焊料合金的制作方法
【專利摘要】提供提高了在高溫環(huán)境下評價的焊料接頭的接合可靠性的Sn-Ag-Cu系焊料合金。所述焊料合金具有：以質(zhì)量%計，由Ag：1.0～5.0%、Cu：0.1～1.0%、Sb：0.005～0.025%、Fe：0.005～0.015%、以及余量的Sn構(gòu)成的合金組成。以質(zhì)量%計，F(xiàn)e的含量為0.006～0.014%。以質(zhì)量%計，Sb的含量為0.007～0.023%。優(yōu)選的是，以質(zhì)量比計，F(xiàn)e:Sb=20:80～60:40。另外，優(yōu)選的是，F(xiàn)e與Sb的總含量為0.012～0.032質(zhì)量%。
【專利說明】焊料合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及Sn-Ag-Cu系焊料合金，尤其涉及即使在高溫下長時間使用時也能夠發(fā)揮焊料接合部(焊料接頭)的連接可靠性的Sn-Ag-Cu系焊料合金。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，廣泛使用Sn-Ag-Cu焊料合金作為無鉛焊料。無鉛焊料合金的適用范圍雖然越發(fā)擴大，但與之相伴地，還開始期望其在更嚴酷的環(huán)境下也能夠使用。另外，同時還開始要求即使在這種環(huán)境下長時間使用，焊料接頭也不產(chǎn)生破斷、劣化的高連接可靠性。
[0003]此處，本說明書中假定的焊料接頭的使用環(huán)境例如為移動電話、車載用電子部件等所使用的環(huán)境。其連接可靠性的評價通過溫度為125°C、150°C且時間為500小時、1000小時這樣的高溫環(huán)境下的加速試驗來進行。
[0004]此外，對于現(xiàn)有的Sn-Ag-Cu焊料合金，有為了進一步改良而添加N1、Fe等，從而改善連接可靠性、耐落下沖擊特性、潤濕性的提案。可列舉出專利文獻I?4中公開的技術(shù)作為其代表例。
[0005]另外，近年來，從在移動電話等的印刷電路板、封裝體的焊料接頭處使用這種焊料合金的觀點出發(fā)，要求高的溫度循環(huán)特性、高溫環(huán)境下的連接可靠性。為了應對這一要求，專利文獻5中研究了在Sn-Ag-Cu焊料合金中含有P、Bi或Sb的焊料合金。專利文獻6中研究了在Sn-Ag-Cu焊料合金中含有Sb或Fe的焊料合金。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開2005-040847號公報
[0009]專利文獻2:日本特表2001-504760號公報
[0010]專利文獻3:日本特開2007-237251號公報
[0011]專利文獻4:日本特開2001-096394號公報
[0012]專利文獻5:日本特開2004-154845號公報
[0013]專利文獻6:日本特開2002-239780號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]發(fā)明要解決的問題
[0015]但是，專利文獻I?4所公開的焊料合金盡管由于添加N1、Fe等而改善了耐沖擊性、潤濕鋪展性，但需要在更嚴酷的環(huán)境下確保高連接可靠性。
[0016]專利文獻5所公開的焊料合金會發(fā)揮如下的效果:在高溫環(huán)境下，抑制形成于焊料接頭的接合界面的金屬間化合物的生長，減少柯肯德爾空洞(Kirkendall void)的產(chǎn)生數(shù)。然而，即使在Sn-Ag-Cu合金中僅添加P、Bi或Sb，其效果也尚不充分，需要進一步改善。
[0017]專利文獻6中記載了由于具有優(yōu)異的延性和強度而耐熱疲勞特性優(yōu)異。但是，專利文獻6中實際上研究的組成僅僅是Sb為0.3質(zhì)量％以上的組成、Fe為0.2質(zhì)量％的組成。進而，在專利文獻6中，對于含有兩種元素的組成沒有任何公開，也沒有記載進行高溫放置試驗等得到的結(jié)果。因此，僅含有Sb或Fe中的一者的組成、含有這兩種元素的組成是否能夠耐受如前所述的加速試驗未經(jīng)證實。
[0018]本發(fā)明的課題在于提供提高了在高溫環(huán)境下評價的焊料接頭的連接可靠性的Sn-Ag-Cu系焊料合金。
[0019]本發(fā)明人等已知，確保Sn-Ag-Cu系焊料合金的連接可靠性時，在高溫環(huán)境下使用時的柯肯德爾空洞的產(chǎn)生成為問題。因此，本發(fā)明的具體課題在于提供能夠有效防止這種柯肯德爾空洞的產(chǎn)生的Sn-Ag-Cu系焊料合金。
[0020]用于解決問題的方案
[0021]進而，本發(fā)明人等反復進行了研究，結(jié)果得知，通過抑制焊料接頭的接合界面的金屬間化合物Cu3Sn的生成，即使在高溫環(huán)境下使用，也能減少柯肯德爾空洞的產(chǎn)生數(shù)。進而，本發(fā)明人等得知，通過為了減少柯肯德爾空洞的產(chǎn)生數(shù)而在Sn-Ag-Cu焊料合金中微量添加Fe和Sb，從而利用它們的協(xié)同效應，能夠有效地防止焊料接頭接合界面的上述金屬間化合物的生成，連接可靠性得到飛躍性的改善。
[0022]此處，本發(fā)明如下所述。
[0023](I) 一種焊料合金，其具有:以質(zhì)量％計，由Ag: 1.0?5.0%、Cu:0.1?1.0%、Sb:0.005?0.025%、Fe:0.005?0.015%、以及余量的Sn構(gòu)成的合金組成。
[0024](2)根據(jù)上述(I)所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，Ag的含量為2.0?4.0%。
[0025](3)根據(jù)上述(I)或上述(2)所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，Cu的含量為0.2 ?0.7%。
[0026](4)根據(jù)上述(I)?上述(3)中的任一項所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，Sb的含量為0.007?0.023%。
[0027](5)根據(jù)上述(I)?上述(4)中的任一項所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量比計，F(xiàn)e:Sb=20:80 ?60:40。
[0028](6)根據(jù)上述(I)?上述(5)中的任一項所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，F(xiàn)e的含量為0.006?0.014%。
[0029](7) 一種焊料球，其由上述(I)?上述(6)中的任一項所述的焊料合金形成。
[0030]( 8 ) 一種焊料接頭，其由上述(I)?上述(6 )中的任一項所述的焊料合金形成。
[0031](9) 一種接合方法，其使用上述(I)?上述(6)中的任一項所述的焊料合金。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是示出空洞產(chǎn)生數(shù)的平均值與Sb的含量的關(guān)系的圖表。
[0033]圖2是示出將高溫放置條件設(shè)為125°C -500小時時的、空洞產(chǎn)生數(shù)的平均值與Fe的含量的關(guān)系的圖表。
[0034]圖3是示出將高溫放置條件設(shè)為125°C -500小時時的、空洞產(chǎn)生數(shù)的平均值與FeiSb的關(guān)系的圖表。
[0035]圖4是示出在各高溫放置條件下的、含有規(guī)定量的Sb的焊料合金的空洞產(chǎn)生數(shù)的平均值與Fe的含量的關(guān)系的圖表。
[0036]圖5:圖5的(a)?圖5的(d)是剛剛焊接后的焊料接頭的端子與焊料接合部的接合界面的截面SEM照片(3000倍)，圖5的(e)?圖5的(h)是在125°C -500小時的條件下高溫放置后的焊料接頭的端子與焊料接合部的界面的截面SEM照片(3000倍)。
【具體實施方式】
[0037]通過以下內(nèi)容對本發(fā)明進行詳細說明。在本說明書中，與焊料合金組成相關(guān)的“％”在沒有特別指定的情況下為“質(zhì)量％”。
[0038]本發(fā)明的Sn-Ag-Cu-Sb-Fe焊料合金由于含有Sb和Fe兩種元素，因此，即使長時間暴露于高溫環(huán)境下，也能夠抑制在與電極的接合界面處形成的Cu3Sn等金屬間化合物的生長、減少柯肯德爾空洞的產(chǎn)生數(shù)，從而能夠確保優(yōu)異的連接可靠性。
[0039]此處，推測柯肯德爾空洞是如下產(chǎn)生的。例如，焊料合金與Cu電極接合時，在接合界面形成Cu3Sn等金屬間化合物。長時間暴露于高溫環(huán)境下時，該Cu3Sn生長，由于Sn與Cu的擴散系數(shù)的差異而產(chǎn)生相互擴散的不均衡。由于該不均衡，晶格產(chǎn)生原子空位，該原子空位聚集而不消失，從而產(chǎn)生所謂柯肯德爾空洞(以下稱為“空洞”)。
[0040]本發(fā)明的焊料合金的合金組成如下所述。
[0041]Ag的含量為1.0?5.0%。Ag提高焊料合金的強度。Ag多于5.0%時，焊料合金中大量產(chǎn)生Ag3Sn,焊料合金脆化，因此耐沖擊落下特性差。Ag不足1.0%時，焊料合金的強度不充分。Ag的含量優(yōu)選為2.0?4.0%、更優(yōu)選為2.9?3.1%。
[0042]Cu的含量為0.1?1.0%。Cu提高焊料合金的強度。不足0.1%時，焊料合金的機械強度提高的效果不充分，多于1.0%時，焊料合金的液相線溫度上升，導致潤濕性的降低、焊料合金熔融時的浮渣產(chǎn)生、以及空洞產(chǎn)生數(shù)的增加，連接可靠性降低。Cu的含量優(yōu)選為0.2?0.7%、更優(yōu)選為0.45?0.55%。
[0043]為了減少柯肯德爾空洞的產(chǎn)生數(shù)，Sn-Ag-Cu系焊料合金中僅含有Sb的合金組成、僅含有Fe的合金組成是不充分的，設(shè)為含有Fe和Sb兩種元素的合金組成。
[0044]Sb的含量為0.005?0.025%。Sb抑制Cu3Sn金屬間化合物的生長，減少空洞的產(chǎn)生數(shù)。另外，從抑制空洞產(chǎn)生數(shù)的增加的方面出發(fā)，在Sn-Ag-Cu焊料合金中將Sb與Fe —起添加是重要的。不足0.005%時，無法抑制空洞的產(chǎn)生數(shù)，無法得到優(yōu)異的連接可靠性。多于0.025%時，空洞產(chǎn)生數(shù)的抑制效果沒有進一步得到改善。Sb的含量優(yōu)選為0.007?0.023%、更優(yōu)選為 0.01 ?0.02%。
[0045]Fe的含量為0.005?0.015%。Fe與Sb同樣地抑制作為電極材料的Cu與Sn的相互擴散，抑制金屬間化合物Cu3Sn的生長，并且減少空洞的產(chǎn)生數(shù)。不足0.005%時，無法抑制金屬間化合物Cu3Sn的生長，空洞大量產(chǎn)生而導致無法得到優(yōu)異的連接可靠性。多于0.015%時，焊料合金中形成Fe的氧化物，潤濕性惡化。另外,例如,將焊料合金加工成期望的焊料球會變得困難。Fe的含量優(yōu)選為0.006?0.014%、更優(yōu)選為0.007?0.013%。
[0046]總而言之，本發(fā)明的焊料合金通過將Fe和Sb兩種元素添加到Sn-Ag-Cu焊料合金中，從而能夠得到優(yōu)異的連接可靠性?？梢哉J為這是因為:在最容易產(chǎn)生原子擴散的Cu3Sn的晶粒界面形成牢固的FeSb2等，抑制由Cu的擴散造成的Cu3Sn的生長，與之相伴的空洞產(chǎn)生數(shù)也能夠降低。
[0047]從這個觀點出發(fā)，F(xiàn)e與Sb的含有比以質(zhì)量比計，優(yōu)選Fe: Sb=20:80?60:40、更優(yōu)選Fe:Sb=40:60?60:40、特別優(yōu)選Fe:Sb=40:60?50:50。進而，從同樣的觀點出發(fā)，F(xiàn)e與Sb的總質(zhì)量優(yōu)選為0.012~0.032%、更優(yōu)選為0.015~0.025%、特別優(yōu)選為0.017~0.025%。
[0048]本發(fā)明的焊料合金中還會存在作為雜質(zhì)的Pb。作為雜質(zhì)的Pb的含量為0.01%以下。
[0049]本發(fā)明中，將加速試驗的高溫放置條件設(shè)為:溫度為125°C、150°C，時間為500小時、1000小時。這些條件即使對于用于移動電話、要求高可靠性的汽車相關(guān)部件的情況而言，也是充分的條件。
[0050]本發(fā)明的焊料合金可以用于焊料球。本發(fā)明的焊料球通常為直徑0.01~1.0mm左右的球形的焊料，用于BGA (球柵陣列)等半導體封裝體的電極、基板的凸塊形成。焊料球可以通過通常的焊料球的制造方法來制造。
[0051]另外，本發(fā)明的焊料合金可以用作焊膏(solder paste)。焊膏是將焊料粉末與少量焊劑混合并制成膏狀而得到，廣泛用于基于回流焊接法向印刷電路板安裝電子部件方面。焊膏中使用的焊劑為水溶性焊劑和非水溶性焊劑均可，通常使用基于松香的非水溶性焊劑即松香系焊劑。此外，本發(fā)明的焊料合金也可以以預成型焊片(perform)、焊錫絲(wire)等形態(tài)來使用。
[0052]使用本發(fā)明的焊料合金的接合方法可以利用回流法根據(jù)通常方法來進行，并不因為使用本發(fā)明的焊料合金而附加特殊的條件。具體而言，通常在比焊料合金的固相線溫度高幾。C~20°C的溫度下進行，例如，將峰值溫度設(shè)為240°C來進行。
[0053]本發(fā)明的焊料接頭使用本發(fā)明的焊料合金,將IC芯片等的封裝體(PKG:Package)的端子與印刷電路板(PCB:printed circuit board)等的基板的端子接合從而連接。即，本發(fā)明的焊料接頭是指這種端子與焊料的接合部。由此，本發(fā)明的焊料接頭可以使用通常的焊接條件來形成。
[0054]本發(fā)明的焊料合金能夠在如前所述的嚴酷使用環(huán)境下發(fā)揮其效果，當然也可以用于現(xiàn)有的使用環(huán)境下。
[0055]實施例
[0056]由表1所示的焊料合金制作直徑0.3mm的焊料球。在以規(guī)定的圖案配置于印刷電路板且表面經(jīng)過焊劑處理(0SP:Organic Solderability Preservative)的Cu電極上以100 μ m的厚度印刷涂布水溶性焊劑(千住金屬株式會社制:WF-6400)。然后，在該Cu電極上搭載預先制作的焊料球后，利用回流法進行焊接，從而得到形成有焊料接頭的試樣。使用該試樣進行下述試驗，計量空洞產(chǎn)生數(shù)。
[0057]I)高溫放置試驗
[0058]將試樣保持在設(shè)定為125 V -500小時；125 °C -1000小時；150°C -500小時；1500C -1000小時的恒溫槽(大氣氣氛)中。然后，將試樣從恒溫槽取出，冷卻。
[0059]2)空洞產(chǎn)生數(shù)的計算
[0060]對高溫放置試驗后的各條件的試樣分別使用FE-SEM拍攝3000倍的焊料接頭截面照片。然后，分別計數(shù)各自的焊料接頭界面產(chǎn)生的直徑為0.1 μπι以上的空洞的總數(shù)，算出空洞產(chǎn)生數(shù)的平均值。將結(jié)果示于表1。將空洞產(chǎn)生數(shù)的平均值為60個以下設(shè)為良好(〇)、61~99個設(shè)為稍差(Λ)、100個以上設(shè)為差(X)。需要說明的是，表1中，下劃線表示超出本發(fā)明范圍的組成。、[0061][表1]
【權(quán)利要求】
1.一種焊料合金，其具有:
以質(zhì)量 % 計，由 Ag:1.0 ~5.0%、Cu:0.1 ~1.0%、Sb:0.005 ~0.025%、Fe:0.005 ~0.015%、以及余量的Sn構(gòu)成的合金組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，Ag的含量為2.0~4.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％if, Cu的含量為0.2~0.7%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中的任一項所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，Sb的含量為0.007 ~0.023%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任一項所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量比計，F(xiàn)e:Sb=20:80 ~60:40。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5中的任一項所述的焊料合金，其中，以質(zhì)量％計，F(xiàn)e的含量為0.006 ~0.014%。
7.一種焊料球，其由權(quán)利要求1~6中的任一項所述的焊料合金形成。
8.一種焊料接頭，其由權(quán)利要求1~6中的任一項所述的焊料合金形成。
9.一種接合方法 ，其使用權(quán)利要求1~6中的任一項所述的焊料合金。
【文檔編號】B23K35/26GK103476540SQ201280004441
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月9日
【發(fā)明者】石橋世子, 吉川俊策, 大西司 申請人:千住金屬工業(yè)株式會社