CN109475982B - 焊料合金 - Google Patents

Abstract

提供一种新颖的焊料合金，含有Sn、Bi及Zn，通过使Bi为42～62质量％，Zn为0.2～3.6质量％，剩余部分为Sn及不可避免的杂质，而可于低温区域使用。

Description

焊料合金

技术领域

本发明涉及一种焊料合金。

背景技术

就环境方面考虑，推荐使用不含有铅的焊料合金。焊料合金根据其组成，适于用作焊料的温度区域会发生变化。

以往的有铅焊料Sn-37Pb熔点为183℃，焊料特性及作业性等良好，但由于含有铅，故而就环境问题的方面而言，推进无铅化，作为无铅焊料，开发出Sn-3.0Ag-0.5Cu，并进行实用化(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3027441号公报。

发明内容

[发明所欲解决的课题]

上述Sn-Ag-Cu的熔点较高为217℃。因此，作为进一步的低熔点无铅焊料，开发出熔点温度为200℃，低于Sn-Ag-Cu的Sn-Ag-Bi-In，但与Sn-Pb的熔点温度相比依然高，从而谋求一种更低熔点焊料。又，作为公知的二元焊料合金，亦已知有一种Bi-42Sn(熔点135℃)。然而，该焊料的弹性模数低，疲劳特性差。再者，焊料的组成只要未特别说明则为质量％表示，上述Bi-42Sn为Sn：42质量％、剩余部分Bi的组成。

因此，本发明的目的在于提供一种不添加且不含有铅，可于低温区域使用的新颖的焊料合金。

[解决课题的技术手段]

本发明人进行努力研究，结果发现通过下述Bi-Sn-Zn基焊料合金，可达成上述目的，从而完成本发明。

因此，本发明含有以下的(1)以下。

(1)

一种焊料合金，含有Sn、Bi及Zn，

Bi为42～62质量％，Zn为0.2～3.6质量％，剩余部分为Sn及不可避免的杂质。

(2)

如(1)记载的焊料合金，其中，Sn为36～56质量％。

(3)

如(1)至(2)中任一项记载的焊料合金，其中，Bi为47～57质量％。

(4)

如(1)至(3)中任一项记载的焊料合金，其中，Zn为0.6～2.0质量％。

(5)

如(1)至(4)中任一项记载的焊料合金，其固相线温度为135℃以下。

(6)

如(1)至(5)中任一项记载的焊料合金，其液相线温度为160℃以下。

(7)

如(1)至(6)中任一项记载的焊料合金，其中，下式：[液相线温度]－[固相线温度]的值为25℃以下。

(8)

如(1)至(7)中任一项记载的焊料合金，其弹性模数为450MPa以上。

(9)

一种电子零件的内部接合焊接接头，是以(1)至(8)中任一项记载的焊料合金焊接而成。

(10)

一种功率电晶体的焊料接头，是以(1)至(8)中任一项记载的焊料合金焊接而成。

(11)

一种印刷电路板，具有(1)至(8)中任一项记载的焊料合金。

(12)

一种电子零件，具有(1)至(8)中任一项记载的焊料合金。

(13)

一种功率电晶体，具有(1)至(8)中任一项记载的焊料合金。

(14)

一种电子机器，具有(9)至(10)中任一项记载的焊料接头，或(11)记载的印刷电路板，或(12)记载的电子零件、或(13)记载的功率电晶体。

(15)

一种功率装置，具有(9)至(10)中任一项记载的焊料接头。

(16)

一种构件，以(1)至(8)中任一项记载的焊料合金作为材料。

(17)

如(1)至(8)中任一项记载的焊料合金，其接合强度为10MPa以上。

[发明的效果]

根据本发明，可获得不添加且不含有铅，于160℃以下的低温的温度区域具有优异的特性的焊料合金。本发明的焊料合金由于不添加且不含有铅，故而就将来的环境限制的观点而言亦较为有利，由于不使用昂贵的Ag等，故而就材料价格的方面而言亦较为有利。

具体实施方式

以下，列举实施方案详细地说明本发明。本发明并不限定于以下列举的具体的实施方案。

[焊料合金]

本发明的焊料合金含有Sn、Bi及Zn，Bi为42～62质量％，Zn为0.2～3.6质量％，剩余部分为Sn及不可避免的杂质。

本发明的焊料合金为所谓无铅焊料合金。无铅焊料合金亦被称为无Pb，但可以环境负荷足够低的程度的含量，含有铅作为不可避免的杂质。本发明的焊料合金是于使用以往的无Pb焊料的温度区域(例如160℃以下的温度区域)亦具有优异的特性。即，固相线温度及液相线温度处于低温度，润湿性、强度等焊料要求的特性优异。

[Sn]

Sn(锡)为作为本发明的焊料合金的主要的构成元素而含有。于优选的实施方案中，Sn相对于焊料合金的含量例如可设为36～58质量％、36～56质量％、41～51质量％、43～49质量％。

[Bi]

Bi相对于焊料合金的含量例如可设为42～62质量％、42～61质量％、47～57质量％、49～55质量％。

[Zn]

Zn相对于焊料合金的含量例如可设为0.2～3.6质量％、0.6～2.0质量％、0.6～1.8质量％。

[固相线温度]

固相线温度例如可设为135℃以下、134℃以下、133℃以下，且例如可设为120℃以上、131℃以上、133℃以上。

[液相线温度]

液相线温度例如可设为159℃以下、136℃以下，且例如可设为120℃以上、131℃以上、136℃以上、138℃以上。

[液相线温度及固相线温度]

于优选的实施方案中，可将下式：[液相线温度]－[固相线温度]的值(固相液相温度差：PR)设为25℃以下、20℃以下、10℃以下。PR例如可设为3℃以上。本发明的焊料合金由于PR小，故而于用于焊接时，可实现优异的尺寸精度。

于焊接中，若PR大，则焊料难以变硬，尺寸精度变差。尤其对具有某一程度的大小，根据形状容易发生焊接不良的焊球等而言，因PR的大小引起的影响大。例如，为通过PR大的焊料合金形成的焊球的情形时，即便变硬，仅为外侧，于内侧成为混合有液状者的状态，形状因接着时等的压力而变形。于通过多个焊球接合1片晶片的情形时，因使用形状(高度)不同的焊球，而无法顺利地接合晶片，容易发生焊接不良(例如立碑、举离)。若PR小，则立即固化，故而空隙少，于焊接时混合存在液相固相的时间短，因此不易发生焊接不良。

[优选的组成]

于优选的实施方案中，焊料合金的组成例如可设为以下。

Sn：Bi：Zn＝45.4～47.4质量％：51.4～52.4质量％：1.0～1.4质量％

Sn：Bi：Zn＝46.37质量％：52.40质量％：1.23质量％

[接合强度]

焊料合金的接合强度可通过实施例中记载的手段进行测量。于优选的实施方案中，接合强度例如可设为10MPa以上或15MPa以上。

[弹性模数]

焊料合金的弹性模数高于作为自以往已知的合金的Bi-42Sn，疲劳特性优异。于优选的实施方案中，焊料合金的弹性模数可设为450MPa以上。焊料合金的弹性模数的上限并无特别限制，例如可设为600MPa以下、550MPa以下。

弹性模数亦被称为别名弹簧常数，为不会发生塑性变形的应力区域(亦称为弹性区域)的特性值。若为弹性区域内的应力，则金属乍看上去发生变形(例如伸长)，但若解除应力，则恢复至原来的形状(原来的长度)。一般而言，疲劳试验于低应力下实施，故而弹性模数成为重要的特性因子。于弹性模数成为一定的应力范围内的所谓低疲劳区域，弹性模数大的材料达到断裂的寿命长，寿命与弹性模数的关系是由Basquin(バスキン)定律的式表示。

Bi-Sn焊料为共晶组织的合金。若于该合金组成中加入Zn，则Zn不会与Bi及Sn形成金属间化合物，Zn单独先析出于BiSn液相中。若冷却速度快，则成为球形，若慢，则成为树枝状(デンドライト)结晶。本发明人认为通过此种机制，于本发明中变硬，且弹性模数提高。

[焊料合金的形状]

本发明的焊料合金的形状可适当采用用作焊料的视需要的形状。如实施例中记载般，可形成为片状的构件，进而，例如可形成为线、粉、球、板、棒等形状的构件。焊料合金的形状特别优选形成为粉体的形状、焊球的形状(球状)或片状。焊球是指例如直径50μm～500μm的球。焊料粉是指例如粒径未达50μm的粉末。焊料粉可用于焊料膏。

[实施例]

以下，列举实施例详细地说明本发明。本发明并不限定于以下例示的实施例。

[例1]

[实施例1]

称量特定量的Sn、Bi、Zn，通过真空熔解而熔制铸锭。通过萤光X射线求出铸锭的各成分，记载于表1中。将其加工为厚度0.2mm的片状。再者，铸锭的各成分亦可使用ICP发射光谱分析器进行分析。

焊料合金的固相线温度及液相线温度的测量依据JIS Z3198-1：2014，利用通过示差扫描热量测量(DSC：Differential Scanning Calorimetry)的方法实施。

准备2mm見方的SiC晶片，于单面通过溅镀依序分别形成Ni层(厚度1μm)、Au层(厚度0.05μm)。于通过电镀分别将Ni层(厚度1μm)形成于底层及将Au层(厚度0.05μm)形成于最表层的引线框架上，放置切断为2mm見方的厚度0.2mm的Sn-Bi-Zn的片，于其上以溅镀面与上述片相对的方式放置SiC晶片，于甲酸(分压40mmHg)环境中加热至150℃，使引线框架与SiC晶片接合。测量其接合强度。

接合强度依据MIL STD-883G进行测量。安装于负载感测器的工具下降至基板面，装置检测基板面并停止下降，工具自检测的基板面上升至设定的高度，通过工具按压接合部而测量破坏时的负载。

＜测量条件＞

本体：dage公司制造的dage series 4000

方法：晶片剪切强度测试

测试速度：100μm/s

测试高度：20.0μm

工具移动量：4mm(试片2mm)

又，弹性模数通过纳米压痕依据ISO14577-1进行测量。

＜测量条件＞

装置：超微小压痕硬度试验机ENT-2100Elionix公司制造

压头：Berkovich(バーコビッチ)压头

负载：100mN

[实施例2～5]

通过与实施例1相同的顺序，称量特定量的Sn、Bi、Zn，通过真空熔解而熔制铸锭，利用萤光X射线求出铸锭的各成分，加工为厚度0.2mm的片状，进行DSC测量而求出固相线温度、液相线温度，进而测量接合强度、弹性模数。将这些汇总示于表1。

[例2]

[比较例1～5]

通过与实施例1相同的顺序，称量特定量的Sn、Bi、Zn，通过真空熔解而熔制铸锭，利用萤光X射线求出铸锭的各成分，加工为厚度0.2mm的片状，进行DSC测量而求出固相线温度、液相线温度，进而测量接合强度、弹性模数。将这些汇总示于表1。

[例3]

[参考例1～2]

通过与实施例1相同的顺序，称量特定量的Sn、Bi、Ag、In，通过真空熔解而熔制铸锭，利用萤光X射线求出铸锭的各成分，加工为厚度0.2mm的片状，进行DSC测量而求出固相线温度、液相线温度，进而测量接合强度、弹性模数。将这些汇总示于表1。

[结果]

将上述结果汇总示于如下表1。

[表1]

于将实施例1～5与比较例1～3进行对比的情形时，比较例1～3的弹性模数仅为实施例的大致一半的值，明显较差。又，比较例4、5的弹性模数虽与实施例1～5同等，但接合强度为10MPa以下，成为接合强度较差的结果。

[产业上的可利用性]

本发明提供一种于低温温度区域具有优异的特性的焊料合金。本发明为产业上有用的发明。

Claims (14)

1.一种焊料合金，含有Sn、Bi及Zn，

Sn为45.4～49质量％，Zn为0.2～3.6质量％，剩余部分为Bi及不可避免的杂质，

其接合强度为10MPa以上。

2.根据权利要求1所述的焊料合金，其中，Zn为0.6～2.0质量％。

3.根据权利要求1或2所述的焊料合金，其固相线温度为135℃以下。

4.根据权利要求1或2所述的焊料合金，其液相线温度为160℃以下。

5.根据权利要求1或2所述的焊料合金，其中，下式：[液相线温度]－[固相线温度]的值为20℃以下。

6.根据权利要求1或2所述的焊料合金，其弹性模数为450MPa以上。

7.一种电子零件的内部接合焊接接头，是以权利要求1至6中任一项所述的焊料合金焊接而成。

8.一种功率电晶体的焊料接头，是以权利要求1至6中任一项所述的焊料合金焊接而成。

9.一种印刷电路板，具有权利要求1至6中任一项所述的焊料合金。

10.一种电子零件，具有权利要求1至6中任一项所述的焊料合金。

11.一种功率电晶体，具有权利要求1至6中任一项所述的焊料合金。

12.一种电子机器，具有权利要求7或8所述的焊料接头、或权利要求9所述的印刷电路板、或权利要求10所述的电子零件、或权利要求11所述的功率电晶体。

13.一种功率装置，具有权利要求7或8所述的焊料接头。

14.一种构件，以权利要求1至6中任一项所述的焊料合金作为材料。