用于焊接的低温高可靠性锡合金制造技术

无铅无锑的焊料合金，其包含：(a)从1至4重量％银(b)从0.5至6重量％铋(c)从3.55至15重量％铟(d)3重量％或更少的铜(e)任选地下列元素中的一种或多种：0至1重量％镍、0至1重量％的钛、0至1重量％锰、0至1重量％的稀土(例如铈)、0至1重量％的铬、0至1重量％锗、0至1重量％的镓、0至1重量％的钴、0至1重量％的铁、0至1重量％的铝、0至1重量％的磷、0至1重量％的金、0至1重量％的碲、0至1重量％的硒、0至1重量％的钙、0至1重量％的钒、0至1重量％的钼、0至1重量％的铂、0至1重量％的镁(f)余量为锡连同任何不可避免的杂质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于焊接的低温高可靠性锡合金本专利技术整体上涉及冶金领域并且涉及合金，并且特别是无铅且无锑的焊料合金。该合金特别地但是不唯一地适合用于电子焊接应用例如波峰焊、表面安装技术、热空气平整(leveling)和球栅阵列、平面栅格阵列、底部终端封装、LED和芯片级封装。波峰焊(或流动焊接)是批量焊接电子组件的广泛使用的方法。可以使用它例如用于通孔电路板，其中使该板在熔融焊料波上方通过，该波拍打该板的底部以润湿待接合的金属表面。另一种焊接技术包括在印刷电路板上的焊接区上印刷焊料膏然后放置并使整个组件经过回流炉。在回流工艺过程中，该焊料熔化并且润湿元件以及板上的焊接表面。另一种焊接工艺包括将印刷的接线板浸渍至熔融焊料中以便用可焊接的保护层涂覆铜终端。这种工艺称为热空气平整。典型地用焊料球在两个基材之间组装球栅阵列接头或芯片级封装。使用这些接头的阵列来将芯片安装至电路板上。随着无铅焊接材料的使用变得普遍，由于环境指令或者来自最终使用者的压力，对于这样的材料的应用范围也变得普遍。高Ag焊料合金(例如SnAg3.0Cu0.5)具有优异的机械性质和良好的热可靠性的优势。然而，这样的合金的熔点是约217-221℃。这种较高的熔点要求约240-250℃的回流温度，其在某些情况下对印刷电路板(PCB)和电子元件可为有害的。存在对于具有比常规的高银合金的熔点低的熔点但是有相似的或更有利的机械性质和热性质的无铅焊料合金的需求。本专利技术旨在解决至少一些与现有技术有关的问题或提供商业可接受的替代。因此，在第一方面，本专利技术提供无铅无锑的焊料合金，其包含：(a)从1至4重量％银(b)从0.5至6重量％铋(c)从3.55％至15重量％铟(d)3重量％或更少的铜(e)任选地下列元素中的一种或多种：0至1重量％镍0至1重量％的钛0至1重量％锰0至1重量％的稀土，例如铈0至1重量％的铬0至1重量％锗0至1重量％的镓0至1重量％的钴0至1重量％的铁0至1重量％的铝0至1重量％的磷0至1重量％的金0至1重量％的碲0至1重量％的硒0至1重量％的钙0至1重量％的钒0至1重量％的钼0至1重量％的铂0至1重量％的镁(f)余量为锡连同任何不可避免的杂质。现在将进一步描述本专利技术。在下列段落中更详细地限定本专利技术的不同方面。除非明确相反地指出，可以将如此限定的每个方面与任何其他一个或多个方面组合。特别地，作为优选的或有利的而指出的任何特征可以与作为优选的或有利的而指出的任何其他一个或多个特征组合。这里使用的术语“焊料合金”涵盖熔点在从90至400℃的范围内的易熔金属合金。这里描述的合金展现改进的高温可靠性并且能够承受住典型地至少125℃的操作温度。该合金具有相对低的熔点，更具体是低液相线温度，典型地215℃或更低、更典型地小于210℃、甚至更典型地小于205℃的液相线温度。这使得能够在低温回流工艺(例如在从210至230℃下的回流工艺)中使用该合金。与常规的回流工艺相比，这样的低温回流工艺可以较少可能导致对焊料元件的损坏。该合金可以有利地在单个板上采用多个回流工艺的焊接方法中使用。例如在第一回流工艺中，使用标准合金(例如SnAg3.0Cu0.5)可将能够忍受较高回流温度的全部电子元件焊接至板。在第二回流工艺中，可使用本专利技术的合金来加工温度敏感元件。该合金可以展现改进的机械性质和机械可靠性。该机械性质、机械可靠性和热可靠性可以与常规的高银焊料合金例如SnAg3.0Cu0.5的机械性质、机械可靠性和热可靠性相似或更有利。该合金可以展现改进的热冲击性能。例如，该合金经受得住在每个温度下10分钟的停留时间的从-40℃至+125℃的超过2000次循环的IPC-9701热循环试验。该合金是无铅的且无锑的，其意味着没有有意地添加铅或锑。因此，铅和锑的含量为零或处于不大于偶存杂质水平。该合金组合物包含从1至4重量％银。优选地该合金包含从1.2至3.8重量％银，更优选地从2.5至3.5重量％银，甚至更优选地从2.75至3.76重量％银，还甚至更优选地从2.75至3.75重量％银。通过金属间化合物的形成，银以指定量的存在可以起到改进机械性质例如强度的作用。另外，银的存在可以用于改进润湿和扩展。该合金组合物包含从0.5至6重量％铋。优选地，该合金包含从1.5至5.5重量％铋，更优选地从2至5重量％铋，甚至更优选地从2.5至5重量％铋，还甚至更优选地从2.5至4.5重量％铋。通过固溶强化，铋以指定量的存在可以起到改进机械性质的作用。铋还可以用于改进抗蠕变性。铋还可以改进润湿和扩展。该合金组合物包含从3.55至15重量％铟。该合金优选地包含从3.6至12重量％、更优选地从3.65至12重量％、甚至更优选地从3.7至11重量％铟，还甚至更优选地从4至10.5重量％铟，还甚至更优选地从4.50至10重量％铟。该合金可以优选地包含从3.7至10重量％铟。或者，该合金优选地包含从3.6至8重量％铟，更优选地从3.65至7重量％铟，甚至更优选地从3.7至6.7重量％铟，还甚至更优选地从4至6.5重量％铟。通过固溶强化，铟的存在可以用于改进机械性质。铟以所列举的量的存在，连同其它合金元素，还可以起到降低合金的液相线温度的作用。在替代性的方面，该合金可以包含至多25重量％铟。该合金组合物包含3重量％或更少的铜，例如从0.1至3重量％。优选地，该合金包含从0.01至3重量％铜，更优选地从0.1至1重量％铜，甚至更优选地从0.4至0.8重量％铜，还甚至更优选地从0.4至0.75重量％铜。通过金属间化合物的形成，铜以指定量的存在可以起到改进机械性质例如强度的作用。另外，铜的存在降低铜溶解并且还可以改进抗蠕变性。该合金组合物任选地包含从0至1重量％的镍，例如从0.01至1重量％。如果存在镍，则该合金优选地包含从0.01至1重量％镍，更优选地从0.03至0.6重量％镍，甚至更优选地从0.05至0.5重量％镍，还甚至更优选地从0.08至0.25重量％镍。通过能够导致沉淀强化的与锡的金属间化合物的形成，镍以指定量的存在可以起到改进机械性质的作用。通过降低基材/焊料界面处的IMC生长，镍还可以增加耐跌落冲击性。该合金组合物任选地包含0至1重量％的钛，例如从0.005至1重量％。如果存在钛，则该合金优选地包含从0.005至0.5重量％钛，更优选地从0.007至0.1重量％钛，甚至更优选地从0.008至0.06重量％钛，并且最优选地0.01至0.05重量％钛。钛以指定量的存在可以起到改进强度和界面反应的作用。通过控制基材/焊料界面处的铜扩散，钛还可以改进跌落冲击性能。该合金组合物任选地包含0至1重量％的锰，例如从0.005至1重量％。如果存在锰，则该合金优选地包含从0.005至0.5重量％锰，更优选地从0.007至0.1重量％锰，甚至更优选地从0.008至0.06重量％锰并且最优选地0.01至0.05重量％锰。锰以指定量的存在可以起到改进强度和界面反应的作用。锰还可以改进跌落冲击性能。该合金组合物任选地包含0至1重量％的钴，例如从0.01至1重量％。如果存在钴，则该合金优选地包含从0.01至0.6重量％钴，更优选地从0.02至0.5重量％钴，甚至更优选地从0.03至0.4重量％钴，并且最优选地0.04至0.3重量％本文档来自技高网...

【技术保护点】
无铅无锑的焊料合金，其包含：(a)从1至4重量％银(b)从0.5至6重量％铋(c)从3.55至15重量％铟(d)3重量％或更少的铜(e)任选地下列元素中的一种或多种：0至1重量％镍0至1重量％的钛0至1重量％锰0至1重量％的稀土，例如铈0至1重量％的铬0至1重量％锗0至1重量％的镓0至1重量％的钴0至1重量％的铁0至1重量％的铝0至1重量％的磷0至1重量％的金0至1重量％的碲0至1重量％的硒0至1重量％的钙0至1重量％的钒0至1重量％的钼0至1重量％的铂0至1重量％的镁(f)余量为锡连同任何不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.21 US 62/026,9911.无铅无锑的焊料合金，其包含：(a)从1至4重量％银(b)从0.5至6重量％铋(c)从3.55至15重量％铟(d)3重量％或更少的铜(e)任选地下列元素中的一种或多种：0至1重量％镍0至1重量％的钛0至1重量％锰0至1重量％的稀土，例如铈0至1重量％的铬0至1重量％锗0至1重量％的镓0至1重量％的钴0至1重量％的铁0至1重量％的铝0至1重量％的磷0至1重量％的金0至1重量％的碲0至1重量％的硒0至1重量％的钙0至1重量％的钒0至1重量％的钼0至1重量％的铂0至1重量％的镁(f)余量为锡连同任何不可避免的杂质。2.根据权利要求1的焊料合金，其中该合金包含从1.2至3.8重量％银，优选地从2.5至3.5重量％银，更优选地从2.75至3.75重量％银。3.根据权利要求1或权利要求2的焊料合金，其中该合金包含从1.5至5.5重量％铋，优选地从2至5重量％铋，更优选地从2.5至4.5重量％铋。4.根据前述权利要求任一项的焊料合金，其中该合金包含从3.6至12重量％铟，优选地从3.65至12重量％铟，更优选地从3.7至10重量％铟，甚至更优选地从4至10重量％铟。5.根据前述权利要求任一项的焊料合金，其中该合金包含从0.01至3重量％铜，优选地从0.1至1重量％铜，更优选地从0.4至0.8重量％铜。6.根据前述权利要求任一项的焊料合金，其中该合金包含从0.01至1重量％镍，优选地从0.03至0.6重量％镍，更优选地从0.05至0.5重量％镍，甚至更优选地从0.08至0.25重量％镍。7.根据前述权利要求任一项的焊料合金，其中该合金包含从2至4重量％银，从1至6重量％铋和从3.65至7重量％铟。8.根据前述权利要求任一项的焊料合金，其中该合金包含从3至4.5重量％银，从3至4.5重量％铋，从3至4.5％铟，从0.1至1.5重量％的铜和从0.05至0.25重量％的镍。9.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％银，从4至5.5重量％铋，从3至4.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％的镍。10.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从1至2重量％银，从4至5.5重量％铋，从3至4.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％镍。11.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％银，从1至2重量％铋，从3至4.5％铟和从0.1至1.5重量％铜。12.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％银，从1至2重量％铋，从4至5.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％的镍。13.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％的银，从2.5至4重量％铋，从3.5至5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％的镍。14.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从4至5.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％镍。15.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从5至6.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％镍。16.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从5至6.5％铟，从0.1至1.5重量％铜，从0.05至0.25重量％镍和从0.001至0.05重量％锰。17.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从5.5至6.5％铟，从0.3至0.7重量％铜，从0.05至0.25重量％镍和从0.005至0.05重量％锰。18.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从7至9％铟，从0.3至0.8重量％铜和从0.005至0.05重量％钛。19.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从9至11％铟，从0.3至0.8重量％铜和从0.005至0.05重量％锰。20.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从11至13％铟和从0.3至0.8重量％铜。21.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从5.5至6.5％铟，从0.3至0.8重量％铜，从0.05至0.4重量％镍，从0.005至0.05重量％锰和从0.01至0.15重量％磷。22.根据权利要求1至6任一项的焊料合金，其中该合金包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从5....

【专利技术属性】
技术研发人员：P·乔杜里，M·德阿维拉里巴斯，S·穆克赫尔吉，S·萨卡尔，R·潘德尔，R·巴特卡尔，B·辛格，
申请(专利权)人：阿尔法装配解决方案公司，
类型：发明
国别省市：美国,US