184_090-039AP-JP
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： 090129748 | |
| ※申請日期： 20011130 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) C22C 13/00 |
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| 一、發明名稱： (中文/英文) | |
無鉛銲錫(全文下載) Lead-Free Solder
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| 二、申請人： 共 1 人
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| 1 . 姓名或名稱：(中文/英文) 國立成功大學 / NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY 代 表 人：(中文/英文) / 住居所或營業所地址：(中文/英文) 臺南市東區大學路一號 / 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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| 三、發明人： 共 4 人
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| 1 . 姓名：(中文/英文) 林光隆 / LIN, KWANG-LUNG 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名：(中文/英文) 陳剛毅 / CHEN, KANG-I 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 3 . 姓名：(中文/英文) 鄭壽昌 / CHENG, SHOU-CHANG 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 4 . 姓名：(中文/英文) 黃家緯 / HUANG, JIA-WEI 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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四、聲明事項 |
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| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
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| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權： |
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
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□ 主張專利法第三十條生物材料： □ 須寄存生物材料者： 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
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| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。 |
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| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明揭示一種錫鋅基四元無鉛銲錫合金之成份為7-10wt%Zn（鋅），至多0.5wt%Al（鋁），至多4.0wt%Ag（銀），其餘為Sn（錫），以及一種五元無鉛銲錫合金之成份為7-10wt%Zn（鋅），至多0.5wt%Al（鋁），至多4.0wt%Ag（銀），至多4.0wt%Ga（鎵），其餘組成為Sn（錫）。此無鉛銲錫合金之抗拉強度及伸長率優於鉛錫合金，而且其熔點低於200℃，接近鉛錫共晶合金之熔點183.5℃。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| This invention discloses a lead-free solderalloy of Sn-Zn-Al-Ag, which is composed of 7-10wt%Zn, up to 0.5wt% Al, up to 4.0wt% Ag, andthe balance Sn; and a lead-free solder alloy ofSn-Zn-Al-Ag-Ga, which is composed of 7-10wt% Zn,up to 0.5wt% Al, up to 4.0wt% Ag, up to 4.0wt%Ga; and the balance Sn. The lead-free solderalloys of the present invention have bettertensile strength andelongation than theconventional Sn-Pb solder alloys. In addition,the lead-free solderalloys of the presentinvention have a melting point lower than200℃，which is close to 183.5℃ of the eutectic Sn-Pballoy. | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 發明領域 本發明係關於一種無鉛銲錫，尤其有關Sn-Zn-Ag-Al之四元無鉛銲錫合金及Sn-Zn-Ag-Al-Ga之五元無鉛銲錫合金。 發明背景 我們已知道典型的銲錫合金材料主要的成分是鉛-錫合金，鉛對人體有害，也會造成環境的污染，因此研發無鉛銲錫材料是目前刻不容緩的事。錫-銀共晶合金其抗拉強度高於傳統鉛-錫合金，但其熔點太高，約為221℃，比鉛-錫共晶合金之熔點(183.5℃)高出甚多。因此，容易造成設備及成本的提高，且因高溫易造成電子元件的損壞。雖然許多專利文獻試圖以錫-銀共晶合金為主之三元、四元及五元合金系統中，加入少量的其他合金成分，如Cu,Zn,Bi,In及Sb，以降低錫-銀共晶合金的熔點，但其熔點有些依然高於200℃。雖然加入大量的Bi及In可降低合金的熔點，卻使得成本大幅提高，例如：Sn-Ag-Cu,USP 5,527,629(1996);Sn-Ag-Zn-Bi, USP 5,993,736(l999); Sn-Ag-Bi-In,USP 5,958,333(1999), USP5,843,371(1998), USP5,658,528(1997);Sn-Ag-Bi-Cu-In, USP 5,918,795(1999);Sn-Ag-In-Bi-Sb, USP 5,733,501(1998);Sn-Ag-Zn-In-Bi, USP 5,762,866(1998)。 發明要旨 本發明的一目的是提供一稱無鉛的錫-鋅基銲錫合金，其具有能與傳統的鉛-錫共晶合金相比擬或更佳的機械性質，如抗拉強度及伸長率；成本低；而且低於200蚓的熔點，甚至低於鉛-錫共晶合金之熔點(183.5℃)，而不會對IC構裝元件造成損壞。 本發明的另一目的是提供一稱無鉛的錫-鋅基銲錫合金，其具有高的潤濕能力。 為了達成上述的本發明目的依照本發明內容所完成的一種無鉛銲錫基本上係由7.0-10.0重量％鋅，0.1-4.0重量％的銀，0.01-0.5重量％的鋁及其餘為錫所組成。 較佳的，本發明的無鉛銲錫進一步包含0.1-4.0重量％的鎵，亦即係由7.0-10.0重量％鋅，0.1-4.0重量％的銀，0.01-0.5重量％的鋁，0.1-4.0重量％的鎵及其餘為錫所組成 較佳的，本發明的無鉛銲錫包含0.25-0.5重量％的鎵。 較佳的，本發明的無鉛銲錫包含0.25-0.5重量％的銀。 發明的詳細說明 本發明揭示一種改良的無鉛銲錫，其包含鋅、銀及75重量％以上的錫，其特徵在於該銲錫進一步包括0.01-0.5重量％的鋁。本案發明人發現在Sn-Zn-Ag銲錫合金中加入Al可改善銲錫合金的潤濕性質。 本發明的改良的無鉛銲錫，較佳的進一步包括0.1-4.0重量％的鎵。鎵(Ga)合金元素，主要是要降低合金的熔點溫度（Ga的熔點為29.8℃），因Ga可固溶於Sn,Zn,Ag及Al中。 加入少量的Ga不會形成化合物，有固溶強化的作用，而且，Ga還具有其他性質，如低蒸汽壓，高熱及電傳導性，可濕潤大部分的金屬及氧化物，很適合應用於電子構裝工業[D. L. Smith and H. J. Caul, "Alloys ofGallium with Powdered Metals as PossibleReplacement for Denta1 Amalgam, "J. Amer.Dent.Assoc. vol. 53, pp315-324, 1956;S. K.BhattaCharya and D. F. Baldwin, "Gallium AlloyBreakthrough for Via-filling Appiication,"Adv.Packaging Sept. pp. 61-64, 2000]。 本發明的無鉛銲錫是以Sn-Zn-Ag-Al及Sn-Zn-Ag-Al-Ga系統為主。無鉛銲錫的成分至少含Sn75wt%以上，Zn7.0-10.0wt%，Ag0.1-4.0wt%，Al0.01-0.5wt%及Ga0-4.0 wt%。Ga主要固溶於Sn基地中’Ag和Zn形成AgZn 3 及Ag 5 Zn 8 之化合物。加入Ga不僅可維持Sn-9Zn共晶合金之伸長率，還可提高抗拉強度，約提高18%。比較傳統的63Sn-37Pb共晶合金，依本發明一較佳具體實施例的無鉛銲錫合金其抗拉強度可高出63Sn-37Pb合金約68%左右，且其伸長率也可高出63Sn-37Pb合金約40%左右。 本發明可藉著以下的實施例被進一步瞭解，其等僅作為說明之用，而非用於侷限本發明的範圍。 對照例 Sn-9wt%Zn共晶合金的準備是使用純度99.99%的Sn和Zn，將秤好之各種純金屬顆粒，共約30克，放入石英管中，以氧及瓦斯混合之火焰封石英管，抽真空後充Ar氣氛。石英管內徑8mm，外徑10mm。密封的石英管被放入高溫爐中，加熱至800℃，持溫3小時後爐冷，其中升溫及降溫速率為1℃/min。爐冷至250℃後水冷。依ASTMDesignation：E8-82測試方法將合金鑄錠用桌上型車床加工成拉伸試棒，其尺寸為錶長(gauge length)16nm及錶寬(gauge diameter)4mm。拉伸速率為0.9mm∕min(0.015mm/s)。此合金之最大抗拉強度(UTS)為78.2MPa，及伸長率為41.3%。合金之熔點為198.3℃。 實施例1 Sn-8.55%Zn-1.0%Ag-zAl系的銲錫合金拉伸試片之準備及測試方法與對照例相同。結果顯示，因添加少量的鋁元素(0.01~0.45wt%)使得其在銅基材上，大幅地增加潤濕能力。實驗結果顯示Sn-8.55%Zn-1%Ag-zAl系的銲錫合金加熱到250℃，在DMAHC1有機助熔劑助熔下為約0.75-1.20mN，較Sn-9Zn共晶系銲錫合金的潤濕力(~0.41mN)大約一至二倍。在潤濕時間方面，Sn-8.55%Zn-1%Ag-zAl系的銲錫合金的潤濕時間約為0.9~1.1秒，亦較Sn-Zn共晶系銲錫合金的潤濕時間（~1.32秒）優越許多。 實施例2 Sn-8.55%Zn-0.45%Al-0.5%Ag-0.25%Ga合金拉伸試片之準備及測試方法與對照例相同。結果顯示：最大抗拉強度(UTS)為80.4MPa，其抗拉強度高出63Sn-37Pb合金約46%左右，伸長率為43.6%，其伸長率高出63Sn-37Pb合金約16%左右。合金之熔點為195.55℃，已非常接近63Sn-37Pb合金之熔點(183.5℃)。 實施例3 Sn-8.55%Zn-0.45%Al-0.5%Ag-0.5%Ga合金拉伸試片之準備及測試方法與對照例相同。結果顯示：最大抗拉強度(UTS)為92.5MPa，其抗拉強度高出63Sn-37Pb合金約68%左右，伸長率為42.2%，其伸長率高出63Sn-37Pb合金約12%左右。合金之熔點為194.7℃。 重覆實施例2及3的步驟得到如圖1所示的Sn-8.55Zn-0.45Al-0.5Ag-yGa銲錫合金之應力應變曲線 。 圖1中同時顯示對照例63Sn-37Pb合金的應力應變曲線。 實施例4 Sn-8.55%Zn-0.45%Al-0.25%Ag-0.5%Ga合金拉伸試片之準備及測試方法與對照例相同。結果顯示：最大抗拉強度(UTS)為82.1MPa，其抗拉強度高出63Sn-37Pb合金約49%左右，伸長率為52.7%，其伸長率高出63Sn-37Pb合金約40%左右。合金之熔點為195.09℃。 實施例5 Sn-8.55%Zn-0.45%Al-1.0%Ag-0.5%Ga合金拉伸試片之準備及測試方法與對照例相同。結果顯示：最大抗拉強度(UTS)為86.8MPa，其抗拉強度高出63Sn-37Pb合金約58%左右。合金之熔點為194.1℃。 重覆實施例4及5的步驟得到如圖2所示的Sn-8.55Zn-0.45Al-xAg-0.5Ga銲錫合金之應力應變曲線。圖2中同時顯示對照例63Sn-37Pb合金的應力應變曲線。 本發明的其它實施例的Sn-8.55Zn -0.45Al-xAg-yGa銲錫合金的機械性質被示於圖3及4。 圖式簡單說明 圖1顯示本發明的Sn-8.55Zn-0.45Al-0.5Ag-yGa銲錫合金及習知63Sn-37Pb銲錫合金的應力應變曲線。 圖2顯示本發明的Sn-8.55Zn-0.45Al-xAg-0.5Ga銲錫合金及習知63Sn-37Pb銲錫合金的應力應變曲線。 圖3顯示本發明的Sn-8.55Zn-0.45Al-xAg-yGa銲錫合金的抗拉強度，其中菱形為0.5重量％Ga，距形為1.0重量％Ga，三角形為2.0重量％Ga，及X形為3.0重量％Ga。 圖4顯示本發明的Sn-8.55Zn-0.45Al-xAg-yGa銲錫合金的伸長率，其中菱形為0.5重量％Ga，距形為1.0重量％Ga，三角形為2.0重量％Ga，及X形為3.0重量％Ga。
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種無鉛銲錫，其由7.0-10.0重量％鋅，0.1-4.0重量％的銀，0.01-0.5重量％的鋁及其餘為錫所組成。 2.一種無鉛銲錫，其由7.0-10.0重量％鋅，0.1-4.0重量％的銀，0.01-0.5重量％的鋁，0.1-4.0重量％的鎵及其餘為錫所組成。 3.如申請專利範圍第2項的銲錫，其包含0.25-0.5重量％的鎵。 4.如申請專利範圍第1項的銲錫，其包含0.25-0.5重量％的銀。 5.如申請專利範圍第2項的銲錫，其包含0.25-0.5重量％的銀。 6.如申請專利範圍第3項的銲錫，其包含0.25-0.5重量％的銀。 7.一種改良的無鉛銲錫，其包含7.0-10.0重量％鋅、0.1-4.0重量％銀及75重量％以上的錫，其特徵在於該銲錫進一步包括0.01-0.5重量％的鋁。 8.如申請專利範圍第7項的銲錫，其特徵在於該銲錫進一步包括0.1-4.0重量％的鎵。 9.如申請專利範圍第8項的銲錫，其中該銲錫包括0.25-0.5重量％的鎵。 |
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| 十一、圖式： | |
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