專利名稱：Bi-Sn系高溫焊料合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及B1-Sn系高溫焊料合金。
背景技術(shù)：
電子設(shè)備為將電子部件配置在印刷電路基板等外部電路上而構(gòu)成的、發(fā)揮特定的功能的設(shè)備。在電子部件與印刷電路基板等外部電路的接合中，從可以在低溫下接合、廉價(jià)、接合可靠性高的觀點(diǎn)出發(fā)，迄今一直使用焊料。此外，在電子設(shè)備所使用的電子部件中設(shè)置有接合印刷電路基板的部件引線等端子，在電子部件內(nèi)部將發(fā)揮電子部件原本功能的部件元件與部件引線等接合的位置處也使用焊料。以下，將這種在電子部件內(nèi)部進(jìn)行的焊接稱為電子部件的“內(nèi)部接合焊接”，將在這種用途中使用的焊料稱為電子部件的“內(nèi)部接合用”焊料。并且，如此得到的焊接接頭為“內(nèi)部接合焊接接頭”。對(duì)于在電子設(shè)備的焊接中使用的焊料合金，在Sn與Pb的焊料合金中使用熔融溫度低的Sn60%左右的焊料合金。特別是Sn63-Pb37的組成的焊料合金由于固相線溫度與液相線溫度相同均為183°C，因此焊料冷卻時(shí)的裂紋的發(fā)生少，Sn63-Pb37的組成的焊料合金由于在Sn與Pb的各種焊料合金中熔融溫度最低，因此由熱導(dǎo)致的對(duì)電子部件的損傷小。因此其被廣泛使用，以至于通常所說的焊料絕大多數(shù)是指Sn63-Pb37焊料合金。然而，若在電子部件的內(nèi)部接合用途中使用這樣的Sn63-Pb37焊料合金，則在制造電子設(shè)備時(shí)，會(huì)為了焊接電子部件與印刷電路基板的外部電路而進(jìn)行加熱，此時(shí)的加熱會(huì)導(dǎo)致在電子部件內(nèi)部焊料熔出產(chǎn)生短路、或者導(dǎo)致用焊料接合的部件元件與部件引線分離、不能實(shí)現(xiàn)作為電子部件的功能。由此電子部件的內(nèi)部接合用焊料使用比Sn63-Pb37焊料合金熔融溫度高的焊料合金。這些焊料合金與印刷電路基板的焊接中所使用的Sn63-Pb37等焊料合金相比熔融溫度高，因此被稱為高溫焊料。用于電子部件的內(nèi)部接合用途的現(xiàn)有的高溫焊料的組成有Pb-1OSn (固相線溫度268°C、液相線溫度302°C)、Pb-5Sn (固相線溫度307°C、液相線溫度313°C )、Pb_2Ag-8Sn (固相線溫度275°C、液相線溫度346°C)、Pb-5Ag (固相線溫度304°C、液相線溫度365°C)等，主要以Pb為主要成分。由于這些高溫焊料的固相線溫度在260°C以上，因此即使使用了用于印刷電路基板的焊接的Sn63-Pb37共晶焊料的焊接溫度達(dá)到偏高的230°C，用上述高溫焊料焊接的電子部件內(nèi)部的焊接部也不會(huì)在印刷電路基板焊接時(shí)熔融。然而，近年來Pb成分的毒性成為問題，開始逐漸廣泛采用所謂的無鉛焊料。目前，作為大多使用的無鉛焊料，為Sn-3Ag-0. 5Cu (固相線溫度217°C、液相線溫度220°C)、Sn-8Zn-3Bi (固相線溫度190°C、液相線溫度197。。)、Sn_2，5Ag_0. 5Cu_lBi (固相線溫度214°C、液相線溫度221°C)等。這些無鉛焊料與以往的Sn63-Pb37焊料合金相比，焊料合金的熔融溫度增高了約40 0C左右。然而，由于Pb的限制，即使想要在最初的焊接中使用高溫的無鉛焊料，至今也沒有以Sn為主要成分且固相線溫度在260°C以上的高溫焊料。例如，在固相線溫度(共晶溫度)為221°C的Sn-Ag系中，即使增加Ag上升的也是液相線溫度、而固相線溫度卻未能上升。固相線溫度227°C的Sn-Sb系是極度增加Sb的情況，液相線溫度也極度上升。在它們中即使添加其他的元素，固相線溫度也不變高，不能改變?cè)撎匦?。認(rèn)為無鉛焊料不能作為電子部件的內(nèi)部接合用的高溫焊料使用。本申請(qǐng)人在專利文獻(xiàn)I中公開了焊膏作為代替Pb-Sn高溫焊料的焊料合金的發(fā)明，所述焊膏的特征在于，其是由Bi粉末或選自B1-Ag系、B1-Cu系、B1-Sb系、B1-Zn系的固相線溫度在260°C以上且液相線溫度在360°C以下的以Bi為主要成分的高溫焊料粉末、和含有熱固化性的粘接劑的助焊劑(flux)組成的。此外，專利文獻(xiàn)2中公開了在Bi和作為第2元素的Ag中添加選自Sn、Cu、In、Sb、Zn的第3元素的焊料組合物。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開2005-72173號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :日本特開2001-353590號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，關(guān)于本申請(qǐng)人在專利文獻(xiàn)I中公開的在Bi中添加Ag、Cu等的焊料合金，由于這些Bi合金的強(qiáng)度低，因此不能實(shí)用化。關(guān)于在專利文獻(xiàn)2中公開的B1-Ag系焊料合金，其為在Bi和Ag中添加選自Sn、Cu、In、Sb、Zn中的一種元素而得到的焊料組合物，其具有即使與玻璃等脆的物質(zhì)接合也不破碎的特性，雖然利用了不凝固收縮這一 Bi的特性，但專利文獻(xiàn)2的發(fā)明的焊料合金的強(qiáng)度低，以外裝樹脂的使用為前提，因此不能用在無法進(jìn)行外裝樹脂的被覆的部位。如上所述，現(xiàn)有的B1-Ag系高溫焊料合金由于焊料合金自身的強(qiáng)度低，不能避免外裝樹脂的使用。因此，所使用的部位受到限制。本發(fā)明的目的在于提供即使不使用外裝樹脂等，也可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的Pb-Sn系高溫焊料同樣使用的B1-Sn系焊料合金及焊接接頭。用于解決問題的方案本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，在B1-Sn系焊料合金中，若將Sn的含量限制在I 5質(zhì)量％，并添加O. 5 5質(zhì)量％Sb，則焊料合金的強(qiáng)度提高，可以得到與現(xiàn)有的Pb-Sn系高溫焊料相同的焊料強(qiáng)度，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明人等進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，Ag也可在B1-Sn系焊料合金中發(fā)揮出與Sb相同的作用效
果O本發(fā)明涉及的焊料合金的特征在于，其在含有90質(zhì)量％以上的B1、I 5質(zhì)量％的Sn的B1-Sn焊料合金中添加有Sb :0. 5 5質(zhì)量％和Ag :0. 5 5質(zhì)量％中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方式，上述焊料合金還可以含有P :0. 0004 O. 01質(zhì)量％。根據(jù)其他的方式，本發(fā)明為具有上述焊料合金的組成的高溫焊接接頭，特別為內(nèi)部接合焊接接頭。需要說明的是，在本說明書中，對(duì)于各成分的含有比例，有出于方便而僅單純地用數(shù)字表示的情況、用“％”表示的情況以及用“質(zhì)量％”表示的情況，它們均指“質(zhì)量％”。
發(fā)明的效果基于本發(fā)明，可以得到焊料強(qiáng)度高、潤(rùn)濕性高的高溫B1-Sn系焊料合金及耐熱性優(yōu)異的焊接接頭。此外，不需要現(xiàn)有的B1-Ag系焊料合金所需要的外裝樹脂，以往適用位置是限定的，而本發(fā)明的B1-Sn系焊料合金可以不挑選使用位置進(jìn)行使用。


圖1為示出實(shí)施例中耐熱性試驗(yàn)結(jié)果的焊接接頭的剖視圖。圖2為示出比較例的耐熱性試驗(yàn)結(jié)果的焊接接頭的剖視圖。
具體實(shí)施例方式迄今為止，B1-Sn系合金容易形成B1-Sn的共晶組織，因此如專利文獻(xiàn)I所示那樣，僅有Sn含量最高為O. 5%這樣的極少量添加的例子。然而，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)即使是包含Sn :1 5質(zhì)量％的B1-Sn系合金，通過添加Sb，抑制具有硬、脆特性的B1-Sn的共晶組織的形成，竟然可以得到合金自身的強(qiáng)度高的B1-Sn系焊料合金。Sb的添加所帶來的抑制B1-Sn共晶組織的形成的理由尚未明確，推測(cè)與在本發(fā)明的B1-Sn系焊料合金中添加的Sb為與Bi完全固溶的金屬有關(guān)。相同的效果也會(huì)由于Ag的添加而產(chǎn)生，因此推測(cè)抑制B1-Sn共晶組織生成的機(jī)理因Sb、Ag而有所不同。特別是,添加Ag時(shí),可以進(jìn)一步提高B1-Sn焊料合金的潤(rùn)濕性。在本發(fā)明的B1-Sn焊料合金中添加的Ag即使單獨(dú)添加到B1-Sn焊料中也可確認(rèn)到效果,但通過使其與Sb共存，可改善由于添加Sb而降低的焊料的潤(rùn)濕性，表現(xiàn)出最優(yōu)異的效果。本發(fā)明的焊料合金作為高溫焊料而使用，因此使用中Sn-Bi的共晶溫度若清晰的顯示為139°C (共晶點(diǎn)的Sn含量大約為65質(zhì)量％)，則在再回流時(shí)會(huì)熔解而不能作為高溫焊料使用。此外，單獨(dú)的Bi與Cu等基板中所使用的金屬的潤(rùn)濕性差，不能得到接合強(qiáng)度。所以，在Bi中需要添加少量的Sn。在本發(fā)明中，Bi含量設(shè)置為90質(zhì)量％以上，若Bi含量少于90質(zhì)量％，換言之，若增量添加Sn，則由于Sn具有使熔點(diǎn)降低的作用，因此為了確保作為高溫焊料的特性、例如250°C以上的固相線溫度時(shí)，需要增加Ag、Sb的添加量。然而，這樣的情況下，Bi合金中的Ag3Sn、SnSb金屬間化合物增加,焊料的強(qiáng)度雖增高,但延展性降低，容易引起解理破壞(cleavage fracture)。然而,另一方面,若減少Sn添加量、增加Ag、Sb的添加量,貝U即使焊料開始熔融，Sn也仍以Ag3Sn、SnSb金屬間化合物的狀態(tài)存在，潤(rùn)濕初期，在熔融的Bi中幾乎不存在Sn，潤(rùn)濕變得極差。若僅考慮潤(rùn)濕性，則理想的是，在潤(rùn)濕初始階段于熔融Bi中存在I 2%的Sn，這些Sn通過與電極反應(yīng)而消耗，即使Bi中的Sn的量減少情況也繼續(xù)進(jìn)行加熱，由此焊料中的Ag3Sn、SnSb金屬間化合物分解，Sn被供給至熔融的Bi中，潤(rùn)濕性持續(xù)，可維持良好的潤(rùn)濕展開。因此，這樣即使僅增加Sn的量也可改善潤(rùn)濕性，但在配混90質(zhì)量％以上的B1、I 5質(zhì)量％的Sn的本發(fā)明的焊料合金中，暫時(shí)分解的Ag3Sn、SnSb金屬間化合物在焊料凝固時(shí)重新與Sn結(jié)合而再次形成金屬間化合物，由此防止熔點(diǎn)的降低，因此對(duì)僅添加Sn的量的焊料所無法實(shí)現(xiàn)的、維持高溫下的強(qiáng)度而言是有效的。關(guān)于本發(fā)明中所含的Sn的量，低于I質(zhì)量％時(shí)與單獨(dú)使用Bi同樣潤(rùn)濕性變差，Sn的含量超過5質(zhì)量％時(shí)，即使添加Sb/Ag，也會(huì)過量生成Sn-Cu的金屬間化合物，使焊接強(qiáng)度降低。因此，Sn的含量為I 5質(zhì)量％。優(yōu)選Sn的下限為1.5質(zhì)量％。同樣，優(yōu)選上限為3質(zhì)量％，更優(yōu)選為2質(zhì)量％。在本發(fā)明中，在上述的B1-Sn系焊料合金中進(jìn)一步配混選自Sb及Ag所組成的組中的至少一種元素。關(guān)于在本發(fā)明的B1-Sn系的焊料合金中添加的Sb的量,若小于0.5質(zhì)量％，則不能得到焊料合金的強(qiáng)度改善，若大于5質(zhì)量％，則焊料合金的潤(rùn)濕性降低，此外，焊料接合部的強(qiáng)度未得到改善。因此，添加0.5 5質(zhì)量％的Sb。優(yōu)選下限為2質(zhì)量％。另一方面，優(yōu)選上限為3質(zhì)量％。此外，關(guān)于本發(fā)明的B1-Sn系焊料合金中添加的Ag的量，若小于0.5質(zhì)量％，則焊料潤(rùn)濕性得不到改善，若大于5質(zhì)量％，則Sn-Ag的金屬化合物層變厚，焊接接合部的強(qiáng)度降低。因此,本發(fā)明中添加的Ag的含量為0.5 5質(zhì)量％。優(yōu)選為2 4質(zhì)量％。為了進(jìn)一步改善本發(fā)明的高溫焊料合金的潤(rùn)濕性，還可以含有P:0.0004 0.01質(zhì)量％。若低于p:0.0004質(zhì)量％，則潤(rùn)濕性改善效果不充分，另一方面，若超過P:0.01質(zhì)量％，則反而會(huì)造成強(qiáng)度降低。優(yōu)選含有P:0.001 0.005質(zhì)量％。本發(fā)明所述的高溫焊料合金用于電子部件的內(nèi)部接合用焊接，也可用于功率晶體管、變壓器等這種通電時(shí)發(fā)熱的位置的焊接。使用本發(fā)明的高溫焊料合金而得到的焊接接頭、特別是內(nèi)部接合焊接接頭即使進(jìn)行再回流焊接也能發(fā)揮在接合部不出現(xiàn)剝離的優(yōu)異效果。實(shí)施例制作具有表I的組成的焊料合金，分別按照下述要點(diǎn)測(cè)定焊料合金的熔融溫度與焊料合金的塊強(qiáng)度(bulk strength)、焊料鋪展率、焊接性、及作為內(nèi)部接合焊接的例子的焊接接頭的耐熱性。焊料合金的熔融溫度以JIS Z3198-1為基準(zhǔn)測(cè)定。測(cè)定裝置使用SIINanoTechnology Inc.制造的熱分析裝置(DSC6000),在升溫速度30°C /min的條件下測(cè)定。凝固開始點(diǎn)溫度(液相溫度)也使用同樣的裝置測(cè)定。焊料合金的塊強(qiáng)度使用株式會(huì)社島津制作所制造的AG-20KN，以JIS Z3198-2為
基準(zhǔn)測(cè)定。焊料鋪展率以JIS Z3198-3為基準(zhǔn)測(cè)定。其中，使用具備Ag電極的陶瓷基板與具備Cu電極的玻璃環(huán)氧基板這兩種基板，加熱用焊料浴的溫度為330°C，在氮?dú)鈿夥障聹y(cè)定。基于高溫加熱試驗(yàn)的焊接性(潤(rùn)濕性)及耐熱性(剝離性)的試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)基準(zhǔn)如下。焊接試驗(yàn)(i)試驗(yàn)片的制作條件:不使用助焊劑，在氫還原氣氛下對(duì)引線框的電極直接供給焊料絲，進(jìn)行焊接。(ii)硅芯片:5.5X5.5mm Ni/Au 鍍覆(0.05 μ m)(ii) Cu制引線框:焊盤尺寸6.0X6.0mm、鍍覆:電鍍Cu (2μηι),電鍍Ag (5 μ m)
(iii)焊接裝置:(焊料供給及硅片搭載)Diebonder BESTEM03Hp Canon Machinery Company 制造(iv)焊接條件(soldering profile):焊料供給350°C、娃片搭載350°C氣氛:氫:氮=9:1(V)樹脂模塑:埋設(shè)于環(huán)氧樹脂中，室溫放置24小時(shí)進(jìn)行固化，成形為樹脂厚度3mm ο試驗(yàn)片制作時(shí)，一部分的焊料難以與Cu引線框(電極)焊接，對(duì)這些焊料，不能實(shí)施高溫耐熱試驗(yàn)。將能對(duì)Cu電極供給焊料的試驗(yàn)片評(píng)價(jià)為合格(〇)。高溫耐熱試驗(yàn):準(zhǔn)備焊料浴溫度為240°C和250°C、容量為1.5kg的焊料槽，將用環(huán)氧樹脂模塑了的硅芯片貼片部件在焊料中浸潰120sec而進(jìn)行耐熱試驗(yàn)。用SEM以200倍觀察高溫耐熱試驗(yàn)后的試驗(yàn)片的截面，將如圖1所示那樣焊料沒有熔融、沒有焊料接合部的剝離、樹脂與引線框界面的剝離的情況評(píng)價(jià)為合格(〇)。將如圖2所示那樣有焊料接合部的剝離或樹脂與引線框界面的剝離的情況評(píng)價(jià)為不合格(X )。將結(jié)果匯 總示于表I。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種高溫焊料合金，其特征在于，其具有如下合金組成:90質(zhì)量％以上的B1、l 5質(zhì)量％的Sn、分別為0.5 5質(zhì)量％的選自Sb和/或Ag中的至少一種元素、余量為Bi。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫焊料合金，其特征在于，所述合金組成還添加有0.0004 0.01 質(zhì)量 ％ 的 P。
3.—種高溫焊接接頭，其具有權(quán)利要求1或2所述的合金組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫焊接接頭，其中，所述高溫焊接接頭為內(nèi)部接合焊接接頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及高溫焊料合金，其為含有90質(zhì)量%以上Bi的Bi-Sn系的焊料合金，其還含有Sn1～5質(zhì)量%，選自Sb和/或Ag的至少一種元素分別為0.5～5質(zhì)量%，進(jìn)一步優(yōu)選含有P0.0004～0.01質(zhì)量%。
文檔編號(hào)B23K1/00GK103079751SQ20118004196
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者上島稔, 稻川芳實(shí), 豐田實(shí) 申請(qǐng)人:千住金屬工業(yè)株式會(huì)社