專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)Pb焊料合金的制作方法
專(zhuān)利說(shuō)明無(wú)Pb焊料合金 本發(fā)明涉及用于將電子元件安裝或電鍍?cè)谟∷㈦娐钒?PCB)等上的焊料合金，更具體而言，涉及含0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％的Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn的無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金。如本領(lǐng)域中熟知的那樣，焊接是使用焊料合金的一種連接技術(shù)，更具體而言，是將微電子元件比如半導(dǎo)體芯片或片狀電阻(resistor chip)安裝在印刷電路板(PCB)上的連接技術(shù)。最近，隨著電子元件的日益小型化以及功能性的不斷增加，元件安裝的集成已經(jīng)得到提高，因而需要更高水平的使用焊料合金的連接技術(shù)。換言之，由于元件安裝的高度集成，因此，PCB及其上安裝的電子元件以及焊料合金都更容易受到溫度變化、熱膨脹差異、振動(dòng)等帶來(lái)的周期應(yīng)力的影響，使得焊料合金的微結(jié)構(gòu)在焊接接縫上遭受晶粒變粗，從而在焊接接縫上由于疲勞而產(chǎn)生裂紋。在焊接接縫上的裂紋起著缺陷源的作用，所述的缺陷比如安裝在PCB上的電子元件的斷開(kāi)。
因而，作為用于將電子元件安裝在PCB上的焊接材料，主要使用含錫(Sn)和鉛(Pb)的二元焊料合金，比如含60％wt的Sn和40wt％的Pb的焊料合金以及含63％wt的Sn和37wt％的Pb的焊料合金。[技術(shù)問(wèn)題]然而，通常的Sn-Pb基焊料合金存在其處置時(shí)由于鉛泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題。
而且，由于在廢棄電氣和電子裝置(WEEE)上的EC指示以及歐盟在電氣和電子裝置中某些有害物質(zhì)的限制使用(RoHS)的EC指示禁止在電氣和電子裝置中使用有害物質(zhì)，因此必需通過(guò)在制備焊料合金時(shí)限制或排除使用Pb，使電子工業(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的無(wú)-Pb焊料合金。
至于這樣一種環(huán)境友好的無(wú)-Pb焊料合金，本領(lǐng)域中熟知的有在日本未審查專(zhuān)利公布2000-225490中所公開(kāi)的Cu-Ni-Sn三元焊料合金。該無(wú)-PbCu-Ni-Sn三元焊料合金是通過(guò)用Ni代替常規(guī)焊料合金中的一些含量的Cu而得到的，并且包含0.05～2.0wt％的Cu、0.001～2.0wt％的Ni以及余量的Sn。
由于無(wú)-Pb焊料合金不含Pb，因此它能夠降低環(huán)境污染，并且具有稍微得到提高的機(jī)械強(qiáng)度。然而，其中公開(kāi)的無(wú)-Pb焊料合金存在的問(wèn)題在于，由于焊接時(shí)的氧化而產(chǎn)生過(guò)量的氧化皮，并且在于，由于焊料合金的低潤(rùn)濕性和鋪展性，而在焊接接縫周?chē)纬陕菁y狀橋連接，從而導(dǎo)致比如短路的缺陷。
同時(shí)，在電子元件的電極(芯片元件)或引線(引線元件)上進(jìn)行電鍍，以作為用于增強(qiáng)焊接性質(zhì)和耐氧化性(耐腐蝕性)的最終處理。同樣地，當(dāng)電鍍常規(guī)的Sn-15％Pb之后，在沒(méi)有Pb下進(jìn)行100wt％Sn的電鍍或Sn-Cu的電鍍時(shí)，形成金屬須(當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)遭受壓縮應(yīng)力時(shí)或當(dāng)電鍍部分的表面被氧化時(shí)，其在電鍍部分的表面上如金屬須那樣形成，并且生長(zhǎng)以釋放壓縮應(yīng)力)，從而導(dǎo)致短路并產(chǎn)品缺陷。
為了解決其中公開(kāi)的無(wú)-Pb焊料合金的上述問(wèn)題，在韓國(guó)專(zhuān)利登記10-0453074中公開(kāi)了一種無(wú)-Pb四元焊料合金，該焊料合金包括0.05～2.0wt％的Cu、0.001～2.0wt％的Ni、0.001～1.0wt％的P以及余量的Sn。
該無(wú)-Pb四元焊料合金通過(guò)將微量的P加入到常規(guī)的無(wú)-Pb的Cu-Ni-Sn三元焊料合金中以限制氧化物的反應(yīng)，并且提高了焊料的強(qiáng)度，增加了焊接接縫的耐應(yīng)力性，從而忍耐焊接接縫周?chē)臒釕?yīng)力和振動(dòng)的同時(shí)，降低了焊料合金的流動(dòng)性，因而減少了焊接缺陷。
然而，由于使用無(wú)-Pb四元焊料合金焊接時(shí)的溫度升高高達(dá)30～40℃，因此必需保證電子元件的耐熱性。而且，由于無(wú)-Pb四元焊料合金比常規(guī)的Sn-Pb焊料具有更低的耐濕性和鋪展性(降低約15％)，因此其焊接性質(zhì)惡化，并且如果進(jìn)行無(wú)-Pb電鍍(主要是，在手工元件(manual components)上電鍍Sn，以及在IC系列上電鍍Sn或電鍍Sn-Bi)，則元件的焊接性質(zhì)也被惡化。本發(fā)明是鑒于上述及其它問(wèn)題進(jìn)行的，并且本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金，盡管所述焊料合金根據(jù)焊料的應(yīng)用而具有不同的合金含量，但是相比于常規(guī)的無(wú)-Pb焊料合金，其具有更低的熔點(diǎn)，并且具有高度提高的潤(rùn)濕性和連接強(qiáng)度。從下列結(jié)合附圖的詳述中，可以更清楚地理解本發(fā)明的上述及其它目的、特征和其它優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是說(shuō)明潤(rùn)濕性和Ni含量之間的關(guān)系的圖；圖2是根據(jù)焊料合金是否含有P，說(shuō)明氧化物的量與焊接時(shí)間的關(guān)系的圖；圖3是說(shuō)明氧化物的量與P含量之間的關(guān)系的圖?，F(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。
根據(jù)本發(fā)明的無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金包含最佳量的Ag、Ni和P，以提高焊料合金的強(qiáng)度以及耐應(yīng)力性，從而容忍在焊接接縫內(nèi)的熱應(yīng)力和振動(dòng)，同時(shí)通過(guò)抑制氧化物的反應(yīng)來(lái)提高焊料合金的流動(dòng)性，通過(guò)抑制氧化物的反應(yīng)來(lái)提高焊料合金的流動(dòng)性是常規(guī)的Sn-Cu基無(wú)-Pb焊料合金的特征。
在根據(jù)本發(fā)明的焊料合金的組分中，由于Sn具有232℃的熔點(diǎn)，并且通常被用作用于連接的基礎(chǔ)金屬，因此本發(fā)明也含有作為基礎(chǔ)金屬的Sn。而且，本發(fā)明的焊料合金包含旨在提高焊接接縫處的連接強(qiáng)度的Cu和Ag以及旨在抑制Sn-Cu和Sn-Ag金屬間化合物形成的Ni。另外地，本發(fā)明的合金還包括微量的P，以進(jìn)一步降低因焊接時(shí)焊料合金的表面與氧之間的摩擦所致的氧化皮的產(chǎn)生。
當(dāng)焊料合金包括約0.7wt％的Cu和余量的Sn時(shí)，其表現(xiàn)出約227℃的熔點(diǎn)，該熔點(diǎn)比含100wt％Sn的焊料合金的232℃熔點(diǎn)低約5℃。
加入到焊料合金中的Cu的最佳量在0.3～0.8wt％的范圍。當(dāng)將0.9wt％或更多的Cu加入到焊料合金時(shí)，該焊料合金的熔點(diǎn)又被提高。焊料合金的熔點(diǎn)升高導(dǎo)致焊接溫度升高，因而對(duì)耐熱性低的電子元件產(chǎn)生負(fù)面影響，并且在澆焊或回流焊接過(guò)程中產(chǎn)生表面氧化、粘度增加、潤(rùn)濕性降低以及產(chǎn)生橋狀或毛刺狀缺陷。另一方面，可以將約2.3wt％Cu加入到焊料合金中，只要保證被連接物體比如PCB、表面上安裝的元件、金屬等的耐熱性與焊球一樣即可，因而，即使進(jìn)行焊接或金屬電鍍，潤(rùn)濕性和連接強(qiáng)度也得到了提高。
當(dāng)將0.01wt％或更多Ag加入到Sn-Cu基焊料合金時(shí)，焊料合金的潤(rùn)濕性和鋪展性比Sn-Cu-Ni-P基焊料合金的潤(rùn)濕性和鋪展性更好，但是當(dāng)加入Sn-Cu基焊料合金的Ag量少于0.01wt％時(shí)，沒(méi)有表現(xiàn)出提高焊料合金的潤(rùn)濕性和鋪展性的效果。另一方面，如果加入到Sn-Cu基焊料合金中的Ag量大于5.0wt％時(shí)，沒(méi)有表現(xiàn)出焊料合金的潤(rùn)濕性和鋪展性的增加，并且由于Ag的價(jià)格高，因此大量加入Ag在經(jīng)濟(jì)上是不適宜的。根據(jù)本發(fā)明，由于Ag的價(jià)格高，因此根據(jù)是使用酚基還是環(huán)氧基PCB，加入焊料合金中的Ag量是不同地確定的。加入焊料合金中的Ag的最佳量在0.01～0.5wt％(酚基PCB)的范圍內(nèi)或在2.0～4.0wt％的范圍內(nèi)(環(huán)氧基PCB)。
下表1所顯示的是當(dāng)將0.01～5wt％Ag加入到在韓國(guó)專(zhuān)利登記10-0453074中所公開(kāi)的無(wú)-Pb的Sn-0.5Cu-0.1Ni-0.01P的焊料合金時(shí)的潤(rùn)濕時(shí)間和Ag的成本。
通過(guò)在下列條件下使用焊劑將基礎(chǔ)金屬和焊料焊接，同時(shí)觀察基礎(chǔ)金屬和焊料之間的連接性質(zhì)，進(jìn)行試驗(yàn)。
1)使用砂紙將銅板(10×0.3mm2)磨光。
2)用I.P.A清潔后，將磨光的銅板充分干燥。
3)測(cè)量條件浸漬時(shí)間10秒浸漬深度2mmPOT溫度260℃
焊劑性質(zhì)SV-951F(固體形式12.5％)表1
如表1所示，焊料合金用于澆焊時(shí)優(yōu)選包括0.01～0.5wt％的Ag，并且用于回流焊接時(shí)包括2～4wt％的Ag。
另外，將0.01～0.1wt％的Ni加入到焊料合金中。如圖1所示，可看出潤(rùn)濕性根據(jù)Ni的含量而變化。
Ni起的作用是抑制因Sn與Cu或Ag之間的反應(yīng)所導(dǎo)致的金屬間化合物比如Sn-Cu或Sn-Ag的產(chǎn)生，同時(shí)提高在焊接POT時(shí)的熔融金屬的流動(dòng)性。
金屬間化合物具有高熔點(diǎn)，并且當(dāng)熔化合金時(shí)由于熔融金屬中金屬間化合物的存在，因此使熔融金屬的流動(dòng)性變差以及合金作為焊料的功能變差。結(jié)果，當(dāng)在焊接過(guò)程中焊料圖案(patterns)之間存在金屬間化合物時(shí)，它們形成橋，因而導(dǎo)致導(dǎo)體被短路，并且當(dāng)它們與熔融焊料分離時(shí)，可能殘留突起形狀的角。
另外，根據(jù)本發(fā)明，將微量的P加入焊料合金中。在圖2和3中，顯示氧化物含量根據(jù)P含量的變化。
當(dāng)焊接裝置在焊接過(guò)程中使用氮時(shí)，只產(chǎn)生少量的氧化物，因而使得它不一定要包括P。另一方面，如果不使用氮，則由于在99wt％或更大的范圍內(nèi)的過(guò)量Sn，熔融焊料在焊接過(guò)程中被氧化，并產(chǎn)生氧化皮或氧化物，因而在焊接過(guò)程中形成橋，同時(shí)降低了焊料合金的質(zhì)量。因此，在焊接過(guò)程中沒(méi)有使用氮的情況下，將P加入到焊料合金中，使得焊接POT中氧化皮的產(chǎn)生最少化，并且防止了橋的形成。另一方面，如果P含量為0.05wt％或更大，則沒(méi)有防止焊料合金被氧化的作用。
下表2顯示根據(jù)本發(fā)明的無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金的組成，焊料合金的熔點(diǎn)。
表2
另外，根據(jù)本發(fā)明，無(wú)論是使用酚基還是環(huán)氧基PCB，根據(jù)被電鍍的物體比如元件的引線、撓性印刷電路(FPC)、焊絲-B(絲焊)、焊球(S/B)等的耐熱性是否得到保證，或者焊接裝置在焊接時(shí)有沒(méi)有使用氮，無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金都可以具有不同的組成。
下表3顯示根據(jù)本發(fā)明無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金的應(yīng)用，焊料合金的組成。
表3
盡管已經(jīng)顯示并描述了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在沒(méi)有背離本發(fā)明的原則和精神的情況下，可以在此實(shí)施方案上進(jìn)行變化，本發(fā)明的范圍限定在權(quán)利要求及它們的等價(jià)物中。根據(jù)本發(fā)明，這些和/或其它方面都是通過(guò)提供一種包括0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％的Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn的無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1的wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以進(jìn)一步包含0.003～0.01wt％的P。
如從上面的描述顯然的是，相比于常規(guī)的無(wú)-Pb焊料合金，本發(fā)明的無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金具有更低的熔點(diǎn)，并且具有高度提高的潤(rùn)濕性和連接強(qiáng)度，因而防止了橋的產(chǎn)生。
另外，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)是使用酚基還是環(huán)氧基PCB，被電鍍的物本比如元件的引線、撓性印刷電路(FPC)、焊絲-B(絲焊)、焊球(S/B)等的耐熱性是否得到保證，或者焊接裝置在焊接時(shí)有沒(méi)有使用氮，無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金都可以具有最佳的組成。
因此，本發(fā)明的無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以以比如澆焊、回流焊接、焊接后電鍍、焊球、絲焊等的各種方式應(yīng)用到元件中。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金，其包括0.1～3.0wt％的Cu；0.01～0.5wt％的Ni；0.01～5.0wt％的Ag；以及余量的Sn。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料合金，其中所述無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料合金，其中所述無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料合金，其中所述無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料合金，其中所述無(wú)-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.8～3.2wt％的Ag以及余量的Sn。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的焊料合金，其進(jìn)一步包括0003～0.01wt％的P。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將電子元件安裝或電鍍?cè)谟∷㈦娐钒?PCB)等上的焊料合金，更具體而言，涉及一種包括無(wú)－Pb的Sn－Ag基焊料合金，其包括0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn。相比于常規(guī)的無(wú)－Pb焊料合金，本發(fā)明的無(wú)－Pb的Sn－Ag基焊料合金具有更低的熔點(diǎn)，并且具有高度提高的潤(rùn)濕性和連接強(qiáng)度，因而防止橋的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)B23K35/22GK101048258SQ200580037289
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月13日
發(fā)明者成伯基 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社