[发明专利]高温可靠的无铅并且无锑的锡焊料

说明书

一种无铅、无锑焊接合金，包括：(a)10wt.％或更少的银；(b)10wt.％或更少的铋；(c)3wt.％或更少的铜；(d)至少一种下列元素：最高达1wt.％的镍、最高达1wt.％的钛、最高达1wt.％的钴、最高达3.5wt.％的铟、最高达1wt.％的锌、最高达1wt.％的砷；(e)可选地一种或多种下列元素：0到1wt.％的锰、0到1wt.％的铬、0到1wt.％的锗、0到1wt.％的铁、0到1wt.％的铝、0到1wt.％的磷、0到1wt.％的金、0到1wt.％的镓、0到1wt.％的碲、0到1wt.％的硒、0到1wt.％的钙、0到1wt.％的钒、0到1wt.％的钼、0到1wt.％的铂、0到1wt.％的镁、0到1wt.％的稀土；(f)余量为锡，连同任何不可避免的杂质一起。

技术领域

本发明总体上涉及冶金领域并且涉及合金，并且具体地涉及无铅并且无锑的焊接合金。所述合金，尽管并非排他地，特别适合用于电子焊接应用，如波峰焊接、表面安装技术、热风整平和球格栅阵列、平面栅格阵列、底部封端的封装、LED和芯片级封装。

背景技术

波峰焊接(或流动焊接)是大规模焊接电子组件的广泛使用的方法。例如，它可用于通孔电路板，其中所述板通过了熔融焊料波峰，其搭接在该板的底部以湿润有待连接的金属表面。

另一种焊接技术涉及将焊料糊剂印刷在印刷电路板上的焊接垫上，然后布置并发送整个组件通过回流焊炉。在回流过程中，所述焊料熔化并湿润所述板以及组件上的焊接表面。

另一种焊接方法涉及将印刷线路板浸渍到熔融焊料中，以便用可焊接的保护层涂覆铜终端。这种方法称为热风整平。

通常用两个基板之间的焊接球来装配球格栅阵列接头或芯片级封装。这些接头阵列用于将芯片安装在电路板上。

对于适合用于波峰焊接、热风整平方法和球格栅阵列的焊接合金有许多要求。首先，合金必须表现出与各种基板材料，如铜、镍、镍磷(“无电镀镍(化学镀镍，electrolessnickel)”)良好的湿润特性。可以涂覆这类基板，以改善润湿性，例如通过使用锡合金、金或有机涂层(OSP)。良好的润湿性还增强了熔融焊料流进毛细间隙，和爬上印刷线路板中的通板孔的壁的能力，从而实现良好的孔填充。

焊接合金倾向于溶解基板并在界面上与基板形成金属间化物。例如，焊接合金中的锡可在界面处与基板反应，从而形成金属间化物(IMC)层。如果所述基板是铜，那么可以形成Cu₆Sn₅层。这种层通常具有从几分之一微米到几微米的厚度。在该层与铜基板之间的界面上可以存在Cu₃Sn的IMC。所述界面的金属间化合物层在老化期间将倾向于生长，特别是在较高温度下使用时，并且更厚金属间化合物层，连同可能已经发展的任何空隙一起，可进一步有助于应力接头的过早断裂。

其他重要因素是：(i)在合金本身中存在金属间化合物，这导致改善的机械性能；(ii)耐氧化性，这在焊接球中是重要的，其中在储存期间或在重复回流期间的劣化可能会导致焊接性能变得不太理想；(iii)除渣率；和(iv)合金稳定性。后者的考虑对于将合金长时间保持在罐或液槽中或使形成的焊接接头长时间经受较高操作温度的应用而言是重要的。

由于环境和健康原因，对无铅和无锑替代含铅和含锑传统合金的需求日益增加。许多传统焊接合金是基于锡-铜共晶成分，Sn-0.7wt.％Cu。例如，锡-银-铜系统已经被电子行业所接受，作为焊接材料的无铅替代方案。一种具体的合金，共晶合金SnAg_3.0Cu_0.5，与Sn-Pb焊接材料相比表现出优异的疲劳寿命，同时保持相对低的熔点约217到219℃。

在一些领域中，如汽车、高功率电子设备和能源，包括LED照明，例如，希望在较高温度下操作焊接合金，如150℃或更高。所述SnAg_3.0Cu_0.5合金在这种温度下表现不好。

发明内容