专利名称：用于可提供低离子杂质而无需进行清洁操作的钎焊方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的钎焊方法，特别是，本发明涉及一种使用氟化亚锡的改进的钎焊方法，该方法产生低的离子杂质，并且在钎焊之后，不需要单独的进行清洁操作。更为特别的是，本发明允许在进行钎焊之前，基片可以储存较长的时间。
在使用各种已知的钎焊工艺对金属部件进行焊接时，经常需要某种钎剂。该钎剂起下列几种作用首先，在加热时，可通过防止氧化膜的生成而促进形成牢固的接头，并且还可以除去原来存在的氧化膜。此外，还能破坏在金属表面上的氧化膜，并保护该清洁的金属表面不至于重新氧化，该钎剂必须能在金属部件上形成适当厚度的均匀涂层，并还能减少熔融钎料的表面张力，因此，有利于钎料在经过特别处理的表面上的润湿性、流动性及毛细管作用。对钎剂所希望的另外一种性能是，必须能容易地用液体钎料从固体金属上进行排代，正如表面固体金属一样，也不遗留腐蚀的残渣，也没有侵蚀。为了做到容易地进行排代，而不至于同时沉积焊剂残渣，在低于钎焊温度下，焊剂必须是液态的，并且，必须在钎料的液相线下的温度起作用。
至今为止，已经推荐了几种活性盐型的钎剂，以克服上述的这些困难，例如，已使用含氯化锌、氯化铵及另外的除了氯化物以外的碱金属卤化物或卤化铵的钎剂，它们可以以干式也可以与适当的溶剂相混合来使用。但是已经发现，这些焊剂或者在金属表面遗留不希望的腐蚀的卤化物残渣，而需要用清洁溶剂如含氯氟烃(CFC)溶剂进行清除;或者在焊接部件上导致粗糙的表面。另外还发现，该焊接部分具有低的耐腐蚀性，这是通过将焊接部分暴露于潮湿的环境中其电阻的大量增大来确证的。
JP62(1987)-16898公开了一类用于钎焊的钎剂，其特征在于，它含有作为活化剂的氟化亚锡。该氟化亚锡被用来与已知的粘合剂，例如松香、松香苯酚、聚乙二醇等相结合使用。业已发现，用含有氟化亚锡的钎剂处理过的金属基片必须立即使用如松香这样的材料。该松香在基片上形成发粘的涂层，从而使被钎剂处理过的金属基片的储存变得困难了。
JP64(1989)-40197公开了一类钎剂，它是由1-20%重量的氟化亚锡和作为平衡量的氟铝酸钾络合物所组成。该发明人声称，如使用大于20%的氟化亚锡，结果是使钎焊性能恶化。
业已发现，应用在钎焊之前使用氟化亚锡的本发明的钎焊方法，则可以克服上述的不利之处，金属基片可以毫无困难地进行处理和储存，直到它们必须进行钎焊为止。另外，使用氟化亚锡的金属基片的钎焊，其结果是，使钎焊的基片具有低的离子杂质、而且也不需要进行清洁操作。
按照本发明，提供了一种用于钎焊基片表面的方法，该方法提供了低的离子杂质，并且不用进行清洁操作，它包括以下步骤(a)将由氟化亚锡或其易熔混合物所组成的组合物施加于基片的表面，(b)将钎料施加于在步骤(a)所施加了的氟化亚锡或其易熔混合物上。
使用氟化亚锡或其易熔混合物的本发明的钎焊方法，其结果是具有低离子杂质，并不需要单独的进行清洁操作。这一点是很重要的，因为在钎焊操作后，用于从印刷电路板上除去离子杂质的最好的清洁溶剂就是含氯氟烃(CFC)溶剂，而该溶剂由于它参与了同温层的臭氧的消耗，从而被认为对环境构成威胁。
当在本发明的方法中使用氟化亚锡时，则可以得到基本上不大于2微克NaCl当量/平方英寸的残余的离子杂质。不过，如果钎料含有可提供离子杂质的组份，或者，如果采用了一种不能使氟化亚锡进行充分氧化的方法时，则会得到大于2微克NaCl当量/平方英寸的离子杂质。残余离子杂质是在“Omega Meter”600(在15分钟的测试中，使用600毫升75%重量的异丙醇和25%重量的水)中，应用军用技术方法MIL-P-28809进行测试的。
该钎焊方法包括以下步骤即将氯化亚锡或其易熔混合物的钎剂施加于基片的表面，然后，再将钎料施加在被钎剂处理过的基片的表面。
氟化亚锡具有210℃～219℃的熔点范围。因此它可以是低于钎焊温度的液体，并且可以在钎焊操作之前，在低于钎料液相线的温度下起作用以清除要钎焊的部件或者基片的表面上的氧化物。另外，氟化亚锡在其熔融状态下是稳定的，不会发生化学分解，而且在钎焊操作时，它具有仅含低离子杂质的性能。氟化亚锡在其作为液体特别是固体时，是比较钝化的，即在钎焊之前，在较长的时间内，不会对常用的基片表面有任何有害作用。因此，它可以施加于要钎焊的基片表面，维护基片的可钎焊性，并且在进行钎焊操作之前，该基片还可以储存。使用氟化亚锡，完全不会出现被钎焊部位的腐蚀作用及电绝缘性能的降低，特别是在运用波峰钎焊及热空气均化钎料的情况下，不会出现钎料的渣滓及其它有害的影响，或者可以为上述情况即使存在也是在最低限度内。
可以制备氟化亚锡与少量其它无机氟化物的易熔混合物，以使其低于氟化亚锡钎剂的熔融温度及增长钎焊操作时的暂停时间。
钎料可以是金属或金属合金的粉末状、膏状、预成型状、或者是放在钎料罐中的熔融状态。钎料金属可以是钎焊中任何常用的单相或多相的金属，包括金、银、锡、锗、硅、锑、铋、铅、铟、镓、锌、铜、磷、它们的合金或它们的混合物。该钎料金属颗粒一般小于100目，最好为小于200目。当使用金属混合物或其合金的混合物时，通过改变每种组份的用量，可以调节熔点、拉伸强度、流动性、剪切强度、延伸率、布氏硬度和比重等，以符合用途的要求，为此规定使用焊锡膏。用于电子另件的常用的金属或金属合金钎料包括63%的Sn-Pb钎料，55%的Sn-Pb钎料或5%的Ag-Pb钎料，也可以使用本技术领域所熟知的其它金属或金属合金钎料。
可以使用本技术领域熟练技术人员已知的方法(例如，可以作为薄涂层、粉末涂料或分散体来使用)将氟化亚锡或其易熔混合物施加于要钎焊的基片表面，它可以用来完全覆盖基片表面，或仅仅用来覆盖预定的面积，然后再将此处理过的基片利用一般的焊锡膏、预成型钎料、及常用的钎焊方法、热空气钎料均化方法或波峰钎焊方法而进行钎焊。适宜的可进行网板及镂花模版印刷的焊锡膏已被Conwicke公开于US3，684，533中(发表于1982年8月15日)。可以将焊锡膏通过一般的工艺方法(使用网板及镂花模版)印在涂有钎剂的基片上。优选的焊锡膏应该能通过80目(或更细)的网板而进行印制，但是在印制操作时应不致于滴下。另外，当其在网板上存在适当的时间时，它不应过分干燥和过硬。为了获得令人满意的性能，必须调节载体的性质及焊锡膏组合物以防止其过量沉积为粉末，但是必须不影响印制操作。可以将能进行网板印制的焊锡膏组合物应用于任意适宜的基片上，特别是金属基片上以形成钎料垫，然后，将钎料加热到使钎料熔融的温度，并形成牢固的钎料熔合部分。可以使用任意的气体，如空气，但是最好是使用氧化气氛。
另外，该含有氟化亚锡的组合物可以作为覆盖在钎料上的层状物存在，例如覆盖在钎料罐中的钎料上。该工艺方法可以防止当不使用钎料时该钎料表面的氧化作用。在进行钎焊操作时，氟化亚锡与熔融的钎料接触之前，首先润湿并清洁要进行钎焊部件的表面。熔融氟化亚锡层的厚度应使该厚度有充分的熔解作用而得到钎料的良好的润湿。如果熔融态氟化亚锡覆盖在熔融钎料上保持一段持续的时间时，则可以使用某种保护层使其覆盖于熔融的氟化亚锡上，以防止其氧化作用并保证氟化亚锡的熔解作用，保护层的一个实例是油。
一般使用的钎焊操作温度在210℃至310℃，最好是在220℃～260℃。然而钎焊温度取决于钎料的组成。
要进行钎焊的基片不受限制，可以包括金属、金属包覆的环氧化物、印刷电路板，金属化的陶瓷等。
本发明的方法可用于电子装置，可以包括电路板部件、镀锡电路板、预镀锡的铅部件、连接部件等的焊接。
如前所述，在钎料组合物中使用氟化亚锡的最突出的优点是能够取消其后的如使用含氯氟烃熔剂的清洁操作，所作出的最重要的成就是取代这种含氯氟烃的溶剂，因为该组分的存在影响到同温层。此外，清洁剂的缺点是很难完全除去焊剂残渣;致密的污点以及在表面固定件中的或小螺距装置操作的底下组件使目前的清洁方法及所推荐的其它清洁剂几乎不起作用。本发明提供一种与目前钎焊工业使用的不同的溶液，其主要是用来将另一种清洁剂取代一种清洁剂。该清洁剂的作用是减少钎焊操作中所产生的离子杂质。比较起来，本发明的焊锡膏配方提供了低的离子杂质，该低的离子杂质使在最终的电子设备中组装电子组件之前，不需要进行清洁操作而能形成钎焊的导电部件和钎焊的连接部件〔如印刷电路或印刷线路板，(即含有导电的或不导电的表面部分的组件)〕。
以下实施例(其中，份数或百分数均用重量来表示)将说明但不是限制本发明。
实施例1将氟化亚锡置于铝坩锅中，通过耐热反应装置加热。该反应器被抽真空至10-5托，然后保持在正氩气压下，将试样浸于熔融的氟化亚锡中。将5支铜条浸于熔融的氟化锡中，另外的5支铜条也制备出以作对照。所有的10个样品浸于288℃的钎料罐中，对照试样的钎料没有润湿，而用氟化亚锡涂覆的试样则显示出优异的润湿作用及低的离子杂质。
实施例2使用实施例1的相同方案，将浸于熔融氟化亚锡中的铜条在室温条件下放置3天，3天之后，没有观察到所涂覆的氟化亚锡的改变，将此5个样品浸于290℃的钎料罐中，所有的样品均具有优异的钎料的润湿作用及低的离子杂质。
实施例3使用如上所述的相同方案，将大小为4cm2的铜箔，定位于坩锅上方2厘米处，将该铜箔置于该处，直至蒸发的氟化亚锡在铜箔下面沉积一薄层为止。将铜箔取出并小心地浸入290℃的钎料罐中。用氟化亚锡涂覆的一侧被润湿，而另一侧则一点也没被润湿。
实施例4将一添加了熔融钎料的容量为8毫升的坩锅(添加量至多为其容量的2/3)悬浮于保持在260℃的钎料罐上。将大约2克氟化亚锡加至熔融钎料的上部，该氟化物被熔融并形成一层。将5支铜条慢慢地浸入到此坩锅中，被钎焊的铜条的两侧具有优异的润湿性。
实施例5将40至70微米大小的钎料粉暴露于如上所述的、在一反应装置内的氟化亚锡蒸气中;使用可提供向下流动蒸气的向下的钽蒸发皿源(购自R.D.Mathis Co.，Long Beach，CA.)。将一含有上述钎料粉的小浅盘放在玻璃棉支撑物上，并很好的定位以充分地与蒸气相接触。在加热至260℃时，按这种方式处理的粉末进行聚结而形成一大的钎料球，然而，当熔融粉末颗粒形成厚氧化层时，类似的粉末保持其原始状态。
实施例6从电路板上切取0.025×0.05英寸(0.0635～0.127厘米)大小的表面固定垫，将该试样引入到一装有氩气及含有耐热坩锅的设备中，该耐热坩锅装满熔融的氟化亚锡。将试样置于坩锅上方大约15分钟，以用氟化亚锡对垫片进行蒸汽涂覆，将预成型钎料条(Solder Quik型SQ-C-050，得自Raychem，Menlo Park，CA.)切成与垫片一样的大小，将这些预成型的钎料小心地放在每一垫片上，然后将试样悬浮于温度为280℃的钎料罐中，该预成型的钎料被软熔并完全润湿全部垫片。将此方法重复三次具有同样的结果。没有用氟化亚锡涂覆的垫片表现出不好的润湿性并且其软熔的钎料具有粗糙的外观。
实施例7将10个2×2英寸(5.08×5.08厘米)、0.031英寸(0.079厘米)厚的铜包覆的环氧玻璃板，通过用光谱纯级的丙酮进行清洗而被洗净。将5个一组的板在真空中用氟化亚锡进行蒸汽涂覆，而另外的5个一组的板用来作为对比。将用氟化亚锡涂覆的板置于一铜箔上，该铜箔悬浮在温度保持在250℃的钎料罐上，这些板放置于箔上时间为90分钟，用军用技术方法(MIL-P-28809)在涂覆的与未涂覆的二组板上测定离子杂质。二组板给出了其值为2微克NaCl当量/平方英寸的离子数值，该数值是使用该方法的测量手段和测量设备所能得到的最低数值。
权利要求
1.一种用于钎焊金属基片表面的方法，它提供低的离子杂质而无需进行清洁操作，它包括以下步骤(a)将由氟化亚锡或其易熔混合物所组成的组合物施加于基片的表面上，(b)将钎料施加于在步骤(a)所施加了的氟化亚锡或其混合物上。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，钎焊之后，在基片上的离子杂质不大于2微克NaCl当量/平方英寸。
3.按照权利要求1所说的方法，其中，施加了氟化亚锡。
4.按照权利要求3所说的方法，其中，氟化亚锡作为薄的涂层而被施加。
5.按照权利要求3所说的方法，其中，氟化亚锡作为粉末涂料而被施加。
6.按照权利要求3所说的方法，其中，氟化亚锡作为分散体而被施加。
7.按照权利要求1所说的方法，它还包括步骤(c)进行加热以熔化钎料。
8.按照权利要求7所说的方法，其中，进行加热熔化钎料是与步骤(b)同时进行的。
9.按照权利要求7所说的方法，其中，进行加热熔化钎料是在步骤(b)之后进行的。
10.按照权利要求2所说的方法，其中钎料是金属或金属合金。
11.按照权利要求10所说的方法，其中，金属或金属合金主要选自金、银、锡、锗、硅、锑、铋、铅、铟、镓、锌、铜、磷及它们的合金或它们的混合物。
12.按照权利要求11所说的方法，其中，金属或金属合金是36%的铅、62%的锡及2%的银。
13.一种用于钎焊表面的方法，它提供低的离子杂质而无需进行清洁操作，包括以下步骤(a)形成含有具有熔融钎料的二个不连续部分的熔融浴，该熔融钎料含有由氟化亚锡或其易熔混合物所组成的表面液体层，(b)将要进行钎焊的表面放置于熔融浴中，其中，该表面在与熔融钎料接触之前，通过氟化亚锡或其混合物。
14.按照权利要求13所说的方法，其中，防护层存在于氟化亚锡或其混合物上。
15.按照权利要求13所说的方法，其中，防护层是某种油。
16.一种制造和组装电子设备的方法，包括至少一种被钎焊的导电部件，包括以下步骤(a)将由氟化亚锡或其易熔混合物所组成的组合物施加到导电部件的表面导电部位，(b)将钎料施加到氟化亚锡或其混合物上，以得到钎焊连接件。(c)将该钎焊连接件组装在电子设备中，在步骤(b)和(c)之间没有清洁钎料的操作。
全文摘要
一种用于钎焊基片表面的方法，它提供低的离子杂质而无需清洁操作，它包括以下步骤(a)将氟化亚锡或其易熔混合物施加于基片表面上，(b)将钎料施加到(a)中施加了的钎剂上。可以将比较钝化的氟化亚锡在低于其熔融温度下施加到基片的表面，经过这样处理的基片在钎焊之前放置一较长时间不致对该表面有任何有害作用，该方法可用于电子设备，可包括线路板部件、镀锡的线路板、预镀锡的铅部件、连接部件等的焊接。
文档编号B23K1/20GK1050149SQ9010793
公开日1991年3月27日 申请日期1990年8月24日 优先权日1989年8月24日
发明者伯汉·特克尔 申请人:纳慕尔杜邦公司