CN111132794A - 焊料合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可在高温区使用的下述新的无铅焊料合金。本发明的焊料合金含有Sn、Bi及Cu,Sn含量为1.9~4.3质量%,Cu含量为1.9~4.5质量%,剩余部分为Bi及不可避免的杂质,Sn含量与Cu含量满足下式:Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00,Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊料合金。
背景技术
出于环境方面的考虑,推荐使用不含铅的焊料合金。焊料合金根据其组成,适宜作为焊料使用的温度区会有所变化。
功率装置作为电力转换用元件用于油电混合车、送变电等广泛领域。现有可利用Si晶片的装置因应,但在要求高耐压、大电流用途、高速作动的领域中,带隙大于Si的SiC、GaN等近年来受到了关注。
在现有的功率模组中,作动温度最多为170℃左右,但认为在下一代型SiC、GaN等中可能成为200℃或200℃以上的温度区。伴随于此,对于搭载有这些晶片的模组所使用的各材料要求耐热性及散热性。
关于接合材料,就无Pb的观点而言,优选为Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料,但在下一代型模组中作动温度可能超过200℃,因此与熔点为220℃附近的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料相比,进一步要求耐热性。具体而言,就散热器的冷却及发动机周围的温度的容许性而言,谋求优选为具有250℃以上的熔点的焊料。再者,焊料的组成若无特别说明,则以质量%表示,上述Sn-3.0Ag-0.5Cu为Ag:3.0质量%、Cu:0.5质量%、剩余部分Sn的组成。虽并非为RoHS的限制对象,但若为就环境限制的观点而言欠佳的Pb焊料(Pb-5Sn),则可适应下一代型模组的作动温度。与Pb焊料同样地使用Au系焊料(Au-Ge、Au-Si、Au-Sn)作为耐热焊料(非专利文献1~3)。作为廉价的焊料,已知有Sn基焊料(专利文献1、2)。
因此,近年来,金属细粉膏作为下一代型模组的接合材料而受到了关注。由于金属粉的尺寸小,故而表面能量高,在远低于该金属的熔点的温度会开始烧结。并且,与焊料不同,一旦进行烧结,若不升温至该金属的熔点附近,则不会进行再熔融。利用此种特性,以Ag细粉膏进行开发(专利文献3)。
Pb-5Sn焊料作为下一代型功率模组的接合材料的功能虽然足够,但含有铅,就将来的环境限制的观点而言亦较理想为不使用。又,Au系焊料就功能、环境方面而言作为接合材料较为理想,但存在材料价格的问题。Sn基焊料的熔点低,例如于250℃的高温环境下有使接合强度降低的忧虑。又,Ag细粉膏视条件可对接合层赋予足够的接合强度、耐热性,但存在材料价格的问题。
专利文献4的焊膏,虽设计成混合有组成不同的多种粉末,在其熔融后成为合金,但因此而需要进行超过各粉末的熔点的加热,例如若使用Cu粉,如果不加热至Cu的熔点1084.6℃以上,则无法期望完全熔融,而担忧依存于焊接时加热操作的不均匀性。
背景技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平9-271981号公报
专利文献2:日本特开2000-141079号公报
专利文献3:国际公开WO2011/155055号
专利文献4:国际公开W02007/055308号。
非专利文献
非专利文献1:P.Alexandrov,W.Wright,M.Pan,M.Weiner,L.Jiao and J.H.Zhao,Solid-State Electron.,47(2003)p.263.
非专利文献2:R.W.Johnson and L.Williams,Mater.Sci.Forum 483-485(2005)p.785.
非专利文献3:S.Tanimoto,K.Matsui,Y.Murakami,H.Yamaguchi and H.Okumura,Proceedings of IMAPS HiTEC 2010(May 11-13,2010,Albuquerque,New Mexico,USA),p32-39.
发明内容
[发明所欲解决的问题]
因此,谋求如下焊料合金:即便在下一代型功率模组的接合材料所要求的高温区、例如超过250℃的温度区,亦具有优异的特性。
因此,本发明的目的在于提供一种不添加含有铅,可在高温区使用的新的焊料合金。
[用以解决问题的手段]
本发明人进行潜心研究后,结果发现通过下述Bi基焊料合金,可达成上述目的,从而完成了本发明。
由此,本发明包含下述(1)。
(1)
一种焊料合金,其含有Sn、Bi及Cu,
Sn含量为1.9~4.3质量%,Cu含量为1.9~4.5质量%,剩余部分为Bi及不可避免的杂质,Sn含量与Cu含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63。
发明的效果
根据本发明,可获得一种焊料合金,其不添加含有铅,即便在下一代型功率模组的接合材料所要求的高温区、例如超过250℃的温度区,亦具有优异的特性。
附图说明
图1为图示本发明实施例所满足的式的范围的说明图。
具体实施方式
以下,列举实施态样对本发明详细地进行说明。本发明并不限定于以下所列举的具体的实施态样。
[焊料合金]
本发明的焊料合金为如下焊料合金:含有Sn、Bi及Cu,Sn含量为1.9~4.3质量%,Cu含量为1.9~4.5质量%,剩余部分为Bi及不可避免的杂质,Sn含量与Cu含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63。
本发明的焊料合金的固相线温度及液相线温度均为高的温度帯,在高温下长时间保持后亦维持足够的接合强度,因此即便于下一代型功率模组的接合材料所要求的高温区、例如超过250℃的温度区,亦具有优异的特性。在适宜的实施态样中,本发明的焊料合金由于不存在有意地添加而含有铅的情况,故而就将来的环境限制的观点而言亦有利,且由于不使用高价的Ag,故而就材料价格的方面而言亦有利。
所谓不可避免的杂质是指来自材料或步骤而不可避免地混入的成分,而非有意添加的成分。例如,若成为原料的金属的品位为4N,则不可避免的杂质最多含有0.01质量%。在适宜的实施态样中,本发明的焊料合金为所谓无铅焊料合金,但例如亦可以在由RoHS指令规定的含铅率1000ppm(0.1质量%)以下的范围含有铅作为不可避免的杂质。
[Bi]
含有Bi(铋)作为本发明的焊料合金的主要构成元素。在适宜的实施态样中,Bi相对于焊料合金的含量例如可设为91.2~96.2质量%,优选为91.3~95.9质量%或91.3~94.0质量%。在适宜的实施态样中,Bi相对于焊料合金的含量例如可设为91.2质量%以上,优选为91.3质量%以上,或设为例如96.2质量%以下,优选为95.9质量%以下、94.0质量%以下。通过设为此种范围,可使250℃1000小时后的剪切强度为更高范围。
[Sn]
Sn相对于焊料合金的含量例如可设为1.9~4.3质量%,优选为2.1~4.2质量%或3.0~4.2质量%。在适宜的实施态样中,Sn相对于焊料合金的含量例如可设为1.9质量%以上,优选为2.1质量%以上,进而优选为3.0质量%以上,或设为例如4.3质量%以下,优选为4.2质量%以下。
[Cu]
在适宜的实施态样中,Cu相对于焊料合金的含量例如可设为1.9~4.5质量%的范围,优选为2.0~4.5质量%或3.0~4.5质量%的范围。在适宜的实施态样中,Cu相对于焊料合金的含量例如可设为1.9质量%以上,优选为2.0质量%以上,进而优选为3.0以上,或设为例如4.5质量%以下。即便将Cu浓度设为1.9质量%以上,液相线温度亦不上升,且容易确保250℃1000小时后的剪切强度为40MPa以上。又,若Cu浓度超过4.50质量%,则无法忽视焊料对制造装置的附着,难以进行连续制造。
[Cu含量与Sn含量的关系]
在适宜的实施态样中,Cu含量与Sn含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63,
在适宜的实施态样中,Cu含量与Sn含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.16
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.50,
在进而适宜的实施态样中,Cu含量与Sn含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.50
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.50。
[固相线温度]
固相线温度例如可设为228℃以上或235℃以上。在固相线温度高(例如235℃以上)的焊料合金的情形时,在250℃环境下1000小时后的剪切强度为40MPa以上,因此可在高温区充分使用。
[液相线温度]
液相线温度例如可设为272℃以下、270℃以下或268℃以下。
[液相线温度与固相线温度]
在适宜的实施态样中,可将下式:[液相线温度]-[固相线温度]的值(固相液相温度差:PR)设为例如33℃以下或24℃以下。
[适宜的组成]
在适宜的实施态样中,焊料合金的组成例如可设为如下。
组成为Sn:Bi:Cu=2.1~4.2质量%:91.3~95.9质量%:2.0~4.5质量%,且满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.16
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.50,
组成为Sn:Bi:Cu=3.0~4.2质量%:91.3~94.0质量%:3.0~4.5质量%,且满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.50
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.50。
[接合强度]
焊料合金的接合强度可通过实施例中所记载的手段测定。在适宜的实施态样中,接合强度以1次或3次回焊处理后的剪切强度计,例如以1次回焊处理后的剪切强度计,例如可设为39MPa以上、43MPa以上或47MPa以上。所谓3次回焊处理后是指进行了实施3次回焊处理的处理。又,以3次回焊处理后的剪切强度计,例如可设为39MPa以上或47MPa以上,优选为54MPa以上。在适宜的实施态样中,接合强度以在空气环境下在250℃保持1000小时后所测得的剪切强度计,例如可设为40MPa以上或43MPa以上,优选为46MPa以上。
[焊料合金的形状]
本发明的焊料合金的形状可适当采用作为焊料使用所需要的形状。可如实施例所记载般制成片状的构件,进而可制成例如线、粉、球、板、棒等形状的构件。焊料合金的形状优选设为粉体形状、焊料球形状(球状)或片状。焊料球是指例如直径50μm~500μm的球。在适宜的实施态样中,有时包含粉体及焊料球而称为焊料粉。焊料粉可使用于焊料膏用,在此情形时,例如可使用粒径未达50μm的焊料粉。
[适宜的实施态样]
在适宜的实施态样中,本发明包含下述(1)及以下。
(1)
一种焊料合金,其含有Sn、Bi及Cu,
Sn含量为1.9~4.3质量%,Cu含量为1.9~4.5质量%,剩余部分为Bi及不可避免的杂质,Sn含量与Cu含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63。
(2)
如(1)所记载的焊料合金,其中,Bi含量为91.2~96.2质量%。
(3)
如(1)至(2)中任一项所记载的焊料合金,其中,固相线温度为235℃以上。
(4)
如(1)至(3)中任一项所记载的焊料合金,其中,液相线温度为272℃以下。
(5)
如(1)至(4)中任一项所记载的焊料合金,其中,
下式:[液相线温度]-[固相线温度]的值为33℃以下。
(6)
如(1)至(5)中任一项所记载的焊料合金,其中,1次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。
(7)
如(1)至(6)中任一项所记载的焊料合金,其中,3次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。
(8)
如(1)至(7)中任一项所记载的焊料合金,其中,在250℃高温保持1000小时后的接合强度为40MPa以上。
(9)
如(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金,其中,焊料合金的形状为粉状、球状或片状。
(10)
一种构件,其是以(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金作为材料的构件。
(11)
一种电子零件的内部接合焊料接头,其是由(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金焊接而成。
(12)
一种功率电晶体的焊料接头,其是由(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金焊接而成。
(13)
一种印刷电路板,其具有(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金。
(14)
一种电子零件,其具有(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金。
(15)
一种功率电晶体,其具有(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金。
(16)
一种电子机器,其具有(11)或(12)所记载的焊料接头或(13)所记载的印刷电路板或(14)所记载的电子零件或(15)所记载的功率电晶体。
(17)
一种功率装置,其具有(11)或(12)所记载的焊料接头。
在适宜的实施态样中,本发明包含以上述焊料合金作为材料的构件、由上述焊料合金焊接而成的电子零件的内部接合焊料接头、由上述焊料合金焊接而成的功率电晶体的焊料接头、具有上述焊料合金的印刷电路板、具有上述焊料合金的电子零件及具有上述焊料合金的功率电晶体。又,在适宜的实施态样中,本发明包含具有上述焊料接头、印刷电路板、电子零件、功率电晶体的电子机器,且包含具有上述焊料接头的功率装置。
[实施例]
以下,列举实施例对本发明详细地进行说明。本发明并不限定于以下所例示的实施例。
[实施例1]
向石墨坩埚中投入特定量的Bi、Cu、Sn的晶片原料,将石墨坩埚设置于雾化装置中,且设定为非活性气体环境,保持一定时间直至原料均匀地熔解为止,从而获得熔液。
然后,提拉设置于石墨坩埚的底部的塞子,使熔液流入下部。此时向熔液吹送非活性气体,制造焊料粉。
准确地称量0.5g焊料粉,使其溶解于酸后,利用ICP发射光谱分析器测定浓度,将其结果记载于表1。
[固相线温度、液相线温度、熔点的测定]
焊料合金的固相线温度(SPT)、液相线温度(LPT)及熔点(MP)的测定依据JISZ3198-1:2014,通过利用示差扫描热测定(DSC:Differential Scanning Calorimetry)的方法而实施。将这些结果汇总示于表1。
[剪切强度的测定(1次或3次回焊处理后)]
在Si晶圆的单面,通过溅镀制作Al面(厚度3μm),进而通过涂布形成聚酰亚胺膜,然后通过曝光显影于聚酰亚胺膜形成直径300μm的开口部的焊垫。
进而通过无电电镀,在焊垫部上依次形成Ni层(厚度2.5μm)、Pd层(厚度0.05μm)、Au层(厚度0.02μm)而设置UBM。
在UBM上涂布助焊剂,进而在其上搭载直径300μm的焊料粉,进行回焊处理,使其加热接合。回焊处理的条件是在回焊温度290℃×1分钟下进行,仅进行1次或重复3次。
然后利用以下条件测定接合强度(剪切强度)。
接合强度依据MIL STD-883G测定。安装于负载感测器的工具下降至基板面,装置检测出基板面而停止下降,工具自所检测出的基板面上升至设定的高度,利用工具按压接合部,计测破坏时的负载。将这些结果汇总示于表1。
<测定条件>
装置:dage公司制造,dage series 4000
方法:晶粒剪切测试
测试速度:100μm/s
测试高度:20.0μm
工具移动量:0.9mm
[剪切强度的测定(高温试验后)]
在回焊处理后(1次回焊处理),作为高温试验,在空气环境下在250℃保持1000小时后,与上述同样地测定剪切强度。将这些结果汇总示于表1。
[实施例2~6]
以与实施例1相同的程序制作焊料粉,利用ICP发射光谱分析器测定浓度,通过示差扫描热测定而测定固相线温度、液相线温度及熔点,进而测定1次回焊处理后、3次回焊处理后及高温试验后的剪切强度。将这些结果汇总示于表1。
[比较例1~12]
以与实施例1相同的程序制作焊料粉,利用ICP发射光谱分析器测定浓度,通过示差扫描热测定而测定固相线温度、液相线温度及熔点,进而测定1次或3次回焊处理后及高温试验后的剪切强度。将这些结果汇总示于表1。
[表1]
[结果]
如表1所示,实施例1~6的焊料合金即便在高温试验后(于250℃经过1000小时后)亦维持充分的剪切强度。
在表1中,比较例3、6、9、12的已进行3次回焊处理后的剪切强度过低。
比较例1、2、5、8、11的固相线温度过低。因此,考虑到不足以作为焊料合金,而不进行剪切强度测定。
实施例1若与比较例4相比,则Cu含量为大致同等程度,但Sn含量不同,使得高温试验后的剪切强度大幅度提高。若实施例3与比较例7相比,则Cu含量为大致同等程度,但Sn含量不同,使得高温试验后的剪切强度大幅度提高。若实施例5与比较例10相比,则Cu含量为大致同等程度,但Sn含量不同,使得高温试验后的剪切强度大幅度提高。
如表1所示,实施例1~6的焊料合金其组成满足有一定规则性的范围。将表示该范围的式示于以下。将由下式所表示的范围示于图1。
如图1所示,实施例1~6的焊料合金的组成满足以下范围:
1.9≤Sn含量(质量%)≤4.3
1.9≤Cu含量(质量%)≤4.5
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63。
[产业上的可利用性]
本发明提供一种在高温区具有优异特性的焊料合金。本发明为产业上有用的发明。
Claims (12)
1.一种焊料合金,其含有Sn、Bi及Cu,
Sn含量为1.9~4.3质量%,Cu含量为1.9~4.5质量%,剩余部分为Bi及不可避免的杂质,Sn含量与Cu含量满足下式:
Cu含量(质量%)≤1.50×Sn含量(质量%)-1.00;
Cu含量(质量%)≥1.45×Sn含量(质量%)-1.63。
2.如权利要求1所述的焊料合金,其中,Bi含量为91.2~96.2质量%。
3.如权利要求1所述的焊料合金,其中,固相线温度为235℃以上。
4.如权利要求1所述的焊料合金,其中,液相线温度为272℃以下。
5.如权利要求1所述的焊料合金,其中,下式:[液相线温度]-[固相线温度]的值为33℃以下。
6.如权利要求1所述的焊料合金,其中,1次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。
7.如权利要求1所述的焊料合金,其中,3次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。
8.如权利要求1所述的焊料合金,其中,在250℃高温保持1000小时后的接合强度为40MPa以上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的焊料合金,其中,焊料合金的形状为粉状、球状或片状。
10.一种电子零件的内部接合焊料接头,其由权利要求1所述的焊料合金焊接而成。
11.一种功率电晶体的焊料接头,其由权利要求1所述的焊料合金焊接而成。
12.一种功率装置,其具有权利要求10或11所述的焊料接头。
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