焊料合金制造技术

为了改进焊料的强度和伸长率和改进通过所述焊料接合的接合部的可靠性，本发明专利技术提供包含以下的焊料合金：2.0‑4.0重量％的Ag，0.5‑1.0重量％的Cu，0.1‑1.0重量％的Sb，0.1‑0.5重量％的选自Ca、Mn和Al中的添加元素，和余量的Sn。

Solder alloy

In order to improve the strength and elongation of solder joint reliability and improvement through the solder joint, the present invention provides a solder alloy as following: 2 4 wt% Ag, 0.5 1 wt% Cu, 0.1 1 wt% Sb, 0.1 wt% added elements selected from the group consisting of Ca, 0.5 Mn and Al, and the balance of Sn.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】焊料合金
本专利技术涉及用于焊接的焊料合金。
技术介绍
作为Sn类无铅焊料，Sn-Ag-Cu类焊料如Sn-3.0Ag-0.5Cu被广泛使用。近年来，随着Ag的价格上升，含有Ag的焊料的价格也上升。因此，具有低Ag含量的焊料合金如Sn-1.0Ag-0.7Cu或Sn-0.3Ag-0.7Cu引起了关注。如果焊料合金中的Ag含量降低，焊料合金的熔点增加。在具有低Ag含量的焊料合金中，担心的是由于在接合界面上析出的金属间化合物的量降低而导致焊料的强度和可靠性劣化。为了降低Sn-Ag-Cu类焊料的熔点和改进焊料的强度和可靠性，向其添加Bi是有效的。在需要高强度焊料的车载设备的领域，通过向含有约3％(math％，下文称为重量％)～5重量％Ag的Sn类焊料添加Bi以使得Bi固溶于Sn中，而改进了焊料的机械强度。然而，如果Bi添加至Sn-Ag-Cu类焊料，脆的Bi在电极与焊料之间的界面上析出，并且电极与焊料之间的接合部的疲劳寿命可能缩短。因此，在需要高可靠性和长寿命的产品中使用无Bi焊料是适当的。专利文献1至3公开了含有无Bi焊料合金粉末的焊料糊料。专利文献1公开了含有1.0～4.0重量％的Ag、0.4～1.0重量％的Cu、1～8重量％的Sb和余量为Sn的焊料合金粉末。专利文献1也公开了含有0.4重量％以下的选自Ni、Co和Fe中的至少一种元素的Ag-Cu-Sb-Sn类合金的焊料合金。专利文献2公开了含有0.5～3.5重量％的Ag、0.1～2.8重量％的Cu、0.2～2.0重量％的Sb和余量为Sn的焊料合金。专利文献3公开了含有0.1～5重量％的Ag、0.1～5重量％的Cu、10重量％以下的转变延迟元素、10重量％以下的氧化抑制元素和余量Sn的焊料合金。专利文献3公开了通过将0.01～1重量％的转变延迟元素和0.01重量％的氧化抑制元素组合添加至Sn类焊料合金而改进耐晶须性的实施例。[引用列表][专利文献][专利文献1]日本专利第5553181号公报[专利文献2]日本专利第2752258号公报[专利文献3]日本特开2008-31550号公报
技术实现思路
技术问题在Sn-Ag-Cu类焊料中，如果Ag的含量降低，则焊料的熔点通常升高。将Bi添加至Sn-Ag-Cu类焊料有效地降低了焊料的熔点。然而，脆的Bi在电极与焊料之间的接合界面上析出。因为专利文献1和2中公开的Sn-Ag-Cu类焊料的组成不含Bi，因此脆的金属Bi不在电极与焊料之间的界面上析出。然而专利文献1未公开改进焊料的机械特性和可靠性的组成。在专利文献2中，因为仅将Sb添加至焊料，所以焊料的伸长率劣化。专利文献3尽管描述了许多添加元素，但未公开除耐晶须性以外的机械特性和可靠性的最佳合金组成。此外，专利文献3未指出改进除耐晶须性以外的焊料的机械特性和可靠性的添加元素及其量。本专利技术的一个目的是解决以上提出的问题，并且提供改进焊料的强度和伸长率并且改进通过使用该焊料形成的接合部的可靠性的焊料合金。技术方案本专利技术的焊料合金含有2.0～4.0重量％的Ag，0.5～1.0重量％的Cu，0.1～1.0重量％的Sb，0.1～0.5重量％的选自Ca、Mn和Al的添加元素，和余量的Sn。专利技术的有益效果本专利技术能够提供改进焊料的强度和伸长率并且改进使用焊料形成的接合部的可靠性的焊料合金。附图说明[图1]示出通过使用本专利技术的一个示例性实施方式的焊料形成的接合部的横截面结构的示意图；[图2]示出通过使用本专利技术的所述示例性实施方式的焊料形成的接合部的详细横截面结构的示意图；[图3]示出通过使用含有Bi的常用焊料形成的接合部的横截面结构的示意图；[图4]示出通过使用含有Bi的常用焊料接合的接合部的详细横截面结构的示意图；[图5]示出其中将上面安装有含有本专利技术的示例性实施方式的焊料合金的焊料球的电子部件安装在基板上的一个实例的示意图。具体实施方式通过使用附图描述其中实施本专利技术的一个示例性实施方式。下面描述的示例性实施方式包括用于实施本专利技术的技术上优选的限定。然而本专利技术的范围不限于以下描述。(结构)示例性实施方式的焊料合金如下进行解释。在示例性实施方式中，公开了改进含有Sn作为主要成分以及Ag和Cu作为添加元素的Sn-Ag-Cu类焊料合金的特性的组成。在Sn-Ag-Cu类焊料合金中，含有Cu和Sn或者Ni和Sn的金属间化合物将焊料与基板或部件电极在其接合界面上接合。为了降低Sn-Ag-Cu类焊料合金的熔点，可向其添加Bi。如果在接合界面上析出的含有Cu和Sn或者Ni和Sn的金属间化合物与焊料之间发生Bi偏析，则Bi偏析区域的接合可靠性可能劣化。通过将Bi以外的元素添加至Sn-Ag-Cu类焊料合金，示例性实施方式的焊料合金延长了焊料接合部的寿命。示例性实施方式的焊料合金含有固溶于作为焊料主要成分的Sn中且不与焊料中所含的Sn或其它元素具有共晶点的元素。在示例性实施方式中，焊料含有不与焊料成分Sn等具有共晶点且不形成低熔点相的Sb。Sb固溶于Sn中并且不与焊料中的Sn或其它元素具有共晶点。当Sb添加至常见的Sn类焊料合金中时，未形成低熔点相。因此，材料强度由于固溶强化机制的作用而改进。如果在焊料中未生成低熔点相，则即使焊接期间在焊料接合部中出现温度梯度，添加元素也不在接合界面上聚集。结果，添加元素均匀分散在作为焊料主要成分的Sn中。当将Sb添加至Sn类焊料时，焊料强度由于固溶强化机制的作用而改进，并且在基板电极与焊料之间或者部件电极与焊料之间的接合界面上未析出硬质且脆的层。当将Sb添加至Sn类焊料时，在接合界面上未形成在应力下可能被破坏的脆层。当将Sb添加至Sn-Ag-Cu类焊料合金时，焊料强度由于固溶强化机制的作用而改进。然而，焊料的伸长率劣化。如果仅将Sb添加至Sn-Ag-Cu类焊料合金，其韧性由于焊料伸长率的降低而劣化并且可能不能提供长寿命。在示例性实施方式中，将Sb和改进焊料伸长率的元素添加至焊料合金。作为改进焊料伸长率的元素，将选自Ca、Mn和Al中的至少一种元素添加至焊料合金。与Sb不同，Ca、Mn和Al三种元素中的任一种与Sn具有共晶点。Ca、Mn和Al三种元素中的任一种与Sn的共晶点是高的。因此，在常用Sn类焊料的熔点下不生成低熔点相。所述元素的添加改进了焊料的强度和伸长率并且防止了添加元素在靠近界面处的偏析。结果，与生成由添加元素偏析开始的裂纹的常用焊料合金相比，示例性实施方式的焊料合金延长了寿命。当将Ca、Mn和Al中的任一种添加至主要成分Sn时，改进了焊料伸长率并且获得了以下特性改进效果。Ca抑制了Sn或金属间化合物如CuSn、AgSn的生长。Mn缩短了润湿时间。Al尽管稍微劣化了润湿性，但是Al抑制了金属间化合物AgSn的生长。Sb的固溶限为约1重量％。添加元素Ca、Mn和Al的固溶限分别为约0.34重量％，约0.46重量％，和约0.23重量％。添加元素的添加量的上限理想地为接近固溶限的值，更理想地为等于或小于固溶限的值。接近固溶限的值是超过固溶限且其中添加元素不会再析出的值。具体地，该值为0.5重量％以下。由以上描述的观点，对焊料长寿命合适的组成作如下描述。以下所述组成的焊料是由以上描述的观点而引入的，而并非无根据地组合两种或更多种材料。Ca、Mn和Al可以共存。当添加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊料合金，所述焊料合金包含：2.0～4.0重量％的Ag，0.5～1.0重量％的Cu，0.1～1.0重量％的Sb，0.1～0.5重量％的选自Ca、Mn和Al的添加元素，和余量的Sn。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.20 JP 2015-1029141.一种焊料合金，所述焊料合金包含：2.0～4.0重量％的Ag，0.5～1.0重量％的Cu，0.1～1.0重量％的Sb，0.1～0.5重量％的选自Ca、Mn和Al的添加元素，和余量的Sn。2.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述合金包含2.0～4.0重量％的Ag，0.5～1.0重量％的Cu，0.1～1.0重量％的Sb，0.1～0.33重量％的Ca，和余量的Sn。3.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述合金包含2.0～4.0重量％的Ag，0.5～1.0重量％的Cu，0.1～1.0重量％的Sb，0.1～0.45重量％的Mn，和余量的Sn。4.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述合金包含2...

【专利技术属性】
技术研发人员：百川裕希，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP