用于恶劣使用条件的高可靠性无铅焊料合金制造技术

公开了用于恶劣使用条件的高可靠性无铅焊料合金。在一些实施方式中，焊料合金包含2.5

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于恶劣使用条件的高可靠性无铅焊料合金
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年2月26日提交的名称为“High Reliability Leadfree Solder Alloys for Harsh Service Conditions”的美国临时专利申请号62/810,619的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
[0003]相关技术的描述
[0004]所公开的技术总体上涉及焊料合金，和更具体地，一些实施方式涉及无铅焊料合金。
附图说明
[0005]根据一个或多个不同实施方式，参考以下附图详细描述了本公开内容。提供这些附图仅用于说明的目的并且仅描绘典型或实例实施方式。
[0006]图1
‑
3描绘了根据所公开技术的实施方式的包括通过焊料电耦合到金属芯印刷电路板(MCPCB)的LED的LED模块的组装。
[0007]图1描绘了LED的底面。
[0008]图2描绘了MCPCB的上表面。
[0009]图3描绘了完成的LED模块。
[0010]图4示出了根据电循环可靠性测试在使用不同焊料合金组装时用于测试LED模块的系统。
[0011]图5描绘了在对几种焊料合金的测试期间收集的数据的箱线图。
[0012]图6描绘了显示失效的LED模块的百分比与失效循环数的关系图。
[0013]图7描绘了在功率循环可靠性测试之前的LED模块的横截面。
[0014]图8描绘了在功率循环可靠性测试期间失效之后使用合金20焊膏的LED模块的横截面。
[0015]图9显示了合金11的类似图像。
[0016]图10显示了各种公开的焊料合金和相比的新颖的焊料合金的化学成分和熔化行为。
[0017]图11至13各自显示了在
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40℃至+150℃的热循环测试期间合金25和6的两个样品的横截面图。
[0018]图11显示了1839次循环时的合金。
[0019]图12显示了2565次循环时的合金。
[0020]图13显示了3012次循环时的合金。
[0021]图14显示了在热循环(
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40℃至+150℃)的3000次循环后失效的片式电阻器的统计数据。
[0022]图15显示了热循环(
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40℃至+150℃)的6000次循环后失效的片式电阻器的统计数据。
[0023]附图并非是详尽的并且不将本公开内容限制为所公开的精确形式。
具体实施方式
[0024]本文公开的实施方式提供用于在恶劣使用环境下的电子应用的创新的基于Sn
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Ag
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Cu
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Sb的无铅焊料合金。焊料合金可用于比如，例如，用于部件焊料互连的印刷电路板(PCB)级组装、结合到Cu、Al或其他基板和金属芯PCB上的高亮度发光二极管(LED)芯片、以及用于功率模块的半导体芯片连接等应用中。选自1.0
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3.5wt％的Bi和/或0.1
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1.0wt％的In的添加剂可以包括在焊料合金中。此外，焊料合金可含有0.05至0.35wt％的Ni。
[0025]自2006年7月欧盟实施有害物质限制(RoHS)法规以来，无铅焊料合金已被电子行业广泛采用。在过去十年中，比如Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)和Sn3.8Ag0.7Cu(SAC387)等无铅SnAgCu(“SAC”)焊料合金已广泛应用于便携式、计算和移动电子产品中，其使用125℃及以下的操作温度范围。新兴的汽车电子产品要求引擎盖下使用的装置的工作温度在150℃左右，但乘客舱中的装置可能会保持125℃及以下的要求。除了最高工作温度之外，汽车电子产品还需要在从最低
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40℃到+150℃甚至更宽的宽温度范围内起作用。
[0026]对于这种恶劣的电子产品环境，传统的二元或三元无铅富锡焊料合金不够可靠以生存。相对于大多数富锡焊料的熔化温度，150℃的同系温度对于SnAgCu
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3Bi等于0.876，对于SnAgCu等于0.863，对于Sn
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3.5Ag等于0.856，并且对于Sn
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0.7Cu等于0.846，表明原子扩散将严重促进微观结构演化并加速接头退化。工作温度越高，微观结构粗化和接头退化就越快发生。所公开的用于更高使用温度应用的高可靠性焊料反映了对冶金设计的考虑，以减慢接头焊料体的微观结构演化和源于热迁移下的原子扩散的界面金属间化合物(IMC)生长。
[0027]除了温度之外，汽车电子产品还需要经受住车辆运动和制动期间的连续振动或甚至机械冲击。延展性接头是期望的，因为它们具有改进的抗振性/抗冲击性，。然而，界面IMC生长和微观结构粗化会使接头更脆，尤其是在较高温度下。因此，从冶金的观点来看，期望的是，不仅将接头设计成可延展的，而且在恶劣条件下的操作期间保持接头延展性。
[0028]除了汽车电子产品的恶劣使用环境外，如果不需要后续的板级回流，高温和高可靠性的富锡焊料可用于高亮度(HB)LED芯片部件组装和功率半导体模块中的模片连接。对于功率半导体模块，负载电流产生的焦耳热会使接头结温升高至150℃或更高，具体取决于模块设计。假设散热方法保持不变，电流密度越高，结温就越高。HB
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LED的高电流密度会将结接头(阳极和阴极接头以及两个电极之间的热焊盘接头)加热至150℃或更高，类似于功率半导体模块，取决于电流和冷却垫设计。然而，高功率器件，包括HB
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LED和功率模块，可能不仅以高结温，而且以高电流密度压迫结合接头。因此，用于功率应用的高可靠性焊料设计的实施方式可以减少电迁移下的原子扩散，以及控制热迁移下的原子扩散。
[0029]为了解决汽车工业和功率半导体应用对焊料材料的需求，所公开的高可靠无铅焊料实施方式的新型冶金设计专注于稳定微观结构演变和减缓在热应力和电流应力条件下的界面IMC生长。
[0030]本文公开的实施方式包括无铅焊料合金，其包含：2.5
‑
4.0wt％的Ag；0.4
‑
0.8wt％的Cu；5.0
‑
9.0wt％的Sb；1.5
‑
3.5wt％的Bi；0.1
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3.0wt％的In；0.05
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0.35wt％的Ni；和余量的Sn。这些公开的焊料合金在需要在150℃或更高的工作温度下具有高可靠性的恶劣使用环境下具有优异的热疲劳耐性。与用于板级汽车应用以及用于功率半导体模块应用中的HB
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LED芯片接合和模片连接的传统二元、三元富锡焊料相比，所要求保护的范围内的焊料
具有更长的特性寿命。所专利技术的焊料合金特别适用于，但不限于，生产焊料接头，例如，以焊料预成型件、焊球、焊粉、焊膏(焊粉和助焊剂的混合物)等形式。
[0031]图10显示了各种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种焊料合金，其包括：2.5
‑
4.0wt％的Ag；0.4
‑
0.8wt％的Cu；5.0
‑
9.0wt％的Sb；1.5
‑
3.5wt％的Bi；0.05
‑
0.35wt％的Ni；和余量的Sn。2.根据权利要求1所述的焊料合金，其进一步包括0.1
‑
3.0wt％的In。3.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述焊料合金基本上由3.0
‑
4.0wt％的Ag、0.5
‑
0.7wt％的Cu、5.0
‑
6.0wt％的Sb、2.5
‑
3.5wt％的Bi、0.1
‑
0.2wt％的Ni和余量的Sn组成。4.根据权利要求2所述的焊料合金，其中所述焊料合金基本上由3.0
‑
4.0wt％的Ag、0.5
‑
0.7wt％的Cu、5.0
‑
6.0wt％的Sb、2.5
‑
3.5wt％的Bi、0.3
‑
0.6wt％的In、0.1
‑
0.2wt％的Ni和余量的Sn组成。5.一种焊膏，其包括：助焊剂；和焊料合金粉末，其包括：2.5
‑
4.0wt％的Ag；0.4
‑
0.8wt％的Cu；5.0
‑
9.0wt％的Sb；2.8
‑
5.0wt％的Bi；0.05
‑
0.35wt％的Ni；和余量的Sn。6.根据权利要求5所述的焊膏，其中所述焊料合金进一步包括0.1
‑
3.0wt％的In。7.根据权利要求5所述的焊膏，其中所述焊料合金基本上由3.0
‑
4.0wt％的Ag、0.5
‑
0.7wt％的Cu、5.0
‑
6.0wt％的Sb、2.5
‑
3.5wt％的Bi、0.1
‑
0.2wt％的Ni和余量的Sn组成。8.根据权利要求5所述的焊膏，其中所述焊料合金基本上由3.0
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4.0wt％的Ag、0.5
‑
0.7wt％的Cu、5.0
‑
6.0wt％的Sb、2.5
‑
3.5wt％的Bi、0.3
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0.6wt％的In、0.1
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0.2wt％的Ni和余量的Sn组成。9.一种设备，其包括：部件，所述部件包括：主陶瓷主体，和具有设置在其上的电极和热焊盘的侧表面；铜基板；和将所述部件与所述铜基板电耦合的焊料合金，其中所述焊料合金包括：2.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：耿杰，张宏闻，李宁成，
申请(专利权)人：铟泰公司，
类型：发明
国别省市：