從發(fā)明專利角度分析電子封裝釬焊用釬料合金的發(fā)展及趨勢

蔣輝

摘 要：隨著全球電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，無鉛釬料合金的開發(fā)應(yīng)用得到快速發(fā)展，本文簡要介紹了釬料合金的發(fā)展背景及現(xiàn)狀，尤其是有關(guān)Sn-Zn系及Sn-Ag-Cu系無鉛釬料合金的發(fā)明創(chuàng)造，并分析了相關(guān)專利申請趨勢及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無鉛；釬料；電子；Sn-Zn Sn-Ag-Cu

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.005

1 前言

在焊接領(lǐng)域，尤其是涉及電子產(chǎn)品的焊接領(lǐng)域中，根據(jù)制造產(chǎn)品所使用的材料的不同，為了保證焊接質(zhì)量，需要選擇與焊接材料相適應(yīng)的釬料合金。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外開發(fā)了一系列適用的釬料合金體系，并申請了大量的發(fā)明專利，本文旨在從發(fā)明專利的角度分析國內(nèi)外有關(guān)釬料合金的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。

2 釬料合金的發(fā)展現(xiàn)狀

長期以來，電子封裝釬焊時(shí)所使用的主要是軟釬釬料，其中Sn-Pb釬料合金是典型的軟釬焊釬料。但是，電子產(chǎn)品污染已經(jīng)成為生態(tài)環(huán)境破壞的又一重要來源，主要是由于電子產(chǎn)品中的有毒有害的金屬元素，其中最主要的元素就是Pb，而電子產(chǎn)品釬焊中使用的釬料合金正是有害金屬元素的重要來源，因此，國際上已經(jīng)達(dá)成廣泛共識，減少有害釬料合金的使用。在此背景下，國內(nèi)外正致力于研究開發(fā)一系列的無鉛釬料合金以取代傳統(tǒng)的Sn-Pb系釬料。

3 無鉛釬料合金

3.1 Sn-Zn基無鉛釬料合金

Sn-Zn基無鉛釬料合金熔點(diǎn)低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和力學(xué)性能，是無鉛釬料合金發(fā)明申請中的重要一類。例如，發(fā)明名稱為“一種用于鋁銅軟釬焊的Sn-Zn基無鉛釬料合金及其制備方法”的發(fā)明專利中[1]，通過在Sn-Zn基釬料合金的基礎(chǔ)上，添加了一定量的合金元素Al、Ag、P、Re及Ni，解決了現(xiàn)有Sn-Zn基釬料釬焊鋁銅材料時(shí)，潤濕性不佳的問題，達(dá)到有效連接兩種金屬并能獲得較高強(qiáng)度的釬焊接頭的技術(shù)效果。另外，名稱為“含Pr、Ga、Te的Sn-Zn無鉛釬料”的發(fā)明專利[2]，則是通過在Sn-Zn基合金中添加一定含量的Pr、Ga及Te元素，以獲得釬焊性能優(yōu)良的新型綠色、環(huán)保型無鉛釬料。

3.2 Sn-Ag-Cu基無鉛釬料合金

Sn-Ag-Cu共晶及近共晶釬料由于具有較低的熔化溫度（Tm=217℃），良好的釬焊工藝性能及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，被業(yè)界認(rèn)為是替代傳統(tǒng)含鉛釬料的首選。目前以Sn-Ag-Cu釬料合金為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)的發(fā)明專利申請較多，其主要通過添加合適的合金元素，以進(jìn)一步改善Sn-Ag-Cu基釬料合金的綜合性能。例如，名稱為“一種低銀無鉛釬料合金”的發(fā)明專利[3]，其技術(shù)方案是在Sn-Ag-Cu合金的基礎(chǔ)上，添加了一定含量的Bi、Ni及Dy元素。通過添加適量的Bi元素作為正吸附元素，其可以改善釬料的潤濕性，提高釬焊工藝性能；添加Dy元素則其可與Sn形成共晶相，由此降低釬料的熔點(diǎn)，通過調(diào)整Dy元素的含量，以獲得理想的釬料合金力學(xué)性能。

3.3 其它體系無鉛釬料合金

除了上述的Sn-Zn系及Sn-Ag-Cu系釬料合金外，為了滿足不同的應(yīng)用場合，無鉛料釬料合金還具有Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系等其它系列。各個(gè)釬料體系并不存在明顯界限，有關(guān)的釬料發(fā)明專利，往往難以劃分到某個(gè)特定的體系當(dāng)中。

3.4 無鉛釬料專利申請分析

無鉛釬料合金特別是電子封裝領(lǐng)域釬焊用釬料合金其在國際專利分類表中主要涉及分類號B23K35/26。基于該分類號下的專利分析，以VEN數(shù)據(jù)庫為統(tǒng)計(jì)來源，目前此類專利申請的數(shù)量約為5800件。按國別分類，其中日本作為焊接及電子領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先的國家，其相關(guān)釬料的申請量遙遙領(lǐng)先于其它國家，約為2320件，尤其是由千住金屬工業(yè)株式會社、松下、日立、富士通等幾家工業(yè)巨頭申請的數(shù)量最多。而隨著全球電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，釬料技術(shù)在我國蓬勃發(fā)展，自2005年以后，中國的相關(guān)專利申請量顯著增長，目前相關(guān)釬料的申請總量為約1040件。

盡管，從專利申請數(shù)量上來看，我國釬料專利申請穩(wěn)步提升，逐步縮小同發(fā)達(dá)國家間的差距；然而，專利質(zhì)量及實(shí)際應(yīng)用效果仍存在不小的差距。以往，釬料類發(fā)明專利的技術(shù)方案主要體現(xiàn)在釬料的組元及含量配比關(guān)系，這也是我國釬料專利申請中最為常見的形式，然而，縱觀日、美等焊接技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，釬料合金的研究已經(jīng)深入到釬料粉末顆粒的具體結(jié)構(gòu)上，從更為微觀的角度開發(fā)新型釬料[4]。

4 無鉛釬料合金有關(guān)專利的總結(jié)及展望

無鉛釬焊釬料合金經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在各中體系的釬料合金中均已經(jīng)申請了大量的專利，而目前相關(guān)的專利申請量仍然保持著較高的水平。前沿的釬料專利已經(jīng)不僅僅局限于合金元素種類的多樣化，更注重在釬料粉末顆粒的結(jié)構(gòu)形式及特定合金相的研究開發(fā)中。我國的焊接技術(shù)人員更應(yīng)重質(zhì)重量，努力追趕同發(fā)達(dá)國家間的差距，打破外國專利技術(shù)壁壘，更好的促進(jìn)我國科技事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]大連理工大學(xué).一種用于鋁銅軟釬焊的Sn-Zn基無鉛釬料合金及其制備方法[P].CN102642099A，2010-08-22.

[2]金華市雙環(huán)釬焊材料有限公司.含Pr、Ga、Te的Sn-Zn無鉛釬料[P].CN102825396B，2015-06-03.

[3]華南理工大學(xué).一種低銀無鉛釬料合金.CN102642097A[P]， 2012-08-22.

[4]三菱綜合材料株式會社.焊料粉末、使用該粉末的焊料用漿料和電子部件安裝方法[P].CN104070295A，2014-03-07.