TW202317304A - 含混合焊料合金粉末之高可靠度無鉛焊料膏 - Google Patents

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Abstract

本發明之一些實施方案描述焊料膏，其基本上由以下組分組成：10重量%至90重量%之第一焊料合金粉末，該第一焊料合金粉末由Sn-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb-Bi合金或Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-In合金組成；10重量%至90重量%之第二焊料合金粉末，該第二焊料合金粉末由Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-Bi合金組成，且該第二焊料合金粉末具有較該第一焊料合金粉末低的固相線溫度；及助熔劑。

Description

含混合焊料合金粉末之高可靠度無鉛焊料膏
認為因對電子總成之處置產生之鉛(Pb)對環境及人類健康有害。法規越來越多地禁止於電子互連及電子包裝工業中使用Pb基焊料。2006年7月於歐盟實施之有害物質限制(Restriction of Hazardous Substances/RoHS)指令已導致Pb焊料合金經無Pb焊料合金替換。SnAgCu (「SAC」)焊料合金，諸如Sn3.0Ag0.5Cu (SAC305)及Sn3.8Ag0.7Cu (SAC387)已變成廣泛用於便攜機之主流無鉛焊料。此等焊料通常使用125℃及以下之操作溫度，及其廣泛用於電腦、便攜機及/或行動電子器件中。新興汽車電子要求引擎罩內使用之裝置之使用溫度至多150℃。低於125℃之使用溫度仍傾向於隔間裝置，但是期望較主流SAC305更長使用壽命。
針對此等嚴苛電子環境，傳統二元或三元無鉛富Sn焊料合金不夠可靠而無法生存。電子裝置之操作溫度越高，自焊料合金形成之銲點之微結構粗化及降解越快。高可靠度無鉛富Sn焊料合金之最近開發證實，Sb於提高銲點於嚴苛熱循環或熱衝擊條件下之熱疲勞抗性中起著關鍵作用。於此等合金中，可將5.0重量%至9.0重量% Sb合金化以最佳化精細SnSb金屬間化合物(IMC)粒子之體積分率及平衡自焊料合金形成之銲點之強度及延展性。
本發明之一些實施方案係關於焊料膏，其包含兩種或更多種金屬焊料粉末及助熔劑，其中該等焊料粉末中之一者可具有較另一者更低的熔化溫度，與傳統SnAgCu焊料合金之熔化溫度可比較或稍微更低，及另一焊料粉末可具有與傳統SnAgCu焊料合金可比較或更高之熔化溫度，因為Sb之添加。該焊料膏可降低峰回流溫度，加寬製程窗口，減少空隙形成及/或維持可比較可靠度或甚至提高該高可靠度單粉末對應膏之可靠度。
於一個實施例中，該焊料膏基本上由以下組成：10重量%至90重量%之第一焊料合金粉末，該第一焊料合金粉末由Sn-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb-Bi合金或Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-In合金組成；10重量%至90重量%之第二焊料合金粉末，該第二焊料合金粉末由Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-Bi合金組成，及該第二焊料合金粉末具有較該第一焊料合金粉末更低的固相線溫度；及助熔劑。
於一些實施方案中，該焊料膏基本上由40重量%至90重量%之該第一焊料合金粉末、10重量%至60重量%之該第二焊料合金粉末及該助熔劑組成。
於一些實施方案中，該第一焊料合金粉末具有210℃至245℃之固相線溫度；及該第二焊料合金粉末具有200℃至217℃之固相線溫度。
於一些實施方案中，該第一焊料合金粉末為：2至10重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.0至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
於一些實施方案中，該第一焊料粉末為：1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
於一些實施方案中，該第二焊料合金粉末為：1.5至4.0重量% Ag，0.5至1.2重量% Cu，及其餘為Sn；或1.5至4.0重量% Ag，0.5至1.2重量% Cu，1.0至7.0重量% Bi及其餘為Sn。
於一些實施方案中，該第一焊料合金粉末包含0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn。
於一些實施方案中，該第一焊料合金粉末為95Sn-5Sb、90.6Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb0.01Ni、89.3Sn3.8Ag0.9Cu5.5Sb0.5In、89.7Sn3.8Ag1.2Cu3.8Sb1.5Bi、89Sn3.8Ag0.7Cu3.5Sb0.5Bi2.5In、86.7Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb3.2Bi0.5In0.2Ni、85.1Sn3.2Ag0.7Cu11Sb或84.6Sn3.2Ag0.7Cu11Sb0.5In。於一些實施方案中，該第二焊料合金粉末為91.0Sn2.5Ag0.5Cu6.0Bi、93.5Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi、93.5Sn3.0Ag0.5Cu6.0Bi或96.5Sn3.5Ag0.5Cu。
於一個實施例中，方法包括：在兩個組件之間施覆焊料膏以形成總成，該焊料膏基本上由以下組成：10重量%至90重量%之第一焊料合金粉末，該第一焊料合金粉末由Sn-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb-Bi合金或Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-In合金組成；10重量%至90重量%之第二焊料合金粉末，該第二焊料合金粉末由Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-Bi合金組成，及該第二合金具有較該第一合金更低的固相線溫度；及助熔劑；及將該總成回流焊接以自該焊料膏形成銲點。
於一些實施方案中，將該總成回流焊接以形成該銲點包括：在低於自由該第一焊料合金粉末及該助熔劑組成之焊料膏形成銲點所需之峰溫度下將該總成回流焊接。例如，當包含混合焊料合金粉末及助熔劑之焊料膏可在低於245℃ (例如，約240℃)之溫度下回流焊接時，自由該第一焊料合金粉末及該助熔劑組成之焊料膏形成銲點所需之峰溫度可高於245℃、高於250℃、高於255℃或甚至更高。於一些實施方案中，該總成係在約240℃至低於245℃之峰溫度下回流焊接。於一些實施方案中，該總成係在約240℃或更低之峰溫度下回流焊接。於一些實施方案中，該總成係在約235℃至約240℃之峰溫度下回流焊接。
於一個實施例中，銲點藉由製程形成，該製程包括：在兩個組件之間施覆焊料膏以形成總成，該焊料膏基本上由以下組成：10重量%至90重量%之第一焊料合金粉末，該第一焊料合金粉末由Sn-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb-Bi合金或Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-In合金組成；10重量%至90重量%之第二焊料合金粉末，該第二焊料合金粉末由Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-Bi合金組成，及該第二合金較該第一合金具有更低固相線溫度；及助熔劑；將該總成回流焊接以自該焊料膏形成該銲點。
所揭示技術之其他特徵及態樣將自下列實施方式，結合附圖變得顯然，該等附圖舉例說明根據所揭示技術之實施方案之特徵。發明內容不意欲限制本文中所述之任何本發明之範圍，該範圍由申請專利範圍及等效物限定。
應瞭解，設想上述觀念之所有組合(假設此等觀念不互相矛盾)作為本文中所揭示之本發明標的之部分。特定言之，設想在本發明結束時出現之所主張標的之所有組合作為本文中所揭示之本發明標的之部分。
相關申請案之交互參照
本申請案主張2021年6月11日申請及標題為「含混合焊料合金粉末之高可靠度無鉛焊料膏(High Reliability Lead-Free Solder Pastes with Mixed Solder Alloy Powders)」之美國臨時專利申請案第63/209,585號之權益，該案之全文係以引用的方式併入本文中。
如上所討論，已將5.0重量%至9.0重量% Sb添加至SnAgCu焊料以顯著提高高溫嚴苛電子環境之可靠度。然而，將5.0至9.0重量% Sb合金化至典型SnAgCu焊料合金與常用SnAgCu焊料相比可加寬膏狀範圍(即，在合金之固相線溫度與液相線溫度之間之範圍)及提高焊料合金之熔點約8至11攝氏度，該常用SnAgCu焊料具有約217℃之熔化溫度。由於SnAgCuSb、SnAgCuSbIn或SnAgCuBiSb基焊料合金之熔化溫度之提高，235℃至240℃之傳統SAC回流溫度必須提高至少10℃達至245至250℃。當利用含Sb之SnAgCuSb合金焊接時，此可使製程窗口變窄，因為一些印刷電路板總成(PCBA)組無法承受提高之回流溫度。除了升高製程溫度外，高可靠度富Sn焊料合金通常顯示較使用傳統SnAgCu製程曲線之SnAgCu合金更差的空隙形成性能，可能因為自添加Sb所致之更寬膏狀範圍。總之，雖然添加5.0至9.0重量%之量之Sb至SnAgCu焊料合金可顯著提高可靠度，但是其將提高焊料合金之熔化溫度及加寬膏狀範圍，其可導致與主流無鉛焊料(諸如SAC305及SAC387)相比更高的回流峰溫度、更窄的製程窗口及/或差的空隙形成性能。
為解決此等挑戰，本發明之實施方案係針對新穎焊料膏，其包含兩種或更多種選定金屬焊料粉末及助熔劑，其中該焊料膏目標在於(1)降低回流峰溫度，(2)加寬製程窗口，(3)減少空隙形成，及/或(4)維持可比較的可靠度或甚至提高該高可靠度單一粉末對應膏之可靠度。焊料粉末中之一者可具有較另一者更低的熔化溫度，與傳統SnAgCu焊料合金之熔化溫度可比較或稍微更低，及另一焊料粉末可因為添加Sb而具有與傳統SnAgCu焊料合金可比較或更高之熔化溫度。例如，於具有至少兩種焊料合金粉末之焊料膏之一個實施方案中，第一焊料合金粉末具有較高固相線溫度，其範圍可自210至245℃，及第二焊料合金粉末具有較低固相線溫度，其範圍可自200至217℃。
於一些實施方案中，較高熔化溫度焊料合金可包括SnSb、SnAgCuSb、SnAgCuSbIn、SnAgCuBiSb、SnAgCuBiSbIn或其變型。於一些實施方案中，Bi、In、Ni及/或Co之添加劑可包含於較高熔化溫度焊料合金中以增強其延展性或提高潤濕性能。表1顯示根據本發明之實例較高熔化溫度焊料合金(描述為合金A至D，及I至K)之組成，如與傳統SnAgCu合金(描述為合金E至H)相比。根據本發明之較高熔化溫度焊料合金可提供與傳統富Sn之SnAgCu焊料合金相比提高之可靠度及更高的熔化溫度。 表 1
合金 Sn Ag Cu Sb Bi In Ni
A 86.70 3.20 0.70 5.50 3.20 0.50 0.20
B 90.59 3.20 0.70 5.50       0.01
C 89.30 3.80 0.90 5.50    0.50   
D 89.00 3.80 0.70 3.50 0.50 2.50   
E 96.50 3.00 0.50            
F 93.50 3.00 0.50    3.00      
G 90.50 3.00 0.50    6.00      
H 91.00 2.50 0.50    6.00      
I 95.00       5.00         
J 85.10 3.20 0.70 11.00         
K 84.60 3.20 0.70 11.00    0.5   
為維持最終銲點之良好空隙形成性能及高可靠度，以及245℃之最大製程溫度，可調整較高熔化溫度焊料合金及較低熔化溫度焊料合金之比率。若較低固相線溫度焊料合金相對於較高固相線溫度焊料合金之重量%係不足，則所需製程溫度可高於245℃。另一方面，若較低固相線溫度焊料合金綽綽有餘，則銲點之可靠度可受損，由於較高固相線溫度焊料合金之短缺。因此，該膏中之第一焊料合金及第二焊料合金之比率可需要經仔細設計使得高可靠度性能及低製程溫度窗二者均被滿足。為此，較高固相線溫度焊料粉末可佔焊料膏之10重量%至90重量%，及較低固相線溫度焊料粉末可佔焊料膏之10重量%至90重量%。於特定實施中，較高固相線溫度焊料粉末可佔焊料膏之40重量%至90重量%，及較低固相線溫度焊料粉末可佔焊料膏之10重量%至60重量%。
下表2說明根據本發明之無鉛混合焊料粉末膏之實例組成。第一較高固相線溫度及較高可靠度焊料合金(表1中之合金#A)為Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb3.2Bi0.5In0.2Ni，及第二較低固相線溫度焊料合金為SnAgCuBi焊料合金(表1中之合金#H或#F)。 表 2
M# 合金 #A 合金 #H 合金 #F 接點組成
Sn Ag Cu Sb Bi In Ni Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Sb Bi In Ni
86.70 3.20 0.70 5.50 3.20 0.50 0.20 91.00 2.50 0.50 6.00 93.50 3.00 0.50 3.00
2-1 10重量% 90重量%    90.57 2.57 0.52 0.55 5.72 0.05 0.02
2-2 20重量% 80重量%    90.14 2.64 0.54 1.10 5.44 0.10 0.04
2-3 30重量% 70重量%    89.71 2.71 0.56 1.65 5.16 0.15 0.06
2-4 40重量% 60重量%    89.28 2.78 0.58 2.20 4.88 0.20 0.08
2-5 50重量% 50重量%    88.85 2.85 0.60 2.75 4.60 0.25 0.10
2-6 60重量% 40重量%    88.42 2.92 0.62 3.30 4.32 0.30 0.12
2-7 70重量% 30重量%    87.99 2.99 0.64 3.85 4.04 0.35 0.14
2-8 80重量% 20重量%    87.56 3.06 0.66 4.40 3.76 0.40 0.16
2-9 90重量% 10重量%    87.13 3.13 0.68 4.95 3.48 0.45 0.18
2-10 10重量%    90重量% 92.82 3.02 0.52 0.55 3.02 0.05 0.02
2-11 20重量%    80重量% 92.14 3.04 0.54 1.10 3.04 0.10 0.04
2-12 30重量%    70重量% 91.46 3.06 0.56 1.65 3.06 0.15 0.06
2-13 40重量%    60重量% 90.78 3.08 0.58 2.20 3.08 0.20 0.08
2-14 50重量%    50重量% 90.10 3.10 0.60 2.75 3.10 0.25 0.10
2-15 60重量%    40重量% 89.42 3.12 0.62 3.30 3.12 0.30 0.12
2-16 70重量%    30重量% 88.74 3.14 0.64 3.85 3.14 0.35 0.14
2-17 80重量%    20重量% 88.06 3.16 0.66 4.40 3.16 0.40 0.16
2-18 90重量%    10重量% 87.38 3.18 0.68 4.95 3.18 0.45 0.18
下表3說明根據本發明之無鉛混合焊料粉末膏之實例組成。第一較高固相線溫度及較高可靠度焊料合金(表1中之合金#B)為Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb0.01Ni，及第二較低固相線溫度焊料合金為SnAgCu焊料合金(合金#E)或SnAgCuBi焊料合金(合金#G)。 表 3
   M# 合金 #B 合金 #E 合金 #G 接點 組成
Sn Ag Cu Sb Ni Sn Ag Cu Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Sb Bi Ni
90.59 3.20 0.70 5.50 0.01 96.50 3.00 0.50 90.50 3.00 0.50 6.00                  
3-1 10重量% 90重量%    95.91 3.02 0.52 0.55    0.00
3-2 20重量% 80重量%    95.32 3.04 0.54 1.10    0.00
3-3 30重量% 70重量%    94.73 3.06 0.56 1.65    0.00
3-4 40重量% 60重量%    94.14 3.08 0.58 2.20    0.00
3-5 50重量% 50重量%    93.55 3.10 0.60 2.75    0.01
3-6 60重量% 40重量%    92.95 3.12 0.62 3.30    0.01
3-7 70重量% 30重量%    92.36 3.14 0.64 3.85    0.01
3-8 80重量% 20重量%    91.77 3.16 0.66 4.40    0.01
3-9 90重量% 10重量%    91.18 3.18 0.68 4.95    0.01
3-10 10重量%    90重量% 90.51 3.02 0.52 0.55 5.40 0.00
3-11 20重量%    80重量% 90.52 3.04 0.54 1.10 4.80 0.00
3-12 30重量%    70重量% 90.53 3.06 0.56 1.65 4.20 0.00
3-13 40重量%    60重量% 90.54 3.08 0.58 2.20 3.60 0.00
3-14 50重量%    50重量% 90.55 3.10 0.60 2.75 3.00 0.01
3-15 60重量%    40重量% 90.55 3.12 0.62 3.30 2.40 0.01
3-16 70重量%    30重量% 90.56 3.14 0.64 3.85 1.80 0.01
3-17 80重量%    20重量% 90.57 3.16 0.66 4.40 1.20 0.01
3-18 90重量%    10重量% 90.58 3.18 0.68 4.95 0.60 0.01
下表4說明根據本發明之無鉛混合焊料粉末膏之實例組成。第一較高固相線溫度及較高可靠度焊料合金為表1中之合金#A、#J及#K，及第二較低固相線溫度焊料合金為SnAgCuBi焊料合金(合金#F及#H)。 表 4
M# 合金 #A 合金 #H 合金 #F 接點組成
Sn Ag Cu Sb Bi In Ni Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Sb Bi In Ni
86.70 3.20 0.70 5.50 3.20 0.50 0.20 91.00 2.50 0.50 6.00 93.50 3.00 0.50 3.00                     
4-1 30重量% 70重量%    89.71 2.71 0.56 1.65 5.16 0.15 0.06
                                
   合金 #J 合金 #H 合金 #F 接點組成
   Sn Ag Cu Sb Bi In Ni Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Sb Bi In Ni
   85.10 3.20 0.70 11.00          91.00 2.50 0.50 6.00 93.50 3.00 0.50 3.00                     
4-2 50重量% 50重量%    88.05 2.85 0.60 5.50 3.00      
                                
   合金 #K 合金 #H 合金 #F 接點組成
   Sn Ag Cu Sb Bi In Ni Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Bi Sn Ag Cu Sb Bi In Ni
   84.60 3.20 0.70 11.00    0.50    91.00 2.50 0.50 6.00 93.50 3.00 0.50 3.00                     
4-3 50重量% 50重量%    87.80 2.85 0.60 5.50 3.00 0.25   
4-4 30重量% 70重量%    89.08 2.71 0.56 3.30 4.20 0.15   
4-5 30重量%    70重量% 90.83 3.06 0.56 3.30 2.10 0.15   
下表5列出根據本發明之單一焊料合金(表1中之合金#A及H)及混合焊料膏之八種合金(表2中之M#2-6至2-8及表4中之M#4-1至4-5)之固相線溫度及液相線溫度。該等固相線溫度及液相線溫度藉由利用TA Q2000 DSC進行之示差掃描量熱法(DSC)量測。 表 5
固相線， ℃ 液相線， ℃
合金 #A 214.38 228.75
合金 #H 199.11 215.48
M#2-6 211.19 224.66
M#2-7 212.91 226.59
M#2-8 214.42 227.44
M#4-1 206.1 221.6
M#4-2 216.3 230.6
M#4-3 216.0 229.8
M#4-4 211.2 227.4
M#4-5 214.8 230.0
如所述，如與僅含有合金#A之焊料膏相比，將40重量%合金#H混合至合金#A中可將銲點熔點降低4℃，其證實在較低峰溫度下回流之可行性。
圖1A至1B為各自顯示於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之三個銲點之空隙%(圖1A)及黏結剪切強度(單位兆帕) (MPa) (圖1B)的圖。該等三個銲點係使用單一合金(合金#A)焊料膏及混合焊料膏(表2中之M#2-6及M#2-8)形成。將3 mm X 3 mm Cu晶粒回流至有機可焊性保護劑(OSP)基板上之焊料以形成晶粒附接銲點。藉由X-射線量測空隙%及利用CONDOR 250 XYZTEC剪切測試機在不同溫度下捕獲黏結剪切強度。
一般而言，銲點之剪切強度越高表明可靠度越佳。如圖1A至1B所述，M#2-6中更低量之合金#A導致與以下相比更佳空隙形成性能(即，更低空隙%)，同時維持高溫(在125℃及150℃下)黏結剪切強度：(1)對應單一合金焊料膏(合金#A)及(2)混合焊料膏M#2-8。考慮到空隙形成性能及黏結強度二者之組合，M#2-6 (60重量%之合金#A及40重量%之合金#H)勝過M#2-8 (80重量%之合金#A及20重量%之合金#H)。
圖2為於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之六個銲點之空隙%的圖。該等六個銲點係使用單一合金(合金#A)焊料膏及五種混合焊料膏(表2中之M#2-11、M#2-13、M#2-14、M#2-15及M#2-17)形成。自該圖認識到，空隙形成性能隨著混合焊料膏(#A及#F)中之選定低固相線溫度焊料合金(#F)之量的趨勢。焊料中之合金#F之量越高，空隙%就越低。然而，為維持可靠度，合金#A及#F之混合比率可能需要維持在某個水平以上。
圖3說明自合金#A、#F及M#2-14製得及在相同曲線下回流之Cu-Cu接點在25℃至175℃之溫度範圍下之黏結剪切強度。自混合焊料膏M#2-14製得之銲點展示在整個溫度範圍中較自單一合金焊料膏(#A及#F)製得之兩個銲點更高的黏結強度，這指示更佳可靠度。此證實，合金#A及合金#F之50重量%:50重量%混合比率不僅提高空隙形成性能，而且增強黏結剪切強度及可能地相關可靠度。
使用加速熱循環(ATC)測試利用經組裝之晶片電阻器測試板評價包含M#2-14 (由50重量%合金#A及50重量%合金#F組成)之實施例之銲點的熱疲勞可靠度。具有兩個不同大小的電阻器(0603及0805)之經組裝之晶片電阻器測試板使能進行電氣連接測試，即，在熱循環期間原位連續監測。ATC之標稱溫度循環曲線為1) -40至125℃，在各極端溫度下具有10分鐘之停留時間(TC1)，及2) -40至150℃，在各極端溫度下具有10分鐘之停留時間(TC2)。使用數據記錄器監測銲點，該數據記錄器設置50%之電阻增加為故障標準。於TC1下4000個循環後及於TC2下2500個循環後沒有任何電阻器出現故障。於TC1下2500個循環後銲點之橫截面顯示，沒有圍繞銲點角之明顯裂紋增長，該銲點角處應變係最高。測試證實，由M#2-14製得之銲點較常用工業標準合金#E熱穩定得多。圖4A至圖4B各自顯示於TC1下2500個循環後自M#2-14 (圖4A)及合金#E (圖4B)形成之銲點之橫截面。合金#E之銲點展示於TC1下2500個循環後嚴重開裂，而M#2-14之銲點幾乎完整。
圖5為顯示於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之九個銲點之空隙%的圖。該等九個銲點係使用單一合金(合金#B)焊料膏及八種混合焊料合金膏(表3中之M#3-2、M#3-4、M#3-6、M#3-8及M#3-11、M#3-13、M#3-15、M#3-17)形成。該圖顯示，混合焊料合金膏中之較低固相線溫度焊料合金(#E或#G)相對於較高固相線溫度焊料合金(#B)之較高比率一般與更佳空隙形成性能相關。
圖6為顯示於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之七個銲點之空隙%的圖。如圖6之右上圖中所繪，銲點係在MicroLeadFrame®組件(MLF68)與測試板之間形成。該等七個銲點係使用單一合金(合金#A)焊料膏及六種混合焊料合金膏(表2中之M#2-14，及表4中之M#4-1至4-5)形成。該圖顯示，混合焊料合金膏具有較單一合金焊料膏更佳的空隙形成性能。該圖亦顯示，混合焊料合金膏中之較低固相線溫度焊料合金(例如，#F或#H)相對於較高固相線溫度焊料合金(#A)之較高比率一般與更佳空隙形成性能相關。
使用如上所定義之ATC測試TC1，利用經組裝之晶片電阻器(1206電阻器)測試板評價包含合金#E (常用工業標準)、M#2-14及M#4-1至4-5之銲點之熱疲勞可靠度。比較於TC1下2000個循環後銲點之橫截面。圖7顯示於TC1下2000個循環後自合金#E、M#2-14及M#4-1至4-5形成之銲點之橫截面。橫截面中所示之裂紋傳播證實，由根據本發明之混合粉末焊料膏製得之銲點較常用工業標準合金#E熱穩定得多。
雖然以上已描述所揭示技術之各種實施例，但是應瞭解，其僅經由實例呈現，而非限制性。同樣，各個圖表可描繪所揭示技術之實例架構或其他構造，進行其以幫助理解可包含於所揭示技術中之特徵及功能性。可實施所說明之實施例及其各種替代而不局限於所說明之實例。此外，關於流程圖、操作描述及方法主張，除非上下文另有指定，否則本文中呈現之步驟之順序不應強制待實施之各種實施例以相同順序進行所詳述之功能。
雖然以上根據各種示例性實施例及實施方案描述所揭示之技術，但是應瞭解，個別實施例中之一或多者中所述之各種特徵、態樣及功能性在其對描述其之特定實施例之適用性方面不受限制，而是可單獨或以各種組合應用於所揭示技術之其他實施例中之一或多者，無論是否描述此等實施例及無論是否呈現此等特徵作為所述實施例之一部分。因此，本文中所揭示之技術之寬度及範圍不應由上述示例性實施例中之任一者限制。
除非另有明確指定，否則用於此文件中之術語及短語及其變型應解釋為開放式而非限制性。作為上述之實例：術語「包含」應解讀為含義「包括但不限於」或類似者；術語「實例」係用於提供所討論條項之示例性情況，非其詳盡或限制性列表；術語「一(a/an)」應解讀為含義「至少一個」、「一或多個」或類似者；及形容詞，諸如「習知」、「傳統」、「正常」、「標準」、「已知」及相似含義之術語不應解釋為限制所述條項於給定時間段或截止給定時間條項可得，而是應解讀為包含可在現在或將來之任何時間可得或已知之習知、傳統、正常或標準技術。同樣，在此文件中提及將對一般技術者顯然或已知之技術之情況下，此等技術包含現在或在將來之任何時間對熟習技工顯然或已知之彼等。
於一些情況中，擴展性單詞及短語，諸如「一或多個」、「至少」、「但不限於」或其他類似短語之存在不應解讀為意指於可不存在此等擴展性短語之情況中意欲或需要更窄的情況。
根據一或多個各個實施例，本文中所揭示之技術參考所包含之圖進行詳細描述。該等圖僅出於說明目的提供及僅描述實例實施方案。
圖1A為顯示於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之三個銲點之空隙%的圖。
圖1B為顯示圖1A中之3個銲點之黏結剪切強度(單位兆帕)的圖。
圖2為顯示於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之六個銲點之空隙%的圖。
圖3說明自三種不同焊料膏製得及在相同曲線下回流之Cu-Cu接點在25℃至175℃之溫度範圍下之黏結剪切強度。
圖4A顯示根據本發明之實施方案，於熱循環測試後自混合合金粉末焊料膏形成之銲點的橫截面。
圖4B顯示於熱循環測試後自單一合金粉末焊料膏形成之銲點之橫截面。
圖5為顯示於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成之九個銲點之空隙%的圖。
圖6為顯示在測試板上之MLF68組件之七個銲點之空隙%的圖，該等銲點於利用具有240℃之峰溫度之相同回流曲線回流後形成。
圖7顯示七個銲點於2000個循環之熱循環測試(-40/125℃)後之橫截面。
該等圖不意欲詳盡或限制本發明於所揭示之精確形式。應瞭解，本發明可利用修改及更改來實踐，及所揭示技術僅由申請專利範圍及其等效物限制。

Claims (21)

  1. 一種焊料膏，其基本上由以下組分組成： 10重量%至90重量%之第一焊料合金粉末，該第一焊料合金粉末由Sn-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb-Bi合金或Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-In合金組成； 10重量%至90重量%之第二焊料合金粉末，該第二焊料合金粉末由Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-Bi合金組成，且該第二焊料合金粉末具有較該第一焊料合金粉末低的固相線溫度；及 助熔劑。
  2. 如請求項1之焊料膏，其中該焊料膏基本上由40重量%至90重量%之該第一焊料合金粉末、10重量%至60重量%之該第二焊料合金粉末及該助熔劑組成。
  3. 如請求項2之焊料膏，其中： 該第一焊料合金粉末具有210℃至245℃之固相線溫度；及 該第二焊料合金粉末具有200℃至217℃之固相線溫度。
  4. 如請求項1之焊料膏，其中該第一焊料合金粉末為： 2至10重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.0至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
  5. 如請求項4之焊料膏，其中該第一焊料粉末為： 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
  6. 如請求項4之焊料膏，其中該第二焊料合金粉末為： 1.5至4.0重量% Ag，0.5至1.2重量% Cu，及其餘為Sn；或 1.5至4.0重量% Ag，0.5至1.2重量% Cu，1.0至7.0重量% Bi及其餘為Sn。
  7. 如請求項4之焊料膏，其中該第一焊料合金粉末包含0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn。
  8. 如請求項4之焊料膏，其中該第一焊料合金粉末為95Sn-5Sb、90.6Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb0.01Ni、89.3Sn3.8Ag0.9Cu5.5Sb0.5In、89.7Sn3.8Ag1.2Cu3.8Sb1.5Bi、89Sn3.8Ag0.7Cu3.5Sb0.5Bi2.5In、86.7Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb3.2Bi0.5In0.2Ni、85.1Sn3.2Ag0.7Cu11Sb或84.6Sn3.2Ag0.7Cu11Sb0.5In。
  9. 如請求項6之焊料膏，其中該第二焊料合金粉末為91.0Sn2.5Ag0.5Cu6.0Bi、93.5Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi、93.5Sn3.0Ag0.5Cu6.0Bi或96.5Sn3.5Ag0.5Cu。
  10. 如請求項4之焊料膏，其中該第一焊料合金粉末為： 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.0至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
  11. 一種方法，其包括： 在兩個組件之間施覆焊料膏以形成總成，該焊料膏基本上由以下組分組成： 10重量%至90重量%之第一焊料合金粉末，該第一焊料合金粉末由Sn-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu-Sb-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb-Bi合金或Sn-Ag-Cu-Sb-Bi-In合金組成； 10重量%至90重量%之第二焊料合金粉末，該第二焊料合金粉末由Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-Bi合金組成，及該第二合金具有較該第一合金低的固相線溫度；及 助熔劑；及 將該總成回流焊接以自該焊料膏形成銲點。
  12. 如請求項11之方法，其中將該總成回流焊接以形成該銲點包括：在低於自由該第一焊料合金粉末及該助熔劑組成之焊料膏形成銲點所需之峰溫度下將該總成回流焊接。
  13. 如請求項12之方法，其中： 該第一焊料合金粉末具有210℃至245℃之固相線溫度；及 該第二焊料合金粉末具有200℃至217℃之固相線溫度。
  14. 如請求項13之方法，其中該峰溫度係低於245℃。
  15. 如請求項13之方法，其中：該焊料膏基本上由40重量%至90重量%之該第一焊料合金粉末、10重量%至60重量%之該第二焊料合金粉末及該助熔劑組成。
  16. 如請求項11之方法，其中該第一焊料合金粉末為： 2至10重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.5至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；3.0至6.5重量%之Sb；0.2至7.0重量%之Bi；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn； 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或 1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
  17. 如請求項16之方法，其中該第二焊料合金粉末為： 1.5至4.0重量% Ag，0.5至1.2重量% Cu，及其餘為Sn；或 1.5至4.0重量% Ag，0.5至1.2重量% Cu，1.0至7.0重量% Bi及其餘為Sn。
  18. 如請求項16之方法，其中該第一焊料合金粉末為95Sn-5Sb、90.6Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb0.01Ni、89.3Sn3.8Ag0.9Cu5.5Sb0.5In、89.7Sn3.8Ag1.2Cu3.8Sb1.5Bi、89Sn3.8Ag0.7Cu3.5Sb0.5Bi2.5In、86.7Sn3.2Ag0.7Cu5.5Sb3.2Bi0.5In0.2Ni、85.1Sn3.2Ag0.7Cu11Sb或84.6Sn3.2Ag0.7Cu11Sb0.5In。
  19. 如請求項16之方法，其中該第一焊料合金粉末為1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn；或1.5至4.0重量%之Ag；0.5至1.2重量%之Cu；9至15重量%之Sb；0.1至3.5重量%之In；視情況0.001至3.0重量%之Ni、Co、Mn、P或Zn；及其餘為Sn。
  20. 如請求項17之方法，其中該第二焊料合金粉末為91.0Sn2.5Ag0.5Cu6.0Bi、93.5Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi、93.5Sn3.0Ag0.5Cu6.0Bi或96.5Sn3.5Ag0.5Cu。
  21. 一種藉由製程形成之銲點，該製程包括： 在兩個組件之間施覆如請求項1至10中任一項之焊料膏以形成總成；及 將該總成回流焊接以自該焊料膏形成該銲點。
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