CN101341266A - 增加锡-铟焊剂柔度的技术 - Google Patents

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Abstract

增加锡－铟焊剂柔度的技术被公开。在一个具体的示例性实施方式中，所述技术可被实现为无铅焊剂合金，所述无铅焊剂合金包括按重量计约58.0％至约99.998％的锡、按重量计约0.001％至约40.0％的铟、以及按重量计约0.001％至约2.0％的至少一种稀土元素。

Description

增加锡-铟焊剂柔度的技术
技术领域
[001]本公开一般地涉及导电焊剂，更具体地涉及增加锡-铟焊剂柔度的技术。
背景技术
[002]近来，由于对含铅焊剂合金的环境和健康方面的考虑，电子和半导体工业已迅速转向无铅焊剂。在无铅焊剂合金中，锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)合金被认为是最具前景的。然而，锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)合金通常具有高液相线温度(即，等于或大于217℃，其比锡-铅焊剂合金(例如，Sn63Pb37)的低共熔温度高大约34℃)。这样的高液相线温度可能给电子元件和印制线路板(PWB)造成热损伤，从而导致成品率损失和可靠性降低。因此，具有较低的液相线温度(例如约193-213℃)的合金(例如，Sn-Zn、Sn-Ag-In和Sn-Ag-Cu-In合金)已被认为比锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)合金更适合用于由于热漂移(thermal excursion)而对损伤敏感的应用中。
[003]遗憾的是，锡-锌(Sn-Zn)、锡-银-铟(Sn-Ag-In)和锡-银-铜-铟(Sn-Ag-Cu-In)合金往往表现出过大的屈服强度和脆性，从而被认为不适合用于下一代电子和半导体器件。这类下一代电子和半导体器件在硅芯片中采用脆性的和多孔的低介电材料，并从而要求具有抗显著冲击和震动的能力，原因在于越来越流行便携式电子器件，例如手机、个人数据助手(personal data assistant，PDA)、笔记本电脑等等。鉴于上述问题，对于开发用于这些要求的应用中的低温柔性无铅焊剂存在强烈的兴趣。
[004]具体而言，对于开发低液相线温度合金存在兴趣，该低液相线温度合金具有与含铅焊剂合金例如Pb95Sn5相当的柔量，含铅焊剂合金例如Pb95Sn5传统上是半导体和电子工业中最广泛应用的柔性焊剂。为此目的，锡-铟(Sn-In)合金的合金组合物以及应用方法已经被研究。这些研究显示：85-96％锡和4-15％铟的焊剂组合物经历马氏体相变，以便为倒装片应用提供延性互连(ductile interconnect)。其它研究进一步显示，掺杂可精制焊剂颗粒尺寸，以维持细粒结构，并在半导体封装中的重要热循环之后产生超塑性。然而，即使在掺杂以获得细粒化锡-铟(Sn-In)焊剂并由此得到超塑性的情况下，这些锡-铟(Sn-In)焊剂仍表现出过低的柔量和过高的屈服强度(即，3400-3800psi，或比Pb95Sn5高大约36-150％，Pb95Sn5具有2500psi的屈服强度)。为了经受住硅芯片和有机衬底之间的热膨胀导致的大的失配所产生的高应力，以及经受住由于跌落和不正确操作导致在便携式设备中发生的冲击，低屈服强度可能是优选的。例如，具有较高屈服强度的合金可能传递应力至硅芯片并在硅芯片中产生破裂，而不是通过塑性形变来释放应力。
[005]考虑到前述内容，提供这样的技术将是期望的：该技术提供克服了上述不足和缺陷的低温无铅合金。
发明内容
[006]增加锡-铟焊剂柔度的技术被公开。在一个具体的示例性实施方式中，所述技术可被实现为无铅焊剂合金，所述无铅焊剂合金包括按重量计约58.0％至约99.998％的锡、按重量计约0.001％至约40.0％的铟、以及按重量计约0.001％至约2.0％的至少一种稀土元素。
[007]根据该具体示例性实施方式的其它方面，所述至少一种稀土元素可选自铈(Ce)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)和它们的组合。
[008]根据该具体示例性实施方式的进一步的方面，无铅焊剂合金可进一步包括按重量计从约0.01％至约3.0％的至少一种选自下列的掺杂剂：铜(Cu)、铁(Fe)、钴(Co)、锌(Zn)、镍(Ni)、锗(Ge)、磷(P)、锑(Sb)、银(Ag)、铝(Al)、铋(Bi)、铂(Pt)、碲(Te)和它们的组合。
[009]根据该具体示例性实施方式的另外的方面，无铅焊剂合金可包括按重量计至多大约94.999％的锡。
[010]根据该具体示例性实施方式的又另外的方面，无铅焊剂合金可包括按重量计至少大约71.7％的锡。
[011]根据该具体示例性实施方式的又另外的方面，无铅焊剂合金可包括按重量计至多大约28.0％的铟。
[012]根据该具体示例性实施方式的又另外的方面，无铅焊剂合金可包括按重量计至少大约5.0％的铟。
[013]根据该具体示例性实施方式的又另外的方面，无铅焊剂合金可包括按重量计至多大约0.3％的至少一种稀土元素。
[014]现在，本公开将参考如附图中所示的其示例性实施方式加以更详细描述。尽管本公开参考示例性实施方式在下面加以描述，但是应当理解，本公开并不限于此。获得本文的教导的本领域普通技术人员将认识到另外的实施、改变和实施方式以及其它使用领域，这些在本文所描述的本公开的范围之内，并且关于这些，本公开可具有显著的实用性。
附图说明
[015]为帮助更全面理解本公开，现在参考附图，其中相同的要素用相同的数字指代。这些附图不应当被解释成限制本公开，而意欲仅是示例性的。
[016]图1示出了曲线图，其表明根据本公开的实施方式，稀土掺杂对锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度的影响。
[017]图2示出了一个表，该表列出了锡-铟(Sn-In)合金和根据本公开实施方式的稀土元素掺杂的锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[018]图3示出了根据本公开的实施方式，在γ中间相的基体中具有锡-铈(Sn-Ce)颗粒的Sn-13In-0.16Ce焊剂合金的显微照片。
[019]图4示出了根据本公开的实施方式，用于鉴别图3的显微照片中所示的锡-铈(Sn-Ce)颗粒为CeSn3颗粒的能量色散光谱(energydispersive spectroscopy，EDS)的曲线图。
[020]图5示出了一个表，该表表明根据本公开实施方式的掺杂铈(Ce)、钕(Nd)和镧(La)的锡-铟(Sn-In)合金的延性优于未掺杂的锡-铟(Sn-In)合金的延性。
[021]图6示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-13In)和根据本公开的实施方式的铈(Ce)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[022]图7示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开的实施方式的钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[023]图8示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-13In)和根据本公开的实施方式的钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[024]图9示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开的实施方式的镧(La)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[025]图10示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-20In)和根据本公开的实施方式的铈(Ce)和钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[026]图11示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-13In)和根据本公开的实施方式的钴(Co)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。
[027]图12示出了一个表，该表列出了根据本公开的实施方式的铈(Ce)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的延性。
[028]图13示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开的实施方式的钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的延性。
[029]图14示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开的实施方式的镧(La)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的延性。
示例性实施方式的详细描述
[030]本公开阐述了关于稀土元素对锡-铟合金屈服强度的影响的意料不到的发现。换言之，本公开描述了可达2wt.％的稀土元素如铈(Ce)、钕(Nd)和镧(La)掺杂入锡-铟合金如何导致锡-铟合金的屈服强度显著降低。
[031]参考图1，示出了曲线图，其表明根据本公开的实施方式，稀土掺杂对锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度的影响。在图1的曲线图中，平均屈服强度数据是使用张力试验设备从至少5个哑铃形样品获得的。张力试验的应变率被测定为0.0017/秒。
[032]参考图2，示出了一个表，该表列出了锡-铟(Sn-In)合金和根据本公开实施方式的稀土元素掺杂的锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。图2的表中所列的稀土元素掺杂的锡-铟(Sn-In)合金用稀土元素铈(Ce)、钕(Nd)和镧(La)掺杂。图1的曲线图和图2的表清楚地表明了稀土金属元素掺杂在降低锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度中的影响。在铈(Ce)掺杂的情况下，所述影响当In的浓度为大约5％或以上时变得更显著，而当In的浓度为大约28％或以上时变得较不有效。在钕(Nd)和镧(La)掺杂的情况下，在相同范围的锡-铟(Sn-In)合金组成时取得良好的结果。
[033]为了进一步理解通过向锡-铟(Sn-In)合金掺杂稀土元素导致意料不到的屈服强度降低的机理，可采用使用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散光谱(EDS)进行的微结构分析。例如，参考图3，示出了根据本公开的实施方式，在γ中间相的基体中具有锡-铈(Sn-Ce)颗粒的Sn-13In-0.16Ce焊剂合金的显微照片。更具体而言，图3示出了具有含CeSn3颗粒的锡-铟(Sn-In)基体的Sn-13In-0.16Ce焊剂合金的微结构。在该显微照片中，Sn-13In-0.16Ce焊剂被焊接到纯镍衬底。
[034]在图3的显微照片——其通过使用扫描电子显微镜(SEM)获得——中示出的锡-铈(Sn-Ce)颗粒被鉴定为在锡-铟(Sn-In)基体中的CeSn3颗粒，所述锡-铟(Sn-In)基体应用能量色散光谱(EDS)被鉴定为γ中间相。在锡-铟(Sn-In)的相图中，γ中间相是在室温下具有12-28wt.％铟(In)浓度的有序结构(见，Charles E.T.White和Hioaki Okamoto，“Phase Diagrams of Indium Alloys”，ASM International，1992，p.255)。一般来讲，有序结构比组成相同的无序结构具有更高的屈服强度，原因在于强的电负性和化合价(见，David A.Porter和Kenneth E.Easterling，“Phase Transformation in Metals and Alloys”，Van Nostrand Reinhold(UK)Co.Ltd.，1984，p.24-28)。可推测，γ中间相的屈服强度可被降低，原因在于有序γ中间相的无序化，产生具有较低强度的结构。按照上述机理，除了铈(Ce)之外，其它稀土元素也可以相同的方式起作用，导致屈服强度的降低和柔量增加。参考图4，示出了根据本公开的实施方式用于鉴别图3的显微照片中所示的锡-铈(Sn-Ce)颗粒为CeSn3颗粒的能量色散广谱(EDS)的曲线图。
[035]除了低屈服强度之外，锡-铟(Sn-In)合金的延性对于电子器件的可靠性也是重要的。例如，延性倒装片互连可通过塑性形变为硅芯片和有机衬底的失配提供更大的热膨胀系数(CTE)。而且，延性焊剂可吸收更多的冲击能并增加电子器件的使用寿命。在这点上，铈(Ce)、钕(Nd)和镧(La)掺杂入锡-铟(Sn-In)合金产生了比未掺杂锡-铟(Sn-In)合金具有更优异延性的合金。参考图5，示出了一个表，该表表明根据本公开实施方式的掺杂铈(Ce)、钕(Nd)和镧(La)的锡-铟(Sn-In)合金的延性优于未掺杂的锡-铟(Sn-In)合金的延性。在图5的表中，Pb95Sn5是对照合金。
[036]下面的实施例描述了本公开的阐述性的但非限制性的实施方式。
实施例1
[037]参考图6，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-13In)和根据本公开实施方式的铈(Ce)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。如图6的表所示，当铈(Ce)浓度为0.4-0.04wt.％时，锡-铟合金(Sn-13In)的屈服强度降低的效应变得显著。偏离该范围的组成导致较不有效的锡-铟合金(Sn-13In)的屈服强度降低。
实施例2
[038]参考图7，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开实施方式的钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。如图7的表所示，发现在掺杂锡-铟合金(Sn-14.7In)中最有效的钕(Nd)浓度范围为0.01wt.％，并且从0.01wt.％偏离导致较小的屈服强度降低。
实施例3
[039]参考图8，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-13In)和根据本公开实施方式的钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。如图8的表所示，在仅掺杂0.01wt.％钕(Nd)的情况下，锡-铟合金(Sn-13In)的屈服强度被降低35％以上。
实施例4
[040]参考图9，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开实施方式的镧(La)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。如图9的表所示，发现对于锡-铟合金(Sn-14.7In)最有效的镧(La)掺杂浓度为大约0.1wt.％。从该浓度偏离仅产生有限的屈服强度降低或甚至导致屈服强度的稍微增加。
实施例5
[041]参考图10，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-20In)和根据本公开实施方式的铈(Ce)和钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。如图10的表所示，在铈(Ce)掺杂或钕(Nd)掺杂的情况下，锡-铟合金(Sn-20In)的屈服强度被显著降低。
实施例6
[042]参考图11，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-13In)和根据本公开实施方式的钴(Co)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的屈服强度。由于已知掺杂剂例如钴(Co)和铁(Fe)可精制界面金属间化合物的微结构(见，I.E.Anderson、B.A.Cook和R.L.Terpstra，“MicrostructuralModifications and Properties of Sn-Ag-Cu Solder Joints Induced byAlloying”，Journal of Electronic Materials，Vol.31，No.11，2002，p.1168-1174)，以防止焊剂和硅芯片的凸点下金属层(under bumpmetallization，UBM)之间的界面脆性，所以用钴(Co)和铁(Fe)进一步改进稀土元素掺杂锡-铟(Sn-In)合金的组合物可被实施。如图11的表所示，钴(Co)对未掺杂和稀土元素掺杂的锡-铟(Sn-In)合金的掺杂产生了具有期望的低屈服强度的组合物。
实施例7
[043]参考图12，其示出了一个表，该表列出了根据本公开的实施方式的铈(Ce)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的延性。如图12的表所示，发现铟浓度不同的、0.06-0.16wt.％铈(Ce)掺杂的锡-铟(Sn-In)合金的延性与Pb95Sn5焊剂相当，所述Pb95Sn5焊剂具有16.1％的延性。
实施例8
[044]参考图13，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开实施方式的钕(Nd)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的延性。如图13的表所示，对锡-铟合金(Sn-14.7In)掺杂大约0.002-0.01wt.％的钕(Nd)导致锡-铟合金(Sn-14.7In)的延性显著增加。
实施例9
[045]参考图14，其示出了一个表，该表列出了锡-铟合金(Sn-14.7In)和根据本公开的实施方式的镧(La)掺杂锡-铟(Sn-In)合金的延性。如图14的表所示，对锡-铟合金(Sn-14.7In)掺杂0.1wt.％的镧(La)导致锡-铟合金(Sn-14.7In)的延性显著增加。从该组成偏离导致延性降低。
[046]本公开不限制在本文描述的具体实施方式的范围中。实际上，除了本文描述的这些，本公开的其它各种实施方式和对本公开的变化通过前面的描述和附图对于本领域普通技术人员将是明显的。因此，这类其它实施方式和变化将落入本公开的范围之内。此外，尽管本公开已经在对于特定目的的特定环境中的特定实施背景中被描述于本文中，但是本领域普通技术人员将认识到，其有用性将不仅限于此，并且本公开可有利地实施于为了任何多种目的的任意多种环境中。因此，所提出的权利要求应考虑本文所描述的公开内容的全部宽度和精神加以解释。

Claims (17)

1.无铅焊剂合金，其包括按重量计约58.0％至约99.998％的锡、按重量计约0.001％至约40.0％的铟、以及按重量计约0.001％至约2.0％的至少一种稀土元素。
2.权利要求1所述的无铅焊剂合金，其中所述至少一种稀土元素选自Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa和它们的组合。
3.权利要求1所述的无铅焊剂合金，进一步包括按重量计从约0.01％至约3.0％的至少一种选自下列的掺杂剂：Cu、Fe、Co、Zn、Ni、Ge、P、Sb、Ag、Al、Bi、Pt、Te和它们的组合。
4.权利要求1所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至多大约94.999％的锡。
5.权利要求1所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至少大约71.7％的锡。
6.权利要求1所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至多大约28.0％的铟。
7.权利要求1所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至少大约5.0％的铟。
8.权利要求1所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至多大约0.3％的至少一种稀土元素。
9.无铅焊剂合金，其包括按重量计约58.0％至约94.999％的锡、按重量计约5.0％至约40.0％的铟、以及按重量计约0.001％至约2.0％的至少一种稀土元素。
10.权利要求9所述的无铅焊剂合金，其中所述至少一种稀土元素选自Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa和它们的组合。
11.权利要求9所述的无铅焊剂合金，进一步包括按重量计从约0.01％至约3.0％的至少一种选自下列的掺杂剂：Cu、Fe、Co、Zn、Ni、Ge、P、Sb、Ag、Al、Bi、Pt、Te和它们的组合。
12.权利要求9所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至少大约71.7％的锡。
13.权利要求9所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至多大约28.0％的铟。
14.权利要求9所述的无铅焊剂合金，其中所述无铅焊剂合金包括按重量计至多大约0.3％的至少一种稀土元素。
15.无铅焊剂合金，其包括按重量计约70.0％至约94.999％的锡、按重量计约5.0％至约28.0％的铟、以及按重量计约0.001％至约2.0％的至少一种稀土元素。
16.权利要求15所述的无铅焊剂合金，其中所述至少一种稀土元素选自Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa和它们的组合。
17.权利要求15所述的无铅焊剂合金，进一步包括按重量计从约0.01％至约3.0％的至少一种选自下列的掺杂剂：Cu、Fe、Co、Zn、Ni、Ge、P、Sb、Ag、Al、Bi、Pt、Te和它们的组合。
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