以Zn为主成分的无Pb焊料合金制造技术

提供一种在高温使用的Zn系无Pb焊料合金，所述合金具有300至400℃的熔点并且润湿性、接合性、加工性和可靠性优异。一种具有Zn作为主成分的无Pb焊料合金，所述合金包含1.0至9.0质量%、优选3.0至7.0质量%的Al，并包含0.002至0.800质量%、优选0.005至0.500质量%的P，除了由于制造而不可避免地包含的元素之外，余量包含Zn。所述无Pb焊料合金还可包含Mg和/或Ge，在Mg的情况下含量为0.3至4.0质量%，在Ge的情况下含量为0.3至3.0质量%。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及不含有铅的无Pb焊料合金。更特别地，本专利技术涉及以Zn为主成分并且适于高温应用的无Pb焊料合金。
技术介绍
进行高温焊接以便在组装工艺如功率晶体管装置的芯片焊接(die bonding)时焊接各种电子部件。对于高温焊接，已使用具有约300至400°C的相对高熔点的焊料合金(下文中，也称为“高温焊料合金”)。对于高温焊料合金，通常使用以5质量％Pb的Sn合金为代表的Pb系焊料合金。尽管上述，近来由于涉及环境污染对Pb使用的限制变得越来越严格。例如，RoHS指令已将Pb指定为被限制物质。响应于该趋势，要求在组装电子部件等
提供不含铅的焊料合金，即无Pb焊料合金。关于中低温用(约140至230°C )的焊料合金，已实际使用主要包含Sn的无Pb焊料合金。例如，专利文献I公开了一种无Pb焊料合金组合物，其包含Sn作为主成分、1.0至4.0质量％的Ag、2.0质量％以下的Cu、0.5质量％以下的Ni和0.2质量％以下的P。此外，专利文献2公开了一种无Pb焊料合金组合物，其包含0.5至3.5质量％的Ag、0.5至2.0质量％的Cu，和余量的Sn。另一方面，关于高温焊 料合金，为了提供无Pb焊料合金，各种机构已开发Bi系焊料合金和Zn系焊料合金。例如，关于Bi系焊料合金,专利文献3公开了一种Bi/Ag钎料(brazing filler material),其包含30至80质量％的Bi并具有350至500°C的熔化温度。此外，专利文献4公开了通过将二元共晶合金添加至含有Bi的共晶合金并进一步加入添加元素的合金的生产方法，这使得可以调整液相线温度并且可以减少组成变化。关于Zn系焊料合金，例如，专利文献5公开了一种高温Zn系焊料合金，其通过将Ge或Mg添加至Zn-Al合金的原料(base material)来形成,在Zn-Al合金中为了降低熔点将Al添加至Zn。专利文献5还公开了进一步添加Sn或In的技术,其具有进一步降低熔点的效果。具体地，专利文献5公开了以下Zn合金:包含I至9质量％的Al、0.05至I质量％的Ge，余量为Zn和不可避免的杂质的Zn合金组合物；包含5至9质量％的Al、0.01至0.5质量％的Mg，余量为Zn和不可避免的杂质的Zn合金组合物；包含I至9质量％的A1、0.05至I质量％的Ge、0.01至0.5质量％的Mg，余量为Zn和不可避免的杂质的Zn合金组合物；包含I至9质量％的A1、0.05至I质量％的Ge、0.1至25质量％的Sn和/或In，余量为Zn和不可避免的杂质的Zn合金组合物；包含I至9质量％的A1、0.01至0.5质量％的Mg、0.1至25质量％的Sn和/或In，余量为Zn和不可避免的杂质的Zn合金组合物；包含I至9质量％的A1、0.05至I质量％的Ge、0.01至0.5质量％的Mg、0.1至25质量％的Sn和/或In,余量为Zn和不可避免的杂质的Zn合金组合物。引文列表专利文献专利文献1:日本专利申请特开11-077366专利文献2:日本专利申请特开8-215880专利文献3:日本专利申请特开2002-160089专利文献4:日本专利申请特开2006-167790专利文献5:日本专利385013
技术实现思路
专利技术要解决的问题因为热塑性树脂和热固性树脂等经常用于常规电子部件和基板的构成材料，因此优选接合时的作业温度为低于400°C，更优选370°C以下。然而，在专利文献3中公开的Bi/Ag钎料的情况下，其液相线温度高达400至700°C，因此估计其接合时的作业温度为400至700°C以上。在此情况下，认为作业温度超过待接合的电子部件或基板的温度上限。专利文献4中记载的方法，为了仅调整其液相线温度需要四元以上的焊料即多组分焊料，并且专利文献4也没有记载针对Bi的脆弱机械特性的任何有效措施。专利文献5中具有落入公开范围内的组成的Zn系焊料合金通常显示差的润湿性。这是因为作为主成分的Zn由于其强的还原性而容易被氧化，这引起极差的润湿性的问题。此外，Al具有比Zn更强的还原性，因此添加例如I质量％以上的Al显著降低润湿性。添加Ge或Sn不能将这些被氧化的Zn和Al还原，因此Ge或Sn不能改进润湿性。如上所述，虽 然Zn-Al系合金具有落入优选范围内的约300至400°C (Zn-Al共晶温度:381°C)的熔点，但从润湿性的观点，该合金不是优选的。此外，将Mg等添加至Zn-Al系合金形成金属间化合物，这使得Zn-Al系合金变硬并且可能阻碍良好的加工性。例如，添加5质量％以上的Mg至Zn-Al系合金基本上使得不可能将Zn-Al系合金形成难以形成的形状如线形(wire shape)或片形(sheet shape)。如所上述，在高温无Pb焊料合金特别是以Zn为主成分的无Pb焊料合金的情况下，存在改进特别是润湿性同时平衡各种特性如加工性的未解决的大问题。换言之，实际上还没有发现能够代替以5质量％Pb的Sn合金为代表的常规Pb系焊料合金的高温焊料合金。考虑到上述情况而进行本专利技术，本专利技术的目的是提供高温无Pb的Zn系焊料合金，即，不含Pb且以Zn为主成分的焊料合金。该焊料合金具有约300至400°C的熔点，适合用于组装电子部件等。该焊料合金的润湿性特别优异，以及接合性、加工性和可靠性优异。用于解决问题的方案为了实现上述目的，本专利技术提供以Zn为主成分的无Pb焊料合金，所述焊料合金包含以下:1.0至9.0质量％的Al，0.002至0.800质量％的P，除了在制造阶段引入的不可避免的杂质之外，余量为Zn。本专利技术的以Zn为主成分的无Pb焊料合金包括3.0至7.0质量％的Al，0.005至0.500质量％的P，以及0.3至4.0质量％的Mg或选自0.3至3.0质量％的Ge的至少之一。该焊料合金能够具有较好的润湿性、接合性等。专利技术的效果根据本专利技术，可以提供润湿性特别优异以及接合性、加工性和可靠性等优异的高温无Pb焊料合金。该焊料合金还具有充分地经受约300°c的回流温度的特征，其适合用于在组装工艺如功率晶体管装置的芯片焊接期间焊接各种电子部件。具体实施例方式根据本专利技术的以Zn为主成分的无Pb焊料合金不包括Pb但包括Al、P，除了在制造阶段引入的不可避免的杂质之外余量为Zn。Zn的熔点为419°C，远高于接合电子部件等的接合温度即300至400°C。此外，Zn由于其还原性强而具有对氧化敏感和润湿性差的缺点。为了应对Zn的这些缺点，本专利技术提供通过添加Al降低熔点直至其达到可使用的焊接温度的技术。然而，将Al添加至Zn降低Zn-Al合金的润湿性,但这能够通过添加P至Zn-Al合金来显著地补偿。应注意，添加Al不仅能够实现通过形成Al和Zn的共晶合金而将熔点降低至约4000C以下的效果，而且还能够通过使晶体微细化来改进加工性。P比Zn和Al具有强的还原能力，在接合时其从接合面和焊料中带走氧化磷气体形式的氧。因为该特性，P是改进润湿性的最适合的元素。当然，P还能够还原和除去Cu基板或镀覆有Ni的Cu基板上设置的表面氧化膜，因此当接合时能够在不使用形成气体的情况下(形成气体包括氢以免促进基板等的氧化)改进润湿性。通过进一步将Mg或Ge的至少一种添加至以Zn为主成分的无Pb焊料合金,变得可以根据目的而适当地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：井关隆士，
申请(专利权)人：住友金属矿山株式会社，
类型：
国别省市：