CN1090550C - 焊料合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种Sn、Sb、Ag和Cu焊料合金，其中Sb的量约为1.0至3.0重量%；Ag的量约为1.0重量%或更多至2.0重量%或更少；Cu的量约为1.0重量%或更少；以及余量为Sn。该焊料合金具有比较低的杨氏模量和足够的拉伸性能。因此，即使存在热应力，它也不易从结合的电极等上剥离下来。本发明也提供对金属相如Cu和Ni具有优异焊接性的焊料。因此，提供了抗热冲击性优异的焊料合金。该焊料合金可用于焊接电子元件的内部。

Description

焊料合金
技术领域
本发明涉及一种适用于结合电子元件内部的终端等的焊料合金，更具体地说，本发明涉及一种具有优异的抗热冲击性的焊料合金。
背景技术
常规上，在不干扰压电谐振器振荡的壳体中包含压电谐振器的结构已在压电谐振器元件等中得到广泛的应用。在这些类型的压电谐振器元件中，配置在壳体中的压电谐振器和电极以及终端等用焊料结合起来。
在用于结合到电子元件内部的焊料，即所谓的内焊料中，在印刷电路板等上装配电子元件的焊接过程中要求耐热应力。因此，强烈地要求该内焊料在装配电子元件时在热应力作用下难以熔化，并且具有难以产生裂缝等特征。
常规上，具有比较高熔点的Sn-Pb低共熔焊料和Sn-Sb低共熔焊料可用作内焊料，以抗御装配电子元件时的热应力。
当要求防止焊料扩散到电极表面上时，可使用富含Pb组成的低共熔焊料，例如组成为含60重量％Sn和40重量％Pb的低共熔焊料。
当希望诸如通过在电极表面上形成Ni阻挡相来防止焊料的扩散时，可使用富含Sn的焊料如Sn-Sb体系的低共熔焊料。
然而，上述内焊料存在着抗热冲击性不够的问题。
在Sn-Pb体系的低共熔焊料中，富含Pb的相(α-相)和富含Sn的相(β-相)会生长。然而，存在着这样一个问题，即在α-相和β-相之间会产生相关裂缝，或在α-相中产生裂缝。
在不含Pb的Sn-Sb体系的焊料如上述Sn-Sb体系的焊料中，上述裂缝很少发生。然而，Sn-Sb体系的焊料具有高的杨氏模量。因此，当施加热应力时，该焊料易于机械地损坏电极，并易于使电极剥离等。
发明内容
为了克服上述问题，本发明较好的实例提供一种具有优异的抗热冲击性的焊料合金。当施加热应力时，难以产生裂缝。同样也难以机械地损坏结合的电极。
本发明一个较好的实例提供一种包含Sn、Sb、Ag和Cu的金属合金的焊料合金，其中Sb的量约为1.0至3.0重量％；Ag的量约为1.0重量％或更多至2.0重量％或更少；Cu的量约为1.0重量％或更少；以及余量为Sn。
上述焊料合金具有比较低的杨氏模量和足够的拉伸性能。因此，即使存在热应力，它也难以从结合的电极上剥离下来。本发明也提供对金属相如Cu和Ni具有优异焊接性的焊料。因此，提供了抗热冲击性优异的焊料合金。
上述焊料合金可用于焊接电子元件的内部。
当使用上述焊料合金作为电子元件的内焊料时，即使在将电子元件装配到印刷电路板等上的焊接过程中存在热应力，也难以发生再熔化和电极的剥离，并且结合的内焊料中的裂缝也可以可靠地避免了。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从下述参考附图的本发明的描述中显现出来。
图1图示了作为本发明一个例子的Sn-Sb3.0-Cu1.0-Ag1.0焊料合金的DSC分析结果。
图2图示了Sn-Sb5.0焊料合金的DSC分析结果。
图3图示了Sn-Sb5.0-Ag1.0焊料合金的DSC分析结果。
具体实施方式
本发明的发明人试图对很少产生上述裂缝的Sn-Sb体系的焊料合金的组成作了各种改进，并且认真地测试了结果。
通常，Sn体系的焊料合金具有高的杨氏模量，并且它易于扩散到电极等上。因此，已知它易于从电极上剥离下来。
本发明的发明人以Sn-Sb体系的焊料合金为基础，制出了如下表1所列的各种Sn体系的焊料合金。已尝试将各种Sn体系的焊料合金制成能在一定程度上降低对电极的扩散并且减轻对电极的应力的稳定的Sn化合物。
表1中的样品1只由Sn组成。在样品2中，“Sn-Cu0.75”是指所包含的Cu的量为0.75重量％，而剩余的由Sn组成。类似地，在接下来的样品3-16中，写在化学元素符号后面的数目说明了在其中所含的该元素的比值(重量％)。
再者，样品3-8说明了在Sn-Ag3.5组成中加入了各种比例的Sb和Cu的实施例。另一方面，样品9-13说明了在Sn-Sb3.0组成中加入了各种比例的Cu和Ag的实施例。而且，样品14-16说明了在Sn-Sb组成中加入了各种比例的Ag的
实施例。
而且，表1列出了上述样品1-16的各焊料合金组合物的(1)拉伸性能，(2)DSC熔融温度和(3)焊接时间(Cu板)。
(1)作为上述拉伸性能，列出了拉伸强度、伸长率和杨氏模量。这些数值分别按JIS K6200测量。
(2)DSC熔融温度的数值是使用差示扫描量热分析仪(DSC)测得的。在表1中，固相线的上限温度是指从固相线到吸热峰的变化点的温度。液相线的下限温度是指从吸热峰到液相线的变化点的温度。而且，峰温是指吸热峰的温度。
(3)焊接时间(Cu板)是按JIS C5033测量的，它是指当将各组成的焊料合金沉积到Cu板上时，在如表1所列的各温度下使用R助熔剂的零交叉时间(zero crosstime)。焊接时间短表明焊接性优异。
                                                           表1
  样品号       合金的组成             拉伸性能          DSC熔融温度   焊接时间(Cu板)
   拉伸强度(kg/mm2)  伸长率(％)   杨氏模量(kg/mm2)  固相线的上限温度(℃)   峰温(℃)  液相线的下限温度(℃)    260℃(秒钟)  280℃(秒钟)
  1 Sn(100)   5300
  2 Sn-Cu0.75   3.8   57   4221   226  227   227    1.56   1.28
  3 Sn-Ag3.5   4.7   54   3500   219  221   221    2.12   1.49
  4 Sn-Ag3.5-Sb1.0   5.5   45   4768   222  225   225    1.95   1.07
  5 Sn-Ag3.5-Sb3.0   6.1   46   4952   225  228   228    2.23   1.25
  6 Sn-Ag3.5-Cu0.5   5.3   48   4536   217  220   220
  7 Sn-Ag3.5-Cu1.0   5.3   46   4644   217  220   232
  8 Sn-Ag3.5-Cu1.5   5.2   23   5018   217  219   268
  9 Sn-Sb3.0   3.2   50   4864   235  239   239    5.28   2.03
  10 Sn-Sb3.0-Cu0.5   4.2   50   4674   230  233   233
  11 Sn-Sb3.0-Cu1.0   4.6   42   4854   230  234   240    4.48   2.05
  12 Sn-Sb3.0-Cu1.5   4.8   29   4793   231  234   266    5.60   2.46
  13 Sn-Sb3.0-Cu1.0-Ag1.0   6.8   38   4037   219  229   229
  14 Sn-Sb5.0   4.0   43   4540   235  242   242
  15 Sn-Sb5.0-Ag1.0   6.3   42   4798   224  238   241
  16 Sn-Sb0.5-Ag0.5   3.7   38   4562   219  230   232
从表1中样品3和5的焊料合金相比较可以清楚地看出，即使加入Sn-Ag3.5低共熔合金中的Sb的量达3.0重量％，伸长率也没有很大的降低。另一方面，从样品3和6-8相比较可以显而易见的是，当将Cu加到Sn-Ag3.5低共熔合金中时，伸长率显著地下降了。
而且，从样品9-12相比较可以清楚地看出，当将Cu加到Sn-Sb低共熔合金中时，伸长率降低了。尤其当所含的Cu的比例为1.5重量％时，伸长率明显地下降至29％。
再者，从样品13和样品11相比较可以清楚地看出，当Cu的含量比例为1.0重量％时，即使在其中共存有Ag，伸长率也没有很大的下降。同样地，从样品10-12的趋势可以清楚地看出，若Cu增加，而共存有Ag时，则伸长率将下降。
在样品11中，在Sn-Sb3.0低共熔合金中加入1.0重量％的Cu。在这种情况下，液相线的下限温度为240℃。该温度与样品9中液相线的下限温度没有重大改变。
另一方面，在样品12中Cu的量为1.5重量％，并且液相线的下限温度升至266℃。这被认为是由于Cu以过饱和状态存在。
而且，与样品3-8的Sn-Ag低共熔合金或样品2的Sn-Cu低共熔合金相比，样品9-12的Su-Sb低共熔合金的焊接性差。
再者，从样品3-8和样品14-16相比较可以清楚地看出，当加入Ag时，固相线的上限温度降低并且焊接性得到改进。
从上述结果可以发现，当使用样品13的组合物，即组成为3.0重量％Sb、1.0重量％Cu、1.0重量％Ag以及余量为Sn的焊料合金，可以获得良好的拉伸性能，固相线的上限温度降低并且焊接性得到改进。
另外，上述样品13的焊料合金的DSC分析结果示于图1中。样品14和15的焊料合金的DSC分析结果分别示于图2和图3中。
顺便提一下，已知通过在Sn-Sb低共熔焊料中加入Sb可以使杨氏模量下降，并且可以获得优异的拉伸性能。另一方面，若Sb的含量比例太高，则焊接性会下降。
因此，在Sn-Sb-Ag-Cu焊料合金中探索了保持良好焊接性的Sb的适当用量比例。
如下表2所示，制备了含有1.0重量％Ag、1.0重量％Cu、Sb的用量比例变为2.0、3.0和4.0重量％以及余量为Sn的样品17-19的各焊料合金，在其上进行了焊料扩散试验，来代替对焊接性的评价。
焊料扩散试验是这样进行的，将2 g各焊料合金装配到Cu和Ni板上，在250℃或270℃的温度下加热，而后测量熔融焊料的面积。结果列于下表2中。
                                     表2
  样品号        合金的组成                  焊料扩散比例(％)
         Cu板          Ni板
  250℃   270℃   250℃   270℃
    17  Sn-Ag1.0-Cu1.0-Sb2.0   71.22   72.40   31.54   56.80
    18  Sn-Ag1.0-Cu1.0-Sb3.0   71.58   71.69   31.85   48.86
    19  Sn-Ag1.0-Cu1.0-Sb4.0   70.78   70.90  结合不良   37.78
从表2可以清楚地看出，在Sn-Ag1.0-Cu1.0-Sb焊料合金中，当在250℃的温度下在Ni板上进行结合时，所制备的Sb用量为4.0重量％的样品19的组合物的结合性差。结合性差的原因可能是热容量不够。这就是说，当Sb的用量超过约3.0重量％时，在250℃时的焊接性极度下降。因此，在上述Sn-Ag-Cu-Sb合金中，Sb的用量必须约为3.0重量％或更少。
至于Sb用量比例的下限，样品4和5相比较表明，就拉伸性能而言，用量为1.0重量％的Sb与用量为3.0重量％的Sb相当。因此，Sb用量的下限应约为1.0重量％或更多。结果，在本发明中，Sb的用量约为1.0-3.0重量％。
至于Cu的用量，如上所述该量必需约为1.0重量％或更少。基于下述实施例，对其原因解释如下。
在Sn-Sb3.0-Ag1.0-Cu合金中，制备了Cu的用量为1.0、1.2、1.4和1.5重量％的四种焊料。然后，用DSC测量各焊料的液相线的下限温度。结果列于下表3中。
                                    表3
Cu的用量比例(％)     1.0     1.2     1.4     1.5
液相线的下限温度(℃)     229     250     260     266
从表3可以清楚地看出，当Cu的用量从1.0重量％变为1.2重量％时，液相线的下限温度突然升高了。从该结果可以认为当Cu的用量为1.2重量％或更多时，SnCu易于沉淀，并且焊接性由于Cu的过饱和而下降。
为了确认这一点，如下表4所示，制备了样品20-22的合金，即其中Sb和Cu的用量不同的Sn-Sb-Ag-Cu合金，并且如上所述进行焊料扩散试验。结果列于下表4中。
                                       表4
   样品号     合金的组成                焊料扩散比例(％)
         Cu板          Ni板
  250℃   270℃   250℃   270℃
    20  Sn-Ag1.0-Cu1.0-Sb2.0   71.58   71.69   31.85   48.86
    21  Sn-Ag1.0-Cu1.2-Sb3.0   71.57   71.52   42.53   47.56
    22  Sn-Ag1.0-Cu1.4-Sb4.0   70.42   71.62  结合不良   44.83
从表4可以清楚地看出，当Cu的用量为1.4重量％时，会产生差的结合性，原因是热容量不够。因此，从表4的结果可以认为Cu的用量应为1.2重量％或更少。另一方面，从表3可以清楚地看出，当改变Cu的用量，当Cu的用量为1.2重量％时，液相线的下限温度会突然升高。
从表3和4的结果可以认为Cu的用量应约为1.0重量％或更少。
而且，从表1中样品6和7相比较以及样品10和11相比较可以看出，拉伸性能在Cu的用量为0.5重量％和Cu的用量为1.0重量％之间几乎是相同的。因此，Cu的用量较好约为0.5重量％或更多。
至于Ag的用量，从表1中样品14和15相比较以及图2和3相比较可以看出，当Ag的用量为1.0重量％时，固相线的上限温度约低10℃。从DSC的分析结果可以看出，吸热峰分成两个峰。
再者，当Ag的用量为2.0重量％时，吸热峰的大部分向固相线的一端转移，这就证实了焊料的流动和向电极的扩散在低温下容易发生。
加入Ag是为了改进焊接性。然而，从图1可以清楚地看出，在组成为Sn-Sb3.0-Cu1.0-Ag1.0的焊料合金中，从DSC的分析结果得出固相线的上限温度为219℃，而液相线的下限温度为229℃。也就是说，在两种温度之间仅有约10℃的差别。因此，即使提高Ag的用量，焊接性也不能得到极大的改进。换句话说，Ag用量比例的上限约为2.0重量％是足够的。
若Ag的用量太低，则固相线的上限温度将下降，当使用该焊料作为电子元件的内焊料时，在将电子元件装配到印刷电路板上时该内焊料可能会再熔化。因此，Ag用量的下限应约为1.0重量％，其中吸热峰的温度约为229℃。因此，从上述结果可以看出，Ag的用量应约为1.0重量％或更多至小于约2.0重量％。
如上所述，从表1至4和图1至3所示的Sn-Sb-Ag-Cu焊料合金样品的结果可以看出，当Sb的量约为1.0至3.0重量％，Ag的量约为1.0重量％或更多至小于约2.0重量％，Cu的量约为1.0重量％或更少，以及余量为Sn时，可以获得拉伸性能和焊接性都优异并且在约220℃时难以熔化的焊料合金。
尽管参考其较好的实例对本发明已作了具体的描述，但本领域技术熟练者应明白的是可以在不偏离本发明精髓的情况下对其作出上述和其它在形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种Sn、Sb、Ag和Cu焊料合金，其中：Sb的量为1.0至3.0重量％；Ag的量为1.0重量％或更多至2.0重量％或更少；Cu的量为1.0重量％或更少；以及余量为Sn。
2.如权利要求1所述的焊料合金，其中Cu的量为0.5重量％或更多。
3.如权利要求2所述的焊料合金，其中Sb的量为3重量％，Ag的量为1重量％，以及Cu的量为1重量％。
4.如权利要求2所述的焊料合金，其中Sb的量为2重量％，Ag的量为1重量％，以及Cu的量为1重量％。
5.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的方法，其改进之处包括使用如权利要求4所述的焊料合金作为所述焊料合金。
6.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的方法，其改进之处包括使用如权利要求3所述的焊料合金作为所述焊料合金。
7.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的方法，其改进之处包括使用如权利要求2所述的焊料合金作为所述焊料合金。
8.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的方法，其改进之处包括使用如权利要求1所述的焊料合金作为所述焊料合金。
9.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的结合物，其改进之处在于它包含如权利要求1所述的焊料合金。
10.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的结合物，其改进之处在于它包含如权利要求2所述的焊料合金。
11.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的结合物，其改进之处在于它包含如权利要求3所述的焊料合金。
12.用焊料合金将电子元件焊接到另一个元件上的结合物，其改进之处在于它包含如权利要求4所述的焊料合金。
13.一种电子元件，它包含如权利要求12所述的结合物。
14.如权利要求13所述的电子元件，它包含包有压电谐振器的壳体，并且该电子元件包含位于壳体内部的电极。
15.一种电子元件，它包含如权利要求11所述的结合物。
16.如权利要求15所述的电子元件，它包含包有压电谐振器的壳体，并且该电子元件包含位于壳体内部的电极。
17.一种电子元件，它包含如权利要求10所述的结合物。
18.如权利要求17所述的电子元件，它包含包有压电谐振器的壳体，并且该电子元件包含位于壳体内部的电极。
19.一种电子元件，它包含如权利要求9所述的结合物。
20.如权利要求19所述的电子元件，它包含包有压电谐振器的壳体，并且该电子元件包含位于壳体内部的电极。
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