專(zhuān)利名稱(chēng)：用于可提供低離子雜質(zhì)而無(wú)需進(jìn)行清潔操作的釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的釬焊方法，特別是，本發(fā)明涉及一種使用氟化亞錫的改進(jìn)的釬焊方法，該方法產(chǎn)生低的離子雜質(zhì)，并且在釬焊之后，不需要單獨(dú)的進(jìn)行清潔操作。更為特別的是，本發(fā)明允許在進(jìn)行釬焊之前，基片可以?xún)?chǔ)存較長(zhǎng)的時(shí)間。
在使用各種已知的釬焊工藝對(duì)金屬部件進(jìn)行焊接時(shí)，經(jīng)常需要某種釬劑。該釬劑起下列幾種作用首先，在加熱時(shí)，可通過(guò)防止氧化膜的生成而促進(jìn)形成牢固的接頭，并且還可以除去原來(lái)存在的氧化膜。此外，還能破壞在金屬表面上的氧化膜，并保護(hù)該清潔的金屬表面不至于重新氧化，該釬劑必須能在金屬部件上形成適當(dāng)厚度的均勻涂層，并還能減少熔融釬料的表面張力，因此，有利于釬料在經(jīng)過(guò)特別處理的表面上的潤(rùn)濕性、流動(dòng)性及毛細(xì)管作用。對(duì)釬劑所希望的另外一種性能是，必須能容易地用液體釬料從固體金屬上進(jìn)行排代，正如表面固體金屬一樣，也不遺留腐蝕的殘?jiān)?，也沒(méi)有侵蝕。為了做到容易地進(jìn)行排代，而不至于同時(shí)沉積焊劑殘?jiān)?，在低于釬焊溫度下，焊劑必須是液態(tài)的，并且，必須在釬料的液相線(xiàn)下的溫度起作用。
至今為止，已經(jīng)推薦了幾種活性鹽型的釬劑，以克服上述的這些困難，例如，已使用含氯化鋅、氯化銨及另外的除了氯化物以外的堿金屬鹵化物或鹵化銨的釬劑，它們可以以干式也可以與適當(dāng)?shù)娜軇┫嗷旌蟻?lái)使用。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些焊劑或者在金屬表面遺留不希望的腐蝕的鹵化物殘?jiān)?，而需要用清潔溶劑如含氯氟烴(CFC)溶劑進(jìn)行清除;或者在焊接部件上導(dǎo)致粗糙的表面。另外還發(fā)現(xiàn)，該焊接部分具有低的耐腐蝕性，這是通過(guò)將焊接部分暴露于潮濕的環(huán)境中其電阻的大量增大來(lái)確證的。
JP62(1987)-16898公開(kāi)了一類(lèi)用于釬焊的釬劑，其特征在于，它含有作為活化劑的氟化亞錫。該氟化亞錫被用來(lái)與已知的粘合劑，例如松香、松香苯酚、聚乙二醇等相結(jié)合使用。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，用含有氟化亞錫的釬劑處理過(guò)的金屬基片必須立即使用如松香這樣的材料。該松香在基片上形成發(fā)粘的涂層，從而使被釬劑處理過(guò)的金屬基片的儲(chǔ)存變得困難了。
JP64(1989)-40197公開(kāi)了一類(lèi)釬劑，它是由1-20%重量的氟化亞錫和作為平衡量的氟鋁酸鉀絡(luò)合物所組成。該發(fā)明人聲稱(chēng)，如使用大于20%的氟化亞錫，結(jié)果是使釬焊性能惡化。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用在釬焊之前使用氟化亞錫的本發(fā)明的釬焊方法，則可以克服上述的不利之處，金屬基片可以毫無(wú)困難地進(jìn)行處理和儲(chǔ)存，直到它們必須進(jìn)行釬焊為止。另外，使用氟化亞錫的金屬基片的釬焊，其結(jié)果是，使釬焊的基片具有低的離子雜質(zhì)、而且也不需要進(jìn)行清潔操作。
按照本發(fā)明，提供了一種用于釬焊基片表面的方法，該方法提供了低的離子雜質(zhì)，并且不用進(jìn)行清潔操作，它包括以下步驟(a)將由氟化亞錫或其易熔混合物所組成的組合物施加于基片的表面，(b)將釬料施加于在步驟(a)所施加了的氟化亞錫或其易熔混合物上。
使用氟化亞錫或其易熔混合物的本發(fā)明的釬焊方法，其結(jié)果是具有低離子雜質(zhì)，并不需要單獨(dú)的進(jìn)行清潔操作。這一點(diǎn)是很重要的，因?yàn)樵阝F焊操作后，用于從印刷電路板上除去離子雜質(zhì)的最好的清潔溶劑就是含氯氟烴(CFC)溶劑，而該溶劑由于它參與了同溫層的臭氧的消耗，從而被認(rèn)為對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅。
當(dāng)在本發(fā)明的方法中使用氟化亞錫時(shí)，則可以得到基本上不大于2微克NaCl當(dāng)量/平方英寸的殘余的離子雜質(zhì)。不過(guò)，如果釬料含有可提供離子雜質(zhì)的組份，或者，如果采用了一種不能使氟化亞錫進(jìn)行充分氧化的方法時(shí)，則會(huì)得到大于2微克NaCl當(dāng)量/平方英寸的離子雜質(zhì)。殘余離子雜質(zhì)是在“Omega Meter”600(在15分鐘的測(cè)試中，使用600毫升75%重量的異丙醇和25%重量的水)中，應(yīng)用軍用技術(shù)方法MIL-P-28809進(jìn)行測(cè)試的。
該釬焊方法包括以下步驟即將氯化亞錫或其易熔混合物的釬劑施加于基片的表面，然后，再將釬料施加在被釬劑處理過(guò)的基片的表面。
氟化亞錫具有210℃～219℃的熔點(diǎn)范圍。因此它可以是低于釬焊溫度的液體，并且可以在釬焊操作之前，在低于釬料液相線(xiàn)的溫度下起作用以清除要釬焊的部件或者基片的表面上的氧化物。另外，氟化亞錫在其熔融狀態(tài)下是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生化學(xué)分解，而且在釬焊操作時(shí)，它具有僅含低離子雜質(zhì)的性能。氟化亞錫在其作為液體特別是固體時(shí)，是比較鈍化的，即在釬焊之前，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，不會(huì)對(duì)常用的基片表面有任何有害作用。因此，它可以施加于要釬焊的基片表面，維護(hù)基片的可釬焊性，并且在進(jìn)行釬焊操作之前，該基片還可以?xún)?chǔ)存。使用氟化亞錫，完全不會(huì)出現(xiàn)被釬焊部位的腐蝕作用及電絕緣性能的降低，特別是在運(yùn)用波峰釬焊及熱空氣均化釬料的情況下，不會(huì)出現(xiàn)釬料的渣滓及其它有害的影響，或者可以為上述情況即使存在也是在最低限度內(nèi)。
可以制備氟化亞錫與少量其它無(wú)機(jī)氟化物的易熔混合物，以使其低于氟化亞錫釬劑的熔融溫度及增長(zhǎng)釬焊操作時(shí)的暫停時(shí)間。
釬料可以是金屬或金屬合金的粉末狀、膏狀、預(yù)成型狀、或者是放在釬料罐中的熔融狀態(tài)。釬料金屬可以是釬焊中任何常用的單相或多相的金屬，包括金、銀、錫、鍺、硅、銻、鉍、鉛、銦、鎵、鋅、銅、磷、它們的合金或它們的混合物。該釬料金屬顆粒一般小于100目，最好為小于200目。當(dāng)使用金屬混合物或其合金的混合物時(shí)，通過(guò)改變每種組份的用量，可以調(diào)節(jié)熔點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、流動(dòng)性、剪切強(qiáng)度、延伸率、布氏硬度和比重等，以符合用途的要求，為此規(guī)定使用焊錫膏。用于電子另件的常用的金屬或金屬合金釬料包括63%的Sn-Pb釬料，55%的Sn-Pb釬料或5%的Ag-Pb釬料，也可以使用本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的其它金屬或金屬合金釬料。
可以使用本技術(shù)領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的方法(例如，可以作為薄涂層、粉末涂料或分散體來(lái)使用)將氟化亞錫或其易熔混合物施加于要釬焊的基片表面，它可以用來(lái)完全覆蓋基片表面，或僅僅用來(lái)覆蓋預(yù)定的面積，然后再將此處理過(guò)的基片利用一般的焊錫膏、預(yù)成型釬料、及常用的釬焊方法、熱空氣釬料均化方法或波峰釬焊方法而進(jìn)行釬焊。適宜的可進(jìn)行網(wǎng)板及鏤花模版印刷的焊錫膏已被Conwicke公開(kāi)于US3，684，533中(發(fā)表于1982年8月15日)。可以將焊錫膏通過(guò)一般的工藝方法(使用網(wǎng)板及鏤花模版)印在涂有釬劑的基片上。優(yōu)選的焊錫膏應(yīng)該能通過(guò)80目(或更細(xì))的網(wǎng)板而進(jìn)行印制，但是在印制操作時(shí)應(yīng)不致于滴下。另外，當(dāng)其在網(wǎng)板上存在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間時(shí)，它不應(yīng)過(guò)分干燥和過(guò)硬。為了獲得令人滿(mǎn)意的性能，必須調(diào)節(jié)載體的性質(zhì)及焊錫膏組合物以防止其過(guò)量沉積為粉末，但是必須不影響印制操作。可以將能進(jìn)行網(wǎng)板印制的焊錫膏組合物應(yīng)用于任意適宜的基片上，特別是金屬基片上以形成釬料墊，然后，將釬料加熱到使釬料熔融的溫度，并形成牢固的釬料熔合部分?？梢允褂萌我獾臍怏w，如空氣，但是最好是使用氧化氣氛。
另外，該含有氟化亞錫的組合物可以作為覆蓋在釬料上的層狀物存在，例如覆蓋在釬料罐中的釬料上。該工藝方法可以防止當(dāng)不使用釬料時(shí)該釬料表面的氧化作用。在進(jìn)行釬焊操作時(shí)，氟化亞錫與熔融的釬料接觸之前，首先潤(rùn)濕并清潔要進(jìn)行釬焊部件的表面。熔融氟化亞錫層的厚度應(yīng)使該厚度有充分的熔解作用而得到釬料的良好的潤(rùn)濕。如果熔融態(tài)氟化亞錫覆蓋在熔融釬料上保持一段持續(xù)的時(shí)間時(shí)，則可以使用某種保護(hù)層使其覆蓋于熔融的氟化亞錫上，以防止其氧化作用并保證氟化亞錫的熔解作用，保護(hù)層的一個(gè)實(shí)例是油。
一般使用的釬焊操作溫度在210℃至310℃，最好是在220℃～260℃。然而釬焊溫度取決于釬料的組成。
要進(jìn)行釬焊的基片不受限制，可以包括金屬、金屬包覆的環(huán)氧化物、印刷電路板，金屬化的陶瓷等。
本發(fā)明的方法可用于電子裝置，可以包括電路板部件、鍍錫電路板、預(yù)鍍錫的鉛部件、連接部件等的焊接。
如前所述，在釬料組合物中使用氟化亞錫的最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠取消其后的如使用含氯氟烴熔劑的清潔操作，所作出的最重要的成就是取代這種含氯氟烴的溶劑，因?yàn)樵摻M分的存在影響到同溫層。此外，清潔劑的缺點(diǎn)是很難完全除去焊劑殘?jiān)?致密的污點(diǎn)以及在表面固定件中的或小螺距裝置操作的底下組件使目前的清潔方法及所推薦的其它清潔劑幾乎不起作用。本發(fā)明提供一種與目前釬焊工業(yè)使用的不同的溶液，其主要是用來(lái)將另一種清潔劑取代一種清潔劑。該清潔劑的作用是減少釬焊操作中所產(chǎn)生的離子雜質(zhì)。比較起來(lái)，本發(fā)明的焊錫膏配方提供了低的離子雜質(zhì)，該低的離子雜質(zhì)使在最終的電子設(shè)備中組裝電子組件之前，不需要進(jìn)行清潔操作而能形成釬焊的導(dǎo)電部件和釬焊的連接部件〔如印刷電路或印刷線(xiàn)路板，(即含有導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的表面部分的組件)〕。
以下實(shí)施例(其中，份數(shù)或百分?jǐn)?shù)均用重量來(lái)表示)將說(shuō)明但不是限制本發(fā)明。
實(shí)施例1將氟化亞錫置于鋁坩鍋中，通過(guò)耐熱反應(yīng)裝置加熱。該反應(yīng)器被抽真空至10-5托，然后保持在正氬氣壓下，將試樣浸于熔融的氟化亞錫中。將5支銅條浸于熔融的氟化錫中，另外的5支銅條也制備出以作對(duì)照。所有的10個(gè)樣品浸于288℃的釬料罐中，對(duì)照試樣的釬料沒(méi)有潤(rùn)濕，而用氟化亞錫涂覆的試樣則顯示出優(yōu)異的潤(rùn)濕作用及低的離子雜質(zhì)。
實(shí)施例2使用實(shí)施例1的相同方案，將浸于熔融氟化亞錫中的銅條在室溫條件下放置3天，3天之后，沒(méi)有觀察到所涂覆的氟化亞錫的改變，將此5個(gè)樣品浸于290℃的釬料罐中，所有的樣品均具有優(yōu)異的釬料的潤(rùn)濕作用及低的離子雜質(zhì)。
實(shí)施例3使用如上所述的相同方案，將大小為4cm2的銅箔，定位于坩鍋上方2厘米處，將該銅箔置于該處，直至蒸發(fā)的氟化亞錫在銅箔下面沉積一薄層為止。將銅箔取出并小心地浸入290℃的釬料罐中。用氟化亞錫涂覆的一側(cè)被潤(rùn)濕，而另一側(cè)則一點(diǎn)也沒(méi)被潤(rùn)濕。
實(shí)施例4將一添加了熔融釬料的容量為8毫升的坩鍋(添加量至多為其容量的2/3)懸浮于保持在260℃的釬料罐上。將大約2克氟化亞錫加至熔融釬料的上部，該氟化物被熔融并形成一層。將5支銅條慢慢地浸入到此坩鍋中，被釬焊的銅條的兩側(cè)具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性。
實(shí)施例5將40至70微米大小的釬料粉暴露于如上所述的、在一反應(yīng)裝置內(nèi)的氟化亞錫蒸氣中;使用可提供向下流動(dòng)蒸氣的向下的鉭蒸發(fā)皿源(購(gòu)自R.D.Mathis Co.，Long Beach，CA.)。將一含有上述釬料粉的小淺盤(pán)放在玻璃棉支撐物上，并很好的定位以充分地與蒸氣相接觸。在加熱至260℃時(shí)，按這種方式處理的粉末進(jìn)行聚結(jié)而形成一大的釬料球，然而，當(dāng)熔融粉末顆粒形成厚氧化層時(shí)，類(lèi)似的粉末保持其原始狀態(tài)。
實(shí)施例6從電路板上切取0.025×0.05英寸(0.0635～0.127厘米)大小的表面固定墊，將該試樣引入到一裝有氬氣及含有耐熱坩鍋的設(shè)備中，該耐熱坩鍋裝滿(mǎn)熔融的氟化亞錫。將試樣置于坩鍋上方大約15分鐘，以用氟化亞錫對(duì)墊片進(jìn)行蒸汽涂覆，將預(yù)成型釬料條(Solder Quik型SQ-C-050，得自Raychem，Menlo Park，CA.)切成與墊片一樣的大小，將這些預(yù)成型的釬料小心地放在每一墊片上，然后將試樣懸浮于溫度為280℃的釬料罐中，該預(yù)成型的釬料被軟熔并完全潤(rùn)濕全部墊片。將此方法重復(fù)三次具有同樣的結(jié)果。沒(méi)有用氟化亞錫涂覆的墊片表現(xiàn)出不好的潤(rùn)濕性并且其軟熔的釬料具有粗糙的外觀。
實(shí)施例7將10個(gè)2×2英寸(5.08×5.08厘米)、0.031英寸(0.079厘米)厚的銅包覆的環(huán)氧玻璃板，通過(guò)用光譜純級(jí)的丙酮進(jìn)行清洗而被洗凈。將5個(gè)一組的板在真空中用氟化亞錫進(jìn)行蒸汽涂覆，而另外的5個(gè)一組的板用來(lái)作為對(duì)比。將用氟化亞錫涂覆的板置于一銅箔上，該銅箔懸浮在溫度保持在250℃的釬料罐上，這些板放置于箔上時(shí)間為90分鐘，用軍用技術(shù)方法(MIL-P-28809)在涂覆的與未涂覆的二組板上測(cè)定離子雜質(zhì)。二組板給出了其值為2微克NaCl當(dāng)量/平方英寸的離子數(shù)值，該數(shù)值是使用該方法的測(cè)量手段和測(cè)量設(shè)備所能得到的最低數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種用于釬焊金屬基片表面的方法，它提供低的離子雜質(zhì)而無(wú)需進(jìn)行清潔操作，它包括以下步驟(a)將由氟化亞錫或其易熔混合物所組成的組合物施加于基片的表面上，(b)將釬料施加于在步驟(a)所施加了的氟化亞錫或其混合物上。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，釬焊之后，在基片上的離子雜質(zhì)不大于2微克NaCl當(dāng)量/平方英寸。
3.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其中，施加了氟化亞錫。
4.按照權(quán)利要求3所說(shuō)的方法，其中，氟化亞錫作為薄的涂層而被施加。
5.按照權(quán)利要求3所說(shuō)的方法，其中，氟化亞錫作為粉末涂料而被施加。
6.按照權(quán)利要求3所說(shuō)的方法，其中，氟化亞錫作為分散體而被施加。
7.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，它還包括步驟(c)進(jìn)行加熱以熔化釬料。
8.按照權(quán)利要求7所說(shuō)的方法，其中，進(jìn)行加熱熔化釬料是與步驟(b)同時(shí)進(jìn)行的。
9.按照權(quán)利要求7所說(shuō)的方法，其中，進(jìn)行加熱熔化釬料是在步驟(b)之后進(jìn)行的。
10.按照權(quán)利要求2所說(shuō)的方法，其中釬料是金屬或金屬合金。
11.按照權(quán)利要求10所說(shuō)的方法，其中，金屬或金屬合金主要選自金、銀、錫、鍺、硅、銻、鉍、鉛、銦、鎵、鋅、銅、磷及它們的合金或它們的混合物。
12.按照權(quán)利要求11所說(shuō)的方法，其中，金屬或金屬合金是36%的鉛、62%的錫及2%的銀。
13.一種用于釬焊表面的方法，它提供低的離子雜質(zhì)而無(wú)需進(jìn)行清潔操作，包括以下步驟(a)形成含有具有熔融釬料的二個(gè)不連續(xù)部分的熔融浴，該熔融釬料含有由氟化亞錫或其易熔混合物所組成的表面液體層，(b)將要進(jìn)行釬焊的表面放置于熔融浴中，其中，該表面在與熔融釬料接觸之前，通過(guò)氟化亞錫或其混合物。
14.按照權(quán)利要求13所說(shuō)的方法，其中，防護(hù)層存在于氟化亞錫或其混合物上。
15.按照權(quán)利要求13所說(shuō)的方法，其中，防護(hù)層是某種油。
16.一種制造和組裝電子設(shè)備的方法，包括至少一種被釬焊的導(dǎo)電部件，包括以下步驟(a)將由氟化亞錫或其易熔混合物所組成的組合物施加到導(dǎo)電部件的表面導(dǎo)電部位，(b)將釬料施加到氟化亞錫或其混合物上，以得到釬焊連接件。(c)將該釬焊連接件組裝在電子設(shè)備中，在步驟(b)和(c)之間沒(méi)有清潔釬料的操作。
全文摘要
一種用于釬焊基片表面的方法，它提供低的離子雜質(zhì)而無(wú)需清潔操作，它包括以下步驟(a)將氟化亞錫或其易熔混合物施加于基片表面上，(b)將釬料施加到(a)中施加了的釬劑上。可以將比較鈍化的氟化亞錫在低于其熔融溫度下施加到基片的表面，經(jīng)過(guò)這樣處理的基片在釬焊之前放置一較長(zhǎng)時(shí)間不致對(duì)該表面有任何有害作用，該方法可用于電子設(shè)備，可包括線(xiàn)路板部件、鍍錫的線(xiàn)路板、預(yù)鍍錫的鉛部件、連接部件等的焊接。
文檔編號(hào)B23K1/20GK1050149SQ9010793
公開(kāi)日1991年3月27日 申請(qǐng)日期1990年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月24日
發(fā)明者伯漢·特克爾 申請(qǐng)人:納慕爾杜邦公司