TWI646203B - Solder alloy - Google Patents
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Abstract
提供一種新穎之焊料合金,含有Sn、Bi及Zn,藉由使Bi為42~62質量%,Zn為0.2~3.6質量%,剩餘部分為Sn及不可避免之雜質,而可於低溫區域使用。
Description
本發明係關於一種焊料合金。
就環境方面考慮,推薦使用不含有鉛之焊料合金。焊料合金根據其組成,適於用作焊料之溫度區域會發生變化。
以往之有鉛焊料Sn-37Pb熔點為183℃,焊料特性及作業性等良好,但由於含有鉛,故而就環境問題之方面而言,推進無鉛化,作為無鉛焊料,開發出Sn-3.0Ag-0.5Cu,並進行實用化(專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3027441號公報
上述Sn-Ag-Cu之熔點較高為217℃。因此,作為進一步之低熔點無鉛焊料,開發出熔點溫度為200℃,低於Sn-Ag-Cu之Sn-Ag-Bi-In,但與Sn-Pb之熔點溫度相比依然高,從而謀求一種更低熔點焊料。又,作為
公知之二元焊料合金,亦已知有一種Bi-42Sn(熔點135℃)。然而,該焊料之彈性模數低,疲勞特性差。再者,焊料之組成只要未特別說明則為質量%表示,上述Bi-42Sn為Sn:42質量%、剩餘部分Bi之組成。
因此,本發明之目的在於提供一種不添加且不含有鉛,可於低溫區域使用之新穎之焊料合金。
本發明人進行努力研究,結果發現藉由下述Bi-Sn-Zn基焊料合金,可達成上述目的,從而完成本發明。
因此,本發明含有以下之(1)以下。
(1)
一種焊料合金,含有Sn、Bi及Zn,Bi為42~62質量%,Zn為0.2~3.6質量%,剩餘部分為Sn及不可避免之雜質。
(2)
如(1)記載之焊料合金,其中,Sn為36~56質量%。
(3)
如(1)至(2)中任一項記載之焊料合金,其中,Bi為47~57質量%。
(4)
如(1)至(3)中任一項記載之焊料合金,其中,Zn為0.6~2.0質量%。
(5)
如(1)至(4)中任一項記載之焊料合金,其固相線溫度為135℃以下。
(6)
如(1)至(5)中任一項記載之焊料合金,其液相線溫度為160℃以下。
(7)
如(1)至(6)中任一項記載之焊料合金,其中,下式:[液相線溫度]-[固相線溫度]之值為25℃以下。
(8)
如(1)至(7)中任一項記載之焊料合金,其彈性模數為450MPa以上。
(9)
一種電子零件之內部接合焊接接頭,係以(1)至(8)中任一項記載之焊料合金焊接而成。
(10)
一種功率電晶體之焊料接頭,係以(1)至(8)中任一項記載之焊料合金焊接而成。
(11)
一種印刷電路板,具有(1)至(8)中任一項記載之焊料合金。
(12)
一種電子零件,具有(1)至(8)中任一項記載之焊料合金。
(13)
一種功率電晶體,具有(1)至(8)中任一項記載之焊料合金。
(14)
一種電子機器,具有(9)至(10)中任一項記載之焊料接頭,或(11)記載之印刷電路板,或(12)記載之電子零件、或(13)記載之功率電晶體。
(15)
一種功率裝置,具有(9)至(10)中任一項記載之焊料接頭。
(16)
一種構件,以(1)至(8)中任一項記載之焊料合金作為材料。
(17)
如(1)至(8)中任一項記載之焊料合金,其接合強度為10MPa以上。
根據本發明,可獲得不添加且不含有鉛,於160℃以下之低溫之溫度區域具有優異之特性的焊料合金。本發明之焊料合金由於不添加且不含有鉛,故而就將來之環境限制之觀點而言亦較為有利,由於不使用昂貴之Ag等,故而就材料價格之方面而言亦較為有利。
以下,列舉實施態樣詳細地說明本發明。本發明並不限定於以下列舉之具體之實施態樣。
[焊料合金]
本發明之焊料合金含有Sn、Bi及Zn,Bi為42~62質量%,Zn為0.2~3.6質量%,剩餘部分為Sn及不可避免之雜質。
本發明之焊料合金為所謂無鉛焊料合金。無鉛焊料合金亦被稱為無Pb,但可以環境負荷足夠低之程度之含量,含有鉛作為不可避免之
雜質。本發明之焊料合金係於使用以往之無Pb焊料之溫度區域(例如160℃以下之溫度區域)亦具有優異的特性。即,固相線溫度及液相線溫度處於低溫度,潤濕性、強度等焊料要求之特性優異。
[Sn]
Sn(錫)為作為本發明之焊料合金的主要之構成元素而含有。於較佳之實施態樣中,Sn相對於焊料合金之含量例如可設為36~58質量%、36~56質量%、41~51質量%、43~49質量%。
[Bi]
Bi相對於焊料合金之含量例如可設為42~62質量%、42~61質量%、47~57質量%、49~55質量%。
[Zn]
Zn相對於焊料合金之含量例如可設為0.2~3.6質量%、0.6~2.0質量%、0.6~1.8質量%。
[固相線溫度]
固相線溫度例如可設為135℃以下、134℃以下、133℃以下,且例如可設為120℃以上、131℃以上、133℃以上。
[液相線溫度]
液相線溫度例如可設為159℃以下、136℃以下,且例如可設為120℃以上、131℃以上、136℃以上、138℃以上。
[液相線溫度及固相線溫度]
於較佳之實施態樣中,可將下式:[液相線溫度]-[固相線溫度]之值(固相液相溫度差:PR)設為25℃以下、20℃以下、10℃以下。PR例如可設為
3℃以上。本發明之焊料合金由於PR小,故而於用於焊接時,可實現優異之尺寸精度。
於焊接中,若PR大,則焊料難以變硬,尺寸精度變差。尤其對具有某一程度之大小,根據形狀容易發生焊接不良之焊球等而言,因PR之大小引起的影響大。例如,為藉由PR大之焊料合金形成的焊球之情形時,即便變硬,僅為外側,於內側成為混合有液狀者之狀態,形狀因接著時等之壓力而變形。於藉由多個焊球接合1片晶片之情形時,因使用形狀(高度)不同之焊球,而無法順利地接合晶片,容易發生焊接不良(例如立碑、舉離)。若PR小,則立即固化,故而空隙少,於焊接時混合存在液相固相之時間短,因此不易發生焊接不良。
[較佳之組成]
於較佳之實施態樣中,焊料合金之組成例如可設為以下。
Sn:Bi:Zn=45.4~47.4質量%:51.4~52.4質量%:1.0~1.4質量%
Sn:Bi:Zn=46.37質量%:52.40質量%:1.23質量%
[接合強度]
焊料合金之接合強度可藉由實施例中記載之手段進行測量。於較佳之實施態樣中,接合強度例如可設為10MPa以上或15MPa以上。
[彈性模數]
焊料合金之彈性模數高於作為自以往已知之合金的Bi-42Sn,疲勞特性優異。於較佳之實施態樣中,焊料合金之彈性模數可設為450MPa以上。焊料合金之彈性模數之上限並無特別限制,例如可設為600MPa以下、550MPa以下。
彈性模數亦被稱為別名彈簧常數,為不會發生塑性變形之應力區域(亦稱為彈性區域)之特性值。若為彈性區域內之應力,則金屬乍看上去發生變形(例如伸長),但若解除應力,則恢復至原來之形狀(原來之長度)。一般而言,疲勞試驗係於低應力下實施,故而彈性模數成為重要之特性因子。於彈性模數成為一定之應力範圍內之所謂低疲勞區域,彈性模數大之材料達到斷裂之壽命長,壽命與彈性模數之關係係由Basquin定律之式表示。
Bi-Sn焊料為共晶組織之合金。若於該合金組成中加入Zn,則Zn不會與Bi及Sn形成金屬間化合物,Zn單獨先析出於BiSn液相中。若冷卻速度快,則成為球形,若慢,則成為樹枝狀(dendrite)結晶。本發明人認為藉由此種機制,於本發明中變硬,且彈性模數提高。
[焊料合金之形狀]
本發明之焊料合金之形狀可適當採用用作焊料之視需要的形狀。如實施例中記載般,可形成為片狀之構件,進而,例如可形成為線、粉、球、板、棒等形狀之構件。焊料合金之形狀尤佳形成為粉體之形狀、焊球之形狀(球狀)或片狀。焊球係指例如直徑50μm~500μm之球。焊料粉係指例如粒徑50μm以下之粉末。焊料粉可用於焊料膏。
[實施例]
以下,列舉實施例詳細地說明本發明。本發明並不限定於以下例示之實施例。
[例1]
[實施例1]
稱量特定量之Sn、Bi、Zn,藉由真空熔解而熔製鑄錠。藉由螢光X射線求出鑄錠之各成分,記載於表中。將其加工為厚度0.2mm之片狀。再者,鑄錠之各成分亦可使用ICP發射光譜分析器進行分析。
焊料合金之固相線溫度及液相線溫度之測量係依據JIS Z3198-1:2014,利用藉由示差掃描熱量測量(DSC:Differential Scanning Calorimetry)之方法實施。
準備各2mm之SiC晶片,於單面藉由濺鍍依序分別形成Ni層(厚度1μm)、Au層(厚度0.05μm)。於藉由電鍍分別將Ni層(厚度1μm)形成於底層及將Au層(厚度0.05μm)形成於最表層之引線框架上,放置每2mm切斷之厚度0.2mm的Sn-Bi-Zn之片,於其上以濺鍍面與上述片相對之方式放置SiC晶片,於甲酸(分壓40mmHg)環境中加熱至150℃,使引線框架與SiC晶片接合。測量其接合強度。
接合強度係依據MIL STD-883G進行測量。安裝於負載感測器之工具下降至基板面,裝置檢測基板面並停止下降,工具自檢測之基板面上升至設定之高度,藉由工具按壓接合部而測量破壞時之負載。
<測量條件>
本體:dage公司製造之dage series 4000
方法:晶片剪切強度測試
測試速度:100μm/s
測試高度:20.0μm
工具移動量:4mm(試片2mm)
又,彈性模數藉由奈米壓痕依據ISO14577-1進行測量。
<測量條件>
裝置:超微小壓痕硬度試驗機ENT-2100 Elionix公司製造
壓頭:Berkovich壓頭
負載:100mN
[實施例2~5]
藉由與實施例1相同之順序,稱量特定量之Sn、Bi、Zn,藉由真空熔解而熔製鑄錠,利用螢光X射線求出鑄錠之各成分,加工為厚度0.2mm之片狀,進行DSC測量而求出固相線溫度、液相線溫度,進而測量接合強度、彈性模數。將該等彙總示於表1。
[例2]
[比較例1~5]
藉由與實施例1相同之順序,稱量特定量之Sn、Bi、Zn,藉由真空熔解而熔製鑄錠,利用螢光X射線求出鑄錠之各成分,加工為厚度0.2mm之片狀,進行DSC測量而求出固相線溫度、液相線溫度,進而測量接合強度、彈性模數。將該等彙總示於表1。
[例3]
[參考例1~2]
藉由與實施例1相同之順序,稱量特定量之Sn、Bi、Ag、In,藉由真空熔解而熔製鑄錠,利用螢光X射線求出鑄錠之各成分,加工為厚度0.2mm之片狀,進行DSC測量而求出固相線溫度、液相線溫度,進而測量接合強度、彈性模數。將該等彙總示於表1。
[結果]
將上述結果彙總示於如下表1。
於將實施例1~5與比較例1~3進行對比之情形時,比較例1~3之彈性模數僅為實施例之大致一半之值,明顯較差。又,比較例4、5之彈性模數雖與實施例1~5同等,但接合強度為10MPa以下,成為接合強度較差之結果。
[產業上之可利用性]
本發明提供一種於低溫溫度區域具有優異之特性的焊料合金。本發明為產業上有用之發明。
Claims (14)
- 一種焊料合金,含有Sn、Bi及Zn,Bi為42~62質量%,Zn為0.2~3.6質量%,剩餘部分為Sn及不可避免之雜質,固相線溫度為120~135℃,液相線溫度為120~159℃,下式:[液相線溫度]-[固相線溫度]之值為1~25℃。
- 如申請專利範圍第1項之焊料合金,其中,Sn為36~56質量%。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項之焊料合金,其中,Bi為47~57質量%。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項之焊料合金,其中,Zn為0.6~2.0質量%。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項之焊料合金,其彈性模數為450MPa以上。
- 如申請專利範圍第1至2項中任一項之焊料合金,其接合強度為10MPa以上。
- 一種電子零件之內部接合焊接接頭,係以申請專利範圍第1至5項中任一項之焊料合金焊接而成。
- 一種功率電晶體之焊料接頭,係以申請專利範圍第1至5項中任一項之焊料合金焊接而成。
- 一種印刷電路板,具有申請專利範圍第1至5項中任一項之焊料合金。
- 一種電子零件,具有申請專利範圍第1至5項中任一項之焊料合金。
- 一種功率電晶體,具有申請專利範圍第1至5項中任一項之焊料合金。
- 一種電子機器,具有申請專利範圍第7或8項之焊料接頭,或申請專利範圍第9項之印刷電路板,或申請專利範圍第10項之電子零件,或申請專利範圍第11項之功率電晶體。
- 一種功率裝置,具有申請專利範圍第7或8項之焊料接頭。
- 一種構件,以申請專利範圍第1至5項中任一項之焊料合金作為材料。
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