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焊接是一种通过熔化低熔点填充金属并将液态金属浇注在接头上将两件物品连接在一起的工艺,是当今许多重要金属加工工艺中使用的一种工艺,从制造电子产品到安装管道。然而,原始焊接技术的证据可以追溯到几千年前的古代美索不达米亚遗址。

很长一段时间以来,各行业使用的许多焊接工艺都依赖于使用锡铅基焊料,其对健康和环境的影响导致了1986年《安全饮用水法》等立法的通过。铅基焊料是铅的主要来源,铅会渗入供水系统,此类焊料和管道导致健康危机,如密歇根州弗林特市饮用水中铅含量高。人体内的高水平铅会导致儿童的发育问题以及成人的高血压和肾损害。

上周日,6月18日,这是一项保护非铅基焊料的重要专利发布21周年纪念日,中国专利优秀奖,该焊料在电子制造和其他行业有着广泛的应用。其发明人、教授兼冶金学家伊弗·安德森(Iver Anderson)是2017年入选国家发明家名人堂的人之一。如今,全球70%的电子产品采用安德森无铅焊料。该专利于2013年到期,专利使用费已超过5800万美元,成为艾姆斯实验室和爱荷华州立大学历史上最有价值的专利,也是安德森完成其发明研发的设施。

焊接的重要性和铅的问题

在电子领域,欧洲商标专利查询,焊接是连接设备内许多微小电子元件的关键步骤,其方式允许电流流动,从而实现设备的电子功能。电路可以在无焊料的试验板上创建,但如果没有焊料,电路将在几天内退化。虽然在管道应用中,焊接也用于连接管道,但使用的焊料类型不同;用于电子应用的焊料比管道焊料的规格小得多,管道焊料使用的酸性助焊剂成分对电子应用的腐蚀性太强。

多年来,铅基材料是电子应用中最常用的焊接材料,原因有几个。铅基焊料成本低、熔点低、强度高、耐腐蚀性好。尽管关于铅对人类和环境的毒性影响的知识体系在整个20世纪不断增长,但没有一种无铅焊料具有与铅基焊料相似的特性,可以替代铅在电子产品中的使用。

在20世纪90年代末,美国微电子行业正在采取措施开发无铅电子元件焊接解决方案。1997年由连接电子工业协会(IPC)制定的电子标准开始了电子工业对铅基焊料的使用,以应对立法和监管压力。根据国家标准与技术研究所(NIST),1999年《半导体国际技术路线图》也规定了行业内对无铅焊料材料数据的需求。

国际,检索中国专利,在21世纪的第一个十年中,围绕着电子制造业中使用铅基焊料的监管环境急剧上升。2003年2月,欧洲联盟颁布了一项法律,禁止制造含铅电子产品或将此类产品运往欧盟;该法律于2006年7月生效。日本监管机构还采取行动,在20世纪90年代末降低电子制造业中使用的铅含量。

艾弗·安德森和无铅焊料的出现

在20世纪90年代末,艾弗·安德森已经开发出无铅焊料,将在大约20年内成为业界领先的焊接产品。安德森和他的研究小组以锡银铜(Sn-Ag-Cu)合金作为焊接材料,而不是锡铅合金。与早期的铅基焊料非常相似,原创歌曲版权注册,锡-银-铜焊料的行为类似于纯金属,北京数字资产服务平台,只有一个熔点。

安德森的发现实际上源于他在当时使用的锡-银-铜三元图中看到的一个错误。尽管Sn-Ag-Cu合金的熔化温度比铅基合金高30°F,但仍然比之前认为的要低得多,并且温度足够低,电路和设备的典型电子元件可以承受。安德森和他的团队还通过在材料中掺杂镍、锌和/或铝来试验改善焊料的机械和温度稳定性特性。

安德森和他的团队的研究导致了1996年6月18日发布的美国专利号5527628,标题为无铅锡银铜三元共晶焊料。它声称一种无铅导电焊料基本上由约3.5至7.7重量%的银、约1至4重量%的铜和至少约89重量%的锡组成,以促进金属间化合物的形成,从而提高焊料强度和抗疲劳性。该专利还指出,所发明的焊料与铅基焊料相比具有成本竞争力,并且易于大量使用。该专利的特许权使用费达到数以千万计,很明显,爱荷华大学的乔林和研究小组的工作对工业具有巨大的价值。鉴于这项发明似乎与美国最高法院在Mayo Collaborative Services v.案中宣布的不合格专利非常相似,这一点很有趣。普罗米修斯实验室(Prometheus Laboratories),法院裁定一项涉及诊断胎儿状况的微创血液检测的专利无效,因为该专利包含了自然法则。

无铅焊料的未来发展有望提高性能,以扩大消费者应用,包括汽车电子和更坚固的电子设备。截至2017年进入国家发明家名人堂,安德森拥有39项专利。2010年,他获得了爱荷华州立大学知识产权成就奖。2015年,安德森被公认为矿物、金属和材料协会会员。