(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/GB02/00259 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/GB02/00259 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO03/06200 PCT Gazette nr 04/03 (51) Int.Cl. B23K 35/26 ( ) (54) Stopy lutownicze, sposoby ich wytwarzania oraz sposoby lutowania (30) Pierwszeństwo: ,SG, (73) Uprawniony z patentu: QUANTUM CHEMICAL TECHNOLOGIES (S'PORE) PTE LTD.,Singapur,SG SINGAPORE ASAHI CHEMICAL & SOLDER INDUSTRIES PTE LTD.,Singapur,SG (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/04 (72) Twórca(y) wynalazku: Kai Hwa Chew,Singapore,SG Wei Chih Pan,Singapore,SG (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/09 (74) Pełnomocnik: Pietruszyńska-Dajewska Elżbieta, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. PL B1 (57) Przedmiotem wynalazku jest stop lutowniczy bezołowiowy, charakteryzujący się tym, że zawiera 91,3% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowych indu oraz 0,5% wagowego miedzi, sposób jego wytwarzania oraz sposób lutowania. Ponadto przedmiotem wynalazku jest stop lutowniczy bezołowiowy, charakteryzujący się tym, że zawiera 91,39% wagowych cyny, 4,1% wagowych srebra, 4,0% wagowych indu, 0,5% wagowego miedzi oraz 0,01% wagowego fosforu, sposób jego wytwarzania oraz sposób lutowania.

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotowy wynalazek dotyczy stopów lutowniczych, sposobów ich wytwarzania oraz sposobów lutowania, w szczególności stopów lutowniczych które są bezołowiowe. Wiele typowych stopów lutowniczych zawiera ołów jako ich główny składnik. Takie stopy lutownicze mają często pożądane własności fizyczne, a stosowanie stopów lutowniczych zawierających ołów jest szeroko rozpowszechnione w wielu przemysłach, w tym w przemysłach wytwarzających płytki obwodów drukowanych. Na przykład, stop lutowniczy zawierający 63% cyny i 37% ołowiu stosuje się powszechnie w sposobach lutowania falowego. Jednakże zapotrzebowanie na bezołowiowe stopy lutownicze wzrasta, co spowodowane jest, na przykład, względami ochrony środowiska. Wydaje się prawdopodobne, że w następnych kilku latach w wielu krajach wymogiem prawnym będzie mała zawartość ołowiu lub jego brak w stopach lutowniczych stosowanych przy wytwarzaniu wielu produktów. Poprzednie wysiłki mające na celu opracowanie bezołowiowych stopów lutowniczych osiągnęły umiarkowany sukces. Przykładowo bezołowiowe stopy lutownicze zawierające srebro, ind i miedź ujawniono w WO 97/09455 i WO 97/ Publikacja WO 97/09455 ujawnia bardzo szeroki skład jakościowy kompozycji zawierających jako bazę cynę-srebro-miedź, przy czym do tej bazy mogą być dodawane różnorodne kombinacje indu, antymonu, cynku i bizmutu. WO 97/43456 ujawnia kompozycję mającą 86,2-91,8% cyny, 3,2-3,8% srebra, 5-5,5% indu, 0-3% bizmutu i 0-1,5% miedzi. Przy czym typowe bezołowiowe stopy lutownicze mają zwykle niepożądane własności fizyczne, włączając słabe własności zwilżające, małą płynność, małą kompatybilność z istniejącymi powłokami elementów i nadmierne wytwarzanie odpadów. Szczególnym problemem, który napotykano przy stosowaniu bezołowiowych stopów lutowniczych, jest kwestia podnoszenia się paska, polegająca na tym, że pasek stopu lutowniczego na brzegu otworu przewlekanego w płytce obwodów drukowanych ma tendencję do oddzielania się od podstawowego materiału, na przykład, powłoki złota/niklu. Innym problemem jest fakt, że bezołowiowe stopy lutownicze wykazują tendencję do bardzo szybkiego rozpuszczania miedzi, tak, że miedź ługuje się do bezołowiowego stopu lutowniczego ze składników i płytek obwodu będących w kontakcie ze stopem lutowniczym. Z uwagi na powyższe producenci stwierdzają, że istniejące sposoby lutowania, które funkcjonowały skutecznie w ciągu wielu lat, musi się obecnie poddać znacznym adaptacjom w celu przystosowania do stosowania bezołowiowych stopów lutowniczych. Ponadto być może istniejące materiały, które stosuje się przy wytwarzaniu płytek obwodów drukowanych, będzie musiało się zastąpić, aby zapewnić kompatybilność ze stosowaniem bezołowiowych stopów lutowniczych. Ta adaptacja sposobów i materiałów jest powszechnie traktowana jako niewłaściwe wykorzystanie zasobów, zwłaszcza gdy standard produktów wyprodukowanych z zastosowaniem znanych bezołowiowych stopów lutowniczych jest, jak podano powyżej, często znacznie niższy niż ten, który można osiągnąć stosując typowe ołowiowe stopy lutownicze. Celem niniejszego wynalazku jest przedstawienie bezołowiowego stopu lutowniczego, który może służyć jako mniej więcej bezpośredni substytut typowych stopów lutowniczych zawierających ołów. Przedmiotem wynalazku jest stop lutowniczy bezołowiowy, charakteryzujący się tym, że zawiera 91,3% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowych indu oraz 0,5% wagowego miedzi. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania stopu lutowniczego bezołowiowego polegający na tym, że prowadzi się etap mieszania cyny, srebra, indu oraz miedzi, przy czym zawartość procentowa cyny w stopie lutowniczym wynosi 91,3% wagowych, zawartość procentowa srebra w stopie lutowniczym wynosi 4,2% wagowych, zawartość procentowa indu w stopie lutowniczym wynosi 4,0% wagowe a zawartość procentowa miedzi w stopie lutowniczym wynosi 0,5% wagowego. Przedmiotem wynalazku jest sposób lutowania polegający na tym, że stosuje się stop lutowniczy bezołowiowy zawierający 91,3% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowe indu oraz 0,5% wagowego miedzi. Korzystnie prowadzi się etap lutowania falowego z zastosowaniem stopu lutowniczego bezołowiowego. Przedmiotem wynalazku jest również stop lutowniczy bezołowiowy, charakteryzujący się tym, że zawiera 91,39% wagowych cyny, 4,1% wagowych srebra, 4,0% wagowych indu, 0,5% wagowego miedzi oraz 0,01% wagowego fosforu.

3 PL B1 3 Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania stopu lutowniczego bezołowiowego polegający na tym, że prowadzi się etap mieszania cyny, srebra, indu, miedzi oraz fosforu, przy czym zawartość procentowa cyny w stopie lutowniczym wynosi 91,39% wagowych, zawartość procentowa srebra w stopie lutowniczym wynosi 4,1% wagowych, zawartość procentowa indu w stopie lutowniczym wynosi 4,0% wagowe, zawartość procentowa miedzi w stopie lutowniczym wynosi 0,5% wagowego, a zawartość procentowa fosforu w stopie lutowniczym wynosi 0,01% wagowego. Przedmiotem wynalazku jest również sposób lutowania polegający na tym, że stosuje się stop lutowniczy bezołowiowy zawierający 91,39% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowe indu, 0,5% wagowego miedzi oraz 0,01% wagowego fosforu. Korzystnie prowadzi się etap lutowania falowego z zastosowaniem stopu lutowniczego bezołowiowego. Stop lutowniczy może również zawierać dodatkowo antyutleniacz lub dodatkowo przeciw kożuszeniu, taki jak fosfor lub inny niemetaliczny związek lub pierwiastek. Aby niniejszy wynalazek można było łatwiej zrozumieć, przedstawi się obecnie jego przykłady, przykładowo, odwołując się do towarzyszących im rysunków, w których: Tabela 1 jest tabelą czasów zwilżania w sekundach w różnych temperaturach dla wybranych różnych stopów lutowniczych, włączając stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem wynalazku. Fig. 1 jest graficznym przedstawieniem danych podanych w Tabeli 1. Tabela 2 jest tabelą maksymalnej siły zwilżania w różnych temperaturach dla wybranych różnych stopów lutowniczych, włączając stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku. Fig. 2 jest graficznym przedstawieniem danych podanych w Tabeli 2. Tabela 3 jest tabelą przedstawiającą własności fizyczne, włączając współczynnik rozszerzalności cieplnej, dla wybranych różnych stopów lutowniczych, włączając stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku. Fig. 3 jest graficznym przedstawieniem danych rozszerzalności cieplnej podanych w Tabeli 3. Tabela 4 jest tabelą własności mechanicznych, włączając wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności, dla wybranych różnych stopów lutowniczych, włączając stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku. Fig. 4 jest graficznym przedstawieniem danych wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności podanych w Tabeli 4. Tabela 5 jest tabelą wyników otrzymanych w badaniach podnoszenia się paska przeprowadzonych dla wybranych różnych bezołowiowych stopów lutowniczych, włączając stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku. Fig. 5A i Fig. 5B są dwoma parami obrazów mikrograficznych w dwóch różnych skalach, które to pary obrazów przedstawiają odpowiednio paski stopu lutowniczego według wynalazku przylegające do powłok niklu/złota i OSP (powłoki polimerowe na podłożu miedzianym) (OSP coating - polymer coating on a cooper substrate). Tabela 6 jest tabelą przedstawiającą szybkość rozpuszczania miedzi w różnych typach stopów lutowniczych, włączając bezołowiowy stop lutowniczy według wynalazku. Fig. 6 jest graficznym przedstawieniem danych podanych w Tabeli 6. Tabela 7 jest tabelą przedstawiającą poziomy wytwarzanych odpadów wykazywane dla różnych stopów lutowniczych, włączając bezołowiowy stop lutowniczy według wynalazku. Jak przedstawiono powyżej, w porównaniu z typowymi stopami lutowniczymi zawierającymi ołów typowe bezołowiowe stopy lutownicze mają pewne wady, w tym słabe własności zwilżające, małą płynność, małą kompatybilność z istniejącymi powłokami elementów, podnoszenie się paska, duże szybkości rozpuszczania miedzi i nadmierne wytwarzanie odpadów. Jednakże stwierdzono obecnie, że w porównaniu ze znanymi bezołowiowymi stopami lutowniczymi stop lutowniczy według wynalazku, ma znacznie lepsze własności. Rzeczywiście własności stopów lutowniczych według niniejszego wynalazku są porównywalne z typowymi stopami lutowniczymi zawierającymi ołów co się tyczy zwilżalności płynności, kompatybilności z istniejącymi powłokami elementów, podnoszenia się paska, szybkości rozpuszczania miedzi i wytwarzania odpadów. W celu wykazania korzystnych własności stopów lutowniczych według niniejszego wynalazku przeprowadzono pięć badań, jak będzie to przedstawione poniżej. Badania przeprowadzono na stopie lutowniczym, który nazywa się ALLOY 349 i zawiera 91,39% cyny, 4,2% srebra, 4,0% indu, 0,5% miedzi i 0,01% fosforu.

4 4 PL B1 Badanie 1: Zwilżalność Pierwsze badanie dotyczyło zwilżalności próbki stopu lutowniczego w porównaniu z próbkami wybranych znanych stopów lutowniczych, mianowicie ośmiu istniejących bezołowiowych stopów lutowniczych i typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów. Dziewięcioma znanymi stopami lutowniczymi były: 1. stop lutowniczy zawierający ołów o składzie: 63% Sn; 37% Pb. 2. pierwszy bezołowiowy stop lutowniczy o składzie: 99,3% Sn; 0,7% Cu. 3. drugi bezołowiowy stop lutowniczy o składzie: 96,5% Sn; 3,5% Ag. 4. trzeci bezołowiowy stop lutowniczy (zwany w niniejszym VIROMET 217) o składzie: 88,3% Sn; 3,2% Ag; 4,5% Bi; 4,0% In. 5. czwarty bezołowiowy stop lutowniczy (zwany w niniejszym VIROMET 411) o składzie: 92% Sn; 2% Cu; 3% Ag; 3% Bi. 6. piąty bezołowiowy stop lutowniczy (zwany w niniejszym VIROMET 513) o składzie: 92,8% Sn; 0,7% Cu; 0,5% Ga; 6% In. 7. szósty bezołowiowy stop lutowniczy o składzie: 93,5% Sn; 3,5% Ag; 3,0% Bi. 8. siódmy bezołowiowy stop lutowniczy o składzie: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu. 9. ósmy bezołowiowy stop lutowniczy o składzie: 96,0% Sn; 2,5% Ag; 1,0% Bi; 0,5% Cu. Pierwszy etap pierwszego badania obejmował pomiar czasu zwilżania w oparciu o normę ANSI/J Std-003 dla rozpatrywanych stopów lutowniczych w różnych temperaturach w zakresie od 235 C do 265 C. W tym badaniu próbkę miedzi zanurzono w pewnej ilości każdego stopionego stopu lutowniczego. Czułe urządzenie mierzące siłę połączono z próbką miedzi i umieszczono tak, że pionowe siły na próbkę można było mierzyć i rejestrować. Zmiana pionowej siły działającej na próbkę miedzi w czasie zanurzenia jej w stopionych stopach lutowniczych spowodowana jest dwoma głównymi czynnikami. Pierwszy z nich, siła wyporu wynika ze skierowanej ku górze siły wywieranej na próbkę spowodowanej przemieszczeniem stopu lutowniczego, która jest równa ciężarowi stopu lutowniczego przemieszczonego przez próbkę. Ponieważ znane są objętość części próbki, która jest zanurzona w stopie lutowniczym, i gęstość stopu lutowniczego, siłę skierowaną ku górze można wyliczyć i uwzględnić. Drugim czynnikiem jest siła działająca na próbkę spowodowana zmianą kąta zwilżania między powierzchnią stopu lutowniczego i powierzchnią próbki. Czas zwilżania w każdym poszczególnym przypadku można określić jako czas, w którym siła zwilżania działająca na próbkę będzie równa zero. Wyniki dotyczące pierwszego aspektu pierwszego badania przedstawione są w Tabeli 1. T a b e l a 1 Stop lutowniczy Temperatura stopu lutowniczego 235 C 245 C 255 C 265 C 63Sn 37Pb 0,767 0,606 0,546 0,46 99,3 Sn/0,7 Cu 1,411 1,034 0,682 0,165 Czas zwilżania [s] 96,5 Sn/3,5 Ag 2,189 1,352 1,05 0,74 ALLOY 349 1,156 0,716 0,544 0,244 Viromet 217 0,949 0,791 0,569 0,476 Viromet 411 1,036 0,869 0,587 0,496 Viromet 513 1,758 1,072 0,822 0,597 96,5 Sn/3,5 Ag/3,0 Bi 3,175 1,669 0,814 0,653 95,5 Sn/4,0 Ag/0,5 Cu 3,368 1,946 1,284 1, Sn/2,5 Ag/1,0 Bi/0,5 Cu 1,86 1,235 0,824 0,668

5 PL B1 5 Podsumowując, stop lutowniczy według wynalazku miał czas zwilżania w każdej z temperatur porównywalny z czasem zwilżania, który wykazał typowy stop lutowniczy zawierający ołów. Ponadto, stop lutowniczy według wynalazku miał czas zwilżania, który był generalnie krótszy niż czas zwilżania, który wykazał jakikolwiek z innych bezołowiowych stopów lutowniczych. Czas zwilżania jest miarą szybkości, z którą stop lutowniczy przywiera do substancji, i oczywiście mały czas zwilżania jest pożądaną własnością stopu lutowniczego. Można więc stwierdzić, że stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku funkcjonuje generalnie lepiej w pierwszym etapie pierwszego badania niż jakikolwiek z istniejących bezołowiowych stopów lutowniczych. Wyniki dotyczące pierwszego etapu pierwszego badania przedstawione są w formie graficznej na Fig. 1. Na podstawie tego wykresu stwierdzi się, że wyniki przedstawiające działanie typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów i stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku są dość zbliżone w porównaniu z wynikami przedstawiającymi działanie innych bezołowiowych stopów lutowniczych. Drugi etap pierwszego badania objął pomiar maksymalnej siły zwilżania 2,0 sekundy po zanurzeniu próbki w poszczególnych stopach lutowniczych. Siła zwilżania jest to, jak przedstawiono powyżej, siła adhezyjna między stopem lutowniczym i próbką. Oczywiście siła zwilżania dostarcza użytecznej wskazówki na temat siły, z jaką stop lutowniczy wiąże się z podłożem, a duża siła zwilżająca jest pożądaną własnością stopu lutowniczego. Wyniki dotyczące drugiego etapu pierwszego badania przedstawione są w Tabeli 2. T a b e l a 2 Stop lutowniczy Temperatura stopu lutowniczego 235 C 245 C 255 C 265 C 63 Sn 37 Pb 5,48 5,54 5,42 5,41 Maksymalna siła zwilżania [Mn] 99,3 Sn/0,7 Cu 4,37 4,93 5,4 5,77 96,5 Sn/3,5 Ag 2,54 4,74 5,16 5,34 ALLOY 349 3,21 4,82 4,9 5,07 Viromet 217 5,38 5,57 5,76 5,49 Viromet 411 3,25 3,85 4,55 4,89 Viromet 513 1,27 3,94 3,58 4,67 96,5 Sn/3,5 Ag/3,0 Bi 1,03 3,91 4,95 5,37 95,5 Sn/4,0 Ag/0,5 Cu 1,07 3,13 4,86 4,73 96 Sn/2,5 Ag/1,0 Bi/0,5 Cu 3,47 4,8 5,48 5,49 Podsumowując je, stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku wykazuje w każdej z rozważanych temperatur maksymalną siłę zwilżania 2,0 sekundy po zanurzeniu próbki w nim, która jest porównywalna z siłą zwilżania wykazywaną przez typowy stop lutowniczy zawierający ołów, chociaż jest nieco mniejsza. Chociaż niektóre z istniejących bezołowiowych stopów lutowniczych wykazały siłę zwilżania, która jest bliższa sile zwilżania typowego ołowiowego stopu lutowniczego w niektórych temperaturach, jedynie VIROMET 217 dał nieznacznie lepsze wyniki ogólne, a stop lutowniczy według niniejszego wynalazku wykazał siłę zwilżania, która jest bliska sile zwilżania typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów we wszystkich rozważanych temperaturach. Ta własność stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku umożliwia stopowi lutowniczemu według wynalazku działanie w sposób podobny jak typowe stopy lutownicze zawierające ołów w różnych warunkach temperaturowych lub, gdy lutowanie ma miejsce w zmiennych warunkach temperaturowych.

6 6 PL B1 Wyniki dotyczące drugiego aspektu pierwszego badania przedstawione są w formie graficznej na Fig. 2, który najwyraźniej wykazuje, że wyniki dla stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku są zbliżone do wyników otrzymanych dla typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów co najmniej tak bardzo jak najlepsze z wyników otrzymanych dla innych bezołowiowych stopów lutowniczych. Na podstawie wyników pierwszego badania można stwierdzić, że stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku wykazuje bardzo podobne własności, co się tyczy zwilżalności, do typowych stopów lutowniczych zawierających ołów. Oczywiście to podobieństwo własności fizycznych czyni stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku odpowiednim do stosowania jako zamiennik typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów. Badanie 2: Własności mechaniczne W drugim badaniu porównano własności mechaniczne stopu lutowniczego według niniejszego wynalazku z własnościami mechanicznymi typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów. W tym drugim badaniu przeprowadzono różne badania mechaniczne w oparciu o normę ASTM w celu porównania własności ALLOY 349, stopu lutowniczego według wynalazku, z typowym stopem lutowniczym zawierającym ołów o składzie 63% Sn/37% Pb i siedmiu innymi istniejącymi bezołowiowymi stopami lutowniczymi o następujących składach: 1. pierwszy bezołowiowy stop lutowniczy: 99,3% Sn; 0,7% Cu. 2. drugi bezołowiowy stop lutowniczy: 96,5% Sn; 3,5% Ag. 3. trzeci bezołowiowy stop lutowniczy (zwany w niniejszym VIROMET 217): 88,3% Sn; 3,2% Ag; 4,5% Bi; 4,0% In. 4. czwarty bezołowiowy stop lutowniczy (zwany w niniejszym VIROMET HF): 92,8% Sn; 0,7% Cu; 0,5% Ga; 6% In. 5. piąty bezołowiowy stop lutowniczy: 93,5% Sn; 3,5% Ag; 3,0% Bi. 6. szósty bezołowiowy stop lutowniczy: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu. 7. siódmy bezołowiowy stop lutowniczy: 96% Sn; 2,5% Ag; 0,5% Cu; Pierwszy etap drugiego badania dotyczy oznaczenia temperatury topnienia, współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) i ciężaru właściwego (SG) stopów lutowniczych poddanych badaniu. Wyniki dotyczące pierwszego etapu drugiego badania podane są w Tabeli 3 i przedstawione są w formie graficznej na Fig. 3. T a b e l a 3 Rodzaje stopów Właściwości Temp. top. [ C] CTE [μm/m C] SG [g/m 3 ] 63 Sn 37 Pb ,3 8,4 99,3 Sn/0,7 Cu ,3 7,31 96,5 Sn/3,5 Ag ,7 7,38 Viromet ,5 7,34 ALLOY ,9 7,4 Viromet HF ,6 7,3 96,5 Sn/3,5 Ag/3,0 Bi ,1 7,22 95,5 Sn/4,0 Ag/0,5 Cu ,5 7,4 96 Sn/2,5 Ag/1,0 Bi/0,5 Cu ,5 7,38 Jak stwierdzi się na podstawie tabeli i wykresu, stop lutowniczy ALLOY 349 według niniejszego wynalazku okazał się mieć współczynnik rozszerzalności cieplnej, który jest bardzo bliski typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów, tak, że obawa o brak kompatybilności między wynalazkiem i istniejącymi składnikami i płytkami jest znaczenie mniejsza.

7 PL B1 7 Drugi etap drugiego badania dotyczy pomiaru wytrzymałości na rozciąganie, obciążenia przy obciążeniu maksymalnym, granicy plastyczności i modułu Younga różnych stopów lutowniczych. Wyniki tych badań są podane całościowo w tabeli 4, natomiast Fig. 4 przedstawia graficznie wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności dla każdego ze stopów. T a b e l a 4 Właściwości Typ stopów Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Obciążenie przy maksymalnym obciążeniu [MPa] Granica plastyczności przy 2% wydłużeniu trwałym [MPa] Moduł Younga [MPa] 63 Sn 37 Pb 48,37 1,37 39, ,91 99,3 Sn/0,7 Cu 39,76 1,12 32, ,55 96,5 Sn/3,5 Ag 55,15 1,56 46, ,11 Viromet ,18 2,71 70, ,76 ALLOY ,06 1,93 53, ,28 Viromet HF 68,06 1,92 54, ,66 96,5 Sn/3,5 Ag/3,0 Bi 84,79 2,4 62, ,52 95,5 Sn/4,0 Ag/0,5 Cu 49,55 1,4 38, ,93 96 Sn/2,5 Ag/1,0 Bi/0,5 Cu 63,11 1,78 49, ,57 Jak stwierdzi się na podstawie Tabela 4 i Fig. 4, wyniki tego badania wykazują, że ALLOY 349, stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku, ma lepszą wytrzymałość i lepszy moduł Younga w porównaniu z typowym stopem lutowniczym zawierającym ołów, tym sposobem świadcząc o tym, że złącza pachwinowe wykonane ze stopu według wynalazku mogą potencjalnie być silniejsze niż złącza pachwinowe wykonane z typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów. Badanie 3: Podnoszenie się paska Rosnące stosowanie bezołowiowych stopów lutowniczych w różnych przemysłach wykazało tendencję występowania podnoszenia się paska przy stosowaniu bezołowiowych stopów lutowniczych w związku z płytkami obwodów drukowanych z otworami przewlekanymi z zastosowaniem zarówno powłok Ni/Au, jak i OSP. W trzecim badaniu badano zjawisko takiego podnoszenia się paska dla wybranych bezołowiowych stopów lutowniczych, mianowicie ALLOY 349, stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku, i następujących sześciu istniejących bezołowiowych stopów lutowniczych: 1. pierwszy bezołowiowy stop lutowniczy: VIROMET drugi bezołowiowy stop lutowniczy: 92,3% Sn; 3,2% Ag; 0,5% Bi; 4,0%. 3. trzeci bezołowiowy stop lutowniczy: 89,8% Sn; 3,2% Ag; 1,05% Bi; 6,0% In. 4. czwarty bezołowiowy stop lutowniczy: 88,8% Sn; 3,2% Ag; 2,0% Bi; 6,0% In. 5. piąty bezołowiowy stop lutowniczy: 94,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu; 1,0% Bi. 6. szósty bezołowiowy stop lutowniczy: 96,5% Sn; 3,5% Ag. Wyniki tego trzeciego badania przedstawione są na Fig. 5A i Fig. 5B, i w Tabeli 5.

8 8 PL B1 Typy stopów lutowniczych Viromet 217 Sposób lutowania Fala 245/1,0 Fala 255/1,0 Zanurz. Au Au T a b e l a 5 Pokrycie płytki Au HASL Typ elementu Diody Rezystory 1 Rezystory 2 Diody Rezystory 1 Złącze Łączniki L. podnies. punkt Całk. L. punkt % występowania Sn/3,2 Ag/0,5 Bi/4 In Zanurz. HASL Łączniki ,7 Sn/3,2 Ag/1 Bi/6 ln Zanurz. HASL Łączniki Sn/3,2 Ag/2 Bi/6 In Zanurz. HASL Łączniki ALLOY 349 Zanurz. Zanurz. OSP Au Złącze 1 Rezystor Rezystor Diody Sn/4 Ag/0,5 Cu/1 Bi Zanurz. HASL Łączniki ,5 Sn/Ag Zanurz. HASL Łączniki ,9 Fig. 5A i Fig. 5B przedstawiają mikrografy w dwóch różnych skalach złączy pachwinowych utworzonych z zastosowaniem ALLOY 349, stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku, na powłokach odpowiednio Ni/Au i OSP. Wyniki te świadczą najwyraźniej, o tym, że stosowanie stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku umożliwia wyeliminowanie wad podnoszenia się paska w związku z otworami przewlekanymi pokrytymi Ni/Au i OSP w płytkach obwodów drukowanych. Badanie 4: Szybkość rozpuszczania miedzi Czwarte badanie przeprowadzono w celu porównania szybkości rozpuszczania miedzi w: stopie lutowniczym według wynalazku ALLOY 349 stopie lutowniczym zawierającym ołów (63% Sn/37% Pb) i trzema następującymi istniejącymi bezołowiowymi stopami lutowniczymi: 1. pierwszy bezołowiowy stop lutowniczy: VIROMET drugi bezołowiowy stop lutowniczy: 99,3% Sn; 0,7% Cu. 3. trzeci bezołowiowy stop lutowniczy: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu. Badanie przeprowadzono przez zanurzenie płytki miedzianej pokrytej topnikiem o znanym ciężarze w stopionym stopie lutowniczym, a następnie mierzono stężenie miedzi w stopie lutowniczym z zastosowaniem sprzętu wykorzystującego plazmę indukcyjnie sprzężoną. Obliczono następnie szybkość rozpuszczania miedzi na podstawie stężenia miedzi stwierdzonego w stopie lutowniczym w porównaniu z ciężarem miedzi zanurzonej w stopie lutowniczym. Wyniki tego czwartego badania przedstawione są w Tabeli 6 i w formie graficznej na Fig. 6. T a b e l a 6 Typy stopów lutowniczych Stężenie miedzi [% wag] Szybkość rozpuszczania miedzi [g/s] ALLOY 349 0, , Viromet 217 0, , Sn/Cu 0,7 0, , Sn/Ag/Cu 0, , Sn 63/Pb 37 0, , ,

9 PL B1 9 Jak stwierdzi się na podstawie Tabeli 6 i Fig. 6, stop będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku ma szybkość rozpuszczania miedzi nieznacznie większą od typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów, lecz ma również jedną z najmniejszych szybkości rozpuszczania miedzi stwierdzonych w badanych bezołowiowych stopach lutowniczych. Badanie 5: Wytwarzania odpadów Piąte badanie dotyczy tego czy stop lutowniczy według wynalazku jest odpowiedni do stosowania w urządzeniu do lutowania falowego. W przykładzie lutowania falowego płytkę obwodu trzyma się tuż nad powierzchnią określonej ilości stopionego stopu lutowniczego w zbiorniku. Następnie powoduje się przenoszenie fali o dostatecznej amplitudzie przez powierzchnię stopionego stopu lutowniczego, tak, że szczyt fali wchodzi w kontakt z powierzchnią płytki obwodu. Fala jest tak szeroka jak szeroka jest płytka obwodu (lub jej części, które wymagają lutowania). Gdy fala przenosi się przez powierzchnię stopionego stopu lutowniczego wszystkie części powierzchni skierowanej w dół płytki obwodu stykają się ze stopionym stopem lutowniczym. Stosując istniejące bezołowiowe stopy lutownicze, stwierdzono, że ilości odpadów obecne w zbiorniku po kilku stosowaniach w kilku przypadkach były tak duże, że nie można było tego akceptować. Piąte badanie przeprowadzono w celu określenia rozmiaru wytwarzanych odpadów przy stosowaniu ALLOY 349, stopu lutowniczego według wynalazku w porównaniu z typowym stopem lutowniczym 63% Sn/37% Pb i trzema innymi następującymi istniejącymi bezołowiowymi stopami lutowniczymi: 1. pierwszy bezołowiowy stop lutowniczy: VIROMET drugi bezołowiowy stop lutowniczy: 99,3% Sn; 0,7% Cu. 3. trzeci bezołowiowy stop lutowniczy: 95,5% Sn; 4,0% Ag; 0,5% Cu. W tym badaniu stop lutowniczy poddany badaniu stosowano w zbiorniku stopionego stopu lutowniczego w urządzeniu symulującym typowe lutowanie falowe. Urządzenia nie poddano żadnym zmianom dostosowującym do stosowania stopu lutowniczego, a urządzenie do lutowania falowego zastosowano do lutowania płytek obwodów w taki sam sposób, jak w przypadku typowego stopu lutowniczego cyna/ołów. Urządzenie do lutowania falowego pracowało w środowisku powietrza normalnego w temperaturze zbiornika 245 C, z płytkami, które przenoszono nad powierzchnią zbiornika z szybkością 1,4 do 1,8 m/min. Na końcu każdego z czterech kolejnych 15-minutowych okresów pracy odpady w zbiorniku usuwano i ważono w celu oznaczenia dla każdego okresu ilości odpadów wytworzonych przez proces lutowania falowego. Następnie ciężary dodano w celu uzyskania pomiaru wielkości wytwarzanych odpadów na godzinę. Wyniki tego piątego badania przedstawione są w Tabeli 7. T a b e l a 7 Stop lutowniczy Łącznie (g/n) Sn 63/Pb 37 6,55 6,80 7,05 6,80 27,2 Viromet 217 3,8 5,50 5,60 6,90 21,80 ALLOY 349 7,20 6,41 5,45 5,88 24,94 Sn/Cu 0,7 10,36 10,71 10,70 10,10 41,87 Sn/Ag/Cu 13,95 10,95 10,50 12,85 48,06 Tabela ta wskazuje, że stop lutowniczy będący urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku powoduje wytwarzanie odpadów w ilości mniejszej niż wszystkie oprócz jednego z innych bezołowiowych stopów lutowniczych i mniejszej niż przy wytwarzaniu odpadów w przypadku typowego stopu lutowniczego zawierającego ołów. Jak stwierdzi się na podstawie powyższych wyników, niniejszy wynalazek przedstawia bezołowiowy stop lutowniczy, który jest bardzo odpowiedni do stosowania jako bezpośredni zamiennik dla typowych stopów lutowniczych zawierających ołów z powodu porównywalnych własności zwilżalności, płynności, kompatybilności z istniejącymi powłokami elementów, podnoszenia się paska i wytwarzania odpadów, jakimi wykazał się stop lutowniczy według niniejszego wynalazku.

10 10 PL B1 W konsekwencji, przez zastosowanie stopu lutowniczego będącego urzeczywistnieniem niniejszego wynalazku można wyeliminować lub znacznie ograniczyć potrzebę wyrażaną przez producentów zastąpienia istniejących urządzeń, sposobów lub powłok elementów w celu przystosowania ich do stosowania bezołowiowego stopu lutowniczego. Skutkiem tego sposób przystosowania instalacji wytwórcy do stosowania bezołowiowego stopu lutowniczego może być dużo prostszy i bardziej praktyczny ekonomicznie niż uważano dotychczas. W niniejszym opisie obejmuje oznacza zawiera lub składa się z, a obejmujący oznacza zawierający lub składający się z. Własności ujawnione w powyższym opisie lub następujących zastrzeżeniach lub towarzyszących rysunkach wyrażone w określonych formach lub w postaci środka do realizacji ujawnionej funkcji lub metody lub sposobu w celu osiągnięcia ujawnionego wyniku, tak jak jest to stosowne, można odrębnie lub w jakiejkolwiek kombinacji wykorzystać do realizacji różnych postaci wynalazku. Zastrzeżenia patentowe 1. Stop lutowniczy bezołowiowy, znamienny tym, że zawiera 91,3% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowych indu oraz 0,5% wagowego miedzi. 2. Sposób wytwarzania stopu lutowniczego bezołowiowego, znamienny tym, że prowadzi się etap mieszania cyny, srebra, indu oraz miedzi, przy czym zawartość procentowa cyny w stopie lutowniczym wynosi 91,3% wagowych, zawartość procentowa srebra w stopie lutowniczym wynosi 4,2% wagowych, zawartość procentowa indu w stopie lutowniczym wynosi 4,0% wagowe a zawartość procentowa miedzi w stopie lutowniczym wynosi 0,5% wagowego. 3. Sposób lutowania, znamienny tym, że stosuje się stop lutowniczy zasadniczo bezołowiowy zawierający 91,3% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowe indu oraz 0,5% wagowego miedzi. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że prowadzi się etap lutowania falowego z zastosowaniem stopu lutowniczego bezołowiowego. 5. Stop lutowniczy bezołowiowy, znamienny tym, że zawiera 91,39% wagowych cyny, 4,1% wagowych srebra, 4,0% wagowych indu, 0,5% wagowego miedzi oraz 0,01% wagowego fosforu. 6. Sposób wytwarzania stopu lutowniczego zasadniczo bezołowiowego, znamienny tym, że prowadzi się etap mieszania cyny, srebra, indu, miedzi oraz fosforu, przy czym zawartość procentowa cyny w stopie lutowniczym wynosi 91,39% wagowych, zawartość procentowa srebra w stopie lutowniczym wynosi 4,1% wagowych, zawartość procentowa indu w stopie lutowniczym wynosi 4,0% wagowe, zawartość procentowa miedzi w stopie lutowniczym wynosi 0,5% wagowego, a zawartość procentowa fosforu w stopie lutowniczym wynosi 0,01% wagowego. 7. Sposób lutowania, znamienny tym, że stosuje się stop lutowniczy bezołowiowy zawierający 91,39% wagowych cyny, 4,2% wagowych srebra, 4,0% wagowe indu, 0,5% wagowego miedzi oraz 0,01% wagowego fosforu. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że prowadzi się etap lutowania falowego z zastosowaniem stopu lutowniczego bezołowiowego.

11 PL B1 11 Rysunki

12 12 PL B1

13 PL B1 13

14 14 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 4,00 zł.