用于芯片焊接的釬焊合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及釬焊合金。更具體地，本發(fā)明涉及廉價(jià)的無(wú)鉛高溫釬焊合金，其用于代 替導(dǎo)電粘合劑并用于芯片焊接以焊接諸如功率器件的裝置的背面。
【背景技術(shù)】
[0002] 常用的Sn-Pb共晶焊料（solder)或含90質(zhì)量％以上的鉛（Pb)的Pb基釬焊合 金包含作為有毒物質(zhì)的鉛，因此，已經(jīng)限制使用此類焊料或釬焊合金。近年來(lái)，不含鉛的 Sn-Ag共晶焊料或Sn-Ag-Cu基焊料已經(jīng)變得普及，并且已用于電子部件和印刷電路板之間 的焊接。然而，如果使用主要由Sn構(gòu)成的無(wú)鉛焊料，則焊接部分經(jīng)歷例如溫度高至260°C的 高熱，因此對(duì)于電子零件的內(nèi)部焊接，可能產(chǎn)生不良耐熱性的問(wèn)題，例如電極熔化或電線斷 裂。
[0003] 此外，在功率器件領(lǐng)域，已經(jīng)越來(lái)越期望在高溫下使用功率器件，并且此類功率器 件所需的操作溫度規(guī)范已經(jīng)由約150°c的常規(guī)操作溫度規(guī)范（150°C是由自加熱所達(dá)到的 低溫水平）升高至175°C、然后至200°C。相應(yīng)地，也期望改善功率器件的焊接部分的耐熱 性。在日本電子情報(bào)技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（Japan Electronics and Information Technology Industries Association，JEITA)的2011年環(huán)保意識(shí)型先進(jìn)包裝技術(shù)成果報(bào)告（2011年 7月）中，已經(jīng)報(bào)道了可以通過(guò)采用Pb基組合物（主要由鉛組成并且熔點(diǎn)為例如290°C 以上的材料）的常規(guī)技術(shù)來(lái)確保耐熱性。根據(jù)一些其他報(bào)道，對(duì)于待通過(guò)芯片焊接來(lái)焊 接的部分，需要260°C以上的溫度作為耐熱溫度，所述芯片焊接用于電子零件的內(nèi)部焊接。 Sn-Ag-Cu基焊料已廣泛用作導(dǎo)電粘合劑和無(wú)Pb焊料，并且對(duì)于此類Sn-Ag-Cu基焊料，固相 線溫度為約220°C，因此Sn-Ag-Cu基焊料可能在上述的260°C的所需耐熱溫度下熔化。因 此，可能在某些情況下產(chǎn)生上述不良耐熱性的問(wèn)題，例如電極熔化或電線斷裂。
[0004] 具有高Pb含量的Pb基焊料具有290°C以上的高固相線溫度，其滿足所需的耐熱 性；然而，已經(jīng)限制使用鉛。具有與上述Pb基焊料類似的高固相線溫度的高溫焊料包括由 貴金屬構(gòu)成的焊料，如Au-20% Sn (固相線溫度：280°C )、Au-3. 6% Si (固相線溫度：370°C ) 和Au-25% In (固相線溫度：370°C )。然而，因?yàn)檫@些釬焊合金非常昂貴，因此一般難以將 其用作Pb基焊料的替代材料。
[0005] Bi基合金包括基于Bi-Ag基材料（固相線溫度：262°C )產(chǎn)生的高溫焊料，所述 Bi-Ag基材料的特性已通過(guò)添加額外的元素而得到改善（參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1和2)。然而，因 為熔點(diǎn)與260°C的所需耐熱溫度之間的余量不足，所以可能產(chǎn)生的問(wèn)題在于超過(guò)所需耐熱 溫度的任何微小過(guò)量的峰值溫度會(huì)導(dǎo)致材料熔化，這可能導(dǎo)致不良的焊接。
[0006] 此外，已知下述組合物，其中向鉍（Bi)中添加微量的具有明顯低的低共熔點(diǎn)的元 素，如錫（Sn)或銦（In) (Bi-Sn共晶的低共熔點(diǎn)：139°C，Bi-In共晶的低共熔點(diǎn)：109. 5°C ) (參見(jiàn)專利文獻(xiàn)3)。然而，如果該材料被Sn或In污染，即使Sn或In的量非常小以至于為 1，OOOppm以下，該材料仍可能被偏析，并且該材料可能在可能形成于偏析部分中的低熔點(diǎn) 相中熔化，這可能由此導(dǎo)致機(jī)械特性和長(zhǎng)期耐環(huán)境性退化，即，可能縮短材料的壽命。
[0007] 已知貫通型陶瓷冷凝器，其中焊料主要由Bi組成并包括已經(jīng)向其中加載的諸如 銀（Ag)或銻（Sb)的組分，該焊料被裝載入結(jié)構(gòu)體的孔中（參見(jiàn)專利文獻(xiàn)4)。然而，此類發(fā) 明旨在插入安裝型部件。此外，焊料所需的特性是凝固時(shí)不引起體積收縮，這與用于芯片焊 接的焊料所需的特性不同。
[0008] 此外，已知主要由Bi組成的在高溫下使用的不含Pb的焊料（參見(jiàn)專利文獻(xiàn)5)。 然而，此類發(fā)明包含鋅（Zn)和Sn作為必要成分，并且其中公開了不含Zn和Sn的Bi-Ge-基 焊料不適于用作焊料，這歸因于它們的不良加工性和潤(rùn)濕性。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)列表 [0010] 專利文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn) I:JP 2005-503926 W
[0012] 專利文獻(xiàn) 2: JP 3671815 Bl
[0013] 專利文獻(xiàn) 3: JP 2007/018288 X
[0014] 專利文獻(xiàn) 4:JP 2〇〇7_18188〇 A
[0015] 專利文獻(xiàn) 5: JP 2012-076130 A
[0016] 發(fā)明概述
[0017] 技術(shù)問(wèn)題
[0018] 期望開發(fā)其中不會(huì)發(fā)生固相線溫度降低并具有改善的諸如潤(rùn)濕性等特性的高溫 釬焊合金，以作為廉價(jià)的無(wú)鉛高溫釬焊合金用于焊接諸如功率器件等裝置的待芯片焊接的 部分。
[0019] 問(wèn)題的解決方案
[0020] 著重于熔點(diǎn)與鉛接近的鉍（Bi)的特性，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用主要由鉍（Bi) 組成的并包含所添加的微量金屬的材料可以改善材料的潤(rùn)濕性和加工性，并且基于該發(fā)現(xiàn) 完成本發(fā)明。特別地，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)向鉍（Bi)中添加特定量的銻（Sb)和/或鍺 (Ge)，可以改造鉍（Bi)所必需的并且易于導(dǎo)致脆性破壞的金屬結(jié)構(gòu)，從而獲得可加工成焊 料并同時(shí)保持可用作高溫焊料的溫度特性的合金。
[0021] 具體地，根據(jù)本發(fā)明一方面，用于芯片焊接的釬焊合金包含0. 05質(zhì)量％ -3. 0質(zhì) 量％的銻（Sb)和由鉍（Bi)及不可避免的雜質(zhì)組成的其余部分。本發(fā)明的釬焊合金尤其 與用于焊接插入安裝型部件的端子的焊接材料不同，并且涉及用于芯片焊接的釬焊合金， 其旨在用于插入安裝型部件和表面安裝型部件的內(nèi)部焊接的芯片焊接，如四方扁平封裝 (QFP)和小引出線封裝（SOP)，并且還旨在用于通過(guò)裸芯片的芯片焊接而進(jìn)行的焊接。
[0022] 在用于芯片焊接的釬焊合金中，優(yōu)選的是該釬焊合金還包含0. 01質(zhì)量％ -I. 0質(zhì) 量％的鍺（Ge)。
[0023] 在用于芯片焊接的釬焊合金中，優(yōu)選的是該釬焊合金還包含0. 05質(zhì)量％ -I. 0質(zhì) 量％的銻（Sb)和0. 01質(zhì)量％ -0. 2質(zhì)量％的鍺（Ge)。
[0024] 在用于芯片焊接的釬焊合金中，優(yōu)選的是該釬焊合金還包含0. 01質(zhì)量％ -0. 1質(zhì) 量％的鎳（Ni)。
[0025] 在用于芯片焊接的釬焊合金中，優(yōu)選的是該釬焊合金還包含0. 001質(zhì)量％ -0. 1質(zhì) 量％的磷（P)。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，用于芯片焊接的釬焊合金包含0. 01質(zhì)量％ -2. 0質(zhì)量％的 鍺（Ge)和由鉍（Bi)及不可避免的雜質(zhì)組成的其余部分。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，焊膏包含釬焊合金和焊劑，并且所述釬焊合金包含0. 01質(zhì) 量％ -2.0質(zhì)量％的鍺（Ge)和由祕(mì)（Bi)及不可避免的雜質(zhì)組成的其余部分。
[0028] 本發(fā)明的有益效果
[0029] 通過(guò)提供包含特定量的加載至Bi的Sb和/或Ge的合金，可以獲得甚至在高溫 下也高度可靠的用于芯片焊接的無(wú)鉛釬焊合金，其由此能夠防止焊接失效、例如潮濕凹陷 (wet dents)或空隙（void)以及在待焊接部分中的焊角（soldering fillet)的不良形成， 這被認(rèn)為是可能由于Bi所特有的低潤(rùn)濕性而產(chǎn)生的負(fù)面作用，并且還能抑制會(huì)發(fā)生諸如 裂紋或斷線等失效的幾率，該失效與由于與不同類型的材料焊接的焊接部分中熱膨脹系數(shù) 的差異而產(chǎn)生的變形相關(guān)。此外，通過(guò)向這些組合物進(jìn)一步添加Ni，可以改善焊接性，并且 通過(guò)向這些組合物進(jìn)一步添加P，可以抑制氧化，并且可以改善加工性。
[0030] 附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0031] 圖1是例示Bi-Sb基合金的二元相圖。
[0032] 圖2是例示Bi-Ge基合金的二元相圖。
[0033] 圖3(a)和3(b)是例示本發(fā)明的Bi-Sb基釬焊合金的鋪展率的圖，并且圖3(b)是 圖3(a)的由虛線矩形所示部分的放大圖。
[0034] 圖4 (a)和4(b)是例示本發(fā)明的Bi-Ge基釬焊合金的鋪展率的圖，并且圖4(b)是 圖4(a)的由虛線矩形所示部分的放大圖。
[0035] 圖5示出了例示在本發(fā)明實(shí)施例和比較例的釬焊合金與焊劑混合并使用該混合 物在Cu板和Ni板上進(jìn)行焊接的情況下獲得的潤(rùn)濕性的圖。
[0036] 圖6例不了表不Bi-Sb基合金的Sb載量與Bi-Sb基合金的金屬結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 的顯微照片，其中單位" ％ "表示"質(zhì)量％ "。
[0037] 圖7例示了表示Bi-Ge基合金的Ge載量與Bi-Ge基合金的金屬結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 的顯微照片，其中單位" ％ "表示"質(zhì)量％ "。
[0038] 實(shí)施方案描述
[0039] 參考附圖，在下文描述本發(fā)明的實(shí)施方案。然而，本發(fā)明不受下述實(shí)施方案的限 制。
[0040] [第一實(shí)施方案：Bi-Sb二元合金]
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，用于芯片焊接的釬焊合金包含0. 05質(zhì)量％ -3. 0質(zhì) 量％的Sb和由Bi及不可避免的雜質(zhì)組成的其余部分。不可避免的雜質(zhì)主要包括銅（Cu)、 、鋅（211)、鐵$6)、鋁仏1)、砷仏8)、鎘（〇(1)、六8、金（六11)、111、？、？13、511等。特別地，本發(fā) 明的釬焊合金的特征在于除了在不可避免的雜質(zhì)中包含的Sn之外，所述釬焊合金不包含 Sn。不包含Sn是為了防止由于Bi-Sn共晶組成的存在而導(dǎo)致釬焊合金的熔點(diǎn)降低。此外， 本發(fā)明的該釬焊合金是不包含Pb的無(wú)鉛釬焊合金。
[0042] 圖1是例示B