TW201417933A

TW201417933A - 高強度無銀無鉛焊錫

Info

Publication number: TW201417933A
Application number: TW101142019A
Authority: TW
Inventors: Tian-Ding Chen
Original assignee: Accurus Scient Co Ltd
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-16
Also published as: TWI460046B; CN103801852A; JP2014097532A; CN108326465A; US20140134042A1

Abstract

一種高強度無銀無鉛焊錫，以該高強度無銀無鉛焊錫所含總重量為100 wt%，該高強度無銀無鉛焊錫包含：2~8wt%的鉍，0.1~1wt%的銅，同時添加0.01~0.2wt%的鐵、鎳、鈷至少其中之一以提升焊接介面的接合強度，同時添加0.003~0.03wt%鍺、磷或鎵至少其中之一抗氧化劑以提升波峰焊製程時的抗氧化性與降低錫渣產生，剩餘為錫。本發明以鉍取代以往組成物中的價格昂貴的銀，不僅可降低成本，藉由添加鉍改善錫銅焊料之低強度及潤濕性不良的缺點，使產品更具競爭力。

Description

高強度無銀無鉛焊錫

本發明是有關於一種焊料組成物，特別是指一種適合電子零件焊點之用的高強度無銀無鉛焊錫。

在已知的技藝中，錫鉛合金經常被用來作為電子零件的焊料，但因為鉛及其化合物對環境的污染嚴重，再加上現今環保意識抬頭，含鉛焊錫近年來逐漸遭到國際限用，因此逐漸以「無鉛焊錫」來取代。

在無鉛焊錫的應用中，主要是以錫銀銅(SAC305)及錫銅(Sn-Cu)之組成的無鉛焊錫應用最為廣泛。尤其以錫銀銅(SAC305)組成使用量最多，近幾年來由於銀的價格飆漲，造成錫銀銅合金焊料價格居高不下，因而增加電子元件封裝成本。

所以目前電子封裝業趨向於使用低銀含量的錫銀銅焊料或無銀含量的錫銅焊料，以降低封裝成本。但是，由於前述焊料因為銀含量低或不含銀，焊料本體的抗拉強度(以下簡稱基材強度)較差且潤濕性不足，所以基板焊接後內部焊錫接點強度相對不足，而且焊接過程也容易因為潤濕性不良，造成焊接後焊錫接點產生裂縫或剝離，進一步造成電子產品需重工或報廢。

本發明是基於改善一般錫銅焊料之基材強度差及潤濕性不佳的缺點所開發出來的合金焊料，以鉍取代以往組成物中的價格昂貴的銀，不僅可降低成本，由於鉍元素均勻地散佈於合金內部，從而能提升基材強度與潤濕性。

因此，本發明之目的，即在提供一種可提升基材強度與潤濕性且成本較低的高強度無銀無鉛焊錫。

於是，本發明高強度無銀無鉛焊錫，以該高強度無銀無鉛焊錫所含總重量為100 wt%，該高強度無銀無鉛焊錫包含：2~8 wt%的鉍、0.1~1.0 wt%的銅，餘量為錫。

本發明之有益功效在於：以鉍取代以往組成物中的價格昂貴的銀，不僅可降低成本，還可提升基材強度與潤濕性，使產品更具競爭力。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下之一個較佳實施例與數個實驗例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本發明高強度無銀無鉛焊錫之較佳實施例，以該高強度無銀無鉛焊錫所含總重量為100 wt%，而該高強度無銀無鉛焊錫包含：2~8 wt%的鉍、0.1~1.0 wt%的銅，餘量為錫，並以鉍取代以往組成物中價格昂貴的銀，可提升基材強度及潤濕性，進而達到或超越錫銀銅焊料之性能，又因為不含銀而使成本大幅降低。此外，鉍價格比純錫低，所以價格可比現有錫銅焊料更具競爭優勢。

較佳地，該高強度無銀無鉛焊錫還包含0.003~0.03 wt%的鍺(Ga)、磷(P)或鎵(Ga)至少其中之一，進而提升焊料合金於波峰焊製程之抗氧化性並可降低錫渣產生。

較佳地，該高強度無銀無鉛焊錫還包含0.01~0.2 wt%的鎳(Ni)、鐵(Fe)或鈷(Co)至少其中之一，藉此提升焊料合金的介面強度。

接著透過本發明的數個實驗例與數個比較例來證實本發明的功效，並透過實驗來比較各實驗例與各比較例的焊料合金之潤濕性(或可焊性)、焊料合金整體的基材強度、焊料合金與銅焊墊之接點處的介面強度，以及焊料合金的抗氧化性。

而潤濕性(Wetting)的判斷，是使用可焊性測試機(Wetting Balance Tester)進行測試。首先將各實驗例與各比較例的焊料合金加熱至250℃，接著將寬度10mm、長度20mm及厚度0.3mm的銅片沾附適量之助焊劑後，便可透過可焊性測試機將銅片浸入前述加熱而融熔的焊料合金中，並偵測與計算焊料合金與銅片潤濕過程的潤濕時間，以判斷焊料合金的潤濕性。記載方式如下：○：表示潤濕時間<2秒；△：表示2秒≦潤濕時間<3秒；×：表示潤濕時間≧3秒。

基材強度的判斷，是使用微硬度機偵測各實驗例與各比較例的焊料合金整體的硬度，並使用Vickers Pyramid Diamond Indenter以50克重施壓於各實驗例與各比較例15秒後，測量形成於表面之壓痕大小，而換算出微硬度值(Hv)。記載方式如下：○：表示微硬度值>20Hv； △：表示15Hv<微硬度值≦20Hv；×：表示微硬度值≦15Hv。

介面強度的判斷，是將實驗例4~34與比較例7~38的焊料合金配合銅焊墊進行迴焊後，以高速推力機破壞焊料合金與銅焊墊之接點處，並透過分析破壞面脆性破壞程度以評價前述接點處之介面強度。其中，前述測試過程即為zone shear test，且記載方式如下：○：表示脆性破裂率<10%；△：表示10%≦脆性破裂率<15%；×：表示脆性破裂率≧15%。

抗氧化性的判斷，是將實驗例4~34與比較例7~38的焊料合金放置於烤箱內，並在200℃的溫度且通以空氣的環境下放置30分鐘後，取出並觀察焊料合金的表面亮度變化。其中，抗氧化的能力即為抗色變的能力，且記載方式如下：○：表示焊料合金的表面仍保有金屬亮度；△：表示焊料合金的表面呈現微黃色；×：表示焊料合金的表面呈現黃或藍或紫之相近色。

參閱表1，由實驗例1~3可知當鉍含量為2~8 wt%時，焊料合金即具備優異的潤濕性與基材強度。由比較例1、2可知，當焊料合金內不含鉍或鉍含量為1.0 wt%時，其基材強度低且潤濕性差。由比較例3可知，當焊料合金的鉍含量為10.0 wt%時，與實驗例3相同，其潤濕性與基材強度未進一步再提升，反而虛耗材料。

另一方面，由比較例4、5可知，當焊料合金不含鉍且銀含量為2.0、3.0 wt%時，基材強度與潤濕性皆不夠理想。由比較例6可知，當焊料合金不含鉍且銀含量為8.0 wt%時，雖然具有優異的基材強度，但其潤濕性非常地差而不堪使用。此外，實驗例1的鉍含量為2 wt%時可達成比較例5的銀含量為3 wt%所能達成的效果，並且就基材強度而言，實驗例1甚至更優於比較例5。

參閱表2，表2與表1的差別在於：表2的焊料合金中皆添加了0.05 wt%的鎳以及0.003 wt%的鍺，同時增加了介面強度與抗氧化性的測試，而有關潤濕性與基材強度之實驗結果大致與前述相同。

由實驗例4~12可知當鉍含量為2~8 wt%時，焊料合金即具備優異的潤濕性，以及較高的基材強度。由比較例7~12可知，當焊料合金內不含鉍或鉍含量為1.0 wt%時，基材強度低且潤濕性差。由比較例13~15可知，當焊料合金的鉍含量為10.0 wt%時，相對於實驗例10~12而言潤濕性與基材強度未進一步再提升，反而虛耗材料，並且因為鉍的含量過高，反而對介面強度有害。

另一方面，由比較例16~18可知，當焊料合金不含鉍且銀含量為1.0wt%時，基材強度與潤濕性的表現極差。由比較例19~22可知，當焊料合金不含鉍且銀含量為2.0、3.0 wt%時，基材強度與潤濕性略有提升但仍不足。由比較例23可知，當焊料合金不含鉍且銀含量為8.0 wt%時，雖然具有優異的基材強度，但因為潤濕性非常地差而不堪使用。

此外，實驗例4~6的鉍含量為2 wt%時所具備之效果，更優於比較例22的銀含量為3 wt%所能達成的效果。由此可知，同樣含量的比例的鉍所能達成的功效是優於同樣含量比例的銀，因此本案以鉍取代以往組成物中的價格昂貴的銀，且當焊料合金的鉍含量為2.0~8.0 wt%時，確實可提升基材強度與潤濕性，並降低製造成本，以增加產品競爭力。

參閱表3，由實驗例13~16可知，當焊料合金的銅含量為0.1~1.0 wt%時，已具備優良的潤濕性、基材強度、介面強度與抗氧化性。

由比較例24、25可知，當焊料合金不含銅或銅含量為0.05 wt%時，其潤濕性差且介面強度低。由比較例26可知，當焊料合金的銅含量為1.2 wt%時，反而又會因為銅含量過多，致使焊料合金的熔點升高並使潤濕性降低，並且其介面強度亦下降。由此可知，當銅含量為0.1~1.0 wt%時即可達到本發明所需的功效。

參閱表4，由實驗例17~25可知，當鍺、磷或鎵至少其中之一的含量為0.003~0.03 wt%時，已具備優良的潤濕性、基材強度、介面強度與抗氧化性，並透過鍺、磷或鎵元素使焊料合金之表面形成抗氧化層進而阻隔外界氧氣，進而增進焊料合金整體之抗氧化的能力。

而由比較例27~29可知，當焊料合金的鍺、磷或鎵至少其中之一的含量為0.001 wt%時，因為鍺、磷或鎵元素的含量不足而無法有足夠的抗氧化能力，進而導致抗氧化性變差。由比較例31、32可知，當焊料合金的鍺或鎵的含量為0.05 wt%，其與實驗例17~25的效果相同，即潤濕性、基材強度、介面強度與抗氧化性等特性並未進一步提升，因而只是徒增材料的消耗而增加成本。

由此可知，當鍺、磷或鎵至少其中之一的含量為0.003~0.03 wt%時即可達到本發明所需的功效。

參閱表5，由實驗例26~28可知，當鎳、鐵或鈷至少其中之一的含量為0.01 wt%時，已具備優良的潤濕性、基材強度與抗氧化性，其介面強度雖略低但仍足夠。由實驗例29~34可知，當鎳、鐵或鈷至少其中之一的含量為0.1、0.2 wt%時，其介面強度進一步地得到提升，因而使焊料合金具有優異的潤濕性、基材強度、介面強度與抗氧化性。這是因為添加鎳、鐵或鈷元素會抑制較脆的Cu₃Sn金屬相的生成，並促使較不脆弱的Cu₆Sn₅金屬相的生成，故能顯著地提升焊料合金與銅焊墊之接點處的介面強度。

而由比較例33~35可知，當焊料合金的鎳、鐵或鈷至少其中之一的含量為0.005 wt%時，因為鎳、鐵或鈷元素的含量不足而無法抑制較脆的Cu₃Sn金屬相的生成，進而降低介面強度。由比較例36~38可知，當焊料合金的鎳、鐵或鈷至少其中之一的含量為0.3 wt%，其介面強度反而又會因為過多的鎳、鐵或鈷元素而產生鬆散的結構因而導致介面強度降低。

由此可知，當鎳、鐵或鈷至少其中之一的含量為0.01~0.2 wt%時即可達到本發明所需的功效。

綜上所述，本發明以鉍取代以往組成物中的價格昂貴的銀，不僅可降低製造成本，還能提升基材強度與潤濕性，以增加產品競爭力。同時透過銅來改善焊料合金的介面強度與潤性性，透過鍺、磷或鎵至少其中之一來提升焊料合金的抗氧化性，此外還透過鎳、鐵或鈷至少其中之一來提升焊料合金的介面強度。因此本發明高強度無銀無鉛焊錫在兼具優良的潤濕性與抗氧化性，以及高基材硬度與介面硬度的條件下，還可降低成本，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims

一種高強度無銀無鉛焊錫，以該高強度無銀無鉛焊錫所含總重量為100 wt%，該高強度無銀無鉛焊錫包含：鉍：2~8 wt%；銅：0.1~1.0 wt%；餘量為錫。
依據申請專利範圍第1項所述之高強度無銀無鉛焊錫，還包含0.01~0.2 wt%的鎳、鐵或鈷至少其中之一。
依據申請專利範圍第1項所述之高強度無銀無鉛焊錫，還包含0.003~0.03 wt%的鍺、鎵或磷至少其中之一。
依據申請專利範圍第2項所述之高強度無銀無鉛焊錫，還包含0.003~0.03 wt%的鍺、磷或鎵至少其中之一。