專利名稱：免清洗的焊劑及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊劑及其使用方法，尤其涉及一種水溶性焊劑及其使用方法，尤其在精密的高可靠性的電子元件組裝方面，諸如印刷線路組裝方面，本發(fā)明具有明顯的環(huán)境效益及顯著的生產(chǎn)效益。
通常用已知的波峰焊接方法完成印刷線路組件的組裝，用該方法，印刷線路板(印刷電路板)的表面及準(zhǔn)備在該印刷線路板上焊接元件的引線或元件腳的表面，被置于焊料的波峰上，該焊料波峰沿線路板及線路板上安置的元件經(jīng)過。焊料波峰接觸待焊接物的表面，并將它們焊接起來，且將它們電連接在一起。事實上，現(xiàn)有技術(shù)的這些組件的焊接，其焊劑通常被用于待連接物的表面，為了除去這些待連接物表面上的氧化物，要將接收焊料的表面用化學(xué)方法進行處理，以便較好地完成組件的電連接和機械連接。通常，該焊劑被應(yīng)用于不要求嚴(yán)格控制焊劑量的場合(該焊劑被稱作為泡沫焊劑)，在該過程中，線路板和待組裝的元件通過焊劑發(fā)泡床，該焊劑附著在待焊物的表面。在焊接前，將焊劑與元件的結(jié)合處進行預(yù)熱，已便使焊劑載體從表面擴散掉。
在印刷線路組裝的波峰焊接的電子工業(yè)中使用的焊劑，一般含有的成份通常取決于環(huán)境和/或必要的焊接后處理時清洗劑的使用，而這些清洗劑的本身存在一些不希望有的環(huán)境危害。例如，典型的活性樹脂焊劑使用的可揮發(fā)的有機化合物(VOC)載體，諸如乙醇，該載體污染環(huán)境。這種焊劑基本上也使一些離子型焊接后處理的污染物質(zhì)的殘留物(焊料和焊料的分解物殘余成份及反應(yīng)產(chǎn)物)遺留下來，這些殘留物可腐蝕電子組件，并使電子組件的物理性能和電性能降低，最終導(dǎo)致電路的損壞。這樣，尤其在精密的、高準(zhǔn)確性的組裝場合，除去這種殘留物已成很必要的事情。最常用的清洗方法，是使用碳氯氟化物(CFC)清洗劑的蒸氣去污染方法來完成的。CFC的環(huán)境污染性，尤其近年來已認(rèn)識到的它們對地球的大氣臭氧層的影響，使CFC的污染性已成為重要的世界范圍的問題。
由于電子技術(shù)生產(chǎn)過程的環(huán)境影響已變得越來越明了，為了滿足日益增加的嚴(yán)格的行政法規(guī)的要求，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種可替代的清洗劑以及開發(fā)一種改進的焊劑組成以避免上述問題，本發(fā)明的焊劑可使用安全的對環(huán)境無危害的清洗劑(諸如水)清除掉。
例如，已提出了各種各樣的水溶性焊劑，這些焊劑可用水來清洗。作為一般使用目的，水清洗劑明顯優(yōu)于CFC清洗劑，現(xiàn)有的水溶性焊劑為了滿足技術(shù)需要通常遺留有大量的殘留物。例如這些焊劑的組成中含有大量的VOC溶劑(通常為乙醇)和/或含有鹵化物的活化劑。正如早期文獻所記載，VOC溶劑可帶來環(huán)境污染的問題。另一方面，含鹵化物的活化劑的問題在于它們殘留有大量的離子殘留物及焊接后處理時必須被清除的大量殘留物。更確切地說，在存在有濕度(水份)的情況下，這種殘留物中含有的鹵化物已被公知作為催化劑，而再產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)，即鹵化物絡(luò)合物與金屬組裝元件(例如鋁)的反應(yīng)，然后重新發(fā)生鹵代絡(luò)合物與水的反應(yīng)，而后變成自由基去再一次攻擊金屬離子。這樣，只要濕度存在(當(dāng)然，濕度實際上總是存在)，腐蝕反應(yīng)就可不斷地進行，最終導(dǎo)致電路的損壞。
按照本發(fā)明的基本特征之一，本發(fā)明提供一種焊劑，該焊劑為水溶性的(確實以水溶液的形式存在)，實際上為不含有VOC的鹵化物，更確切地說，該焊劑沒有腐蝕作用。尤其是本發(fā)明配制的焊劑，在印刷線路組裝的波峰焊接時提供了高效的充分的助熔。更重要的是，該焊劑達到最小的離子污染物殘留量和更高的表面絕緣度，以便在焊接的后處理時不需要清洗。本發(fā)明獨特的無需清洗的焊劑可避免使用VOC所帶來的環(huán)境污染問題，以及在焊接后處理清洗過程中(甚至包括水清洗過程中)帶來的成本增加的問題，本發(fā)明更優(yōu)選的方式，即本發(fā)明的免清洗焊劑，尤其在運輸和貯存時也具有優(yōu)點，即可重復(fù)進行焊劑的冷凍和解凍，而對焊劑組成的基本性能沒有不利的影響。
簡而言之，本發(fā)明提供一種免清洗的焊劑，該焊劑實質(zhì)上不含有VOC，基本上是含有一種或更多種無鹵化物的水溶性的活化劑，其總量不大于焊劑重量的5%;一種用量不超過焊劑重量的1%的用氟處理的表面活性劑;和水。優(yōu)選地，焊劑中的每種活化劑可在水中充分溶解以保持在焊劑的冷凍和解凍后為完全溶液狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的第二個主要特征，本發(fā)明提供一種制造焊接印刷線路組件的方法，在該方法中，離子污染物的殘留量降至最低。該方法包括用上述描述的焊劑噴射在待焊組件上，并預(yù)熱該焊接的組件以將水從焊劑中揮發(fā)掉，并波峰焊接這些組件。
利用如前所述的方法，尤其利用使用本發(fā)明具有極佳性能的免清洗焊劑，該方法不需要進行焊接的后清洗處理，本發(fā)明的離子污染物殘留量可達到甚至低于已經(jīng)過焊接后清洗處理的符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求的印刷電路組件的殘留量。
本發(fā)明的波峰焊接可在例如大氣環(huán)境或在實質(zhì)上為惰性氣體環(huán)境、諸如控制氧含量的氮氣環(huán)境下進行。
根據(jù)本發(fā)明的焊劑，其含有三種基本成份，它們?yōu)闊o鹵化物的水溶性活化劑(一種或更多種)、水溶性用氟處理的表面活性劑、并且水優(yōu)選為去離子水。本發(fā)明由于是在室溫下加入適當(dāng)比例的活化劑和表面活性劑到水中，并混合成一水溶液，使本發(fā)明的焊劑易于制備。當(dāng)然，該焊劑應(yīng)與通常在印刷線路組件的波峰焊接中使用的焊料相適合及與在該焊接過程通常使用的金屬相適應(yīng)。焊料通常為二價錫/鉛體系，該體系中含有大約60%的錫和40%的鉛(以重量計)，以63%的錫和37%的鉛較典型。也可存在另外的組成，諸如銀和銻體系，62%的錫/36%的鉛/2%的銀為這種組成的典型例子。無鉛的焊料體系，諸如錫/鉍體系，例如已知的為42%的錫/58%的鉍焊料。待焊接的金屬通常為包括銅、錫包覆的銅及銅合金(例如青銅和黃銅)。其它的金屬也可使用，它們包括鎳、鐵-鎳合金和科代合金(Kovar)(鐵-鎳-鈷合金)，也可用金、銀、鈀或錫-鉛合金涂覆。
為適于印刷線路組件的焊劑用途，本發(fā)明的焊劑優(yōu)選使用噴射焊劑(sprayingflux)。與傳統(tǒng)的波峰焊接過程使用的發(fā)泡焊劑技術(shù)比較起來，根據(jù)本發(fā)明的噴射焊劑，其使所使用的焊劑的量更易于精確控制，以便使焊劑用于待焊物表面的量足以產(chǎn)生較好的焊接點，同時也使在焊接后，焊劑殘留在組件上的量減至最低。過多的焊劑殘留量是不理想的，主要是由于它們可導(dǎo)致表面絕緣度降低和組件電性能的損壞(特別是在高溫和高濕度的情況下)。
優(yōu)選的噴射速度為在干燥后(即水被完全揮發(fā)掉以后)，焊劑“固體”(更準(zhǔn)確地說，非揮發(fā)物)保留在印刷線路組件上的量每平方英寸線路板為約200微克至約1500微克的范圍(每平方厘米為31微克-約233微克)，更優(yōu)選為每平方英寸的線路板約400微克至約1200微克(每平方厘米62微克至186微克)。這可確保足以用波峰焊接表面的焊劑覆蓋，并具有較好焊接點以及確保離子污染物的殘留量降至最低，并使焊接組件具有較高的表面絕緣度，而不需要焊接的后清洗過程。
1、活化劑本發(fā)明的焊劑將含有一種或更多種無鹵化物的水溶性活化劑。盡管在本發(fā)明的較寬的范圍內(nèi)并不要求，但已發(fā)現(xiàn)使用這種活化劑的顯著優(yōu)點。因此，優(yōu)選的活化劑，其在水中具有足夠的溶解性，以保證焊劑在一次或更多次的冷凍/解凍循環(huán)后仍為完全的溶液狀態(tài)。更確切地說，假如焊劑在運輸或貯存期間冷凍，這種活化劑的使用能確保在焊劑解凍后成為溶液狀，因而仍然能有效地使用?？偟恼f來，在20℃(68°F)下，水的溶解度至少為約每100CC5克，就足以適合該用途。低溶解性的活化劑不具有如前所述的優(yōu)點，主要是由于在焊劑經(jīng)受冷凍/解凍循環(huán)時，這些活化劑析出或不能保留在溶液中，因而，沒有下一步驟(諸如，將焊劑加熱到高于室內(nèi)溫度以重新恢復(fù)成溶液)，這種焊劑就不能被使用。
焊劑中活化劑的用量應(yīng)為焊劑重量的約0.2%～5.0%。較低含量的活化劑不能提供足夠的焊接活性，而較高的活化劑含量導(dǎo)致過量的殘留物存在，這些殘留物對最終的焊接組件產(chǎn)生不利的影響，并且也沒有打算清除這些殘留物。當(dāng)然，在較強的和較弱的活化劑中，較強的活化劑的用量更趨向于所給出用量范圍的較低值。優(yōu)選的活化劑量為焊劑重量的0.5%～3.0%。
適合于本發(fā)明使用的無鹵化物的活化劑的例子包括有機活化劑，諸如羧酸、磺酸、磷酸、磷酸酯、氨基酸、鏈烷醇胺和它們的結(jié)合物。這些活化劑與通常在電子工業(yè)過程中使用的含鹵化物的活化劑，諸如氫鹵化胺(例如氫氯化胺和氫溴化胺)相比僅存在較少的離子污染物。另外，不存在鹵化物，就不能導(dǎo)致早些時候描述的再發(fā)生的腐蝕反應(yīng)(這些反應(yīng)在鹵化物存在時發(fā)生)。
為了適于本發(fā)明的用途，已發(fā)現(xiàn)羧酸活化劑提供極佳的焊接結(jié)合性能及較好的表面絕緣度，并使離子污染物殘留量降至最低。在羧酸類中，已發(fā)現(xiàn)戊二酸和琥珀酸尤其適合于作為本發(fā)明的活化劑，它們可單獨使用或結(jié)合使用。
下列的羧酸和其它活化劑的例子適于本發(fā)明，它們在水中的溶解度在20℃(68°F)時為每100CC至少為5克一元羧酸甲酸乙酸丙酸丁酸二元羧酸乙二酸丙二酸琥珀酸戊二酸馬來酸亞甲基丁二酸三元羧酸丙烯三甲酸羥基羧酸羥基乙酸2-羥基丙酸苯乙醇酸羥基丁二酸酒石酸檸檬酸二元醇酸氧代羧酸乙酰丙酸磺酸苯碘酸甲苯磺酸磷酸乙?；姿?-羥基亞乙基-1，1-二膦酸苯膦酸磷酸酯一元磷酸酯和二元磷酸酯脂肪族的脂族醇乙氧化醇，芳香基醇或芳香基乙氧化醇氨基酸氨基乙酸氨基丁酸氨基戊酸鏈烷醇胺三異丙醇胺三乙醇胺2、表面活性劑用氟處理的表面活性劑是本發(fā)明的焊劑的重要組成之一。作為一類的用氟處理的表面活性劑是有效的表面活性劑，在非常低的濃度下也有效。在本發(fā)明的實施過程中，表面活性劑的濃度為焊劑重量的約1.0%以下，優(yōu)選為濃度不大于0.1%。該用量使焊劑能夠普遍潤濕待焊物的表面，另一方面，焊劑殘留量還沒達到焊后需要被清除的程度。
ZonylFSN氟化表面活性劑(描述為過氟烷基乙氧酯)(可從E.I.DupontdeNemours&Co.，Inc.得到)已被發(fā)現(xiàn)尤其適合于本發(fā)明。來自其它制造商的用氟處理的表面活性劑也可使用，諸如FluoradFC-430(描述為氟代脂肪族聚合酯)可從IndustrialChemicalProductsDivisionof3M得到;及ATSURF氟代表面活性劑，可從ImperialChemicalIndustries得到。
3、其它成份本發(fā)明的焊劑可含有各種各樣的少量添加劑成份，這些成份對焊劑主要性能的影響可忽略不計。這些成份包括例如防腐劑，諸如三偶氮甲苯，取代的三偶氮甲苯(例如三偶氮羥基甲苯)、偶氮亞胺及取代的偶氮亞胺;穩(wěn)定劑和殺菌劑。這些成份所加入的總量優(yōu)選為不超過焊劑重量的約0.1%。這些成份的使用可通過現(xiàn)有技術(shù)很好地了解。
另外，某些有機溶劑載體，諸如異丙醇，可由制造商提供。例如，DupontZonylFSF氟代表面活性劑用于下文出現(xiàn)的數(shù)個特殊實例中的用量為每30%水和30%異丙基乙醇活化劑(表面活性劑)的濃度為40%。本發(fā)明的焊劑中實際上使用的該成份的濃度很小，無論如何，異丙基乙醇存在于焊劑中的量可被忽略。作為一個實例，ZonylFSN為焊劑重量的0.09%時，可使異丙基乙醇含量僅為焊劑重量的0.027%。勿需說的是，這種微不足道存在的乙醇的量實質(zhì)上不能改變焊劑中的無VOC的數(shù)據(jù)。
特殊的實例下列為根據(jù)本發(fā)明的組成的組合物的特殊實例。在每一實例中，焊劑的制備可通過將活化劑和表面活性劑溶解于去離子水中以產(chǎn)生均勻的水溶液。所有在實施例中列舉的成份可立即從市面上得到，無需改進就可使用。實施例1-8的酸性活化劑和實施例5的三異丙醇胺可從市面上得到純的物質(zhì)(基本上為100%的純度)。實施例5中MaphesL-10是一種脂肪族磷酸脂(可從MazerChemicalInc.得到)。
實施例1%(重量計)DI水98.91戊二酸0.50琥珀酸0.50ZonylFSN0.09100.00%實施例2%(重量)DI水97.91戊二酸1.0琥珀酸1.0ZonylFSN0.09100.00%實施例3%(重量)
DI水97.91琥珀酸2.0ZonylFSN0.09100.00%實施例4%%(重量)DI水97.91亞甲基丁二酸2.0FluoradFC-4300.05苯并三唑0.10100.00%實施例5%(重量)DI水97.91琥珀酸1.0MaphosL-100.8三異丙醇胺0.2ZonylFSN0.09100.00%實施例6%(重量)DI水97.95琥珀酸1.8對-苯磺酸0.2FluoradFC-4300.05100.00%實施例7%(重量)DI水97.91
琥珀酸1.0氨基二酸1.0ZonylFSN0.09100.00%實施例8%(重量)DI水97.91琥珀酸1.9乙酰基磷酸0.1ZonylFSN0.09100.00%在上述實施例中，實施例1-4中的焊劑更為優(yōu)選，這些焊劑中僅含有羧酸活化劑。這四個組合物經(jīng)受的冷凍/解凍試驗如下將每一種焊劑的樣品放入玻璃瓶中，蓋上頂蓋，并將其放在-15℃(5°F)的冰箱中冷凍24小時。然后將瓶子從冰箱中移出，將冷凍的焊劑解凍并加熱至室溫。在室溫下(20～25℃;68-77°F)的整個試驗過程中，這些焊劑中沒有一種出現(xiàn)分離和沉淀現(xiàn)象。這意味著如果這些焊劑在冷溫度下被運輸和貯存，當(dāng)其被放置在室內(nèi)，并將其熱加至環(huán)境溫度時，這些焊劑完全變成均勻的溶液以適合于使用。
將上述試驗在5℃(41°F)的冰箱中進行重復(fù)試驗。這些樣品中無任何一種出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。
將實施例1-2的焊劑進行波峰焊接試驗。試驗用板為雙面板，焊料覆蓋著裸銅板，均勻施用熱空氣，并通過孔道放置。用ElectrovertEconopakⅡ型焊機在線路板上噴射焊劑和進行波峰焊接(63%錫/37%鉛焊料)。其表面被預(yù)熱至537℃(999°F)，其傳送速度為1.07m/min(3.5ft/min)。這些配置使得線路板在進行波峰焊接之前，就將全部的水從焊劑中揮發(fā)出去。焊接點的溫度為260℃(500°F)。
焊接后，將板面進行焊劑浸濕的質(zhì)量檢驗，發(fā)現(xiàn)這些線路板性能優(yōu)良。難以觀察到焊料不潤濕(non-wetting)、去濕、架橋或毛刺現(xiàn)象。利用孔式灌注形成的焊縫光滑并有光澤。難以觀察到焊劑殘留物的痕跡，焊劑均勻地分布在線路板表面。
實施例1、2中用焊劑焊接的一些線路板可用由AlphaMetals.Inc.ofJerseyCity，NewJersey生產(chǎn)的Omegameter600SMD型離子污染物測量裝置對離子污染程度進行測量。測量結(jié)果為均屬于軍用標(biāo)準(zhǔn)Mil-P-28809允許的每平方英寸最大為14微克范圍內(nèi)。這證明這些焊劑的離子污染物殘留量非常低。
用實施例1-2的焊劑焊接的線路板可用IPC-SF-818標(biāo)準(zhǔn)3級組裝試驗條件下進行表面絕緣度的試驗，對每種焊劑在85℃/85%R.H.條件下進行超過7天實驗，最低要求為10×108歐姆的實驗結(jié)果進一步證實，在目前的水平下，焊劑的殘留物(例如焊劑和焊劑反應(yīng)物的殘留物及分解產(chǎn)物)基本上是不腐蝕的。試驗的結(jié)果表明線路板經(jīng)過實驗未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。
上文所描述的本發(fā)明是選擇優(yōu)選的實施例，基于本發(fā)明的原理和精神，在本領(lǐng)域技術(shù)范圍內(nèi)對本發(fā)明作出的各種變化和改進，均不超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種不含VOC的免清洗的焊劑，其主要是由一種或多種無鹵化物的水溶性活化劑及一水溶性用氟處理的表面活性劑和水組成，活化劑的用量為不大于焊劑重量的5%，表面活性劑的用量為不大于焊劑重量的1%。
2.如權(quán)利要求1所述的焊劑，其中，所述的活化劑充分與水相溶，以保持焊劑在冷凍和解凍后完全呈溶液狀。
3.如權(quán)利要求2所述的焊劑，其中，所述的活化劑，在20℃下的水溶解度至少為每100CC5克。
4.如權(quán)利要求3所述的焊劑，其中，所述的活化劑為從下組物質(zhì)中選擇，該組物質(zhì)為羧酸、磺酸、磷酸、磷酸酯、氨基酸、鏈烷醇胺及它們的結(jié)合物。
5.如權(quán)利要求3所述的焊劑，其中，所述的活化劑為羧酸。
6.如權(quán)利要求3所述的焊劑，其中僅含有一種所述的活化劑;即戊二酸。
7.如權(quán)利要求3所述的焊劑，其中僅含有一種活化劑;即琥珀酸。
8.如權(quán)利要求3所述的焊劑，其中僅含有二種所述的活化劑;即戊二酸和琥珀酸。
9.如權(quán)利要求1所述的焊劑，其中活化劑的總量為焊劑重量的0.5%～3%。
10.如權(quán)利要求9所述的焊劑，其中，用氟處理的表面活性劑的量為不大于焊劑重量的0.1%。
11.一種制造焊接印刷線路組件的方法，該方法具有最低的離子污染殘留物，該方法包括用免清洗的焊劑噴射在組件上，該焊劑實質(zhì)上不含有VOC和基本上由一種或更多種無鹵化物的水溶性活化劑、水溶性用氟處理的表面活性劑及水組成，活化劑的用量為不超過焊劑重量的5%，表面活性劑的用量為不超過焊劑重量的1%。將待焊的組件進行預(yù)熱，以將水從焊劑中揮發(fā)掉，及將組件進行波峰焊接。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述的焊劑活化劑的特征在于其水溶解度的范圍為能在焊劑冷凍和解凍后保持其呈完全溶液狀。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的每種焊劑活化劑在20℃時的水溶解度至少為每100CC 5克。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述的每種活化劑為從下組物質(zhì)中選擇，該組物質(zhì)為羧酸、磺酸、磷酸、磷酸酯、氨基酸、鏈烷醇胺及它們的結(jié)合物。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述的焊劑的活化劑為羧酸。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，焊劑僅含有一種活化劑;即戊二酸。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，焊劑僅含有一種活化劑;即琥珀酸。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中焊劑僅含有二種活化劑;即戊二酸及琥珀酸。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中以一適用的速度進行焊劑噴射，以致在水被揮發(fā)掉以后，組件上所遺留的固體焊劑量為每平方英寸線路板200微克至1500微克，即每平方厘米線路板31微克至233微克。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中適用的噴射速度為每平方英寸線路板400-1200微克，即，每平方厘米線路板62～186微克。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，活化劑的總量為焊劑重量的0.5～3.0%。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，用氟處理的表面活性劑的量為不大于焊劑重量的0.1%。
全文摘要
一種免清洗的焊劑，其基本上是由一種或多種無鹵化物的水溶性活化劑、水溶性用氟處理的表面活性劑及水組成。其中，活化劑的用量為不超過焊劑重量的5％，表面活性劑的用量為不超過焊劑重量的1％。實質(zhì)上，焊劑不含有VOC，這在以最低量的離子污染殘留物方式制造焊接印刷線路板的方法中尤其有用，這樣，焊接后焊劑的清洗處理過程就不需要。由于不存在大量的VOC及可省略焊接后焊劑的清洗后處理步驟，結(jié)果對環(huán)境和生產(chǎn)過程均有好處。
文檔編號B23K35/36GK1088865SQ93119610
公開日1994年7月6日 申請日期1993年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月19日
發(fā)明者阿爾文·F·施奈德, 戴維·B·布盧梅爾, 約翰·V·托姆查克 申請人:弗賴伊金屬公司