专利名称：软钎料合金及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种软钎料合金，更详细地，涉及通过在软钎料材料中加碳而得到的 软钎料合金。
背景技术：
以往，作为软钎料合金，公知以Pb-Sn的软钎料合金为代表的软钎料合金。但是， 该软钎料合金存在铅的有害性的问题，对环境有影响，因此使用受到限制。因此，作为软钎料合金需要不含有害的铅的无铅软钎料合金，对于所述无铅软钎 料合金，提出了各种方案(参照专利文献1 专利文献5)。作为代表性的无铅软钎料合金， 例如有在Sn中含有3. 5%的Ag的Sn-Ag类软钎料合金。该Sn-Ag类软钎料合金的熔点为 221°C，比较低，现在作为无铅软钎料合金广泛使用。但是，所述Sn-Ag类软钎料合金由于与含铅的以往软钎料合金相比，接合强度差， 因此在要求高接合可靠性的领域(例如车辆领域等)，由安全性的角度考虑，暂缓进行无铅 化，现在还在使用含Pb软钎料合金。鉴于对环境的影响，不论何种领域都应当尽早地进行 无铅化。因此，期望开发不比含Pb软钎料合金的接合可靠性差的无铅软钎料合金。专利文献1 日本特开2007-237252号公报专利文献2 日本特开2006-255784号公报专利文献3 日本特开2002-346788号公报专利文献4 日本特开2001-225188号公报专利文献5 日本特开平10-6075号公报
发明内容
鉴于上述问题，即现有的无铅软钎料合金所具有的接合强度劣于含Pb软钎料合 金这一问题，本发明的目的在于，解决该问题，使无铅软钎料合金的接合可靠性提高。以往，无铅软钎料合金通常在250 400°C温度范围的低温环境下制造，本发明基 于发明人的下述发现，即，在比250 400°C温度范围高得多的高温环境下，可以使得所添 加的碳以可实用的程度均勻分布。为了达成上述目的，本发明为软钎料合金，其特征在于，在高温环境下在无铅软钎 料材料中添加规定量的碳。另外，其特征在于，在上述软钎料合金中，上述高温环境处于800 1200°C的温度 范围内。另外，其特征在于，上述规定量的碳量为0. 01 0. 7wt%。另外，其特征在于，上述碳是六方晶系的石墨型。另外，其特征在于，上述无铅软钎料材料为96. 5wt% Sn-3wt% Ag-0. 5wt% Cu。另外，其特征在于，上述无铅软钎料材料为99. 3wt% Sn-0. 7wt% Cu。另外，其特征在于，上述无铅软钎料材料为99. Owt% Sn-0. 7wt% Cu-0. 3wt% Ag。
另外，本发明为软钎料合金的制造方法，其特征在于，具备下述工序将投入了无铅软钎料材料的高温用金属熔化炉加热到高温环境，使上述无铅软钎 料材料熔化的熔化工序；向通过上述熔化工序熔化并处于上述高温环境下的无铅软钎料材料(熔化无铅 软钎料材料)添加规定量的碳的加碳工序；搅拌上述熔化无铅软钎料材料和上述碳的搅拌工序；和将通过上述搅拌工序搅拌了的上述熔化无铅软钎料材料和上述碳的混合物注入 铸模，使上述混合物冷却凝固的冷却工序。另外，其特征在于，在上述制造方法中，上述高温环境处于800 1200°C的温度范 围内。另外，其特征在于，上述规定量的碳量在0.01 0.7wt%的范围内。另外，其特征在于，在上述制造方法中，上述高温用金属熔化炉具备投入上述无 铅软钎料材料和上述加碳剂(加炭剤)的窑部、在上述窑部的上方位置形成密闭加热空间 的加热空间部、将加热燃料供给到上述密闭加热空间内加热上述密闭加热空间和上述窑部 的加热部、和在上述加热空间部形成的排气口。另外，其特征在于，在上述制造方法中，在上述熔化工序中，调节上述加热燃料的 供给量，以使由上述高温用金属熔化炉的上述排气口排出的氧量为0。另外，其特征在于，在上述制造方法中，具备下述工序将在上述冷却工序凝固了 的上述混合物投入到低温用金属熔化炉内，在低温环境下进行熔化，同时向低温用金属熔 化炉内另外加入规定量的上述无铅软钎料材料，调稀，以使碳量为期望浓度的调整工序；和 将由上述调节工序调节了碳量的混合物再次注入铸模，使其冷却凝固的再冷却工序。另外，其特征在于，在上述制造方法中，具有分析工序，在上述调节工序中，基于上 述分析工序的分析结果，确定上述另外加入的规定量，所述分析工序为在上述调节工序前 分析在上述冷却工序凝固了的上述混合物中的碳量的分析工序。另外，其特征在于，在上述制造方法中，在上述冷却工序凝固了的上述混合物中的 碳量处于0. 01 0. 7wt%范围中的高浓度范围，上述期望浓度处于0. 01 0. 7wt%范围中 的低浓度范围。另外，其特征在于，在上述制造方法中，上述低温环境处于250 400°C的温度范 围内。另外，其特征在于，在上述制造方法中，上述碳是六方晶系的石墨型。另外，本发明为软钎料合金，其特征在于，通过上述制造方法制造。根据本发明所述的软钎料合金，在通过无铅化关照环境的同时，解决了现有的无 铅软钎料合金所具有的接合强度劣于含Pb软钎料合金这一问题，飞跃性地提高接合强度， 由此有助于接合可靠性的提高。另外，根据本发明所述的软钎料合金的制造方法，可以简单且有效地得到接合强 度飞跃性地提高的无铅软钎料合金。
图1是表示在铜基板(Cu)上结合样品A(Sn-3. 5wt% Ag+0. 03wt% C)时的样品A和铜基板的界面的SEM图像。图2是表示在铜基板(Cu)上结合样品B (Sn-3. 5wt% Ag)时的样品B和铜基板的 界面的SEM图像。图3是高温用金属熔化炉的概略图。图4是低温用金属熔化炉的概略图。
具体实施例方式本发明的最大特征在于，通过在高温环境下在无铅软钎料材料中添加碳，得到软 钎料合金。以下，说明本申请发明的实施方式，但本申请发明不受其限定。本发明所述的软钎料合金是在高温环境下在无铅软钎料材料中添加规定量的碳 而得到的。其中，高温环境具有以下意思。即，以往，无铅软钎料合金通常在250 400°C温 度范围的低温环境下制造，但本发明在比250 400°C温度范围高得多的高温环境(例如， 800 1200°C温度范围的高温环境)下，可以使得所添加的碳以可实用的程度均勻分布。作为本发明的高温环境，优选800 1200°C的范围内。在无铅软钎料材料中添加 碳时，在不到800°C的低温环境下，无法使碳块分散，因此无法得到有效的软钎料合金。另 外，在比1200°C高的高温环境下，高温用金属熔化炉内的软钎料材料具有沸腾的倾向，不适 合于实际制造。因此，虽然有必要在更高温的环境下添加碳，但在1200°C以内得到理想的碳 的形态。因此，对于比1200°C高的高温环境，即使在更高温的环境下添加碳，由此耗费燃烧 燃料成本，因此不经济，没有意义。在本发明的无铅软钎料材料中添加的碳量优选为0. 01 0. 7wt%。由于添加的碳 本身不直接生成与软钎料的结合力，因此添加的碳量存在适量。在碳量过大比0. 7衬％大 时，软钎料合金的结合力可能变弱，如果碳量在0. 01wt%以下，则碳量过少，以至于无法发 挥由添加的碳产生的效果，无法得到必要的接合强度。相反地，对于碳量，认为越多则得到的软钎料合金的强度、硬度越提高。但是，对 于各种碳量，在测定本发明所述的软钎料合金的强度等时，使添加的碳量为0. 7wt%时，在 各个领域中的软钎焊的现状中，可以确保最大必要的强度以上。另外，在使碳量比0. 7wt% 大时，电导率过低，在实用性上可能存在问题。另外，在使碳量比0. 7wt%大时，使碳均勻扩 散变得非常困难，难以保证能够实用的品质。其中，由于碳的原子量比Sn、Ag等小，因此即 使碳量为0. 01 0. 7衬％的范围，添加的碳原子数也未必少。因此，对于碳量的上限，设为 0. 7wt%。此外，对于所述碳量，根据软钎料的用途，由需要的强度、硬度、电导率等而适当确定。另外，优选添加的碳为六方晶系的石墨型。在碳为石墨时，由于碳具有柔软的特 性，因此在800 1200°C温度范围的高温环境)下，可以使得所添加的碳以可实用的程度 均勻分布。与此相对，在碳为立方晶系的钻石型时，由于具有非常坚硬的特性，因此即使在 800 1200°C温度范围的高温环境下，也不能使得所添加的碳以可实用的程度均勻分布。以下，基于实验例，对本发明进行具体的说明。应予说明，作为实验中使用的 本发明的软钎料合金的样品，使用Sn-3. 5wt % Ag+0. 03wt % C (样品Α)和Sn_0. 7wt % Cu+0. 05wt % C(样品C)。另外，添加的碳为石墨型。其中，Sn-3. 5wt % Ag+0. 03wt %C(样品A)表示在含有96wt%以上的作为母胎的Sn和3. 5衬％的Ag的无铅软钎料材料 (Sn-0. 7wt% Cu)中添加 0. 03wt% 的碳 C, Sn-0. 7wt% Cu+0. 05wt% C (样品 C)表示在含有 99wt%以上的作为母胎的Sn和0. 7衬％的Cu的无铅软钎料材料(Sn_0. 7wt% Cu)中添加 0. 05wt% 的碳 C。(实验例1)首先，对样品A和样品C进行双轴X射线衍射测定。结果两者都有被认为是碳的 峰。(实验例2)接着，使用SEM(scanning electron microscope)对样品表面进行观察。如果 将样品A与不添加碳的Sn-3. 5wt% Ag(样品B)比较，则相对于在样品A中观察到的碳基 本上均勻分布的状态，在样品B中未发现认为是碳的黑色物体的存在。另外，在样品C和 Sn-0. 7wt% Cu (样品D)的比较中，观察到同样的结果，相对于在样品C中观察到的碳基本 上均勻分布的状态，在样品D中未发现认为是碳的黑色物体的存在。由此可知，熔点远高于 制造样品A和样品C时的高温环境(800 1200°C )的碳不熔化，处于埋入样品中的状态。(实验例3)接着，利用DSC(differential scanning calorimetry)测定各样品的熔点。测定 结果如下表1 表4所示。[表 1]
权利要求
软钎料合金，其特征在于，在高温环境下在无铅软钎料材料中添加规定量的碳。
2.根据权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，在上述软钎料合金中，上述高温环 境处于800 1200°C的温度范围内。
3.根据权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，上述规定量的碳量在0.01 0. 7wt%的范围内。
4.根据权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，上述碳是六方晶系的石墨型。
5.根据权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，上述无铅软钎料材料为96.5wt% Sn-3wt% Ag-0. 5wt% Cu。
6.根据权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，上述无铅软钎料材料为99.3wt% Sn-0. 7wt% Cu。
7.根据权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，上述无铅软钎料材料为99.Owt % Sn-0. 7wt% Cu-0. 3wt% Ag。
8.软钎料合金的制造方法，其特征在于具备下述工序将投入了无铅软钎料材料的高温用金属熔化炉加热到高温环境，使上述无铅软钎料材 料熔化的熔化工序；向通过上述熔化工序熔化并处于上述高温环境下的无铅软钎料材料(熔化无铅软钎 料材料)添加规定量的碳的加碳工序；将上述熔化无铅软钎料材料和上述碳搅拌的搅拌工序；和将通过上述搅拌工序搅拌了的上述熔化无铅软钎料材料和上述碳的混合物注入铸模， 使上述混合物冷却凝固的冷却工序。
9.根据权利要求8所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，上述高温环境处于 800 1200°C的温度范围内。
10.根据权利要求8所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，上述规定量的碳量在 0. 01 0. 7wt%的范围内。
11.根据权利要求8所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，上述高温用金属熔化 炉具备投入上述无铅软钎料材料和上述碳的窑部、在上述窑部的上方位置形成密闭加热 空间的加热空间部、将加热燃料供给到上述密闭加热空间内而加热上述密闭加热空间和上 述窑部的加热部、和在上述加热空间部形成的排气口。
12.根据权利要求11所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，在上述熔化工序中， 调节上述加热燃料的供给量，以使由上述高温用金属熔化炉的上述排气口排出的氧量为0。
13.根据权利要求8所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于具备下述工序将在上述冷却工序凝固了的上述混合物投入到低温用金属熔化炉内，在低温环境下进 行熔化，同时向低温用金属熔化炉内另外加入规定量的上述无铅软钎料材料，调稀，以使碳 量成为期望浓度的调整工序；和将通过上述调整工序调整了碳量的混合物再次注入铸模，使其冷却凝固的再冷却工序。
14.根据权利要求13所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，具有分析工序，在上 述调节工序中，基于上述分析工序的分析结果，确定上述另外加入的规定量，所述分析工序 为在上述调整工序前，分析在上述冷却工序凝固了的上述混合物中的碳量的分析工序。
15.根据权利要求13所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，在上述冷却工序凝 固了的上述混合物中的碳量处于0. 01 0. 7wt%范围中的高浓度范围，上述期望浓度处于 0. 01 0. 7 丨％范围中的低浓度范围。
16.根据权利要求13所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，上述低温环境处于 250 400°C的温度范围内。
17.根据权利要求8所述的软钎料合金的制造方法，其特征在于，上述碳是六方晶系的 石墨型。
18.软钎料合金，其特征在于，通过权利要求8 17任一项所述的软钎料合金的制造方 法制造。
全文摘要
本发明提供一种无铅软钎料合金，其解决了以往的无铅软钎料合金所具有的接合强度劣于含Pb软钎料合金这一问题，具备接合可靠性。软钎料合金的特征在于，在800～1200℃范围内的高温环境下在无铅软钎料材料中添加规定量的碳。软钎料合金的制造方法的特征在于，其具备将投入了无铅软钎料材料的高温用金属熔化炉加热到800～1200℃范围内的高温环境，使无铅软钎料材料熔化的熔化工序；向通过熔化工序熔化并处于高温环境下的无铅软钎料材料(熔化无铅软钎料材料)添加规定量的碳的加碳工序；将熔化的无铅软钎料材料和碳搅拌的搅拌工序；将通过搅拌工序搅拌了的熔化无铅软钎料材料和上述碳的混合物注入铸模，使混合物冷却凝固的冷却工序。
文档编号B23K35/26GK101952080SQ20088012029
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月12日
发明者伊地知祥人, 大岛建一 申请人:株式会社白金;国立大学法人筑波大学