Sn-Cu系無鉛焊料合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供對Cu面、Ni面均顯示出優(yōu)異的潤濕性的焊料合金。采取包含Cu：0.6～0.9質(zhì)量％、Al：0.01～0.1質(zhì)量％、根據(jù)需要還包含Ti：0.02～0.1質(zhì)量％、和/或Co：0.01～0.05質(zhì)量％、余量為Sn的合金組成。
【專利說明】Sn-Cu系無鉛焊料合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無鉛焊料合金，尤其涉及Sn-Cu系無鉛焊料合金。
【背景技術(shù)】
[0002]焊料合金例如用于電子設備的電極與其它部位的連接，或者用于將IC器件接合到屏蔽殼體進而散熱器上。利用與構(gòu)成電極等的金屬的潤濕性，將電極與電路基板或IC器件與屏蔽殼體等以金屬的方式進行接合。
[0003]在電極等焊料接合面使用Cu鍍覆的情況居多。但是，也有時使用Ni鍍覆。因此，對于焊接而言，不僅在鍍Cu面常見，在鍍Ni面進行焊接的情況也是常見的。因此，需要對N1、Cu的焊接性均優(yōu)異的焊料合金。
[0004]一直以來，通常鍍Ni面難以進行焊接，因此，會預先在鍍Ni面上薄層地鍍覆Au等，在其上進行焊接。
[0005]關(guān)于向鍍Ni面的焊接，一直以來，作為芯片接合用途，提出了 Pb-Sn系焊料合金(專利文獻1:日本特開昭60-166192)、B1-Ag系焊料合金(專利文獻2:日本特公表2005-503926)、還有Sn-Zn系焊料合金(專利文獻3:日本特開2005-52869)等。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開昭60-166192號公報
[0009]專利文獻2:日本特公表2005-503926號公報
[0010]專利文獻3:日本特開2005-52869號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明要解決的問題
[0012]如前所述的現(xiàn)有技術(shù)的焊料合金存在若干問題。專利文獻I的含Pb焊料合金會擔心對人體的影響，從環(huán)境相容性的問題考慮使用受到限制。另外，較大量地配混了昂貴的貴金屬Ag成分的專利文獻2的焊料合金存在成本升高的問題。
[0013]進而，包含像Zn那樣非常不穩(wěn)定而容易氧化的成分的焊料合金(參見專利文獻3)由于會在電極處發(fā)生腐蝕、經(jīng)時變化，因此存在避免使用的傾向。
[0014]由此，需要無鉛，不含Ag、Zn，換言之環(huán)境負擔低且經(jīng)濟性優(yōu)異，而且對Cu、Ni均顯示出優(yōu)異的焊接性的焊料合金，而現(xiàn)有技術(shù)的焊料合金并非一定令人滿意的材料。
[0015]這里，本發(fā)明的目的在于提供消除了這種問題的新型的焊料合金。
[0016]用于解決問題的方案
[0017]本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，Sn-Cu-Al系焊料合金會發(fā)揮出對鍍Ni面的優(yōu)異的潤濕性。
[0018]即，在Sn-Cu系焊 料合金中配混了 Al:0.01~0.1質(zhì)量％時，發(fā)現(xiàn)不僅對鍍Ni面的潤濕性大為改善，而且對鍍Cu面的焊接性也良好，從而完成了本發(fā)明。另外，確認到對于作為Ni系合金的鎳黃銅、白銅也顯示出良好的潤濕。[0019]進而，在上述Sn-Cu-Al焊料合金中添加了 0.02~0.1質(zhì)量％的Ti和/或0.01~0.05質(zhì)量％的Co時，對Ni表面的潤濕性顯著改善。另外，還判明了對Cu表面的焊接性也良好。
[0020]如前所述，通常向Ni金屬構(gòu)件表面以及鍍Ni面上的焊接困難，對鍍Ni面而言會在其上實施鍍Au(稱為Au閃鍍)來確保潤濕性。但是，本發(fā)明的焊料能夠在未進行鍍Au的鍍Ni面上容易地焊接，焊料中也不含貴金屬，因此能夠以工業(yè)級進行廉價的焊接。當然，通過對鍍Ni面進行Au閃鍍，會進一步改善焊接性。
[0021]這里，本發(fā)明為一種無鉛焊料合金，其具有包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、A1:0.01~0.1質(zhì)量％、余量Sn的合金組成。
[0022]上述合金組成可以進一步含有T1:0.02~0.1質(zhì)量％、Co:0.01~0.05質(zhì)量％中的至少I種。
[0023]即，本發(fā)明的焊料合金具有如下的合金組成:包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、Al:0.01~0.1質(zhì)量％，作為任意成分的T1:0.02~0.1質(zhì)量％和Co:0.01~0.05質(zhì)量％中的至少I種,且余量為Sn。
[0024]因此，本發(fā)明為一種無鉛焊料合金，其具有包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、A1:0.01~ 0.1質(zhì)量％、余量Sn的合金組成。
[0025]本發(fā)明為一種無鉛焊料合金，其具有包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、Al:0.01~0.1質(zhì)量％、T1:0.02~0.1質(zhì)量％、余量Sn的合金組成。
[0026]本發(fā)明為一種無鉛焊料合金，其具有包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、Al:0.01~0.1質(zhì)量％、Co:0.01~0.05質(zhì)量％、余量Sn的合金組成。
[0027]本發(fā)明為一種無鉛焊料合金，其具有包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、Al:0.01~0.1質(zhì)量％、T1:0.02~0.1質(zhì)量％、Co:0.01~0.05質(zhì)量％、余量Sn的合金組成。
[0028]這些焊料合金統(tǒng)稱為本發(fā)明的焊料合金。
[0029]從另一方面看，本發(fā)明為一種無鉛焊料合金片，其具有上述任一者所述的合金組成，厚度為500 μ m以下。
[0030]本發(fā)明為一種組裝體，其是利用本發(fā)明的焊料合金接合而成的屏蔽殼體與IC器件的組裝體。
[0031]本發(fā)明為一種散熱器與屏蔽殼體與IC器件的組裝體，其是進一步將散熱器利用上述焊料合金接合在前述屏蔽殼體上而成的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為示意性地示出將本發(fā)明的焊料合金用于IC器件的焊接的方式的說明圖。
[0033]圖2為示意性地示出在對鍍Ni面進行Au閃鍍而成的表面上使用本發(fā)明的焊料合金來焊接IC器件與屏蔽殼體的組裝體時的加熱前的情況的說明圖。
[0034]圖3為將圖2的組裝體加熱/接合時的焊料接頭的結(jié)構(gòu)的示意性說明圖。
[0035]圖4為基于表1的數(shù)據(jù)示出Sn-Cu系焊料合金中的Al含量與焊料潤濕性的關(guān)系的圖表。
【具體實施方式】[0036]若參照附圖進一步說明本發(fā)明，則如以下所述。
[0037]圖1為示意性地示出使用本發(fā)明的焊料合金的、IC器件與散熱構(gòu)件(屏蔽殼體、散熱器)的焊接的情況的說明圖。
[0038]電氣/電子行業(yè)伴隨日復一日的技術(shù)創(chuàng)新而不斷地推進輕薄短小化。特別是在半導體領(lǐng)域，正在追求多功能化、高密度化。于是，伴隨多功能化，會在半導體裝置中流通大電流，存在半導體部分所產(chǎn)生的熱量增大的傾向。將產(chǎn)生的熱向外部釋放的散熱性能是直接關(guān)系到半導體的高性能化及其可靠性的非常重要的因素。
[0039]作為半導體的散熱構(gòu)件，通常使用圖1所示的散熱器。在作為散熱構(gòu)件的散熱器和屏蔽殼體中，作為金屬材料，使用熱導率高的金屬Cu、鍍Ni的金屬Cu、金屬Al等。
[0040]在圖示例中，將設置于基板5的BGA、Si等IC器件3介由屏蔽殼體4連接到散熱器1，IC器件3與屏蔽殼體4的連接、以及屏蔽殼體4與散熱器I的連接中使用本發(fā)明的焊料合金2。將本發(fā)明的片狀的焊料合金夾設在IC器件3與屏蔽殼體4之間、以及屏蔽殼體4與散熱器I之間，構(gòu)成組裝體，將其用回流焊爐等加熱，進行焊接。
[0041]圖2和圖3示出對為了防止氧化并提高焊接性而在鍍Ni面進行Au閃鍍而成的接合面上使用本發(fā)明的焊料合金進行焊接的情況，分別為向焊接溫度加熱前、加熱后的接合部的示意性說明圖。相同構(gòu)件由相同附圖標記表示。當然，如后述實施例中示出那樣，使用本發(fā)明的焊料合金時，即使不進行昂貴的鍍Au，也能對鍍Ni面進行有效的焊接。
[0042]圖2示出焊接前的組裝體，圖3示出焊接后的組裝體。屏蔽殼體進一步被焊接到散熱器上，此時也優(yōu)選使用本發(fā)明的焊料進行焊接。
[0043]圖示例中，分別在IC器件7和屏蔽殼體6上設有Ni鍍層8，在其上設有由Au閃鍍得到的鍍Au層10，構(gòu)成接合面。這些接合面介由本發(fā)明的焊料9被加熱/接合。圖2中所示出的鍍Au層10由于加熱而在焊料內(nèi)部擴散并消失，如圖3所示形成Sn-Cu-Ni系金屬間化合物層11。
[0044]—直以來，該連接中使用金屬In、含金屬In的樹脂系材料、潤滑脂、導電性的膠帶。但是，金屬In為貴金屬，作為接合材料昂貴，因此與含Ag材料同樣在經(jīng)濟性上存在困難。另外，潤滑脂、導電性的膠帶在耐熱性、與半導體元件/構(gòu)件的密合性上有問題殘留。
[0045]根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，在鍍Ni的IC器件(半導體元件)與屏蔽殼體、以及屏蔽殼體與散熱器的接合中使用本發(fā)明的焊料合金，從而金屬方式的接合成為可能。也可以對屏蔽殼體表面和散熱器表面也實施鍍Ni或Ni/Au閃鍍。
[0046]由此，對于現(xiàn)有的接合方式而言困難的、兼具高導熱性、耐熱性和密合性的散熱設計成為可能。
[0047]本發(fā)明中，規(guī)定焊料合金成分的理由如下所述。
[0048]在本發(fā)明中，Cu是為了焊料合金的強度改善以及熔點調(diào)整而配混的。
[0049]由于近年來的無鉛化，通常在半導體安裝部所使用的焊料是以Sn-3質(zhì)量％Ag-0.5質(zhì)量％ Cu焊料為中心的SnAgCu系合金。
[0050]這里，本發(fā)明的焊料合金的熔點為227?230°C左右，為接近Sn-Cu合金的共晶組成的熔點，為了其熔點調(diào)整，將Cu添加量設為0.6?0.9質(zhì)量％。
[0051]Cu含量不足0.6質(zhì)量％時，強度的改善不充分，另一方面，超過0.9質(zhì)量％時，熔點高，缺乏機械延性，不能說是合適的。優(yōu)選為0.7?0.9質(zhì)量％。[0052]本發(fā)明的特征之一是配混Al，但不足Al:0.01質(zhì)量％時，潤濕性改善效果不充分。另一方面，超過Al:0.1質(zhì)量％時，熔融時容易氧化的Al在焊料表面容易變濃，在潤濕性方面無法達成本發(fā)明的目的。優(yōu)選的Al含量為0.02~0.07質(zhì)量％。
[0053]通過在本發(fā)明的焊料合金中進一步添加0.02~0.1質(zhì)量％的Ti，尤其是對Ni的潤濕性會得到明顯的改善。特別是Al和Ti的總量為0.03~0.1質(zhì)量％時，潤濕性的改善效果顯著。
[0054]在本發(fā)明的Sn-Cu-Al焊料合金中，根據(jù)需要,可以進一步配混Co:0.01~0.05質(zhì)量％。通過配混Co，不僅能夠進一步改善本發(fā)明的焊料合金對Ni面的潤濕性，而且能夠增大作為接合材料的強度、硬度。
[0055]另外，半導體元件往往以熱膨脹系數(shù)低的硅作為主要成分，而要接合的散熱器、屏蔽殼體為金屬材料。在半導體與散熱構(gòu)件(散熱器、屏蔽殼體)的接合部會伴隨通電而施加由彼此的熱膨脹系數(shù)差引起的熱應變/熱應力，接合體有時產(chǎn)生裂紋、剝離。
[0056]關(guān)于本發(fā)明的焊料合金，認為通過對Sn-Cu焊料微量地添加Al，除了前述作用效果之外，還能夠提高機械延性，因此能夠追隨由熱應力造成的變形。不僅如此，認為通過在Sn-Cu合金中微量地添加Al，并根據(jù)需要進一步微量地添加0.02~0.1質(zhì)量％的Ti，能夠?qū)⒁許n作為主要成分的組織微細化，實現(xiàn)抑制由內(nèi)部應力造成的裂紋的進展的效果、由應力松弛性帶來的焊料合金的長壽命化。
[0057]對本發(fā)明的 焊料合金的形態(tài)沒有特別限制，可以以棒狀焊料、粉末焊料、球焊料、片焊料等合適的形態(tài)來使用。
[0058]特別是，若考慮對Ni面的焊接性優(yōu)異，則已知在用于IC器件的散熱的散熱構(gòu)件(屏蔽殼體、散熱器)與IC器件等的焊接中，可以以焊料合金片的形態(tài)有利地使用。
[0059]對本發(fā)明的焊料而言，從對Ni面的焊接性特別優(yōu)異的觀點出發(fā)，會成形為片狀，將其用屏蔽殼體和IC器件的底面夾持著在輸送式回流焊爐或焊料接合用的爐中加熱，從而能夠容易地接合。此時的焊料片的厚度為500μπι以下。對下限沒有特別規(guī)定，但從制造上的限制出發(fā)，通常為200 μ m以上。本發(fā)明的焊料片按照焊料接合面而切斷成適當?shù)膶挾?、長度，用于上述焊接。
[0060]關(guān)于本發(fā)明，以將IC器件接合到屏蔽殼體、散熱器上的焊料合金的形式進行了說明，如本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)了解的那樣，本發(fā)明的焊料合金同樣也可以用于電路基板的電極的焊接。此時，可以以顆粒狀或圓板狀的預成型焊料的形態(tài)來使用。
[0061]實施例
[0062]制備具有表1中示出的合金組成的焊料，按照下述步驟進行潤濕性試驗，測量各焊料的潤濕性、拉伸強度。
[0063]潤濕性試驗
[0064]利用潤濕平衡(wetting balance)法考察焊料合金的潤濕性。
[0065]所使用的試驗片為Ni板和Cu板(厚度0.3 X寬度10 X長度30mm)。
[0066]在該試驗片表面薄層地涂布焊接用的樹脂系焊劑，浸潰在加熱并保持于260°C的熔融焊料中，得到相對于時間軸的潤濕曲線。由該潤濕曲線求出過零時間，評價潤濕性。
[0067]將試驗結(jié)果一并示于表1。關(guān)于對Ni板的潤濕性，將比作為基本組成的Sn-0.7質(zhì)量％ Cu合金焊料快約I秒以上的過零時間視為良好?；窘M成的過零時間為5.4秒，因此，2秒以上且不足4秒的情況下，視為觀察到潤濕性的改善，設為“良”。此外，過零時間不足2秒設為“優(yōu)”，4秒以上設為“差”。
[0068]同樣地，評價對Cu板的潤濕性，一并示于表1。與Ni板的情況同樣，關(guān)于潤濕性
的判斷基準，表現(xiàn)出比作為基本組成的Sn-0.7Cu焊料快的潤濕的不足1.1秒的情況設為
“優(yōu)”，1.1秒以上且不足1.6秒設為“良”，1.6秒以上設為“差”。
[0069][表 I]
[0070]
【權(quán)利要求】
1.一種無鉛焊料合金，其具有包含Cu:0.6~0.9質(zhì)量％、Al:0.01~0.1質(zhì)量％、余量Sn的合金組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉛焊料合金，其特征在于，所述合金組成還含有Ti:0.02~0.1質(zhì)量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉛焊料合金，其特征在于，所述合金組成還含有Co:0.01 ~0.05 質(zhì)量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無鉛焊料合金，其特征在于，所述合金組成還含有Co:0.01 ~0.05 質(zhì)量％。
5.一種無鉛焊料合金片，其具有權(quán)利要求1~4中任一項所述的合金組成，厚度為500um以下。
6.一種組裝體，其是利用權(quán)利要求1~4中任一項所述的無鉛焊料合金接合而成的、屏蔽殼體與IC器件的組裝體。
7.一種散熱器與屏蔽殼體與IC器件的組裝體，其是進一步將散熱器利用權(quán)利要求1~4中任一項所述的無鉛焊 料合金接合在所述屏蔽殼體上而成的。
【文檔編號】H05K3/34GK104023902SQ201280064851
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月27日
【發(fā)明者】大西司, 吉川俊策, 石橋世子, 藤卷禮 申請人:千住金屬工業(yè)株式會社