ES2887831T3

ES2887831T3 - Aleación para soldadura, bola de soldadura, preforma de soldadura, pasta de soldadura y junta de soldadura

Info

Publication number: ES2887831T3
Application number: ES20166279T
Authority: ES
Inventors: Yuki Iijima; Hikaru NOMURA; Takashi Saito; Naoko Izumita; Shunsaku Yoshikawa
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JP6624322B1; EP3715039B1; BR102020006258A2; PH12020050051A1; US11167379B2; TW202035726A; TWI706043B; EP3715039A1; PT3715039T; CN111745321B; CN111745321A; US20200306895A1; KR102133347B1; MY188098A; JP2020157349A; MX2020003650A; KR102133347B9

Abstract

Aleación para soldadura que tiene una composición de aleación que consiste, en % en masa, en Ag: desde el 3,2 hasta el 3,8%, Cu: desde el 0,6 hasta el 0,8%, Ni: desde el 0,01 hasta el 0,2%, Sb: desde el 2 hasta el 5,5%, Bi: desde el 1,5 hasta el 5,5%, Co: desde el 0,001 hasta el 0,1%, Ge: desde el 0,001 hasta el 0,1% y opcionalmente al menos uno de Mg, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, Zr, Nb, Pd, Pt, Au, La y Ce: el 0,1% o menos en total, siendo el resto Sn e impurezas inevitables, en la que la composición de aleación satisface la siguiente relación (1): 2,93 <= {(Ge/Sn)+(Bi/Ge)}x(Bi/Sn) (1) en la que en la relación (1), cada uno de Sn, Ge y Bi representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación.

Description

DESCRIPCIÓN

Aleación para soldadura, bola de soldadura, preforma de soldadura, pasta de soldadura y junta de soldadura Antecedentes de la invención

Campo técnico

La presente invención se refiere a una aleación para soldadura, a una bola de soldadura, a una preforma de soldadura, a una pasta de soldadura y a una junta de soldadura, cada una de las cuales garantiza que no se produzcan faltas, se presente una excelente extensión en húmedo, se inhiba el crecimiento de un compuesto intermetálico después de la soldadura, y el modo de fractura después de un ensayo de resistencia al cizallamiento sea apropiado.

Antecedentes de la técnica

Con los avances recientes en la electrónica de automóviles, los automóviles están pasando de vehículos de gasolina a vehículos híbridos o vehículos eléctricos. En los vehículos híbridos o vehículos eléctricos, se monta un circuito electrónico en el vehículo en el que los componentes electrónicos se sueldan a una placa de circuito impreso. El circuito electrónico del vehículo se ha dispuesto en la cabina de un vehículo que está sometida a un entorno de vibración relativamente moderada. Sin embargo, junto con la expansión de su aplicación, ha llegado a montarse en una cámara de máquinas o en una cámara de aceite de una transmisión o incluso directamente en un dispositivo mecánico.

Tal como se describió anteriormente, el circuito electrónico del vehículo se monta en una ubicación sujeta a diversas cargas externas, tales como diferencia de temperatura, impacto y vibración, debido a la ampliación del área de montaje. Por ejemplo, un circuito electrónico de un vehículo montado en una cámara de máquinas puede estar expuesto a una alta temperatura de 125°C o más durante el funcionamiento del motor. Por otro lado, cuando el motor está parado, está expuesto a una baja temperatura de -40°C o menos en un distrito frío.

De manera convencional, se ha usado ampliamente una aleación para soldadura de Sn-Ag-Cu como aleación para conectar un sustrato y un componente electrónico. La aleación para soldadura está expandiendo cada vez más su intervalo de aplicación y, por tanto, se han deseado usos en un entorno hostil tipificado por aplicaciones automotrices. Al mismo tiempo, la aleación para soldadura es necesaria para garantizar una alta fiabilidad de la conexión, de tal manera que no se produzca ninguna rotura o degradación en la junta de soldadura incluso cuando la junta de soldadura se usa durante mucho tiempo en tal entorno.

Sin embargo, cuando un circuito electrónico se expone a la diferencia de temperatura descrita anteriormente, se concentra una tensión en la parte de junta debido a una diferencia en el coeficiente de dilatación térmica entre un componente electrónico y una placa de circuito impreso. Por tanto, el uso de una aleación para soldadura de Sn-3 Ag-0,5 Cu convencional puede provocar la rotura de una parte de junta, y se desea una aleación para soldadura que impida la rotura de una parte de junta incluso en un entorno sujeto a una gran diferencia de temperatura.

Por ejemplo, el documento de patentes 1 da a conocer una composición de aleación en la que puede estar contenido Ge como elemento opcional en una aleación para soldadura basada en Sn-Ag-Cu-Ni-Sb-Co. Este documento también establece que en un caso en el que el contenido de Cu es del 0,5% en masa, se ejerce un efecto de impedir la lixiviación de Cu con respecto a la tierra de Cu, la viscosidad de la aleación para soldadura en estado fundido se mantiene en buen estado, se reduce la generación de huecos durante el reflujo y se mejora la resistencia al choque térmico de la parte de junta de soldadura formada.

El documento de patentes 2 da a conocer una composición de aleación en la que está contenido Co o Ge como elemento opcional en una aleación para soldadura basada en Sn-Ag-Cu-Ni-Sb-Bi. Este documento también establece que en un caso en el que el contenido de Ag se establece dentro de un intervalo del 1 al 3,1% en masa, además de impedir el desarrollo de agrietamiento de la parte de junta de soldadura en un entorno hostil que tiene una gran diferencia de temperatura, se deposita un compuesto de Ag3Sn en el límite del grano de Sn de la aleación para soldadura para conferir resistencia mecánica.

El documento de patentes 3 da a conocer una composición de aleación en la que puede estar contenido al menos uno de Ni, In, Ga, Ge y P como elemento opcional en una aleación para soldadura basada en Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-Co que es una aleación para soldadura que tiene excelentes características de ciclo de calor. En el ejemplo 24 de este documento, se analiza Sn-3,5 Ag-0,7 Cu-5,0 Bi-5,0 Sb-0,005 Co-0,1 Ni-0,1 In-0,1 Ga-0,1 Ge-0,1 P como composición de aleación específica.

El documento de patentes 4 da a conocer una aleación para soldadura sin plomo, que se caracteriza por contener el 1% en masa o más y el 4% en masa o menos de Ag, el 1% en masa o más y el 5% en masa o menos de Sb, el 0,01% en masa o más y el 0,15% en masa o menos de Ni y Sn como el resto.

El documento de patentes 5 da a conocer una aleación para soldadura que comprende el 0,005% en masa o más y el 0,1% en masa o menos de Mn, el 0,001% en masa o más y el 0,1% en masa o menos de Ge y Sn como el resto. En una aleación para soldadura que tiene un componente principal de Sn, un óxido de Ge está mucho más distribuido en el lado de la superficie más exterior de una película de óxido que contiene un óxido de Sn, un óxido de Mn y el óxido de Ge al añadir el 0,005% en masa o más y el 0,1% en masa o menos de Mn y el 0,001% en masa o más y el 0,1% en masa o menos de Ge y se obtiene un efecto de impedir la alteración del color incluso en un entorno de alta humedad; y se suprime la reacción de Sn y O mediante la reacción de Mn y O, se suprime la formación del óxido de Sn, se suprime el aumento del grosor de la película de óxido y entonces se mejora la propiedad de fusión.

[Documento de patentes 1] Patente japonesa n.° 6200534

[Documento de patentes 2] Documento JP-A-2017-170464

[Documento de patentes 3] Patente japonesa n.° 5723056

[Documento de patentes 4] Solicitud de patente japonesa JP 2018001179 A

[Documento de patentes 5] Solicitud de patente japonesa JP 2018167310 A

Breve sumario de la invención

Se supone que la aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 1 es capaz de ejercer el efecto de impedir la lixiviación de Cu, reducir la generación de huecos y mejorar la resistencia al choque térmico, tal como se describió anteriormente. Sin embargo, estos efectos se ejercen sólo en un caso en el que el contenido de Cu es del 0,5% en masa, y si el contenido de Cu se desvía incluso ligeramente del 0,5% en masa, no pueden ejercerse los efectos. Por consiguiente, es obvio que la versatilidad es extremadamente baja y son necesarios estudios adicionales.

Además, el Bi forma normalmente una disolución sólida con Sn hasta cierto punto y, por tanto, en un caso en el que la aleación para soldadura contiene Bi, se impide la difusión de Cu en Sn. Dado que la aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 1 no contiene Bi, se considera que el Cu del electrodo difunde en Sn y se forma fácilmente una capa de compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión.

En la aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 2, se dice que, tal como se describió anteriormente, el contenido de Ag está dentro de un intervalo predeterminado y se confiere de ese modo la resistencia mecánica de la aleación para soldadura. Sin embargo, en un caso en el que se mejora la resistencia mecánica de la aleación para soldadura, la tensión aplicada a la junta de soldadura se concentra en la superficie de contacto de unión y es probable que se produzca una rotura en la superficie de contacto de unión de la junta de soldadura. Como resultado, la junta de soldadura puede presentar un modo de fractura que debe evitarse en su mayoría. Además, la Ag puede mejorar la humectabilidad de la aleación para soldadura y, por tanto, se considera que la Ag debe estar contenida en una determinada cantidad.

La aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 3 contiene In y, por consiguiente, se reduce la humectabilidad, dejando el temor de que la junta de soldadura pueda romperse en las proximidades de la superficie de contacto de unión cuando se aplica una tensión a la junta de soldadura.

Además, en las publicaciones de patentes 1 a 3, tal como se describió anteriormente, las características del ciclo de calor se centran principalmente en el diseño de aleaciones. Sin embargo, en los últimos años se requiere la miniaturización de componentes electrónicos tales como la CPU (unidad central de procesamiento) y a su vez, el electrodo debe reducirse de tamaño. Un electrodo en microminiatura se enfrenta al denominado problema de aparición de falta, que es un fenómeno de que no se logra la soldadura después del reflujo, dependiendo de la forma y propiedades de la aleación para soldadura, independientemente de si la forma es una bola de soldadura, una preforma de soldadura o una pasta de soldadura.

De esta manera, mientras que se ha realizado de manera convencional un diseño de aleación realizado centrándose en las características del ciclo de calor, se exige una aleación para soldadura capaz de resolver simultáneamente los problemas descritos anteriormente, incluidos los de la falta, para hacer frente a la reciente tendencia a la miniaturización de los componentes electrónicos.

Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar una aleación para soldadura, una bola de soldadura, una preforma de soldadura, una pasta de soldadura y una junta de soldadura, cada una de las cuales garantiza que no se produzcan faltas, se presente una excelente extensión en húmedo, se inhiba el crecimiento de un compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión después de la soldadura, y sea apropiado el modo de fractura después de un ensayo de resistencia al cizallamiento.

Los presentes inventores se centraron, en la aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 1, en una composición de aleación que contiene Bi para inhibir el crecimiento de un compuesto intermetálico mientras el contenido de Cu está dentro de un intervalo predeterminado. Además, los presentes inventores se centraron, en la aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 2, en una composición de aleación en la que el contenido de Ag se ajusta en un intervalo apropiado para impedir que se concentre una tensión en la superficie de contacto de unión y al mismo tiempo, mejorar la humectabilidad. Además, los presentes inventores se centraron, en la aleación para soldadura descrita en el documento de patentes 3, en una composición de aleación que no contiene In para mejorar la humectabilidad/capacidad de extensión y desplazar la parte de fractura después de un ensayo de resistencia al cizallamiento desde la superficie de contacto de unión hacia el lado de la aleación para soldadura. Aunque los problemas con las composiciones de aleación convencionales se han resuelto hasta cierto punto, se ha descubierto que se produce la falta en una o más muestras de 5 muestras. Luego, los presentes inventores han realizado estudios detallados para impedir la falta mientras se mantienen una excelente humectabilidad, inhibición del crecimiento de un compuesto intermetálico y optimización del modo de fractura.

Los presentes inventores han pensado que en un caso en el que la superficie de una aleación para soldadura se modifica para dar una estructura densa, puede impedirse la falta y han realizado investigaciones en detalle con respecto a los elementos constituyentes para obtener una estructura densa. Como resultado, se ha descubierto accidentalmente que en un caso en el que los pares de Bi y Ge, Sn y Ge, y Sn y Bi satisfacen una relación predeterminada, puede impedirse la falta. También se ha descubierto que en un caso en el que todos los elementos constituyentes se encuentran dentro de los intervalos predeterminados respectivos y satisfacen la relación descrita anteriormente, puede lograrse impedir la falta, excelente humectabilidad/capacidad de extensión, inhibición del crecimiento de un compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión, y al mismo tiempo puede lograrse la optimización del modo de fractura después de un ensayo de resistencia al cizallamiento. Por tanto, se ha obtenido la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

La presente invención obtenida basándose en estos hallazgos es de la siguiente manera.

(1) Una aleación para soldadura que tiene una composición de aleación que consiste, en % en masa, en Ag: desde el 3,2 hasta el 3,8%, Cu: desde el 0,6 hasta el 0,8%, Ni: desde el 0,01 hasta el 0,2%, Sb: desde el 2 hasta el 5,5%, Bi: desde el 1,5 hasta el 5,5%, Co: desde el 0,001 hasta el 0,1%, Ge: desde el 0,001 hasta el 0,1% y opcionalmente al menos uno de Mg, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, Zr, Nb, Pd, Pt, Au, La y Ce: el 0,1% o menos en total, siendo el resto Sn, en la que la composición de aleación satisface la siguiente relación (1):

2,93 < {(Ge/Sn)+(Bi/Ge)}x(Bi/Sn) (1)

En la relación (1), cada uno de Sn, Ge y Bi representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación. (2) La aleación para soldadura según el punto (1), en la que la composición de aleación consiste, en % en masa, en Ag: desde el 3,2 hasta el 3,8%, Cu: desde el 0,6 hasta el 0,8%, Ni: desde el 0,01 hasta el 0,2%, Sb: desde el 2 hasta el 5,5%, Bi: desde el 1,5 hasta el 5,5%, Co: desde el 0,001 hasta el 0,1%, Ge: desde el 0,001 hasta el 0,1% y al menos uno de Mg, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, Zr, Nb, Pd, Pt, Au, La y Ce: el 0,1% o menos en total. (3) La aleación para soldadura según el punto (1) o (2), en la que la composición de aleación satisface además la siguiente relación (2):

0,001<(Ni/Co)x(1/Ag)xGe<0,15 (2)

En la relación (2), cada uno de Ni, Co, Ag y Ge representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación.

(4) Una bola de soldadura que incluye la aleación para soldadura según uno cualquiera de los puntos (1) a (3). (5) Una preforma de soldadura que incluye la aleación para soldadura según uno cualquiera de los puntos (1) a (3).

(6) Una pasta de soldadura que incluye la aleación para soldadura según uno cualquiera de los puntos (1) a (3). (7) Una junta de soldadura que incluye la aleación para soldadura según uno cualquiera de los puntos (1) a (3). Breve descripción de los dibujos

[FIGURA 1] La figura 1 es un diagrama que ilustra la relación entre la relación (1) en la aleación para soldadura en la presente invención y los ejemplos.

[FIGURA 2] La figura 2 es un diagrama ampliado de la figura 1 que indica el intervalo desde 40 hasta 70 en las abscisas de la figura 1.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se describe con más detalle a continuación. En la presente descripción, a menos que se especifique de otro modo, “%” con respecto a la composición de aleación para soldadura es “% en masa”.

1. Aleación para soldadura

(1) Ag: desde el 3,2 hasta el 3,8%

La Ag es un elemento que mejora la humectabilidad de la aleación para soldadura. Si el contenido de Ag es menor del 3,2%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Ag es del 3,2% o más, preferiblemente del 3,3% o más. Por otro lado, si el contenido de Ag supera el 3,8%, se eleva la temperatura de líquido de la aleación para soldadura y la humectabilidad más bien disminuye. En términos del límite superior, el contenido de Ag es del 3,8% o menos, preferiblemente el 3,7% o menos, más preferiblemente el 3,6% o menos, todavía más preferiblemente el 3,5% o menos.

(2) Cu: desde el 0,6 hasta el 0,8%

El Cu es un elemento que mejora el modo de fractura al aumentar la fuerza de unión de la junta de soldadura y mejora la humectabilidad. Si el contenido de Cu es menor del 0,6%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Cu es del 0,6% o más, preferiblemente el 0,65% o más. Por otro lado, si el contenido de Cu supera el 0,8%, aparece un modo de fractura en la superficie de contacto de unión debido a una disminución de la humectabilidad. Además, disminuye la humectabilidad debido a una elevación de la temperatura del líquido. En términos del límite superior, el contenido de Cu es del 0,8% o menos, preferiblemente el 0,75% o menos.

(3) Ni: desde el 0,01 hasta el 0,2%

El Ni es un elemento que inhibe la difusión de Cu en Sn después de la soldadura para impedir el crecimiento de un compuesto intermetálico y mejora el modo de fractura en un ensayo de resistencia al cizallamiento porque un compuesto intermetálico producido en la superficie de contacto de unión se vuelve fino. Si el contenido de Ni es menor del 0,01%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Ni es del 0,01% o más, preferiblemente el 0,02% o más, más preferiblemente el 0,03% o más. Por otro lado, si el contenido de Ni supera el 0,2%, disminuye la humectabilidad debido a un aumento de la temperatura del líquido. En términos del límite superior, el contenido de Ni es del 0,2% o menos, preferiblemente del 0,1% o menos, más preferiblemente del 0,07% o menos, todavía más preferiblemente del 0,05% o menos.

(4) Sb: desde el 2 hasta el 5,5%

El Sb es un elemento que forma una disolución sólida con la fase de Sn e inhibe el crecimiento de un compuesto intermetálico al impedir la difusión de Cu desde el electrodo. Si el contenido de Sb es menor del 2%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Sb es del 2% o más, preferiblemente el 2,5% o más, más preferiblemente el 3,0% o más. Por otro lado, si el contenido de Sb supera el 5,5%, el modo de fractura se desplaza a la superficie de contacto de unión y disminuye la humectabilidad debido a una elevación de la temperatura del liquidus. En términos del límite superior, el contenido de Sb es del 5,5% o menos, preferiblemente el 5,0% o menos.

(5) Bi: desde el 1,5 hasta el 5,5%

El Bi es un elemento que forma una disolución sólida en la fase de Sn e inhibe el crecimiento de un compuesto intermetálico al impedir la difusión de Cu desde el electrodo. Si el contenido de Bi es menor del 1,5%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Bi es del 1,5% o más, preferiblemente el 2,5% o más, más preferiblemente el 3,2% o más. Por otro lado, si el contenido de Bi supera el 5,5%, el modo de fractura se desplaza a la superficie de contacto de unión. En términos del límite superior, el contenido de Bi es del 5,5% o menos, preferiblemente el 5,0% o menos.

(6) Co: desde el 0,001 hasta el 0,1%

El Co es un elemento que inhibe la difusión de Cu en Sn después de la soldadura, impide el crecimiento de un compuesto intermetálico y mejora el modo de fractura en un ensayo de resistencia al cizallamiento porque un compuesto intermetálico producido en la superficie de contacto de unión se vuelve fino. Si el contenido de Co es menor del 0,001%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Co es del 0,001% o más, preferiblemente el 0,005% o más, más preferiblemente el 0,008% o más. Por otro lado, si el contenido de Co supera el 0,1%, la capa de compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión se vuelve gruesa y, por tanto, el modo de fractura se desplaza a la superficie de contacto de unión. Además, dado que se eleva la temperatura del líquido, disminuye la humectabilidad. En términos del límite superior, el contenido de Co es del 0,1% o menos, preferiblemente el 0,05% o menos, más preferiblemente el 0,01% o menos.

(7) Ge: desde el 0,001 hasta el 0,1%

El Ge es un elemento que impide la falta en la soldadura. Si el contenido de Ge es menor del 0,001%, no pueden ejercerse los efectos anteriores. En términos del límite inferior, el contenido de Ge es del 0,001% o más, preferiblemente el 0,005% o más, más preferiblemente el 0,007% o más. Por otro lado, si el contenido de Ge supera el 0,1%, el modo de fractura se desplaza a la superficie de contacto de unión y disminuye la humectabilidad. En términos del límite superior, el contenido de Ge es del 0,1% o menos, preferiblemente el 0,05% o menos, más preferiblemente el 0,010% o menos.

(8) Relación (1)

2,93 < {(Ge/Sn)+(Bi/Ge)}x(Bi/Sn) (1)

En la relación (1), cada uno de Sn, Ge y Bi representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación. Además, el lado derecho de la relación (1), es decir, {(Ge/Sn)+(Bi/Ge)}x(Bi/Sn), puede denominarse a continuación en el presente documento “la expresión (1)”.

La aleación para soldadura en la presente invención debe satisfacer la relación (1). Aunque los contenidos de los elementos constituyentes descritos anteriormente estén dentro de los intervalos respectivos, a menos que se satisfaga la relación (1), se produce una falta.

La falta se impide modificando la superficie más exterior de la aleación para soldadura para dar una estructura densa. Aunque cada uno de Sn, Bi y Ge se engrose en la superficie más exterior de la aleación para soldadura, un mero engrosamiento de tal elemento en la superficie más exterior de la aleación para soldadura no conduce a la modificación de la superficie más exterior, y no puede impedirse la falta. El motivo por el cual en un caso en el que se satisface la relación (1), puede modificarse la superficie más exterior de la aleación para soldadura y puede impedirse la falta no está claro, pero se supone lo siguiente.

Cada uno del par de Bi y Ge y el par de Sn y Ge deposita un peritéctico, y el par de Sn y Bi deposita un cristal gemelo. En este caso, el Ge está presente con un gradiente de concentración que disminuye desde la superficie más exterior de Sn formando una disolución sólida con Bi hacia el interior. Aunque debe depositarse un peritéctico a partir del par de Ge y Sn y del par de Bi y Ge, en un caso en el que está presente Ge con un gradiente de concentración tal como se describió anteriormente en Sn formando una disolución sólida con Bi, se deposita un cristal gemelo sobre la superficie más exterior de Sn, y se forman una gran cantidad de límites de grano cristalinos. Como resultado, se supone que se modifica la superficie más exterior de la aleación para soldadura para dar una estructura densa de tal manera que se impide la falta. Más específicamente, en la relación (1), siempre que el equilibrio entre la combinación de elementos capaces de depositar un peritéctico y la combinación de elementos que depositan un cristal gemelo esté dentro de un intervalo predeterminado, la superficie más exterior de la aleación para soldadura se modifica para dar una estructura densa.

En términos del límite inferior, es necesario que la expresión (1) sea de 2,93 o más desde el punto de vista de modificar la superficie más exterior de la aleación para soldadura para dar una estructura densa para impedir la falta. En términos del límite inferior, la expresión (1) es preferiblemente de 2,968 o más, más preferiblemente de 3,037 o más, todavía más preferiblemente de 3,079 o más, aún todavía más preferiblemente de 3,148 o más, incluso aún todavía más preferiblemente de 1,412x10 o más, y lo más preferiblemente de 1,427x10 o más. El límite superior de la expresión (1) no está particularmente limitado, y siempre que cada elemento constituyente esté dentro del intervalo descrito anteriormente, pueden ejercerse los efectos de la presente invención sin ningún problema. En términos del límite superior, la expresión (1) es preferiblemente de 3,597x102 o menos, más preferiblemente de 2,912x102 o menos, todavía más preferiblemente de 1,142x102 o menos, aún todavía más preferiblemente de 4,431x10 o menos, incluso aún todavía más preferiblemente de 4,329x10 o menos, lo más preferiblemente de 3,662x10 o menos.

En la presente invención, cada elemento constituyente se encuentra dentro del intervalo anterior y satisface la relación (1), de tal manera que no sólo puede impedirse la falta, sino que también pueden lograrse una excelente humectabilidad/capacidad de extensión, inhibición del crecimiento de un compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión y optimización del modo de fractura después de un ensayo de resistencia al cizallamiento.

(9) Resto: Sn

El resto de la aleación para soldadura en la presente invención es Sn. Además de los elementos descritos anteriormente, pueden estar contenidas impurezas inevitables. Incluso en el caso de contener una impureza inevitable, no se ven afectados los efectos anteriores. Además, tal como se describe más adelante, incluso en un caso en el que un elemento que preferiblemente no está contenido en la presente invención esté contenido como impureza inevitable, no se ve afectado el efecto descrito anteriormente.

(10) Elemento opcional

La aleación para soldadura en la presente invención puede contener, además de los descritos anteriormente, el 0,1% o menos de al menos uno de Mg, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, Zr, Nb, Pd, Pt, Au, La y Ce en total. Incluso en un caso en el que estos elementos están contenidos en una cantidad del 0,1% o menos en total, la aleación para soldadura en la presente invención puede ejercer los efectos de la presente invención descritos anteriormente.

El contenido total de estos elementos es preferiblemente del 0,1% o menos, más preferiblemente el 0,09% o menos, todavía más preferiblemente el 0,05% o menos, aún todavía más preferiblemente el 0,03% o menos, y lo más preferiblemente el 0,02% o menos. El contenido de cada elemento no está particularmente limitado, pero para producir suficientemente los efectos descritos anteriormente, el contenido de Mg es preferiblemente de desde el 0,0003 hasta el 0,02%.

El contenido de Ti es preferiblemente de desde el 0,005 hasta el 0,03%. El contenido de Cr es preferiblemente de desde el 0,002 hasta el 0,03%. El contenido de Mn es preferiblemente de desde el 0,001 hasta el 0,02%. El contenido de Fe es preferiblemente de desde el 0,005 hasta el 0,02%. El contenido de Ga es preferiblemente de desde el 0,005 hasta el 0,09%. El contenido de Zr es preferiblemente de desde el 0,001 hasta el 0,01%.

El contenido de Nb es preferiblemente de desde el 0,003 hasta el 0,006%. El contenido de Pd es preferiblemente de desde el 0,002 hasta el 0,05%. El contenido de Pt es preferiblemente de desde el 0,002 hasta el 0,05%. El contenido de Au es preferiblemente de desde el 0,006 hasta el 0,09% y el contenido de La es preferiblemente de desde el 0,001 hasta el 0,02%. El contenido de Ce es preferiblemente de desde el 0,004 hasta el 0,006%.

(11) Relación (2)

0,001<(Ni/Co)x(1/Ag)xGe<0,15 (2)

En la relación (2), cada uno de Ni, Co, Ag y Ge representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación. Además, el centro de la relación (2), es decir (Ni/Co)x(1/Ag)xGe, puede denominarse a continuación en el presente documento “la expresión (2)”.

La aleación para soldadura en la presente invención satisface preferiblemente la relación (2). En un caso en el que se satisface la relación (2), el resto de los contenidos de Ni, Co, Ag y Ge se optimiza de tal manera que pueden preverse la mejora de la humectabilidad, la inhibición del crecimiento de una capa de compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión y la optimización del modo de fractura.

Al soldar al electrodo de Cu, se forma Cu6Sn5 en la superficie de contacto de unión. En un caso en el que la soldadura contiene Ni, el Ni forma una disolución sólida con el Cu6Sn5 formado en la superficie de contacto de unión para formar (Cu,Ni)6Sn5. Debido a este fenómeno, se distorsiona la estructura cristalina y se impide que el Cu difunda desde la capa de Cu a la aleación para soldadura.

Además, el Ge y el Co forman una disolución sólida con Ni del (Cu,Ni)6Sn5 formado en la superficie de contacto de unión para distorsionar adicionalmente la estructura cristalina, impidiendo de ese modo el movimiento de Cu en el compuesto. Por tanto, se impide que el Cu difunda desde la capa de Cu a la aleación para soldadura, y se impide más el crecimiento de una capa de compuesto intermetálico que en las aleaciones para soldadura convencionales. Además de esto, en un caso en el que los contenidos de Ag y Co son apropiados, se mejora la humectabilidad y se ajusta la resistencia mecánica de la aleación para soldadura para impedir la fractura en la superficie de contacto de unión, optimizando de ese modo el modo de fractura. Mientras que la resistencia mecánica de la aleación para soldadura se mejora mediante la formación de Ag3Sn debido a Ag y el afino de la estructura de la aleación debido al Co, en un caso en el que están contenidos Ag, Co y similares en buen equilibrio, la resistencia mecánica de la aleación para soldadura se ajusta de tal manera que el modo de fractura no se desplaza a la superficie de contacto de unión. Debido a la naturaleza de las aleaciones, la cantidad depositada de Ag3Sn de la aleación para soldadura en la presente invención puede depender directa o indirectamente del equilibrio de estos elementos además del contenido de Ag dentro del intervalo descrito anteriormente.

Tal como se describió anteriormente, en un caso en el que la aleación para soldadura en la presente invención tiene el contenido de cada elemento constituyente dentro del intervalo descrito anteriormente y satisface no sólo la relación (1) sino también la relación (2), puede preverse la mejora de la humectabilidad, inhibición del crecimiento de una capa de compuesto intermetálico en la superficie de contacto de unión, y la optimización del modo de fractura. En particular, puede impedirse suficientemente el crecimiento de un compuesto intermetálico.

En términos del límite inferior, la expresión (2) es preferiblemente de más de 0,001, más preferiblemente 0,00118 o más, 0,00147 o más, 0,00235 o más, 0,00294 o más, 0,00500 o más, 0,00700 o más, 0,00941 o más.

En términos del límite superior, la expresión (2) es preferiblemente menor de 0,15, más preferiblemente 0,14706 o menos, 0,11765 o menos, 0,09412 o menos, 0,05822 o menos, 0,04706 o menos, 0,0176 o menos.

(12) In

La aleación para soldadura en la presente invención preferiblemente no contiene In. Si está contenido In, existe el temor de que se reduzca la humectabilidad y se produzca una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después de un ensayo de resistencia al cizallamiento.

2. Bola de soldadura

La aleación para soldadura de la presente invención puede usarse como bola de soldadura. La bola de soldadura en la presente invención puede usarse para la formación de protuberancias de un electrodo o sustrato de un encapsulado de semiconductores tal como una BGA (matriz de rejilla de bolas, por sus siglas en inglés). El diámetro de la bola de soldadura en la presente invención es preferiblemente de desde 1 |im hasta 1.000 |im. La bola de soldadura puede fabricarse mediante un método típico para fabricar una bola de soldadura.

3. Preforma de soldadura

La preforma de soldadura en la presente invención puede usarse en una forma tal como una placa, una forma de anillo, una forma cilíndrica o una línea de soldadura enrollada una o más vueltas.

4. Pasta de soldadura

La aleación para soldadura de la presente invención puede usarse como pasta de soldadura. La pasta de soldadura se obtiene mezclando un polvo de aleación para soldadura con una pequeña cantidad de fundente para formar una pasta. La aleación para soldadura de la presente invención puede utilizarse como pasta de soldadura para montar un componente electrónico en una placa de circuito impreso mediante un método de soldadura por reflujo. El fundente usado para la pasta de soldadura puede ser un fundente soluble en agua o un fundente insoluble en agua. Normalmente se usa un fundente de colofonia que es un fundente insoluble en agua a base de colofonia.

5. Junta de soldadura

La junta de soldadura en la presente invención establece una conexión entre un chip de CI y un sustrato (intermediador) de un encapsulado de semiconductores o establece una conexión uniendo un encapsulado de semiconductores a una placa de circuito impreso. Más específicamente, la junta de soldadura en la presente invención se refiere a una parte de conexión de un electrodo y puede formarse usando condiciones de soldadura típicas.

Ejemplos

Se prepararon aleaciones para soldadura que tenían las composiciones de aleación mostradas en la tabla 1 y la tabla 2 y se evaluaron para determinar la falta, extensión en húmedo, el crecimiento de un compuesto intermetálico después de la soldadura y un modo de fractura después de un ensayo de resistencia al cizallamiento.

Falta

En primer lugar, se fabricó una bola de soldadura con un diámetro de 0,6 mm a partir de cada una de las aleaciones para soldadura anteriores. Se dejó la bola de soldadura fabricada en un baño de temperatura constante (fabricado por ESPEC CORP.: PHH-101M) mantenido a 150°C durante 168 horas. Se soldó la bola de soldadura, después de dejarla, a un sustrato que tenía un grosor de 1,2 mm y un tamaño de electrodo de 0,5 mm de diámetro (Cu-OSP). El número de bolas de soldadura soldadas fue de 5.

En cuanto a las condiciones de soldadura, se aplicó un fundente (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: WF-6400) sobre un electrodo, y se realizó la soldadura usando un aparato de reflujo (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: SNR-615) bajo un perfil de reflujo con una temperatura máxima de 245°C y una velocidad de enfriamiento de 2°C/s. Después del reflujo, se confirmó visualmente el número de faltas que no se soldaron.

La calificación fue “A” en un caso en el que el número de faltas es de 0 y, si no, la calificación fue “C”.

Capacidad de extensión en húmedo

Se fabricó una muestra perforada de cada una de las aleaciones para soldadura anteriores hasta unas dimensiones de 2 mmx2 mm x*0,15 mm. Se aplicó un fundente (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: WF-6400) a un material de placa de Cu tratado con OSP, y se montó la muestra perforada sobre el mismo y se soldó.

En cuanto a las condiciones de soldadura, se realizó la soldadura usando un aparato de reflujo (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: SNR-615) bajo un perfil de reflujo con una temperatura máxima de 245°C y una velocidad de enfriamiento de 2°C/s. Después del reflujo, se midió el área húmeda/de extensión usando un microscopio digital (fabricado por Keyence Corporation: VHX-6000).

La calificación fue “A” en un caso en el que el área húmeda/de extensión es de 6 mm2 o más, y era “C” en un caso en el que es menor de 6 mm2.

Crecimiento de compuestos intermetálicos después de la soldadura

Se fabricó una muestra perforada de cada una de las aleaciones para soldadura anteriores hasta unas dimensiones de 5 mmx5 mm xt0,15 mm. Se aplicó un fundente (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: WF-6400) a un material de placa de Cu tratado con OSP, y se montó la muestra perforada sobre el mismo y se soldó.

En cuanto a las condiciones de soldadura, se realizó la soldadura usando un aparato de reflujo (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: SNR-615) bajo un perfil de reflujo con una temperatura máxima de 245°C y una velocidad de enfriamiento de 2°C/s. Después del reflujo, se dejó la muestra en un baño a temperatura constante (fabricado por ESPEC CORP.: PHH-101M) mantenido a l5o°C durante 235 horas.

Después del tratamiento térmico, se observó la muestra en sección transversal usando un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (fabricado por JEOL Ltd.: JSM-7000F). La parte de observación fue una capa de compuesto intermetálico formada en la superficie de contacto de unión con la placa de Cu. Se analizó una imagen obtenida mediante la observación de la sección transversal usando un software de análisis de imágenes (fabricado por Seika Corporation Co., Ltd.: Scandium) y se midió el grosor de la capa de compuesto intermetálico.

La calificación fue “AA” en un caso en el que el grosor de la capa de compuesto intermetálico es de 3,4 |im o menos, fue “A” en un caso en el que es de más de 3,4 |im y 3,6 |im o menos, y fue “C” en un caso en el que supera los 3,6 |im.

Modo de fractura después del ensayo de resistencia al cizallamiento

En primer lugar, se fabricó una bola de soldadura con un diámetro de 0,6 mm de la misma manera que en la evaluación de falta. Se soldó la bola de soldadura a un sustrato que tenía un grosor de sustrato de 1,2 mm y un tamaño de electrodo de 0,5 mm de diámetro (Cu-OSP).

En cuanto a las condiciones de soldadura, se aplicó un fundente (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: WF-6400) sobre un electrodo, y se realizó la soldadura usando un aparato de reflujo (fabricado por SENJU METAL INDUSTRY CO., LTD.: SNR-615) bajo un perfil de reflujo con una temperatura máxima de 245°C y una velocidad de enfriamiento de 2°C/s. Se sometió la muestra fabricada a un ensayo de resistencia al cizallamiento en las condiciones de una velocidad de cizallamiento de 1.000 mm/s en un dispositivo de medición de la resistencia al cizallamiento (fabricado por Nordson Dage: SERIE 4000HS). Después del ensayo de resistencia al cizallamiento, se observó la muestra usando un microscopio digital (fabricado por Keyence Corporation: VHX-6000) para determinar el modo de fractura.

La calificación fue “A” en un caso en el que se observa una fractura en la aleación para soldadura, y fue “C” en un caso en el que se observa una fractura en la capa de compuesto intermetálico formada en la superficie de contacto de unión.

Se muestran los resultados de la evaluación en la tabla 1 y la tabla 2.

Tal como se desprende de la tabla 1 y la tabla 2, todos los ejemplos 1 a 37, en los que los elementos constituyentes están dentro del alcance de la presente invención y satisfacen la relación (1), mostraron los resultados de que no se produce una falta, se presenta una excelente extensión en húmedo, se inhibe el crecimiento de un compuesto intermetálico después de la soldadura, y el modo de fractura después del ensayo de resistencia al cizallamiento es apropiado. Además, se entiende que dado que los ejemplos distintos de los ejemplos 9, 20 y 23 también satisfacen la relación (2), se inhibe suficientemente el crecimiento de CIM incluso después de la soldadura.

Por otra parte, en el ejemplo comparativo 1, en el que el contenido de Sb es pequeño, creció un compuesto intermetálico después de la soldadura. En el ejemplo comparativo 2, en el que el contenido de Sb es grande, la extensión en húmedo fue escasa y, al mismo tiempo, se confirmó una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después del ensayo de resistencia al cizallamiento.

En el ejemplo comparativo 3, en el que el contenido de Bi es pequeño y no se cumple la relación (1), se produjo una falta y creció un compuesto intermetálico después de la soldadura. En el ejemplo comparativo 4, en el que el contenido de Bi es grande, se confirmó una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después del ensayo de resistencia al cizallamiento.

En el ejemplo comparativo 5, en el que el contenido de Ni es pequeño, creció un compuesto intermetálico después de la soldadura y, al mismo tiempo, se confirmó una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después del ensayo de resistencia al cizallamiento. En el ejemplo comparativo 6, en el que el contenido de Ni es grande, la dispersión en húmedo fue escasa.

En el ejemplo comparativo 7, en el que el contenido de Co es grande, la extensión en húmedo fue escasa y, al mismo tiempo, se confirmó una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después del ensayo de resistencia al cizallamiento.

En el ejemplo comparativo 8, en el que el contenido de Ge es pequeño, se produjo una falta. En el ejemplo comparativo 9, en el que el contenido de Ge es grande, la extensión en húmedo fue escasa y, al mismo tiempo, se confirmó una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después del ensayo de resistencia al cizallamiento.

En los ejemplos comparativos 10, 12 y 13, en los que no se satisface la relación (1), se produjo una falta. En el ejemplo comparativo 11, en el que no se cumple la relación (1) y está contenido In, se produjo una falta, la extensión en húmedo fue escasa y se confirmó una fractura en las proximidades de la superficie de contacto de unión después del ensayo de resistencia al cizallamiento.

La relación (1) se describe adicionalmente haciendo referencia a la figura 1 y la figura 2 obtenidas a partir de los resultados de la tabla 1 y la tabla 2. La figura 1 es un diagrama que ilustra la relación entre la expresión (1) en la aleación para soldadura en la presente invención y los ejemplos. La figura 2 es un diagrama ampliado de la figura 1 que indica el intervalo de desde 40 hasta 70 en las abscisas de la figura 1. En la figura 1, una línea continua representa el valor de la expresión (1), un “círculo negro” representa los ejemplos 1 a 37 y un “círculo blanco” representa los ejemplos comparativos 3 y 10 a 13. Además, en la figura 2, una línea continua representa el valor de la expresión (1), cada círculo relleno representa el ejemplo 11 y el ejemplo 22, y cada círculo abierto representa los ejemplos comparativos 3 y 10 a 13.

Tal como resulta evidente a partir de ambas figuras, se reveló que los ejemplos comparativos presentes en la región rodeada por el eje (Bi/Sn), el eje ((Ge/Sn)+(Bi/Ge)) y la línea que indica la expresión (1) no satisfacen la relación (1) y, por tanto, se produjo una falta en estos ejemplos comparativos. En particular, tal como resulta evidente en la figura 2, se observa que en el ejemplo comparativo 13, no se satisface la relación (1) y, por tanto, se produjo una falta, aunque se satisfacen los requisitos para cada elemento constituyente de la presente invención. Por consiguiente, se entiende a partir de la figura 1 y la figura 2 que en un caso en el que se cumpla la relación (1), al menos puede impedirse la falta.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Aleación para soldadura que tiene una composición de aleación que consiste, en % en masa, en Ag: desde el 3,2 hasta el 3,8%, Cu: desde el 0,6 hasta el 0,8%, Ni: desde el 0,01 hasta el 0,2%, Sb: desde el 2 hasta el 5,5%, Bi: desde el 1,5 hasta el 5,5%, Co: desde el 0,001 hasta el 0,1%, Ge: desde el 0,001 hasta el 0,1% y opcionalmente al menos uno de Mg, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, Zr, Nb, Pd, Pt, Au, La y Ce: el 0,1% o menos en total, siendo el resto Sn e impurezas inevitables,

en la que la composición de aleación satisface la siguiente relación (1):

2,93 < {(Ge/Sn)+(Bi/Ge)}x(Bi/Sn) (1)

en la que en la relación (1), cada uno de Sn, Ge y Bi representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación.

2. Aleación para soldadura según la reivindicación 1, en la que la composición de aleación consiste, en % en masa, en Ag: desde el 3,2 hasta el 3,8%, Cu: desde el 0,6 hasta el 0,8%, Ni: desde el 0,01 hasta el 0,2%, Sb: desde el 2 hasta el 5,5% , Bi: desde el 1,5 hasta el 5,5%, Co: desde el 0,001 hasta el 0,1%, Ge: desde el 0,001 hasta el 0,1% y al menos uno de Mg, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, Zr, Nb, Pd, Pt, Au, La y Ce: el 0,1% o menos en total.

3. Aleación para soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en la que la composición de aleación satisface además la siguiente relación (2):

0,001<(Ni/Co)x(1/Ag)xGe<0,15 (2)

en la que en la relación (2), cada uno de Ni, Co, Ag y Ge representa el contenido (% en masa) en la composición de aleación.

4. Bola de soldadura que comprende la aleación para soldadura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

5. Preforma de soldadura que comprende la aleación para soldadura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

6. Pasta de soldadura que comprende la aleación para soldadura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

7. Junta de soldadura que comprende la aleación para soldadura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.