CN104023902A - Sn-Cu系无铅焊料合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供对Cu面、Ni面均显示出优异的润湿性的焊料合金。采取包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、根据需要还包含Ti：0.02～0.1质量％、和/或Co：0.01～0.05质量％、余量为Sn的合金组成。

Description

Sn-Cu系无铅焊料合金
技术领域
本发明涉及无铅焊料合金，尤其涉及Sn-Cu系无铅焊料合金。
背景技术
焊料合金例如用于电子设备的电极与其它部位的连接，或者用于将IC器件接合到屏蔽壳体进而散热器上。利用与构成电极等的金属的润湿性，将电极与电路基板或IC器件与屏蔽壳体等以金属的方式进行接合。
在电极等焊料接合面使用Cu镀覆的情况居多。但是，也有时使用Ni镀覆。因此，对于焊接而言，不仅在镀Cu面常见，在镀Ni面进行焊接的情况也是常见的。因此，需要对Ni、Cu的焊接性均优异的焊料合金。
一直以来，通常镀Ni面难以进行焊接，因此，会预先在镀Ni面上薄层地镀覆Au等，在其上进行焊接。
关于向镀Ni面的焊接，一直以来，作为芯片接合用途，提出了Pb-Sn系焊料合金(专利文献1：日本特开昭60-166192)、Bi-Ag系焊料合金(专利文献2：日本特公表2005-503926)、还有Sn-Zn系焊料合金(专利文献3：日本特开2005-52869)等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭60-166192号公报
专利文献2：日本特公表2005-503926号公报
专利文献3：日本特开2005-52869号公报
发明内容
发明要解决的问题
如前所述的现有技术的焊料合金存在若干问题。专利文献1的含Pb焊料合金会担心对人体的影响，从环境相容性的问题考虑使用受到限制。另外，较大量地配混了昂贵的贵金属Ag成分的专利文献2的焊料合金存在成本升高的问题。
进而，包含像Zn那样非常不稳定而容易氧化的成分的焊料合金(参见专利文献3)由于会在电极处发生腐蚀、经时变化，因此存在避免使用的倾向。
由此，需要无铅，不含Ag、Zn，换言之环境负担低且经济性优异，而且对Cu、Ni均显示出优异的焊接性的焊料合金，而现有技术的焊料合金并非一定令人满意的材料。
这里，本发明的目的在于提供消除了这种问题的新型的焊料合金。
用于解决问题的方案
本发明人等发现，Sn-Cu-Al系焊料合金会发挥出对镀Ni面的优异的润湿性。
即，在Sn-Cu系焊料合金中配混了Al：0.01～0.1质量％时，发现不仅对镀Ni面的润湿性大为改善，而且对镀Cu面的焊接性也良好，从而完成了本发明。另外，确认到对于作为Ni系合金的镍黄铜、白铜也显示出良好的润湿。
进而，在上述Sn-Cu-Al焊料合金中添加了0.02～0.1质量％的Ti和/或0.01～0.05质量％的Co时，对Ni表面的润湿性显著改善。另外，还判明了对Cu表面的焊接性也良好。
如前所述，通常向Ni金属构件表面以及镀Ni面上的焊接困难，对镀Ni面而言会在其上实施镀Au(称为Au闪镀)来确保润湿性。但是，本发明的焊料能够在未进行镀Au的镀Ni面上容易地焊接，焊料中也不含贵金属，因此能够以工业级进行廉价的焊接。当然，通过对镀Ni面进行Au闪镀，会进一步改善焊接性。
这里，本发明为一种无铅焊料合金，其具有包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、余量Sn的合金组成。
上述合金组成可以进一步含有Ti：0.02～0.1质量％、Co：0.01～0.05质量％中的至少1种。
即，本发明的焊料合金具有如下的合金组成：包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％，作为任意成分的Ti：0.02～0.1质量％和Co：0.01～0.05质量％中的至少1种，且余量为Sn。
因此，本发明为一种无铅焊料合金，其具有包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、余量Sn的合金组成。
本发明为一种无铅焊料合金，其具有包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、Ti：0.02～0.1质量％、余量Sn的合金组成。
本发明为一种无铅焊料合金，其具有包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、Co：0.01～0.05质量％、余量Sn的合金组成。
本发明为一种无铅焊料合金，其具有包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、Ti：0.02～0.1质量％、Co：0.01～0.05质量％、余量Sn的合金组成。
这些焊料合金统称为本发明的焊料合金。
从另一方面看，本发明为一种无铅焊料合金片，其具有上述任一者所述的合金组成，厚度为500μm以下。
本发明为一种组装体，其是利用本发明的焊料合金接合而成的屏蔽壳体与IC器件的组装体。
本发明为一种散热器与屏蔽壳体与IC器件的组装体，其是进一步将散热器利用上述焊料合金接合在前述屏蔽壳体上而成的。
附图说明
图1为示意性地示出将本发明的焊料合金用于IC器件的焊接的方式的说明图。
图2为示意性地示出在对镀Ni面进行Au闪镀而成的表面上使用本发明的焊料合金来焊接IC器件与屏蔽壳体的组装体时的加热前的情况的说明图。
图3为将图2的组装体加热/接合时的焊料接头的结构的示意性说明图。
图4为基于表1的数据示出Sn-Cu系焊料合金中的Al含量与焊料润湿性的关系的图表。
具体实施方式
若参照附图进一步说明本发明，则如以下所述。
图1为示意性地示出使用本发明的焊料合金的、IC器件与散热构件(屏蔽壳体、散热器)的焊接的情况的说明图。
电气/电子行业伴随日复一日的技术创新而不断地推进轻薄短小化。特别是在半导体领域，正在追求多功能化、高密度化。于是，伴随多功能化，会在半导体装置中流通大电流，存在半导体部分所产生的热量增大的倾向。将产生的热向外部释放的散热性能是直接关系到半导体的高性能化及其可靠性的非常重要的因素。
作为半导体的散热构件，通常使用图1所示的散热器。在作为散热构件的散热器和屏蔽壳体中，作为金属材料，使用热导率高的金属Cu、镀Ni的金属Cu、金属Al等。
在图示例中，将设置于基板5的BGA、Si等IC器件3介由屏蔽壳体4连接到散热器1，IC器件3与屏蔽壳体4的连接、以及屏蔽壳体4与散热器1的连接中使用本发明的焊料合金2。将本发明的片状的焊料合金夹设在IC器件3与屏蔽壳体4之间、以及屏蔽壳体4与散热器1之间，构成组装体，将其用回流焊炉等加热，进行焊接。
图2和图3示出对为了防止氧化并提高焊接性而在镀Ni面进行Au闪镀而成的接合面上使用本发明的焊料合金进行焊接的情况，分别为向焊接温度加热前、加热后的接合部的示意性说明图。相同构件由相同附图标记表示。当然，如后述实施例中示出那样，使用本发明的焊料合金时，即使不进行昂贵的镀Au，也能对镀Ni面进行有效的焊接。
图2示出焊接前的组装体，图3示出焊接后的组装体。屏蔽壳体进一步被焊接到散热器上，此时也优选使用本发明的焊料进行焊接。
图示例中，分别在IC器件7和屏蔽壳体6上设有Ni镀层8，在其上设有由Au闪镀得到的镀Au层10，构成接合面。这些接合面介由本发明的焊料9被加热/接合。图2中所示出的镀Au层10由于加热而在焊料内部扩散并消失，如图3所示形成Sn-Cu-Ni系金属间化合物层11。
一直以来，该连接中使用金属In、含金属In的树脂系材料、润滑脂、导电性的胶带。但是，金属In为贵金属，作为接合材料昂贵，因此与含Ag材料同样在经济性上存在困难。另外，润滑脂、导电性的胶带在耐热性、与半导体元件/构件的密合性上有问题残留。
根据本发明，如图1所示，在镀Ni的IC器件(半导体元件)与屏蔽壳体、以及屏蔽壳体与散热器的接合中使用本发明的焊料合金，从而金属方式的接合成为可能。也可以对屏蔽壳体表面和散热器表面也实施镀Ni或Ni/Au闪镀。
由此，对于现有的接合方式而言困难的、兼具高导热性、耐热性和密合性的散热设计成为可能。
本发明中，规定焊料合金成分的理由如下所述。
在本发明中，Cu是为了焊料合金的强度改善以及熔点调整而配混的。
由于近年来的无铅化，通常在半导体安装部所使用的焊料是以Sn-3质量％Ag-0.5质量％Cu焊料为中心的SnAgCu系合金。
这里，本发明的焊料合金的熔点为227～230℃左右，为接近Sn-Cu合金的共晶组成的熔点，为了其熔点调整，将Cu添加量设为0.6～0.9质量％。
Cu含量不足0.6质量％时，强度的改善不充分，另一方面，超过0.9质量％时，熔点高，缺乏机械延性，不能说是合适的。优选为0.7～0.9质量％。
本发明的特征之一是配混Al，但不足Al：0.01质量％时，润湿性改善效果不充分。另一方面，超过Al：0.1质量％时，熔融时容易氧化的Al在焊料表面容易变浓，在润湿性方面无法达成本发明的目的。优选的Al含量为0.02～0.07质量％。
通过在本发明的焊料合金中进一步添加0.02～0.1质量％的Ti，尤其是对Ni的润湿性会得到明显的改善。特别是Al和Ti的总量为0.03～0.1质量％时，润湿性的改善效果显著。
在本发明的Sn-Cu-Al焊料合金中，根据需要，可以进一步配混Co：0.01～0.05质量％。通过配混Co，不仅能够进一步改善本发明的焊料合金对Ni面的润湿性，而且能够增大作为接合材料的强度、硬度。
另外，半导体元件往往以热膨胀系数低的硅作为主要成分，而要接合的散热器、屏蔽壳体为金属材料。在半导体与散热构件(散热器、屏蔽壳体)的接合部会伴随通电而施加由彼此的热膨胀系数差引起的热应变/热应力，接合体有时产生裂纹、剥离。
关于本发明的焊料合金，认为通过对Sn-Cu焊料微量地添加Al，除了前述作用效果之外，还能够提高机械延性，因此能够追随由热应力造成的变形。不仅如此，认为通过在Sn-Cu合金中微量地添加Al，并根据需要进一步微量地添加0.02～0.1质量％的Ti，能够将以Sn作为主要成分的组织微细化，实现抑制由内部应力造成的裂纹的进展的效果、由应力松弛性带来的焊料合金的长寿命化。
对本发明的焊料合金的形态没有特别限制，可以以棒状焊料、粉末焊料、球焊料、片焊料等合适的形态来使用。
特别是，若考虑对Ni面的焊接性优异，则已知在用于IC器件的散热的散热构件(屏蔽壳体、散热器)与IC器件等的焊接中，可以以焊料合金片的形态有利地使用。
对本发明的焊料而言，从对Ni面的焊接性特别优异的观点出发，会成形为片状，将其用屏蔽壳体和IC器件的底面夹持着在输送式回流焊炉或焊料接合用的炉中加热，从而能够容易地接合。此时的焊料片的厚度为500μm以下。对下限没有特别规定，但从制造上的限制出发，通常为200μm以上。本发明的焊料片按照焊料接合面而切断成适当的宽度、长度，用于上述焊接。
关于本发明，以将IC器件接合到屏蔽壳体、散热器上的焊料合金的形式进行了说明，如本领域技术人员已经了解的那样，本发明的焊料合金同样也可以用于电路基板的电极的焊接。此时，可以以颗粒状或圆板状的预成型焊料的形态来使用。
实施例
制备具有表1中示出的合金组成的焊料，按照下述步骤进行润湿性试验，测量各焊料的润湿性、拉伸强度。
润湿性试验
利用润湿平衡(wetting balance)法考察焊料合金的润湿性。
所使用的试验片为Ni板和Cu板(厚度0.3×宽度10×长度30mm)。
在该试验片表面薄层地涂布焊接用的树脂系焊剂，浸渍在加热并保持于260℃的熔融焊料中，得到相对于时间轴的润湿曲线。由该润湿曲线求出过零时间，评价润湿性。
将试验结果一并示于表1。关于对Ni板的润湿性，将比作为基本组成的Sn-0.7质量％Cu合金焊料快约1秒以上的过零时间视为良好。基本组成的过零时间为5.4秒，因此，2秒以上且不足4秒的情况下，视为观察到润湿性的改善，设为“良”。此外，过零时间不足2秒设为“优”，4秒以上设为“差”。
同样地，评价对Cu板的润湿性，一并示于表1。与Ni板的情况同样，关于润湿性的判断基准，表现出比作为基本组成的Sn-0.7Cu焊料快的润湿的不足1.1秒的情况设为“优”，1.1秒以上且不足1.6秒设为“良”，1.6秒以上设为“差”。
[表1]
(对Ni和Cu的润湿性评价)
由表1中示出的结果可知，Sn-0.6～0.9质量％Cu合金对Ni的润湿性差，通过向其中添加0.01～0.1质量％的Al，对Ni的润湿性得到改善。
此外，同样地，通过在Sn-Cu焊料合金中添加0.01～0.1质量％的Al，对Cu也发挥出良好的润湿性。
通过在Sn-Cu焊料合金中除了Al之外还添加Ti：0.02～0.1质量％，对Ni的润湿性得到极大改善。特别是Al、Ti的总添加量约为0.03～0.1质量％时，对Ni的润湿性大幅改善。
图4是基于表1的数据制作的图表，示出对于Sn-0.7Cu系焊料合金改变Al含量时对Ni面和Cu面的焊料润湿性如何变化。可知，根据Al含量，Cu面的焊料润湿性没有特别受到影响，但对于Ni面，在Al：0.01～0.1％的范围内发挥特别优异的焊料润湿性。

Claims (7)

1.一种无铅焊料合金，其具有包含Cu：0.6～0.9质量％、Al：0.01～0.1质量％、余量Sn的合金组成。
2.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征在于，所述合金组成还含有Ti：0.02～0.1质量％。
3.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征在于，所述合金组成还含有Co：0.01～0.05质量％。
4.根据权利要求2所述的无铅焊料合金，其特征在于，所述合金组成还含有Co：0.01～0.05质量％。
5.一种无铅焊料合金片，其具有权利要求1～4中任一项所述的合金组成，厚度为500um以下。
6.一种组装体，其是利用权利要求1～4中任一项所述的无铅焊料合金接合而成的、屏蔽壳体与IC器件的组装体。
7.一种散热器与屏蔽壳体与IC器件的组装体，其是进一步将散热器利用权利要求1～4中任一项所述的无铅焊料合金接合在所述屏蔽壳体上而成的。
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