TWI492810B - Tin-copper lead-free solder alloy - Google Patents

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Description

錫銅系無鉛焊錫合金
本發明，是有關於無鉛焊錫合金，尤其是Sn-Cu系無鉛焊錫合金。
焊錫合金，是例如，使用於電子機器的電極及其他的部位的連接，或是使用於將IC裝置接合在護罩殼且進一步接合在散熱器。利用構成電極等的與金屬的沾染性，將電極及電路基板或IC裝置及護罩殼等金屬地接合。
在電極等的焊錫接合面中多使用Cu鍍膜的情況。但是，也有使用Ni鍍膜的情況。因此，錫焊，不只是錫焊於Cu鍍膜面，錫焊於Ni鍍膜面的情況也很常見。因此要求對於Ni、Cu的其中任一的錫焊性皆優異的焊錫合金。
以往，一般的Ni鍍膜面，因為錫焊困難，在Ni鍍膜面上將Au等薄薄地鍍膜好之後，在其上進行錫焊。
有關於朝Ni鍍膜面的錫焊，習知對於黏晶(晶片黏著)用，已提案：Pb-Sn系焊錫合金(專利文獻1：日本特開昭60-166192)、Bi-Ag系焊錫合金(專利文獻2：日本特公表2005-503926)、進一步Sn-Zn系焊錫合金(專利文獻3：日本特開2005-52869)等。
〔先行技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本特開昭60-166192號公報
〔專利文獻2〕日本特公表2005-503926號公報
〔專利文獻3〕日本特開2005-52869號公報
但是在如前述的習知技術的焊錫合金中，仍具有一些問題。考慮專利文獻1的含Pb焊錫合金對人體的影響，因為具有環境適合性的問題，所以其使用被限制。且，對於高價的貴金屬也就是Ag成分摻合比較多量的專利文獻2的焊錫合金，則是具有成本高的問題。
進一步，對於包含如Zn的非常地不穩定且容易氧化成分的焊錫合金(專利文獻3參照)，因為會在電極發生腐蝕和長期變化，所以具有避免被使用的傾向。
雖如此要求無鉛且不含有Ag、Zn，即，環境負荷較低且經濟性優異，並且對於Cu、Ni的其中任一皆顯示優異的錫焊性的焊錫合金，但是習知技術的焊錫合金，皆不是能夠滿足要求的材料。
在此，本發明的目的，是提供一種新穎的焊錫合金，可消解如此的問題。
本發明人等，發現Sn-Cu-Al系焊錫合金可發揮對於Ni鍍膜面的優異的沾染性。
即，發現對於Sn-Cu系焊錫合金摻合了Al：0.01~ 0.1質量%的話，對於Ni鍍膜面的沾染性不只是大大地被改善，朝Cu鍍膜面的錫焊性也良好，而完成本發明。且確認，對於Ni系合金也就是錫銅鋅合金、白銅也顯示良好的沾染。
進一步，對於上述Sn-Cu-Al焊錫合金，將Ti添加了0.02~0.1質量%及/或將Co0.01~0.05添加了質量%的話，對於Ni表面的沾染性是飛躍地被改善。且判明，對於Cu表面的錫焊性也良好。
如前述，一般朝Ni金屬構件表面乃至Ni鍍膜面的錫焊因為困難，所以會在Ni鍍膜面上施加Au鍍膜(也稱為Au閃鍍)來確保沾染性。但是，本發明的焊錫，可容易在無Au鍍膜的Ni鍍膜面進行錫焊，且在焊錫中因為也不含有貴金屬，所以在工業上可便宜地進行錫焊。當然，藉由在Ni鍍膜面進行Au閃鍍，錫焊性可進一步被改善。
在此，本發明，是具有由Cu：0.6~0.9質量%、Al：0.01~0.1質量%、Ti：0.02~0.1質量%、殘部Sn所構成的合金組成的無鉛焊錫合金。
上述合金組成，Al及Ti的合計量是0.03~0.1質量%也可以。
上述合金組成，是含有Co：0.01~0.05質量%也可以。
因此，本發明，是具有由：Cu：0.6~0.9質量%、Al：0.01~0.1質量%、Ti：0.02~0.1質量%、任意成分Co：0.01~0.05質量%、殘部Sn所構成的合金組成的無 鉛焊錫合金。
這些焊錫合金，在本發明總稱為焊錫合金。
另外，本發明，是具有上述項中任一項的合金組成，厚度500μm以下的無鉛焊錫合金薄片。
本發明，是藉由本發明的焊錫合金被接合的護罩殼及IC裝置的組裝體。
本發明，是進一步藉由上述焊錫合金將散熱器接合於前述護罩殼的散熱器及護罩殼及IC裝置的組裝體。
進一步將本發明，參照圖面說明如下。
第1圖，是使用本發明的焊錫合金將IC裝置及放熱構件(護罩殼和散熱器)錫焊的樣子的意示圖。
電氣、電子產業領域是伴隨日新月益的技術創新朝輕薄短小化邁進。尤其是在半導體領域中，追求多功能化、高密度化。且，伴隨多功能化，在半導體裝置中成為大電流通電，發生於半導體部分的熱量也有增大的傾向。將發生的熱朝外部放出的放熱性能，是與半導體的高性能化及信賴性直結的非常重要的要素。
半導體的放熱構件，一般是使用第1圖所示的散熱器。在成為放熱構件的散熱器及護罩殼中，金屬材料是使用熱傳導率高的金屬Cu或被Ni鍍膜的金屬Cu、金屬Al等。
在圖示例中，將設在基板5的BGA、Si等的IC裝置 3，透過護罩殼4連接在散熱器1，在IC裝置3及護罩殼4的連接、及護罩殼4及散熱器1的連接，使用本發明的焊錫合金2。將本發明的薄片狀的焊錫合金設在IC裝置3及護罩殼4之間、及護罩殼4及散熱器1之間來構成組裝體，並將這些由反射爐等加熱，來進行錫焊。
第2圖及第3圖，是顯示為了防止氧化提高錫焊性在Ni鍍膜面進行了Au閃鍍的接合面使用本發明的焊錫合金錫焊的情況，各別為朝錫焊溫度的加熱前、加熱後的接合部的模式的說明圖。同一構件是由同一符號顯示。當然，如後述的實施例所示，使用本發明的焊錫合金的話，即使不進行高價的Au鍍膜，仍可以有效地在Ni鍍膜面進行錫焊。
第2圖，是顯示錫焊前的組裝體，第3圖，是顯示錫焊後的組裝體。護罩殼，是進一步被錫焊在散熱器，在該情況，也使用本發明的焊錫進行錫焊較佳。
在圖示例中，Ni鍍膜層8是各別被設在IC裝置7及護罩殼6，且設有由Au閃鍍所形成的Au鍍膜層10來構成接合面。這些的接合面，是透過本發明的焊錫9被加熱、接合。第2圖所示的Au鍍膜層10是藉由加熱在內部擴散消失，並形成如第3圖所示Sn-Cu-Ni系金屬間化合物層11。
習知是對於此連接，使用金屬In、包含金屬In的樹脂系材料、潤滑油或導電性的帶。但是，因為金屬In是貴金屬，所以作為接合材料很高價，且含Ag材料也同樣 經濟性不佳。且，潤滑油和導電性的帶還殘留有耐熱性和與半導體元件、構件的密合性的課題。
依據本發明的話，如第1圖所示，對於被Ni鍍膜的IC裝置(半導體元件)及護罩殼乃至護罩殼及散熱器的接合，藉由使用本發明的焊錫合金就可金屬地接合。在護罩殼面及散熱器面施加Ni鍍膜或Ni/Au閃鍍也可以。
由此，可進行習知的接合方式困難的兼具高熱傳導性、耐熱性、密合性的放熱設計。
在本發明中限定合金成分的理由如下。
在本發明中，Cu，是為了改善焊錫合金的強度及融點調整而被摻合。
一般被使用在半導體貼裝部的焊錫，因為近年來的無鉛化，所以是以Sn-3質量%Ag-0.5質量%Cu焊錫為中心的SnAgCu系合金。
在此，本發明的焊錫合金，是融點是227~230℃程度接近Sn-Cu合金的共晶組成融點，為了此融點調整，使Cu添加量成為0.6~0.9質量%。
在Cu含有量未滿0.6質量%中，強度的改善不充分，另一方面，超過0.9質量%的情況時，因為融點高且機械的延性缺乏而不適當。較佳是，0.7~0.9質量%。
本發明的特徵之一，是摻合Al，但是在Al：0.01質量%未滿中沾染性改善效果不充分。另一方面，Al：0.1質量%超過的話，熔融時氧化容易的Al會容易在焊錫表面濃化，對於沾染性無法達成本發明的目的。較佳的Al含 有量，是0.02~0.07質量%。
本發明的焊錫合金，進一步藉由添加Ti0.02~0.1質量%，尤其是對於Ni的沾染性而顯著被改善。尤其是Al及Ti的合計量是0.03~0.1質量%時，沾染性的改善效果明顯。
在本發明的Sn-Cu-Al焊錫合金中，依據需要，進一步可以摻合Co：0.01~0.05質量%。藉由摻合Co對於本發明的朝焊錫合金的Ni面的沾染性，不只可以進一步改善且可以增加接合材的強度和硬度。
但是半導體元件多是以熱膨脹係數低的矽為主成分的情況，被接合的散熱器和護罩殼是金屬材料。在半導體及放熱構件(散熱器和護罩殼)的接合部中，伴隨通電會有由彼此的熱膨脹係數差所起因的熱變形。熱應力，而具有在接合體發生龜裂和剝離的情況。
本發明的焊錫合金，是藉由對於Sn-Cu焊錫添加微量Al，除了前述的作用效果以外，因為可以提高機械的延性，所以認為可以追從由熱應力所產生的變形。除此之外，藉由在Sn-Cu合金微量添加Al，依據需要進一步微量添加Ti0.02~0.1質量%，就可以將以Sn為主成分的組織微細化，因此認為可抑制由內部應力所產生的龜裂的進展的效果、或由應力緩和性使焊錫合金長壽命化。
本發明的焊錫合金的形態是不特別被限制，可以使用棒狀焊錫、粉末焊錫、球狀焊錫，薄片焊錫等適宜形態。
尤其是考慮朝Ni面的錫焊性優異的話，焊錫合金薄 片的形態，可知可以有利於使用於IC裝置的放熱用的放熱構件(護罩殼和散熱器)及IC裝置等的錫焊。
本發明的焊錫，因為對於Ni面的錫焊性特別優異所以形成薄片狀，且藉由將其一邊由護罩殼及IC裝置的底面挾持一邊由搬運式反射爐或焊錫接合用的烤箱爐加熱，就可以容易地接合。此時的焊錫薄片的厚度，是500μm以下。下限雖未特別限定，依據製造上的限制，通常為200μm以上。本發明的焊錫薄片，是配合焊錫接合面切斷成適宜的寬度、長度並被使用在上述的錫焊。
對於本發明，雖說明了將IC裝置接合在護罩殼和散熱器的焊錫合金，但是本行業者可容易理解，本發明的焊錫合金，也同樣可使用在電路基板的電極的錫焊。在該情況中，可以使用顆粒狀或圓板狀的預製焊錫。
〔實施例〕
將具有表1所示的合金組成的焊錫調製，藉由下述要領進行沾染性試驗，測量各焊錫的沾染性、抗拉強度。
沾染性試驗
藉由潤濕天平法，調查焊錫合金的沾染性。
使用的試驗片，是Ni板及Cu板(厚度0.3×寬度10×長度30mm)。
在此試驗片表面，薄薄地塗抹錫焊用的樹脂系溶劑，浸漬在被加熱保持於260℃的熔融焊錫中，取得對於時間 軸的沾染曲線。從此沾染曲線，求得零交叉時間，評價沾染性。
將試驗結果整理顯示在表1。對於Ni板的沾染性，比基本組成也就是Sn-0.7質量%Cu合金焊錫更快約1秒以上的零交叉時間而為良。基本組成的零交叉時間因為是5.4秒，所以2秒以上4秒未滿的情況時，沾染性的改善被視為「良」。且，零交叉時間為2秒未滿時為「優」，4秒以上時為「劣」。
同樣地，評價對於Cu板的沾染性，整理顯示在表1。與Ni板的情況同樣，對於沾染性的判斷基準，比基本組成也就是Sn-0.7Cu焊錫快的沾染的1.1秒未滿為「優」，1.1秒以上1.6秒未滿為「良」，1.6秒以上為「劣」。
(對於Ni及Cu的沾染性評價)
從表1所示的結果可了解，在Sn-0.6~0.9質量%Cu合金中，對於Ni的沾染性為差，藉由在其添加0.01~0.1質量%的Al，對於Ni的沾染性就被改善。
同樣地，藉由在Sn-Cu焊錫合金將Al添加0.01~0.1質量%，對於Cu也可發揮良好的沾染性。
對於Sn-Cu焊錫合金，除了Al以外，藉由添加Ti：0.02~0.1質量%，對於Ni的沾染性是非常強地被改善。尤其是Al、Ti的總添加量是約0.03~0.1質量%的情況 時，朝Ni的沾染性是強力地被改善。
第4圖，是依據表1的資料所作成的圖表，在Sn-0.7Cu系焊錫合金中，顯示改變Al含有量時對於Ni面及Cu面的焊料沾染性是如何變化。可知：Cu面的焊料沾染性雖不會特別對應Al含有量被影響，但是對於Ni面，在Al：0.01~0.1%的範圍可特別發揮優異的焊料沾染性。
1‧‧‧散熱器
2‧‧‧焊錫合金
3‧‧‧IC裝置
4‧‧‧護罩殼
5‧‧‧基板
6‧‧‧護罩殼
7‧‧‧IC裝置
8‧‧‧Ni鍍膜層
9‧‧‧焊錫
10‧‧‧Au鍍膜層
〔第1圖〕第1圖，是將本發明的焊錫合金使用於IC裝置的錫焊的態樣的意示圖。
〔第2圖〕第2圖，是在對於Ni鍍膜面進行Au閃鍍的面使用本發明的焊錫合金將IC裝置及護罩殼的組裝體錫焊時的加熱前的樣子的意示圖。
〔第3圖〕第3圖，是將第2圖的組裝體加熱、接合時的焊接面的構造的模式的說明圖。
〔第4圖〕第4圖，是依據表1的資料顯示Sn-Cu系焊錫合金中的Al含有量及焊料沾染性的關係的圖表。

Claims (6)

  1. 一種無鉛焊錫合金，具有由Cu：0.6~0.9質量%、Al：0.01~0.1質量%、Ti：0.02~0.1質量%、殘部Sn所構成的合金組成。
  2. 如申請專利範圍第1項的無鉛焊錫合金，其中，Al及Ti的合計量是0.03~0.1質量%。
  3. 如申請專利範圍第1或2項的無鉛焊錫合金，其中，前述合金組成，是進一步含有Co：0.01~0.05質量%。
  4. 一種無鉛焊錫合金薄片，具有申請專利範圍第1至3項中任一項的合金組成，厚度500μm以下。
  5. 一種護罩殼及IC裝置的組裝體，由如申請專利範圍第1至3項中任一項的無鉛焊錫合金被接合。
  6. 如申請專利範圍第5項的護罩殼及IC裝置的組裝體，進一步由如申請專利範圍第1至3項中任一項的無鉛焊錫合金將散熱器接合在前述護罩殼。
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