从发明专利角度分析电子封装钎焊用钎料合金的发展及趋势

蒋辉

摘 要：随着全球电子产业的蓬勃发展，无铅钎料合金的开发应用得到快速发展，本文简要介绍了钎料合金的发展背景及现状，尤其是有关Sn-Zn系及Sn-Ag-Cu系无铅钎料合金的发明创造，并分析了相关专利申请趋势及特点。

关键词：无铅；钎料；电子；Sn-Zn Sn-Ag-Cu

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

1 前言

在焊接领域，尤其是涉及电子产品的焊接领域中，根据制造产品所使用的材料的不同，为了保证焊接质量，需要选择与焊接材料相适应的钎料合金。针对不同的应用领域，国内外开发了一系列适用的钎料合金体系，并申请了大量的发明专利，本文旨在从发明专利的角度分析国内外有关钎料合金的发展现状及趋势。

2 钎料合金的发展现状

长期以来，电子封装钎焊时所使用的主要是软钎钎料，其中Sn-Pb钎料合金是典型的软钎焊钎料。但是，电子产品污染已经成为生态环境破坏的又一重要来源，主要是由于电子产品中的有毒有害的金属元素，其中最主要的元素就是Pb，而电子产品钎焊中使用的钎料合金正是有害金属元素的重要来源，因此，国际上已经达成广泛共识，减少有害钎料合金的使用。在此背景下，国内外正致力于研究开发一系列的无铅钎料合金以取代传统的Sn-Pb系钎料。

3 无铅钎料合金

3.1 Sn-Zn基无铅钎料合金

Sn-Zn基无铅钎料合金熔点低，具有良好的经济性和力学性能，是无铅钎料合金发明申请中的重要一类。例如，发明名称为“一种用于铝铜软钎焊的Sn-Zn基无铅钎料合金及其制备方法”的发明专利中[1]，通过在Sn-Zn基钎料合金的基础上，添加了一定量的合金元素Al、Ag、P、Re及Ni，解决了现有Sn-Zn基钎料钎焊铝铜材料时，润湿性不佳的问题，达到有效连接两种金属并能获得较高强度的钎焊接头的技术效果。另外，名称为“含Pr、Ga、Te的Sn-Zn无铅钎料”的发明专利[2]，则是通过在Sn-Zn基合金中添加一定含量的Pr、Ga及Te元素，以获得钎焊性能优良的新型绿色、环保型无铅钎料。

3.2 Sn-Ag-Cu基无铅钎料合金

Sn-Ag-Cu共晶及近共晶钎料由于具有较低的熔化温度（Tm=217℃），良好的钎焊工艺性能及优良的综合力学性能，被业界认为是替代传统含铅钎料的首选。目前以Sn-Ag-Cu钎料合金为基础进行改进的发明专利申请较多，其主要通过添加合适的合金元素，以进一步改善Sn-Ag-Cu基钎料合金的综合性能。例如，名称为“一种低银无铅钎料合金”的发明专利[3]，其技术方案是在Sn-Ag-Cu合金的基础上，添加了一定含量的Bi、Ni及Dy元素。通过添加适量的Bi元素作为正吸附元素，其可以改善钎料的润湿性，提高钎焊工艺性能；添加Dy元素则其可与Sn形成共晶相，由此降低钎料的熔点，通过调整Dy元素的含量，以获得理想的钎料合金力学性能。

3.3 其它体系无铅钎料合金

除了上述的Sn-Zn系及Sn-Ag-Cu系钎料合金外，为了满足不同的应用场合，无铅料钎料合金还具有Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系等其它系列。各个钎料体系并不存在明显界限，有关的钎料发明专利，往往难以划分到某个特定的体系当中。

3.4 无铅钎料专利申请分析

无铅钎料合金特别是电子封装领域钎焊用钎料合金其在国际专利分类表中主要涉及分类号B23K35/26。基于该分类号下的专利分析，以VEN数据库为统计来源，目前此类专利申请的数量约为5800件。按国别分类，其中日本作为焊接及电子领域的技术领先的国家，其相关钎料的申请量遥遥领先于其它国家，约为2320件，尤其是由千住金属工业株式会社、松下、日立、富士通等几家工业巨头申请的数量最多。而随着全球电子产业的发展，钎料技术在我国蓬勃发展，自2005年以后，中国的相关专利申请量显著增长，目前相关钎料的申请总量为约1040件。

尽管，从专利申请数量上来看，我国钎料专利申请稳步提升，逐步缩小同发达国家间的差距；然而，专利质量及实际应用效果仍存在不小的差距。以往，钎料类发明专利的技术方案主要体现在钎料的组元及含量配比关系，这也是我国钎料专利申请中最为常见的形式，然而，纵观日、美等焊接技术发达的国家，钎料合金的研究已经深入到钎料粉末颗粒的具体结构上，从更为微观的角度开发新型钎料[4]。

4 无铅钎料合金有关专利的总结及展望

无铅钎焊钎料合金经过几十年的发展，在各中体系的钎料合金中均已经申请了大量的专利，而目前相关的专利申请量仍然保持着较高的水平。前沿的钎料专利已经不仅仅局限于合金元素种类的多样化，更注重在钎料粉末颗粒的结构形式及特定合金相的研究开发中。我国的焊接技术人员更应重质重量，努力追赶同发达国家间的差距，打破外国专利技术壁垒，更好的促进我国科技事业的发展。

参考文献：

[1]大连理工大学.一种用于铝铜软钎焊的Sn-Zn基无铅钎料合金及其制备方法[P].CN102642099A，2010-08-22.

[2]金华市双环钎焊材料有限公司.含Pr、Ga、Te的Sn-Zn无铅钎料[P].CN102825396B，2015-06-03.

[3]华南理工大学.一种低银无铅钎料合金.CN102642097A[P]， 2012-08-22.

[4]三菱综合材料株式会社.焊料粉末、使用该粉末的焊料用浆料和电子部件安装方法[P].CN104070295A，2014-03-07.