CN102806429B - 无Pb焊料、焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是提供相对于以往的无Pb焊料可以进一步抑制保持高温时Ag与焊料之间的界面的金属间化合物层的生长、且具备焊料接合部的良好的焊料润湿性的以Sn为主成分的无Pb焊料，焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件。解决本发明课题的方法是提供用于将一方的导体(2)与另一方的导体进行焊料接合的以Sn为主成分的无Pb焊料(1)，一方的导体和另一方的导体中的至少任意一方在其表面具备以Ag为主成分的层，在以Sn为主成分的无Pb焊料中包含Zn。

Description

无Pb焊料、焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件

技术领域

本发明涉及用于将一方的导体与另一方的导体进行焊料接合的以Sn为主成分的无Pb焊料、焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件。

背景技术

在汽车、工业机械等中，使用为了进行焊接而实施了镀银的电容器、引线，印刷有银膏的基板等电气部件。

该焊接中以往经常使用Sn-Pb系焊料，但是随着Pb控制，现在多数使用纯Sn系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu系等的无Pb焊料。

已知，在将以Ag为主成分的导体与其它导体通过以Sn为主成分的无Pb焊料进行连接的情况下，沿着以Ag为主成分的导体与焊料之间的接合界面形成作为金属间化合物的Ag₃Sn。

如果Ag与无Pb焊料的接合部为车载用或保持于直射日光下等高温环境中，则即使保持温度为焊料的熔点以下，也会因为焊料中的Sn与Ag的相互扩散而在接合界面以层状形成作为金属间化合物的Ag₃Sn。此时保持温度越高，相互扩散越进展，金属间化合物层生长越厚。

由于金属间化合物一般较脆，因此在无Pb焊料与导体之间的金属间化合物层较厚地生长的情况下，在该金属间化合物层中或在金属间化合物与焊料和导体界面容易发生断裂，焊料连接部的强度显著降低成为问题。

因此，在这样的焊料接合的用途中，寻求即使在60～150℃的高温环境中长期使用，银镀层、银膏与无Pb焊料的接合界面也具有充分的接合强度，且耐疲劳、耐冲击性优异的连接可靠性高的无Pb焊料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-169160号公报

专利文献2：日本特开平2-18989号公报

专利文献3：日本特开平4-3490号公报

专利文献4：日本特开2008-182126号公报

发明内容

发明所要解决的问题

专利文献1报告了通过使用Sn-3.5重量％Ag焊料，即使在高温环境(150℃)中也可抑制与Ag之间的接合界面的Ag₃Sn的生长。相对于有铅焊料，在Sn-3.5重量％Ag焊料的情况下，由于高温环境中的接合界面处的Sn的扩散被抑制，因此Ag₃Sn的生长被抑制。然而，实际上，Sn的扩散抑制不充分，在长时间保持为高温的情况下，该Ag₃Sn继续生长，因此连接可靠性被视为问题。

专利文献2、3和4中报告了在焊料与Ag之间的接合界面形成由其它金属形成的中间层、Ni层，能够抑制Ag与焊料之间的相互扩散、Ag₃Sn化合物的生长。

特别是在专利文献4中，由于与Sn与Ag之间相比，Sn与Ni之间不易发生相互扩散，因此通过在Sn与Ag之间形成Ni层而成为扩散的阻挡层，从而具有抑制金属间化合物生成的效果。

关于导体表面上的Ni层形成，一般已知接合界面的扩散抑制效果，但是Ni在大气中容易氧化，从而担心焊料润湿性降低。而且，由于质地坚硬，因而容易破裂，从而还有因为破裂而使Ag与焊料直接接触，扩散抑制效果消失的担心。

因此，本发明的目的在于提供相对于以往的无Pb焊料可以进一步抑制保持高温时Ag与焊料之间的界面的金属间化合物层的生长，且具备焊料接合部的良好的焊料润湿性的以Sn为主成分的无Pb焊料、焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件。

用于解决课题的方法

为了解决上述课题而首创的本发明涉及一种无Pb焊料，其为用于将一方的导体与另一方的导体进行焊料接合的以Sn为主成分的无Pb焊料，其特征在于，所述一方的导体和所述另一方的导体中的至少任意一方在其表面具备以Ag为主成分的层，所述以Sn为主成分的无Pb焊料中包含Zn。

优选Zn含量为0.05质量％以上1.0质量％以下。

此外，本发明涉及一种焊料被覆导体，其为具备用于与导体进行焊料接合的无Pb焊料层的焊料被覆导体，其特征在于，所述导体至少在其表面具备以Ag为主成分的层，所述无Pb焊料层以Sn为主成分，并且包含Zn。

优选所述无Pb焊料层的Zn含量为0.05质量％以上1.0质量％以下。

此外，本发明涉及一种电气部件，其为一方的导体与另一方的导体通过以Sn为主成分的无Pb焊料被接合而形成的电气部件，其特征在于，在所述一方的导体与所述另一方的导体之间形成有接合部，所述一方的导体和所述另一方的导体中的至少任意一方在其表面具备以Ag为主成分的层，所述接合部含有Zn，剩余部分中含有Sn。

优选所述接合部的Zn含量为0.05质量％以上1.0质量％以下。

优选地，在所述导体中的、至少其表面具备以Ag为主成分的层的导体与所述接合部之间的界面形成有包含Ag-Sn-Zn系金属间化合物的层。

发明效果

根据本发明，可以提供相对于以往的无Pb焊料可以进一步抑制保持高温时Ag与焊料之间的界面的金属间化合物层的生长，且具备焊料接合部的良好的焊料润湿性的以Sn为主成分的无Pb焊料、焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件。

附图说明

图1是表示由Zn的添加带来的无Pb焊料与Ag之间的接合界面的金属间化合物的生长抑制效果的示意图，(a)表示无Pb焊料与银板之间的接合界面的金属间化合物的生长状态，(b)表示不含Zn的以往的无Pb焊料与银板之间的接合界面的金属间化合物的生长状态。

图2是表示本发明的适用例的图。

图3是表示本发明的适用例的图。

图4是表示本发明的适用例的图。

图5是表示金属间化合物层厚度的测定方法的示意图。

图6是实施例的在150℃保持2000hr后的截面观察照片。

图7是比较例的在150℃保持2000hr后的截面观察照片。

图8是表示实施例和比较例的150℃时的金属间化合物层的生长行为的图。

符号说明

1：无Pb焊料

2：导体

3：金属间化合物层

11：以往的无Pb焊料

13：由Ag₃Sn构成的金属间化合物层

具体实施方式

以下，基于附图详述本发明的优选的一个实施方式。

如图1(a)所示，本实施方式涉及的无Pb焊料1是用于将一方的导体2与另一方的导体(未图示)进行焊料接合的以Sn为主成分的无Pb焊料。

这里，特征是，导体的一方(例如，导体2)至少在其表面具备以Ag为主成分的层，以Sn为主成分的无Pb焊料中包含Zn。本实施方式中，导体2使用银板。

无Pb焊料1中的Zn含量优选为0.05质量％以上1.0质量％以下。其理由如下所述。

本发明人对添加至无Pb焊料中的Zn浓度进行了深入研究，结果发现，Zn浓度越高，则抑制界面化合物层的生长的效果越好。此外，由该研究可知，通过使Zn含量为0.05质量％以上，容易得到保持高温时界面化合物层的生长的生长抑制效果。

然而，Zn容易氧化，因此如果Zn含量过多，则对Ag的润湿性变差，在接合界面容易形成多个缺陷。因此，Zn含量优选为1.0质量％以下。

对该无Pb焊料1的作用进行说明。

通过在以Sn为主成分的无Pb焊料中添加微量的Zn，Zn在与以Ag为主成分的层之间的接合界面处富集，因此在界面附近形成Ag-Sn-Zn系金属间化合物。因此，在添加了微量的Zn的情况下，界面的金属间化合物层3为Ag-Sn-Zn系金属间化合物，成为例如由Ag-Sn-Zn化合物或Ag-Sn-Zn化合物和Ag₃Sn构成的状态。通过形成该Ag-Sn-Zn化合物或Ag-Sn-Zn化合物和Ag₃Sn，从而妨碍在高温下这些化合物层的生长。

对于不含Zn的通常的无Pb焊料而言，如图1(b)所示，由于无Pb焊料11中的Sn与导体2的表面的Ag的相互扩散而在接合界面形成作为金属间化合物的Ag₃Sn，如果保持温度高，则由该Ag₃Sn构成的金属间化合物层13较厚地生长。

与此相对，对于本实施方式涉及的无Pb焊料1而言，Ag-Sn-Zn化合物与Ag₃Sn相比，在与焊料之间的界面，Sn与Ag的相互扩散速度慢，因此金属间化合物层3的生长被抑制。即Ag-Sn-Zn化合物发挥相互扩散的障碍那样的作用。如果通过Zn的添加可以抑制高温状态下金属间化合物层3的生长，则接合强度提高，即使在高温环境中也可以获得高可靠性。

另外，作为导体的具体组合，只要是银成分与无Pb焊料1接触的构成，就没有特别限定，例如，如图2所示，可列举银板22与由Cu构成的布线材料(例如引线)24的组合。

只要采用无Pb焊料1进行接合，就可以在布线材料24侧实施锡、金、银、焊料等的镀敷。此外，只要不在以Ag为主成分的层与无Pb焊料1之间的界面使用，就可以对这些镀层的基底实施镍镀。

此外，不限于此，在导体的具体组合中，可以不一定是单独的导体，只要在该构件的构成要素中包含导体即可。例如可以是具备电极的电子部件、具有导电图案的绝缘基板那样的构件。例如，如图3所示，可以在具有布线图案34的陶瓷基板35上介由无Pb焊料1来安装具有被覆有银镀层32的银电极的电子部件(电容器、IC芯片等)36。

此外，不限于此，如图4所示，也可以是将通过热浸镀法实施了无Pb焊料1的镀敷被覆的布线材料44与在陶瓷基板35上形成的银膏42进行接合的结构。此外，不限于陶瓷基板35，其原材料也可以是有机膜(例如玻璃环氧基板或聚酰亚胺基板等)。

另外，本实施方式中，主成分是指，如果在含有成分中最多，则包含该含有成分的成分。

而且，以Ag为主成分的层是指，例如，如果在含有成分中Ag最多，则包含Ag的层。因此不需要一定是银镀层，也可以是与有机溶剂混合得到的银膏，此外，只要不损害本发明的效果，则也可以为包含Ag以外的添加元素的银合金层。

此外，本实施方式中，只要至少在其表面具备以Ag为主成分的层即可，以Ag为主成分的层被覆表面的芯的部分可以为钢材，也可以为铝，还可以为铜材。即，不需要导体的整体由Ag构成。

如以上所说明地那样，根据本发明，可以提供相对于以往的无Pb焊料可以进一步抑制保持高温时Ag与焊料之间的界面的金属间化合物层的生长，且具备焊料接合部的良好的焊料润湿性的以Sn为主成分的无Pb焊料、焊料被覆导体以及使用该无Pb焊料的电气部件。

此外，由于可以确实地抑制保持高温时以Ag为主成分的层与以Sn为主成分的焊料之间的接合界面的金属间化合物层的生长，因此即使在高温环境中使用的电子设备的焊料接合部也可获得长期可靠性。

实施例

以下对本发明的实施例和比较例进行说明。

(实施例)

通过热浸镀法在厚度0.2mm的银板上形成厚度约50μm的包含Sn-3.0质量％Ag-0.5质量％Cu-0.2质量％Zn的无Pb焊料镀层。此时的镀敷浴温为260℃，浸渍5秒而实施镀敷。刚镀敷后的金属间化合物层的厚度为1.7μm。将其供于高温保持试验，研究添加了Zn的焊料的金属间化合物层的生长厚度。在设定为150℃的恒温槽中保持各个时间直到2000hr，利用光学显微镜对在无Pb焊料镀层与Ag之间的界面形成的Ag-Sn-Zn系金属间化合物层进行截面观察。此时，如图5所示，使用图像处理软件测定金属间化合物层的面积，将该面积除以相对于银板与无Pb焊料之间的界面平行的面积测定部的宽度，测量金属间化合物层的厚度。

(比较例)

作为比较例，采用与实施例同样的方法同样地在厚度0.2mm的银板上形成厚度约50μm的不含Zn的包含Sn-3.0质量％Ag-0.5质量％Cu的以往的无Pb焊料镀层。刚镀敷后的金属间化合物层的厚度为1.3μm。对于比较例，也实施与实施例同样的高温保持试验，使用同样的方法测量金属间化合物层的厚度。

图6、7表示本实验中得到的在150℃保持2000hr后的实施例和比较例的截面观察照片。分析实施例的金属间化合物层的成分，结果为Ag-Sn-Zn系金属间化合物层，同样地分析比较例的金属间化合物层的成分，结果形成了Ag₃Sn的金属间化合物层。

此外，通过与上述同样的方法测定金属间化合物层的厚度，结果实施例的金属间化合物层的厚度为7.0μm，与此相对，比较例的金属间化合物层的厚度为8.3μm的厚度。

此外，图8表示在150℃环境中的金属间化合物层的生长行为的比较。由此确认：比较例中，在150℃保持2000hr后，金属间化合物层厚度生长7.0μm，与此相对，实施例中为5.3μm，生长得到大幅度抑制。另外，图8的图中，实施例、比较例的金属组成的数值单位为质量％。

因此，虽然这里将界面的金属间化合物层的厚度作为无Pb焊料的接合界面的连接可靠性的指标而进行了评价，但是由上述实验的结果可知，与比较例相比，实施例可以大幅度抑制金属间化合物的生长，可以说，实施例与比较例相比，广泛具有无Pb焊料的接合界面的连接可靠性。

此外，本发明的无Pb焊料由于在与银板之间的界面不存在中间层，因此与以往的以Sn为主成分的无Pb焊料相比，不会使焊料润湿性降低而具备良好的焊料润湿性。

此外，本发明的无Pb焊料中，除了上述各成分以外，在不损害本发明目的的范围内，根据需要也可以含有例如Bi、In、P、Sb、Mg、Au等其它元素。由此，可以进一步降低焊接时和焊接后的焊料合金的熔点。

另外，作为本发明的无Pb焊料，只要以Sn为主成分且含有Zn，并且不添加Pb，就没有特别限定，可以是纯Sn系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu系中的任一种。

Claims (4)

1.一种无Pb焊料，其为用于将一方的导体与另一方的导体进行焊料接合的以Sn为主成分的无Pb焊料，其特征在于，所述一方的导体和所述另一方的导体中的至少任意一方在其表面具备以Ag为主成分的层，所述以Sn为主成分的无Pb焊料包含Sn－3.0质量％Ag－0.5质量％Cu－0.2质量％Zn。

2.一种焊料被覆导体，其为具备用于与导体进行焊料接合的无Pb焊料层的焊料被覆导体，

其特征在于，所述导体至少在其表面具备以Ag为主成分的层，

所述无Pb焊料层包含Sn－3.0质量％Ag－0.5质量％Cu－0.2质量％Zn。

3.一种电气部件，其为一方的导体与另一方的导体通过以Sn为主成分的无Pb焊料被接合而形成的电气部件，其特征在于，在所述一方的导体与所述另一方的导体之间形成有接合部，所述一方的导体和所述另一方的导体中的至少任意一方在其表面具备以Ag为主成分的层，所述接合部通过包含Sn－3.0质量％Ag－0.5质量％Cu－0.2质量％Zn的无Pb焊料进行接合。

4.根据权利要求3所述的电气部件，在所述导体中的、至少其表面具备以Ag为主成分的层的导体与所述接合部之间的界面形成有包含Ag－Sn－Zn系金属间化合物的层。