[发明专利]钎料合金

说明书

技术领域

本发明涉及合金，特别是无铅钎料合金。该合金特别适用于但不排他地适用于诸如波峰焊接(wave soldering)、回流焊接(reflowsoldering)、热风整平(hot air levelling)和球栅阵列(ball grid array)和芯片尺寸封装(chip scale package)的电子焊接应用。

背景技术

出于环境原因，对于含铅常规合金的无铅替代品的需求增加。许多常规的钎料合金基于锡-铜共晶组合物Sn-0.7wt.％Cu。EP-A-0336575描述了用于连接和密封的低毒性合金组合物，特别是用作管道钎料的无铅合金。

波峰焊接(或浇注钎焊)是批量钎焊电子组装件时广泛使用的方法。它可以例如用于通孔电路板，其中该板通过熔融钎料的波峰，该熔融钎料包围板的底部以湿润待结合的金属表面。

另一种焊接工艺包含将印刷线路板浸入熔融钎料中以用可钎焊的保护层涂覆铜端子。该工艺被称为热风整平。

球栅阵列接头(ball grid array joint)或芯片尺寸封装(chip scalepackage)一般用两个基板之间的钎料球组装。这些接头的阵列用来在电路板上安装芯片。

美国2002/0051728涉及用于半导体器件中的凸点连接(bumpconnection)的钎料球。描述了含铅和无铅钎料合金组合物。提供了具有组成Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi的无铅钎料合金的实施例。

但是，存在与用于波峰焊接、回流焊接、热风整平工艺和球栅阵列的一些常规无铅共晶或近共晶钎料组合物相关的问题。特别是，为了获得板上没有诸如部件端部之间的钎料的结网和桥接的实质性缺陷的有效的焊接结果，波峰焊接中的常规钎料合金常需要高操作温度。所用的高温增加渣形成的速度和印刷线路板过度变形的可能性。

对于适用于波峰焊接、回流焊接、热风整平工艺和球栅阵列的钎料合金存在大量的需求。首先，合金相对于诸如铜、镍、镍磷(“非电解镍”)的各种基板材料必须表现出良好的湿润特性。这些基板可以例如通过使用锡合金、金或有机涂层(OSP)涂覆以改善湿润性。良好的湿润性还提高熔融钎料流入毛细间隙和爬上印刷线路板中的贯通孔的孔壁的能力，由此实现良好的孔填充。

钎料合金趋于溶解基板并在与基板的界面处形成金属间化合物。例如，钎料合金中的锡可以在界面处与基板反应以形成金属间化合物层。如果基板是铜，那么将形成Cu₆Sn₅层。这种层一般具有从几分之一微米到几微米的厚度。在该层与铜基板的界面处，可能存在金属间化合物Cu₃Sn。界面金属间化合物将趋于在时效过程中生长，特别是在工作温度较高的情况下，并且较厚的金属间层和可能已形成的任何孔穴一起可以进一步促进存在应力的接头处的过早断裂。

其它重要的因素为：(i)合金自身内金属间化合物的存在，这会导致改善的机械性能；(ii)抗氧化性，在贮存或重复回流过程中的劣化可能会导致焊接性能变得不太理想的情况下，其在钎料球中是重要的；(iii)撇渣率；和(iv)合金稳定性。这些后面的考虑因素对于将合金长时间地保持在槽或浴中的应用是重要的。

发明内容

本发明旨在解决至少一些与现有技术相关的问题并提供改进的钎料合金。因此，本发明提供适用于波峰焊接工艺、回流焊接工艺、热风整平工艺、球栅阵列或芯片尺寸封装的合金，该合金包含：

0.08～3wt.％的铋；

0.15～1.5wt.％的铜；

0.1～1.5wt.％的银；

0～0.1wt.％的磷；

0～0.1wt.％的锗；

0～0.1wt.％的镓；

0～0.3wt.％的一种或更多种稀土元素；

0～0.3wt.％的铟；

0～0.3wt.％的镁；

0～0.3wt.％的钙；

0～0.3wt.％的硅；

0～0.3wt.％的铝；

0～0.3wt.％的锌；

和以下元素中的至少一种：

0.02～0.3wt.％的镍；

0.008～0.2wt.％的锰；

0.01～0.3wt.％的钴；

0.01～0.3wt.％的铬；

0.02～0.3wt.％的铁；

0.008～0.1wt.％的锆；

和余量的锡以及不可避免的杂质。