CN108284286A - 用于芯片焊接的钎焊合金 - Google Patents

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Abstract

提供了用于芯片焊接的无铅焊料，其具有高的耐热温度和改善的润湿性。用于芯片焊接的钎焊合金包含0.05质量％‑3.0质量％的锑和由铋及不可避免的杂质组成的其余部分，并且用于芯片焊接的钎焊合金包含0.01质量％‑2.0质量％的锗和由铋及不可避免的杂质组成的其余部分。

Description

用于芯片焊接的钎焊合金
技术领域
本发明涉及钎焊合金。更具体地，本发明涉及廉价的无铅高温钎焊合金，其用于代替导电粘合剂并用于芯片焊接以焊接诸如功率器件的装置的背面。
背景技术
常用的Sn-Pb共晶焊料(solder)或含90质量％以上的铅(Pb)的Pb基钎焊合金包含作为有毒物质的铅，因此，已经限制使用此类焊料或钎焊合金。近年来，不含铅的Sn-Ag共晶焊料或Sn-Ag-Cu基焊料已经变得普及，并且已用于电子部件和印刷电路板之间的焊接。然而，如果使用主要由Sn构成的无铅焊料，则焊接部分经历例如温度高至260℃的高热，因此对于电子零件的内部焊接，可能产生不良耐热性的问题，例如电极熔化或电线断裂。
此外，在功率器件领域，已经越来越期望在高温下使用功率器件，并且此类功率器件所需的操作温度规范已经由约150℃的常规操作温度规范(150℃是由自加热所达到的低温水平)升高至175℃、然后至200℃。相应地，也期望改善功率器件的焊接部分的耐热性。在日本电子情报技术产业协会(Japan Electronics and Information TechnologyIndustries Association，JEITA)的2011年环保意识型先进包装技术成果报告(2011年7月)中，已经报道了可以通过采用Pb基组合物(主要由铅组成并且熔点为例如290℃以上的材料)的常规技术来确保耐热性。根据一些其他报道，对于待通过芯片焊接来焊接的部分，需要260℃以上的温度作为耐热温度，所述芯片焊接用于电子零件的内部焊接。Sn-Ag-Cu基焊料已广泛用作导电粘合剂和无Pb焊料，并且对于此类Sn-Ag-Cu基焊料，固相线温度为约220℃，因此Sn-Ag-Cu基焊料可能在上述的260℃的所需耐热温度下熔化。因此，可能在某些情况下产生上述不良耐热性的问题，例如电极熔化或电线断裂。
具有高Pb含量的Pb基焊料具有290℃以上的高固相线温度，其满足所需的耐热性；然而，已经限制使用铅。具有与上述Pb基焊料类似的高固相线温度的高温焊料包括由贵金属构成的焊料，如Au-20％Sn(固相线温度：280℃)、Au-3.6％Si(固相线温度：370℃)和Au-25％In(固相线温度：370℃)。然而，因为这些钎焊合金非常昂贵，因此一般难以将其用作Pb基焊料的替代材料。
Bi基合金包括基于Bi-Ag基材料(固相线温度：262℃)产生的高温焊料，所述Bi-Ag基材料的特性已通过添加额外的元素而得到改善(参见专利文献1和2)。然而，因为熔点与260℃的所需耐热温度之间的余量不足，所以可能产生的问题在于超过所需耐热温度的任何微小过量的峰值温度会导致材料熔化，这可能导致不良的焊接。
此外，已知下述组合物，其中向铋(Bi)中添加微量的具有明显低的低共熔点的元素，如锡(Sn)或铟(In)(Bi-Sn共晶的低共熔点：139℃，Bi-In共晶的低共熔点：109.5℃)(参见专利文献3)。然而，如果该材料被Sn或In污染，即使Sn或In的量非常小以至于为1,000ppm以下，该材料仍可能被偏析，并且该材料可能在可能形成于偏析部分中的低熔点相中熔化，这可能由此导致机械特性和长期耐环境性退化，即，可能缩短材料的寿命。
已知贯通型陶瓷冷凝器，其中焊料主要由Bi组成并包括已经向其中加载的诸如银(Ag)或锑(Sb)的组分，该焊料被装载入结构体的孔中(参见专利文献4)。然而，此类发明旨在插入安装型部件。此外，焊料所需的特性是凝固时不引起体积收缩，这与用于芯片焊接的焊料所需的特性不同。
此外，已知主要由Bi组成的在高温下使用的不含Pb的焊料(参见专利文献5)。然而，此类发明包含锌(Zn)和Sn作为必要成分，并且其中公开了不含Zn和Sn的Bi-Ge-基焊料不适于用作焊料，这归因于它们的不良加工性和润湿性。
现有技术文献列表
专利文献
专利文献1:JP 2005-503926 W
专利文献2:JP 3671815 B1
专利文献3:JP 2007/018288 X
专利文献4:JP 2007-181880 A
专利文献5:JP 2012-076130 A
发明概述
技术问题
期望开发其中不会发生固相线温度降低并具有改善的诸如润湿性等特性的高温钎焊合金，以作为廉价的无铅高温钎焊合金用于焊接诸如功率器件等装置的待芯片焊接的部分。
问题的解决方案
着重于熔点与铅接近的铋(Bi)的特性，发明人已经发现，通过使用主要由铋(Bi)组成的并包含所添加的微量金属的材料可以改善材料的润湿性和加工性，并且基于该发现完成本发明。特别地，发明人已经发现，通过向铋(Bi)中添加特定量的锑(Sb)和/或锗(Ge)，可以改造铋(Bi)所必需的并且易于导致脆性破坏的金属结构，从而获得可加工成焊料并同时保持可用作高温焊料的温度特性的合金。
具体地，根据本发明一方面，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.05质量％-3.0质量％的锑(Sb)和由铋(Bi)及不可避免的杂质组成的其余部分。本发明的钎焊合金尤其与用于焊接插入安装型部件的端子的焊接材料不同，并且涉及用于芯片焊接的钎焊合金，其旨在用于插入安装型部件和表面安装型部件的内部焊接的芯片焊接，如四方扁平封装(QFP)和小引出线封装(SOP)，并且还旨在用于通过裸芯片的芯片焊接而进行的焊接。
在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0.01质量％-1.0质量％的锗(Ge)。
在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0.05质量％-1.0质量％的锑(Sb)和0.01质量％-0.2质量％的锗(Ge)。
在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0.01质量％-0.1质量％的镍(Ni)。
在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0.001质量％-0.1质量％的磷(P)。
根据本发明另一方面，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.01质量％-2.0质量％的锗(Ge)和由铋(Bi)及不可避免的杂质组成的其余部分。
根据本发明另一方面，焊膏包含钎焊合金和焊剂，并且所述钎焊合金包含0.01质量％-2.0质量％的锗(Ge)和由铋(Bi)及不可避免的杂质组成的其余部分。
本发明的有益效果
通过提供包含特定量的加载至Bi的Sb和/或Ge的合金，可以获得甚至在高温下也高度可靠的用于芯片焊接的无铅钎焊合金，其由此能够防止焊接失效、例如潮湿凹陷(wetdents)或空隙(void)以及在待焊接部分中的焊角(soldering fillet)的不良形成，这被认为是可能由于Bi所特有的低润湿性而产生的负面作用，并且还能抑制会发生诸如裂纹或断线等失效的几率，该失效与由于与不同类型的材料焊接的焊接部分中热膨胀系数的差异而产生的变形相关。此外，通过向这些组合物进一步添加Ni，可以改善焊接性，并且通过向这些组合物进一步添加P，可以抑制氧化，并且可以改善加工性。
附图的简要说明
图1是例示Bi-Sb基合金的二元相图。
图2是例示Bi-Ge基合金的二元相图。
图3(a)和3(b)是例示本发明的Bi-Sb基钎焊合金的铺展率的图，并且图3(b)是图3(a)的由虚线矩形所示部分的放大图。
图4(a)和4(b)是例示本发明的Bi-Ge基钎焊合金的铺展率的图，并且图4(b)是图4(a)的由虚线矩形所示部分的放大图。
图5示出了例示在本发明实施例和比较例的钎焊合金与焊剂混合并使用该混合物在Cu板和Ni板上进行焊接的情况下获得的润湿性的图。
图6例示了表示Bi-Sb基合金的Sb载量与Bi-Sb基合金的金属结构之间的关系的显微照片，其中单位“％”表示“质量％”。
图7例示了表示Bi-Ge基合金的Ge载量与Bi-Ge基合金的金属结构之间的关系的显微照片，其中单位“％”表示“质量％”。
实施方案描述
参考附图，在下文描述本发明的实施方案。然而，本发明不受下述实施方案的限制。
[第一实施方案：Bi-Sb二元合金]
根据本发明的第一实施方案，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.05质量％-3.0质量％的Sb和由Bi及不可避免的杂质组成的其余部分。不可避免的杂质主要包括铜(Cu)、Ni、锌(Zn)、铁(Fe)、铝(Al)、砷(As)、镉(Cd)、Ag、金(Au)、In、P、Pb、Sn等。特别地，本发明的钎焊合金的特征在于除了在不可避免的杂质中包含的Sn之外，所述钎焊合金不包含Sn。不包含Sn是为了防止由于Bi-Sn共晶组成的存在而导致钎焊合金的熔点降低。此外，本发明的该钎焊合金是不包含Pb的无铅钎焊合金。
图1是例示Bi-Sb基合金的二元相图。参考图1，已知包含0.05质量％-3.0质量％的Sb的钎焊合金的固相线温度在271℃至275℃的固相线温度范围内，并且该合金用作高温焊料。如图1所例示，Sb是与Bi有关的全固溶体型合金。Sb不是沉淀强化型材料，该材料与由Bi-2.5％Ag表示的Bi-Ag基合金无相容性并且转变成类低共熔体。因此，预期产生与固溶体-强化型材料类似的变形缓和效果，这是在使用Pb基合金时观察到的。
包含0.05质量％-3.0质量％的Sb并包含由Bi和不可避免的杂质构成的其余部分的钎焊合金可以容易地被压延，并且还具有优异的塑性加工性。此外，通过将Sb含量控制在上述范围内，Bi-Sb合金的润湿性与仅使用Bi的情况相比可以得到显著改善。
更优选地，Sb含量可以为0.05质量％-2.0质量％，并且更优选地，Sb含量可以为1质量％-1.75质量％。这是因为如果将Sb含量控制在这些范围之内，合金在润湿性和加工性方面均变得最有效。
可以根据常规方法，通过在电炉中熔化原料Bi和Sb来制备本实施方案的钎焊合金。优选使用纯度为99.99质量％以上的材料作为所述原料。
此外，本实施方案的钎焊合金可以以板状预制材料、成形焊料或焊膏形式进行加工，所述焊膏通过将材料粉末化并将粉末与焊剂混合而制备。
如果以焊膏形式提供钎焊合金，该焊膏通过将材料加工成粉末形式并将粉末与焊剂混合而制备的，对于粉末状焊料的粒径，优选使用粒径分布为10μm-100μm且更优选为20μm-50μm的粉末状焊料。对于平均粒径，例如通过使用常用的激光衍射和散射型粒径分布测量仪进行测量，可以使用粒径分布为25μm-50μm的粉末状焊料。
对于焊剂，可以使用任意选择的焊剂，并且特别地，可以优选使用松香基焊剂。为了更优选地改善润湿性，尤其优选的是，上述焊膏与具有下述组成的焊剂组合使用，所述组成包括45质量份-55质量份的聚合松香、41质量份-51质量份的丁基卡必醇、0.5质量份-1质量份的环己胺HBr盐、0.5质量份-1质量份的己二酸以及2质量份-4质量份的氢化蓖麻油。或者，可以使用具有以下组成的焊剂，所述组成包括45质量份-55质量份的混合松香(聚合松香：氢化松香＝1:3)、41质量份-51质量份的己基二甘醇、0.5质量份-5质量份的2,3-二溴-1,4-丁二醇、0.5质量份-1质量份的己二酸以及2质量份-4质量份的氢化蓖麻油。焊剂与粉末状焊料之间的质量比优选是80:20至90:10，更优选为85:15至90:10。
如果以成形焊料的形式提供钎焊合金，可以通过首先将与上述焊剂类似的焊剂涂布至构件上并在特定温度曲线下将成形焊料装载至其上，从而焊接该待焊接的构件。成形焊料的形状和尺寸不限于特定的形状或尺寸，并且成形焊料可具有适用于待焊接的构件并且本领域技术人员常用的形状和尺寸。对于焊剂的体积，以焊剂的体积与成形焊料的体积相同或比成形焊料的体积大约1.2倍的量来使用焊剂。具体地，温度曲线可以包括在150℃至220℃、优选170℃至200℃下进行加热100秒-130秒的预热步骤，以及用350℃以下的加热峰值温度将温度保持在270℃以上并持续40秒-120秒的步骤。通过在上述温度曲线下焊接与特定焊剂相组合的本发明的钎焊合金，可以显著改善该钎焊合金的润湿性。
如果以成形焊料的形式提供钎焊合金，可以通过使用诸如氢气氛或甲酸气氛的活性气氛来进行焊接。在该情况下，合金被加热至270℃以上的Bi的固相线温度，并且加热峰值温度设定为比合金的液相线温度高30℃的温度。对于加热时间，可以通过将加热状态保持至少60秒来获得优异的润湿性。对于加热峰值温度，通常不必将加热进行至液相线温度以上，并且如果合金的组分与纯Bi的组分接近，通过在约270℃的温度(其为纯Bi的固相线温度+30℃)下进行加热甚至在活性气氛下也可确保优异的焊接。
[第二实施方案：Bi-Ge二元合金]
根据本发明的第二实施方案，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.01质量％-2.0质量％的Ge和由Bi及不可避免的杂质组成的其余部分。第二实施方案的钎焊合金也是除了在不可避免的杂质内包含Sn或Pb之外不包含Sn或Pb的无铅钎焊合金。
图2是例示Bi-Ge基合金的二元相图。参考图2，已知包含0.01质量％-2.0质量％的Ge的钎焊合金的固相线温度为271℃，并且该合金用作高温焊料。通过向Bi基质添加被认为具有与氧的高相容性的Ge，可以防止Bi氧化，并且可以通过防止焊料中内部缺陷(孔穴)的出现(这可能由于Bi基氧化物的存在而出现)而改善焊料的焊接特性。
更优选地，本实施方案的钎焊合金可以包含0.01质量％-1.0质量％的Ge。这旨在实现优异的塑性加工性，其可以在Ge的载量为1质量％以下时实现。
更优选地，本实施方案的钎焊合金可以包含0.01质量％-0.2质量％的Ge。如果Ge的载量为0.2质量％以下，在合金结构方面，沉淀物的量会变小，这由此抑制了由于沉淀物的结晶化而可能发生的缺陷增加和强度降低。此外，通过添加Ge，Bi的初晶的生长受到抑制并且初晶的粒径变得细小。因为如上所述初晶被精细化，则认为可以抑制由于在Bi中独特发生的开裂而可能出现的脆性破坏。期望通过使用包含更多Ge的材料来进一步精细化初晶；然而，在该情况下，由于沉淀物的结晶化，缺陷可能增加并且合金强度可能降低。此外，如果使用了其中Bi的初晶被更精细化且具有高Ge含量的待添加的材料，则由于强度变高，所以加工性可能显著降低。因此，如果Ge的载量为上述的0.01质量％-0.2质量％时，则是有益的。
还更优选地，该材料可以包含0.01质量％-0.1质量％的Ge。在本实施方案中，焊接的加热峰值温度优选为比材料的液相线温度高约30℃的温度。Ge的载量为0.1质量％以下是有利的，因为在该情况下液相线温度的温度上升水平小至2℃至3℃，因此，可以设定使用低热能的无需过度加热的焊接条件。可以预期通过使用上述的包含更多Ge的材料来进一步精细化初晶；然而，如果Ge的载量例如为0.2质量％，则液相线温度增加约10℃，因此有必要进行在更高温度下的加热。因此，更优选的是，Ge的载量为0.1质量％以下。大部分电子部件由诸如环氧树脂的树脂、金属等构成。尽管近年来已经改进了许多材料的耐热温度，但树脂通常具有280℃至300℃的耐热温度，并且考虑到树脂的可靠性，如果焊接在约300℃的温度范围进行，则必须非常谨慎地确定焊接的加热条件。如果液相线温度在该温度范围内升高约10℃，则产生焊接温度超过树脂的耐热温度的风险。从这些角度考虑，优选的是，本实施方案的钎焊合金是具有如下细小组成的钎焊合金，所述组成能够实现低的液相线温度并且通过抑制氧化物的产生和通过结构的精细化来改善合金的焊接特性，并且如上所述的Ge的载量为0.01质量％-0.1质量％是特别适合的。
还可以根据常规方法，通过在电炉中熔化原料Bi和Ge来制备本实施方案的钎焊合金，并且优选使用纯度为99.99质量％以上的材料作为该材料。
可以通过将钎焊合金加工成粉末并将粉末与焊剂混合，从而以焊膏形式提供由Bi-Ge二元合金构成的本实施方案的钎焊合金。通过将钎焊合金与焊剂混合，可以预期进一步改善润湿性。在该情况下，粉末状焊料的粒径、焊剂的类型以及焊剂的适当组成与上文第一实施方案所述的那些相同。此外，在以成形焊料形式提供钎焊合金的情况下，使用方法和焊接方法与上文第一实施方案中的那些相同。
[第三实施方案：Bi-Sb-Ge三元合金]
根据本发明的第三实施方案，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.05质量％-3.0质量％的Sb、0.01质量％-1.0质量％的Ge和由Bi及不可避免的杂质组成的其余部分。通过以上述范围的载量添加Sb和Ge，可以在270℃至345℃的高熔点下进行焊接，同时保持Bi金属的固相线温度为260℃以上，由此可以将加工性改善至该合金可被加工成钎焊合金的水平。此外，与仅使用Bi金属的情况相比，可以改善合金的润湿性。
更优选的是，本实施方案的钎焊合金包含0.05质量％-1.0质量％的Sb，并且还包含0.01质量％-0.2质量％的Ge，以及由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。通过以上述范围内的载量添加Sb和Ge，可以实现更优异的润湿性。此外，可以使合金具有不发生沉淀的金属结构，由此可以进一步改善加工特性。
要注意，在本实施方案的三元钎焊合金中，Sb和Ge的载量可被限定为上文在第一和第二实施方案中所述的载量作为更优选的范围，并且在该情况下能保持上述优势。
可以通过在电炉中熔化由Bi-Ge材料构成的基体金属和由Bi-Sb材料构成的基体金属的原料，从而制备本实施方案的钎焊合金。
本实施方案的钎焊合金还可以以板状预制材料、成形焊料或焊膏形式进行加工，所述焊膏通过将钎焊合金粉末化并将粉末状焊料与焊剂混合而制备。如果以焊膏形式使用钎焊合金，则粉末状焊料的粒径、焊剂的类型以及焊剂的适当组成与上文第一实施方案中所述的那些相同。此外，在以成形焊料形式提供钎焊合金的情况下，使用方法和焊接方法与上文第一实施方案中所述的那些相同。
[第四实施方案：Bi-Sb-Ge-Ni四元合金]
根据本发明的第四实施方案，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.05质量％-3.0质量％的Sb、0.01质量％-1.0质量％的Ge和0.01质量％-0.1质量％的Ni以及由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。
此外，更优选的是，本实施方案的钎焊合金包含0.05质量％-1.0质量％的Sb，0.01质量％-0.2质量％的Ge和0.01质量％-0.1质量％的Ni，并且由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。
通过以上述范围内的载量添加Ni，不仅可以获得上文在第一至第三实施方案中所述的组合物的优势，而且还可以抑制过量产生可局部结晶的Bi3Ni，并且还可以防止焊接性和可靠性的降低。此外，本实施方案是有利的，因为可以由于Ni自身所包括的耐热特性而改善钎焊合金的耐热性。
可以通过在电炉中熔化由Bi-Ge材料构成的基体金属、由Bi-Sb材料构成的基体金属和由Bi-Ni材料构成的基体金属的原料，从而制备本实施方案的钎焊合金。此外，本实施方案的钎焊合金还可以以板状预制材料、成形焊料或焊膏的形式进行加工，所述焊膏通过将钎焊合金粉末化并将粉末状焊料与焊剂混合而制备。如果以焊膏形式使用钎焊合金，则粉末状焊料的粒径、焊剂的类型以及焊剂的适当组成与上文第一实施方案所述的那些相同。此外，在以成形焊料形式提供钎焊合金的情况下，使用方法和焊接方法与上文第一实施方案中所述的那些相同。
此外，不仅可以向上文详述的四元组合物，也可以向本文所述的第一、第二和第三实施方案的所有组合物添加0.01质量％-0.1质量％的载量的Ni，对于所有上述组合物而言，为了改善耐热性和焊接性，添加上述载量的Ni是有利的，并且为了实现抑制过量的可结晶的物质的效果，其也是有利的。
[第五实施方案：Bi-Sb-Ge-P四元合金和Bi-Sb-Ge-Ni-P五元合金]
根据本发明的第五实施方案，用于芯片焊接的钎焊合金包含0.05质量％-3.0质量％的Sb、0.01质量％-1.0质量％的Ge和0.001质量％-0.1质量％的P以及由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。更优选的是，本实施方案的钎焊合金包含0.05质量％-1.0质量％的Sb，0.01质量％-0.2质量％的Ge和0.001质量％-0.1质量％的P，以及由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。P的含量优选为0.001质量％-0.05质量％。这是因为如果P的含量为0.05质量％以上，则可能产生富含P的相，由此在某些情况下可能发生冲击强度的降低。此外，如在Bi-P二元相图(未示出)中所例示的，认为仅有极少量的P对Bi有作用。因此，更适当的载量为0.001质量％-0.05质量％。
或者，本实施方案的钎焊合金是用于芯片焊接的五元钎焊合金，其包含0.05质量％-3.0质量％的Sb、0.01质量％-1.0质量％的Ge、0.01质量％-0.1质量％的Ni和0.001质量％-0.1质量％的P以及由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。更优选的是，本实施方案的钎焊合金包含0.05质量％-1.0质量％的Sb，0.01质量％-0.2质量％的Ge、0.01质量％至0.1质量％的Ni和0.001质量％-0.1质量％的P，并且由Bi和不可避免的杂质组成的其余部分。此外，仍在上述的用于芯片焊接的五元钎焊合金中，优选的是，P含量为0.001质量％-0.05质量％，这归因于与上文所述的相同理由。
通过以上述范围内的载量添加P，可以抑制Bi的氧化，由此可以改善焊接性。此外，本实施方案的有利之处还在于，其通过加工所述钎焊合金来改善制备粉末状合金时的加工性。
可以通过在电炉中熔化由Bi-Ge材料构成的基体金属、由Bi-Sb材料构成的基体金属和由Bi-P材料构成的基体金属的原料，并且任选地熔化由Bi-Ni材料构成的基体金属的原料，从而制备本实施方案的钎焊合金。此外，本实施方案的钎焊合金还可以以板状预制材料、成形焊料或焊膏的形式进行加工，所述焊膏通过将钎焊合金粉末化并将粉末状焊料与焊剂混合而制备。如果以焊膏形式使用钎焊合金，则粉末状焊料的粒径、焊剂的类型以及焊剂的适当组成与上文第一实施方案中所述的那些相同。此外，在以成形焊料形式提供钎焊合金的情况下，使用方法和焊接方法与上文第一实施方案中所述的那些相同。
此外，不仅可以向上文详述的四元组合物和五元组合物，而且也可以向本文所述的第一、第二和第三实施方案的所有组合物添加0.001质量％-0.1质量％的载量、优选0.001质量％-0.05质量％的载量的P，对于所有上述组合物而言，为了抑制氧化并改善将钎焊合金加工成粉末时的加工特性，同时保持诸如温度特性、加工性和润湿性的特性，添加上述载量的P是有利的。
实施例
(1)由于向Bi基合金添加的元素的存在而施加的对润湿性的影响(成形焊料)
测量在向Bi添加作为添加剂元素的Ge和Sb的情况下的润湿性和铺展性。在焊接中，使用的成形焊料，通过使用 金属掩模(metalmask)将焊剂涂布至涂有Ni的板上，并且将该成形焊料装载在其上以通过回流焊接进行钎焊。在该过程中，在170℃至200℃下进行预热120秒，并且在300℃的初始加热峰值温度下、在其中将温度保持在270℃以上并持续50秒的温度曲线下进行回流焊接。对于制备该过程中使用的焊剂的方法，将50质量份的聚合松香、46质量份的丁基卡必醇、0.5质量份的环己胺HBr盐、0.5质量份的己二酸和3质量份的氢化蓖麻油装入容器中，并且将混合物在150℃下加热并熔化。
通过使用符合JIS Z3197:1999的方法以铺展率形式来测量润湿性和铺展性，并且根据以下表达式来计算。
铺展率(％)＝(将焊料视为球体所获得的直径-铺展焊料的高度)/将焊料视为球体所获得的直径×100
在表1及图3和4中例示了Bi基成形焊料的润湿性。已知Bi的润湿性低于常用的Pb-Sn基焊料的润湿性。参考图3，当向Bi添加Sb时，观察到当以0.05质量％的载量添加Sb时，改善了润湿性，当以1质量％的载量添加Sb时，润湿性达到峰值，并且仔细观察到，润湿性得到显著改善，直至添加了3质量％的载量的Sb。参考图4，当向Bi添加Ge时，在0.01质量％-2质量％的Ge的载量范围内，润湿性和铺展性得到改善，并且润湿性尤其优异，直至以1质量％的载量添加Ge。此外，参考图1，当Ge和Sb彼此组合并添加到Bi时，仔细观察到在0.01质量％-1质量％的Ge的载量的范围内和在0.05质量％-3质量％的Sb的载量的范围内，润湿性得到改善。对于比较例2和3的组合物，没有观察到润湿性，因此不能进行对润湿性的测量，并且铺展率也是不可计算的。
表1
(2)由于向Bi基合金添加的元素的存在而施加的对润湿性的影响(焊膏)
制备其中向Bi添加Ge和Sb的焊料粉末，并且评价焊膏的润湿性。将上述焊剂和焊料粉末(粒径：25μm-45μm)以11:89的质量比装入容器中，并且将混合物搅拌以制备焊膏。使用金属掩模将该焊膏涂布至涂有Ni的板和Cu板上，并且在上述曲线下进行回流焊接。
图5例示了Bi基焊膏的润湿性和铺展性。观察到仅包含Bi的焊料以及包含了向Bi所添加的Ni的焊料的润湿性在Cu板上非常低，而在添加了Ge的合金、添加了Sb的合金以及添加了Ge和Sb二者的合金上大幅改善了润湿性和铺展性，并且还仔细观察到改善了在涂有Ni的板上的湿润性。
由图5可知，在涂有Ni的板上的润湿性高于在Cu板上的润湿性，并且因为Ni易于与作为主要成分的Bi形成化合物，因此容易产生Bi3Ni。认为Bi3Ni的容易产生影响了润湿性。注意到，关于这些实施例中的在涂有Ni的板上的润湿性数据，合理地估计该钎焊合金具有与包括含0.1质量％的Ni的任何合金结构的钎焊合金相似的润湿性。
(3)由于向Bi基合金添加的元素的存在而施加的对合金结构和加工性的影响
通过在100℃至熔点的温度范围内进行热轧来加工由Bi基合金构成的成形焊料。表1显示了成形焊料的可轧制性。在表1中，“○(圆圈)”表示钎焊合金的加工性是优异的，“△(三角)”仅表示钎焊合金是可加工的，而“x(叉)”表示钎焊合金是不可加工的。
在添加Sb的情况下，钎焊合金是可轧制的，直至添加5质量％的载量的Sb；然而，对于所添加的Sb超过3质量％的载量范围，轧制难度变高。参考图6所例示的结构照片，发现直至以3质量％的载量添加Sb时，结构与仅使用Bi的具有在高温下的高可轧制性的情形接近；然而，在超过3质量％的载量范围内，结构变得细小，当仅使用Bi时所获得的钎焊合金的特性降低，由此可轧制性降低，并且在7.5质量％以上的载量范围内，可轧制性显著降低，这是因为结构已变得非常细小。注意到，表1在结构栏中所例示的“粗大”表示其中未添加材料的初晶结构的晶粒大小处于约数毫米至数百微米的范围内。“细小”表示其中结构的晶粒大小为粗大结构的晶粒大小的50％以下的结构，并且“极细小”表示其中结构的晶粒大小为粗大结构(即，未添加材料的结构)的晶粒大小的约30％以下的结构。
在添加Ge的情况下，钎焊合金是可轧制的，直至添加2质量％的载量的Ge；然而，对于1质量％以上的Ge的载量范围，轧制难度变高。认为，如图7中所示的结构照片中所例示的，这种情形的出现是由于对于2质量％以上的Ge的载量范围，沉淀的Ge的量变大。
工业实用性
本发明的钎焊合金通常用于半导体芯片等的部分中待通过芯片焊接而接合的电子装置。具体地，本发明的钎焊合金适用于焊接诸如集成电路(ICs)的封装部件。此外，本发明的钎焊合金适用于部件中产生高热量的部分的芯片焊接，例如功率半导体器件，如发光二极管(LED)或功率二极管，并且还通常用于电子装置的IC装置中内部焊接部分的芯片焊接。此外，本发明的钎焊合金可以应用于制品，如使用上述LED的照明部件、逆变装置的驱动电路、诸如功率模块的功率转换器件，等等。

Claims (9)

1.用于芯片焊接的钎焊合金，其包含0.5质量％-1.75质量％的锑和由铋及不可避免的杂质组成的其余部分。
2.如权利要求1所述的钎焊合金，其还包含0.01质量％-1.0质量％的锗，且铜以所述不可避免的杂质形式存在。
3.如权利要求2所述的钎焊合金，其中所述钎焊合金包含0.5质量％-1.0质量％的锑和0.01质量％-0.2质量％的锗。
4.如权利要求1所述的钎焊合金，其还包含0.01质量％-0.1质量％的镍，且铜以所述不可避免的杂质形式存在。
5.如权利要求2所述的钎焊合金，其还包含0.01质量％-0.1质量％的镍。
6.如权利要求1所述的钎焊合金，其还包含0.001质量％-0.1质量％的磷。
7.如权利要求2所述的钎焊合金，其还包含0.001质量％-0.1质量％的磷。
8.如权利要求4所述的钎焊合金，其还包含0.001质量％-0.1质量％的磷。
9.如权利要求5所述的钎焊合金，其还包含0.001质量％-0.1质量％的磷。
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