料槽裝有無(wú)鉛焊料，該焊料含有約0.5％銅和約0.05％鎳以及余量為錫。在與對(duì)比實(shí)施例相同的條件下，在焊接溫度255±2℃下加工大量印刷電路板。然后補(bǔ)充完全沒有任何銅含量的焊料。在這個(gè)實(shí)施例中，連續(xù)加入含有約0.05％鎳以及余量為錫的補(bǔ)充焊料。銅密度穩(wěn)定在約0.7％處或如圖2所示。未產(chǎn)生很差的焊接性能。
本發(fā)明的實(shí)施例2焊料槽裝有起始焊料合金，該合金含有約0.6％銅和約0.05％鎳，適當(dāng)量的抗氧化金屬如鍺、磷或鈣，以及余量為錫。在與對(duì)比實(shí)施例相同的條件下，在焊接溫度255±2℃下進(jìn)行焊接操作。然后補(bǔ)充與槽中起始焊料合金相同的焊料合金，但沒有銅。結(jié)果，如實(shí)施例1，銅密度達(dá)到約0.7％并曲線展平，在這個(gè)水平達(dá)到穩(wěn)定。
本發(fā)明實(shí)施例3焊料槽裝有無(wú)鉛焊料，該焊料含有約0.6％銅和約0.05％鎳以及余量為錫。在與前述實(shí)施例相同的條件下，在焊接溫度255±2℃下進(jìn)行焊接操作。然后補(bǔ)充沒有銅，但有適當(dāng)量抗氧化金屬如鍺、磷或鈣的錫-鎳焊料。結(jié)果，如上述實(shí)施例，銅密度達(dá)到約0.7％并曲線展平，在這個(gè)水平達(dá)到穩(wěn)定。
使用的焊料合金是錫-銅-鎳合金。有效控制的元素僅是銅，不需要控制其他元素。這是真正的合金，它含有改善潤(rùn)濕性或抗氧化的銀、鉍、銦、磷、鍺等。
本發(fā)明有效控制了槽中熔融焊料中的銅，銅是主要需要的金屬，但其密度超過(guò)閾值時(shí)不利于焊接性。即使使用相同的焊接槽進(jìn)行大量焊接操作，焊縫的質(zhì)量都保持極佳。通過(guò)上述方法控制的浸焊槽生產(chǎn)印刷電路板的設(shè)備可顯著降低鉛，既不污染生產(chǎn)環(huán)境和操作環(huán)境，也不在處置操作中放出大量的鉛。因此大量生產(chǎn)時(shí)環(huán)境污染也得到基本控制。
權(quán)利要求
1.一種在有銅線圈的印刷電路板和其上有銅引線的組件的浸焊步驟期間控制裝有熔融焊料合金的浸焊槽中銅密度的方法，該合金含有至少銅作為其基本組成，該方法包括加入補(bǔ)充焊料的步驟，該補(bǔ)充焊料完全沒有銅或其銅含量的銅密度低于在加入補(bǔ)充焊料之前槽中熔融焊料的銅密度，因此槽中銅密度控制在預(yù)定不變的密度或更低的密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有錫、銅和鎳作為主要組分，其中補(bǔ)充的焊料含有錫和鎳作為其主要組分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有錫、銅和鎳作為主要組分，其中補(bǔ)充的焊料含有錫、銅和鎳作為其主要組分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有錫、銅和銀作為主要組分，其中補(bǔ)充的焊料含有錫和銀作為其主要組分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中槽中熔融焊料合金含有錫、銅和銀作為主要組分，其中補(bǔ)充的焊料含有錫、銅和銀作為其主要組分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中槽中熔融焊料水平降低到預(yù)定水平以下時(shí)，加入補(bǔ)充的焊料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中每次通過(guò)槽加工預(yù)定數(shù)量的印刷電路板后，把補(bǔ)充的焊料加到熔融焊料中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的控制浸焊槽中銅密度的方法，其中在熔融焊料合金溫度約255℃下，熔融焊料槽中的銅密度控制小于0.85重量％。
9.一種有焊縫的電氣設(shè)備和電子設(shè)備，該焊縫是根據(jù) 1-8中任一權(quán)利要求所述的銅控制方法在浸焊槽中產(chǎn)生的。
10.一種加入到裝有熔融焊料合金的熔融焊料槽中的補(bǔ)充焊料，該合金含有錫、銅和鎳作為其主要組分，補(bǔ)充的焊料含有錫和鎳作為其主要組分。
11.一種加入到裝有熔融焊料合金的熔融焊料槽中的補(bǔ)充焊料，該合金含有錫、銅和銀作為其主要組分，補(bǔ)充焊料含有錫和銀作為其主要組分。
全文摘要
本發(fā)明涉及在有表面銅線圈的印刷電路板和其上有銅引線的組件的浸焊步驟期間控制浸焊槽中的銅密度的方法,該槽裝有含有至少銅作為基本組分的熔融焊料合金。該方法包括加入補(bǔ)充的焊料的步驟,該補(bǔ)充焊料完全沒有銅或其銅含量的密度低于加入補(bǔ)充焊料之前槽中熔融焊料的銅密度,因此槽中銅密度控制在預(yù)定不變的密度或更低的密度。槽中的熔融焊料合金含有錫、銅和鎳作為主要組分,補(bǔ)充的焊料例如含有鎳和余量為錫。另外,槽中熔融焊料合金含有錫、銅和銀作為主要組分,補(bǔ)充的焊料含有銀和余量為錫。槽中熔融焊料的銅密度控制在焊料溫度約255℃下為0.85重量%以下。
文檔編號(hào)B23K1/08GK1362904SQ01800272
公開日2002年8月7日 申請(qǐng)日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月24日
發(fā)明者西村哲郎, 古志益雄, 轟木賢一郎 申請(qǐng)人:斯比瑞爾社股份有限公司, 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社