TW202140809A - 焊料合金 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種焊料合金。該焊料合金，以質量%計，係具有Ag：1~4%、Cu：0.5~1%、Bi：超過3%且5.5%以下、Sb：超過1.5%且5.5%以下、Ni：0.01%以上且未達0.1%、Co：0.001%以上且0.1%以下、S：0.001%以上且0.1%以下及剩餘部分為Sn所構成的合金組成。藉由在Sn-Ag-Cu系合金主體中微調Bi-Sb-Ni-Co-S摻雜金屬的組成與型態，提高焊料合金的抗拉強度，使印刷電路板和電子零件的接合部具有優異的耐振動性，而具備車用電子高可靠性。

Description

焊料合金

本發明係有一種焊料合金，其特別有關於使用於車用電子的高強度、耐振動之焊料合金與其應用。

近年，汽車的車用電子化不斷進展，逐漸從燃油車往油電混合車、電動車的方向轉變。在油電混合車、電動車上搭載著車載電路，車載電路是在印刷電路板上焊接電子零件而構成。車載電路，以往是配置在振動環境較和緩的車室內，隨著用途的擴張，變成直接搭載於引擎室、變速箱之油室內，甚至直接搭載於機械裝置上。

車載電路製造過程中需要把電子元件或是半導體晶片固定並連接到電子載板上，才能發揮完整的電子產品的設計功能。焊接的技術與製程需要極高的溫度，並消耗許多的能量，並排放包括二氧化碳在內的各種溫室氣體的回流焊製程，業界一直興起不同的改革之聲。

在歐盟於2003年2月制定法規推動危害性物質限制指令(RoHS)下，並於2006年7月1日正式生效，規範所有銷往歐盟之電子產品均不得含有重金屬鉛之材料，全球焊料產業鏈掀起了電子無鉛化的變革浪潮，共同研究與合作開發焊料，逐步向無鉛焊料轉變，使用錫、銀和銅的合成物取代含鉛料，從而也帶動了電子元件、載板及電子組裝設備的無鉛轉變。

此外，隨著搭載區域的擴大，車載電路於搭載時會受到冷熱溫差、衝撃、振動等各種外在負荷的部位。例如，搭載於引擎室內的車載電路，當引擎動作時會置身於125℃以上的高溫。另一方面，當引擎停止時，如果是寒冷地區的話會置身於-40℃以下的低溫。當車載電路置身於如此般的冷熱溫差時，起因於電子零件和印刷電路板之熱膨脹係數的差異，應力會集中在接合部。因此，若使用習知的Sn-3Ag-0.5Cu焊料合金，接合部有斷裂的疑慮，縱使在冷熱溫差激烈的環境下仍能抑制接合部的斷裂之焊料合金已被探討。

由於錫球接點常用的無鉛銲錫材料為錫-銀-銅合金系列(SAC family)，由於其高熔點之特性，在回流焊製程中(Reflow Process)，容易因為較高的溫度，讓無鉛銲錫材料體積快速收縮，再加上助焊劑的揮發，使得空氣來不及逸出而產生孔洞(Void)缺陷，進而造成在 可靠度測試時，因極小的應力引起產品失效。

錫基焊接技術考量降低環境衝擊與成本節省的因素，產生了對低溫生產過程的需求。低溫焊接技術是將元件焊接的峰值溫度由250℃降至180℃，焊接溫度降低了大約70度，減少了電子產品生產製造過程中的高熱量、高耗能的問題，整個低溫焊接技術的測試和驗證過程使用低溫焊料，利用現有回流焊設備，有效降低生產成本。

先前技術中，在Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni-Co系焊料合金，當Sb：1.5%以下或Sb：3.0%以上、且Bi：2.7%以下的合金組成可以減少氣孔(void)發生。當Ni：0.1%以上或Ni：0.04%、且Bi：3.2%的合金組成，可以增強熱循環試驗前後的耐衝撃性。當Bi：3.2%以下或Bi：3.5%、且Co：0.001%的合金組成，可以減少熱循環後之焊接接頭的龜裂、氣孔之產生。當Bi：3.2%以下的合金組成，可以降低熱循環後之焊接接頭的裂痕產生率。在Bi：4.8%以下的合金組成，可以降低熱循環後之填角部龜裂。

然而，上述技術在量產仍有需要進一步改善的議題。當置身於熱循環的車載電路，起因於印刷電路板和電子零件之熱膨脹係數的差異而對接合部施加應力。另一方面，當振動施加於車載電路的情況，其應力是與熱循環時所產生之印刷電路板、電子零件的伸縮所致 的應力不同，應是接近外在衝撃的應力。亦即，因為熱循環試驗和振動試驗對於接合部造成的負荷之舉動不同，為了對應於基板之搭載區域的擴大，必須採用適當的合金設計。此外，為了使車載電路之接合部不拘車載電路的搭載區域都能避免斷裂，還必須讓形成接合部之焊料合金本身的強度提高。基於這個觀點，習知的合金組成也有再探討的必要。

綜合上述技術，在量產上仍有需多問題需要克服，(一)對於高溫使用下氣孔(void)發生；(二)對於低溫製程溫度下熱循環後之可靠度提升；(三)對於耐衝撃性、耐振動性性能的提升。有鑑於上述問題，有必要提出一種可使用於車用電子的高強度、耐振動之低溫製程焊料合金與其應用。

本發明的主要目的在於提供一種焊料合金，藉由在Sn-Ag-Cu系合金主體中，摻雜少量金屬Bi、Sb、Ni、Co、Ti與非金屬元素S，藉由微調Sn-Ag-Cu系合金主體的元素型態與微調Bi-Sb-Ni-Co-Ti-S摻雜元素的組成，提高該焊料合金的抗拉強度，使印刷電路板和電子零件的接合部具有優異的耐振動性，而具備車用電子高可靠性。

本發明的另一目的在於使用該焊料合金的焊料膏，與該焊接接頭。藉由微調Sn-Ag-Cu系合金主體的元素型態與微調Bi-Sb-Ni-Co-Ti-S摻雜元素的組成，該焊料合金的降低製程溫度，提高焊料合金的抗拉強度，使印刷電路板和電子零件的接合部具有優異的耐振動性，而具備車用電子高可靠性。

本發明針對Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni-Co-Ti-S系焊料合金，微調Al含量及S含量。結果得知，在一特定範圍內，可改善金屬間化合物層附近之焊料合金中的破壞模式，進而提高耐振動性的可靠度。

為了達到上述之目的，本發明提供一種焊料合金，其特徵在於，以質量%計，係具有Ag：1~4%、Cu：0.5~1%、Bi：超過3%且5.5%以下、Sb：超過1.5%且5.5%以下、Ni：0.01%以上且未達0.1%、Co：0.001%以上且0.1%以下、S：0.001%以上且0.1%以下、及剩餘部分為Sn所構成的合金組成。

根據本發明之一特徵，該焊料合金中更包含Ti：0.001%以上且0.1%以下，且組成滿足下述。

1×10^-5≦Ti+S≦1×10^-3 (Ti與S表示各元素在焊料合金中的含量(質量%)。

根據本發明之一特徵，該焊料合金中之組成滿足下述(1)式~(3)式。

0.020%≦Ni+Co≦0.105% (1)

9.1%≦Sb+Bi≦10.4% (2)

1×10^-5≦Ti+S≦1×10^-3 (3)

(1)式~(3)式中，Ni、Co、Bi、Sb、Ti與S表示各元素在焊料合金中的含量(質量%)。

根據本發明之一特徵，該1~4% Ag的組成中包含一具有奈米級粉末粒徑的Ag與一具有微米級粉末粒徑的Ag，以質量%計算時，在該1~4% %Ag的組成中，該具有奈米級粉末粒徑的Ag為10%以上，其餘為具有微米級粉末粒徑的Ag。

為了達到本發明之另一目的，本發明提供一種焊料膏，其特徵在於，係具有上述所記載的該焊料合金。

本發明之功效，藉由在Sn-Ag-Cu系合金主體中，摻雜少量金屬Bi、Sb、Ni、Co、Ti與非金屬元素S，該焊料合金可以降低製程溫度，且提高焊料合金的抗拉強度，使印刷電路板和電子零件的接合部具有優異的耐振動性，而具備車用電子高可靠性。特別是針對置 身於引擎室等之冷熱溫差大的環境下之車載電路。

雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本發明可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本發明之一範例，非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。針對本發明，在以下做更詳細的說明。本說明書中，關於焊料合金組成的「%」，在沒有特別指定的情況是指「質量%」。

本發明提供一種焊料合金，藉由在Sn-Ag-Cu系合金主體中，摻雜少量金屬Bi、Sb、Ni、Co、Ti與非金屬元素S。藉由微調Sn-Ag-Cu系合金主體的元素型態與微調Bi-Sb-Ni-Co-Ti-S摻雜元素的組成，該焊料合金的降低製程溫度，提高該焊料合金的抗拉強度，使印刷電路板和電子零件的接合部具有優異的耐振動性，而具備車用電子高可靠性。以下針對本發明之焊料合金各組成做說明。該焊料合金亦稱焊錫合金。

該焊料合金的Ag，是讓焊料的潤濕性提高，此外在焊料基質中讓Ag3Sn之金屬間化合物的網狀化合物析出而形成析出強化型的合金，藉此讓焊料合金的抗拉強度提高。Ag含量是1~4%。當Ag含量未達1%時，焊料的潤濕性無法提高。Ag含量的下限較佳為2.0%以上，更佳為3.3%以上。另一方面，當Ag含量超過4%時，以初晶的形態結晶出之粗大的Ag3Sn金屬間化合物會造成耐振動性變差。此外，液相線溫度也會上昇。Ag含量的上限較佳為3.7%以下，更佳為3.5%以下。

更注意的，Sn-Ag-Cu系合金主體可以藉由微調的元素型態來達成降低製程溫度的功效，以及可達到降低該焊料合金後續應用加熱溫度之功效，並且能有效地減少Ag的整體使用量，進一部降低了成本。其中該1~4% Ag的組成中包含一具有奈米級粉末粒徑的Ag與一具有微米級粉末粒徑的Ag，以質量%計算時，在該1~4% %Ag的組成中，該具有奈米級粉末粒徑的Ag為10%以上，其餘為具有微米級粉末粒徑的Ag。

該焊料合金的Cu，係用於改善焊料合金的抗拉強度。Cu含量係在於0.5~1%。當Cu含量未達0.5%時，抗拉強度無法提高。Cu的下限較佳為0.6%以上，更佳為0.65%以上。另一方面，當Cu含 量超過0.8%時，以初晶的形態結晶出之粗大的Cu6Sn5金屬間化合物會造成耐振動性變差。此外，液相線溫度也會上昇。Cu的上限較佳為0.75%以下。

該焊料合金的Bi，是為了讓焊料合金的抗拉強度提高而使耐振動性提高所必要的元素。Bi含量是超過3%且5.5%以下。此外，縱使含有Bi，並不會妨礙後述之微細SnSb金屬間化合物的形成，而能維持析出強化型的焊料合金。當Bi含量為4.8%以下時，上述效果無法充分發揮。因此Bi含量的下限較佳為4.9%以上。另一方面，當Bi含量超過5.5%時，焊料合金的延性降低而變硬，耐振動性變差。Bi含量的上限較佳為5.3%以下，更佳為5.2%以下。

該焊料合金的Sb，是進入Sn基質中之固溶強化型的元素，且是超過Sn中之固溶限的量會形成微細SnSb金屬間化合物之析出分散強化型的元素，其是為了讓焊料合金的抗拉強度提高而讓耐振動性提高所必要的元素。Sb含量是超過1.5%且5.5%以下。當Sb含量為1.5%以下時，SnSb金屬間化合物的析出不足，上述效果無法發揮。Sb含量的下限較佳為1.6%以上，更佳為3.0%以上，特佳為4.8%以上。另一方面，當Sb含量超過5.5%時，焊料合金變硬，耐振動性有變差的疑慮。Sb含量的上限較佳為5.3%以下，更佳為5.2%以下。

該焊料合金的Ni，是均一分散於在電極和焊料合金之接合界面附近析出之金屬間化合物中，使金屬間化合物層改質，而抑制在電極和焊料合金的接合界面之斷裂。Ni含量是0.01%以上且未達0.1%。如此，使破壞模式轉移成在金屬間化合物層附近之焊料合金中的破壞模式。當Ni含量未達0.01%時，上述效果無法發揮。Ni含量的下限較佳為0.02%以上，更佳為0.03%以上。另一方面，當Ni含量為0.1%以上時，焊料合金的熔點變高，必須改變焊料接合時的溫度設定。Ni含量的上限較佳為0.09%以下，更佳為0.05%以下。

該焊料合金的Co，是為了將該Ni的效果提高所必要的元素。Co含量是0.001%以上且0.1%以下。當Co含量為0.001%以下時，上述效果無法發揮。Co含量的下限較佳為0.002%以上，更佳為0.004%以上。另一方面，當Co含量超過0.1%時，焊料合金的熔點變高，必須改變焊料接合時的溫度設定。Co含量的上限較佳為0.05%以下，更佳為0.012%以下。

該焊料合金的S，是為了將該Sb和Ni的效果提高與製程相容性與容忍度的元素。藉由在Sn-Ag-Cu系合金主體中，摻雜少量非金屬元素S，微調S摻雜元素的組成，可以提高不同元素的製程相容性與製程條件變異容忍度。S含量是0.001%以上且0.1%以下。當 S含量為0.001%以下時，上述效果無法發揮。S含量的下限較佳為0.002%以上，更佳為0.004%以上。另一方面，當S含量超過0.01%時，焊料合金變硬，耐振動性有變差的疑慮。S含量的上限較佳為0.05%以下，更佳為0.01%以下。

該焊料合金更包含Ti。該焊料合金的Ti，是為了將該Co、Ni和S的效果提高的元素。Ti含量是0.001%以上且0.1%以下。當Ti含量為0.001%以下時，上述效果無法發揮。Ti含量的下限較佳為0.002%以上，更佳為0.004%以上。另一方面，當Ti含量超過0.8%時，焊料合金的熔點變高，必須改變焊料接合時的溫度設定。Ti含量的上限較佳為0.05%以下，更佳為0.08%以下。

在該焊料合金中，其組成滿足：

0.020%≦Ni+Co≦0.10% (1)

上述(1)式中，Ni及Co表示各自在焊料合金中的含量(質量%)。在本發明的焊料合金，必須抑制焊接接頭的破壞模式當中不理想的型態、亦即其和電極的接合界面之斷裂。為了讓該效果充分發揮，Ni及Co之合計量的下限較佳為0.020%以上，更佳為0.042%以上。為了抑制熔點上昇而能以習知的回焊(reflow)條件進行焊接接頭的 形成，Ni及Co之合計量的上限較佳為0.105%以下，更佳為0.098%以下，再佳為0.09%以下，特佳為0.050%以下。

在該焊料合金中，其組成滿足：

9%≦Sb+Bi≦10% (2)

上述(2)式中，Bi及Sb表示各自在焊料合金中的含量(質量%)。本發明的焊料合金，藉由讓Sb及Bi的合計量增加而抑制焊料合金中的裂痕伸展，使焊料合金的抗拉強度提高，而進一步提高耐振動性。為了讓該效果充分發揮，Sb及Bi的合計量之下限較佳為9.1%以上，更佳為9.6%以上，再佳為9.7%以上，特佳為超過9.8%。基於不致使焊料合金變得過硬而抑制焊料合金中之裂痕伸展的觀點，Sb及Bi的合計量之上限較佳為10%以下。

為了讓抗拉強度提高而將Sb及Bi的含量增加，因為Ni及Co的含量相對變少，可想像並無法獲得耐振動性的提高。於是，藉由調整：用於抑制在印刷電路板的電極和焊料合金的界面之斷裂的Ni及Co含量、用於抑制焊料合金中的裂痕伸展之Bi及Sb含量、以及其等的均衡，能使焊料合金的抗拉強度及耐振動性提高，而呈現更高的可靠性。

在該焊料合金中中，其組成滿足

1×10^-5≦Ti+S≦1×10^-3 (3)

上述(3)式中，Ti及S表示各自在焊料合金中的含量(質量%)。在本發明的焊料合金，基於可更充分對應於基板之搭載區域的擴大之觀點，只要Ti及S的含量不過度增加，可以達到保持抗拉強度和耐振動性的均衡。相對於Ti及S的含量而言，Ni及Co的含量並不會變少，焊料合金的抗拉強度就不會變得過高。當Ni及Co含量為適量時，可抑制在電極和焊料合金的界面之破壞，而抑制焊料合金的熔點上昇，能毫無問題地進行焊接，而抑制耐振動性變差。如此般，抑制焊料合金之熔點上昇，並調整用於抑制在印刷電路板和焊料合金的界面之斷裂之Ni及Co的合計含量、與用於讓抗拉強度提高而抑制焊料合金中的裂痕伸展之Ti及S的合計含量兩者的均衡，藉此應可獲得更高的可靠性。因此，除了上述(1)式及(2)式，進一步滿足(3)式是更理想的。

除上述提及的元素，該焊料合金的剩餘部分是Sn。本發明之焊料合金的剩餘部分為Sn，亦可含有該元素以外之不可避免的更少量的雜質。縱使是含有不可避免的雜質的情況，也不會影響該的效果。

本發明的焊料膏，亦稱焊錫膏，係具有上述該焊料合金組成之焊料粉末和助焊劑的混合物。本發明的無鉛焊料的形狀，不僅是焊料膏，也能用於作為球狀、丸粒或墊片等的形狀之成形焊料，或是線狀焊料、包助焊劑焊料(flux-cored soldier)。本發明中所使用的助焊劑，只要是利用通常手法可進行焊接者即可，沒有特別的限制。因此，只要使用一般所採用之將松脂、有機酸、活性劑、溶劑適宜配合而成者即可。在本發明中，金屬粉末成分和助焊劑成分之配合比例沒有特別的限制。較佳為該焊料合金之金屬粉末成分：80~90質量%、助焊劑成分：10~20質量%。藉由微調的元素型態來達成降低製程溫度的功效，以及可達到降低該焊料合金後續應用焊料膏的加熱溫度之功效，並且能有效地減少Ag的整體使用量，進一部降低了成本。

本發明的焊接接頭適用於：半導體封裝中之積體電路晶片和其基板的連接，或是半導體封裝和印刷配線板的連接。在此，「焊接接頭」是指電極的接合部。在基板使用下述金屬遮罩印刷上述焊料膏，在印刷後的基板上搭載各式陣列封裝。然後，進行焊接，而形成焊接接頭。

本發明之焊料合金的製造方法，只要依據通常方式進行即可。在Sn-Ag-Cu系合金主體中，藉由微調Ag的元素型態，來達成 降低製程溫度的功效，且藉由摻雜少量非金屬元素S，微調S摻雜元素的組成，可以提高不同元素的製程相容性與製程條件變異容忍度。採用本發明的焊料合金之接合方法，例如只要使用回焊法而依據通常手法來進行即可。此外，採用本發明的焊料合金進行接合的情況，如果考慮到凝固時的冷卻速度能夠進一步將組織微細化。例如是以2~3℃/s以上的冷卻速度將焊接接頭冷卻。其他的接合條件，可按照焊料合金的合金組成而適宜地調整。

本發明的焊料合金之抗拉強度高且耐振動性優異，適用於車載電路在振動被傳遞過來的部位上所使用的電路。

雖然本發明已以該較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種焊料合金，其特徵在於，以質量%計，係具有Ag：1~4%、Cu：0.5~1%、Bi：超過3%且5.5%以下、Sb：超過1.5%且5.5%以下、Ni：0.01%以上且未達0.1%、Co：0.001%以上且0.1%以下、S：0.001%以上且0.1%以下，及剩餘部分為Sn所構成的合金組成。
2. 如請求項1所述之焊料合金，其中，該焊料合金組成滿足下述(1)式~(2)式，

   0.020%≦Ni+Co≦0.10% (1)

   9%≦Sb+Bi≦10% (2)

   上述(1)式~(2)式中，Ni、Co、Bi、Sb表示各元素在該焊料合金中的含量(質量%)。
3. 如請求項1所述之焊料合金，其中，該焊料合金組成更具Ti：0.001%以上且0.1%以下。
4. 如請求項3所述之焊料合金，其中，該焊料合金組成滿足

   1×10^-5≦Ti+S≦1×10^-3

   上述Ti及S表示各元素在該焊料合金中的含量(質量%)。
5. 如請求項3所述之焊料合金，其中，該焊料合金組成滿足下述(1)式 ~(3)式，

   0.020%≦Ni+Co≦0.10% (1)

   9%≦Sb+Bi≦10% (2)

   1×10^-5≦Ti+S≦1×10^-3 (3)

   上述(1)式~(3)式中，Ni、Co、Bi、Sb、Ti及S表示各元素在該焊料合金中的含量(質量%)。
6. 如請求項2所述之焊料合金，其中，在該1~4% Ag的組成中包含一具有奈米級粉末粒徑的Ag與一具有微米級粉末粒徑的Ag。
7. 如請求項6所述之焊料合金，其中，以質量%計算時，在該1~4% %Ag的組成中，該具有奈米級粉末粒徑的Ag為10%以上，其餘為具有微米級粉末粒徑的Ag。
8. 一種焊料膏，其特徵在於，係具有如請求項1所述之該焊料合金。
9. 如請求項4所述之焊料膏，其中該焊料合金之金屬粉末成分：80~90質量%、助焊劑成分：10~20質量%。
10. 一種焊接接頭，其特徵在於，係具有如請求項1所述之該焊料合金。