TW200302147A - Lead-free solder alloy - Google Patents

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200302147 五、發明說明（1) 【發明所屬的技術領域 本發明係有關電子產業之電機、電 或金屬構件之接合時所用的軟Ji金：：組2電路連接 外的所謂無鉛軟銲合金材料 σ、，枓，尤才曰排除鉛在 【先前技術】 定等產業之電子組件的連接、固 固著手段，惟對向來 原本在製品使用完畢的廢棄、：收\ν，,Λ 負載，以不含鉛之所謂C牛低或消除此等對環境之 之開發乃被進行著。…、°軚1干材料作為此等的替代材料 此等的軟銲合金材料 象之電子組件或光阻材等要求；：：：：：時：：為其封 類之基板等要求不生成變形 有樹腊 性等。尤其…近：ίΐ;;安：位t強度、可靠 日趨嚴格。 化之進展，此等的要求更 因此，在新穎的無鉛軟銲合金 的條件之溶點降低及結晶組織微細化為=，，=:此等 分，已加入Ag及再者其他的成 、、τ n :、、、主成 可予選擇。 素之共晶合金系的組成 91090J STA-YG2002-39TW.p t d 麵 200302147 五、發明說明（2) 至於此等的軟銲合金 等之中個別或組合的添加「以以―4§共晶及再者於此 機械特性等者係在日美^ =囿1、1 η，使熔點降低，提高 20 0 0- 9 4 1 8 1號公報、日正予報導著（參閱日本特開 然而，此等的Sn系ί:!::7;5 1 883號公報等）。 之實際安裝的軟銲時，=二=糸一般若適用於電子組件 形成的金屬組織係較難，:為共晶組成，但實際上經予 初晶/5-Sn相會發展並/^為锨細的共晶組織，通常粗大的 織，引起材料強产等的”、、此相及共晶相間之二相混合組 又，在此；= 降低-事即成為問題。 3· 〇Ag-〇· 5Cu合金等用你女/吏貫用化正予進行的Sn- 的Ag之含量較多，原彳西效的替代軟銲合金材料，價昂 家4貝成本顯缺變古一宣危 故降低含銀量即為人所期待的：惟；改！：Π避免的， 出當初的共晶組成時，則:文茭此荨的組成並逸 未能獲得所期待的機械特性^ &侍思圖的微細共晶組織， 因此由此事，在趑 件之實際作業之際，X ^ :、的权麵'合金材料適用於電子組 (reflow)法之任二種:=流動（flow)法、圓滑熱處理 亦經予加熱，其後在叙、人"載置的電子組件或基板在内 料雖會進行熔解、凝^^部或放冷的過程，軟銲合金材 步驟之不同而有顯著差里，此~部速度依實際作業組件或 卻速度不論何者均未处二〜因此，在實際作業條件下的冷 的金屬組織不一定成^二:依计劃進行的共晶組織，所得 穩定。 的組織，故在品質上亦不 第8頁 200302147 五、發明說明（3) 【内容】 發明欲解決 於以系無鉛軟録★ 微細化引起的機械特料方面，材料組織之微細化及由該 等之冷卻速度不&燮性之提高，尤其謀求對實際作業條件 提高，同時維拄〜/的微細材料組織之形成與機械特性之 成之較廣的成分也^^於含有含銀（Ag)量降低的亞共晶組 、、且成乾圍之機械特性。 【實施方式】 角牛決課通而援的手题 本發明係於Sn-Ad·--么人 質核生成之凝固，使§材—二？金，添加A1 ’藉由伴隨異. 餘量為如之合金二 銲合金材料。 · 重里％而成的無鉛軟 亩旦。/又對^^成’使含有Bi : 4〇〜6(3重量％或4 : 40〜50 T SR〇·，\再？上述組成内，使Cu為0.卜5重量％，再者 選擇的元素再者由 者或以上含有〇小5重量%而 金:- 本發明之合金組成係粗大的初晶陶目在晶出材：r ΐ二:巧由經予少量添加A1，不使冷卻速度受影響，在&軟 銲貫際操作條件下的冷卻速度可達成金屬組人 至於其機構，本發明人等對此等Sn系軟鋅合金：：為 第9頁 91090JSTA-YG2002-39TW.ptd 200302147 五、發明說明（4) -- ' 共晶組織，但在實際作業條件下材料組織不予作成微細化 ，就粗大的初晶石-Sn相晶出的原因予以討，著與 此等合金在平衡條件下的凝固過程不同，若給予某種冷卻 速度時，共晶組成移至高Ag側時實際的凝固組織不致成為 共晶組成。 該組織係初晶/5 — Sn相及沒—Sn相與Ag3Sn金屬間化合物 之共晶會晶出而以初晶方式晶出的召—Sn相，與共晶相比 較係柔軟且粒徑亦較大，故會引起材料強度之降低。 因此，若使以初晶晶出的冷—Sn相微細化並可得均勻 的組織日守’則材料強度亦可提高，惟在習用的S n 一 A g系合 金’欲控制共晶之組成領域並在組織方面作成全面共晶相 係較困難的，本發明人等乃構思於金屬熔液中形成異質核 ，在凝固過程使結晶同時大量的晶出。 亦即’於Sn-Ag合金金屬溶液内若在大氣中添加A1時 ，則部分會轉化成ai2〇3，惟ai2o3通常用作強力的異質核一 事係為人所知的，乃探討在Sn系合金是否可用作異質核。 至於其依據，係若觀察在Sn及A 12 03結晶面之失配度時 ，其失配性大且對Sn可用作強力的異質核一事即被期待的 〇 實際上，若於Sn-Ag合金内添加A1並使由金屬熔液凝 固時，則在以Sn - A g二元系合金而得的冷卻曲線隨著較大 的過冷卻會生成均質核，故冷卻曲線上出現潛熱現象（引 起的階段差）’相對的在S η - A g合金内已添加A 1之試樣，過 冷卻可予抑制，初晶之晶出相變點（臨界溫度）亦未出現。
91090J STA-YG2002-39TW.p t d 第10頁 200302147 五、發明說明（5) 由此事：知乂係用作異質核，核生成可同時大量 。
Sn-Ag合金，係如此於凝固時由需 隨較大的冷卻過度上雖有特徵，但因此於奋一貝乂曰亚伴 上，軟銲料凝固的冷卻速度係在各自的條人：作業 狀悲圖所示的組成移位至高合金側，使 曰平衡 示亞共晶組織，成為粒徑較大的初组成亦顯 晶之夾雜組織。 相及微細的共 於本發明.’以添加A1至Sn-Ag二元李人入向 中A1與部分氧鍵結成仏〇3，以此Α1Λ作用口至里所，於溶融 固時使能同時大量晶出結晶，使組織 心：，在凝 由此等的Sn-Ag二元系合金之過共晶至亞Α曰口此疼經過 =範圍，使晶出成初晶之一微細二 度等的機械特性提高。 」使材枓強 此事係意指同時於此等的Sn系共 卻速度下’可達成材料組織之微細化 冷 經過由過共晶組織至亞共晶組成為止的廣士門 ，可微細的控制結晶組織。 、、、、成靶圍 因此，於本發明，在實際作業條件下的 條件，可使材料組織微細化，又在 村速度 成為可降低含Ag量。 * +便〃枝械條件降低下 實施方式】 以下具体的說明本發明之實施内容。 於本發明，係由以Sn為基本組成，含化量設成由〇 第11頁 91090JSTA.YG2002-39TW.ptd 200302147
至5重量％ ’含A1量由〇·ΐ重量％至5重量％之範圍予以達成。 因此，於申請專利範圍第2項， (1 )含Ag量由0· 1重量％至5重量％之依據 最低含量之0· 1重量％係保持軟銲合金材料之強度的田 低條件，又最高含量之5重量％係於實際作業等方面=冷: 速度經予加速的情形之亞共晶組成至相變成共晶組成^ = 圍的境界組成。 ' ^ (2) 至於含Cu量方面 最低含量之0 · 1重量％係(：11之添加能力，亦即改盖濕添 性或保持材料強度之最低條件，最高含量之3重量％ ^ $ 持材料強度，且熔融溫度之劇烈的上升可予抑制的界限領 域。 (3) 至於含A1量方面 最低含量之0. 1重量％係在大氣中A1會變化成a 12 〇3，作 用成異質核之最低條件，最高含量之5重量％係剩餘生3成白勺 AI*2 〇3 ’作為異質核不致彳貝及材料之濕 >需性的界限領域。 再者，於申請專利範圍第3項，至於已限定B i及I n之 含有量的依據， (4 )至於含B i量方面 最低含量之4 0重量％，係共晶由4 3重量％晶出初晶，使 材料強度降低一事係實用上決定的界限濃度，而6 0重量％ 係抑制熔點之劇烈上昇的界限點。 (5)至於含In量方面 最低含有量之4 0重量％係相構造變化的最低條件，而
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、發明說明（7) 52f=p㈣點之上昇的界限組成 (6)至於其他合金元素方面 有所G善第二項之各添加元素方面， 、Zn係使熔點降低 '濕/而性的功用。1 n、Bi、Sb 效，又在5重量％以上在Ο.1重量％以下係未能發揮工为 著的功效。又在5重量% ::::交濃度以下的濃度有_ Ni , Γ]].〆里。乂上的添加時，則濕濡性低劣’ 板材料的關係，作實際作業時之電子組件基 元素之效果係改ΐ;;;:業時可予混入金屬溶液内。此等 因此，最低含景 件，5重量%係功效^乂重係可發揮其功效之最低條 係反而損及濕漂性I 度：5請以上的添加 ^蚁材枓強度之降低。 M g、L· a、C! e係強J卜分斗止 材料強度之元素而添加=織，晶，隙部，作為提高 功效可發揮的最低含有量 j 辰度的〇.1重量％係其 度。在此量以上的添加里：效：發揮的界限濃 導致材料強度之降低。“吏金屬間化合物粗大化，而 實施例 以下利用具体的數據予以說明。 製備（a)Sn-2· 〇 重量；π； η 2〇〇g，在573K保持h 8k^g亞於共/曰居合金至使試料重量成 至使含量成0.」重量％，/時#於=屬溶液内添加並授㈣
l J 日可保持 〇· 9ks，由 10K/S 至130K/S
200302147 五、發明說明（8) 賦與冷卻速度並使凝固。 同樣的製備（b)Sn~2 〇 晶合金至使試料重量人J 重里& (c)Sn-3· 5重量％Ag共 凝固，作為比較例里〇汁成20 0g，並以與上述相同條件使 第1 圖（a) 、（b) 固的實施例（a)及比M上述的冷卻速度〗〇K/S使凝 為圖中標記之方;2，二（C)之組織照相圖。 (質量％)表示，惟實曾卜；；含有元素之組成係以mass% ,、 、貝上人w重量％)並&變化。 於（a)之添加A1 〇 !暂旦G/ /上·…、又化 %蛇亞共晶合*，可知初：二而製作的本發明Sn-2.0質量 。 曰曰万-Sn相係予一律的微細形成著 、二 i〇(b)及(C)之比較例 * ®，Sn-2. 0 質量% S n . Λ里心共晶合金之組織，係初晶/5 -Sn相會 粗大化並予形& ’共晶組織會微細的晶出於其間。於此等 組織之初晶沒-Sn相之粒徑係由插入該圖中的1〇^及5” m之尺度可顯而得知’與本發明之初晶相比較，可發 現有1 0倍以上及顯者的不同。 如此，於初晶/5-Sn相間之間隙部内緊密的形成卢_Sn 相及A&Sn相之共晶組織。由此結果，初晶万_Sn相及共晶 相並非相互具有固定的區域之組織形態，藉由初晶0 _Sn 相粒徑已呈微細化，共晶相成為已補強晶間分布之組織形 成一事及為顯而可知的。此對材料強度之提高係具有較大 的意義。 .第2圖係表示上述的本發明及比較例之合金的初晶/5- 91090JSTA-YG2002-39TW.ptd 200302147 五、發明說明（9)
Sn相之粒徑及冷卻速度的關係。 在比較例之（b)Sn_2· 〇質量亞共晶合金及（c)之以一 3· 5質量％Ag共晶合金，隨著任一者的冷卻速度均由1〇K/s 變大至1 30K/s ’顯示出粒徑有由4〇 #爪微細化至2〇 # m程度 之傾向，然而於本發明之合金，冷卻速度即使由丨〇 K/s至 130K/S之耗圍亦維持6〜7 程度之極微細的粒徑，可知幾 乎不Τ Ϊ於冷部速度。於此圖，在實際作業條件下所見的 人入+ ； 本發明之合金的粒徑係比較例 a至者之1 / 7 ’經予顯著的微細化。
、圖.！ t示測定出於Sn—2. 〇重量%Ag之亞共晶合金内 w加Α1 0. 1重1/。的本發明合金之組織内的濃度分布之結果 測定濃度分布，可把握初晶yj 一 間隙部之金屬間化合物的粒徑或 則在濃度劇烈降低的位置處Ag Ag及A 1之濃度變化正顯示著相 此圖之著重點係藉由 Sn相之粒徑或存在於晶間 相構造。 若觀察Sn相之濃度時 及A1之濃度正上升著。又 同的變遷。
Sn相：=的t ί :晶間間隙部之相，得、可知為與初晶石-入初曰:8至/化合物。何以如此，因Ag及Α1係不溶解 由以上的事實，可由推此得知上述情形。 ，則A1於Sn中無溶解产，斑出=_Ag合金内若添加A1時 屬間化合物，♦斑大^中^'结合並於晶間間隙部形成金 乳中的空軋接觸而轉化成ai2〇3。
200302147 五、發明說明（ίο) 本發明之合金 所形成的A 12 03，於 由使結晶同時大量 Ag量在由亞共晶組 其功效。 又，至於其他 含有熔點降低或用 料強度而添加的C u Ce等元素之軟銲合 相之粗大化，可達 時，則於含有此等 由此等的含有成分 功效。 ，係於Sn系軟銲合金，藉由利用A 金屬熔液中形成異質核並在凝固過=二 的晶出而使組織微細化者，故對Sn == 成至過共晶組成為止的廣泛範圍可發& :含有成分，向來對Sn系軟銲合金，蚪 作軟銲材料之渴濡性的 對 :，亦利用相同的機構 成組織之微細化，若為h.乂 ：万Sn 元素一種或二藉、在上述的成分範圍 而得的特性提古从上的軟銲合金，加上 子性如阿，可發揮本發明之作用 發明之功效 如上^述’本發明之無鉛軟銲合 _Ag二广糸無鉛軟銲材料之機械特V材料係提高習用的sn 度=變化無影響下可發揮材料組、’，同時對軟銲冷卻速 提高，故有助於高密度化，組:微細化、機械特性之 =Πί抽ΐ因可降低價昂的含Α:ί微細化的電子軟銲 4可4求”推廣’有助於此等產業之：，故通過降低成本 〆 务展者。 9109GJSTA-YG2002-39TW.ptd 第16頁 麵 200302147 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖係基於軟銲合金（a)及比較例合金（b)、（ c)之顯 微鏡照相的組織放大圖。 (a) 橫座標Sn-2. 0質量％Ag-0. 1質量％A1。 (b) 橫座標Sn-2. 0質量％Ag。 (c) 橫座標Sn-3· 5質量°/〇Ag。 (冷卻速度10 K/s)。 第2圖係於軟銲合金及比較例合金之冷卻速度與結晶 粒徑間的關係圖。 橫座標係Sn-2. 0質量％Ag，Sn-3. 5質量％Ag及Sn-2. 0質 量°/^2-0. 1質量％A1之結晶粒徑分率對冷卻速度（v/k/s)之 變化。 縱座標係晶粒徑尺度（s / /z m )。 第3圖係於本發明軟銲合金之各含有元素的濃度分布 圖。 橫座標係Sn-2. 0質量％Ag-0. 1質量％A1之濃度剖面分布 (冷卻速度10 K/s)。 縱座標係濃度（c/質量％)。
91090JSTA-YG2002-39TW.ptd 第17頁

Claims (1)

  1. 200302147 六、申請專利範圍 1 · 一種揲鉛軟銲合金材料，係於s n — 二人八 隨異質核生成之凝固’使材料組織σ已〜内細：加 的無錯软知合金材料。 、、化而成 鋒合金材料，係於上述Ag 量％，餘量為Sn而成之合金 2 ·如申請專利範圍第1項之無鉛軟 為0·：1〜5重量％，再者(^為0·卜3重 内’使含有Α1 :〇·ι〜5重量％而成 3 ·如申凊專利範圍第丨或2項之無鉛 組成再使含有Bi : 40〜6〇重旦 蚌a金材枓，係 重里/Q或In :40〜50重量％而成 4 ·如申請專利範圍第丨或2 組成使Cu為0 · 1〜5重晉〇/ 、 .....σ軟銲合金材料，係對上述 Zn、Mg、La、Ce 選擇的元 百由1n、Bi、Ni、Au、Sb、 5重量％而成。 疋’、之任一者或二種以上〇. 1〜
    91090JSTA-YG2002-39TW.ptd 第18頁
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CN103056543A (zh) * 2013-01-18 2013-04-24 江苏师范大学 一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料
CN103056543B (zh) * 2013-01-18 2015-03-25 江苏师范大学 一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料

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