CN107405729A - 焊膏 - Google Patents

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Abstract

提供一种包含金属粉末的焊膏，其中，该金属粉末由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成，该包含铋与银的合金粉末中的银的含有比率为0.1质量％以上11.0质量％以下。

Description

焊膏
技术领域
本发明涉及一种焊膏。
背景技术
组装各种电子部件或半导体元件等时使用的焊膏，被要求具备例如相对于被接合部件的湿润性等通常焊膏应有的特性，其中尤其要求满足以下(1)～(3)的特性。
(1)可在320℃以下的温度进行焊接。
(2)安装在印刷基板后进行焊接的部件，在作为最高工作温度的200℃的温度下不会再熔化。
(3)可确保焊料接合部的信赖性，即，在相对高温的使用环境下焊料接合部也会发生劣化。
作为具备这些特性的焊膏，历来使用例如包含Pb-5质量％Sn的高温焊膏。然而，近年来考虑到环境污染的防止，要求使用不含铅的，即通常所说的无铅高温焊膏。而作为无铅高温焊膏，尚未找到可满足上述(1)～(3)的全部特性的适当材料，仍在进行各种研究探讨。
例如，专利文献1公开了一种焊膏，其包含第1焊料合金粉末约60重量％～约92重量％、第2焊料合金粉末大于0重量％且小于约12重量％、及助焊剂，且，该第1焊料合金粉末包含固相温度超过约260℃的第1焊料合金，该第2焊料合金粉末包含固相温度小于约250℃的第2焊料合金。还公开了第1焊料合金包括Bi-Ag、Bi-Cu或Bi-Ag-Cu合金。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：(日本)特表2013-525121号公报
发明内容
<本发明要解决的课题>
另一方面，对被接合部件有时会使用包含作为最表层的Au层及作为底层的Ni层的焊垫。
然而，在使用专利文献1公开的含Bi的合金的焊膏来接合该焊垫的情况下，因底层的Ni在焊料内扩散，有时会在焊料接合部形成较脆的铋-镍(Bi-Ni)合金。此外，形成铋-镍合金时会发生体积收缩，有时在铋-镍合金层及其邻接层之间会形成缝隙。因这些理由，焊料接合部的接合强度降低，而造成无法确保信赖性的问题。
鉴于上述现有技术的问题，本发明的一个形态的目的在于提供一种在对包含作为最表层的Au层以及作为底层的Ni层的焊垫进行焊接时，能够形成接合强度充分的焊料接合部的焊膏。
<解决上述课题的手段>
为了解决上述问题，本发明的一个形态提供一种包含金属粉末的焊膏，该金属粉末由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成，该包含铋与银的合金粉末中的银的含有比率为0.1质量％以上11.0质量％以下。
<发明的效果>
根据本发明的一个形态，提供一种在对包含作为最表层的Au层及作为底层的Ni层的焊垫进行接合的情况下，能够形成接合强度充分的焊料接合部的焊膏。
附图说明
图1是实施例、比较例中制作的试验片的结构的说明图。
具体实施方式
以下，关于本发明的焊膏的一个实施方式进行说明。
本实施方式的焊膏包含金属粉末，该金属粉末由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成。且，包含铋与银的合金粉末中的银的含有比率为0.1质量％以上11.0质量％以下。
本发明的发明者关于在使用含铋合金的焊膏来对包含作为最表层的Au(金)层及作为底层的Ni(镍)层的焊垫进行接合时，如何形成接合强度充分的焊料接合部的方法进行了研究探讨。其结果发现，由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成焊膏中包含的金属粉末时，能够抑制铋-镍合金的形成，并形成接合强度充分的焊料接合部，从而完成了本发明。
在此，首先关于本实施方式的焊膏包含的金属粉末进行说明。
金属粉末可由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成。即，金属粉末可以是由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成的混合粉末。
关于包含铋与银的合金粉末进行说明。
包含铋与银的合金粉末中包含的铋，可作为本实施方式的焊膏中添加的主要成分。在此，主要成分之意为焊膏中质量比含量最多的成分。
由于铋的熔点为271℃，因此，包含铋时较容易获得作为高温无铅焊膏时被要求在200℃左右的温度不会再熔化，且能够在320℃以下的温度进行焊接的焊膏。
关于包含铋与银的合金粉末，仅包含铋时较脆，因此，通过添加银来形成包含铋与银的合金粉末，能够改善应力弛豫性。包含铋与银的合金粉末中银的含有量优选为0.1质量％以上，更优选为1.0质量％以上。
其理由在于，通过使包含铋与银的合金粉末中银的含有量成为0.1质量％以上，能够改善包含铋与银的合金的应力弛豫性。
包含铋与银的合金粉末中银的含有量的上限值优选为11.0质量％以下，更优选为5.0质量％以下。其理由在于，包含铋与银的合金粉末中银的含有量超过11.0质量％时，包含铋与银的合金的熔点可能会超过320℃，为了使焊膏熔化而进行加热时，基板等被接合部件可能会受热损伤。
包含铋与银的合金粉末可以包含铋、银以外的任意成分。例如，包含铋与银的合金粉末还可以包含从Cu、Zn、Al、Ni、Ge、P等中选择的1种以上的金属。在此，本实施方式的焊膏为无铅焊膏，因此，包含铋与银的合金粉末中，除了必不可缺的成分之外，不宜含铅。另外，包含铋与银的合金粉末也可以仅由铋及银构成。即，包含铋与银的合金粉末可以是铋-银合金粉末。
以下，关于锡粉末进行说明。
根据本发明的发明者的研究，在金属粉末除了包含铋与银的合金粉末之外还包含锡粉末的情况下，焊垫包含的Au层的金与锡发生反应，而在焊垫表面与焊料接合部之间形成作为金与锡的合金层的AuSn层。形成的AuSn层发挥作为阻挡层的功能，能够防止作为底层的Ni层的镍在焊料接合部扩散，从而抑制铋-镍合金的形成。由此，能够形成接合强度充分的接合部，确保焊料接合部的信赖性。
锡粉末可由金属锡单体构成。其理由在于，通过使用由金属锡单体构成的锡粉末，能够形成致密的AuSn层，抑制镍的扩散。
另外，在作为包含铋与银的合金粉末的合金成分添加锡的情况下，或者，不添加金属锡单体粉末，而添加包含锡的合金的粉末的情况下，包含锡的合金粉末在达到该合金的熔点之前不会熔化。相对于此，如本实施方式的焊膏，在添加由金属锡单体构成的锡粉末的情况下，锡粉末在锡熔点就能够熔化，因此在较低的温度就会熔化。由此，从锡熔点附近开始，焊垫中包含的Au层的金与锡发生反应而能够形成AuSn层，从而能够更着实防止作为底层的Ni层的镍在焊料接合部扩散，抑制铋-镍合金的形成。
此外，如下所述，可以根据Au层的厚度等，任意选择锡粉末的添加量。因此，不是通过向包含铋与银的合金粉末添加锡来构成合金，而是通过与包含铋与银的合金粉末分开添加锡粉末，根据用途或作为被接合部件的焊垫的结构，能够容易地提供具有最适当组成的焊膏。
关于金属粉末中锡粉末所占的比率并无特别限定，例如，可以根据接合时使用的焊膏的量、被接合部件所包含的焊垫的Au层的厚度等，任意选择。例如，金属粉末中锡粉末所占的比率优选为3.0质量％以上30.0质量％以下，更优选为5.0质量％以上20.0质量％以下。
其理由在于，在金属粉末中的锡粉末所占的比率为3.0质量％以上的情况下，可形成具有足够厚度的AuSn层，能够更着实地抑制铋-镍合金的生成。然而，金属粉末中的锡粉末所占的比率超过30.0质量％时，容易产生不与Au层的金发生反应的剩余锡，剩余锡有时会与铋发生反应而生成铋-锡合金。与铋-银合金相比，铋-锡合金较脆。此外，铋-锡合金的熔点较低，根据其生成量可能成为导致焊膏熔点降低的原因。因此，尤其在对使用时等成为高温的被接合部件等进行接合的用途中，由于存在焊料接合部的信赖性降低的风险，因此优选30.0质量％以下。
关于构成金属粉末的铋-银合金粉末、及锡粉末的粒径并无特别限定。例如，可以在考虑作为焊膏时的分散程度、在焊垫上进行涂敷时的操作性的基础上，任意选择构成金属粉末的铋-银合金粉末、及锡粉末的粒径。
至此说明的金属粉末，如上所述由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成，然而并不排除包含杂质等不可避免的成分的情况。
本实施方式的焊膏除了上述金属粉末之外，还可以包含任意的成分。例如包含用于与金属粉末混合而形成膏体状的助焊剂。
关于助焊剂并无特别限定，例如，可以根据用途等，任意选择树脂类、有机酸类、无机酸类等。例如，可以使用包含松脂或树脂、溶剂、活性剂、触变剂(Thixotropic agent)等的助焊剂。
作为松脂，可以使用松脂或松脂衍生物等，作为溶剂可以使用乙二醇一丁基醚(ethylene glycol monobutyl ether)、乙二醇一苯基醚(Ethylene Glycol MonophenylEther)等。另外，作为活性剂可以使用二苯胍(Diphenylguanidine)HBr、二乙胺(diethylamine)HCl等，作为触变剂可以使用氢化蓖麻油、脂肪酸酰胺等。
关于金属粉末与助焊剂的混合比率并无特别限定，可以根据焊膏被要求的流动性等，任意选择。例如，金属粉末与助焊剂的混合物中助焊剂所占的比率优选为3.0质量％以上15.0质量％以下，更优选为5.0质量％以上12.0质量％以下。
以上关于本实施方式的焊膏进行了说明，如上所述，本实施方式的焊膏尤其适合用于对包含作为最表层的Au层及作为底层的Ni层的焊垫、与其他被接合部件进行接合。然而其用途并不限定于此，例如，可应用于要求使用高温无铅焊膏的各种用途。
使用本实施方式的焊膏形成的焊料接合部的接合强度根据被接合部件的材料或用途等而异，因此并无特别限定。然而，关于使用本实施方式的焊膏对2个被接合部件进行接合的构造体，其刚接合之后的接合强度(初期接合强度)优选为20.0MPa以上，更优选为30.0MPa以上。在此，可以通过室温剪切试验来测定构造体的接合强度。
另外，将使用本实施方式的焊膏对2个被接合部件进行接合而成的构造体置于200℃下进行100小时或200小时加热后的接合强度也优选为20.0MPa以上，更优选为30.0MPa以上。在此，上述在200℃下的加热时间可以包括从室温开始升温的时间。
根据以上说明的本实施方式的焊膏，将其用于对包含作为最表层的Au层及作为底层的Ni层的焊垫进行接合的情况下，能够形成接合强度充分的焊料接合部。
[实施例]
以下根据具体实施例、比较例进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。
首先，对以下实施例、比较例中制作的焊膏的评价方法进行说明。
(接合试验、接合界面的评价)
首先，制作了如图1所示的试验片。在此，图1是表示与构成试验片各层的叠层方向平行的面的示意性剖面图。
如图1所示，准备了在20mm×20mm的可伐(kovar)材料制成的基材11上形成有焊垫12的一方的被接合部件，该焊垫12包括作为底层的Ni层121及作为最表层的Au层122。在此，通过镀敷进行成膜，形成20mm×20mm、膜厚5μm的Ni层121，以及20mm×20mm、膜厚3μm的Au层122。
然后，在焊垫12上，以3mm×3mm、厚度50μm至60μm的尺寸印刷了通过各实施例、比较例制作的焊膏，形成了焊料接合部13。在焊料接合部13上，作为另一方的被接合部件，设置了3mm×3mm、厚度0.30mm的硅片14。
将准备好的构造体放置在加热炉内，在大气氛围下，从室温开始以4℃/秒的升温速度升温至320℃并保持3分钟，然后冷却至室温，制作成试验片。在此，为了实施下述200℃保持试验，在各实施例、比较例中以相同条件分别制作了4个试验片。
针对在各实施例、比较例中制作的试验片中的1个试验片，作为接合试验，关于一方的被接合部件与另一方的被接合部件是否被接合，进行了简易确认。由于一方的被接合部件上设置有作为另一方的被接合部件的硅片14，用手对另一方的被接合部件施加水平方向的力时，如果另一方的被接合部件与一方的被接合部件彼此分离，就判断为未能接合，评价为×。如果另一方的被接合部件与一方的被接合部件未分离，就判断为接合，评价为〇。
另外，作为接合界面的评价，利用SEM S-4800(HITACHI)及EDX GENESIS2000(EDAX)，对试验片的焊料接合部13与焊垫12的界面进行了定性分析。并且，对Ni层121的镍与铋发生反应后焊料接合部13与焊垫12的界面有未产生铋-镍合金的情况进行了确认。未发现铋-镍合金生成的情况评价为〇，确认到铋-镍合金的面积占接合界面的10.0％以上且未满30.0％的情况评价为△，确认到铋-镍合金的面积占接合界面的30.0％以上的情况评价为×。
(剪切试验)
对各实施例、比较例中制作的具有图1所示的结构的试验片，通过在大气氛围下以200℃进行规定时间的加热，然后在室温下实施剪切试验，评价了其接合强度。在此，在200℃下将试验片保持100小时、200小时之后分别进行了评价。另外，为了进行对比，对进行200℃加热之前的试料也实施了剪切试验，以评价其初期接合强度。在此，该加热时的保持时间，如下所述，还包含升温时间。
由于剪切试验为破坏性试验，因此，对通过各实施例、比较例制作的试验片中的3个试验片分别测定了初期接合强度、保持100小时后的接合强度、保持200小时后的接合强度。
剪切试验中，针对具有图1所示的结构的试验片，对基材11侧的一方的被接合部件进行固定，并对硅片14施加了如图1所示的实心箭头A方向的力，并将试验片被破壊时的强度作为该试验片的接合强度。
在此，作为对试验片进行200℃加热时的条件，从室温开始以1℃/分升温，达到200℃之后保持200℃。接下来，从升温开始经过100小时、或200小时后，从加热炉内取出试验片，冷却至室温并进行了剪切试验。
以下，关于各实施例、比较例的焊膏制作程序进行说明。
(实施例1)
准备了由包含银0.5质量％、铋99.5质量％的铋-银合金粉末(平均粒径30μm)、及锡粉末(平均粒径30μm)混合而成的金属粉末。
在此，以金属粉末中的锡粉末含量为5质量％、铋-银合金粉末为95质量％的比率进行了混合。
以下，将上述金属粉末的组成记载为Bi/0.5Ag+5Sn。
对上述金属粉末与助焊剂进行混合，而形成了焊膏。
作为助焊剂使用松脂主成分、非卤素类，并通过调整助焊剂的添加量，使金属粉末与助焊剂的混合物的粘度成为190Pa·S，混合两者形成了焊膏。在此，粘度是指使用粘度计(株式会社MALCIM制型号：PCU-203)以旋转条件10rpm、25℃进行测定的粘度。
在以下实施例、比较例中调制焊膏时也以同样方法调整了助焊剂的添加量，其结果焊膏中助焊剂的含量在7.0质量％～11.0质量％的范围。
对获得的焊膏实施了上述接合试验、接合界面评价及剪切试验。其结果如表1所示。
(实施例2～实施例11)
在各实施例中，除了使用具有如表1所示的组成的金属粉末之外，其他按照与实施例1相同的方式制作了焊膏。
其中，实施例2所示的金属粉末中，铋-银合金粉末包含0.5质量％的银，其余部分，即99.5质量％由铋构成。并且，金属粉末包含10质量％的锡粉末、90质量％的铋-银合金粉末。
另外，实施例11所示的金属粉末中，包含铋与银的合金粉末除了包含铋与银之外，还包含铜、镍及锗。该包含铋与银的合金粉末包含3质量％的银、0.1质量％的铜、0.1质量％的镍、0.05质量％的锗、96.75质量％的铋。并且，金属粉末中，该包含铋与银的合金粉末占90质量％、锡粉末占10质量％。
对通过各实施例获得的焊膏，按照与实施例1相同的方式进行了评价。其结果如表1所示。
(比较例1～比较例3)
除了使用具有如表1所示的组成的金属粉末之外，其他按照与实施例1相同的方式制作了焊膏。
对获得的焊膏，与实施例1同样进行了评价。其结果如表1所示。
(比较例4)
如表1所示，使用由包含2.6质量％的银的铋-银合金粉末(平均粒径30μm)、及锡-锌合金粉末混合而成的金属粉末，其他按照与实施例1相同的方式制作了焊膏。
在此，如表1所示，金属粉末中包含的铋-银合金粉末，包含2.6质量％的银，其余的97.4质量％由铋构成。
此外，如表1所示，锡-锌合金粉末包含1.8质量％的锌，其余的98.2质量％由锡构成。
并且，金属粉末包含20质量％的锡-锌合金粉末，其余部分，即80质量％为铋-银合金粉末。
对获得的焊膏，与实施例1同样进行了评价。其结果如表1所示。
(比较例5)
如表1所示，使用由包含2.6质量％的银的铋-银合金粉末(平均粒径30μm)、及锡-银-铜合金粉末混合而成的金属粉末，其他按照与实施例1相同的方式制作了焊膏。
在此，如表1所示，金属粉末包含的铋-银合金粉末，其包含2.6质量％的银，其余的97.4质量％由铋构成。
另外，如表1所示，锡-银-铜合金粉末包含0.06质量％的银、0.01质量％的铜，其余部分，即99.93质量％为锡。
并且，金属粉末包含1.9质量％的锡-银-铜合金粉末，其余部分，即98.1质量％为铋-银合金粉末。
对获得的焊膏，与实施例1同样进行了评价，其结果如表1所示。
(表1)
根据表1的接合试验的结果，实施例1～实施例11均在320℃时焊膏中包含的金属粉末发生熔化，并确认到能够对基材11上形成有焊垫12的一方的被接合部件、及作为硅片14的另一方的被接合部件进行接合。
相对于此，比较例3中，铋-银合金粉末中银的含量较多，熔点较高，因此焊膏中的金属粉末的一部分未熔化，确认到未能对一方的被接合部件及另一方的被接合部件进行接合。另外，表1中，关于比较例3的接合界面评价及剪切试验记载有“—”，这是因为未能对2个被接合部件进行接合，从而未实施接合界面评价及剪切试验。
另外，实施例1～实施例11的初期接合强度均为20MPa以上，并确认到能够对2个被接合部件进行强度充分的接合。其理由被认为，对2个被接合部件进行接合时，在焊垫表面形成AuSn层，从而能够抑制在焊料接合部形成铋-镍合金。
此外，实施例4、实施例8的初期接合强度分别为22.0MPa、23.0MPa，虽然能够发挥充分的初期接合强度，但是与实施例1等其他实施例相比，确认到其初期接合强度较小。
关于实施例4，由于金属粉末中的锡粉末含量较少，而出现AuSn层形成不够充分的部分，虽为微量，但铋与镍产程发生，因此接合界面被评价为△。由于形成一部分较脆的铋-镍合金，因此认为，与其他实施例相比，焊料接合部的初期接合强度较小。
另外，关于实施例8，由于金属粉末中的锡粉末含量较多，因此认为，未与Au层的金发生反应的锡，其与铋发生反应而形成了铋-锡合金。并且，由于铋-锡合金比铋-银合金脆，因此认为，与其他实施例相比，焊料接合部的初期接合强度较小。
相对而言，比较例1、2中，铋-银合金粉末中的银含量较少，因此无法充分提高焊料接合部的接合强度，确认到初期接合强度为15.0MPa，比实施例1～实施例11小。
另外，确认到比较例4、比较例5的接合界面的评价为×。在本次接合试验中确认到，向金属粉末添加锡时优选添加锡粉末，而并非锡合金的粉末。
以上，根据实施方式及实施例等对本发明的焊膏进行了说明，而本发明并不限定于上述实施方式及实施例等。在权利要求书所记载的本发明的要旨范围内，可进行各种变形、变更。
本申请根据2015年3月31日向日本国专利厅申请的专利申请2015-071978号请求优先权，并且，本国际申请包括专利申请2015-071978号的全部内容。

Claims (5)

1.一种包含金属粉末的焊膏，其中，
所述金属粉末由包含铋与银的合金粉末、及锡粉末构成，
所述包含铋与银的合金粉末中，银的含有比率为0.1质量％以上11.0质量％以下。
2.如权利要求1所述的焊膏，其中，
所述包含铋与银的合金粉末是由铋与银构成的铋-银合金粉末。
3.如权利要求1所述的焊膏，其中，
所述锡粉末在所述金属粉末中所占的比率为3.0质量％以上30.0质量％以下。
4.如权利要求3所述的焊膏，其中，
所述包含铋与银的合金粉末是由铋与银构成的铋-银合金粉末。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的焊膏，其中，
所述焊膏用于将包含作为最表层的Au层及作为底层的Ni层的焊垫与其他被接合部件进行接合。
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