CN107000130A - 焊料合金、钎焊膏以及电路基板 - Google Patents

焊料合金、钎焊膏以及电路基板 Download PDF

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Abstract

焊料合金是实质上由锡、银、铜、铋、锑和钴构成的焊料合金。相对于焊料合金的总量，银的含有比例为2质量％以上4质量％以下。铜的含有比例为0.3质量％以上1质量％以下。铋的含有比例超过4.8质量％且为10质量％以下。锑的含有比例为3质量％以上10质量％以下。钴的含有比例为0.001质量％以上0.3质量％以下。锡的含有比例为剩余的比例。

Description

焊料合金、钎焊膏以及电路基板
技术领域
本发明涉及焊料合金、钎焊膏以及电路基板,详细而言,涉及焊料合金、含有该焊料合金的钎焊膏，进一步涉及使用该钎焊膏而得到的电路基板。
背景技术
一般而言，对于电器、电子设备等中的金属接合，采用使用钎焊膏的焊接，对于这样的钎焊膏，以往使用含有铅的焊料合金。
然而，近年来，从环境负荷的观点出发，要求抑制铅的使用，因此，不含铅的焊料合金(无铅焊料合金)的开发正在进行。
作为这样的无铅焊料合金，广为人知的是例如锡-铜系合金、锡-银-铜系合金、锡-银-铟-铋系合金、锡-铋系合金、锡-锌系合金等，尤其，广泛使用的是锡-银-铜系合金、锡-银-铟-铋系合金等。
更具体而言，例如作为锡-银-铜系合金，提出了含有银3.4质量％、铜0.7质量％、镍0.04质量％、锑3.0质量％、铋3.2质量％以及钴0.01质量％，余部为Sn的焊料材料(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2014/163167号小册子
发明内容
发明所要解决的课题
另一方面，如果利用这样的焊料合金来进行焊接，则有时因坠落振动等冲击而造成焊接部破损。因此，作为焊料合金，要求提高焊接后的耐冲击性。
进而，利用焊料合金进行焊接的部件有时会在汽车的发动机舱等比较严酷的温度循环条件(例如-40～125℃间的温度循环等)下使用。因此，作为焊料合金，要求即使在暴露于比较严酷的温度循环条件下也维持耐冲击性。
本发明的目的在于，提供一种耐冲击性优异、且即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下也能够维持优异耐冲击性的焊料合金、含有该焊料合金的钎焊膏，进而提供使用该钎焊膏而得到的电路基板。
用于解决课题的方法
本发明的一个观点涉及的焊料合金实质上是由锡、银、铜、铋、锑和钴构成的焊料合金，其特征在于，相对于所述焊料合金的总量，所述银的含有比例为2质量％以上4质量％以下，所述铜的含有比例为0.3质量％以上1质量％以下，所述铋的含有比例为超过4.8质量％且10质量％以下，所述锑的含有比例为3质量％以上10质量％以下，所述钴的含有比例为0.001质量％以上0.3质量％以下，所述锡的含有比例为剩余的比例。
此外，所述焊料合金进一步含有选自由镍、铟、镓、锗和磷组成的组中的至少一种元素，相对于焊料合金的总量，所述元素的含有比例优选为超过0质量％且1质量％以下。
此外，所述焊料合金中，所述铜的含有比例优选为0.5质量％以上0.7质量％以下。
此外，所述铋的含有比例优选超过4.8质量％且7质量％以下。
此外，所述锑的含有比例优选为5质量％以上7质量％以下。
此外，所述钴的含有比例优选为0.003质量％以上0.01质量％以下。
此外，本发明的另一观点涉及的钎焊膏的特征在于，含有由上述焊料合金形成的焊料粉末以及助焊剂。
此外，本发明的又另一观点涉及的电路基板的特征在于，具备利用上述钎焊膏进行焊接的焊接部。
发明的效果
本发明的一个观点涉及的焊料合金是实质上由锡、银、铜、铋、锑和钴构成的焊料合金，其中，各成分的含有比例设计为上述的预定量。
因此，根据本发明的一个观点涉及的焊料合金，能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下也能够维持优异耐冲击性。
并且，本发明的另一观点涉及的钎焊膏含有上述焊料合金，因此能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下也能够维持优异耐冲击性。
此外，本发明的又另一观点涉及的电路基板，在焊接中，使用上述钎焊膏，因此能够得到优异耐冲击性，此外，在比较严酷的温度循环条件的情况下也能够得到优异耐冲击性。
具体实施方式
本发明的一个观点涉及的焊料合金，作为必须成分含有锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu)、铋(Bi)、锑(Sb)和钴(Co)。换言之，焊料合金实质上由锡、银、铜、铋、锑和钴构成。需要说明的是，本说明书中，实质上的含义是指以上述各元素为必须成分，并容许以后述比例含有后述任意成分。
在这样的焊料合金中，锡的含有比例为后述各成分的剩余的比例，根据各成分的配合量而适宜设定。
相对于焊料合金的总量，银的含有比例为2质量％以上、优选为3.0质量％以上、更优选为3.3质量％以上，为4质量％以下、优选为3.8质量％以下、更优选为3.6质量％以下。
如果银的含有比例为上述范围，则能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下，也能够维持优异耐冲击性。
另一方面，当银的含有比例小于上述下限时，耐冲击性差。此外，当银的含有比例超过上述上限时，耐冲击性也差。
相对于焊料合金的总量，铜的含有比例为0.3质量％以上、优选为0.5质量％以上，为1质量％以下、优选为0.7质量％以下。
如果铜的含有比例为上述范围，则能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下，也能够维持优异耐冲击性。
另一方面，当铜的含有比例小于上述下限时，耐冲击性差。此外，当铜的含有比例超过上述上限时，耐冲击性也差。
相对于焊料合金的总量，铋的含有比例超过4.8质量％，优选为10质量％以下、优选为7质量％以下。
如果铋的含有比例为上述范围，则能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下，也能够维持优异耐冲击性。
另一方面，当铋的含有比例小于上述下限时，耐冲击性差。此外，当铋的含有比例超过上述上限时，耐冲击性也差。
相对于焊料合金的总量，锑的含有比例3质量％以上、优选超过3质量％、更优选为5质量％以上，为10质量％以下、优选为9.2质量％以下、更优选为7质量％以下。
如果锑的含有比例为上述范围，则能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下，也能够维持优异耐冲击性。
另一方面，当锑的含有比例小于上述下限时，耐冲击性差。此外，当锑的含有比例超过上述上限时，耐冲击性也差。
相对于焊料合金的总量，钴的含有比例为0.001质量％以上、优选为0.003质量％以上，为0.3质量％以下、优选为0.01质量％以下、更优选为0.007质量％以下。
如果钴的含有比例为上述范围，则能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下，也能够维持优异耐冲击性。
另一方面，当钴的含有比例小于上述下限时，耐冲击性差。此外，当钴的含有比例超过上述上限时，耐冲击性也差。
此外，上述焊料合金中，可以进一步含有镍(Ni)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、磷(P)等作为任意成分。
含有镍作为任意成分的情况下，其含有比例相对于焊料合金的总量为例如超过0质量％，例如1.0质量％以下。
如果镍的含有比例为上述范围，则能够维持本发明的优异效果。
含有铟作为任意成分的情况下，其含有比例相对于焊料合金的总量为例如超过0质量％，例如1.0质量％以下。
如果铟的含有比例为上述范围，则能够维持本发明的优异效果。
含有镓作为任意成分的情况下，其含有比例相对于焊料合金的总量为例如超过0质量％，例如1.0质量％以下。
如果镓的含有比例为上述范围，则能够维持本发明的优异效果。
含有锗作为任意成分的情况下，其含有比例相对于焊料合金的总量为例如超过0质量％，例如1.0质量％以下。
如果锗的含有比例为上述范围，则能够维持本发明的优异效果。
含有磷作为任意成分的情况下，其含有比例相对于焊料合金的总量为例如超过0质量％，例如1.0质量％以下。
如果磷的含有比例为上述范围，则能够维持本发明的优异效果。
这些任意成分可以单独使用或并用两种以上。
含有上述元素作为任意成分的情况下，将其含有比例(并用两种以上时为它们的总量)相对于焊料合金的总量调整为例如超过0质量％，例如1.0质量％以下。
如果任意成分的含有比例的总量为上述范围，则能够维持本发明的优异效果。
此外，从实现耐冲击性的提高的观点出发，上述焊料合金优选不积极含有铁(Fe)。换言之，焊料合金优选除了作为后述杂质的铁(Fe)以外，不含铁(Fe)。
并且，这样的焊料合金可以通过使上述各金属成分在熔炉中熔化，进行均匀化等公知的方法进行合金化来得到。
需要说明的是，用于制造焊料合金的上述各金属成分可以在不阻碍本发明的优异效果的范围内含有微量的杂质(不可避免的杂质)。
作为杂质，可举出例如铝(Al)、铁(Fe)、锌(Zn)、金(Au)等。
并且，这样得到的焊料合金的、通过DSC法(测定条件：升温速度0.5℃/分钟)测定的熔点例如为190℃以上，优选为200℃以上，例如为250℃以下，优选为240℃以下。
如果焊料合金的熔点为上述范围，则用于钎焊膏时，能够简易且作业性良好地进行金属接合。
并且，上述焊料合金实质上是由锡、银、铜、铋、锑和钴构成的焊料合金，其中，将各成分的含有比例设计为上述预定量。
因此，根据上述焊料合金，能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下也能够维持优异耐冲击性。
因此，优选在钎焊膏(钎焊膏接合材)中含有这样的焊料合金。
具体而言，本发明的另一观点涉及的钎焊膏含有上述焊料合金和助焊剂。
钎焊膏中，焊料合金优选以粉末形式含有。
作为粉末形状，没有特别限制，可举出例如实质上完整的球状、例如扁平的块状、例如针状等，此外，也可以是不定形。粉末形状根据钎焊膏所需要的性能(例如触变性、粘度等)而适宜设定。
对于焊料合金粉末的平均粒径(球状的情况下)、或平均长度方向长度(非球状的情况下)，在使用采用了激光衍射法的粒径-粒度分布测定装置的测定中，例如为5μm以上、优选为15μm以上，例如为100μm以下、优选为50μm以下。
作为助焊剂，没有特别限制，可使用公知的焊料助焊剂。
具体而言，助焊剂以例如基础树脂(松香、丙烯酸树脂等)、活性剂(例如乙胺、丙胺等胺的氢卤酸盐、例如乳酸、柠檬酸、苯甲酸等有机羧酸等)、触变性剂(硬化蓖麻油、蜂蜡、巴西棕榈蜡等)等为主成分，此外，在将助焊剂制成液态来使用的情况下，可以进一步含有有机溶剂。
而且，钎焊膏可以通过将由上述焊料合金形成的粉末与上述助焊剂用公知的方法进行混合来得到。
焊料合金与助焊剂的配合比例，作为焊料合金焊料合金：助焊剂(质量比)为例如70:30～95:5。
并且，由于上述钎焊膏含有上述焊料合金，因此能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下也能够维持优异耐冲击性。
此外，本发明包含一种电路基板，具备由上述钎焊膏的焊接形成的焊接部。
即，上述钎焊膏适合用于例如电器、电子设备等电路基板的电极与电子部件的焊接(金属接合)。
作为电子部件，没有特别限制，可举出例如芯片部件(IC芯片等)、电阻器、二极管、电容器、晶体管等公知的电子部件。
并且，这样的电路基板在焊接中使用上述钎焊膏，因此能够得到优异耐冲击性，此外，即使在暴露于比较严酷的温度循环条件的情况下也能够维持优异耐冲击性。
需要说明的是，上述焊料合金的使用方法不限于上述钎焊膏，还可以用于制造例如松脂芯焊接材。具体而言，可以通过例如公知的方法(例如挤出成型等)，以上述助焊剂为芯将上述焊料合金成型为线状，从而能够得到松脂芯焊接材。
并且，这样的松脂芯焊接材也与钎焊膏同样地，适合用于例如电器、电子设备等电路基板的焊接(金属接合)。
实施例
接着，基于实施例和比较例来说明本发明，但本发明并不限于下述实施例。在以下记载中所用的配合比例(含有比例)、物性值、参数等具体数值可以替换成上述“具体实施方式”中记载的、与它们对应的配合比例(含有比例)、物性值、参数等该记载的上限值(按照“以下”、“小于”的方式定义的数值)或下限值(按照“以上”、“超过”的方式定义的数值)。
实施例1～24和比较例1～16
-焊料合金的调制
将表1～2所述的各金属的粉末分别按照表1～2所述的配合比例进行混合，使所得到的金属混合物在熔炉中熔化和均匀化，调制焊料合金。
此外，各实施例和各比较例的配方中的锡(Sn)的配合比例是从焊料合金的总量减去表1～2所述的各金属(银(Ag)、铜(Cu)、铋(Bi)、锑(Sb)、钴(Co)、镍(Ni)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、磷(P)和铁(Fe))的配合比例(质量％)而得到的余部。
对于实施例1的焊料合金，以表1所示的比例配合了Ag、Cu、Bi、Sb和Co的各金属。余部的比例为Sn。
实施例2～4是相对于实施例1的配方，使Ag的配合比例增减的配方例。
实施例5～7是相对于实施例1的配方，使Cu的含有比例增减的配方例。
实施例8～10是相对于实施例1的配方，使Bi的含有比例增减的配方例。
实施例11～14是相对于实施例1的配方，使Sb的含有比例增减的配方例。
实施例15～18是相对于实施例1的配方，使Co的含有比例增减的配方例。
实施例19～23是相对于实施例1的配方，按照表1所示的比例添加了Ni、In、Ga、Ge和P中的任一种的配方例，实施例24是按照表1所示的比例添加了Ni、In、Ga、Ge和P的全部的配方例。
比较例1～2是相对于实施例1的配方，使Ag的配合比例增减，使Ag过剩或不足的配方例。
比较例3～4是相对于实施例1的配方，使Cu的配合比例增减，使Cu过剩或不足的配方例。
比较例5～6是相对于实施例1的配方，使Bi的配合比例增减，使Bi过剩或不足的配方例。
比较例7～8是相对于实施例1的配方，使Sb的配合比例增减，使Sb过剩或不足的配方例。
比较例9～10是相对于实施例1的配方，使Co的配合比例增减，使Co过剩或不足的配方例。
比较例11是相对于实施例17的配方，使Bi和Sb的配合比例减少，使Bi和Sb双方不足，进而按照表1所示的比例配合了Ni的配方例。
比较例12是相对于实施例17的配方，使Bi和Sb的配合比例减少，使Bi和Sb双方不足的配方例。
比较例13是相对于实施例17的配方，配合Fe(0.01质量％)来替代了Co(0.01质量％)的配方例。
比较例14是相对于实施例17的配方，使Bi的配合比例减少，使Bi不足的配方例。
比较例15是相对于实施例17的配方，使Sb的配合比例减少，使Sb不足的配方例。
比较例16是相对于实施例17的配方，进一步配合了Fe的配方例。
-钎焊膏的调制
将所得到的焊料合金粉末化，以使粒径成为25～38μm，将所得到的焊料合金的粉末和公知的助焊剂混合，得到钎焊膏。
-钎焊膏的评价
在芯片部件搭载用印刷基板上印刷所得钎焊膏，通过回流法安装了芯片部件。关于安装时的钎焊膏的印刷条件、芯片部件的尺寸等，根据后述各评价而适宜设定。
表1
表2
＜评价＞
在芯片部件搭载用印刷基板上印刷使用了各实施例和各比较例中得到的合金的钎焊膏，通过回流法安装了芯片部件。钎焊膏的印刷膜厚使用厚度150μm的金属掩模进行调整。钎焊膏的印刷后，将铝电解电容器(5.8mm高)搭载于上述印刷基板的预定位置，在回流炉加热，安装了芯片部件。回流条件设定如下：预热170～190℃、峰值温度245℃、在220℃以上的时间为45秒、从峰值温度降温至200℃时的冷却速度为3～8℃/秒。
进而，将上述印刷基板提供至在125℃的环境下保持30分钟，接着在-40℃的环境下保持30分钟的冷热循环试验。其结果如表3和表4所示。
＜坠落冲击性＞
对于刚安装部件后的印刷基板，使其从1m的高度坠落5次，通过外观观察来评价部件与基板的接合部是否破坏。
具体而言，100个搭载部件中，坠落个数为5个以下的情况设为等级A++(5分)、坠落个数6～10个的情况设为等级A+(4分)、坠落个数11～15个的情况设为等级A(3分)、坠落个数16～30个的情况设为等级B(2分)、坠落个数31～50个的情况设为等级C(1分)、坠落个数51个以上的情况设为等级D(0分)。
此外，对于将冷热循环重复了1000循环的印刷基板，也与上述同样地评价。
＜综合评价＞
“坠落冲击性”和“冷热循环后的坠落冲击性”的合计分数为10分的情况设为综合判定A++、合计分数为8分或9分的情况设为综合判定A+、合计分数为6分或7分的情况设为综合判定A、合计分数未4分或5分的情况设为综合判定B、合计分数为2分或3分的情况设为综合判定C、合计分数为0分或1分的情况设为综合判定D。
表3
编号 耐冲击性 冷热循环后耐冲击性 综合评价
实施例1 A++ A++ A++
实施例2 A+ A A
实施例3 A++ A+ A+
实施例4 A+ A A
实施例5 A A A
实施例6 A+ A+ A+
实施例7 A A A
实施例8 A++ A+ A+
实施例9 A+ A A
实施例10 A B B
实施例11 A B B
实施例12 A+ A+ A+
实施例13 A A A
实施例14 B B B
实施例15 A A A
实施例16 A++ A+ A+
实施例17 A+ A+ A+
实施例18 A B B
实施例19 A++ A++ A++
实施例20 A++ A++ A++
实施例21 A++ A++ A++
实施例22 A++ A++ A++
实施例23 A++ A++ A++
实施例24 A++ A++ A++
表4
编号 耐冲击性 冷热循环后耐冲击性 综合评价
比较例1 B C C
比较例2 B C C
比较例3 B C C
比较例4 B C C
比较例5 D D D
比较例6 D D D
比较例7 D D D
比较例8 D D D
比较例9 D D D
比较例10 D D D
比较例11 D D D
比较例12 D D D
比较例13 D D D
比较例14 C D D
比较例15 C D D
比较例16 C C C
需要说明的是，作为本发明的例示的实施方式而提供了上述发明，但这仅仅是例示，不能进行限定性的解释。对于本领域技术人员而言为显而易见的本发明的变形例将包含在后述权利要求的范围中。
产业上的可利用性
本发明的焊料合金、焊料组合物和钎焊膏用于在电器、电子设备等中使用的电路基板。

Claims (8)

1.一种焊料合金，是实质上由锡、银、铜、铋、锑和钴构成的焊料合金，其特征在于，
相对于所述焊料合金的总量，
所述银的含有比例为2质量％以上4质量％以下，
所述铜的含有比例为0.3质量％以上1质量％以下，
所述铋的含有比例超过4.8质量％且为10质量％以下
所述锑的含有比例为3质量％以上10质量％以下，
所述钴的含有比例为0.001质量％以上0.3质量％以下，
所述锡的含有比例为剩余的比例。
2.如权利要求1所述的焊料合金，进一步含有选自由镍、铟、镓、锗和磷组成的组中的至少一种元素，
相对于焊料合金的总量，所述元素的含有比例超过0质量％且为1质量％以下。
3.如权利要求1所述的焊料合金，所述铜的含有比例为0.5质量％以上0.7质量％以下。
4.如权利要求1所述的焊料合金，所述铋的含有比例超过4.8质量％且为7质量％以下。
5.如权利要求1所述的焊料合金，所述锑的含有比例为5质量％以上7质量％以下。
6.如权利要求1所述的焊料合金，所述钴的含有比例为0.003质量％以上0.01质量％以下。
7.一种钎焊膏，其特征在于，含有由权利要求1所述的焊料合金形成的焊料粉末以及助焊剂。
8.一种电路基板，其特征在于，具备利用权利要求7所述的钎焊膏进行焊接的焊接部。
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