適于元件組裝和返修用的含銅低熔點焊料制造技術

本發明專利技術公開了一種用于在銅表面上進行焊接和返修的低熔點含銅焊料。發明專利技術人發現，為了抑制被焊接的銅表面的溶解，焊料中所需的含銅量為摻雜水平，其熔點低于錫銅二元共晶點。（*該技術在2010年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及適用于印制電路板低溫焊接和返修的焊料配方。更確切地說，本專利技術涉及一種由錫組成的低溫焊料的配方，在這種焊料中摻有銅，其摻雜量級低于錫銅共晶點。使用焊料噴管及其它常規的焊接技術便可將這種新型焊料涂敷在待焊接的材料上。由于其熔點低于其它含銅焊料，因此這種新型焊料可用于對那些不適合用迄今為止已有的含銅焊料焊接的材料進行非破壞性的焊接。進一步說，本專利技術涉及一種摻銅的低溫焊料的配方，這種焊料適用于印制電路板上的元件裝配和返修。本領域所報道的焊料配方的范圍很寬。通過精心選擇配料的成分和比例，已經專利技術了多種用于特殊應用的焊料。例如，用于濕潤并焊接碳和半導體的焊料(1985年4月23日發表的Hosoda等的專利US4，512，950和1983年8月2日發表的Intrater的專利US4，396，677)，用于防止氧化物生成的焊料(1987年3月31日發表的Bose的專利US4，654，275)，用于增加抗拉強度的焊料(1986年5月13日發表的Kujas的專利US4，588，657)，用于軟焊接鋁的焊料(1978年1月24日發表的Arbib等的專利US4，070，192)，用于半導體與金屬的焊接的焊料(1982年11月2日發表的Guan的專利US4，357，162)，用振動法焊接氧化物表面的焊料(1978年8月15日發表的Nomaki等的專利US4，106，930)，用于無鉛飲用水接縫的封焊的焊料(1987年9月22日發表的Ballentine等的專利US4，695，428)，以及用于改善珠寶首飾的抗銹蝕性的焊料(1972年3月21日發表的Monace的專利US3，650，735)。然而，本專利技術要解決的問題是完全不同的，即，怎樣對印制電路中的連接通孔進行焊接和返修才能防止連接通孔孔壁上所鍍的銅溶入焊料中。返修將使焊料在焊接點重新流動。本專利技術的目的在于提供一種新型焊料配方，它可以減緩通孔或盲孔內和周圍的鍍銅層的溶解，并且可在低于現有含銅焊料的熔點下進行操作，從而允許對印制電路板的通孔內和周圍的不合格焊接點進行裝配和多次返修，同時還可以避免與高溫返修相關的其它一些問題，例如多層印制板的層間剝離，局部機械變形，焊接接點的退化以及超過被安裝器件的極限溫度。在1954年3月9日發表的Laubmeyer等的美國專利2，671，844中曾經指出在錫鉛焊料中加入一定量的銅可以減緩銅制電烙鐵頭的損耗，這種損耗是由于銅漸漸溶進焊料引起的。在焊料中加入3%的銅可使銅烙鐵頭的溶解速率減小25%，而5%的銅可使溶解速率減至焊料中不加銅時的10%。該文并未論及焊料中加銅對焊接溫度的影響，而且隨著惰性烙鐵頭和非接觸式焊接方法的出現，這一技述變得過時了。上述專利認為必須形成合金(焊料)形式的錫銅共晶體，該共晶體由99%錫和1%銅組成(見第2欄30～37行)。它還認為，不管焊料中銅的摻雜量是多少，它應至少能形成錫銅二元共晶點。因此，在50比50的鉛錫焊料中應加入的銅量為焊料總重量的0.5%。在1986年11月11日發表的Fouts等的專利US4，622，205中談到在Pb/Sn焊料中加入一定量的銅可以當工作溫度范圍為50℃～90℃時，減小電流流動期間焊點和銅導線之間的電遷移(electromigration)，從而可延長銅導線的壽命。就電遷移而言，問題的根源在于焊料中Cu3Sn和痕量Cu6Sn5的金屬互化微粒的非均勻分布。解決該問題的辦法是在焊料中加入一種與錫形成金屬互化合金的元素(例如銅)，其數量至少約為焊料的0.5%至10%，最好是3.5%重量比的銅，以便延緩晶界擴散，從而減少電遷移和熱遷移的趨勢。至少從1964年McGraw-HillBook公司的H.H.Menko的《焊料與焊接》第65～66頁發表以來，市場上就可以買到含銅焊料了。但是這篇文章并未給出可供批量生產含銅焊料的具體配方，而只是說含銅量是“高”的。由紐約MulticoreofWestbury公司提供的一種稱為Sevbit1合金的商品化產品已用于延長靜態手工焊接用銅烙鐵焊頭的壽命。這種產品含有大約1.5%至2.0%重量百分比的銅。可是該產品的說明資料推薦的最小焊頭溫度為272～294℃，超過了在印制電路板上進行非破壞性裝配和返修所需的溫度范圍。在焊料中加銅還可能引起的其它問題包括凝固時間的增加，短路橋的形成、冷焊點(coldsolderjeints)、不規則結節及各種其它的疵點。本專利技術的目的是在不降低焊料機械性能和可焊性的條件下，對銅表面進行焊接和返修。本專利技術的另一目的是在足夠低的溫度下對銅表面進行焊接和返修，以避免降低與銅表面相連接的器件的機械性能。本專利技術的進一步目的是提供一種適合于在較低焊接溫度下對銅表面進行焊接的含銅焊料。本專利技術的進一步目的是在鍍銅通孔內進行焊接和返修時阻止銅溶入焊料。本專利技術的進一步目的是提供一種適于對銅表面進行焊接和返修的含銅焊料。與本領域一般認識相反，本專利技術者意外地發現在錫焊料中摻入含量低于錫銅二元共晶點的非零級銅將大大減少裝配及返修過程中通孔孔壁的銅溶入摻銅焊料的量，而且不會降低焊料的可焊性或增高焊接溫度。與本領域中的一般認識相反，本專利技術者還發現，含銅錫焊料還具有這樣的效果，即，可使焊接溫度低到足以避免在多層印制電路板裝配中的層剝離及其它由于高溫引起的損傷，并且可提供良好的疲勞特性。按照美國金屬學會在《金相、結構和相位圖》第299頁的定義，低于錫-銅二元共晶點是指按重量百分比為99.1%的錫和1.9%的銅直到100%的錫。以下對附圖作簡單說明。附圖說明圖1為鍍銅通孔沿長度方向的孔的一角的剖面圖。該通孔的一頭已用標稱值為54錫/26鉛/20銦的低溶點焊料加以焊接但未作過返修。在焊接領域內，標稱值是最佳的實際規定值。存在著一個與標稱值有關的容許范圍。例如，標稱值為54錫/26鉛/20銦(重量百分比)，實際容許偏差范圍為正、負2%。圖的放大倍率為800X。圖2為經過4次返修的鍍銅通孔一角的剖面圖。所用焊料為在圖1中所用焊料中摻入重量比0.14%銅的摻銅低熔點焊料。放大倍率為800X。圖3為經過4次返修后的鍍銅通孔一角的剖面圖。所用焊料為圖1中所用焊料，未摻銅，其中銅含量小于0.01%重量百分比。圖4示出幾種焊料按重量百分比標示的配方表。對這些焊料進行了測試以便搜集有關可焊性、銅溶解及疲勞強度的統計數據。這些數據在后面的附圖中列出。圖5表示圖4表中列出的幾種焊料承受標準可焊性測試時的性能變化數據。圖6示出可焊性評價標準，圖5表中的可焊性評價就是按照這一標準得出的。圖7為圖4中各焊料對銅的溶解量，條件為在250℃下試驗最長達75秒。圖8示出圖4所列各種焊料在疲勞試驗中在焊接點失效前能經受的周期數。圖9表示鍍銅通孔壁上的銅在標稱配方為54錫/26鉛/20銦的摻銅三元焊料中的溶解量，測試條件為在204℃下試驗長達200秒。以下對本專利技術的實施例作簡單說明。在印制電路板上采用噴焊處理來裝配、再裝配或返修元件通常是通過一個吸筒抽吸和注入液化的焊料來進行的。這種方法借助于印制板上的通孔使元件或連接件焊接在印制電路板上。除此之外也可以采用波焊技術或焊接筆。印制電路板上的通孔孔壁通常鍍一層銅，用來實現至少兩級電路之間的電連接。元件的管腳插入并焊接在通孔本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種由錫和銅組成的低熔點焊料配方，其特征為：其含銅量高于痕量，且選擇其使所形成的焊料的熔點低于共晶體的熔點。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：丹尼爾斯科特尼德里奇，
申請(專利權)人：國際商業機器公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]