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文章摘要：傳統Sn-Pb焊料廣泛應用于電子、汽車、家電等產品中，但是，鉛對人體極為有害，特別是污染水源，長期引用含鉛的水會引發人體精神障礙、身體功能紊亂、貧血等鉛中毒癥狀。近年來，含Sn-Pb焊料的電子產品廢棄物劇增。且回收困難。傳統上采用的填埋處理法污染水源，對人畜生

關健字:Sn-Zn 無鉛焊料
鑒于此，工業發達國家已紛紛立法限制含鉛焊料的使用。如1990年美國聯邦參議院通過"Lead Exposure Reduction Act S2637 and S729"；歐共體也通過了立法WEEE（Waste Electrical and Electronics Equipment），要求在汽車制造及電子產品中全面禁止含鉛焊料的應用，日本1998年制定的《家電回收法令》（The Home Appliance Recycling Law），限制含鉛焊料的使用，這些法案極大的推動了無鉛焊料的研究與應用，相比之下，我國的步伐相對滯后，但也已啟動相應的措施，中國國家經貿委在2002年提出我國在未來幾年內對諸如焊料中含鉛的環保等問題采取行動；我國信息產業部及其有關部門一起著手制定在2006年七月一日全面禁止含鉛焊料的使用法規。

與此同時，工業發達國家的企業在無鉛焊料研發的過程中，不僅在所在國，而且在中國進行了大量的專利申請，進行專利戰略，以達到市場競爭中占領制高點的目的，眾所周知，我國電子產品的消費市場巨大，而且正日益成為電子產品出口大國，如果不重視無鉛焊料專利技術的開發及專利保護，將重蹈"稀土釹鐵硼"的覆轍。本文對Sn-Zn無鉛焊料在中國的專利申請進行了較為詳細的研究分析，以期對我國Sn-Zn無鉛焊料的研究及專利保護上有所幫助。

2 合金材料類專利的特點

專利權是國家按專利法授予申請人在一定時間內對其申請的發明創造所享有的獨占的實施權利，未經權利人許可的為生產經營目的的制造、使用、許諾銷售、銷售、進口其專利產品，或者試用其專利方法以及使用，許諾銷售、銷售、進口依照其專利方法直接獲得的產品都是被禁止的，對合金材料類專利而言，內容主要集中在成分配方及制造工藝方面，對成分作為必要技術特征而言，如果某企業以商業目的制造、銷售、進口了被專利保護的主要技術特征覆蓋的材料將引起侵權行為。

3 Sn-Zn無鉛焊料的專利申請及研究現狀

據不完全統計，目前在中國申請的無鉛專利共有69項，而國外申請的就有22項（其中日本8項、美國8項、韓國4項、澳大利亞1項、荷蘭1項）。無鉛焊料當中的Sn-Zn系由于其熔點接近Sn-Pb系焊料，具有較高的機械強度、可兼容現有的工藝設備、Zn資源豐富、價格低廉等優點，是無鉛焊料研究中的熱點之一。申請的相關專利有21項（其中中國17項、日本3項、韓國1項），從申請時間上來看，最早在中國申請無鉛焊料專利的是日本和韓國，韓國在1995年、日本在1998年就在中國有了Sn-Zn無鉛焊料方面的專利申請，而中國到了2001年才在Sn-Zn無鉛焊料專利數量和成分上的申請有了很大的進展，從申請人來看，國外的大多是有雄厚經濟基礎和技術實力的大型企業，中國則集中在高校，而企業較少，另外，國外特別是日本在中國申請的專利項目多、成分范圍廣，不僅在數量上占有優勢，質量上有占優勢。

Sn-Zn無鉛焊料在應用上尚存在較多問題，一般由于該系列焊料中的Zn元素反應活性較大，易發生選擇性氧化，從而導致Sn-Zn為無鉛焊料容易氧化、耐腐蝕性交叉以及焊膏不易保存；二是該系列焊料抗氧化性較差和合金本身原因，它的潤濕性相對較低，應用受到限制；三是Sn-Zn無鉛焊料焊接工藝性和接頭外觀不如Sn-Pb焊料，從目前的專利文獻看，Sn-Zn無鉛焊料的研究主要集中在添加合金元素和性能的簡單測試上，而在材料的物理結構和長期服役性能測試方面作的研究較少，另外，與焊料相關的助焊劑、焊接設備發展緩慢，因此，必須進一步探索研究Sn-Zn無鉛焊料的機理，開發新型Sn-Zn系無鉛焊料并開發新型助焊劑，改良焊接設備，從而改善其綜合性能并擴大應用范圍，這些申請專利的Sn-Zn無鉛焊料，針對這些存在的問題開展研究已有一定的效果，但問題并沒有得到全面的解決，從解決存在問題及專利獲權方面開展Sn-Zn深入研究，并形成我國更具有自主知識產權的Sn-Zn為無鉛焊料，可開展工作的空間亦很大。

4 申請專利的Sn-Zn無鉛焊料成分及各元素作用

表1所示為部分申請專利的Sn-Zn無鉛焊料的統計，從這些申請案來看，Sn-Zn無鉛焊料中添加合金元素種類繁多，各元素的含量和所起的作用也各不相同：Zn可降低焊料的熔點，但Zn含量高于9%后，熔點重新提高。因此，大多數Sn-Zn焊料的含Zn量在12%以下，Bi可降低Sn-Zn合金的液相線和固相線，改善焊料的潤濕性能、抗腐蝕性能、降低焊料熔化溫度，但過多的Bi會增大結晶溫度范圍，可能導致焊點形成熱裂紋、降低焊點塑性、增大合金脆性，因此Bi的含量一般控制10%以內。Cr元素有著良好的耐腐蝕和抗氧化作用；另外，Cr與Zn可形成較穩定的Zn13Cr、Zn7Cr等金屬間化合物，可進一步穩定焊料中的Zn，降低其反應活性，Ti、Al元素具有能使焊料容易與氧化物焊接的優點，但當其含量少時效果不明顯，而含量過高又很難確保焊料的耐熱循環，Cu的添加能夠發揮提高焊料機械強度、增大焊料鋪展面積的優點。Sn-Zn系無鉛焊料中還添加少量的Ag、In等貴金屬元素和微量的RE、P等元素來改善焊料的某些性能，總的來說，Sn-Zn無鉛焊料所申請的合金成分都包含一個很寬的范圍，Sn-Zn系無鉛焊料根據添加的合金元素可細分為：Sn-Zn-Cr、Sn-Zn-Ni、Sn-Zn-Bi、Sn-Zn-In、Sn-Zn-RE、Sn-Zn-Cu、Sn-Zn摻雜合金等種類。

5 申請專利的Sn-Zn無鉛焊料特點及應用障礙

從特點上看，目前所研發的Sn-Zn無鉛焊料大多通過添加一種或多種合金元素，采用不同的熔煉工藝形成一種新的無鉛焊料，這種新的焊料在物理性能（熔點、鋪展性能、潤濕性能、導電導熱性能）、機械性能（抗拉強度、延伸率、疲勞特性、焊接強度）、化學冶金性能（抗氧化、耐腐蝕性能）等方面和傳統的Sn-Pb焊料相當，某些性能由于傳統Sn-Pb焊料，可滿足某些組裝形態的需要，從合金元素來看，專利Sn-Zn無鉛焊料所添加的元素有無鉛焊料中常用的Ag、In、Bi、RE等，也有加入少量的焊接基體材料Al、Cu、Ni等，甚至加入非金屬元素P以及Cr、Ti、Co等來改善焊料的某些性能，申請專利的Sn-Zn無鉛焊料添加元素的種類大多超過了三種，并且有向更多元素發展的趨勢。

從應用上看，目前Sn-Zn無鉛焊料尚存在一定困難：首先，Sn-Zn無鉛焊料合金大都通過添加Ag、Bi、In、P、RE等多種元素來滿足焊料的性能要求，有些合金元素資源稀少，價格昂貴，這增加了焊料的成本；其次，添加多種合金元素造成冶煉過程中合金元素添加困難，提高了熔煉工藝的技術要求；第三，申請專利的Sn-Zn無鉛焊料在性能上的測試缺乏確切的實驗數據，這些焊料在實際應約中缺乏安全性；最后，Sn-Zn無鉛焊料目前還沒有一種解除專利保護，只能在獲得授權后實施。

6 Sn-Zn無鉛封裝的其他專利及應用情況

日本板硝子株式會社開發的申請號為00800883.3的Sn/Zn=4.0-19.0，同時含0.001%-3.0%Ti的無鉛焊料[15]，對熱膨脹系數大的玻璃、陶瓷等氧化物材料有很大的焊接強度，東南大學開發出一種成分為5%-9%Zn、0.5%-4%Bi、0.01%-0.5%Nd、余量為Sn的無鉛焊料制成的焊膏[6]，該焊料熔煉工藝簡單、保存穩定，抗氧化性能好，另有一些Sn-Zn焊料用來焊接高分子材料及高分子基復合材料和特殊要求的電子器件和儀器。當然，在Sn-Zn無鉛焊料推動下相關的焊料熔煉設備，熔煉方法以及焊接設備等也在申請專利。

7 結束語

目前，工業發達國家的無鉛化立法以及無鉛焊料的專利戰略已對我國電子產品的出口構成了巨大的壓力；同時大量的外國公司在中國申請無鉛焊料專利又對我國在本國無鉛焊料的研發、生產、銷售乃至市場，以及無鉛焊料在電子產品上的應用構成沖擊，因此，我國應加強以企業為無鉛焊料專利技術研發主體，形成自主知識產權，以保住本國市場。Sn-Zn無鉛焊料的熔點較低，最有可能在較小改變和不改變現有工藝及設備的條件下取代傳統Sn-Pb焊料，而且由于Sn-Zn無鉛焊料尚有許多亟待解決的理論及工程問題，從形成專利技術的角度進行研發的空間很大，應在已有基礎上加大力度，集中力量，以構建我國自主知識產權的Sn-Zn無鉛焊料的戰略高地.