无铅软焊料.pdf

本发明涉及一种尤其用于电子学和电工学的无铅软焊料。本发明的任务是开发一种无铅软焊料，它绝对不易于形成粗大锡枝晶，在其熔化后保证了平滑均质的焊料表面并且它适用作BGA小球(芯片制造用焊料球)。按照本发明，该任务通过一种无铅的Sn－Ag－Cu焊料合金来解决，该合金的特点在于：基本合金含有5.0－20重量％的银、0.8－1.2重量％的铜，余量分别为锡和通常的杂质，该基本合金总是添加有0.8－1.2重量％的铟和0.01－0.2重量％的镍，或者代替镍地添加有0.01－0.2重量％的锗或0.01－0.2重量％的镧系元素如镧或钕，后述三种变型方案也可以以中间合金形式相互组合，而其总和达到0.01－0.2重量％。

1.  一种以Sn-Ag-Cu焊料合金为基础的无铅软焊料，其特征在于，一种基本合金含有5.0-20重量％的银、0.8-1.2重量％的铜，余量分别为锡和通常的杂质，其中，该基本合金总是添加有0.8-1.2重量％的铟和0.01-0.2重量％的镍，或者取代镍地添加0.01-0.2重量％的锗或0.01-0.2重量％的镧系元素如镧或钕，其中后述三种变型方案也可以以中间合金形式相互组合，而其总和达到0.01-0.2重量％。

2.  按权利要求1所述的无铅软焊料，其特征在于，一种基本合金具有5.0-5.5重量％的银、0.8-1.2重量％的铜，余量分别为锡和通常的杂质，其中，该基本合金总是添加有0.8-1.2重量％的铟和0.01-0.2重量％的镍，或者取代镍地添加有0.01-0.2重量％的锗或0.01-0.2重量％镧系元素如镧或钕，其中，后述三种变型方案也可以以中间合金形式相互组合，而其总和达到0.01-0.2重量％。

无铅软焊料
本发明涉及一种尤其用在电子学和电工学的无铅软焊料。
除了具有相对要热接合的金属构件的良好浸润性能之外，用于电子学和电工学的软焊料还应在焊缝过渡部中具有尽可能小的电阻以及尽可能高的疲劳强度，因而，用这种软焊料本身就能使具有截然相同的热膨胀系数的材料接合起来。此外，也特别有意义的是，焊料的熔点或者熔化区一方面足够大于最高工作温度，但同时也要低到能使要通过软焊料接合的构件不会因借助该焊料的焊接所需的熔化温度而受损。此外，如果用作焊料的合金具有共晶的或者近似共晶的特性，则有利于最佳的焊接性能。
尤其是对于要用于制造BGA小球(芯片制造用焊料球)的焊料来说，除了很好的机械性能和电性能外，也还被迫需要光滑均匀的焊电表面，以便能够在焊点的有效质量控制范围内快速无误地根据其光泽来目测评估焊点。
因而，特别是对这种用于制造BGA小球(芯片制造用焊料球)的合金提出了一个很重要的要求，即在焊料冷却时应避免产生枝晶，这是因为，与形成粗大锡枝晶有关地出现的粗大晶粒组织大大影响了焊点表面的光滑均匀性及其光泽。
由于焊料常常在具有截然相同的温度膨胀系数的材料之间形成界面，因而，与形成粗大组织相关地出现的并由温度波动引起的剪切应力例如可能与在焊接后的冷却中的温度变化相关地导致焊接部受损。
所有上述这些截然不同的要求迄今全通过SnPb焊料来满足。
但由于铅是有毒的，因而在欧盟范围内，出于劳动保护和环保考虑在2006年以后应该从电子学中除去铅。
从US 5,980,822和US 5,918,795中知道了例如SnBi焊料，它们由于其熔点低而例如别提供作为SnPb焊料的替换品。
这些合金的一个主要缺点也是铋造成焊接性能差。
已在EP 0858859中描述的、将铋用于降低锡银铜合金的熔点对用在BGA小球(球栅阵列)中来说是不利的，因为铋还提高了延展性并大大限制了所需的焊料球弹性。
这些焊料具有低的剪切强度和疲劳强度。
在US 6,231,691 B1中，一方面在如US 5,527,628所述的共晶Sn-4.7％Ag-1.7％Cu焊料中加入了0.15％的Ni。焊料基体的共晶熔点216.8℃因而无法改变。
用在这种焊料合金中的铜成分由于形成Cu₃Sn针晶和/或Cu₆Sn₅针晶而跨接了较宽的焊缝，但这种金属键相的形成必然造成上述的与焊接性能和焊接部的机械性能/物理性能相关的缺点。
早在US 6,231,691 B1中也描述了一种焊料合金，其焊料基体为Sn-4.7％Ag-1.7％Cu和0.3％Fe。
通过加入合金成分Fe，接近纯Sn的熔点(223℃)的焊料基体的共晶熔点216.8℃并不发生变化。
但是，在焊料基体中加入0.3％Fe会使该焊料易于生锈并因而不能用在电子学领域中。
另外，US 5,938,862公开了一种焊料合金，其成分为Sn-(8.0％-10％)In-3.2％Ag-1.0％Cu。但由于铟在天然矿藏中只是很有限地可供使用，因而它比银贵一倍。铟的价格昂贵由于其在合金中含量高而也对焊料合金价格有很大的影响。但同时，比较高的铟含量也使这种铟焊料合金很软。
同时，尤其在用于非共晶焊料合金时，铟含量造成出现不可避免的变形(孔)，因而，铟合金必然不适用于芯片制造用焊料球的制造。
在背景技术中，例如如EP 1231015所述地，公开了一系列的Sn-(2.0％-4％)Ag-(0.5％-1.5％)Cu焊料合金。这些焊料合金的共同点是，它们在工艺冷却过程中都非常易于形成粗大的锡枝晶，因而，它们具有与之有关的缺点。在EP 0847829里描述了另一种焊料合金，其焊料的变型方案同样易于形成粗大的锡枝晶，而且还决不可能达到对用作BGA小球来说是最佳的熔化凝固区214℃-215℃。
因而，本发明的任务是消除背景技术中的缺点并开发出一种无铅软焊料，其起始于214℃左右的熔化凝固区一方面是共晶的，另一方面也可以通过有目的地搀杂来明确地向上扩大范围，同时，决不易于形成粗大的锡枝晶，在熔化后保证了焊料表面的平滑和均质，它的特点还在于有很好的物理性能和化学性能，例如很好的浸润性能、高疲劳强度、良好地耐蚀性、良好的塑性和韧性以及低电阻，并且它适合于制造BGA小球(制造芯片用焊料球)。
按照本发明，该任务通过一种无铅的Sn-Ag-Cu焊料合金来完成，其特点在于，该合金由一种基本合金组成，该基本合金具有5-20重量％的银、0.8-1.2重量％的铜，其余分别为锡和其余杂质，其中，该基本合金总是添加有0.8-1.2重量％的铟和
—在第一种变型方案中，0.01-0.2重量％的镍；
—在第二种变型方案中，0.01-0.2重量％的锗；
—在第三种变型方案中，0.01-0.2重量％的镧系元素如镧或钕，其中，后述三种变型方案也可以以中间合金形式组合起来，但它们的总和达到0.01-0.2重量％。
当银含量为5-5.5重量％时获得的本发明无铅软焊料具有在最高为214℃-215℃区域内的近似共晶的熔化凝固温度，它在冷却时避免形成粗大的锡枝晶并总是保证焊料的光滑均匀表面。
若将银搀杂量提高到大于5.5重量％-20重量％，那么随着银含量的提高，就形成一个可明确向上扩展的熔化区，它开始于共晶温度214℃-215℃。
本发明的焊料具有在214℃-215℃开始并明确向上扩展的、近似共晶的熔化凝固温度，这样的温度在冷却时避免了形成粗大的锡枝晶，并且总是保证了焊点表面的光滑和均质。
同时，本发明的无铅软焊料的特点是很好的物理性能和化学性能如很好的浸润性、高疲劳强度、良好的耐蚀性、良好的塑性和韧性以及在于较低的电阻并在熔化之后具有光滑均质的焊料表面。
由于所述性能，按照本发明的无铅软焊料尤其适用于制造BGA小球(芯片制造用焊料球)。
本发明的其它特点、细节和优点除了参见权利要求书的字句外也可参见以下对实施例的说明。
结合两个实施例对本发明进行详细叙述。
在第一实施例中详细叙述了一种按照本发明的无铅软焊料，它包括98.8重量％的Sn-5％的Ag-1％Cu的合金，以及1重量％的铟和0.2重量％的镍。按照本发明，添加1重量％的铟尤其改善了这样的焊料基体Sn-5％Ag-1％Cu的物理性能，如其浸润性能、耐蚀性、塑性和韧性。
根据本发明，添加铟能保证整个合金的近似共晶性能，同时降低了焊缝过渡部位处的电阻。
与根据本发明附加地添加0.2％的镍相关地，由于按照本发明的总组成成分，近似保持本发明合金的所力求的共晶性能。同时造成，在本发明软焊料合金的工艺冷却过程中不形成粗大锡枝晶。
在第二实施例中详细介绍了一种按照本发明的无铅软焊料，它包括98.8重量％的Sn-5％Ag-1％Cu的合金，和1重量％的铟，它在熔液中搀杂有0.2重量％的镧。
按照本发明，添加1重量％的铟尤其又改善了焊料基体Sn-5％Ag-1％Cu的这些物理性能如浸润性能、耐蚀性、塑性和韧性。
按照本发明，添加铟在保证整个合金的近似共晶性能的同时又降低了焊缝过渡部位里的电阻。
与按照本发明附加地添加0.2％的镧有关地，其中这种镧可以是纯镧，但也可以作为例如与镍或锗的中间合金，由于按照本发明的总组成成分，保持本发明合金的所力求的共晶性能及其熔点214℃-215℃。
在本发明软焊料合金的工艺冷却过程中，还并不形成粗大锡枝晶。
与传统的SnPbAg焊料和SnAgCu焊料相比，根据本发明的焊料也具有改善的均质表面、更好的耐氧化性能以及明显改善的机械性能，因而，这种焊料也可以最佳地用于BGA小球的生产。
借助按本发明的解决方案提出了一种无铅软焊料，其起始于214℃的熔化凝固区一方面是共晶的，而另一方面通过有目的地搀杂明确地向上扩展，同时也决不易于形成粗大的锡枝晶，在熔化后保证了焊料表面的光滑和均质，另外，它的特点在于很好的物理性能和化学性能如很好的浸润性能、高疲劳强度，良好的耐蚀性、良好的塑性和韧性以及低的电阻，因此该无铅软焊料适合用作BGA小球(芯片制造用焊料球)。