TWI622653B - 焊料合金及焊料組成 - Google Patents
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Abstract
一種焊料合金及焊料組成。該焊料合金包含：以重量百分比計，銦含量介於18-28(wt%)、鉍含量介於44.5-54.5(wt%)、鋯含量介於0.01-1.45(wt%)，及剩餘含量為錫。該焊料組成包含以重量百分比計，銅含量介於0-10(wt%)、銀含量介於0-10(wt%)、鎳含量介於0-10(wt%)、錫含量介於0-10(wt%)、助焊劑含量介於10-15(wt%)，以及剩餘含量為前述的焊料合金，其中銅、銀、鎳、錫含量不同時為0。
Description
本發明是有關於一種焊料合金，特別是指一種低熔點的焊料合金及低熔點且可形成介金屬化合物的焊料組成。
塑膠材料具有質輕且易於塑形的優點，已廣泛使用於各領域。而且隨著在塑膠物件表面形成導電線路的技術日益增進，進而產生在塑膠物件表面焊接電子元件的需求。
由於有些塑膠材料的熔點較低，所適用的焊料合金即需具有更低的熔點，才能滿足使用需求。
此外，有些焊點在後續製程中，需要耐受較高的溫度，例如在低於130℃焊接後，後續可能需要耐受高於200℃的溫度。因此焊料除了低熔點的需求之外，還有形成焊點後需要能耐受較高溫度的需求。
本發明之其中一目的，即在提供一種具有較低熔點的焊料合金。
本發明之其中另一目的，在提供一種可以形成介金屬化合物(Intermetallic compound,IMC)以加強焊點的可靠度與耐溫性的焊料組成。
於是，本發明焊料合金在一些實施態樣中，包含以重量百分比計，銦含量介於18-28(wt%)、鉍含量介於44.5-54.5(wt%)、鋯含量介於0.01-1.45(wt%)，及剩餘含量為錫。
在一些實施態樣中，鋯的含量為約0.5(wt%)。
在一些實施態樣中，該焊料合金熔點介於56-130℃。
本發明焊料組成在一些實施態樣中，包含以重量百分比計，銅含量介於0-10(wt%)、銀含量介於0-10(wt%)、鎳含量介於0-10(wt%)、錫含量介於0-10(wt%)、助焊劑含量介於10-15(wt%)，以及剩餘含量為如前所述的焊料合金，其中銅、銀、鎳、錫含量不同時為0。
本發明至少具有以下功效：本發明焊料合金具有低熔點，且較佳的機械性質。而且焊料組成可以在低溫焊接，且形成的焊點可以承受較高的溫度，以加強焊點的可靠度與耐溫性。
圖1與圖2為本發明焊料合金之一實施例用以焊接一元件及一基板後的SEM照片；
圖3為該實施例形成粉末的顆粒的SEM照片；圖4至圖8為在模擬回焊爐中所取的影像照片；及圖9為以場發射電子顯微鏡分析焊點的照片。
以下實驗例及比較例所使用的檢測儀器包括：
1.示差掃描分析儀(DSC)，儀器供應商為TA儀器(TA Instruments)，型號為MDSC2920。
2.微小維克氏硬度計，儀器廠牌為Akashi，型號為MVK-H11。
3.掃描式電子顯微鏡(SEM)，儀器廠牌為HITACHI，型號為S3400。
4.模擬迴焊爐，儀器供應商為MALCOM，型號為SRS-1C。
5.光學顯微鏡，儀器供應商為Olympus，型號為BX51。
製備焊料合金的步驟為：以總和為10g，依據各金屬元素所佔重量百分比計算各金屬元素所需重量，再依據各金屬元素所需重量分別秤取元素金屬球。然後將所秤得的各元素金屬球一起放置於石英管內，並以氫氧焰真空封管，再放入高溫爐中以800℃，加熱1小時熔煉。然後開爐，並使爐門半開爐冷到300℃(約1小時)，
再置入水中焠火，以形成樣品。最後打破石英管將樣品取出。
熔點測試，是將欲測試的樣品，取其中約10mg，以示差掃描分析儀測量其熔點。操作示差掃描分析儀設定的測試溫度介於40-250℃、測試速率10℃/min。
硬度測試，是將欲測試的樣品，以微小維克氏硬度計，使用10g荷重分別在各樣品壓五個點，每次施壓10秒以測得各點硬度，再將五個點取平均值。
下表1所示為實驗例1-7及比較例1的組成成份與利用示差掃描分析儀測得的熔點。從表1可知，實驗例1-7測得的熔點介於55-121℃之間。
下表2所示為實驗例1、6、7與比較例1的硬度測試結果。其中顯示實驗例1的硬度相較於比較例1增加20.64%，實驗例6的硬度相較於比較例1增加8.8%，實驗例7的硬度相較於比較例1增加12.35%。顯示焊料合金中添加適量的鋯金屬可以增加焊點的
硬度，亦即提升機械性質。
以電子顯微鏡觀察實驗例6與比較例1的樣品，其中實驗例6的樣品之晶粒尺寸約為3μm-4μm，而比較例1的樣品之晶粒尺寸約為6μm-9μm，顯示焊料合金中添加適量的鋯金屬具有細化晶粒的效果。
參閱圖1與圖2的SEM照片，照片中所顯示的係以實驗例1的樣品來將電子元件焊接至表面鍍有Au/Ni/Cu多層金屬層的基板接合的結果。焊接過程是置於迴焊爐中，溫度設定最高130℃下，使樣品將電子元件與基板接合。從SEM照片可看出實驗例1的樣品將元件與基板接合的品質良好，並未產生孔洞。
由相關實驗及測試結果可知，焊料合金中含有鋯成分，不僅能夠降低熔點，且能細化晶粒以提升機械性質，例如提高硬度值、耐疲勞、抗潛變，而且焊接後無孔洞。
此外本發明的焊料合金可以製成粒徑可介於1-1000μm的粉末，如圖3照片(a)、(b)、(c)所示，再混合可與焊料合金形成介金屬化合物(以下簡稱IMC)的金屬添加物，例如銅、銀、鎳、
錫粉末(粒徑可介於1-1000μm)，並混合助焊劑以形成焊料組成。可能形成的介金屬化合物(IMC)例如ZrSn2、Ag2In、Ag3In、CuSn、NiSn等。前述焊料組成可包含以重量百分比計，銅含量介於0-10(wt%)、銀含量介於0-10(wt%)、鎳含量介於0-10(wt%)、錫含量介於0-10(wt%)、助焊劑含量介於10-15(wt%)，以及剩餘含量為如前所述的焊料合金，其中銅、銀、鎳、錫含量不同時為0。焊料組成可用於表面焊接(Surface Mount Technology,SMT)製程。以下以焊料組成的一實施例說明。
在本實施例中，以重量百分比計，取以實驗例1的樣品製成的粉末(合金球)含量50wt%、銅金屬粉末10wt%、鎳金屬粉末10wt%、銀金屬粉末10wt%、錫金屬粉末10wt%，及助焊劑10wt%混合形成焊料組成，亦可稱為錫膏。
將焊料組成塗佈於表面鍍有Au/Ni/Cu多層金屬層的基板表面，再置入模擬回焊爐中測試。由模擬回焊爐的CCD影像觀察，焊料組成在爐溫設定135-150℃第一次回焊形成焊點後，再第二次升溫超過250℃以上仍未熔化。圖4的照片所示為回焊爐開始升溫加熱，焊料組成還沒熔化的狀態。圖5、圖6的照片所示分別為回焊爐溫度在135℃及150℃時，焊料組成熔化的狀態。圖7的照片所示為焊料組成熔化形成焊點並凝固後，再於回焊爐中升溫超過250℃時，焊點未熔化的狀態。
另以未加入銅、鎳、銀、錫金屬粉末的單純實驗例1的樣品之粉末與助焊劑形成錫膏，作為對照組。同樣以模擬回焊爐測試，由模擬回焊爐的CCD影像觀察，對照組的錫膏在爐溫設定135-150℃第一次回焊形成焊點後，在第二次升溫超過130℃後則熔化，如圖8的照片所示。
與對照組比對可知，加入可形成介金屬化合物(IMC)的金屬粉末，有助於加強焊點的可靠度與耐溫性。此外，本實施例焊料組成與基板在爐內以最高溫度150℃，加熱5-8分鐘後，時效60℃持續8小時取出。經由場發射電子顯微鏡分析可知，如圖9所示，焊接後的焊點內形成巨大的介金屬化合物(IMC)，例如Ag3In，顯示焊點的大部分區域變成介金屬化合物(IMC)與連續富鉍相，而能提高熔點。
因此當焊點有需要耐高溫時，可採用焊料合金與可形成介金屬化合物(IMC)的金屬成分混合而成的焊料組成來形成焊點，藉此焊料組成中的焊料合金除了可以與基板在界面產生介金屬化合物(IMC)之外，焊料合金也可以與添加的金屬產生介金屬化合物(IMC)，而能使整個焊點的大部分區域變成介金屬化合物(IMC)，藉此可以使焊料組成在低溫焊接，且形成的焊點可以承受較高的溫度。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以
此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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 (4)
- 一種焊料合金，包含：以重量百分比計，銦含量介於18-28(wt%)、鉍含量介於44.5-54.5(wt%)、鋯含量介於0.01-1.45(wt%)，及剩餘含量為錫。
- 如請求項1所述焊料合金，其中，鋯的含量為約0.5(wt%)。
- 如請求項1所述焊料合金，其中，該焊料合金熔點介於55-130℃。
- 一種焊料組成，包含：以重量百分比計，銅含量介於0-10(wt%)、銀含量介於0-10(wt%)、鎳含量介於0-10(wt%)、錫含量介於0-10(wt%)、助焊劑含量介於10-15(wt%)，以及剩餘含量為如請求項1至3其中任一項所述的焊料合金，其中銅、銀、鎳、錫含量不同時為0。
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