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无铅焊料合金成分的专利问题之我见
作者: 揭丽娜
责任编辑: 发布日期: 2008年07月04日
 

/亿铖达工业有限公司研发中心   马鑫 吴建新

摘要随着无铅化电子组装需求的日益迫切,人们也越来越关注无铅焊料合金成分的专利问题。本文针对这一问题,特别是Sn-Ag-Cu焊料合金的专利问题展开论述,为大家提供全面详细的信息。

1、引言

    2003213,欧盟WEEERoHS两个指令的正式实施,标志着无铅化电子组装已经成为不可逆转的发展趋势,200671这个最后期限也已经广为人知。在国内外大环境的影响下(注:中国信息产业部经济运行司也已经拟定《电子信息产品污染防治管理办法》,并计划于2004年正式颁布),国内的众多电子厂商已经开始积极应对,探索如何能够顺利转向无铅制程。

与此同时,随着中国加入WTO,国内公司在知识产权保护方面的意识也逐渐提高。涉及到无铅化电子组装这一领域,人们开始关注无铅焊料合金成分的专利问题。简而言之,我要选用的无铅焊料会不会侵犯到别人的专利?另一方面,由于一些国外焊料厂商的误导性市场宣传,使得部分国内电子厂商形成了只有具备专利成分的无铅焊料才可使用的错误认识。针对这一现状,本文旨在以全面详实的资料阐述无铅焊料合金成分的专利问题,并结合作者本人对美日欧市场的了解为您的选择提供建议。

2、无铅焊料的合金成分

    在探讨专利问题之前,我们首先要来分析一下无铅焊料的合金成分。作为传统的Sn-Pb焊料的替代品,人们已经公认无铅焊料应该是以Sn为基体,添加了CuAgBiInZn等元素的合金。进一步考虑到合金熔点、润湿性、力学性能、热疲劳可靠性等问题,真正具备实用性的无铅焊料合金体系为Sn-CuSn-AgSn-Zn三个大的二元体系以及从中派生出来的Sn-Ag-Cu这个三元体系。例如,美国的NEMI2000年向北美工业界推荐无铅焊料时,即推荐Sn-0.7Cu合金用于波峰焊、Sn-3.9Ag-0.6Cu用于回流焊。事实上这两种合金也是目前北美工业界广为使用的无铅焊料成分。

    需要指出的是,Sn-Zn系无铅焊料的主要特征是其熔点最接近于传统的Sn-Pb焊料,这将带来很多工艺条件上的便利。但是Zn是一种易氧化且腐蚀性强的合金元素,以往在电子组装领域一直被认为是应该避免使用的。尽管目前国际上围绕Sn-Zn系无铅焊料正在开展一系列研究工作,但其可靠性还有待于实践的检验,因此本文不予重点讨论。

    另一方面,需要强调的是对于电子组装所用的软钎焊技术而言,从金属学的角度来讲,具备共晶成分的焊料合金是焊接性能最好的。例如,Sn-Pb系中最好用的是Sn63-Pb37这一共晶合金,Sn60-Pb40这一近共晶合金因为其成分比例计算简单也被广泛应用。二元无铅焊料中被广泛采用的Sn-0.7CuSn-3.5Ag也都是具备共晶成分的合金。下面关于Sn-Ag-Cu无铅焊料专利问题的讨论中,共晶成分点这一问题显得更加重要。

3、二元无铅焊料合金

可以毫不怀疑地说,所有的二元无铅焊料合金均不存在任何专利问题,也就是说,任何人都可以生产、销售和使用。这是因为在人类的科学历史上,已经就Sn-PbSn-CuSn-AgSn-Zn等二元合金的相图、金属学组织与成分等问题进行了大量研究,相应的研究成果已经成为人类共同的知识财富,不可能被个别人或公司用来申请专利了。

    譬如说波峰焊用无铅焊料,我们从来都是向客户推荐Sn-0.7Cu合金。一是因为该合金在波峰焊上的实用性已经被广为证实。二是因为在所有可行的无铅焊料产品中它的价格最低,适合于中国市场。三是因为它不存在任何专利问题,任何人均可以自由使用。

    需要指出的是,有一家日本焊料厂商在Sn-Cu二元系的基础上通过添加Ni元素而申请了Sn-Cu-Ni无铅焊料的专利。这已经不是二元合金的范畴,而是三元合金的范畴。在这里我们仅提出两个问题供读者参考。(1Sn-Cu-Ni三元体系中Ni的含量必须超过一定量,也就是说Ni作为基体元素存在才能称之为专利成分。否则的话,Ni元素可以被看作是一种杂质元素。这是因为关于二元无铅焊料成分的国际标准(ISO 9453JIS Z 3282等)中允许有微量杂质元素的存在(这一规定是很自然的,因为没有100%的纯金属。即使提纯技术发展到了那个水平,就工业应用而言其代价也是过于昂贵了)。譬如按照国际标准,Sn-Cu二元无铅焊料合金中允许有微量的PbAgBi等合金元素存在,但是它还是只能被认为是Sn-Cu二元合金,而不会是Sn-Cu-X类的多元合金。(2Sn-0.7Cu二元无铅焊料合金在波峰焊上的实用性已经被广为证实。那么,我们是否有必要付出高得多的代价非要去使用一个具备专利权的合金成分?

4Sn-Ag-Cu无铅焊料的专利问题

    对于三元甚至更多元的无铅焊料的合金成分来说,的确存在专利权的问题。值得国内公司学习的是,国外公司非常重视和鼓励研发人员申请专利的工作。姑且不论研发成果是否存在市场价值,能够申请专利的就去申请专利一般是他们的首选。这也就造成仅仅在无铅焊料这一领域,美日欧三方的相关专利有数百项(注:专利是有国家区域限制的),其中80%以上是在90年代初期以后申请的(一般而言,专利权的保护期限为20年),其内容都是可作为无铅焊料的三元甚至更多元的合金成分。但是就工业实用性而言,真正具有市场影响力的就是Sn-Ag-Cu这个三元系的合金成分。

4.1 Sn-Ag-Cu三元合金共晶点成分的相关研究

    如前所述,对于软钎焊工艺而言,具备共晶点成分是焊料合金的一个重点特征。对于二元合金来说,其共晶点成分可以比较容易地通过实验方法来确定。而对于三元或更多元合金来说,目前还没有可靠的试验方法可以直接确定出其共晶点成分。因此,从纯粹科学研究的角度而言,就会存在较多的争议,对于Sn-Ag-Cu三元合金的共晶点成分研究(参见表1)也不例外。

    以本文作者所见,Sn-Ag-Cu三元合金的共晶点成分范围应该为:3.5-4.0Ag, 0.5-0.7Cu, 其余为Sn,其共晶点温度范围应该为217-220oC

1 Sn-Ag-Cu三元合金共晶点成分的相关研究报道[1]

研究组织

共晶点成分

(wt.%)

共晶点温度

(oC)

研究手段

发表时间

德国Max-Plank研究所

Sn-4.0Ag-0.5Cu

225

显微组织观察

1959

美国Iowa州立大学

Sn-4.7Ag-1.7Cu

217

显微组织观察

X射线衍射

1994

美国西北大学

Sn-3.5Ag-0.9Cu

217

显微组织观察

差热分析

1999

美国NIST研究所

Sn-3.5Ag-0.9Cu

Sn-3.7Ag-0.9Cu

217

216

差热分析

热力学计算

2000

日本东北大学

Sn-3.2Ag-0.6Cu

217

热力学计算

2000

 

4.2 Sn-Ag-Cu无铅焊料的相关专利问题

在讨论这一问题之前,我们必须关注表1中德国Max-Plank研究所的研究工作,该成果发表于1959[2]。按照知识产权的国际惯例,这一成果已经成为人类共同的知识财富,不可能再被申请专利。正是基于这一认识,欧美学术界和工业界广泛推荐使用这一成分的无铅焊料,特别是在回流焊的应用中。考虑到焊料成分的国际标准中规定含量在5%以下的合金元素成分的允许误差为±0.2%,上述的Sn-4.0Ag-0.5Cu与美国NEMI推荐的Sn-3.9Ag-0.6Cu以及欧洲SOLDERTEC推荐的Sn-3.8Ag-0.7Cu在实质上是一致的。如果这是一个受到某个公司的专利权制约的合金成分,这些非盈利性的学术组织也不可能做出这种推荐了。

但是问题并非如此简单。如图1所示,由于种种原因,20多年来大量与Sn-Ag-Cu三元系合金相关的专利在美日欧被批准。例如美国Iowa州立大学的研究人员在其研究成果的基础上申请了美国专利,其专利成分范围为3.5-7.7Ag, 1-4Cu [3]。客观来讲,这一专利成分与[2]中的研究成果并不冲突,因为其专利成分范围中Cu的含量等大于1%。最引起争议的是日本千住公司与松下公司联合申请的日本专利(特许公开平成5-50289),其专利成分范围为3.0-5.0Ag0.5-3.0Cu0-5.0Sb,标志性产品为Sn-3.0Ag-0.5CuSn-3.5Ag-0.75Cu。说其引起争议有几个原因。首先这个专利成分范围覆盖了上述德国研究人员的研究成果,以专利申请和批准的道德标准来看,这是不应该的。其次,Sn-3.0Ag-0.5Cu这一成分的合金早在80年代就是美国Harris公司和Engelhard公司的品牌产品,这两个公司也为此申请过美国专利(题外话:这两个公司的相关专利已经超过时效。其中Harris公司曾经在2000年提出申请要求其相关专利复活但被拒绝,据说目前还在争论中)。这些原因也许就是这个专利只在日本申请成功的原因吧。

总而言之,目前来看,Sn-Ag-Cu无铅焊料合金成分的专利问题是比较复杂的(从图1中也可看出端倪)。问题的复杂性就在于多个专利的专利成分范围互相交叉,这本身虽然不合情理,却是事实。导致的结果是用了这个专利成分,说不定又触犯了另一个专利成分。

另一方面,国际上关注Sn-Ag-Cu的问题是因为这一成分的无铅焊料在回流焊中的应用前景看好,而且其成本与Sn-3.5Ag相近。这也是因为国外的电子组装工业已经主要采用表面贴装工艺。而国内的现实是占主要地位的还是手工烙铁焊、浸焊和波峰焊,在这些应用领域,价格低得多的Sn-0.7Cu无铅焊料更具有实用价值。在回流焊应用方面,作者的建议是,在目前一切都没有清楚说法的时候,尽可能使用Sn-3.5Ag二元无铅焊料。如果实在觉得有必要,建议使用Sn-4.0Ag-0.5Cu/ Sn-3.9Ag-0.6Cu/ Sn-3.8Ag-0.7Cu这些成分。 

5、结束语

    选择这个题目来写,一方面是希望帮助大家进一步了解和辨别无铅焊料合金成分的专利问题,不要被一些国外厂商的片面之词所迷惑。另一方面也希望借此激励业界同行,我们中国的民族企业也应该充分认识到专利权的重要性,在尊重他人的专利权的同时,我们也应该积极努力地申请自己的研发成果的专利。只有这样,我们才能在越来越激烈的市场竞争中,真正做到以技术为本,创造知识型财富。

 
 
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