TWI646203B - Solder alloy - Google Patents

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

焊料合金

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)

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，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℃。
2. 如申請專利範圍第1項之焊料合金，其中，Sn為36~56質量%。
3. 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%。
4. 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%。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 一種功率裝置，具有申請專利範圍第7或8項之焊料接頭。
14. 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。