[发明专利]具有优越的降落冲击可靠性的Mn掺杂的Sn基焊料合金及其焊缝

说明书

技术领域

本公开一般地涉及用于电子器件的无铅焊料合金组合物，并且更具体地涉及由该无铅焊料合金制得的无铅焊球、焊粉、焊膏和焊缝。

相关领域描述

在作为传统锡铅焊料的替代的各种无铅焊料合金选择中，锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金是当前最受欢迎的，因为他们相对好的焊接性能、卓越的抗蠕变性和热疲劳可靠性，以及它们与电流元件的兼容性。各种Sn—Ag—Cu焊料合金已经被不同国家的工业组织提议和推荐使用。例如，Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.%)被日本电子工业发展协会(JEIDA)在日本、Sn-3.8Ag-0.7Cu(wt.%)被European Consortium BRITE-EURAM在欧洲联盟以及Sn-3.9Ag-0.6Cu(wt.%)被National Electronics Manufacturing Initiative(NEMI)在美国提出。然而，最近对无铅焊料合金的研究已经表明由这些被推荐的Sn—Ag—Cu合金制得的焊缝可能是脆的并且在降落冲击载荷下易于过早界面故障。虽然Sn—Ag—Cu合金中的银含量的减少已经被发现是有益的，但是这些合金的降落试验性能仍然劣于低共熔锡-铅。传统地，焊缝可靠性已经主要通过热疲劳性能进行评估，因为热疲劳断裂已经是电子互联中的关键性故障模式。随着工业促进器件小型化和便携式电子产品使用的增加，除传统的热疲劳可靠性之外，电子封装中焊缝的冲击可靠性变成关键性的。

电子封装中焊缝的降落冲击可靠性对使用焊球网格阵列(BGA)和/或芯片尺寸封装(CSP)的便携式电子产品的寿命是关键性的，由于电子工业中的器件小型化趋势其正变得越来越流行。由SnAgCu(SAC)焊球制成的BGA和CSP焊缝的降落试验性能比它们的SnPb对应物较差。最近研究发现SnAgCu合金中银含量的减少在改善BGA/CSP降落冲击可靠性方面可以是有益的。因此，在大部分BGA/CSP球合金应用中SAC105(Sn-l.0Ag-0.5Cu,wt.%)合金正在替代SAC405(Sn-4.0Ag-0.5Cu,wt.%)和SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu,wt.%)合金作为工业标准合金。特别是，在移动应用例如手机中SAC105实质上是标准焊料。当前，SAC105用于超过所有手机的3/4。然而，SAC105的耐降落冲击性能仍然不足够好以满足在小型化和通过消除BGA/CSP填充不足降低成本的趋势中的工业增长的挑战。

发明实施方式简述

公开了具有改进的耐降落冲击性能的无铅焊料合金和其焊缝。在一个具体的示例性实施方式中，无铅焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag，0.01-1.5wt.%的Cu，以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。

根据该具体的示例性实施方式的其他方面，优选的Ag含量是0.0-2.6wt.%。

根据该具体的示例性实施方式的进一步方面，优选的Mn含量是0.01-0.3wt.%。

根据该具体的示例性实施方式的另外的方面，优选的Ce含量是0.01-0.2wt.%。

根据该具体的示例性实施方式的又其他方面，优选的Ti含量是0.01-0.2wt.%。

根据该具体的示例性实施方式的又进一步方面，优选的Y含量是0.01-0.4wt.%。

根据该具体的示例性实施方式的又另外的方面，优选的Bi含量是0.01-0.5wt.%。

根据该具体的示例性实施方式的仍又另外的方面，无铅焊料合金可电子地连接使用以下的一个或多个形成的衬底表面涂层(finish)：电镀的Ni/Au、无电Ni浸Au（electroless Ni immersion Au）(ENIG)、有机可焊性防腐剂(OSP)、浸Ag和浸Sn。

在另一个具体的示例性实施方式中，焊球可以由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加剂的至少一种：Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。