無鉛軟釬料合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無鉛軟釬料合金。特別是涉及連接可靠性優(yōu)異的Sn-Bi-Cu-Ni系無鉛 軟釬料合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，移動電話等電子設(shè)備具有小型化、薄型化的傾向。這種電子設(shè)備所使用的 半導(dǎo)體裝置等電子部件中，已經(jīng)開始使用使厚度薄至幾_左右~Imm以下的基板。
[0003] 另一方面，一直以來，作為無鉛軟釬料廣泛使用Sn-Ag-Cu軟釬料合金。Sn-Ag-Cu 軟釬料合金的熔點比較高，即使是屬于共晶組成的Sn-3Ag-0. 5Cu軟釬料合金也表現(xiàn)出 220°C左右。因此，利用Sn-Ag-Cu軟釬料合金對前述那樣的薄基板的電極進(jìn)行軟釬焊時，由 于接合時的熱而使基板發(fā)生應(yīng)變，有時產(chǎn)生接合不良。
[0004] 針對這種連接不良，進(jìn)行如下方法：通過在低溫下進(jìn)行軟釬焊，從而抑制薄基板的 應(yīng)變，提高連接可靠性。作為能應(yīng)對該方法的低熔點軟釬料合金，已知有Sn-Bi軟釬料合 金。該軟釬料合金當(dāng)中，Sn-58Bi軟釬料合金的熔點相當(dāng)?shù)?，?40°C左右，能夠抑制基板的 應(yīng)變。
[0005] 但是，Bi原本是較脆的元素，Sn-Bi軟釬料合金也脆。即使減少Sn-Bi軟釬料合金 的Bi的含量，也會由于Bi在Sn中偏析而發(fā)生脆化。使用Sn-Bi軟釬料合金進(jìn)行軟釬焊而 得到的釬焊接頭在施加較大應(yīng)力時擔(dān)心因其脆性而產(chǎn)生龜裂，機(jī)械強(qiáng)度劣化。
[0006] 另外，為了應(yīng)對電子部件的小型化，必須縮小其使用的基板的面積，必須實現(xiàn)電極 的小型化、電極間的低間距化。進(jìn)而，用于進(jìn)行軟釬焊的軟釬料合金的用量減少，因此釬焊 接頭的機(jī)械強(qiáng)度降低。
[0007] 于是，專利文獻(xiàn)1中，公開了為了能夠進(jìn)行具有高接合強(qiáng)度的軟釬料接合而在 Sn-Bi軟釬料合金中添加Cu和Ni而得到的Sn-Bi-Cu-Ni無鉛軟釬料合金。根據(jù)該文獻(xiàn)，使 用該軟釬料合金的接合部由于在軟釬料接合部中和/或軟釬料接合界面形成具有六方最 密堆積結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，因此接合強(qiáng)度提高。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2013-00744號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 發(fā)明要解決的問題
[0012] 電子部件的電極通常為Cu，對于該Cu電極，通常覆蓋有無電極鍍Ni層、化學(xué)鍍 Ni/Au層、化學(xué)鍍Ni/Pd/Au層。如此，Cu電極利用Au、Au與Pd的組合那樣的貴金屬進(jìn)行了 化學(xué)鍍處理。鍍Au層抑制基底的鍍Ni層的氧化，改善與熔融軟釬料的潤濕性。關(guān)于化學(xué) 鍍Ni層，形成含有源自化學(xué)鍍中使用的還原劑（例如，次磷酸鈉）的相當(dāng)大量的P的鍍Ni 層。這種鍍Ni層至少含有幾質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的P、例如2~15質(zhì)量％。
[0013] 但是，專利文獻(xiàn)1中記載了為了在軟釬料合金與自電極引出的Cu布線部的接合界 面形成六方最密堆積結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，而在Sn-Bi軟釬料合金中添加Cu、Ni，但沒有公 開具體的合金組成，也沒有記載用于證明接合強(qiáng)度提高的效果的結(jié)果。該文獻(xiàn)中記載了在 Sn為57atm%、Bi為43atm%的組成中添加的Cu、Ni的含量的范圍，但不清楚是否在該范圍 內(nèi)接合強(qiáng)度都會提高。
[0014] 另外，該文獻(xiàn)中記載了作為軟釬料合金的接合對象，有印刷基板的Cu布線部、不 含Cu的布線部，但除了布線部為Cu之外，不清楚接合對象為怎樣的構(gòu)成。如前所述，該文 獻(xiàn)中沒有公開軟釬料合金的具體的合金組成，因此，除了在電極與軟釬料合金的接合界面 形成金屬化合物之外，關(guān)于接合界面的狀態(tài)沒有任何公開或啟示。因此，很難認(rèn)為滿足該文 獻(xiàn)中公開的Bi、Cu和Ni的含量的所有軟釬料合金在用于例如進(jìn)行了化學(xué)鍍Ni處理的Cu 電極的軟釬焊時能夠解決以下那樣的問題。
[0015] 對進(jìn)行了化學(xué)鍍Ni處理的電極進(jìn)行軟釬焊時，軟釬料合金中的Ni的擴(kuò)散系數(shù)大 于P的擴(kuò)散系數(shù)，因此Ni優(yōu)先地在軟釬料合金中擴(kuò)散，在軟釬料合金與電極的接合界面產(chǎn) 生P的濃度較高的部分，形成所謂P富集層。該P富集層硬脆，因此使釬焊接頭的剪切強(qiáng)度 劣化。具有這種P富集層的釬焊接頭因剪切而斷裂時，發(fā)生鍍Ni層露出的現(xiàn)象。該斷裂不 是釬焊接頭自身的斷裂，而是由電極上形成的P富集層的剝離而引起的。因此，P富集層的 形成會對釬焊接頭的連接可靠性造成不利的影響。
[0016] 同樣地，對未進(jìn)行鍍覆處理的Cu電極進(jìn)行軟釬焊時，也不清楚滿足該文獻(xiàn)中公開 的各元素的含量范圍的所有軟釬料合金是否都表現(xiàn)出高接合強(qiáng)度。
[0017] 此處，本發(fā)明的課題在于提供如下的Sn-Bi-Cu-Ni系無鉛軟釬料合金，即所述無 鉛軟釬料合金為低熔點且延性優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度高，此外，對進(jìn)行了化學(xué)鍍Ni處理的Cu電極 進(jìn)行軟釬焊時，由該軟釬焊形成的釬焊接頭表現(xiàn)出高剪切強(qiáng)度，從而抑制軟釬料接合時的 基板的熱應(yīng)變，具有優(yōu)異的連接可靠性。另外，本發(fā)明的課題在于提供對于未進(jìn)行鍍覆處理 的Cu電極，由軟釬焊形成的釬焊接頭也表現(xiàn)出高剪切強(qiáng)度，從而具有優(yōu)異的連接可靠性的 Sn-Bi-Cu-Ni系無鉛軟釬料合金。
[0018] 用于解決問題的方案
[0019] 本發(fā)明人等著眼于，對具有由化學(xué)鍍Ni處理形成的含P鍍Ni層的電極進(jìn)行軟釬 焊時，為了提高剪切強(qiáng)度，軟釬料合金中的Ni的擴(kuò)散系數(shù)大于P的擴(kuò)散系數(shù)。此外，本發(fā)明 人等想到通過在軟釬焊時抑制Ni向軟釬料合金中的擴(kuò)散，從而能夠抑制P富集層的生長， 為了提高剪切強(qiáng)度而進(jìn)行了深入研究。
[0020] 首先，本發(fā)明人等在Sn-Bi軟釬料合金中僅添加0. 5質(zhì)量％左右的Cu，對具有化學(xué) 鍍Ni層的Cu電極進(jìn)行了軟釬焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由軟釬焊形成的釬焊接頭的剪切強(qiáng)度差。因此， 在該Sn-Bi-Cu軟釬料合金中，將Cu的含量增加至I. 1質(zhì)量％，發(fā)現(xiàn)剪切強(qiáng)度也沒有改善， 進(jìn)而熔點高且延性大幅劣化。換言之，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，僅在Sn-Bi軟釬料合金中添加Cu， 也無法提高所形成的釬焊接頭的剪切強(qiáng)度，根據(jù)Cu的含量而產(chǎn)生高熔點、低延性等問題。
[0021] 因此，本發(fā)明人等在通過僅添加Cu而得到的前述見解的基礎(chǔ)上，著眼于在Sn-Bi 軟釬料合金中添加的Cu的含量和與Cu無限固溶的Ni，精密地調(diào)查Ni的含量。其結(jié)果，本 發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，Cu為0.3~1.0質(zhì)量％、Ni為0.01~0.06質(zhì)量％時，為低熔點，延性優(yōu)異 且拉伸強(qiáng)度高，抑制P富集層的生長，具有化學(xué)鍍Ni層的Cu電極上形成的釬焊接頭的剪切 強(qiáng)度顯著改善。本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，由此會減少因基板的薄型化而產(chǎn)生的軟釬焊時的基板的 應(yīng)變，表現(xiàn)出優(yōu)異的連接可靠性。進(jìn)而，本發(fā)明人等為了確認(rèn)通用性，對不具有化學(xué)鍍Ni層 的Cu電極進(jìn)行了軟釬焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該Cu電極上形成的釬焊接頭也與具有化學(xué)鍍Ni層的 Cu電極上形成的釬焊接頭同樣地表現(xiàn)出高剪切強(qiáng)度，從而完成了本發(fā)明。
[0022] 此處，本發(fā)明如下所述。
[0023] (1) -種無鉛軟釬料合金，其具有以質(zhì)量％計包含Bi :31~59%、Cu :0.3~ I. 0%、Ni :0? 01~0? 06%、余量Sn的合金組成。
[0024] (2)根據(jù)（1)所述的無鉛軟釬料合金，其還含有以質(zhì)量％計總計0? 003~0? 05% 的選自由P和Ge組成的組中的1種以上。
[0025] (3) -種釬焊接頭，其是在具有鍍Ni層的Cu電極上使用上述（1)或上述（2)所述 的無鉛軟釬料合金而形成的。
[0026] (4)根據(jù)上述⑶所述的釬焊接頭，其中，前述鍍Ni層為含有P的化學(xué)鍍層。
[0027] (5) -種基板，其板厚為5mm以下，具備具有鍍Ni層的多個Cu電極，前述Cu電極 分別具有使用上述（1)或上述（2)所述的無鉛軟釬料合金而形成的釬焊接頭。
[0028] (6)根據(jù)上述（5)所述的基板，其中，前述鍍Ni層含有P。
[0029] 本發(fā)明的無鉛軟釬料合金適合于進(jìn)行過化學(xué)鍍Ni處理且板厚為5mm以下的薄基 板上形成的Cu電極的軟釬焊的使用，通過用于具有化學(xué)鍍Ni層的電極的軟釬焊而最能發(fā) 揮本發(fā)明的效果。因此，由于本發(fā)明的軟釬料合金的低熔點而將軟釬焊時的薄基板的翹曲 抑制在最小限度。如此，由于抑制作為釬焊接頭的剪切強(qiáng)度劣化的原因的接合界面的P富 集層的生長、以及軟釬料合金的良好的延性（伸長率）和高拉伸強(qiáng)度，因此釬焊接頭的連接 可靠性得到改善。進(jìn)而，本發(fā)明的軟釬料合金也適用于未進(jìn)行化學(xué)鍍Ni處理的Cu電極的 軟釬焊。
【附圖說明】
[0030] 圖1為對經(jīng)化學(xué)鍍Ni/Au處理的Cu電極使用Sn-58Bi軟釬料合金進(jìn)行軟釬焊并 剪切去除軟釬料接合部后的、倍率300倍的電極的表面照片。
[0031] 圖2:圖2的（a)和圖2的（b)為進(jìn)行了化學(xué)鍍Ni/Au處理的Cu電極通過軟釬焊 形成了釬焊接頭時的、軟釬料接合部與電極的界面附近的倍率800倍的