TWI655989B - Solder alloy, solder paste and electronic circuit substrate - Google Patents

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Abstract

本發明係一種焊料合金，其實質上為包含錫、銀、銅、鉍、銻及鈷之焊料合金。相對於焊料合金之總量，銀之含有比率為2質量%以上且4質量%以下。銅之含有比率為0.3質量%以上且1質量%以下。鉍之含有比率為超過4.8質量%且10質量%以下。銻之含有比率為3質量%以上且10質量%以下。鈷之含有比率為0.001質量%以上且0.3質量%以下。錫之含有比率為剩餘之比率。

Description

焊料合金、焊料膏及電子電路基板
本發明係關於一種焊料合金、焊料膏及電子電路基板，詳細而言，係關於一種焊料合金、含有該焊料合金之焊料膏、以及使用該焊料膏而獲得之電子電路基板。
一般而言，於電氣‧電子機器等之金屬接合中，採用使用焊料膏之焊料接合，習知此種焊料膏中使用含有鉛之焊料合金。
然而，近年來就環境負荷之觀點而言，要求抑制鉛之使用，因此，不含鉛之焊料合金(無鉛焊料合金)之開發正在進行。
作為此種無鉛焊料合金，熟知例如錫-銅系合金、錫-銀-銅系合金、錫-銀-銦-鉍系合金、錫-鉍系合金、錫-鋅系合金等，尤其是錫-銀-銅系合金、錫-銀-銦-鉍系合金等被廣泛使用。
更具體而言，例如作為錫-銀-銅系合金，揭示含有銀3.4質量%、銅0.7質量%、鎳0.04質量%、銻3.0質量%、鉍3.2質量%及鈷0.01質量%、且剩餘部分為Sn之焊料材料(參考專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：國際公開第2014/163167號說明書
另一方面，若藉由此種焊料合金進行焊接，則存在因掉落振動等之衝擊而焊料接合部破損之情形。因此，作為焊料合金，要求焊接後之耐衝擊性之提高。
進而，藉由焊料合金而焊接之零件存在於汽車之發動機室等相對嚴酷之溫度循環條件(例如-40~125℃間之溫度循環等)下使用之情形。因此，作為焊料合金，即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦要求維持耐衝擊性。
本發明之目的在於提供一種耐衝擊性優異，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦可維持優異之耐衝擊性之焊料合金、含有該焊料合金之焊料膏、以及使用該焊料膏而獲得之電子電路基板。
本發明之一態樣之焊料合金係實質上包含錫、銀、銅、鉍、銻及鈷之焊料合金，其特徵在於：相對於上述焊料合金之總量，上述銀之含有比率為2質量%以上且4質量%以下，上述銅之含有比率為0.3質量%以上且1質量%以下，上述鉍之含有比率為超過4.8質量%且10質量%以下，上述銻之含有比率為3質量%以上且10質量%以下，上述鈷之含有比率為0.001質量%以上且0.3質量%以下，上述錫之含有比率為剩餘之比率。
又，上述焊料合金進而含有選自包含鎳、銦、鎵、鍺及磷之群組中之至少1種元素，相對於焊料合金之總量，上述元素 之含有比率較適宜為超過0質量%且1質量%以下。
又，於上述焊料合金中，上述銅之含有比率較適宜為0.5質量%以上且0.7質量%以下。
又，上述鉍之含有比率較適宜為超過4.8質量%且7質量%以下。
又，上述銻之含有比率較適宜為5質量%以上且7質量%以下。
又，上述鈷之含有比率較適宜為0.003質量%以上且0.01質量%以下。
又，本發明之另一態樣之焊料膏，其特徵在於：含有包含上述焊料合金之焊料粉末、與助焊劑。
又，本發明之又一態樣之電子電路基板，其特徵在於：具備由上述焊料膏之焊接而形成之焊接部。
本發明之一態樣之焊料合金係以於實質上包含錫、銀、銅、鉍、銻及鈷之焊料合金中使各成分之含有比率成為上述既定量之方式而設計。
因此，根據本發明之一態樣之焊料合金，可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦可維持優異之耐衝擊性。
而且，本發明之另一態樣之焊料膏含有上述焊料合金，故而可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦可維持優異之耐衝擊性。
又，本發明之又一態樣之電子電路基板於焊接中使用 上述焊料膏，故而可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦可維持優異之耐衝擊性。
本發明之一態樣之焊料合金中，作為必須成分含有錫(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉍(Bi)、銻(Sb)及鈷(Co)。換言之，焊料合金實質上包含錫、銀、銅、鉍、銻及鈷。再者，於本說明書中，實質上係指容許將上述各元素設為必須成分，且以後述之比率含有後述之任意成分。
於此種焊料合金中，錫之含有比率為後述之各成分之剩餘比率，根據各成分之調配量而適當設定。
銀之含有比率相對於焊料合金之總量為2質量%以上，較佳為3.0質量%以上，更佳為3.3質量%以上，且為4質量%以下，較佳為3.8質量%以下，更佳為3.6質量%以下。
若銀之含有比率為上述範圍，則可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦可維持優異之耐衝擊性。
另一方面，於銀之含有比率低於上述下限之情形時，耐衝擊性差。又，即便於銀之含有比率超過上述上限之情形時，耐衝擊性亦差。
銅之含有比率相對於焊料合金之總量為0.3質量%以上，較佳為0.5質量%以上，且為1質量%以下，較佳為0.7質量%以下。
若銅之含有比率為上述範圍，則可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時亦可維持優異之耐衝擊性。
另一方面，於銅之含有比率低於上述下限之情形時，耐衝擊性差。又，即便於銅之含有比率超過上述上限之情形時，耐衝擊性亦差。
鉍之含有比率相對於焊料合金之總量為超過4.8質量%，較佳為10質量%以下，更佳為7質量%以下。
若鉍之含有比率為上述範圍，則可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時，亦可維持優異之耐衝擊性。
另一方面，於鉍之含有比率低於上述下限之情形時，耐衝擊性差。又，即便於鉍之含有比率超過上述上限之情形時，耐衝擊性亦差。
銻之含有比率相對於焊料合金之總量為3質量%以上，較佳為超過3質量%，更佳為5質量%以上，且為10質量%以下，較佳為9.2質量%以下，更佳為7質量%以下。
若銻之含有比率為上述範圍，則可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時，亦可維持優異之耐衝擊性。
另一方面，於銻之含有比率低於上述下限之情形時，耐衝擊性差。又，即便於銻之含有比率超過上述上限之情形時，耐衝擊性亦差。
鈷之含有比率相對於焊料合金之總量為0.001質量% 以上，較佳為0.003質量%以上，且為0.3質量%以下，較佳為0.01質量%以下，更佳為0.007質量%以下。
若鈷之含有比率為上述範圍，則可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時，亦可維持優異之耐衝擊性。
另一方面，於鈷之含有比率低於上述下限之情形時，耐衝擊性差。又，即便於鈷之含有比率超過上述上限之情形時，耐衝擊性亦差。
又，上述焊料合金進而可含有鎳(Ni)、銦(In)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、磷(P)等作為任意成分。
於含有鎳作為任意成分之情形時，其含有比率相對於焊料合金之總量例如為超過0質量%，且例如為1.0質量%以下。
若鎳之含有比率為上述範圍，則可維持本發明之優異效果。
於含有銦作為任意成分之情形時，其含有比率相對於焊料合金之總量例如為超過0質量%，且例如為1.0質量%以下。
若銦之含有比率為上述範圍，則可維持本發明之優異效果。
於含有鎵作為任意成分之情形時，其含有比率相對於焊料合金之總量例如為超過0質量%，且例如為1.0質量%以下。
若鎵之含有比率為上述範圍，則可維持本發明之優異效果。
於含有鍺作為任意成分之情形時，其含有比率相對於焊料合金之總量例如為超過0質量%，且例如為1.0質量%以下。
若鍺之含有比率為上述範圍，則可維持本發明之優異效果。
於含有磷作為任意成分之情形時，其含有比率相對於焊料合金之總量例如為超過0質量%，且例如為1.0質量%以下。
若磷之含有比率為上述範圍，則可維持本發明之優異效果。
該等任意成分可單獨使用或併用2種以上。
於含有上述元素作為任意成分之情形時，其含有比率(於併用2種以上之情形時為該等之總量)相對於焊料合金之總量以例如超過0質量%，且例如成為1.0質量%以下之方式而調整。
若任意成分之含有比率之總量為上述範圍，則可維持本發明之優異效果。
又，上述焊料合金就謀求耐衝擊性提高之觀點而言，較佳為不積極地含有鐵(Fe)。換言之，焊料合金較佳為除作為後述之雜質之鐵(Fe)以外，不含有鐵(Fe)。
而且，此種焊料合金可藉由利用使上述各金屬成分於熔融爐中熔融並均勻化等公知之方法進行合金化而獲得。
再者，用於焊料合金之製造之上述各金屬成分，可於不阻礙本發明之優異效果之範圍內含有微量之雜質(不可避雜質)。
作為雜質，例如可列舉鋁(Al)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、金(Au)等。
而且，如此所獲得之焊料合金之藉由示差掃描熱量測定(DSC，Differential Scanning Calorimetry)法(測定條件：升溫速度0.5℃/分鐘)而測定之熔點例如為190℃以上，較佳為200℃以上， 且例如為250℃以下，較佳為240℃以下。
若焊料合金之熔點為上述範圍，則於用於焊料膏之情形時，可簡便且作業性良好地進行金屬接合。
而且，上述焊料合金係以於實質上包含錫、銀、銅、鉍、銻及鈷之焊料合金中使各成分之含有比率成為上述既定量之方式而設計。
因此，根據上述焊料合金可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時，亦可維持優異之耐衝擊性。
因此，此種焊料合金較佳為包含於焊料膏(焊料膏接合材)中。
具體而言，本發明之另一態樣之焊料膏含有上述焊料合金與助焊劑。
焊料合金較佳係以粉末的形式包含於焊料膏中。
作為粉末形狀無特別限制，可列舉例如實質上完全之球狀、例如扁平之塊狀、例如針狀等，又，亦可為不規則形狀。粉末形狀根據焊料膏所需要之性能(例如搖變性、黏度等)而適當設定。
焊料合金之粉末之平均粒徑(球狀之情形)或平均長邊方向長度(非球狀之情形)係使用基於雷射繞射法之粒徑‧粒度分佈測定裝置之測定，例如為5μm以上，較佳為15μm以上，且例如為100μm以下，較佳為50μm以下。
作為助焊劑無特別限制，可使用公知之焊料助焊劑。
具體而言，助焊劑係將例如基底樹脂(松香、丙烯酸系樹脂等)、活性劑(例如乙胺、丙胺等胺之鹵化氫酸鹽，例如乳酸、 檸檬酸、安息香酸等有機羧酸等)、搖變劑(氫化蓖麻油、蜂蠟、巴西棕櫚蠟等)等設為主成分，又，於將助焊劑製為液狀而使用之情形時，進而可含有有機溶劑。
而且，焊料膏可藉由利用公知之方法混合包含上述焊料合金之粉末與上述助焊劑而獲得。
焊料合金與助焊劑之調配比率以焊料合金：助焊劑(質量比)計例如為70：30~95：5。
而且，上述焊料膏含有上述焊料合金，故而可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時，亦可維持優異之耐衝擊性。
又，本發明包含具備由上述焊料膏之焊接形成之焊接部之電子電路基板。
即，上述焊料膏可適宜地用於例如電氣‧電子機器等之電子電路基板之電極、與電子零件之焊接(金屬接合)。
作為電子零件無特別限制，例如可列舉晶片零件(IC晶片等)、電阻器、二極體、電容器、電晶體等公知之電子零件。
而且，此種電子電路基板於焊接中使用上述焊料膏，故而可獲得優異之耐衝擊性，且即便於曝露於相對嚴酷之溫度循環條件下之情形時，亦可維持優異之耐衝擊性。
再者，上述焊料合金之使用方法不限定於上述焊料膏，例如亦可用於樹脂芯焊料接合材之製造。具體而言，例如亦可藉由公知之方法(例如擠壓成形等)，將上述助焊劑製成芯，並使上述焊料合金成形為線狀，藉此而獲得樹脂芯焊料接合材。
而且，此種樹脂芯焊料接合材亦與焊料膏相同，可適 宜地用於例如電氣‧電子機器等之電子電路基板之焊接(金屬接合)。
[實施例]
其次，基於實施例及比較例說明本發明，但本發明不受下述實施例之限定。用於以下記載之調配比率(含有比率)、物性值、參數等具體數值可代替上述「實施方式」中所記載之與該等對應之調配比率(含有比率)、物性值、參數等對應記載之上限值(被定義為「以下」、「未滿」之數值)或下限值(被定義為「以上」、「超過」之數值)。
[實施例1~24及比較例1~16] ‧焊料合金之製備
按表1~2所記載之調配比率分別混合表1~2所記載之各金屬之粉末，並利用溶解爐將所獲得之金屬混合物溶解及均勻化，而製備焊料合金。
又，各實施例及各比較例之調配配方之錫(Sn)之調配比率為將表1~2所記載之各金屬(銀(Ag)、銅(Cu)、鉍(Bi)、銻(Sb)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銦(In)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、磷(P)及鐵(Fe))之調配比率(質量%)自焊料合金之總量減去而得之剩餘部分。
實施例1之焊料合金係按表1所示之比率調配Ag、Cu、Bi、Sb及Co之各金屬。剩餘部分之比率為Sn。
實施例2~4為相對於實施例1之配方而使Ag之調配比率增減之配方之例。
實施例5~7為相對於實施例1之配方而使Cu之含有比率增減之配方之例。
實施例8~10為相對於實施例1之配方而使Bi之含有比率增減之配方之例。
實施例11~14為相對於實施例1之配方而使Sb之含有比率增減之配方之例。
實施例15~18為相對於實施例1之配方而使Co之含有比率增減之配方之例。
實施例19~23為相對於實施例1之配方而按表1所示之比率添加有Ni、In、Ga、Ge及P內之任1種之配方之例，實施例24為按表1所示之比率添加有Ni、In、Ga、Ge及P之全部之配方之例。
比較例1~2為相對於實施例1之配方而使Ag之調配比率增減、且將Ag設為過剩或不充分之配方之例。
比較例3~4為相對於實施例1之配方而使Cu之調配比率增減、且將Cu設為過剩或不充分之配方之例。
比較例5~6為相對於實施例1之配方而使Bi之調配比率增減、且將Bi設為過剩或不充分之配方之例。
比較例7~8為相對於實施例1之配方而使Sb之調配比率增減、且將Sb設為過剩或不充分之配方之例。
比較例9~10為相對於實施例1之配方而使Co之調配比率增減、且將Co設為過剩或不充分之配方之例。
比較例11為相對於實施例17之配方而使Bi及Sb之調配比率減少、且將Bi及Sb之兩者設為不充分，並進而按表1所示之比率調配Ni之配方之例。
比較例12為相對於實施例17之配方而使Bi及Sb之 調配比率減少、且將Bi及Sb之兩者設為不充分之配方之例。
比較例13為相對於實施例17之配方而調配以Fe(0.01質量%)替代Co(0.01質量%)之配方之例。
比較例14為相對於實施例17之配方而使Bi之調配比率減少、且將Bi設為不充分之配方之例。
比較例15為相對於實施例17之配方而使Sb之調配比率減少、且將Sb設為不充分之配方之例。
比較例16為相對於實施例17之配方進而調配Fe之配方之例。
‧焊料膏之製備
將所獲得之焊料合金以粒徑成為25~38μm之方式粉末化，混合所獲得之焊料合金之粉末與公知之助焊劑而獲得焊料膏。
‧焊料膏之評價
將所獲得之焊料膏印刷至晶片零件搭載用之印刷基板上，並藉由回焊法安裝晶片零件。關於安裝時之焊料膏之印刷條件、晶片零件之尺寸等，根據後述之各評價而適當設定。
<評價>
將使用於各實施例及各比較例中所獲得之合金的焊料膏印刷至晶片零件搭載用印刷基板上，藉由回焊法安裝晶片零件。使用厚度150μm之金屬遮罩調整焊料膏之印刷膜厚。於焊料膏之印刷後，將鋁電解電容器(5mm 、高度5.8mm)搭載於上述印刷基板之既定位置，利用回焊爐加熱，而安裝晶片零件。回焊條件係將預熱設定為170~190℃，峰值溫度設定為245℃，220℃以上之時間設定為45秒，自峰值溫度降溫至200℃時之冷卻速度設定為3~8℃/秒。
進而，將上述印刷基板供於在125℃之環境下保持30分鐘，繼而於-40℃之環境下保持30分鐘的冷熱循環試驗。將其結果示於表3及表4。
<掉落衝擊性>
對於零件剛安裝後之印刷基板，藉由使其自1m之高度掉落5次，外觀觀察零件與基板之接合部是否破壞而進行評價。
具體而言，將100個搭載零件中掉落個數為5個以下者設為等級A++(5分)，掉落個數為6~10個者設為等級A+(4分)，掉落個數為11~15個者設為等級A(3分)，掉落個數為16~30者設為等級B(2分)，掉落個數為31~50個者設為等級C(1分)，掉落個數為51個以上者設為等級D(0分)。
又，對於重複冷熱循環1000個循環之印刷基板，亦與上述同樣地進行評價。
<綜合評價>
將「掉落衝擊性」及「冷熱循環後之掉落衝擊性」之合計分為10分者設為綜合判定A++，將合計分為8分或9分者設為綜合判定A+，將合計分為6分或7分者設為綜合判定A，將合計分為4分或5分者設為綜合判定B，將合計分為2分或3分者設為綜合判定C，將合計分為0分或1分者設為綜合判定D。
再者，上述發明係提供作為本發明之例示之實施形態，其只不過為例示，不能限定地解釋。對於該技術領域之業者而言當知本發明之變形例係包含於後述申請專利範圍內。
(產業上之可利用性)
本發明之焊料合金、焊料組成物及焊料膏係用於電氣‧電子機器等所使用之電子電路基板中。

Claims (10)

  1. 一種焊料合金，係實質上包含錫、銀、銅、鉍、銻及鈷之焊料合金，其特徵在於：相對於上述焊料合金之總量，上述銀之含有比率為2質量%以上且4質量%以下，上述銅之含有比率為0.3質量%以上且1質量%以下，上述鉍之含有比率為超過4.8質量%且10質量%以下，上述銻之含有比率為3質量%以上且10質量%以下，上述鈷之含有比率為0.001質量%以上且0.3質量%以下，上述錫之含有比率為剩餘之比率。
  2. 如請求項1之焊料合金，其中，進而含有選自包含鎳、銦、鎵、鍺及磷之群組中之至少1種元素，且相對於焊料合金之總量，上述元素之含有比率為超過0質量%且1質量%以下。
  3. 如請求項1之焊料合金，其中，上述銅之含有比率為0.5質量%以上且0.7質量%以下。
  4. 如請求項1之焊料合金，其中，上述鉍之含有比率為超過4.8質量%且7質量%以下。
  5. 如請求項1之焊料合金，其中，上述銻之含有比率為5質量%以上且7質量%以下。
  6. 如請求項1之焊料合金，其中，上述鈷之含有比率為0.003質量%以上且0.01質量%以下。
  7. 一種焊料膏，其特徵在於：含有包含請求項1之焊料合金之焊 料粉末、及助焊劑。
  8. 如請求項7之焊料膏，其中，上述焊料合金進而含有選自包含鎳、銦、鎵、鍺及磷之群組中之至少1種元素，且相對於焊料合金之總量，上述元素之含有比率為超過0質量%且1質量%以下。
  9. 一種電子電路基板，其特徵在於：具備由請求項7之焊料膏之焊接而形成之焊接部。
  10. 如請求項9之電子電路基板，其中，上述焊料合金進而含有選自包含鎳、銦、鎵、鍺及磷之群組中之至少1種元素，且相對於焊料合金之總量，上述元素之含有比率為超過0質量%且1質量%以下。
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