TWI688660B

TWI688660B - 焊料合金

Info

Publication number: TWI688660B
Application number: TW108115249A
Authority: TW
Inventors: 日野英治; 澤渡広信
Original assignee: 日商Ｊｘ金屬股份有限公司
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2020-03-21
Also published as: CN111132794B; WO2020044650A1; TW202010848A; JPWO2020044650A1; CN111132794A

Abstract

本發明提供一種可於高溫區使用之新穎的無鉛焊料合金。本發明之焊料合金含有Sn、Bi及Cu，Sn含量為1.9〜4.3質量%，Cu含量為1.9〜4.5質量%，剩餘部分為Bi及不可避免之雜質，Sn含量與Cu含量滿足下式：Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00，Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63。

Description

焊料合金

本發明係關於一種焊料合金。

出於環境方面之考慮，推薦使用不含鉛之焊料合金。焊料合金根據其組成，適宜作為焊料使用之溫度區會有所變化。

功率裝置作為電力轉換用元件用於油電混合車、送變電等廣泛領域。習知可利用Si晶片之裝置因應，但於要求高耐壓、大電流用途、高速作動之領域中，帶隙大於Si之SiC、GaN等近年來受到了關注。

於習知之功率模組中，作動溫度最多為170℃左右，但認為於下一代型SiC、GaN等中可能成為200℃或200℃以上之溫度區。伴隨於此，對於搭載有該等晶片之模組所使用的各材料要求耐熱性及散熱性。

關於接合材料，就無Pb之觀點而言，較佳為Sn－3.0Ag－0.5Cu焊料，但於下一代型模組中作動溫度可能超過200℃，因此與熔點為220℃附近之Sn－3.0Ag－0.5Cu焊料相比，進一步要求耐熱性。具體而言，就散熱器之冷卻及發動機周圍之溫度的容許性而言，謀求較佳為具有250℃以上之熔點的焊料。再者，焊料之組成若無特別說明，則以質量%表示，上述Sn－3.0Ag－0.5Cu為Ag：3.0質量%、Cu：0.5質量%、剩餘部分Sn之組成。雖並非為RoHS之限制對象，但若為就環境限制之觀點而言欠佳之Pb焊料（Pb－5Sn），則可因應下一代型模組之作動溫度。與Pb焊料同樣地使用Au系焊料（Au－Ge、Au－Si、Au－Sn）作為耐熱焊料（非專利文獻1〜3）。作為廉價之焊料，已知有Sn基焊料（專利文獻1、2）。

因此，近年來，金屬細粉膏作為下一代型模組之接合材料而受到了關注。由於金屬粉之尺寸小，故而表面能量高，於遠低於該金屬之熔點的溫度會開始燒結。並且，與焊料不同，一旦進行燒結，若不升溫至該金屬之熔點附近，則不會進行再熔融。利用此種特性，以Ag細粉膏進行開發（專利文獻3）。

Pb－5Sn焊料作為下一代型功率模組之接合材料的功能雖然足夠，但含有鉛，就將來之環境限制的觀點而言亦較理想為不使用。又，Au系焊料就功能、環境方面而言作為接合材料較為理想，但存在材料價格之問題。Sn基焊料之熔點低，例如於250℃之高溫環境下有使接合強度降低之虞。又，Ag細粉膏視條件可對接合層賦予足夠之接合強度、耐熱性，但存在材料價格之問題。

專利文獻4之焊膏，雖設計成混合有組成不同之多種粉末，於其熔融後成為合金，但因此而需要進行超過各粉末之熔點的加熱，例如若使用Cu粉，如果不加熱至Cu之熔點1084.6℃以上，則無法期望完全之熔融，而擔憂依存於焊接時之加熱操作的不均勻性。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平9－271981號公報 [專利文獻2]日本特開2000－141079號公報 [專利文獻3]國際公開WO2011／155055號 [專利文獻4]國際公開W02007／055308號 [非專利文獻]

[非專利文獻1]P. Alexandrov, W. Wright, M. Pan, M. Weiner, L. Jiao and J. H. Zhao, Solid－State Electron., 47 (2003) p.263. [非專利文獻2]R. W. Johnson and L. Williams, Mater. Sci. Forum 483－485 (2005) p.785. [非專利文獻3]S. Tanimoto, K. Matsui, Y. Murakami, H. Yamaguchi and H. Okumura, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May 11－13, 2010, Albuquerque, New Mexico, USA), p32－39.

[發明所欲解決之課題]

因此，謀求如下焊料合金：即便於下一代型功率模組之接合材料所要求之高溫區、例如超過250℃之溫度區，亦具有優異之特性。

因此，本發明之目的在於提供一種不添加含有鉛，可於高溫區使用之新穎的焊料合金。 [用以解決課題之手段]

本發明人進行潛心研究後，結果發現藉由下述Bi基焊料合金，可達成上述目的，從而完成了本發明。

由此，本發明包含下述（1）。（1）一種焊料合金，其含有Sn、Bi及Cu， Sn含量為1.9〜4.3質量%，Cu含量為1.9〜4.5質量%，剩餘部分為Bi及不可避免之雜質，Sn含量與Cu含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63。 [發明之效果]

根據本發明，可獲得一種焊料合金，其不添加含有鉛，即便於下一代型功率模組之接合材料所要求的高溫區、例如超過250℃之溫度區，亦具有優異之特性。

以下，列舉實施態樣對本發明詳細地進行說明。本發明並不限定於以下所列舉之具體的實施態樣。

[焊料合金] 本發明之焊料合金係如下焊料合金：含有Sn、Bi及Cu，Sn含量為1.9〜4.3質量%，Cu含量為1.9〜4.5質量%，剩餘部分為Bi及不可避免之雜質，Sn含量與Cu含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63。

本發明之焊料合金的固相線溫度及液相線溫度均為高之溫度帯，於高溫下長時間保持後亦維持足夠之接合強度，因此即便於下一代型功率模組之接合材料所要求的高溫區、例如超過250℃之溫度區，亦具有優異之特性。於適宜之實施態樣中，本發明之焊料合金由於不存在有意地添加而含有鉛之情況，故而就將來之環境限制的觀點而言亦有利，且由於不使用高價之Ag，故而就材料價格之方面而言亦有利。

所謂不可避免之雜質係指來自材料或步驟而不可避免地混入之成分，而非有意添加之成分。例如，若成為原料之金屬的品位為4N，則不可避免之雜質最多含有0.01質量%。於適宜之實施態樣中，本發明之焊料合金係所謂無鉛焊料合金，但例如亦可以在由RoHS指令規定之含鉛率1000 ppm（0.1質量%）以下的範圍含有鉛作為不可避免之雜質。

[Bi] 含有Bi（鉍）作為本發明之焊料合金的主要構成元素。於適宜之實施態樣中，Bi相對於焊料合金之含量例如可設為91.2〜96.2質量%，較佳為91.3〜95.9質量%或91.3〜94.0質量%。於適宜之實施態樣中，Bi相對於焊料合金之含量例如可設為91.2質量%以上，較佳為91.3質量%以上，或設為例如96.2質量%以下，較佳為95.9質量%以下、94.0質量%以下。藉由設為此種範圍，可使250℃1000小時後之剪切強度為更高範圍者。

[Sn] Sn相對於焊料合金之含量例如可設為1.9〜4.3質量%，較佳為2.1〜4.2質量%或3.0〜4.2質量%。於適宜之實施態樣中，Sn相對於焊料合金之含量例如可設為1.9質量%以上，較佳為2.1質量%以上，進而較佳為3.0質量%以上，或設為例如4.3質量%以下，較佳為4.2質量%以下。

[Cu] 於適宜之實施態樣中，Cu相對於焊料合金之含量例如可設為1.9〜4.5質量%之範圍，較佳為2.0〜4.5質量%或3.0〜4.5質量%之範圍。於適宜之實施態樣中，Cu相對於焊料合金之含量例如可設為1.9質量%以上，較佳為2.0質量%以上，進而較佳為3.0以上，或設為例如4.5質量%以下。即便將Cu濃度設為1.9質量%以上，液相線溫度亦不上升，且容易確保250℃1000小時後之剪切強度為40 MPa以上。又，若Cu濃度超過4.50質量%，則無法忽視焊料對製造裝置之附著，難以進行連續製造。

[Cu含量與Sn含量之關係] 於適宜之實施態樣中，Cu含量與Sn含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63，於適宜之實施態樣中，Cu含量與Sn含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.16 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.50，於進而適宜之實施態樣中，Cu含量與Sn含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.50 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.50。

[固相線溫度] 固相線溫度例如可設為228℃以上或235℃以上。於固相線溫度高（例如235℃以上）之焊料合金的情形時，於250℃環境下1000小時後之剪切強度為40 MPa以上，因此可於高溫區充分使用。

[液相線溫度] 液相線溫度例如可設為272℃以下、270℃以下或268℃以下。

[液相線溫度與固相線溫度] 於適宜之實施態樣中，可將下式：[液相線溫度]－[固相線溫度]之值（固相液相溫度差：PR）設為例如33℃以下或24℃以下。

[適宜之組成] 於適宜之實施態樣中，焊料合金之組成例如可設為如下。組成為Sn：Bi：Cu＝2.1〜4.2質量%：91.3〜95.9質量%：2.0〜4.5質量%，且滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.16 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.50，組成為Sn：Bi：Cu＝3.0〜4.2質量%：91.3〜94.0質量%：3.0〜4.5質量%，且滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.50 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.50。

[接合強度] 焊料合金之接合強度可藉由實施例中所記載之手段測定。於適宜之實施態樣中，接合強度以1次或3次回焊處理後之剪切強度計，例如以1次回焊處理後之剪切強度計，例如可設為39 MPa以上、43 MPa以上或47 MPa以上。所謂3次回焊處理後係指進行了實施3次回焊處理之處理。又，以3次回焊處理後之剪切強度計，例如可設為39 MPa以上或47 MPa以上，較佳為54 MPa以上。於適宜之實施態樣中，接合強度以於空氣環境下在250℃保持1000小時後所測得之剪切強度計，例如可設為40 MPa以上或43 MPa以上，較佳為46 MPa以上。

[焊料合金之形狀] 本發明之焊料合金的形狀可適當採用作為焊料使用所需要之形狀。可如實施例所記載般製成片狀之構件，進而可製成例如線、粉、球、板、棒等形狀之構件。焊料合金之形狀尤佳設為粉體形狀、焊料球形狀（球狀）或片狀。焊料球係指例如直徑50 μm〜500 μm之球。於適宜之實施態樣中，有時包含粉體及焊料球而稱為焊料粉。焊料粉可使用於焊料膏用，於此情形時，例如可使用粒徑未達50 μm者。

[適宜之實施態樣] 於適宜之實施態樣中，本案發明包含下述（1）及以下。（1）一種焊料合金，其含有Sn、Bi及Cu， Sn含量為1.9〜4.3質量%，Cu含量為1.9〜4.5質量%，剩餘部分為Bi及不可避免之雜質，Sn含量與Cu含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63。（2）如（1）所記載之焊料合金，其中，Bi含量為91.2〜96.2質量%。（3）如（1）至（2）中任一項所記載之焊料合金，其中，固相線溫度為235℃以上。（4）如（1）至（3）中任一項所記載之焊料合金，其中，液相線溫度為272℃以下。（5）如（1）至（4）中任一項所記載之焊料合金，其中，下式：[液相線溫度]－[固相線溫度]之值為33℃以下。（6）如（1）至（5）中任一項所記載之焊料合金，其中，1次回焊處理後之接合強度為39 MPa以上。（7）如（1）至（6）中任一項所記載之焊料合金，其中，3次回焊處理後之接合強度為39 MPa以上。（8）如（1）至（7）中任一項所記載之焊料合金，其中，於250℃高溫保持1000小時後之接合強度為40 MPa以上。（9）如（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金，其中，焊料合金之形狀為粉狀、球狀或片狀。（10）一種構件，其係以（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金作為材料的構件。（11）一種電子零件之內部接合焊料接頭，其係由（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金焊接而成。（12）一種功率電晶體之焊料接頭，其係由（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金焊接而成。（13）一種印刷電路板，其具有（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金。（14）一種電子零件，其具有（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金。（15）一種功率電晶體，其具有（1）至（8）中任一項所記載之焊料合金。（16）一種電子機器，其具有（11）或（12）所記載之焊料接頭或（13）所記載之印刷電路板或（14）所記載之電子零件或（15）所記載之功率電晶體。（17）一種功率裝置，其具有（11）或（12）所記載之焊料接頭。

於適宜之實施態樣中，本案發明包含以上述焊料合金作為材料之構件、由上述焊料合金焊接而成之電子零件的內部接合焊料接頭、由上述焊料合金焊接而成之功率電晶體的焊料接頭、具有上述焊料合金之印刷電路板、具有上述焊料合金之電子零件及具有上述焊料合金之功率電晶體。又，於適宜之實施態樣中，本案發明包含具有上述焊料接頭、印刷電路板、電子零件、功率電晶體之電子機器，且包含具有上述焊料接頭之功率裝置。 [實施例]

以下，列舉實施例對本發明詳細地進行說明。本發明並不限定於以下所例示之實施例。

[實施例1] 向石墨坩堝中投入特定量之Bi、Cu、Sn的晶片原料，將石墨坩堝設置於霧化裝置中，且設定為非活性氣體環境，保持一定時間直至原料均勻地熔解為止，從而獲得熔液。然後，提拉設置於石墨坩堝之底部的塞子，使熔液流入下部。此時向熔液吹送非活性氣體，製造焊料粉。準確地稱量0.5 g焊料粉，使其溶解於酸後，利用ICP發射光譜分析器測定濃度，將其結果記載於表1。

[固相線溫度、液相線溫度、熔點之測定] 焊料合金之固相線溫度（SPT）、液相線溫度（LPT）及熔點（MP）之測定係依據JIS Z3198－1: 2014，藉由利用示差掃描熱測定（DSC: Differential Scanning Calorimetry）之方法而實施。將該等結果彙總示於表1。

[剪切強度之測定（1次或3次回焊處理後）] 於Si晶圓之單面，藉由濺鍍製作Al面（厚度3 μm），進而藉由塗佈形成聚醯亞胺膜，然後藉由曝光顯影於聚醯亞胺膜形成直徑300 μm之開口部的焊墊（land）。進而藉由無電電鍍，於焊墊部上依次形成Ni層（厚度2.5 μm）、Pd層（厚度0.05 μm）、Au層（厚度0.02 μm）而設置UBM。於UBM上塗佈助焊劑，進而於其上搭載直徑300 μm之焊料粉，進行回焊處理，使其加熱接合。回焊處理之條件係於回焊溫度290℃×1分鐘下進行，僅進行1次或重複3次。然後利用以下條件測定接合強度（剪切強度）。接合強度係依據MIL STD－883G測定。安裝於負載感測器之工具下降至基板面，裝置檢測出基板面而停止下降，工具自所檢測出之基板面上升至設定之高度，利用工具按壓接合部，計測破壞時之負載。將該等結果彙總示於表1。＜測定條件＞裝置：dage公司製造，dage series 4000 方法：晶粒剪切測試測試速度：100 μm／s 測試高度：20.0 μm 工具移動量：0.9 mm

[剪切強度之測定（高溫試驗後）] 於回焊處理後（1次回焊處理），作為高溫試驗，於空氣環境下在250℃保持1000小時後，與上述同樣地測定剪切強度。將該等結果彙總示於表1。

[實施例2〜6] 以與實施例1相同之程序製作焊料粉，利用ICP發射光譜分析器測定濃度，藉由示差掃描熱測定而測定固相線溫度、液相線溫度及熔點，進而測定1次回焊處理後、3次回焊處理後及高溫試驗後之剪切強度。將該等結果彙總示於表1。

[比較例1〜12] 以與實施例1相同之程序製作焊料粉，利用ICP發射光譜分析器測定濃度，藉由示差掃描熱測定而測定固相線溫度、液相線溫度及熔點，進而測定1次或3次回焊處理後及高溫試驗後之剪切強度。將該等結果彙總示於表1。

[表1]

[結果] 如表1所示，實施例1〜6之焊料合金即便於高溫試驗後（於250℃經過1000小時後）亦維持充分之剪切強度。

於表1中，比較例3、6、9、12係已進行3次回焊處理後之剪切強度過低者。比較例1、2、5、8、11係固相溫度過低者。因此，考慮到不足以作為焊料合金，而不進行剪切強度測定。

實施例1若與比較例4相比，則Cu含量為大致同等程度，但Sn含量不同，使得高溫試驗後之剪切強度大幅度提高。若實施例3與比較例7相比，則Cu含量為大致同等程度，但Sn含量不同，使得高溫試驗後之剪切強度大幅度提高。若實施例5與比較例10相比，則Cu含量為大致同等程度，但Sn含量不同，使得高溫試驗後之剪切強度大幅度提高。

如表1所示，實施例1〜6之焊料合金係其組成滿足有一定規則性之範圍者。將表示該範圍之式示於以下。將由下式所表示之範圍示於圖1。

如圖1所示，實施例1〜6之焊料合金的組成滿足以下範圍： 1.9≦Sn含量（質量%）≦4.3 1.9≦Cu含量（質量%）≦4.5 Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00 Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63。 [產業上之可利用性]

本發明提供一種於高溫區具有優異特性之焊料合金。本發明係產業上有用之發明。

無

圖1係圖示本案實施例所滿足之式之範圍的說明圖。

Claims

一種焊料合金，其含有Sn、Bi及Cu， Sn含量為1.9〜4.3質量%，Cu含量為1.9〜4.5質量%，剩餘部分為Bi及不可避免之雜質，Sn含量與Cu含量滿足下式： Cu含量（質量%）≦1.50×Sn含量（質量%）－1.00； Cu含量（質量%）≧1.45×Sn含量（質量%）－1.63。
如請求項1所述之焊料合金，其中，Bi含量為91.2〜96.2質量%。
如請求項1所述之焊料合金，其中，固相線溫度為235℃以上。
如請求項1所述之焊料合金，其中，液相線溫度為272℃以下。
如請求項1所述之焊料合金，其中，下式：[液相線溫度]－[固相線溫度]之值為33℃以下。
如請求項1所述之焊料合金，其中，1次回焊處理後之接合強度為39 MPa以上。
如請求項1所述之焊料合金，其中，3次回焊處理後之接合強度為39 MPa以上。
如請求項1所述之焊料合金，其中，於250℃高溫保持1000小時後之接合強度為40 MPa以上。
如請求項1至8中任一項所述之焊料合金，其中，焊料合金之形狀為粉狀、球狀或片狀。
一種電子零件之內部接合焊料接頭，其係由請求項1至8中任一項所述之焊料合金焊接而成。
一種功率電晶體之焊料接頭，其係由請求項1至8中任一項所述之焊料合金焊接而成。
一種功率裝置，其具有請求項10或11所述之焊料接頭。