CN109396687B - 无铅焊料组合物 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无铅焊料组合物和包括其的合金、电子部件以及车辆，该无铅焊料组合物相对于其总重量的100wt％包括：0.3wt％到3.0wt％的银(Ag)、0.5wt％到3.0wt％的锑(Sb)、0.3wt％到3.0wt％的铟(In)和作为剩余部分的锡(Sn)。

Description

无铅焊料组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月17日在韩国知识产权局提交的第10-2017-0104273号韩国专利申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种高强度无铅焊料组合物。更具体地，本发明涉及一种包括具有锡(Sn)-银(Ag)-锑(Sb)-铟(In)的四元素基材料的高强度无铅焊料组合物。

背景技术

过去，铅主要用作焊接材料，但最近由于环境规定，禁止在电子产品中使用铅，并且严禁在车辆中使用铅。因此，常规的铅基焊料材料被各种金属合金代替。然而，无铅焊料材料比常规的铅基合金具有更低的强度和耐腐蚀性，并且容易在其中引起离子迁移现象。Sn-Ag-Cu基组合物、Sn-Bi基组合物、Sn-Ag基组合物和Sn-Zn-Bi基组合物根据其应用范围和目的用作典型的无铅焊料组合物，并且特别地，Sn-Ag-Cu基组合物用于最广泛的应用范围和目的。将Sn-Ag-Cu基无铅焊料组合物应用于一般电子产品，并将其他元素添加到用于车辆的Sn-Ag-Cu基无铅焊料组合物和相当于车辆的需要高可靠性，即优异的热疲劳特性的产品。在用Sn-Ag-Cu基无铅焊料组合物进行焊接后，当温度极其反复地改变时，由于基材的热膨胀系数的差异引起的应力造成在焊接部产生裂纹。当产生裂纹时，接合强度降低，因此产品的可靠性可能降低。在本背景技术部分中公开的以上信息仅用于增强对本发明背景的理解，并且因此其可能包括不形成本领域普通技术人员在本国内已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供一种具有优异的润湿性、可加工性和热疲劳特性的无铅焊料组合物。

另外，本发明致力于提供一种对人体无害且对环境友好的无铅焊料组合物。

此外，本发明致力于提供一种可应用于电子产品和车辆的无铅焊料组合物。

本发明的示例性实施例提供一种无铅焊料组合物，其相对于无铅焊料组合物的总重量的100wt％包括：0.3wt％到3.0wt％的银(Ag)、0.5wt％到3.0wt％的锑(Sb)、0.3wt％到3.0wt％的铟(In)以及作为剩余部分的锡(Sn)。

无铅焊料组合物还可以包括钪(Sc)、镍(Ni)、铬(Cr)和钴(Co)中的至少一种。

可以附加地包括0.001wt％到0.5wt％的钪(Sc)。

可以附加地包括0.001wt％到0.05wt％的镍(Ni)。

可以附加地包括0.001wt％到0.05wt％的铬(Cr)。

可以附加地包括0.001wt％到0.05wt％的钴(Co)。

银(Ag)可以为0.5wt％到2.0wt％。

银(Ag)可以为1.0wt％到1.5wt％。

锑(Sb)可以为0.7wt％到2.5wt％。

锑(Sb)可以为0.7wt％到2.5wt％。

铟(In)可以为0.4wt％到1.5wt％。

铟(In)可以为0.4wt％到1.5wt％。

当利用ASTM A370标准评价拉伸强度时，无铅焊料组合物可以具有55MPa或以上的拉伸强度。

在重复其中一个循环为125℃/30分钟到-40℃/30分钟的热疲劳测试的2000个循环后，在焊接无铅焊料组合物后的金属间化合物层的厚度增加率可以为40％或以下。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料合金可以利用上述无铅焊料组合物来制造。

根据本发明的示例性实施例的电子部件可以包括上述无铅焊料合金。

根据本发明的示例性实施例的车辆可以包括上述无铅焊料合金。

根据本发明的示例性实施例，能够提供具有优异的润湿性、可加工性和热疲劳特性的无铅焊料组合物。同时还能够降低银(Ag)含量。

另外，根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物可以作为焊料合金应用于车辆、电子产品，并且特别地，应用于微电子器件。

具体实施方式

本发明的优点和特征及其实现方法将从在下文中参考附图描述的示例性实施例中显而易见。然而，本发明不限于在下文中描述的示例性实施例，并且可以体现为许多不同的形式。提供以下示例性实施例以使本发明完整并且允许本领域技术人员清楚地理解本发明的范围，并且本发明仅由所附权利要求的范围限定。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成元素。

在一些示例性实施例中，将省略对公知技术的详细描述，以防止本发明被不明确地解释。除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。另外，在整个说明书中，除非明确地相反描述，否则词语“包括”和例如“包含”或“囊括”的变体将被理解为暗示包括所述元素，而不排除任何其他元素。此外，如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。

在本发明的示例性实施例中，重量百分比(wt％)表示为对应组合物的重量与总组合物的重量的百分比。此外，在本发明的示例性实施例中，包括附加元素意味着通过附加量的附加元素代替剩余的锡(Sn)。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物是不含铅(Pb)的环保且无毒的焊料组合物。根据本发明的示例性实施例，通过使用锡(Sn)-银(Ag)-锑(Sb)-铟(In)的四元素基材料，在热疲劳(热冲击或热循环)测试中确保优异的热疲劳特性。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物是在考虑到焊接期间的润湿性和可加工性以及用于热疲劳(热冲击或热循环)测试的可靠性的情况下而设计的，并且与常规的无铅焊料组合物相比具有优异的质量。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物包含银(Ag)、锑(Sb)、铟(In)和锡(Sn)。在下文中，对各成分进行详细描述。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物包括基于其总重量为0.3wt％到3.0wt％的银(Ag)。具体而言，无铅焊料组合物可以包括0.5wt％到2.0wt％的银(Ag)，并且更具体而言，其可以包括1.0wt％到1.5wt％的银(Ag)。在上述范围内焊接期间产生的具有致密针状结构的Sn-Ag的金属间化合物增加焊料合金的强度。另外，提高伸长率以增强热疲劳特性和抗跌落性(dropping resistance)。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物包括基于其总重量为0.5wt％到3.0wt％的锑(Sb)。具体而言，无铅焊料组合物可以包括0.7wt％到2.5wt％的锑(Sb)，并且更具体而言，其可以包括1.5wt％到2.0wt％的锑(Sb)。当包括在上述范围内时，能够通过在热疲劳(热冲击或热循环)测试期间具有对剪切应力的抗性并降低裂纹开始速度和膨胀范围来确保热疲劳特性，并且根据均匀扩散锑(Sb)材料来使其最大化。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物包括基于其总重量为0.3wt％到3.0wt％的铟(In)。具体而言，无铅焊料组合物可以包括0.4wt％到1.5wt％的铟(In)，并且更具体而言，其可以包括0.5wt％到1.0wt％的铟。当包括在上述范围内时，能够控制熔点，以确保优异的接合强度和润湿性，并且通过吸收热疲劳来保持强度。

在根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物中，包括作为剩余部分的锡(Sn)以满足其总重量的100wt％。锡(Sn)不具有自身毒性并且与其他金属具有优异的溶解性，从而允许容易地制造各种合金。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物可以附加地包括钪(Sc)、镍(Ni)、铬(Cr)和钴(Co)中的至少一种。

当附加地包括钪(Sc)时，可以包括基于无铅焊料组合物的总重量的0.001wt％到0.5wt％。当包括在上述范围内时，可以进一步提高焊料的强度和铺展性。然而，当包括过多量的钪(Sc)时，由于产生不溶性化合物，所以可能使可加工性劣化。当包括过少量的钪(Sc)时，强度提高和铺展性提高可能不显著。

当附加地包括镍(Ni)时，可以包括基于无铅焊料组合物的总重量的0.001wt％到0.05wt％。当包括在上述范围内时，能够通过减少金属间化合物的厚度来有效地确保强度。当包括过多量的镍(Ni)时，可能使润湿性劣化。当包括过少量的镍(Ni)时，强度提高可能不显著。

当附加地包括铬(Cr)时，可以包括基于无铅焊料组合物的总重量的0.001wt％到0.05wt％。当包括在上述范围内时，有利于抗腐蚀性、抗跌落冲击和强度提高。当包括过多量的铬(Cr)时，可能使可加工性劣化。当包括过少量的铬(Cr)时，抗腐蚀性、抗跌落冲击和强度提高可能不显著。

当附加地包括钴(Co)时，可以包括基于无铅焊料组合物的总重量的0.001wt％到0.05wt％。当包括在上述范围内时，抑制热疲劳期间的金属扩散以改善强度维持，并且可以进一步抑制金属间化合物层(IMC层)的生长。当包括过多量的钴(Co)时，可能使可加工性劣化。当包括过少量的钴(Co)时，上述效果可能不显著。

根据本发明的示例性实施例，通过应用锡(Sn)-银(Ag)-锑(Sb)-铟(In)的四元素基材料，能够获得具有优异的强度的无铅焊料组合物。具体而言，当通过ASTM A370标准评价其拉伸强度时，拉伸强度可以为55MPa或以上。由于ASTM A370标准是众所周知的，所以将省略其详细描述。

由于将锡(Sn)-银(Ag)-锑(Sb)-铟(In)的四元素基材料应用于根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物，所以其热疲劳特性优异。这是因为能够抑制紧密的金属间化合物层(IMC层)的形成和厚度增加。包括Ag₃Sn的金属间化合物层具有紧密的针状结构，并且可以确保优异的初始强度值。另外，由于添加Sb而使剪切应力降低并且由于添加In而使延展性增加，接合部相对于环境测试的抗性增加以保持强度并抑制金属间化合物层(IMC)的生长，所以有利地保持初始强度，而不管使用期限如何。

在根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物中，由于金属间化合物层的生长被最大限度地抑制，所以改善热疲劳特性。具体而言，关于在焊接无铅焊料组合物后的金属间化合物层的厚度，在持续30分钟的热疲劳测试的2000个循环重复(一个循环对应于125℃到-40℃)后，金属间化合物层的厚度增加率可以为40％或以下。具体而言，可以为35％或以下。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物可以应用于焊膏、焊球、焊条、焊丝、焊料凸块、焊料板、焊料粉末、焊带和焊环中的至少一种焊料产品。

根据本发明的示例性实施例的无铅焊料组合物可以由无铅焊料合金制造，并且无铅焊料合金可以有用地用于电子部件和车辆中。

在下文中，将详细描述本发明的实施例和比较示例。然而，以下示例仅用于示例性目的，并且本发明的范围不限于此。

示例1到示例8和比较示例1到比较示例14：无铅焊料组合物的制造

根据示例1到示例8和比较示例1到比较示例14的无铅焊料组合物用表1所示的组分制造。

(表1)

评价利用示例1到示例8和比较示例1到比较示例14的无铅焊料组合物制备的焊料合金的拉伸强度。通过ASTM A370标准评价金属拉伸强度。评价结果在表2中示出。

(表2)

类别	金属拉伸强度(MPa)
		比较示例1	24
比较示例2	49
		比较示例3	34
比较示例4	37
		比较示例5	35
比较示例6	38
		比较示例7	41
比较示例8	42
		比较示例9	44
比较示例10	51
		比较示例11	50
比较示例12	52
		比较示例13	54
比较示例14	58
		示例1	61
示例2	57
		示例3	60
示例4	56
		示例5	55
示例6	58
		示例7	60
示例8	57

如表2所示，可以看出，与比较示例的强度相比，包括银(Ag)、锑(Sb)和铟(In)的示例的强度显著改善。

实验示例：无铅焊料组合物的特性评价

通过以下测试方法评价利用示例1到示例8和比较示例1到比较示例14的无铅焊料组合物制备的焊料合金的特性。通过使用ROL1级无卤素焊剂制备焊丝后，进行评价，并且评价结果在表3中示出。

在表3中，铺展性由数值表示，热疲劳(热冲击或热循环)测试根据每个相应循环的裂纹存在或不存在由OK或NG表示，并且金属间化合物层(IMC)层的厚度由数值表示。另外，强度降低率由数值表示。

(表3)

(1)铺展性比较

基于每种组合物的熔点(液相)，在+50℃的温度下通过加热30秒，用测微计测量铺展性。

参考测量结果，如表3所示，确认铺展性的程度根据添加组分的种类和含量而不同，并且示例的铺展性等于或远优于与常规的三元素基组合物对应的比较示例2和比较示例3的铺展性。

(2)热疲劳(热冲击或热循环)测试中的裂纹比较

在将焊料合金焊接在经环氧树脂成孔加工的(epoxy-hole-processed)PCB上后，通过热冲击测试机在125℃或-40℃下在500、1000、1500和2000个循环(循环/30分钟)内观察裂纹。

参考观察结果，如表3所示，确认示例的四元素基合金中裂纹产生起始点优于比较示例。

(3)金属间化合物层(IMC层)的变化率

以与热冲击裂纹测试相同的方式重复2000个循环后，通过与热冲击裂纹测试前的金属间化合物层(IMC层)的厚度进行比较来确认金属间化合物层的厚度变化。

金属间化合物层厚度变化(％)＝([热冲击裂纹测试后的厚度]-[热冲击裂纹测试前的厚度])/[热冲击裂纹测试前的厚度]

参考结果，如表3所示，确认示例的四元素基合金的金属间化合物层(IMC层)的厚度变化小于比较示例的厚度变化。

(4)强度降低率

确认以与IMC层变化率测试相同的方式评价的样品的强度变化率。强度变化根据内部金属结构的粗化和裂纹的出现而变化，并且清楚地确认示例和比较示例之间的强度变化的差异。低强度降低率意味着内部裂纹很少，这意味着电阻的改变小。因此，强度降低率是划分高强度无铅焊料组合物和一般无铅焊料的绝对标准。

如与比较示例相比，证实示例的合金的强度降低率非常低。结果，得出结论，示例的组合物对应于高强度无铅焊料组合物的特性。

如表3所示，确认示例中由锡-银-锑-铟制成的焊料对于热疲劳(热冲击或热循环)测试的铺展特性和可靠性优于根据比较示例的焊料，并且确保充分的接合强度。

虽然已经结合目前被认为是实际的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (11)

1.一种无铅焊料组合物，

相对于所述无铅焊料组合物的总重量的100wt％，包括：

1.0wt％到1.5wt％的银Ag，

0.5wt％到3.0wt％的锑Sb，

0.4wt％到1.5wt％的铟In，和

作为剩余部分的锡Sn，

其中，当用ASTM A370标准评价拉伸强度时，所述无铅焊料组合物具有55MPa或以上的拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的无铅焊料组合物，其中，

所述锑Sb为0.7wt％到2.5wt％。

3.根据权利要求1所述的无铅焊料组合物，其中，

在重复其中一个循环为125℃/30分钟到-40℃/30分钟的热疲劳测试的2000个循环后，在焊接所述无铅焊料组合物后的金属间化合物层的厚度增加率为40％或以下。

4.一种无铅焊料组合物，由以下组成：

相对于所述无铅焊料组合物的总重量的100wt％，

1.0wt％到1.5wt％的银Ag，

0.5wt％到3.0wt％的锑Sb，

0.4wt％到1.5wt％的铟In，

钪Sc、镍Ni、铬Cr和钴Co中的至少一种，和

作为剩余部分的锡Sn，

其中，当用ASTM A370标准评价拉伸强度时，所述无铅焊料组合物具有55MPa或以上的拉伸强度。

5.根据权利要求4所述的无铅焊料组合物，其中，

所述钪Sc为0.001wt％到0.5wt％。

6.根据权利要求4所述的无铅焊料组合物，其中，

所述镍Ni为0.001wt％到0.05wt％。

7.根据权利要求4所述的无铅焊料组合物，其中，

所述铬Cr为0.001wt％到0.05wt％。

8.根据权利要求4所述的无铅焊料组合物，其中，

所述钴Co为0.001wt％到0.05wt％。

9.一种无铅焊料合金，所述无铅焊料合金用根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的无铅焊料组合物制造。

10.一种电子部件，所述电子部件包括根据权利要求9所述的无铅焊料合金。

11.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求9所述的无铅焊料合金。