无铅锡条的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无铅锡条，其特征在于：无铅锡条包含有88.5％至93.2％的锡，3.5％至4.5％的银，2.0％至6％的铟，0.3％到1％的铜，0.01％的磷。无铅锡条中可添加最高达0.5％的抗氧化剂或抗结皮添加剂。无铅锡条的杨氏模量为9512MPa2.。本发明的有益效果是：具有良好的润湿性，流动性，与现有组件涂料的相容性，焊点浮离，铜溶解速度和除渣方面的性能都能够比得上常规的含铅锡条，非常适合用于作为传统含铅锡条直接替换物，使用无铅锡条的生产设施转换过程可能会比以往更简单，更经济可行。
【专利说明】无铅锡条
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种常见的锡条，特别是一种无铅锡条。
【背景技术】
[0002]众所周知，许多传统的锡条中含有铅作为其主要成分。这种锡条往往具有理想的物理性能，并且含铅锡条的使用遍布多个行业，包括与印刷电路板生产有关的行业。例如，在波峰焊过程中常用的是含有63%的锡和37%铅的锡条。但是，由于对环境的考虑，对无铅锡条的需求也日益增加。常规的无铅锡条通常具有不良的物理性质，包括润湿性能较差，流动性低，与现有组件涂料的兼容性差，并且还有额外的锡渣。已确认在使用无铅锡条的过程中一个特殊问题就是焊点浮离，其中印刷电路板镀通孔边缘处的焊锡圆角趋于从基础材料例如镍/金镀层上分离。另一个问题是，无铅锡条往往对铜具有高溶解率，所以铜会浸出，然后流入组件和电路板中，与锡条接触。因此，一些制造商发现，现有的已经有效运作多年的焊接工艺现在必须要显著适于供应无铅锡条的使用。此外，印刷电路板的生产中采用的现有材料可能不得不被替换，以便与无铅锡条的使用相兼容。这种生产过程和材料的适应被广泛认为是资源的贫乏利用，特别是作为标准使用的已知无铅锡条的制造，但是如上文所述，往往大大低于使用传统含铅锡条所能达到的效果。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供了一种无铅锡条，用以解决上述的现有问题。
[0004]本发明的技术方案如下:一种无铅锡条，其特征在于:无铅锡条包含有88.5%至93.2 %的锡，3.5 %至4.5 %的银，2.0 %至6 %的铟，0.3 %到I %的铜，0.0I %的磷。无铅锡条中可添加最高达0.5%的抗氧化剂或抗结皮添加剂。无铅锡条的杨氏模量为9512MPa2_。
[0005]本发明的有益效果是:具有良好的润湿性，流动性，与现有组件涂料的相容性，焊点浮离，铜溶解速度和除渣方面的性能都能够比得上常规的含铅锡条，非常适合用于作为传统含铅锡条直接替换物，使用无铅锡条的生产设施转换过程可能会比以往更简单，更经济可行。
【具体实施方式】
[0006]本发明一种无铅锡条，其特征在于:无铅锡条包含有88.5%至93.2%的锡，3.5%至4.5%的银，2.0%至6%的铟，0.3%到I %的铜，0.01%的磷。无铅锡条中可添加最高达
0.5%的抗氧化剂或抗结皮添加剂。无铅锡条的杨氏模量为9512MPa2_。
[0007]如上所述，传统的无铅锡条与传统的含铅锡条相比有一些缺点，包括润湿性能较差，流动性低，与现有组件涂料的相容性差，焊点浮离，较高的铜溶解率和有额外的锡渣。
[0008]然而，本发明这种有无铅合金组成的锡条与已知的无铅锡条相比，这种锡条具有显著的改进性能。事实上，本发明无铅锡条的性能可以比得上常规的含铅锡条，如其润湿性，流动性，与现有组件涂料的相容性，焊点浮离，铜溶解速度和除渣方面的性能都能够比得上常规的含铅锡条。
[0009]为了证明本发明锡条的有利性能，下面将会描述5种检测方法。这些试验是在本发明的一个优选实施例中进行的，所采用的锡条在本文中被称作合金349，并且含有91.39%的锡，4.2%的银，8.0%铟，0.5%的铜和0.01%的磷。
[0010]测试1:润湿性
第一个测试是关于本发明锡条试样的润湿性，作为比较试样可以选择公知的锡条，即8种现有的无铅锡条和一种常规的含铅锡条。
[0011]这九种已知的锡条如下:
1.一种成分为63%的锡，37%的Pb的无铅锡条。
[0012]2.第一种成分为99.3%的锡，0.7%的铜的无铅锡条。
[0013]3.第二种成分为96.5%的锡，3.5%的银的无铅锡条。
[0014]4.第三种成分为88.3%的锡，3.2%的银，4.5%的铋和4.0%的铟的无铅锡条(本文称为 VIR0MET217)。
[0015]5.第四种成分为92%的锡，2%的铜，3%的银，3%的铋的无铅锡条。
[0016]6.第五种成分为92.8%的锡，0.7%的铜，0.5%的镓，6%的铟的无铅锡条。
[0017]7.第六种成分为93.5%的锡，3.5%的银，3.0%的铋的无铅锡条。
[0018]8.第七种成分为95.5%的锡，4.0%的银，0.5%的铜的无铅锡条。
[0019]9.第八种成分为96.0%的锡，2.5%的银，1.0%的铋，0.5%的铜的无铅锡条。
[0020]基于ANSI/J-003标准，第一个测试的第一个方面包括在温度范围为235 °C到265°C的条件下锡条润湿时间的测量。在该测试中，将一个铜试样浸入每个熔融锡条中。一个敏感测力装置连接到铜试样，从而可以测量和记录试样上的垂直力。
[0021]在铜试样浸没在熔融锡条中的过程中，垂直方向力的变化是由于两个主要的因素造成的。第一个因素是浮力，其由锡条的位移而施加到试样上的向上力产生，并且这个力等于锡条的重量。由于试样部分体积是浸溃在锡条中的，并且锡条的密度是已知的，因此可以计算并考虑这个向上力可。第二个因素是由于锡条表面和试样表面之间接触角的变化而作用于试样上的力。在每一个特定的情况下，润湿时间定义为由作用在试样上的润实力到等于零时所花费的时间。经过测试，本发明的锡条在每个温度下的润湿时间，可以与常规的含铅锡条所表现的润湿时间相比。此外，本发明锡条的润湿时间一般低于任何其他无铅锡条的润湿时间。润湿时间是用来测量锡条粘附到物质上的速度，并且较低的润湿时间显然是锡条一种可取的属性。因此，可以看出，在第一测试的第一方面，本发明的锡条比任何现有的无铅锡条总体上表现的更好。
[0022]第一个测试的第二方面包括当试样在各自的锡条中浸溃2.0秒后，测量最大润湿力。该润湿力，如上所述，是锡条和试样之间的粘合力。显然，润湿力是锡条粘附到基材上的强度表示，锡条的高润湿力是一种可取的属性。为了总结这些结果，在试样浸入2.0秒后，本发明的锡条展现的最大润湿力在每个所考虑的温度下可以与常规的含铅锡条相比，虽然还是相对低一些。尽管一些现有无铅锡条的润湿力在一些温度下接近传统的含铅锡条，然而只有VIR0MET217能稍微产生更好的整体效果。而本发明锡条展现的润湿力在所考虑的温度下接近常规的含铅锡条。本发明锡条的这种特性允许该锡条能在各种不同的温度条件下，按照常规含铅锡条发生作用类似的方式来操作，或者焊接可在不同的温度条件下发生。第一个测试第二方面的测试表明了本发明锡条的结果与常规含铅锡条的结果是接近的，至少较其他无铅锡条要更接近一些。
[0023] 从第一次试验的结果可以看出，本发明的锡条润湿性方面与常规含铅锡条非常相似。显然，这种物理性质的相似性表明本发明的锡条适合于用作常规含铅锡条的替代物。
[0024]测试2:机械性能
第二个试验将本发明锡条的机械性能与常规含铅锡条的机械性能进行了比较。在第二个测试中，各种机械测试都是根据ASTM标准进行的，以将本发明锡条即合金349的属性与成分为63%的锡和37%的铅的常规含铅锡条相比较，以及与七种其他现有无铅锡条做比较，其成分如下:
1.第一种无铅锡条:99.3%的锡，0.7%的铜。
[0025]2.第二种无铅锡条:96.5%的锡，3.5%的银。
[0026]3.第三种无铅锡条(本文称为VIR0MET217):88.3%的锡，3.2%的银，4.5%的铋和4.0%的铟。
[0027]4.第四种无铅锡条(本文称为VIR(METHF)Ji 92.8%的锡，0.7%的铜，0.5%的镓和6%的铟。
[0028]5.第五种无铅锡条:93.5%的锡，银3.5%，3.0%的铋。
[0029]6.第六种无铅锡条:95.5%的锡，4.0%的银，0.5%的铜。
[0030]7.第七种无铅锡条:96%的锡，2.5%的银，0.5%的铜，1.0%的铋。
[0031]第二个测试的第一个方面涉及到测试条件下熔化温度，热膨胀系数(CTE)和锡条比重(SG)的确定。本发明的锡条合金349被证实具有热膨胀共同效率，其非常接近于常规含铅锡条的热膨胀共同效率，从而大大减少了对本发明和现有组件及电路板之间的不兼容性的担心。第二个测试的第二个方面涉及到各种锡条的拉伸强度，最大负载时的负载，屈折强度和杨氏模量的测量。本次测试的结果表明，与常规含铅焊料相比，本发明的锡条合金349有更好的强度和更好的杨氏模量，从而表明根据本发明由合金制成的角接接头可能会比由传统含铅锡条制成的接头要强得多。
[0032]测试3:焊点浮离
各行业中越来越多地使用无铅锡条，这表明当在印刷电路板条件下使用无铅锡条时，并且该电路板带有采用OSP和镍/金镀膜加工的镀通孔，有可能会发生焊点浮离。
[0033]在第三个试验中，可选择则多种无铅锡条来进行这种焊点浮离发生测试，即本发明的锡条合金349和以下TK种现有的无铅锡条:
1.第一种无铅锡条::VIR0MET217。
[0034]2.第二种无铅锡条:92.3%的锡，3.2%的银，0.5%的铋，4.0%的铟。
[0035]3.第三种无铅锡条:89.8%的锡，3.2%的银，1.0%的铋，6.0%的铟。
[0036]4.第四种无铅锡条:88.8%的锡，3.2%的银，2.0%的铋，6.0%的铟。
[0037]5.第五种无铅锡条:94.5%的锡，4.0%的银，0.5%的铜，1.0%的铋。
[0038]6.第六种无铅锡条:96.5%的锡，3.5%的银。
[0039]结果表明本发明锡条的使用能够在印刷电路板的OSP和镍/金涂层通孔的条件下消除焊点浮离的缺陷。
[0040]测试4:铜溶解率第四个试验是将本发明的无铅锡条的铜溶解率与常规含铅锡条(成分为63%的锡和37%的铅)的铜溶解率做比较。三种现有的无铅锡条的如下:
1.第一种无铅锡条:VIR0MET217。
[0041]2.第二种无铅锡条:99.3%的锡，0.7%的铜。
[0042]3.第三种无铅锡条:95.5%的锡，4.0%的银，0.5%的铜。
[0043]该测试的进行是通过将一种已知重量的熔性铜板浸入到熔化锡条中，然后采用电感耦合等离子体设备来测量锡条中的铜浓度。然后可以根据锡条中的铜浓度相对于浸入锡条的铜重量来计算铜溶解率。
[0044]第四个试验的结果显示了本发明的合金的铜溶解率略高于常规含铅锡条的铜溶解率，但在无铅锡条的测试也发现有一个最低的铜溶解率。
[0045]测试5:除渣
第五个测试涉及本发明用于波峰焊机的锡条的适用性。在波峰焊的一个例子中，将一个电路板放置壶中一些熔融锡条表面的正上方。然后让波以足够的幅度传播穿过熔融锡条的表面，从而使波峰与电路板的表面相接触。波与电路板(或需要焊接的部分)是一样宽的。并且在波传播穿过熔融锡条的表面时，电路板向下表面的所有部分与熔融锡条接触。
[0046]当使用现有的无铅锡条时，壶中的锡渣在使用过几次后，发现在某些情况下，其含量是非常高的。
[0047]第五个测试可以用来确定本发明的锡条合金349与常规的含有63%的锡和37%的铅的锡条相比的除焊渣程度。三种现有的无铅锡条如下所示:
1.第一种无铅锡条::VIR0MET217。
[0048]2.第二种无铅锡条:99.3%的锡，0.7%的铜。
[0049]3.第三种无铅锡条:95.5%的锡，4.0%的银，0.5%的铜。
[0050]在该测试中，被测试的锡条是用于一个模拟的常规波峰焊机的熔融锡条壶中。机器的任何改变都不能适应锡条的使用。并且波峰焊机是以对传统锡/铅锡条同样的方式来焊接电路板的。波峰焊机在壶中温度为245度的正常空气环境中操作，并且电路板以1.4一 1.8米/分钟的速度被输送壶的表面。每四个连续15分钟操作结束时，就要移除壶里的渣滓并将其称重，以确定每个时期波峰焊过程中所产生的锡渣量。然后将所有重量相加，以测量每小时的锡渣产率。第五个测试的结果表明本发明的锡条除焊渣在一定程度上比其他无铅锡条的除渣效果好，但是要比常规含铅锡条的除渣效果差一些。
[0051]从上面的结果可以了解到，本发明提供了一种无铅锡条，由于其表现出润湿性，流动性，与现有组件涂层的相容性，焊点浮离和除焊渣等可比较的特性，因此其非常适合用于作为传统含铅锡条直接替换物。
[0052]因此，通过运用本 发明的锡条，制造商可以消除或大大减少更换现有的机械，工艺或组分涂料，以适应无铅锡条的使用的需要。其结果是，使用无铅锡条的生产设施转换过程可能会比以往更简单，更经济可行。
【权利要求】
1.一种无铅锡条，其特征在于: 无铅锡条包含有88.5%至93.2%的锡，3.5%至4.5%的银，2.0 %至6%的铟，0.3%到1%的铜,0.01%的磷。
2.根据权利要求1所述的无铅锡条，其特征在于:无铅锡条中可添加最高达0.5%的抗氧化剂或抗结皮添加剂。
3.根据权利要求1所述的无铅锡条，其特征在于:无铅锡条的杨氏模量为9512MPa2_。
【文档编号】B23K35/26GK103586598SQ201310559371
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】朱科奇 申请人:宁波市鄞州科启动漫工业技术有限公司