CN103906596A - 具有优越的降落冲击可靠性的Mn掺杂的Sn基焊料合金及其焊缝 - Google Patents

具有优越的降落冲击可靠性的Mn掺杂的Sn基焊料合金及其焊缝 Download PDF

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Abstract

公开了具有优越的降落冲击可靠性的Sn-Ag-Cu-基无铅焊料合金及其焊缝。该焊料包括在大于0wt.%且小于或等于大约1.5wt.%之间的Ag；在大于或等于大约0.7wt.%且小于或等于大约2.0wt.%之间的Cu；在大于或等于大约0.001且小于或等于大约0.2wt.%之间的Mn；和余量的Sn。

Description

具有优越的降落冲击可靠性的Mn掺杂的Sn基焊料合金及其焊缝
技术领域
本公开一般地涉及用于电子器件的无铅焊料合金组合物，并且更具体地涉及由该无铅焊料合金制得的无铅焊球、焊粉、焊膏和焊缝。
相关领域描述
在作为传统锡铅焊料的替代的各种无铅焊料合金选择中，锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金是当前最受欢迎的，因为他们相对好的焊接性能、卓越的抗蠕变性和热疲劳可靠性，以及它们与电流元件的兼容性。各种Sn—Ag—Cu焊料合金已经被不同国家的工业组织提议和推荐使用。例如，Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.%)被日本电子工业发展协会(JEIDA)在日本、Sn-3.8Ag-0.7Cu(wt.%)被European Consortium BRITE-EURAM在欧洲联盟以及Sn-3.9Ag-0.6Cu(wt.%)被National Electronics ManufacturingInitiative(NEMI)在美国提出。然而，最近对无铅焊料合金的研究已经表明由这些被推荐的Sn—Ag—Cu合金制得的焊缝可能是脆的并且在降落冲击载荷下易于过早界面故障。虽然Sn—Ag—Cu合金中的银含量的减少已经被发现是有益的，但是这些合金的降落试验性能仍然劣于低共熔锡-铅。传统地，焊缝可靠性已经主要通过热疲劳性能进行评估，因为热疲劳断裂已经是电子互联中的关键性故障模式。随着工业促进器件小型化和便携式电子产品使用的增加，除传统的热疲劳可靠性之外，电子封装中焊缝的冲击可靠性变成关键性的。
电子封装中焊缝的降落冲击可靠性对使用焊球网格阵列(BGA)和/或芯片尺寸封装(CSP)的便携式电子产品的寿命是关键性的，由于电子工业中的器件小型化趋势其正变得越来越流行。由SnAgCu(SAC)焊球制成的BGA和CSP焊缝的降落试验性能比它们的SnPb对应物较差。最近研究发现SnAgCu合金中银含量的减少在改善BGA/CSP降落冲击可靠性方面可以是有益的。因此，在大部分BGA/CSP球合金应用中SAC105(Sn-l.0Ag-0.5Cu,wt.%)合金正在替代SAC405(Sn-4.0Ag-0.5Cu,wt.%)和SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu,wt.%)合金作为工业标准合金。特别是，在移动应用例如手机中SAC105实质上是标准焊料。当前，SAC105用于超过所有手机的3/4。然而，SAC105的耐降落冲击性能仍然不足够好以满足在小型化和通过消除BGA/CSP填充不足降低成本的趋势中的工业增长的挑战。
发明实施方式简述
公开了具有改进的耐降落冲击性能的无铅焊料合金和其焊缝。在一个具体的示例性实施方式中，无铅焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag，0.01-1.5wt.%的Cu，以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
根据该具体的示例性实施方式的其他方面，优选的Ag含量是0.0-2.6wt.%。
根据该具体的示例性实施方式的进一步方面，优选的Mn含量是0.01-0.3wt.%。
根据该具体的示例性实施方式的另外的方面，优选的Ce含量是0.01-0.2wt.%。
根据该具体的示例性实施方式的又其他方面，优选的Ti含量是0.01-0.2wt.%。
根据该具体的示例性实施方式的又进一步方面，优选的Y含量是0.01-0.4wt.%。
根据该具体的示例性实施方式的又另外的方面，优选的Bi含量是0.01-0.5wt.%。
根据该具体的示例性实施方式的仍又另外的方面，无铅焊料合金可电子地连接使用以下的一个或多个形成的衬底表面涂层(finish)：电镀的Ni/Au、无电Ni浸Au（electroless Ni immersion Au）(ENIG)、有机可焊性防腐剂(OSP)、浸Ag和浸Sn。
在另一个具体的示例性实施方式中，焊球可以由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
在又另一个具体的示例性实施方式中，焊粉可以由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
在仍另一个具体的示例性实施方式中，焊膏可包括由无铅焊料合金形成的焊粉，该合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
在又另一个具体的示例性实施方式中，用于在印制的电路板上布置电子元件的焊球网格阵列(BGA)可包括由无铅焊料合金形成的焊球，该合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
在仍另一个具体的示例性实施方式中，电子器件内的焊缝可由无铅焊料合金形成，该合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
在进一步的实施方式中，焊料合金包括Ag的量大于0wt.%并且小于或等于大约1.5wt.%、0.7-2.0wt.%的Cu、0.001-0.2wt.%的Mn并且余量是Sn。
现在参考如附图中所示的其示例性实施方式将更详细地描述本公开。虽然以下参考示例性实施方式描述了本公开，但是应当理解本公开不限于此。利用本文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，以及其他使用领域，这些都在如本文描述的本公开范围之内，并且关于它们本公开可具有显著的实用性。
从以下详细描述结合附图考虑本发明的其他特征和方面将变得明显，这些附图通过实例的方式图解了根据本发明实施方式的特征。发明内容不意图限制本发明的范围，其由权利要求唯一限定。
附图简述
根据一个或多个各种实施方式参考以下附图详细描述本发明。提供附图仅仅是为了说明目的并且仅仅描绘本发明的典型或示例性实施方式。提供这些附图有利于读者对本发明的理解并且不应该被认为限制本发明宽度、范围，或适用性。应当注意为了清楚和容易说明的目的这些附图不必须按比例制成。
图1是表示由根据本公开实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金形成的回流(as-reflowed)焊缝的比较的耐降落冲击性能数据的表。
图2是表示根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金的比较的熔化行为的表。
图3是表示由根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金形成的回流焊缝在150℃下热老化四周之后的比较的耐降落冲击性能数据的表。
图4示出了BGA试样、PCB衬底和由其形成的所得的模拟的BGA组件，用于测试由根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金形成的焊缝。
图5示出了用于测试由根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金形成的焊缝的耐降落冲击性能试验仪。
图6是表示比较的Ag含量对根据本公开的实施方式配制的Sn—Ag—Cu—Mn焊料合金和对照焊料合金的回流焊缝的降落冲击性能的影响的图表。
图7是表示由根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金形成的回流和老化的焊缝的比较的平均降落冲击性能的图表。
图8是比较由不同合金制造的BGA焊缝的耐降落冲击性能的表。
图9是比较不同合金的BGA焊缝的耐降落冲击性能的表。
图10是比较不同合金的BGA焊缝的耐降落冲击性能的表。
图11是呈现额外的合金组成和它们的液相线和固相线温度的表。
图12是合金组成的DSC热图像（thermograph）。
图13A和13B图解了SMT焊接前后的BGA组件。
附图不意图是穷尽的或限制本发明为公开的精确形式。应当理解本发明可通过改变和变化实施，并且本发明仅仅被权利要求和其等价物限制。
本发明实施方式详述
本发明涉及用于提供材料处理的管理系统的系统和方法。在一种实施方式中
本公开涉及Sn—Ag—Cu基(即，无铅)焊料合金及其具有改进的降落冲击可靠性的焊缝。公开的Sn—Ag—Cu基焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂中的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%、Ce的量是0.001-0.8wt.%、Y的量是0.001-1.0wt.%、Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
与由已经被推荐并在工业中普遍使用的传统的Sn—Ag—Cu焊料合金制成的那些焊缝相比，由上述无铅焊料合金制成的焊缝具有较高的耐降落冲击性能。
公开的Sn—Ag—Cu基焊料合金尤其适合于，但不限于，生成焊料凸块例如在焊球网格阵列(BGA)封装中的那些，其尤其当用于移动和便携式电子产品时需要高降落冲击可靠性。
参见图1，示出了表示由根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金形成的回流焊缝的比较的耐降落冲击性能数据的表。根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金包括Sn—Ag—Cu基焊料合金，其包含0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂中的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。对照焊料合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-l.0Ag-0.5Cu和63Sn37Pb焊料。如图1的表中所示，根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金表现出优越的耐降落冲击性能。
参见图2，示出了表示根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金的比较的熔化行为的表。根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金包括Sn—Ag—Cu基焊料合金，其包含0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂中的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%、Ce的量是0.001-0.8wt.%、Y的量是0.001-1.0wt.%、Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。对照焊料合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-l.0Ag-0.5Cu和63Sn37Pb焊料。焊料合金的熔化温度范围用差示扫描量热法(DSC)进行测量。用于DSC的样品的质量为大约5-15mg，并且扫描速度是10℃/min。对于每种焊料合金，样品被扫描两次。样品进行第一次扫描从环境温度升至350℃，然后自然冷却至环境温度，然后再次扫描升至350℃。第二次扫描热图像被用于呈现合金的熔化行为。如图2的表中所示，根据本公开加入少量的添加剂对于相应的Sn—Ag—Cu焊料合金的熔化行为具有可忽略的影响。因此，根据本公开焊料合金的使用与传统的Sn—Ag—Cu焊料合金的使用条件一致。
焊缝的耐降落冲击性能使用如图5中示出的降落试验机进行评估。降落试验使用如图4中所示的模拟的BGA组件来进行。模拟的BGA组件包括BGA试样和印刷的电路板(PCB)衬底。BGA试样，如图4中示出的，包括40mm×40mm衬底，有3×3列分布的电镀Nickel/Gold(Ni/Au)垫(2mm直径)。PCB衬底，如图4中示出的，是80mm×80mm衬底，有相应的3×3列分布的电镀Nickel/Gold(Ni/Au)垫(2mm直径)以及在衬底的拐角处用于将所得的模拟的BGA组件用四个固定螺栓安装到钢降落块(见图5)上的4个钻的孔(6mm直径)。
焊缝在BGA试样上3×3列分布的电镀Nickel/Gold(Ni/Au)垫和PCB衬底的相应的垫之间形成。在模拟的BGA组件中的每一个焊缝由大约50mg的焊料合金制成。为了生产模拟的BGA组件，利用免洗助焊剂将给定合金的焊料球体首先安装到PCB衬底上，并使用峰值温度为240℃的回流曲线进行回流。该凸起的PCB衬底然后被安装到BGA试样，在它的垫上其被预先印刷有相同的免洗助焊剂并用相同的曲线回流。
将模拟的BGA组件用四个固定螺栓安装到钢降落块上(见图5)。PCB衬底和钢降落块之间的间隙是5mm。通过沿着两个导杆提升钢降落块到一定高度并且然后释放该降落块并且允许它沿着导杆自由降落直到碰撞钢底座，产生强的降落冲击并施加给模拟的BGA组件(见图5)。降落冲击导致模拟的BGA组件中的PCB衬底在四个固定螺栓上震动，并且该震动在模拟的BGA组件中的焊缝内又产生降落冲击。降落试验使用的高度大多是0.5米，但是在对于具有较高Ag含量的焊料合金的一些情况下，也使用减小的高度0.25米。在回流的条件下以及在150℃下热老化四周之后在模拟的BGA组件上进行降落试验。对于每一个测试条件，使用10个模拟的BGA组件。降落以破坏(即，组件的分离)的次数被用作用于比较焊缝的耐降落冲击性能的基础。降落以破坏的次数越高，焊缝的耐降落冲击性能越高。另外，试验中使用的降落高度越大，测试中产生的降落冲击的强度越高。
回流条件下的根据本公开的实施方式配制的焊料合金和对照合金的降落试验结果在图1的表中示出。传统的Sn-3.8Ag-0.7Cu(SAC387)和Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)合金在破坏前仅仅分别经得起平均1.1和1.2次降落。传统的Sn-l.0Ag-0.5Cu(SAC105)合金表现出5.1的平均降落数，并且因此明显好于SAC387和SAC305。如图1的表中所示，根据本公开的实施方式配制的焊料合金No.1到No.13都表现出比SAC105优越的降落试验性能。在根据本公开的实施方式配制的焊料合金中的掺杂剂的含量也显著影响降落试验性能。例如，在锰(Mn)掺杂剂(例如，实例焊料合金No.1到No.4)的情况中，降落试验性能随着Mn含量增大而改进，在0.13wt.%的Mn含量处达到了35.4的最大平均值，并且然后随着Mn含量的进一步增加而降低。
参见图6，示出了表示Ag含量对根据本公开的实施方式配制的Sn—Ag—Cu—Mn焊料合金和对照焊料合金的回流焊缝的降落冲击性能的比较的影响的图表。因此，图6示出了回流条件的Mn掺杂剂对具有各种Ag含量水平的焊缝的降落试验性能的影响。在图6的图表中，每一条垂直线的下端表示最小降落次数，并且每一条垂直线的上端表示最大降落次数，而每一个方框代表两次的标准偏差，对于每一种焊料合金，平均降落次数在方框的中心。在Mn掺杂剂含量是大约0.13wt.%处，对于Ag含量水平是0.0、1.1、1.76、2.59和3.09wt.%的焊料合金，平均降落次数分别是23.0、35.4、12.1、6.0和2.4。除了具有3.09wt.%Ag的焊料合金之外，所有具有较低Ag含量水平的其他焊料合金表现平均值大于SAC105(平均值5.1)的平均值，更不必说SAC305(平均值1.2)和SAC387(平均值1.1)。具有组成Snl.1Ag0.64Cu0.13Mn的实例焊料合金No.2的降落试验性能甚至比63Sn37Pb焊料合金更好。对于Sn—Ag—Cu(SAC)焊料合金，虽然较低的Ag含量通常导致较好的降落试验性能，但是Mn掺杂剂的使用实质上比SAC105的降落试验性能提升了2.6wt.%Ag合金的降落试验性能。
参见图3，示出了表示由根据本公开的实施方式配制的实例焊料合金和对照焊料合金形成的回流焊缝在150℃下热老化四周之后的比较的耐降落冲击性能数据的表。对比如图1中所示的回流条件的数据和如图3中所示的热老化条件的数据，披露了尽管在热老化之后63Sn37Pb低共熔合金的平均降落次数大大减少从28.5降低到4.0，但是除了焊料合金No.6和No.13(见图7)之外根据本公开的实施方式配制的焊料合金通常在热老化之后表现较高的平均降落次数。以热老化改进耐降落冲击性能是由根据本公开的实施方式配制的焊料合金制成的焊缝的可靠性的良好指示。
基于上面提到的数据，根据本公开的实施方式配制的焊料合金表现了优异的耐降落冲击性能，并且优于传统的SnAgCu焊料(例如SAC305和SAC105)的耐降落冲击性能。实际上，一些根据本公开的实施方式配制的焊料合金具有甚至比SnPb低共熔合金更好的耐降落冲击性能。由根据本公开的实施方式配制的焊料合金制成的焊料凸块或焊缝具有优于传统的焊料合金的性能。例如，当根据本公开的实施方式配制的焊料合金被用作焊膏中的焊球和/或焊粉以连接BGA或CSP封装到PCB时，由此形成的焊缝当组件在海运、操作或使用中经受降落冲击载荷时不容易由于从PCB或从封装分离而损坏。结果，因为使用根据本公开的实施方式配制的焊料合金，电子设备的可靠性可被大大改进。
进一步地，公开了具有优越的降落冲击可靠性的Sn-Ag-Cu-基无铅焊料合金及其焊缝。
进一步的焊料合金基本上由以下组成：大于0wt.%且小于或等于大约1.5wt.%的量的Ag、0.7-2.0wt.%的Cu、0.001-0.2wt.%的Mn，并且余量是Sn。优选的合金组成包括大约0.5wt.%的Ag、大约1.0wt.%的Cu、大约0.05wt.%的Mn，并且余量是Sn。
与由被认为是当前最抗冲击的SnAgCu合金并且在工业中广泛应用的SAC105(Sn-l.0Ag-0.5Cu,wt.%)合金制成的那些焊缝相比，由上述无铅焊料合金制成的焊缝具有较高的耐降落冲击性能。
公开的焊料合金尤其适合于，但不限于生产焊缝，以焊球、焊粉或焊膏(焊粉和助焊剂的混合物)的形式，例如在需要高的降落冲击可靠性的BGA/CSP组件中的那些，尤其是当用于移动和便携式电子产品中时。
使用降落试验机评估焊缝的耐降落冲击性能。按照以下描述的步骤进行降落试验。为了生产BGA部件，将给定合金的直径是0.254mm的焊料球体首先使用水溶性助焊剂安装到连接盘网格阵列(Land GridArray)(LGA)衬底上并且然后使用峰值温度为235-240℃的回流曲线回流。在用水洗清除助焊剂残留物并且在100℃下氮气烘烤1小时后，然后将该凸起的BGA封装安装到在垫上预先印刷有4型SAC305焊膏的PCB测试板上并使用峰值温度为235-240℃的回流曲线回流。将完成的BGA组件通过降落试验机中的螺栓安装并且固定到钢降落块上。通过沿着两个导杆提升降落块到一定高度(在本测试条件下为1米)并且然后释放该降落块并允许其沿着导杆自由降落直到其碰撞钢底座，产生强的冲击并且施加给BGA组件。降落以破坏——即，BGA封装与PCB完全分离——的次数用于比较焊缝的耐降落冲击性能。降落次数越高，焊缝的耐降落冲击性能越高。
根据本公开的焊料合金的实例和工业标准SAC105焊料合金的测试结果如图8中所示。如这些结果表明的，在焊料no.16和25之间Ag从1.0%到0.5%的下降不会显著影响降落试验性能。在焊料no.25和26之间Cu含量从0.5%到1%的增加导致降落以破坏的平均次数大于8×的提高。
在焊料no.25和27之间的Mn0.05%的增加导致相对于焊料26大于50%的提高以及相对于工业标准SAC105(焊料no.16)大于13×的提高。为焊料no.27列出的降落试验结果是具有标称组成是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn的焊料的结果，提供该结果的测量的组成是Sn0.5Ag0.91Cu0.04Mn(图9的合金no.27a)。同样地，对照合金no.16的测量的组成被列为图9中的合金C1；对照合金no.25的测量的组成被列为合金C2；并且对照合金no.26的测量的组成被列为合金C3。此外，在关于图8描述的相同的条件下再次试验合金27a。如图9中阐述的，第二试验示出了降落以破坏的平均值是58.2，这与第一试验非常相似。具有标称组成是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn的第二具体合金组成、具有测量的组成是Sn0.56Agl.05Cu0.06Mn的第二具体合金组成在这些条件下进行试验(合金no.27b)。合金27b具有类似的降落试验结果，降落以破坏的平均值62.2。
图10图解了对具有标称组成是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn的合金的进一步的试验结果。图10的表中的每一种合金在以上关于图8描述的类似条件下进行试验。然而，在图10的测试中，PCB测试板不被在垫上预先印刷有4型SAC305焊膏。而是，PCB测试板仅仅印制有助焊剂。测量的合金27a-c相对于传统的SAC105合金C1显示出了在6×和9.5×之间的提高。
图11中图解的表提供了组成大约是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn制备的其他合金组成。在这些组成中，Ag的范围从0.47wt.%到0.56wt.%，Cu的范围从0.80wt.%到1.1wt.%，并且Mn的范围从0.03wt.%到0.08wt.%。也提供了这些合金的固相线和液相线温度，图解了焊料具有熔化温度近似于传统的SAC合金并且适于无铅电子应用。
图12是合金27b的实例差示扫描量热分析(DSC)热图像。DSC热图像示出了合金的熔化温度范围从217.71℃的固相线到226.59℃的液相线。该范围类似于SAC105并且图解了标称焊料Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn和在本文所述的范围内的类似焊料是SAC焊料例如SAC105的适合的替代物。
图8-11中所述类型的进一步Mn掺杂的SAC焊料合金可表征为具有大于0wt.%且小于或等于大约1.5wt.%的Ag、0.7-2.0wt.%的Cu、0.001-0.2wt.%的Mn，并且余量是Sn。没有Ag含量的焊料合金也包含在图8所述类型的焊料合金中。具体的子范围具有在大约0.3wt.%和大约0.7wt.%之间的Ag、在大约0.7wt%和大约1.2wt.%之间的Cu、大约0.01wt.%和大约0.09wt.%的Mn，以及余量的Sn。
在没有任何Ag的焊料合金中，合金倾向于柔软，具有较低的热疲劳性能。降落试验性能取决于延展性和韧性的结合。通过放弃Ag软化合金可导致较低的韧性，并且因此较低的降落试验性能。然而，在一些情况中，没有Ag但是具有公开范围内的Cu和Mn的合金对于所需的应用可具有足够的热疲劳和降落试验性能。如果Ag量大于1.5wt.%，则合金变得更硬和更刚性，因为在大块焊料合金中增加的Ag3Sn金属间颗粒。高刚度和硬度将损害合金的降落试验性能。在一些非平衡条件下，盘状的金属间结构可在邻近焊缝金属间层的大块焊料合金中形成。然而，这样的盘状金属间结构通常形成超过2.6wt.%。避免低Ag量的软化和较高Ag量的刚度的一个具体的Ag的子范围是在大约0.3wt.%和大约1.5wt.%之间的Ag。
如果Cu量低于0.7wt.%，那么焊料和Ni衬底之间的金属间层散裂为焊缝的大块焊料可能会发生。金属间化合物的散裂被很多因素影响，例如衬底、回流工艺参数和具体的焊料组成。然而，在Cu大于大约0.7wt.%的合金中，减少或避免散裂。在Cu大于大约2.0wt.%时，过量的Cu6Sn5金属间颗粒在大块焊料材料中形成。这样通过提高焊缝的硬度和刚度减小了焊缝的柔度。具体而言，1.5wt.%可以是Cu量的优选的上限以避免过量Cu的影响。在大约0.7wt.%和1.5wt.%之间的Cu含量帮助降低在衬底和大块焊料之间的金属间层(“IMC层”)厚度。这些焊料合金的降落试验性能随着IMC层厚度的减小而提高。避免太多或太少的Cu的影响以及提供IMC层厚度的有益的减小的具体的Cu的子范围是在大约0.7wt.%和大约1.2wt.%之间的Cu。
如果将Mn量增加高于大约0.2wt.%，则焊料的氧化趋势变得有害，这可不利地影响焊料的湿润性。然而，即使非常少的量，例如0.001wt.%的Mn可有益地影响焊料的降落试验性能。对降落试验性能提供有益的影响而没有不利的氧化趋势的具体的Mn的子范围是在大约0.01wt.%和大约0.09wt.%之间的Mn。
图13A图解了在回流前装配到PCB的实例BGA封装，并且图13B图解了回流后结合到PCB的实例BGA封装。在BGA封装中，焊球105具有根据本公开的组成。用在它们之间形成的IMC层104将焊球105结合到接触垫103。在图13A中，使用预先印刷有焊膏106的接触垫107将BGA封装102放置在PCB101上。焊膏106是助焊剂和具有根据本公开的组成的焊粉的混合物。在可选的实施方式中，只有焊球105或焊膏106的其中之一可具有根据本公开的组成。在这种实施方式中，焊球105或焊膏106中的另一个可由任何其他焊料组成构成，例如传统的SAC焊料。
BGA衬底102和PCB101二者都可包含任何传统的接触垫103、107用于焊接。例如，它们可包括具有或没有有机可焊性防腐剂(OSP)的铜接触垫、电解Nickel/Gold(Ni/Au)接触垫、ENIG接触垫、浸Ag接触垫、浸Sn接触垫，或任何其他接触垫。在一些情况下，PCB垫107可为仅用助焊剂或用其他焊膏预先印制的，例如传统的SAC焊膏。
在回流焊接之后，将BGA封装102结合到PCB101。BGA焊缝110包括大块焊料区域108，在部件侧的垫103和大块焊料108之间的IMC层104'，和在PCB侧的垫107和大块焊料108之间的第二IMC层109。
虽然以上就各种示例性实施方式和实施而言描述了本发明，但是应当理解在一个或更多的单个实施方式中描述的各个特征、方面和功能不限于其适用于描述它们的具体的实施方式，而是可被单独地或以各种组合应用于本发明的一个或更多的其他实施方式，不论这样的实施方式是否被描述，并且不论这样的特征是否呈现为描述的实施方式的一部分。因此，本发明的宽度和范围不应被任何上述的示例性实施方式所限制。
当术语“大约”连同量一起使用时指的是包含该量的标准制造公差。
本文中使用的术语和词组，及其变型，除非另外明确说明，应该被认为开放式的，与限制性的相反。作为上述的实例：术语“包括”应当被理解为意思是“包括，但不限于”诸如此类；术语“实例”用于提供讨论的项目的示例性的例子，不是其穷尽的或限制性的列举；术语“一(a)”或“一个(an)”应当理解为意思是“至少一个”“一个或更多”诸如此类。加宽的词和短语例如“一个或更多”，“至少”，“但不限于”或其他类似短语的存在在一些情况下不应当被理解为意思是在这种加宽的短语可能不存在的实例中较窄情况是期望的或需要的。同样地，在本文指对本领域普通技术人员来说是明显的或已知的技术的情况下，这些技术包含在现在或将来任何时间对本领域技术人员明显的或已知的那些。

Claims (14)

1.一种焊料，包括：
在大于0wt.%且小于或等于大约1.5wt.%之间的Ag；
在大于或等于大约0.7wt.%且小于或等于大约2.0wt.%之间的Cu；
在大于或等于大约0.001且小于或等于大约0.2wt.%之间的Mn；和
余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的焊料，进一步包括：
在大于0wt.%且小于或等于大约1.2wt.%之间的Ag；
在大于或等于大约0.7wt.%且小于或等于大约1.5wt.%之间的Cu；
在大于或等于大约0.001且小于或等于大约0.2wt.%之间的Mn；和
余量的Sn。
3.根据权利要求1所述的焊料，进一步包括：
在大于或等于大约0.3wt.%且小于或等于大约0.7wt.%之间的Ag；
在大于或等于大约0.7wt.%且小于或等于大约1.2wt.%之间的Cu；
在大于或等于大约0.01且小于或等于大约0.09wt.%之间的Mn；和
余量的Sn。
4.根据权利要求1所述的焊料，进一步包括：
在大于或等于大约0.47wt.%且小于或等于大约0.56wt.%之间的Ag；
在大于或等于大约0.8wt.%且小于或等于大约1.1wt.%之间的Cu；
在大于或等于大约0.03且小于或等于大约0.08wt.%之间的Mn；和
余量的Sn。
5.根据权利要求1所述的焊料，包括：
大约0.5wt.%的Ag；
大约1.0wt.%的Cu；
大约0.05wt.%的Mn；和
余量的Sn。
6.根据权利要求5所述的焊料，基本上由以下组成：
大约0.5wt.%的Ag；
大约1.0wt.%的Cu；
大约0.05wt.%的Mn；和
余量的Sn。
7.根据权利要求6所述的焊料，由以下组成：
大约0.5wt.%的Ag；
大约1.0wt.%的Cu；
大约0.05wt.%的Mn；和
余量的Sn。
8.根据权利要求1所述的焊料，包括：
大约0.5wt.%的Ag；
大约1.0wt.%的Cu；
在大约0.03wt.%和大约0.08wt.%之间的Mn；和
余量的Sn。
9.根据权利要求1所述的焊料，其中所述焊料为焊球的形式。
10.根据权利要求1所述的焊料，其中所述焊料为焊膏的形式，且进一步包括助焊剂。
11.根据权利要求1所述的焊料，其中所述焊料为焊粉的形式。
12.根据权利要求1所述的焊料，其中所述焊料为焊缝的形式。
13.根据权利要求12所述的焊料，其中所述焊缝被安置在移动器件中。
14.一种焊料，包括：
在0wt.%且小于或等于大约0.7wt.%之间的Ag；
在大于或等于大约0.7wt.%且小于或等于大约1.2wt.%之间的Cu；
在大于或等于大约0.01且小于或等于大约0.09wt.%之间的Mn；和
余量的Sn。
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