CN108326465A - 高强度无银无铅焊锡 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊料组合物，公开了一种高强度无银无铅焊锡，以该高强度无银无铅焊锡所含总重量为100wt％，该高强度无银无铅焊锡由以下组成构成：2至8wt％的铋；0.1至1.0wt％的铜；0.01至0.2wt％的镍、铁或钴的其中至少一个；0.003至0.03wt％的锗或镓中至少一个；及余量为锡。本发明以铋取代以往组成物中的价格昂贵的银，不仅可降低成本，通过添加铋改善锡铜焊料的低强度及润湿性不良的缺点，使产品更具竞争力。
Description
本申请是申请日为2013年11月11日、申请号为201310559540.9、发明名称为“高强度无银无铅焊锡”的中国专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明涉及一种焊料组成物，特别是涉及一种适合用于电子零件焊点的高强度无银无铅焊锡。
【背景技术】
在已知的技艺中，锡铅合金经常被用来作为电子零件的焊料，但因为铅及其化合物对环境的污染严重，再加上现今环保意识抬头，含铅焊锡近年来逐渐遭到国际限用，因此逐渐以「无铅焊锡」来取代。
在无铅焊锡的应用中，主要是以锡银铜(SAC305)及锡铜(Sn-Cu)的组成的无铅焊锡应用最为广泛。尤其以锡银铜(SAC305)组成使用量最多，近几年来由于银的价格飙涨，造成锡银铜合金焊料价格居高不下，因而增加电子组件封装成本。
所以目前电子封装业趋向于使用低银含量的锡银铜焊料或无银含量的锡铜焊料，以降低封装成本。但是，由于前述焊料因为银含量低或不含银，焊料本体的抗拉强度(以下简称基材强度)较差且润湿性不足，所以基板焊接后内部焊锡接点强度相对不足，而且焊接过程也容易因为润湿性不良，造成焊接后焊锡接点产生裂缝或剥离，焊接接口的接合强度(以下简称接口强度)不佳，进一步造成电子产品需重工或报废。
本发明是基于改善一般锡铜焊料的基材强度差及润湿性不佳的缺点所开发出来的合金焊料，以铋取代以往组成物中的价格昂贵的银，不仅可降低成本，由于铋元素均匀地散布于合金内部，从而能提升基材强度与润湿性，同时通过添加铁、镍、钴的其中至少一个而可提升焊接接口的接合强度。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种可提升基材强度、接口强度与润湿性且成本较低的高强度无银无铅焊锡。
本发明高强度无银无铅焊锡，以该高强度无银无铅焊锡所含总重量为100wt％，该高强度无银无铅焊锡包含：该高强度无银无铅焊锡包含：2至8wt％的铋；0.1至1.0wt％的铜；0.01至0.2wt％的镍、铁或钴的其中至少一个；及余量为锡。
本发明所述的高强度无银无铅焊锡，该高强度无银无铅焊锡还包含0.003至0.03wt％的锗、镓或磷的其中至少一个。
本发明的有益效果在于：以铋取代以往组成物中的价格昂贵的银，不仅可降低成本，还可提升基材强度与润湿性，同时通过添加铁、镍、钴的其中至少一个可提升焊接接口强度，使产品更具竞争力。
【附图说明】
无。
【具体实施方式】
本发明高强度无银无铅焊锡的较佳实施例，以该高强度无银无铅焊锡所含总重量为100wt％，而该高强度无银无铅焊锡包含：2至8wt％的铋、0.1至1.0wt％的铜、0.01至0.2wt％的镍(Ni)、铁(Fe)或钴(Co)的其中至少一个，余量为锡。以铋取代以往组成物中价格昂贵的银，可提升基材强度及润湿性，进而达到或超越锡银铜焊料的性能，又因为不含银而使成本大幅降低，再加上铋价格比纯锡低，所以价格可比现有锡铜焊料更具竞争优势。此外，通过添加铁、镍、钴的其中至少一个，从而可提升焊料合金的界面强度。
较佳地，该高强度无银无铅焊锡还包含0.003至0.03wt％的锗(Ge)、磷(P)或镓(Ga)的其中至少一个，进而提升焊料合金于波峰焊制程的抗氧化性并可降低锡渣产生。
接着通过本发明的数个实施例与数个比较例来证实本发明的功效，并通过实验来比较各实施例与各比较例的焊料合金的润湿性(或可焊性)、焊料合金整体的基材强度、焊料合金与铜焊垫的接点处的接口强度，以及焊料合金的抗氧化性。
而润湿性(Wetting)的判断，是使用可焊性测试机(Wetting Balance Tester)进行测试。首先将各实施例与各比较例的焊料合金加热至250℃，接着将宽度10mm、长度20mm及厚度0.3mm的铜片沾附适量的助焊剂后，便可通过可焊性测试机将铜片浸入前述加热而融熔的焊料合金中，并侦测与计算焊料合金与铜片润湿过程的润湿时间，以判断焊料合金的润湿性。记载方式如下：
○：表示润湿时间＜2秒；
△：表示2秒≦润湿时间＜3秒；
╳：表示润湿时间≧3秒。
基材强度的判断，是使用微硬度机侦测各实施例与各比较例的焊料合金整体的硬度，并使用Vickers Pyramid Diamond Indenter以50克重施压于各实施例与各比较例15秒后，测量形成于表面的压痕大小，而换算出微硬度值(Hv)。记载方式如下：
○：表示微硬度值＞20Hv；
△：表示15Hv＜微硬度值≦20Hv；
╳：表示微硬度值≦15Hv。
界面强度的判断，是将实施例与各比较例的焊料合金配合铜焊垫进行回焊后，以高速推力机破坏焊料合金与铜焊垫的接点处，并通过分析破坏面脆性破坏程度以评价前述接点处的接口强度。其中，前述测试过程就是zone shear test，且记载方式如下：
○：表示脆性破裂率＜10％；
△：表示10％≦脆性破裂率＜15％；
╳：表示脆性破裂率≧15％。
抗氧化性的判断，是将实施例38至54的焊料合金放置于烤箱内，并在200℃的温度且通以空气的环境下放置30分钟后，取出并观察焊料合金的表面亮度变化。其中，抗氧化的能力就是抗色变的能力，且记载方式如下：
○：表示焊料合金的表面仍保有金属亮度；
△：表示焊料合金的表面呈现微黄色；
╳：表示焊料合金的表面呈现黄或蓝或紫的相近色。
表1
参阅表1，由实施例1至12可知当铋含量为2至8wt％时，焊料合金就具备优异的基材强度与接口强度，以及较高的润湿性。由比较例1至8可知，当焊料合金内不含铋或铋含量为1.0wt％时，基材强度低且润湿性差。由比较例9至10知，当焊料合金的铋含量为10.0wt％时，相对于实施例9至12而言润湿性与基材强度未进一步再提升，反而虚耗材料，并且因为铋的含量过高，不仅对接口强度有害，还过分降低熔点，导致无法使用。
另一方面，由比较例11至14可知，当焊料合金不含铋且银含量为1.0wt％时，基材强度与润湿性的表现极差。由比较例15至20可知，当焊料合金不含铋且银含量为2.0、3.0wt％时，基材强度与润湿性略有提升但仍不足。由比较例21至22可知，当焊料合金不含铋且银含量为8.0wt％时，虽然具有优异的基材强度，但因为熔点过高导致润湿性非常地差而不堪使用，同时此成分组成对接口强度也有害。
此外，实施例1至4的铋含量为2wt％时所具备的效果，更优于比较例21至22的银含量为8wt％所能达成的效果。由此可知，同样含量的比例的铋所能达成的功效是优于同样含量比例的银，因此本案以铋取代以往组成物中的价格昂贵的银，且当焊料合金的铋含量为2.0至8.0wt％时，确实可提升基材强度与润湿性，并降低制造成本，以增加产品竞争力。
表2
参阅表2，由实施例13至19可知，当焊料合金的铜含量为0.1至1.0wt％时，已具备优良的润湿性、基材强度与界面强度。
由比较例23至25可知，当焊料合金不含铜或铜含量为0.05wt％时，其润湿性差且界面强度低。由比较例26至27可知，当焊料合金的铜含量为1.2wt％时，反而又会因为铜含量过多，致使焊料合金的熔点升高并使润湿性降低，并且其接口强度也会下降。由此可知，当铜含量为0.1至1.0wt％时就可达到本发明所需的功效。
表3
参阅表3，由实施例20至25可知，当镍、铁或钴的其中至少一个的含量为0.01wt％时，已具备优良基材强度、较佳的润湿性，界面强度虽略低但仍足够。由实施例26至37可知，当镍、铁或钴的其中至少一个的含量为0.1、0.2wt％时，其接口强度进一步地得到提升，因而使焊料合金具有优异的基材强度与接口强度，以及较佳的润湿性。这是因为添加镍、铁或钴元素会抑制较脆的Cu3Sn金属相的生成，并促使较不脆弱的Cu6Sn5金属相的生成，所以能显著地提升焊料合金与铜焊垫的接点处的界面强度。
而由比较例28至33可知，当焊料合金的镍、铁或钴的其中至少一个的含量为0.005wt％时，因为镍、铁或钴的含量不足而无法抑制较脆的Cu3Sn金属相的生成，进而降低界面强度。由比较例34至39可知，当焊料合金的镍、铁或钴的其中至少一个的含量为0.3wt％，其接口强度反而又会因为过多的镍、铁或钴而产生松散的结构因而导致接口强度降低。
表4
参阅表4，由实施例42至50可知，当锗、磷或镓的其中至少一个的含量为0.003至0.03wt％时，已具备优良的润湿性、基材强度、接口强度与抗氧化性，这是因为通过锗、磷或镓元素使焊料合金的表面形成抗氧化层进而阻隔外界氧气，因而更进一步地增进焊料合金整体的抗氧化的能力。
而由实施例38至41知，当焊料合金不含锗、磷或镓的其中至少一个，或者焊料合金的焊料合金的锗、磷或镓的其中至少一个的含量为0.001wt％时，因为锗、磷或镓元素的含量不足而无法有足够的抗氧化能力。由实施例51至52可知，当焊料合金的锗或镓的含量为0.05wt％，其与实施例42至50的效果相同，也就是润湿性、基材强度、接口强度与抗氧化性等特性并未进一步提升，因而只是徒增材料的消耗而增加成本。
由此可知，当镍、铁或钴的其中至少一个的含量为0.01至0.2wt％时就可达到本发明所需的功效。
综上所述，本发明以铋取代以往组成物中的价格昂贵的银，不仅可降低制造成本，还能提升基材强度与润湿性，以增加产品竞争力。同时通过铜来改善焊料合金的接口强度与润性性，通过镍、铁或钴的其中至少一个来提升焊料合金的接口强度，更进一步地，本发明还通过锗、磷或镓的其中至少一个来提升焊料合金的抗氧化性。因此，本发明高强度无银无铅焊锡在兼具优良的润湿性与抗氧化性，以及高基材硬度与接口硬度的条件下，还可降低成本，所以确实能达成本发明的目的。
Claims (1)
1.一种高强度无银无铅焊锡，其特征在于：以该高强度无银无铅焊锡所含总重量为100wt％，该高强度无银无铅焊锡由以下组成构成：2至8wt％的铋；0.1至1.0wt％的铜；0.01至0.2wt％的镍、铁或钴的其中至少一个；0.003至0.03wt％的锗或镓中至少一个；及余量为锡。
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