專利名稱：無Pb焊料合金的制作方法
專利說明無Pb焊料合金 本發(fā)明涉及用于將電子元件安裝或電鍍在印刷電路板(PCB)等上的焊料合金，更具體而言，涉及含0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％的Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn的無-Pb的Sn-Ag基焊料合金。如本領域中熟知的那樣，焊接是使用焊料合金的一種連接技術，更具體而言，是將微電子元件比如半導體芯片或片狀電阻(resistor chip)安裝在印刷電路板(PCB)上的連接技術。最近，隨著電子元件的日益小型化以及功能性的不斷增加，元件安裝的集成已經(jīng)得到提高，因而需要更高水平的使用焊料合金的連接技術。換言之，由于元件安裝的高度集成，因此，PCB及其上安裝的電子元件以及焊料合金都更容易受到溫度變化、熱膨脹差異、振動等帶來的周期應力的影響，使得焊料合金的微結(jié)構在焊接接縫上遭受晶粒變粗，從而在焊接接縫上由于疲勞而產(chǎn)生裂紋。在焊接接縫上的裂紋起著缺陷源的作用，所述的缺陷比如安裝在PCB上的電子元件的斷開。
因而，作為用于將電子元件安裝在PCB上的焊接材料，主要使用含錫(Sn)和鉛(Pb)的二元焊料合金，比如含60％wt的Sn和40wt％的Pb的焊料合金以及含63％wt的Sn和37wt％的Pb的焊料合金。[技術問題]然而，通常的Sn-Pb基焊料合金存在其處置時由于鉛泄漏導致的環(huán)境污染問題。
而且，由于在廢棄電氣和電子裝置(WEEE)上的EC指示以及歐盟在電氣和電子裝置中某些有害物質(zhì)的限制使用(RoHS)的EC指示禁止在電氣和電子裝置中使用有害物質(zhì)，因此必需通過在制備焊料合金時限制或排除使用Pb，使電子工業(yè)開發(fā)環(huán)境友好的無-Pb焊料合金。
至于這樣一種環(huán)境友好的無-Pb焊料合金，本領域中熟知的有在日本未審查專利公布2000-225490中所公開的Cu-Ni-Sn三元焊料合金。該無-PbCu-Ni-Sn三元焊料合金是通過用Ni代替常規(guī)焊料合金中的一些含量的Cu而得到的，并且包含0.05～2.0wt％的Cu、0.001～2.0wt％的Ni以及余量的Sn。
由于無-Pb焊料合金不含Pb，因此它能夠降低環(huán)境污染，并且具有稍微得到提高的機械強度。然而，其中公開的無-Pb焊料合金存在的問題在于，由于焊接時的氧化而產(chǎn)生過量的氧化皮，并且在于，由于焊料合金的低潤濕性和鋪展性，而在焊接接縫周圍形成螺紋狀橋連接，從而導致比如短路的缺陷。
同時，在電子元件的電極(芯片元件)或引線(引線元件)上進行電鍍，以作為用于增強焊接性質(zhì)和耐氧化性(耐腐蝕性)的最終處理。同樣地，當電鍍常規(guī)的Sn-15％Pb之后，在沒有Pb下進行100wt％Sn的電鍍或Sn-Cu的電鍍時，形成金屬須(當金屬結(jié)構遭受壓縮應力時或當電鍍部分的表面被氧化時，其在電鍍部分的表面上如金屬須那樣形成，并且生長以釋放壓縮應力)，從而導致短路并產(chǎn)品缺陷。
為了解決其中公開的無-Pb焊料合金的上述問題，在韓國專利登記10-0453074中公開了一種無-Pb四元焊料合金，該焊料合金包括0.05～2.0wt％的Cu、0.001～2.0wt％的Ni、0.001～1.0wt％的P以及余量的Sn。
該無-Pb四元焊料合金通過將微量的P加入到常規(guī)的無-Pb的Cu-Ni-Sn三元焊料合金中以限制氧化物的反應，并且提高了焊料的強度，增加了焊接接縫的耐應力性，從而忍耐焊接接縫周圍的熱應力和振動的同時，降低了焊料合金的流動性，因而減少了焊接缺陷。
然而，由于使用無-Pb四元焊料合金焊接時的溫度升高高達30～40℃，因此必需保證電子元件的耐熱性。而且，由于無-Pb四元焊料合金比常規(guī)的Sn-Pb焊料具有更低的耐濕性和鋪展性(降低約15％)，因此其焊接性質(zhì)惡化，并且如果進行無-Pb電鍍(主要是，在手工元件(manual components)上電鍍Sn，以及在IC系列上電鍍Sn或電鍍Sn-Bi)，則元件的焊接性質(zhì)也被惡化。本發(fā)明是鑒于上述及其它問題進行的，并且本發(fā)明的一個方面提供一種無-Pb的Sn-Ag基焊料合金，盡管所述焊料合金根據(jù)焊料的應用而具有不同的合金含量，但是相比于常規(guī)的無-Pb焊料合金，其具有更低的熔點，并且具有高度提高的潤濕性和連接強度。從下列結(jié)合附圖的詳述中，可以更清楚地理解本發(fā)明的上述及其它目的、特征和其它優(yōu)點，其中

圖1是說明潤濕性和Ni含量之間的關系的圖；圖2是根據(jù)焊料合金是否含有P，說明氧化物的量與焊接時間的關系的圖；圖3是說明氧化物的量與P含量之間的關系的圖?，F(xiàn)在將詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
根據(jù)本發(fā)明的無-Pb的Sn-Ag基焊料合金包含最佳量的Ag、Ni和P，以提高焊料合金的強度以及耐應力性，從而容忍在焊接接縫內(nèi)的熱應力和振動，同時通過抑制氧化物的反應來提高焊料合金的流動性，通過抑制氧化物的反應來提高焊料合金的流動性是常規(guī)的Sn-Cu基無-Pb焊料合金的特征。
在根據(jù)本發(fā)明的焊料合金的組分中，由于Sn具有232℃的熔點，并且通常被用作用于連接的基礎金屬，因此本發(fā)明也含有作為基礎金屬的Sn。而且，本發(fā)明的焊料合金包含旨在提高焊接接縫處的連接強度的Cu和Ag以及旨在抑制Sn-Cu和Sn-Ag金屬間化合物形成的Ni。另外地，本發(fā)明的合金還包括微量的P，以進一步降低因焊接時焊料合金的表面與氧之間的摩擦所致的氧化皮的產(chǎn)生。
當焊料合金包括約0.7wt％的Cu和余量的Sn時，其表現(xiàn)出約227℃的熔點，該熔點比含100wt％Sn的焊料合金的232℃熔點低約5℃。
加入到焊料合金中的Cu的最佳量在0.3～0.8wt％的范圍。當將0.9wt％或更多的Cu加入到焊料合金時，該焊料合金的熔點又被提高。焊料合金的熔點升高導致焊接溫度升高，因而對耐熱性低的電子元件產(chǎn)生負面影響，并且在澆焊或回流焊接過程中產(chǎn)生表面氧化、粘度增加、潤濕性降低以及產(chǎn)生橋狀或毛刺狀缺陷。另一方面，可以將約2.3wt％Cu加入到焊料合金中，只要保證被連接物體比如PCB、表面上安裝的元件、金屬等的耐熱性與焊球一樣即可，因而，即使進行焊接或金屬電鍍，潤濕性和連接強度也得到了提高。
當將0.01wt％或更多Ag加入到Sn-Cu基焊料合金時，焊料合金的潤濕性和鋪展性比Sn-Cu-Ni-P基焊料合金的潤濕性和鋪展性更好，但是當加入Sn-Cu基焊料合金的Ag量少于0.01wt％時，沒有表現(xiàn)出提高焊料合金的潤濕性和鋪展性的效果。另一方面，如果加入到Sn-Cu基焊料合金中的Ag量大于5.0wt％時，沒有表現(xiàn)出焊料合金的潤濕性和鋪展性的增加，并且由于Ag的價格高，因此大量加入Ag在經(jīng)濟上是不適宜的。根據(jù)本發(fā)明，由于Ag的價格高，因此根據(jù)是使用酚基還是環(huán)氧基PCB，加入焊料合金中的Ag量是不同地確定的。加入焊料合金中的Ag的最佳量在0.01～0.5wt％(酚基PCB)的范圍內(nèi)或在2.0～4.0wt％的范圍內(nèi)(環(huán)氧基PCB)。
下表1所顯示的是當將0.01～5wt％Ag加入到在韓國專利登記10-0453074中所公開的無-Pb的Sn-0.5Cu-0.1Ni-0.01P的焊料合金時的潤濕時間和Ag的成本。
通過在下列條件下使用焊劑將基礎金屬和焊料焊接，同時觀察基礎金屬和焊料之間的連接性質(zhì)，進行試驗。
1)使用砂紙將銅板(10×0.3mm2)磨光。
2)用I.P.A清潔后，將磨光的銅板充分干燥。
3)測量條件浸漬時間10秒浸漬深度2mmPOT溫度260℃
焊劑性質(zhì)SV-951F(固體形式12.5％)表1
如表1所示，焊料合金用于澆焊時優(yōu)選包括0.01～0.5wt％的Ag，并且用于回流焊接時包括2～4wt％的Ag。
另外，將0.01～0.1wt％的Ni加入到焊料合金中。如圖1所示，可看出潤濕性根據(jù)Ni的含量而變化。
Ni起的作用是抑制因Sn與Cu或Ag之間的反應所導致的金屬間化合物比如Sn-Cu或Sn-Ag的產(chǎn)生，同時提高在焊接POT時的熔融金屬的流動性。
金屬間化合物具有高熔點，并且當熔化合金時由于熔融金屬中金屬間化合物的存在，因此使熔融金屬的流動性變差以及合金作為焊料的功能變差。結(jié)果，當在焊接過程中焊料圖案(patterns)之間存在金屬間化合物時，它們形成橋，因而導致導體被短路，并且當它們與熔融焊料分離時，可能殘留突起形狀的角。
另外，根據(jù)本發(fā)明，將微量的P加入焊料合金中。在圖2和3中，顯示氧化物含量根據(jù)P含量的變化。
當焊接裝置在焊接過程中使用氮時，只產(chǎn)生少量的氧化物，因而使得它不一定要包括P。另一方面，如果不使用氮，則由于在99wt％或更大的范圍內(nèi)的過量Sn，熔融焊料在焊接過程中被氧化，并產(chǎn)生氧化皮或氧化物，因而在焊接過程中形成橋，同時降低了焊料合金的質(zhì)量。因此，在焊接過程中沒有使用氮的情況下，將P加入到焊料合金中，使得焊接POT中氧化皮的產(chǎn)生最少化，并且防止了橋的形成。另一方面，如果P含量為0.05wt％或更大，則沒有防止焊料合金被氧化的作用。
下表2顯示根據(jù)本發(fā)明的無-Pb的Sn-Ag基焊料合金的組成，焊料合金的熔點。
表2
另外，根據(jù)本發(fā)明，無論是使用酚基還是環(huán)氧基PCB，根據(jù)被電鍍的物體比如元件的引線、撓性印刷電路(FPC)、焊絲-B(絲焊)、焊球(S/B)等的耐熱性是否得到保證，或者焊接裝置在焊接時有沒有使用氮，無-Pb的Sn-Ag基焊料合金都可以具有不同的組成。
下表3顯示根據(jù)本發(fā)明無-Pb的Sn-Ag基焊料合金的應用，焊料合金的組成。
表3
盡管已經(jīng)顯示并描述了本發(fā)明的幾個實施方案，但是本領域的技術人員應當理解，在沒有背離本發(fā)明的原則和精神的情況下，可以在此實施方案上進行變化，本發(fā)明的范圍限定在權利要求及它們的等價物中。根據(jù)本發(fā)明，這些和/或其它方面都是通過提供一種包括0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％的Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn的無-Pb的Sn-Ag基焊料合金來實現(xiàn)的。
無-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1的wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
無-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
無-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
無-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
無-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以進一步包含0.003～0.01wt％的P。
如從上面的描述顯然的是，相比于常規(guī)的無-Pb焊料合金，本發(fā)明的無-Pb的Sn-Ag基焊料合金具有更低的熔點，并且具有高度提高的潤濕性和連接強度，因而防止了橋的產(chǎn)生。
另外，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)是使用酚基還是環(huán)氧基PCB，被電鍍的物本比如元件的引線、撓性印刷電路(FPC)、焊絲-B(絲焊)、焊球(S/B)等的耐熱性是否得到保證，或者焊接裝置在焊接時有沒有使用氮，無-Pb的Sn-Ag基焊料合金都可以具有最佳的組成。
因此，本發(fā)明的無-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以以比如澆焊、回流焊接、焊接后電鍍、焊球、絲焊等的各種方式應用到元件中。
權利要求
1.一種無-Pb的Sn-Ag基焊料合金，其包括0.1～3.0wt％的Cu；0.01～0.5wt％的Ni；0.01～5.0wt％的Ag；以及余量的Sn。
2.根據(jù)權利要求1所述的焊料合金，其中所述無-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
3.根據(jù)權利要求1所述的焊料合金，其中所述無-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
4.根據(jù)權利要求1所述的焊料合金，其中所述無-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
5.根據(jù)權利要求1所述的焊料合金，其中所述無-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.8～3.2wt％的Ag以及余量的Sn。
6.根據(jù)權利要求1到5中任一項所述的焊料合金，其進一步包括0003～0.01wt％的P。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將電子元件安裝或電鍍在印刷電路板(PCB)等上的焊料合金，更具體而言，涉及一種包括無－Pb的Sn－Ag基焊料合金，其包括0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn。相比于常規(guī)的無－Pb焊料合金，本發(fā)明的無－Pb的Sn－Ag基焊料合金具有更低的熔點，并且具有高度提高的潤濕性和連接強度，因而防止橋的產(chǎn)生。
文檔編號B23K35/22GK101048258SQ200580037289
公開日2007年10月3日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權日2004年11月13日
發(fā)明者成伯基 申請人:三星電子株式會社