BRPI0517384B1 - Without lead - Google Patents

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BRPI0517384B1
BRPI0517384B1 BRPI0517384-1A BRPI0517384A BRPI0517384B1 BR PI0517384 B1 BRPI0517384 B1 BR PI0517384B1 BR PI0517384 A BRPI0517384 A BR PI0517384A BR PI0517384 B1 BRPI0517384 B1 BR PI0517384B1
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Chew Kaihwa
Yue Sern Kho Vincent
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Quantum Chemical Technologies Singapore
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Abstract

solda sem chumbo, e, metodos de preparar a mesma, e de soldar. é descrita uma solda sem chumbo, compreendendo de cerca de 96,8 % a cerca de 99,3 % de estanho, de 0,2 % a 3,0 % de cobre, de 0,02 % a cerca de 0,12 % de silício e opcionalmente 0,005 % a 0,01 % de p e/ou 0,0005 %-0,01 de ge.

Description

“SOLDA SEM CHUMBO” [001] Esta invenção diz respeito a soldas e, em particular, a soldas que são substancialmente sem chumbo.
[002] Muitas soldas convencionais contêm chumbo como seu principal constituinte. Tais soldas geralmente têm propriedades físicas desejadas e o uso de soldas contendo chumbo está difundido em diversas indústrias, incluindo aquelas envolvidas com a produção de placas de circuito impresso.
[003] Entretanto, existem crescentes demandas de soldas sem chumbo, por exemplo, em virtude de considerações ambientais, e parece provável que nos próximos anos será uma exigência legal em diversos países que as soldas usadas na fabricação de muitos itens contenham pouco ou nenhum chumbo.
[004] Um tipo de liga que tem sido usada como uma substituição das soldas de estanho e chumbo convencionais são ligas de estanho e cobre, e uma liga que consiste de 99,3 % de estanho e 0,7 % de cobre tem se tomado relativamente bastante usada em certas indústrias. Entretanto, as propriedades de uma liga estanho-cobre como essa são menos desejáveis do que as da liga convencional estanho-chumbo e, em particular, a liga estanho-cobre apresenta uma menor resistência mecânica, uma menor resistência a fadiga e uma maior temperatura eutética do que a liga de estanho e chumbo convencional.
[005] Isto é particularmente indesejável, uma vez que muitas máquinas e processos industriais são configurados para trabalhar efetivamente com a liga convencional estanho-chumbo, e idealmente uma substituição de solda sem chumbo tem que poder ser usada com as mesmas máquinas e processo sem sua modificação significativa. Entretanto, muitos fabricantes observaram que os processos de solda existentes têm que ser atualmente significativamente adaptados para acomodar o uso de solda sem chumbo, e esta adaptação de processos e materiais é amplamente considerada como um uso insuficiente de recursos, particularmente já que o padrão de artigos fabricados usando soldas sem chumbo conhecidos é em muitas vezes consideravelmente abaixo do obtenível usando soldas com chumbo convencionais.
[006] É um objetivo da presente invenção procurar fornecer uma solda sem chumbo melhorada.
[007] Dessa maneira, um aspecto da presente invenção fornece uma solda substancialmente sem chumbo, compreendendo: de cerca de 96,8 % a cerca de 99,3 % de estanho, de cerca de 0,2 % a cerca de 3,0 % de cobre e de cerca de 0,02 % a cerca de 0,12 % de silício.
[008] Vantajosamente, a solda compreende adicionalmente de cerca de 0,005 % a cerca de 0,01 % de fósforo.
[009] Preferivelmente, a solda compreende cerca de 0,01 % de fósforo.
[0010] Convenientemente, a solda compreende adicionalmente de cerca de 0,005 % a cerca de 0,01 % de germânio.
[0011] Vantajosamente, a solda compreende cerca de 0,01 % de germânio.
[0012] Convenientemente, a solda compreende de cerca de 0,7 % a cerca de 3,0 % de cobre.
[0013] Preferivelmente, a solda compreende cerca de 0,7 % de cobre e cerca de 0,02 % de silício.
[0014] Vantajosamente, a solda compreende cerca de 0,7 % de cobre.
[0015] Preferivelmente, a solda compreende cerca de 2,0 % de cobre.
[0016] Convenientemente, a solda compreende cerca de 3,0 % de cobre.
[0017] Um outro aspecto da presente invenção fornece um método de preparar uma solda substancialmente sem chumbo, compreendendo a etapa de misturar estanho, cobre e silício de maneira tal que a proporção de estanho na solda seja de cerca de 96,8 % a cerca de 99,3 %, a proporção de cobre na solda seja de cerca de 0,2 % a cerca de 3,0 %, e a proporção de silício na solda seja de cerca de 0,02 % a cerca de 0,12 %.
[0018] Convenientemente, o método compreende adicionalmente a etapa de incluir de cerca de 0,005 % a cerca de 0,01 % de fósforo na mistura da solda.
[0019] Vantajosamente, o método compreende a etapa de incluir cerca de 0,01 % de fósforo na mistura da solda.
[0020] Preferivelmente, o método compreende adicionalmente a etapa de incluir de cerca de 0,005 % a cerca de 0,01 % de germânio na mistura da solda.
[0021] Convenientemente, o método compreende a etapa de incluir cerca de 0,01 % de germânio na mistura da solda.
[0022] Preferivelmente, o método compreende a etapa de incluir cerca de 0,01 % de germânio na mistura da solda.
[0023] Convenientemente, o método compreende a etapa de incluir de cerca de 0,7 % a cerca de 3,0 % de cobre.
[0024] Vantajosamente, o método compreende a etapa de incluir de cerca de 0,7 % de cobre e cerca de 0,02 % de silício na mistura da solda.
[0025] Preferivelmente, o método compreende a etapa de incluir de cerca de 0,7 % de cobre.
[0026] Vantajosamente, o método compreende a etapa de incluir cerca de 2,0 % de cobre.
[0027] Convenientemente, o método compreende a etapa de incluir cerca de 3,0 % de cobre.
[0028] Um aspecto adicional da presente invenção fornece um método de soldar, compreendendo a etapa de usar uma solda substancialmente sem chumbo compreendendo: de cerca de 96,8 % a cerca de 99,3 % de estanho, de cerca de 0,2 % a cerca de 3,0 % de cobre e de cerca de 0,02 % a cerca de 0,12 % de silício.
[0029] Preferivelmente, o método compreende usar uma solda que tem de cerca de 0,005 % a cerca de 0,01 % de fósforo.
[0030] Convenientemente, o método compreende usar uma solda que tem cerca de 0,01 % de fósforo.
[0031] Vantajosamente, o método compreende usar uma solda que tem de cerca de 0,005 % a cerca de 0,01 % de germânio.
[0032] Preferivelmente, o método compreende usar uma solda que tem cerca de 0,01 % de germânio.
[0033] Convenientemente, o método compreende usar uma solda que tem cerca de 0,7 % de cobre e cerca de 0,02 % de silício.
[0034] A fim de que a presente invenção possa ser entendida mais facilmente, suas modalidades serão agora descritas, a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, em que: [0035] A figura 1 é uma tabela comparativa de propriedades mecânicas de várias ligas;
[0036] A figura 2 é um gráfico de propriedades mecânicas de várias ligas;
[0037] A figura 3 é um gráfico que mostra propriedades mecânicas de várias ligas depois de ser submetidas a um processo de envelhecimento.
[0038] A figura 4 é um gráfico que mostra o limite de resistência de várias ligas depois de ser submetidas a processos de envelhecimento de várias durações;
[0039] A figura 5 mostra o limite de resistência de várias ligas depois de ser submetidas a processos de envelhecimento de várias durações;
[0040] A figura 6 é um gráfico que mostra valores de deformação de várias ligas depois de passagem por processos de envelhecimento de várias durações;
[0041] A figura 7 é um gráfico que mostra a quantidade de energia necessária para produzir escoamento em várias ligas depois de ser submetidas a processos de envelhecimento de várias durações;
[0042] A figura 8 é um gráfico que mostra a quantidade de energia necessária para romper várias ligas depois de ser submetidas a processos de envelhecimento de várias durações;
[0043] A figura 9 é um gráfico que mostra a tenacidade de várias ligas depois de ser submetidas a processos de envelhecimento de várias durações;
[0044] As figuras 10 e 11 são tabelas que mostram propriedades mecânicas de várias ligas;
[0045] A figura 12 é uma curva de calorímetro de varredura diferencial de uma liga que incorpora a presente invenção;
[0046] A figura 13 mostra o tempo de umedecimento de várias ligas a várias temperaturas; e [0047] A figura 14 mostra as forças de umedecimento de várias ligas a várias temperaturas.
[0048] Com relação a ligas de solda de estanho e cobre supradiscutidas, observou-se que a adição de uma pequena porcentagem de silício na liga melhora significativamente as propriedades e desempenho da liga. Em particular, observou-se que a adição de cerca de 0,02 % a 0,12 % em peso de silício na liga aumentará sua resistência e também conferirá, entre outras coisas, maior ductilidade e propriedades de deformação na liga.
[0049] Conjetura-se que essas propriedades desejáveis possam surgir por causa da valência do silício, que permite que ele forme uma estrutura de siliceto tetraédrico, resultando em uma estrutura de cadeia polimérica de uma solução sólida, dando assim origem a uma maior porcentagem de deformação.
[0050] A figura 1 é uma tabela que mostra várias propriedades mecânicas de certas soldas, a saber, a solda convencional de 63 % de estanho / 37 % de chumbo, uma solda de 99,3 % de estanho / 0,7 % de cobre, uma solda conhecida de estanho/cobre/níquel e seis soldas adicionais compreendendo uma base de estanho, 0,7 % de cobre e, respectivamente, 0,02 % de silício, 0,04 % de silício, 0,06 % de silício, 0,08 % de silício, 0,10 % de silício e 0,12 % de silício.
[0051] Pode-se ver pela figura 1 que as propriedades físicas apresentadas pelas soldas de estanho/cobre/silício que incorporaram a presente invenção são em geral superiores às apresentadas pela solda de 99,3 % de estanho / 0,7 % de cobre, e também aproximam mais de perto das propriedades apresentadas pela solda de 63 % de estanho / 37 % de chumbo. Em muitos casos, a solda de estanho / 0,7 % de cobre / 0,02 % de silício representa a aproximação mais de perto das propriedades da solda convencional de 63 % de estanho, 37 % de chumbo, e considera-se que esta solda possa ser um forte candidato para substituição "removível" direta desta solda convencional.
[0052] A figura 2 é um gráfico que mostra quantidades selecionadas da tabela da figura 1 e, em particular, que mostra como essas quantidades variam com a quantidade de silício que é adicionado a uma base da solda de estanho/cobre para formar uma solda que incorpora a presente invenção. Pode-se ver que a maior parte dessas propriedades está no valor máximo quando a proporção de silício na base da solda de estanho/cobre é cerca de 0,02 %.
[0053] Percebe-se pelas figuras 1 e 2 que a adição de 0,02 % a 0,12 % de silício à liga de estanho/cobre leva a melhoria significativa no limite de resistência da liga, resultando em valores mais altos do que da liga convencional de estanho/cobre, e também que a liga convencional estanho/chumbo. Com este aumento no limite de resistência, não existe queda significativa na porcentagem de deformação da liga estanho/silício, que demonstra ter excelente ductilidade, comparada com a liga convencional estanho/chumbo. A energia necessária para iniciar uma trinca na liga é também significativamente maior que a necessária para iniciar uma trinca na liga convencional estanho/chumbo, e na liga convencional estanho/cobre.
[0054] As propriedades das ligas estanho/cobre/silício supradescritas podem ser aumentadas ou melhoradas ainda mais pela adição de uma pequena quantidade de germânio ou fósforo. Em particular, a adição de cerca de 0,005 % a 0,01 % de qualquer desses elementos leva a resultados desejáveis, incluindo maior resistência mecânica e a provisão de um efeito antioxidante.
[0055] De volta à figura 3, esta figura mostra um gráfico de propriedades mecânicas de ligas depois de ser submetidas a um processo de envelhecimento, em que as ligas são submetidas a uma temperatura de 125 °C por 96 horas. Este teste foi conduzido para descobrir como as propriedades da liga mudariam se um artigo fabricado usando a liga fosse submetido a tais altas temperaturas por período de tempo prolongados. Percebe-se que uma liga contendo uma base de estanho, 0,7 % de cobre, 0,02 % de silício e 0,01 % de germânio, bem como uma liga contendo uma base de estanho, 0,7 % de cobre, 0,02 % de silício e 0,01 % de fósforo apresentam um UTS (limite de resistência superior) superior à liga convencional de estanho / 0,7 % de cobre / 0,02 % de silício. Versados na técnica percebem que essas ligas, portanto, apresentam uma maior resistência no sentido de fadiga térmica ou fluência com o tempo, e que produtos fabricados usando soldas supradescritas contendo germânio ou fósforo manterão propriedades físicas e mecânicas desejáveis por períodos de tempo prolongados.
[0056] A figura 4 mostra os limites de resistência de várias ligas depois de passarem por um processo de envelhecimento, em que as ligas foram submetidas a uma temperatura de 125 °C por 24, 48 e 96 horas. Pode-se perceber que ligas que incorpora a presente invenção apresentam superior limite de resistência depois do envelhecimento, comparadas com a liga convencional estanho/chumbo, bem como a liga convencional estanho/cobre.
[0057] A figura 5 mostra os limites de resistência de várias ligas depois de ser submetidas ao processo de envelhecimento supradescrito, e novamente percebe-se que ligas que incorporam a presente invenção apresentam limites de resistência superiores depois do envelhecimento, comparadas com ligas convencionais de estanho/chumbo e estanho/cobre. Também, as ligas que incorporam a presente invenção contendo pequenas quantidades de germânio ou fósforo apresentam um melhor limite de resistência depois de ser submetidas a processos de envelhecimento significativos, comparadas com soldas que incorporam a presente invenção que não contêm germânio ou fósforo.
[0058] A figura 6 mostra as porcentagens de deformação de várias ligas depois de passarem pelo processo de envelhecimento supradescrito, isto é, ser submetidas uma temperatura de 125 °C por 24, 48 e 96 horas. Pode-se perceber que ligas que incorporam a presente invenção apresentam superiores porcentagens de deformação, comparadas com a solda convencional de estanho/chumbo, e comparadas com a liga convencional estanho/cobre.
[0059] As figuras 7 e 8 mostram, respectivamente, as energias necessárias para várias soldas escoarem ou romperem depois de ser submetidas processo de envelhecimento supradescrito. Pode-se perceber novamente que ligas que incorporam a presente invenção exigem maiores quantidades de energia para escoar e romper, comparadas com a solda convencional de estanho/chumbo, e comparadas com a solda convencional de estanho/cobre. Em particular, depois de 96 horas de envelhecimento a 125 °C, a liga de estanho / 0,7 % de cobre / 0,02 % de silício precisa de 0,05 joule para escoar e 20,735 joules para romper, ao passo que a liga convencional de estanho/chumbo precisa 0,038 joules para escoar e 5,647 joules para romper. Ao contrário, a liga convencional de estanho/cobre precisa de 0,018 joule para escoar e 5,364 joules para romper. Versados na técnica percebem que esta liga que incorpora a presente invenção será significativamente mais estável por períodos de tempo prolongados do que ligas convencionais de estanho/chumbo e estanho/cobre.
[0060] A figura 9 mostra as tenacidades de várias ligas depois de ser submetidas ao processo de envelhecimento supradescrito e novamente pode-se perceber que ligas que incorporam a presente invenção apresentam tenacidade superior depois do envelhecimento, comparadas com soldas convencionais de estanho/chumbo e estanho/cobre.
[0061] Observou-se também que a adição de silício a uma solda de estanho/cobre melhora as propriedades mecânicas da liga, quando a liga é submetida a altas temperaturas. A figura 10 mostra as propriedades mecânicas da liga convencional de estanho/chumbo, da liga convencional de estanho/cobre e da liga de estanho / 0,7 % de cobre / 0,02 % de silício que incorpora a presente invenção, quando submetida a temperaturas de 23 °C, 75 °C e 125 °C. Embora o UTS, porcentagem de deformação no LR (limite de resistência), energia para escoamento, energia para ruptura e tenacidade de todas as ligas sejam reduzidas pelo efeito da alta temperatura, a liga que incorpora a presente invenção apresenta uma menor redução no desempenho nessas condições. Por exemplo, o UTS da liga convencional estanho/chumbo cai cerca de 71,2 % quando a temperatura é aumentada de 23 °C para 125 °C, mas o UTS da liga que incorpora a presente invenção cai apenas cerca de 53,04 % quando a liga é submetida ao mesmo aumento de temperatura.
[0062] De volta à figura 11, esta figura mostra uma tabela do UTS, LR, porcentagem de deformação, energia para escoamento, energia para ruptura e tenacidade da liga convencional estanho/chumbo, a liga convencional estanho/cobre e a liga estanho / 0,7 % cobre / 0,02 % silício que incorpora a presente invenção quando são usadas várias velocidades de carregamento em uma máquina de teste de tração. Pode-se perceber pela tabela que a liga que incorpora a presente invenção apresenta características mecânicas significativamente mais estáveis nas várias velocidades de carregamento, comparadas com as ligas convencionais.
[0063] Referindo-se à figura 9, esta figura mostra a curva do calorímetro de varredura diferencial da liga estanho / 0,7 % cobre / 0,02 % silício que incorpora a presente invenção, e pode-se ver que a adição de silício a esta liga tem pouco ou nenhum efeito na sua temperatura de fusão. Esta liga que incorpora a presente invenção, portanto, mantém as propriedades de umectação desejáveis da liga de 99,3 % de estanho / 0,7 % de cobre, tal como seu tempo de umedecimento e força de umedecimento.
[0064] As figuras 13 e 14 mostram os tempos de umedecimento e forças de umedecimento a certas temperaturas de várias ligas, e pode-se ver que ligas que incorporam a presente invenção apresentam características de umectação bastante similares às da liga convencional estanho/cobre.
[0065] Considera-se que, para qualquer das soldas que incorporam a presente invenção aqui descrita, cobre possa compreender de cerca de 0,2 % a cerca de 3,0 % de cobre. Preferivelmente, a solda compreende de cerca de 0,7 % a cerca de 3,0 % de cobre.
[0066] Em modalidades da presente invenção, uma solda, tal como aqui descrita e de acordo com a presente invenção, pode compreender cerca de 0,5 % a 0,9 %, mais preferivelmente 0,7 % de cobre, 1,8 % a 2,2 %, mais preferivelmente, 2,0 % de cobre, ou 2,8 % a 3,2 %, mais preferivelmente 3,0 % de cobre. A proporção de silício pode ser cerca de 0,02 % a 0,03 %.
[0067] Versados na técnica percebem que a presente invenção fornece ligas substancialmente sem chumbo com propriedades significativamente melhoradas, comparadas com soldas convencionais sem chumbo. Considera-se que ligas que incorporam a presente invenção podem ser usadas como substituições diretas "removível" para soldas convencionais carregadas com chumbo, particularmente para uso em aplicações de solda por ondas.
[0068] Nas reivindicações anexas, as soldas substancialmente sem chumbo reivindicadas podem consistir essencialmente dos componentes listados, em outras palavras, podem compreender esses componentes, além de impurezas inevitáveis. Entretanto, isto não precisa ser necessariamente o caso.
[0069] Quando usados nesta especificação e reivindicações, os termos "compreende" e "compreendendo" e suas variações significam que os recursos, etapas ou inteiros específicos são incluídos. Os termos não devem ser interpretados de forma a excluir a presença de outros recursos, etapas ou componentes.
[0070] Os recursos revelados na descrição apresentada, ou nas reivindicações seguintes, ou nos desenhos anexos, expressos nas suas formas específicas ou em termos de um meio de realizar a função revelada, ou um método ou processo para atingir o resultado revelado, da maneira apropriada, podem, separadamente, ou em qualquer combinação de tais recursos, se utilizados para realizar a invenção nas suas diversas formas.
REIVINDICAÇÕES

Claims (8)

1. Solda sem chumbo, caracterizada pelo fato de que compreende: de 96,8 % a 99,3 % de estanho; de 0,2 % a 3,0 % de cobre; c de 0,02 % a 0,12 % de silício; opcional mente de 0,005 % a 0,0 i % de fósforo; e opcional mente de 0,005 % a 0,01 % de germânio,
2. Solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende 0,01 % de fósforo,
3. Solda, de acordo com a reivindicação I ou 2, caracterizada pelo fato de que compreende 0,01 % de germânio.
4. Solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que compreende de 0,7 % a 3,0 % de cobre.
5. Solda, dc acordo com qualquer urna das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que compreende 0,7 % de cobre e 0,02 % de silício.
6. Solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que compreende 0,7 % de cobre.
7. Solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a solda compreende 2,0 % de cobre.
8. Solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que compreende 3,0 % de cobre.
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