[发明专利]焊料合金及包含所述合金的焊膏

说明书

本发明涉及一种无铅焊料合金，其主要由以下组成或由以下组成：0.01至11重量％的锌(Zn)；0.01至6重量％的铋(Bi)；0.01至2重量％的镓(Ga)；和锡(Sn)，其中所述重量百分比基于合金的总重量。本发明还涉及一种焊膏，其包含所定义的颗粒形式的无铅焊料合金和助焊剂。

技术领域

本发明涉及无铅焊料合金和包含所述合金的焊膏。更具体地，本发明涉及包含镓作为微合金化元素的焊料合金以及由所述合金和助焊剂形成的焊膏。

背景技术

电气装置的主电路是焊接有电子零件的印刷电路板。在这样的电路中，焊料合金用于在两个导体之间建立永久的电连接，并且相关的焊接过程通常通过将焊料加热到其熔点以上、包围要与熔融焊料连接的导体并使焊料冷却来实现。此外，焊料合金用于互连半导体装置，包括在硅晶片上制造的集成电路芯片：在晶片的顶侧沉积一系列焊料凸块，将芯片翻转使得焊料凸块与匹配焊盘在基材上对齐，并且加热该系统以使焊料流动。

众所周知，一些芯片，包括集成电路芯片，可能因其部件暴露于过热而损坏。鉴于在倒装芯片连接方法中整个组件被加热以使焊料流动，焊料的熔点必须足够低，以防止温度敏感部件如塑料连接器被损坏。从历史上看，这引发了使用含铅焊料，尤其是锡-铅(Sn-Pb)焊料，因为它们的熔点低。但问题是，铅和许多铅合金都是有毒的，并且环境法规现在规定用毒性较小的对应物替换铅焊料。

进行这种替换的困难在于，焊料仍必须表现出低熔点和足够的导电性，以用于电子应用。虽然无铅焊料是已知的，但这些焊料通常需要比以往用于锡-铅焊料生产的那些温度高30至40℃的加工温度。例如，已确立的无铅焊料SAC 305，其包含96.5重量％的锡(Sn)、0.5重量％的铜(Cu)和3重量％的银(Ag)，具有约232℃的最低加工温度并且因此其使用需要能够承受这些高温的专用电路板材料。这些高温可热损坏印刷电路板(PCB)和许多连接到其的部件。

此外，更换Sn-Pb焊料可影响印刷电路板(即使在高温下使用由特殊材料制成的电路板时)对焊盘缩孔的敏感性。这是PCB上的铜箔和PCB的最外层玻璃纤维层之间的树脂断裂，并且被认为是具有最小蠕变的高应变率事件。不太合规的焊料或具有较高屈服点的那些焊料会增加焊盘缩孔的可能性，因为它们提供最小的负载共享。此外，许多锡基无铅焊料在置于可能导致电气短缺的压缩应力下时容易生长锡丝须晶：这在需要高可靠性的应用例如医疗装置、航空航天应用和军事应用)中尤其值得关注。

进一步值得注意的是，近年来，安装在电子电路板上的焊料可能会经历以下一种或两种：显著的温度变化，例如在–40℃至150℃的范围内；和振动载荷。当经历前者时，安装的电子部件和基材的线膨胀系数的差异可引起应力：另外，温度变化引起的反复塑性变形往往会引起焊接点中的裂纹，并且随着时间流逝反复施加的应力集中在裂纹尖端附近，使得裂纹倾向于横向发展到焊接点的深部。在裂纹明显发展的地方，这会断开电子部件和形成在基材上的电子电路之间的电连接。电子电路板的振动会加剧裂纹的发展。

当铋(Bi)或锑(Sb)添加到主要由Sn组成的无铅焊料合金中时，一部分Sn晶格被Bi或Sb取代。因此，Sn基体被强化以增加焊料合金的合金强度：这对裂纹的发展提供抑制作用，但仅在焊料块中。与电极形成中常用的铜(Cu)相比，铋(Bi)、锑(Sb)和锡(Sn)的低热导率性会在电流流入电极时在焊接点内产生温度梯度：温度梯度反过来又促进了Cu、Sn、Bi和Sb在焊料和电极之间的界面层内的热迁移。在该区域中出现孔洞，并且随着温度升高下的时间的延长，孔洞倾向于不断地相互连接，并且最终导致界面层破裂。

许多作者试图解决与替换电子装置及其部件中的Sn-Pb焊料相关的困难。

JP H08-252688(Fujitsu Ltd.)描述了一种用于电子设备内的零件的低温接合的焊料合金，所述焊料合金由以下组成：37至58重量％Sn；0.1至2.5重量％Ag；和余量Bi。已经观察到，小型电子装置诸如移动电话或笔记本电脑(其中使用了这些Sn-Bi基焊料)显示出低冲击强度，且通常在焊料接合界面处发生断裂。