CN108941968B - 焊料合金和焊料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊料合金和焊料，其中，该焊料合金含有：铟、铋、锆和锡，且以所述焊料合金的总重量为基准，铟的含量为18‑28wt％，铋的含量为44.5‑54.5wt％，锆的含量为0.01‑1.45wt％，余量为锡；以及该焊料含有铜、银、镍、锡、助焊剂和焊料合金，且以所述焊料的总重量为基准，铜的含量为0‑10wt％，银的含量为0‑10wt％，镍的含量为0‑10wt％，锡的含量为0‑10wt％，助焊剂的含量为10‑15wt％，余量为焊料合金，其中铜、银、镍和锡的含量不同时为0。本发明的焊料合金具有低熔点、较佳的机械性质；焊料可以在低温焊接，且形成的焊点可以承受较高的温度，以加强焊点的可靠度与耐温性。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊料合金和焊料，具体涉及一种低熔点的焊料合金及低熔点且可形成金属间化合物的焊料。
背景技术
塑料材料具有质轻且易于塑形的优点，已广泛使用于各领域。而且随着在塑料对象表面形成导电线路的技术日益增进，进而产生在塑料对象表面焊接电子组件的需求。
由于有些塑料材料的熔点较低，所适用的焊料合金即需具有更低的熔点，才能满足使用需求。
此外，有些焊点在后续制程中，需要耐受较高的温度，例如在低于130℃焊接后，后续可能需要耐受高于200℃的温度。因此焊料除了低熔点的需求之外，还有形成焊点后需要能耐受较高温度的需求。
发明内容
本发明的其中一个目的，即在提供一种具有较低熔点的焊料合金。
本发明的其中另一目的，即在提供一种可以形成金属间化合物(Intermetalliccompound，IMC)以加强焊点的可靠度与耐温性的焊料。
于是，本发明焊料合金在一些实施方式中，包含以重量百分比计，铟的含量为18-28wt％，铋的含量为44.5-54.5wt％，锆的含量为0.01-1.45wt％，及剩余含量为锡。
在一些实施方式中，锆的含量为约0.5wt％。
在一些实施方式中，该焊料合金熔点介于56-130℃之间。
本发明焊料在一些实施方式中，包含以重量百分比计，铜的含量为0-10wt％，银的含量为0-10wt％，镍的含量为0-10wt％，锡的含量为0-10wt％，助焊剂的含量为10-15wt％，以及剩余含量为如前所述的焊料合金，其中，铜、银、镍和锡的含量不同时为0。
本发明至少具有以下优点：本发明的焊料合金具有低熔点，且较佳的机械性质；而且焊料可以在低温焊接，且形成的焊点可以承受较高的温度，以加强焊点的可靠度与耐温性。
附图说明
图1与图2为本发明的一种焊料合金用于焊接一组件及一基板后的SEM照片；
图3为将本发明的焊料合金制成粉末的SEM照片；
图4至图8为在模拟回焊炉中的影像照片；
图9为以场发射电子显微镜分析焊点的照片。
具体实施方式
以下实施例和比较例中所使用的检测仪器包括：
1、示差扫描分析仪(DSC)，仪器供货商为TA仪器(TA Instruments)，型号为MDSC2920。
2、微小维克氏硬度计，仪器厂牌为Akashi，型号为MVK-H11。
3、扫描式电子显微镜(SEM)，仪器厂牌为HITACHI，型号为S3400。
4、仿真回焊炉，仪器供货商为MALCOM，型号为SRS-1C。
5、光学显微镜，仪器供货商为Olympus，型号为BX51。
焊料合金的制备包括以下步骤：以焊料合金的总和为10g，依据各金属元素所占重量百分比计算各金属元素所需重量，再依据各金属元素所需重量分别秤取各元素金属球；其中，各金属元素所占重量百分比如表1中实验例1所示；然后将所秤得的各元素金属球一起放置于石英管内，并以氢氧焰真空封管，再放入高温炉中在800℃温度条件下加热1小时进行熔炼；然后开炉，并使炉门半开炉冷到300℃(保持约1小时)，再置入水中焠火，以形成焊料合金；最后打破石英管将焊料合金取出。
熔点测试：将欲测试的样品，取其中约10mg，以示差扫描分析仪测量其熔点，具体地，示差扫描分析仪设定的测试温度介于40-250℃，测试速率为10℃/min。
硬度测试：将欲测试的样品，以微小维克氏硬度计，使用10g荷重分别在各个样品上压五个点，每次施压10秒以测得各个压点的硬度，再将五个点取平均值。
下表1所示为实验例1-7及比较例1的组成成分与利用示差扫描分析仪测得的熔点。从表1可知，实验例1-7测得的焊料合金的熔点介于55-121℃之间。
表1
| Bi(wt％) | In(wt％) | Sn(wt％) | Zr(wt％) | 熔点(℃) | |
| 实验例1 | 49.5 | 23 | 27 | 0.5 | 56-67,81-94 |
| 实验例2 | 49.5 | 28 | 22 | 0.5 | 56-67,80-113 |
| 实验例3 | 49.5 | 18 | 32 | 0.5 | 56-66,80-121 |
| 实验例4 | 44.5 | 28 | 27 | 0.5 | 56-67,79-109 |
| 实验例5 | 54.5 | 18 | 27 | 0.5 | 55-68,80-112 |
| 实验例6 | 49.99 | 23 | 27 | 0.01 | 56-98 |
| 实验例7 | 48.55 | 23 | 27 | 1.45 | 56-98 |
| 比较例1 | 50 | 23 | 27 | 0 | 84-98 |
下表2为实验例1、6、7与比较例1的硬度测试结果。其中，实验例1的硬度相对于比较例1增加20.64％，实验例6的硬度相对于比较例1增加8.8％，实验例7的硬度相对于比较例1增加12.35％。说明焊料合金中添加适量的锆金属能够增加焊点的硬度，以及提高机械性质。
表2
| Zr(wt％) | 测试1 | 测试2 | 测试3 | 测试4 | 测试5 | 平均值 | 增加 | |
| 实验例1 | 0.5 | 14.6 | 14.1 | 13.8 | 14.3 | 14.5 | 14.26 | 20.64％ |
| 实验例6 | 0.01 | 11.8 | 13.1 | 13.2 | 12.9 | 13.3 | 12.86 | 8.8％ |
| 实验例7 | 1.45 | 13.5 | 12.9 | 13.2 | 12.8 | 14.0 | 13.28 | 12.35％ |
| 比较例1 | 0 | 11.7 | 12.9 | 11.1 | 11.3 | 12.1 | 11.82 | - |
以电子显微镜观察实验例6与比较例1的样品，其中，实验例6的样品的晶粒尺寸介于3μm-4μm之间，而比较例1的样品的晶粒尺寸介于6μm-9μm之间，说明焊料合金中添加适量的锆金属具有细化晶粒的效果。
参阅图1与图2所示的SEM照片，照片中所显示的为实验例1的样品来将电子组件焊接至表面镀有Au/Ni/Cu多层金属层的基板接合的结果。焊接过程是在回焊炉中进行，温度设定最高130℃下，使样品将电子组件与基板接合。从SEM照片可看出实验例1制备的焊料合金能够将电子组件与基板接合的质量良好，并未产生孔洞。
由相关实验及测试结果可知，焊料合金中含有锆成分，不仅能够降低熔点，且能细化晶粒以提升机械性质，例如提高硬度值、耐疲劳、抗潜变，而且焊接后无孔洞。
此外，本发明的焊料合金可以制成粒径介于1-1000μm的粉末，如图3照片(a)、(b)、(c)所示，再混合可与焊料合金形成金属间化合物(以下简称IMC)的金属添加物，例如铜、银、镍、锡粉末(粒径可介于1-1000μm)，并混合助焊剂以形成焊料。可能形成的金属间化合物(IMC)例如ZrSn2、Ag2In、Ag3In、CuSn、NiSn等。前述焊料可包含以重量百分比计，铜的含量介于0-10wt％、银的含量介于0-10wt％、镍的含量介于0-10wt％、锡的含量介于0-10wt％、助焊剂的含量介于10-15wt％，以及剩余含量为如前所述的焊料合金，其中铜、银、镍、锡含量不同时为0。焊料可用于表面焊接(Surface Mount Technology,SMT)制程。以下以焊料组成的一实施例进行说明。
在本实施例中，以重量百分比计，取以实验例1的样品焊料合金制成的粉末(合金球)含量50wt％、铜金属粉末10wt％、镍金属粉末10wt％、银金属粉末10wt％、锡金属粉末10wt％，及助焊剂10wt％混合形成焊料，亦可称为锡膏。
将焊料涂布于表面镀有Au/Ni/Cu多层金属层的基板表面，再置入模拟回焊炉中测试。由仿真回焊炉的CCD影像观察，焊料在炉温设定135-150℃第一次回焊形成焊点后，再第二次升温超过250℃以上仍未熔化。图4的照片所示为回焊炉开始升温加热，焊料还没熔化的状态。图5、图6的照片所示分别为回焊炉温度在135℃及150℃时，焊料熔化的状态。图7的照片所示为焊料熔化形成焊点并凝固后，再于回焊炉中升温超过250℃时，焊点未熔化的状态。
另以未加入铜、镍、银、锡金属粉末的单纯实验例1的样品的粉末与助焊剂形成锡膏，作为对照样品。同样以模拟回焊炉测试，由模拟回焊炉的CCD影像观察，对照组的锡膏在炉温设定135-150℃第一次回焊形成焊点后，在第二次升温超过130℃后则熔化，如图8的照片所示。
与对照样品比对可知，加入可形成金属间化合物(IMC)的金属粉末，有助于加强焊点的可靠度与耐温性。此外，将实验例制备的焊料与基板在炉内以最高温度150℃，加热5-8分钟后，时效60℃持续8小时取出。经由场发射电子显微镜分析可知，如图9所示，焊接后的焊点内形成巨大的金属间化合物(IMC)，例如Ag3In，显示焊点的大部分区域变成金属间化合物(IMC)与连续富铋相，而能提高熔点。
因此，当焊点有需要耐高温时，可采用焊料合金与可形成金属间化合物(IMC)的金属成分混合而成的焊料来形成焊点，这样，焊料中的焊料合金除了可以与基板在接口产生金属间化合物(IMC)之外，焊料合金也可以与添加的金属产生金属间化合物(IMC)，而能使整个焊点的大部分区域变成金属间化合物(IMC)，因此，能够使焊料在低温焊接，且形成的焊点可以承受较高的温度。
唯以上所述者，仅为本发明的实施例而已，但不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所做的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种焊料合金，其特征在于，该焊料合金含有：铟、铋、锆和锡，且以所述焊料合金的总重量为基准，铟的含量为18-28wt%，铋的含量为44.5-54.5wt%，锆的含量为0.01-1.45wt%，且余量为锡；该焊料合金的熔点为55-130℃，包括56-66℃的区间。
2.一种焊料合金，其特征在于，该焊料合金含有：铟、铋、锆和锡，且以所述焊料合金的总重量为基准，铟的含量为18-28wt%，铋的含量为44.5-54.5wt%，锆的含量为0.5wt%，且余量为锡；该焊料合金的熔点温度为55-130℃，包括56-66℃的区间。
3.一种焊料合金，其特征在于，该焊料合金含有：铟、铋、锆和锡，且以所述焊料合金的总重量为基准，铟的含量为23wt%，铋的含量为49.99wt%，锆的含量为0.01wt%，锡的含量为27wt%；该焊料合金的熔点为56-98℃。
4.一种焊料合金，其特征在于，该焊料合金含有：铟、铋、锆和锡，且以所述焊料合金的总重量为基准，铟的含量为23wt%，铋的含量为48.55wt%，锆的含量为1.45wt%，锡的含量为27wt%；该焊料合金的熔点为56-98℃。
5.一种焊料，其特征在于，该焊料含有铜、银、镍、锡、助焊剂和权利要求1-4中任意一项所述的焊料合金，且以所述焊料的总重量为基准，铜的含量为0-10wt%，银的含量为0-10wt%，镍的含量为0-10wt%，锡的含量为0-10wt%，助焊剂的含量为10-15wt%，且余量为焊料合金，其中，铜、银、镍和锡的含量不同时为0。
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