專(zhuān)利名稱(chēng)：釬焊接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在構(gòu)成釬焊料接合物時(shí)，難以在接合界面上發(fā)生裂紋或開(kāi)裂的釬焊接 頭。
背景技術(shù)：
在印刷線(xiàn)路板上貼裝電子部件等時(shí)，一直以來(lái)是采用釬焊料。現(xiàn)在，釬焊料合金避 免使用Pb的趨勢(shì)很明顯，因此轉(zhuǎn)為采用不使用Pb的所謂的無(wú)鉛釬焊料。目前無(wú)鉛釬焊料 合金主要是錫銀銅系、錫銅系兩種組成。考慮到材料的容易獲得性、成本、制品的可靠性等，無(wú)鉛釬焊料的主流基本上是以 Sn作為主要金屬、并為其選擇添加金屬，但本發(fā)明人開(kāi)發(fā)了以Sn-Cu為基礎(chǔ)的所謂的錫銅 系釬焊料。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)平10-107420號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :W099/48639

發(fā)明內(nèi)容
上述先行技術(shù)中，專(zhuān)利文獻(xiàn)1是將成為釬焊接頭材料的以Sn-O. 7% Cu為組成的錫 銅系釬焊料合金，專(zhuān)利文獻(xiàn)2是以Sn-Cu-Ni為組成的錫銅系釬焊料合金，專(zhuān)利文獻(xiàn)2涉及 本發(fā)明人的開(kāi)發(fā)。但是，釬焊料所需求的物性要求釬焊作業(yè)時(shí)的濕潤(rùn)性或熔融釬焊料的流動(dòng)性、凝 固后釬焊接頭的強(qiáng)度、電特性等多方面的特性。但是即使是滿(mǎn)足目前常規(guī)需求特性的釬焊 料合金，在構(gòu)成接合物時(shí)，在印刷線(xiàn)路板與釬焊接頭的接合部界面附近發(fā)生被稱(chēng)為裂紋的 細(xì)的龜裂或開(kāi)裂。發(fā)生裂紋的釬焊接頭由于接合強(qiáng)度降低的原因或接合面積變小，電阻增 大，成為發(fā)熱著火的原因，是致命的缺陷。本發(fā)明人著眼于上述裂紋對(duì)于釬焊料接合物或釬焊接頭部位來(lái)說(shuō)是致命的缺陷， 進(jìn)一步設(shè)想上述現(xiàn)象中釬焊料合金凝固時(shí)的機(jī)理可能是一個(gè)主要因素，基于此反復(fù)進(jìn)行試 驗(yàn)，探究可減少裂紋發(fā)生的釬焊接頭，通過(guò)本發(fā)明的組成解決了上述課題。本發(fā)明中，為解決上述課題，采用了由0. 01-7. 6重量％ Cu、0. 001-6重量％ Ni、其 余為Sn構(gòu)成的無(wú)鉛釬焊料合金，通過(guò)該組成的合金獲得了釬焊接頭。該組成中，Cu和Ni 的含量分別具有最大限度的范圍，只要在該組成的范圍內(nèi)，與其他組成相比可以減少裂紋 的發(fā)生，進(jìn)一步從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，逐步確定了更有效減少裂紋的范圍。S卩，作為制備 釬焊接頭時(shí)使用的釬焊料合金，Ni的下限值特定為0. 01重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0. 03重量％。 Ni的上限值特定為0.3重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0. 1重量％。Cu的下限值特定為優(yōu)選0. 1重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0. 2重量％。Cu的上限值特定為 優(yōu)選7重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0. 92重量％。作為本發(fā)明的其他手段，包含采用選自Co、Mn、Zn中的至少一種金屬取代上述構(gòu) 成中的Ni。還允許含有不會(huì)極端阻礙Ni、或者是Pd、Co、Mn、ZruPt針對(duì)本發(fā)明的Sn-Cu合金所需求的作用或者功能的金屬例如Ag、Sb、Bi等作為雜質(zhì)。這里，雜質(zhì)無(wú)需理解為例如 與ISO標(biāo)準(zhǔn)等中的雜質(zhì)量一致，是指決定性地阻礙本發(fā)明的組成預(yù)期獲得的效果的添加量 以上的含量。形成釬焊接頭的方法通常為是通過(guò)烙鐵焊、回流焊、浸焊以及流動(dòng)焊。采用回流焊 時(shí)，由印刷線(xiàn)路板等接合物表面溶出的金屬量極為有限，因此釬焊料組成本身可能即為釬 焊接頭的組成。而流動(dòng)焊時(shí)，接合物表面暴露于熔融釬焊料中，因此產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象，所使用 的釬焊料合金組成與作為結(jié)果的釬焊接頭的組成可能富含幾分將成為侵蝕對(duì)象的金屬。但 是，熔融釬焊料的組成只要保持當(dāng)初的組成，成分的變化仍是微小的，不會(huì)過(guò)多偏離最初釬 焊料合金組成，在誤差范圍內(nèi)。因此，在權(quán)利要求所述的發(fā)明中，使用特定組成的釬焊料合 金制備的釬焊接頭、和具有特定組成的釬焊接頭在組成上沒(méi)有大的差異。作為本發(fā)明對(duì)象 的釬焊接頭的制備并不限于上述方法，按照常規(guī)釬焊接頭制備方法得到的釬焊接頭可全部 作為對(duì)象。為了獲得優(yōu)選的釬焊接頭，作為溫度工藝，優(yōu)選在剛完成釬焊直到凝固變得穩(wěn)定 的步驟中進(jìn)行緩慢冷卻，進(jìn)行冷卻速度快的驟冷時(shí)，施加在釬焊接頭上的應(yīng)變與釬焊料本 身相比受到被接合物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)變的影響更大。熱應(yīng)變?cè)谀骋徊课怀^(guò)極限時(shí)，就 會(huì)在該處產(chǎn)生裂紋。通常釬焊料合金或印刷線(xiàn)路板表面的金屬箔、以及引線(xiàn)等金屬可迅速 冷卻，但是含有樹(shù)脂的印刷線(xiàn)路板導(dǎo)熱性低，因此冷卻慢。在印刷線(xiàn)路板的基材中使用的樹(shù) 脂的熱膨脹系數(shù)大，為了增加耐熱性，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(TG)也升高，因此熱應(yīng)變自然增大。 因此，為了避免金屬與樹(shù)脂的耐熱應(yīng)變差異導(dǎo)致的裂紋，優(yōu)選進(jìn)行緩慢冷卻，使它們之間的 差異沒(méi)有大的影響。實(shí)質(zhì)上雖然回流焊或流動(dòng)焊等的釬焊方法各有不同，但冷卻速度均優(yōu) 選2-5 °C /秒左右的速度。以下說(shuō)明本發(fā)明的Sn-Cu-Ni合金的作用。

圖1是Sn-Cu 二元狀態(tài)圖，作為Sn和 Cu的金屬間化合物的Cu6Sn5在銅濃度約為39. 1重量％以下時(shí)，是以比固相線(xiàn)溫度更低的轉(zhuǎn) 變溫度187°C為界，已知在比其低溫一側(cè)產(chǎn)生斜方晶η ’ -Cu6Sn5，在直至固相線(xiàn)溫度227°C 的高溫一側(cè)產(chǎn)生六方晶n-Cu6Sn5。由于在該狀態(tài)下，凝固時(shí)伴隨著溫度的降低，由六方晶 固相轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄?。圖2是圖1狀態(tài)圖中要部的放大圖。六方晶的晶體結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為所謂的 密堆積，晶體的體積最小。在該關(guān)系中，由六方晶固相轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄r(shí)，在轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生體積 變化，熔融釬焊料在凝固時(shí)，隨著溫度的降低不可避免地在析出的Cu6Sn5金屬間化合物中 發(fā)生固相轉(zhuǎn)變。這樣，在使用Sn系合金作為釬焊料時(shí)，由于上述現(xiàn)象，在凝固后的釬焊接頭 上可能產(chǎn)生裂紋。另外，即使并未肉眼確認(rèn)接合部有裂紋，但是在接合部?jī)?nèi)部也包藏有固相 轉(zhuǎn)變時(shí)的變形應(yīng)力，因此在有輕度撞擊等外部應(yīng)力時(shí)，該變形應(yīng)力釋放，會(huì)出現(xiàn)裂紋。另一方面，已知在Sn-Cu中添加Ni，則Ni與Cu6Sn5相的Cu部分置換，形成(Cu， Ni)6Sn5。根據(jù)試驗(yàn)，金屬間化合物(Cu，ND6Sn5中的Ni濃度約為9at%時(shí)，金屬間化合物 的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶，即使在常溫下也可以確認(rèn)在轉(zhuǎn)變溫度以上產(chǎn)生的六方晶晶體結(jié)構(gòu) n-(Cu, Ni)6Sn5。這是由于，Ni與Cu6Sn5中Cu的一部分置換，對(duì)于作為六方晶的晶體結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定有貢獻(xiàn)。圖3表示M存在于合金中時(shí)金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)，作為觀察對(duì)象的試 樣是將Sn-0. 7Cu-0. 05Ν 合金在約300°C左右均勻熔融、然后凝固的樣品，觀察對(duì)象的結(jié) 構(gòu)是(Cu，Ni)6Sn5金屬間化合物的晶格圖像，由電子射線(xiàn)分析圖形以及任意5處的平均值 進(jìn)行元素分析。分析使用的裝置是場(chǎng)發(fā)射透射式電子顯微鏡(7 4 U 〃 7 7公司制造的
4FEG-TEM)，在加速電壓200keV下測(cè)定。測(cè)定方法是通過(guò)高倍率晶格觀察(倍率64萬(wàn)倍)、 640mm相機(jī)長(zhǎng)度的電子射線(xiàn)分析圖形、納米探針的能量色散式元素分析(EDS)進(jìn)行。由圖3 可知，存在Ni時(shí)，(Cu, ND6Sn5晶體結(jié)構(gòu)是六方晶，晶體內(nèi)的Ni濃度平均為9at%。表1表 示采集的5處金屬間化合物本身的元素分析。[表 1]試樣2的金屬間化合物元素分析結(jié)果(六方晶Jl-Cu6Sn5)
at%12345Αν.SDNi8. 308. 969. 058. 866. 298. 791. 06Cu43. 9052. 3142. 2746. 0545. 6146. 133. 42Sn47. 7938. 7248. 5445. 0948. 0245. 033. 67Ni/Cu0. 190. 170. 210. 190. 140. 190. 03(Cu, Ni)/Sn1. 091. 581. 061. 221. 081. 2220在上述認(rèn)識(shí)中，本發(fā)明人確認(rèn)如果在Sn-Cu中適量添加Ni，則金屬間化合物(Cu， 附)#115相即使在凝固過(guò)程中溫度降低，也為六方晶，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以抑制或避免由不添 加M時(shí)的Cu6Sn5從六方晶固相轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄?。由此，抑制固相轉(zhuǎn)變時(shí)裂紋的發(fā)生、或者避 免在接合部包藏變形應(yīng)力。作為權(quán)利要求中的添加元素的量，對(duì)于Cu來(lái)說(shuō)，在狀態(tài)圖中發(fā)生固相轉(zhuǎn)變的最大 限約為39. 1重量％，但為7. 6重量％以上時(shí)，顯示由液相經(jīng)由Cu3Sn相形成Cu6SndB的所謂 的包晶反應(yīng)。因此，考慮到作為釬焊料合金的利用目的，是以不經(jīng)由包晶反應(yīng)、Cu6Sn5相由 液相直接凝固的Cu的含量7.6重量％為上限。對(duì)于下限，參照?qǐng)D1的相圖，直至與固相線(xiàn) 溫度平行并具有轉(zhuǎn)變溫度的范圍的下限均適用本發(fā)明人的理論認(rèn)識(shí)，由此確定為0. 01重 量％。本發(fā)明人進(jìn)一步設(shè)定7重量％作為Cu的上限值。這是由于，釬焊中熔點(diǎn)是一個(gè)重 要的事項(xiàng)，因此，作為高溫釬焊料，通常是溫度升高至約400°C左右，因此在Sn-Cu系中，是 相當(dāng)于在400°C下析出Cu6Sn5的Cu含量的量。另外，進(jìn)一步設(shè)定0. 92重量％作為Cu的上 限值，關(guān)于0. 92重量％，考慮了最近了解的Sn-Cu-Ni三元系狀態(tài)圖中Sn-Cu的共晶點(diǎn)。關(guān)于Cu的下限值，發(fā)明人進(jìn)一步設(shè)定了 0.1重量％和0.2重量％。這是考慮在 Sn-Cu系的無(wú)鉛釬焊料合金中針對(duì)接合強(qiáng)度等添加Cu的實(shí)質(zhì)性的效果。Ni的添加量是以6重量％作為上限的最大值，這考慮了 Cu與Ni的置換率大約為 5 1，且在Sn-Cu系中，發(fā)生固相轉(zhuǎn)變的Cu的最大限度如上所述為約39. 1重量％。另外， 下限值的最小值0. 001重量％，這是由于知道在Ni濃度約為9站％時(shí)發(fā)揮保持六方晶的效 果，因此與Cu的下限值對(duì)應(yīng)。而且，Ni的上限值是0. 3重量％和0. 1重量％，對(duì)于該限定， 考慮了 Ni的有效濃度9at%，與Cu的多級(jí)上限值對(duì)應(yīng)。而下限值是0. 01重量％和0. 03重 量％，這與Cu的多級(jí)下限值對(duì)應(yīng)。
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本發(fā)明中，上述組成中，作為與Ni置換的金屬可選擇性采用Pd、C0、Mn、Zn、Pt。這 些金屬與Ni同樣，生成與Cu6Sn5金屬間化合物的Cu進(jìn)行部分置換的結(jié)構(gòu)的金屬間化合物。 Fe也同樣，是與Cu6Sn5金屬間化合物的Cu進(jìn)行部分置換的金屬，在理論上可能處于與Pd、 C0、Mn、Zn、Pt同樣的位置，但是采用Fe時(shí)，較為困難抑制對(duì)應(yīng)于添加量的反應(yīng)，因此在產(chǎn)業(yè) 實(shí)用性方面不在本發(fā)明范圍之內(nèi)。本發(fā)明中，主要的目的是采用與Cu6Sn5金屬間化合物的Cu進(jìn)行部分置換的添加金 屬，并不排除以雜質(zhì)水平含有象權(quán)利要求10所述的金屬以外的Ag、Sb、Bi等的其它金屬。發(fā)明效果本發(fā)明通過(guò)獲得上述組成的釬焊接頭，在Sn-Cu合金、或相對(duì)于其存在以雜質(zhì)水 平含有的Ag、Sb、Bi等的組成中，可以抑制或避免Cu6Sn5金屬間化合物在凝固時(shí)的固相轉(zhuǎn) 變，不會(huì)發(fā)生起因于固相轉(zhuǎn)變的體積變化，因此不僅可以避免凝固時(shí)的裂紋或開(kāi)裂，并且即 使是凝固時(shí)暫時(shí)未產(chǎn)生裂紋的接合部，也可以抑制內(nèi)藏變形應(yīng)力，因此可以防止經(jīng)時(shí)變化 導(dǎo)致的開(kāi)裂的突然發(fā)生、或者不小心的撞擊使應(yīng)變釋放而導(dǎo)致的開(kāi)裂，可以提供可靠性高 的釬焊料接合部。將本發(fā)明的無(wú)鉛釬焊料合金提供給市場(chǎng)時(shí)的形態(tài)不限于釬焊料棒，可以采用焊 膏、球形釬焊料、焊片、焊線(xiàn)等可以想到的所有的形態(tài)。如之前所述，釬焊可以以由通常適用 的釬焊方法得到的釬焊接頭全部作為對(duì)象。附圖簡(jiǎn)述圖1是Sn-Cu 二元相2是圖1的二元相圖的要部放大3是表示(Cu，Ni)6Sn5金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)的照片圖4是分別使用Sn-Cu釬焊料和添加了 M的釬焊料得到的釬焊接頭的切割樣品 的截面放大照片圖5是將圖4的照片進(jìn)一步放大的狀態(tài)的照片圖6是表示實(shí)施例2的回流焊條件中溫度分布的曲線(xiàn)7是表示實(shí)施例2的金屬間化合物中發(fā)生的裂紋的測(cè)定例子的照片圖8是實(shí)施例2的金屬間化合物截面和與Sn的界面的SEM照片圖9是表示實(shí)施例3的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的曲線(xiàn)10是表示實(shí)施例Lt的測(cè)定結(jié)果的曲線(xiàn)圖
圖11是表示實(shí)施例Lt的測(cè)定結(jié)果的曲線(xiàn)圖
圖12是表示實(shí)施例Lt的測(cè)定結(jié)果的曲線(xiàn)圖
圖13是表示實(shí)施例Lt的測(cè)定結(jié)果的曲線(xiàn)圖
圖14是表示實(shí)施例Lt的測(cè)定結(jié)果的曲線(xiàn)圖
圖15是表示實(shí)施例Lt的測(cè)定結(jié)果的曲線(xiàn)圖
圖16是表示實(shí)施例L的金屬間化合物的截面的照片
圖17是表示實(shí)施例L的金屬間化合物的截面的照片
圖18是表示實(shí)施例L的金屬間化合物的截面的照片
圖19是表示實(shí)施例L的金屬間化合物的截面的照片
圖20是表示實(shí)施例L的金屬間化合物的截面的照片
圖21是表示實(shí)施例4的金屬間化合物的截面的照片實(shí)施例1發(fā)明人使用作為錫銅系無(wú)鉛釬焊料而廣泛已知的Sn-0. 7Cu (數(shù)值為重量％)以及 對(duì)其添加0. 05重量％ Ni的釬焊料合金共兩種制備球形釬焊料，將其按照通常的使用方法 進(jìn)行回流釬焊，得到釬焊接頭。圖4通過(guò)電子顯微鏡確認(rèn)各釬焊料接合部(釬焊接頭部) 的切割樣品的截面，是以10微米標(biāo)尺進(jìn)行觀察。這里，照片的下層是存在于印刷線(xiàn)路板上 的Cu箔，上層是釬焊料。由該照片可知，左側(cè)照片的添加了 M的釬焊料接合中，接合部完 全未見(jiàn)裂紋。而右側(cè)照片所示的用Sn-0. 7Cu合金接合的樣品中，不僅與Cu箔的界面、在偏 離接合部的金屬間化合物中也見(jiàn)有裂紋。它們無(wú)法由接合部表面確認(rèn)，但是在接合部?jī)?nèi)存 在上述裂紋時(shí)，發(fā)生接合強(qiáng)度的降低。本發(fā)明人為了進(jìn)行精度更高的確認(rèn)，以5微米標(biāo)尺確認(rèn)圖4的切割樣品，得到圖5。 在更高倍率的確認(rèn)中，只可見(jiàn)Sn-0. 7Cu釬焊料接合部的顯著的開(kāi)裂，而添加了 M的釬焊料 接合部連小的裂紋也未見(jiàn)存在。實(shí)施例2接著，為了對(duì)球形釬焊料確認(rèn)更為詳細(xì)的效果，進(jìn)行以下試驗(yàn)。試樣使用與之前的 實(shí)施例1相同的組成。球形釬焊料的制備是按照公知的球形釬焊料的制備方法調(diào)節(jié)為直徑 約500 μ m。將其在一張OSP基板上放置上述兩種球形釬焊料試樣，按照?qǐng)D6所示的溫度分布 進(jìn)行兩次回流焊，獲得釬焊料接合試樣(釬焊接頭試樣)。釬焊完成后的冷卻是以2-5°C / 秒緩慢冷卻，得到試樣，但圖6中并未標(biāo)示。接著，測(cè)定出現(xiàn)的在金屬間化合物中發(fā)生的裂 紋數(shù)目和長(zhǎng)度。即，通過(guò)比較釬焊料接合部(釬焊接頭部)或釬焊料接合界面中產(chǎn)生的裂 紋數(shù)目和長(zhǎng)度，來(lái)對(duì)比接合強(qiáng)度。測(cè)定方法是將試樣包埋在硅樹(shù)脂中，制備金屬間化合物截 面觀察用的試樣，進(jìn)行截面的SEM觀察和EDS元素分析。測(cè)定儀器使用日本電子制造的掃 描式電子顯微鏡(JSM 6460LA)，以加速電壓20kV、背散射圖像模式測(cè)定。金屬間化合物中 的裂紋的測(cè)定和金屬間化合物厚度的測(cè)定是根據(jù)日本電子制造的圖像分析軟件(Analysis Station 商品名)，如作為一個(gè)例子給出的圖7所示進(jìn)行。圖中，SC釬焊料表示Sn-Cu釬焊 料，IMC表示由于凝固而產(chǎn)生的金屬間化合物，生長(zhǎng)的金屬間化合物中畫(huà)白線(xiàn)的部分表示裂 紋發(fā)生位置及其長(zhǎng)度。圖8是2種試樣的截面SEM照片和金屬間化合物的表面SEM照片， 可確認(rèn)添加了 Ni的試樣比Sn-Cu試樣的金屬間化合物微細(xì)且均勻。這是由于，Sn-Cu時(shí)的 金屬間化合物是Cu6Sn5,而添加Ni時(shí)的金屬間化合物中，Cu被Ni置換，形成(Cu，Ni)6Sn5, 被細(xì)分為單個(gè)的晶體。[表 2][使用BGA球試樣，IMC層單位長(zhǎng)度中釬焊料接合的試樣的裂紋數(shù)和裂紋總長(zhǎng)度]1. IMC層單位長(zhǎng)度的裂紋數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度 2.以“SC”的測(cè)定值為“100”時(shí)的“SN100C”的測(cè)定值 [合金組成]SC= Sn-0. 7Cu (重量 ％ )SCN = Sn-0. 7Cu_0. 05Ni (重量 ％ )表2給出了上述實(shí)施例2的結(jié)果，上部分的表表示兩種試樣中裂紋的實(shí)際數(shù)目和 總長(zhǎng)度，下部分的表表示以未添加Ni的Sn-Cu試樣的結(jié)果為100，以百分率表示添加Ni的 試樣的實(shí)際數(shù)。據(jù)此，確認(rèn)與Sn-0. 7Cu的試樣相比，添加了 0. 05重量％ Ni的試樣中，裂紋 的發(fā)生和其長(zhǎng)度得到約二分之一的抑制。數(shù)值的根據(jù)如下。金屬間化合物層單位長(zhǎng)度的裂紋數(shù)=測(cè)定裂紋數(shù)/金屬間化合物長(zhǎng)度金屬間化合物層單位長(zhǎng)度的裂紋總長(zhǎng)=測(cè)定裂紋長(zhǎng)度總和/金屬間化合物長(zhǎng)度實(shí)施例3接著使用與實(shí)施例2相同組成的試樣，同樣通過(guò)回流焊制備接合試樣(釬焊接頭 試樣)，對(duì)接合部進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。其目的是確認(rèn)較多發(fā)生裂紋的接合部沖擊吸收能力較低 這個(gè)常識(shí)。所使用的印刷線(xiàn)路板是1. 6mm厚的FR-4材料，過(guò)孔盤(pán)徑設(shè)定為0. 42mm,獲得試 樣。沖擊測(cè)定所使用的儀器是高速鍵合測(cè)試儀(dage公司制造，4000HS)，以牽引速度為1、 10、100、200(mm/秒)的4種條件測(cè)定結(jié)果。表3表示其實(shí)測(cè)值，圖9以比較曲線(xiàn)圖的形式 表示該結(jié)果。曲線(xiàn)圖中，三角標(biāo)表示Sn-Cu試樣，方形標(biāo)表示其中添加了 M的試樣。[表 3][使用BGA球試樣，釬焊料接合的試樣的牽引試驗(yàn)中吸收能量的測(cè)定值]1.BGA試樣的牽引試驗(yàn)中吸收能量測(cè)定值 (單位mj)由上述沖擊試驗(yàn)可知，添加了 Ni的試樣在直至IOmm/秒的牽引速度下與Sn-Cu試 樣幾乎沒(méi)有差異，在施加超過(guò)該牽引速度的大的能量時(shí)耐性高。實(shí)施例4為了進(jìn)一步確認(rèn)不僅是回流焊，在流動(dòng)焊中也可以發(fā)揮本發(fā)明的目標(biāo)效果，發(fā)明 人通過(guò)浸焊制成試樣，進(jìn)行與實(shí)施例2的說(shuō)明同樣的確認(rèn)試驗(yàn)。表4表示其結(jié)果。
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表4所示的試樣是調(diào)節(jié)為相對(duì)于Sn，Cu為0. 01重量％、0. 1重量％、0. 2重量％、 0. 92重量％、3重量％、7重量％和7.6重量％共7種，并且相對(duì)于各Cu的調(diào)節(jié)，按照從不添 加Ni、添加0. 001重量％、0· 01重量％、0· 03重量％、0· 05重量％、0. 1重量％、0. 3重量％
和6重量％共8種中適當(dāng)選擇的添加量，共計(jì)制作34種。浸焊的方法釆用常規(guī)方法。上述 制備的34種試樣包埋在環(huán)氧樹(shù)脂中，制備截面觀察用試樣，使用與實(shí)施例2同樣的儀器設(shè) 備測(cè)定裂紋實(shí)際數(shù)目和裂紋長(zhǎng)度。表5是根據(jù)Cu的添加量將表4的測(cè)定實(shí)際數(shù)值分成七組，以各自未添加Ni時(shí)的 裂紋出現(xiàn)為100，以百分率表示裂紋數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度，該比較與表2同樣。[表 5][本試驗(yàn)中使用的合金組成以及浸焊的釬焊料接合試樣中MC層單位長(zhǎng)度的裂紋 數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度的測(cè)定值]
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(是以“Ni”= 0為100、表示IMC層單位長(zhǎng)度的裂紋數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度的表)[合金組成][IMC層單位長(zhǎng)度的裂紋數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度] 圖10-15是制成曲線(xiàn)圖的形式，以便容易直觀理解表5的結(jié)果中除了 7重量％ Cu 的情況以外的試樣的測(cè)定結(jié)果。省略7重量％ Cu的曲線(xiàn)圖并沒(méi)有技術(shù)含義。由這些曲線(xiàn) 圖可容易地理解，與Sn-Cu組成比較，添加了 Ni的所有試樣中，其裂紋實(shí)際數(shù)目和總長(zhǎng)度 均飛躍性減少。特別是對(duì)Cu添加量為0. 2重量％和0. 92重量％、Ni的添加量為0. 001重 量％的試樣進(jìn)行試驗(yàn)(圖12、圖13)，這些情況下，與未添加Ni的試樣比較，裂紋實(shí)際數(shù)目 和總長(zhǎng)度均大幅減少，可以確認(rèn)，即使是0.001重量％的Ni的添加也充分發(fā)揮效果。對(duì)于 Ni的添加量為6重量％的試樣(試樣No. 6和30)，出現(xiàn)在圖10和圖15的右側(cè)方向，但由 于曲線(xiàn)圖的關(guān)系，省略了其顯示。不過(guò)由表4和表5可知，在試樣No. 30中沒(méi)有確認(rèn)裂紋本 身，對(duì)于No. 6只能確認(rèn)極小的裂紋，因此可以判斷在Ni的添加量超過(guò)0. 3重量％、最高為6 重量％的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)與其它試樣大致同樣的結(jié)果。圖16-21表示實(shí)施例4所得的試樣中 的11種試樣的截面SEM照片，可通過(guò)目視對(duì)相對(duì)于Cu的五種添加量添加了 Ni的試樣、和 未添加的試樣進(jìn)行對(duì)比。由這些照片可知，添加了 Ni的試樣幾乎未見(jiàn)象Cu6Sn5這樣的針狀 結(jié)晶物的生長(zhǎng)，未見(jiàn)裂紋的發(fā)生。各圖中所示的試樣編號(hào)與表4的試樣編號(hào)對(duì)應(yīng)。實(shí)施例5
接著，在實(shí)施例5中，對(duì)于將Ni與Pd、C0、Mn、Zn、Pt置換的組成，為了確認(rèn)其發(fā)揮 了預(yù)期效果而進(jìn)行試驗(yàn)。試樣的制備和測(cè)定按照實(shí)施例4進(jìn)行。表6表示各材料的組成、 裂紋的實(shí)際數(shù)值和總長(zhǎng)度，表7以Sn-Cu的二元組成的裂紋數(shù)目和總長(zhǎng)度為100，以百分率 表示各組成下的裂紋數(shù)目和總長(zhǎng)度。[表 6][用其它元素置換“Ni”所得各合金組成、以及浸焊的釬焊料接合試樣中IMC層單 位長(zhǎng)度的裂紋數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度的測(cè)定值][ “Ni”置換元素的測(cè)定值] [表 7][用其它元素置換“Ni”所得各合金組成、以及浸焊的釬焊料接合試樣中IMC層單 位長(zhǎng)度的裂紋數(shù)目和裂紋總長(zhǎng)度的測(cè)定值](以“SnO.92Cu”的測(cè)定值為“ 100”時(shí)的“Ni”置換元素的測(cè)定值) 該實(shí)施例中，Cu的添加量是0. 92重量％這一種，Pb、Co、Mn、Zn、Pt的各自添加量 也是0. 1重量％這一種，對(duì)于裂紋的發(fā)生，添加Pd與添加其它金屬相比裂紋稍多一些，但是 與未添加這些金屬的Sn-Cu組成的裂紋相比則減半。關(guān)于Ni的添加，由確認(rèn)的實(shí)施例4可
12知，Cu的添加量以及各Pd、Co、Mn、Zn、Pt的添加量即使增減，理論上均有望獲得與Ni同樣 的效果。
權(quán)利要求
用合金釬焊得到的釬焊接頭，該合金由0.01 7.6重量％Cu、0.001 6重量％Ni、余量Sn構(gòu)成。
2.權(quán)利要求1所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Ni的下限為0.01重量％。
3.權(quán)利要求1所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Ni的下限優(yōu)選0.03重量％。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，M的上限為0.3重量％。
5.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Ni的上限優(yōu)選為0. 1重量％。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Cu的下限為0.1重量％。
7.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Cu的下限優(yōu)選為0. 2重量％。
8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Cu的上限為7重量％。
9.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，Cu的上限為0.92重量％。
10.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，將M與選自Pd、 Co、Mn、Zn、Pt的至少一種金屬置換。
11.權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的用合金釬焊得到的釬焊接頭，其中，允許含有Ag、 Sb, Bi, Fe以及除了權(quán)利要求10中選擇的金屬以外的金屬作為雜質(zhì)。
12.釬焊接頭，該釬焊接頭由0.01-7. 6重量％ Cu、0. 001-6重量％ Ni、余量Sn構(gòu)成。
13.權(quán)利要求12所述的釬焊接頭，其中，Ni的下限為0.01重量％。
14.權(quán)利要求12所述的釬焊接頭，其中，Ni的下限優(yōu)選0.03重量％。
15.權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述釬焊接頭，其中，Ni的上限為0.3重量％。
16.權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，Ni的上限優(yōu)選為0.1重量％。
17.權(quán)利要求12-16中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，Cu的下限為0.1重量％。
18.權(quán)利要求12-16中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，Cu的下限優(yōu)選為0.2重量％。
19.權(quán)利要求12-18中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，Cu的上限為7重量％。
20.權(quán)利要求12-18中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，Cu的上限為0.92重量％。
21.權(quán)利要求12-20中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，將Ni與選自Pd、C0、Mn、Zn、Pt的 至少一種金屬置換。
22.權(quán)利要求12-21中任一項(xiàng)所述的釬焊接頭，其中，允許含有Ag、Sb、Bi、Fe以及除了 權(quán)利要求10中選擇的金屬以外的金屬作為雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明提供抑制裂紋發(fā)生的釬焊接頭。通過(guò)由0.01-7.6重量％Cu、0.001-6重量％Ni、余量Sn構(gòu)成的釬焊料合金制備釬焊接頭。Cu和Ni的含量分別具有最大幅度的含量，但Ni的下限值特定為0.01重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.03重量％。Ni的上限值特定為0.3重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0.1重量％。Cu的下限值特定為0.1重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0.2重量％。Cu的上限值特定為7重量％，進(jìn)一步優(yōu)選0.92重量％。本發(fā)明包括該組成的釬焊接頭。
文檔編號(hào)B23K35/26GK101896310SQ20088012055
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者西村哲郎 申請(qǐng)人:日本斯倍利亞社股份有限公司