專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)鉛焊料、焊接接合產(chǎn)品及電子元件的制作方法
無(wú)鉛焊料、^##^產(chǎn)品及電子元件本發(fā)明涉及一種無(wú)鉛焊料、利用無(wú)鉛焊料連接而制造的的焊接接合 產(chǎn)品和電子元件，所述無(wú)鉛焊料具有良好的抗氧化性、機(jī)械性能和潤(rùn)濕 性并易于被塑性加工。背景狄近年來(lái)，出于對(duì)4^的環(huán)>^保護(hù)人們^^關(guān)注環(huán)嫂問(wèn)題。^il種境況下， 工業(yè)廢^o^棄lt量的增加成為嚴(yán)重的問(wèn)題。所4吏用的焊料，例如，包^t在工業(yè) 廢品中的電力控制計(jì)算機(jī)的基仗、家用電器和個(gè)人電腦中包括在工業(yè)廢品中使 用焊料。有害的重金屬，如鉛有時(shí)>^^^些焊料中流出。例如，當(dāng)焊料流出時(shí)，鉛作用于酸雨等產(chǎn)生含鉛的水M，而JM^^常^^^A^下7jC。在日本，于1998科，j定了家用電l^"循環(huán)法，并在2001年對(duì)家用電絲 求回 棄制品。在歐洲，自2004年開(kāi)始，由歐洲議姊電氣與電^i殳備廢棄 物委員會(huì)的指令已經(jīng)禁止作為特歹械質(zhì)的鉛的^^。這樣，有關(guān)鉛4M的法律 敗已經(jīng)^F格，無(wú)鉛焊料的狄已是迫切需要(參見(jiàn)，例如，非專(zhuān)利文獻(xiàn)l)。 焊料^L^k^電子^^接多個(gè)在包括熱循環(huán)、才械沖擊、4M^fi動(dòng)等嚴(yán) 峻環(huán)嫂下使用的細(xì)L^L件中^iJ重要的作用。并JL^無(wú)鉛焊料中，要求具有與 傳統(tǒng)錫(Sn) KPb)焊^Hit似的熔點(diǎn)、絲良好的;N^性能、潤(rùn)濕'I^p足夠 好g形為帶M絲狀的塑性加工性能。然而，在傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料中，通常^ Sn (錫)-Zn (鋅)或Sn (錫)-Bi (鉍)焊料以提供與Sn (錫)-37wt%Pb (鉛)焊料(溶點(diǎn)1831C )近似的熔點(diǎn)， 或者添加大量的In (銦)或Bi (鉍)到，例如，Sn (錫)"Cu (銅)、Sn (錫) -Ag (銀)或Sn (錫)"Cu (銅)-Ag (銀)焊料中以l^f^L點(diǎn)。例如，所^A的 Sn (錫)-9. Owt% Zn (鋅)(熔點(diǎn))、 Sn (錫)-58. Owt% Bi (鉍)(熔點(diǎn) 138 °C )、 Sn (錫)-0. 5wt°/。 Cu (銅)-4. Owt% Ag (銀)-8wt% In (銦)(熔點(diǎn)2 08x:)為此類(lèi)焊料。然而，因?yàn)檫@些焊料包括大量可引^Mt的元素，例如，機(jī) 械性能和塑寸仏工性能惡化，從而4lb^保證令A(yù)^意的縣結(jié)合強(qiáng)度和可靠性。
更進(jìn)一步，這些無(wú)鉛焊料當(dāng)塑寸仏工時(shí)很可能導(dǎo)^/)!4^壞等，因此，對(duì)這些無(wú)鉛焊料來(lái)i^lb^成功^受擠壓、軋制、拔絲等。因此，帶城絲狀的成形 產(chǎn)品^j^上無(wú)法生產(chǎn)?；谏蟟i^因，無(wú)鉛焊料的應(yīng)用受到極大限制。(非專(zhuān)利 文獻(xiàn)1)對(duì)歐洲議^電氣與電子設(shè)備廢棄物委員會(huì)的指令的建議，歐洲共同體 委員會(huì)，布魯塞爾(Brussels), 2000年6月13日。 發(fā)明內(nèi)容如上所述，由于傳^iL鉛焊料包括大量可引^/M匕的元素，例如，；^0^性 負(fù)&和塑'l^口工性能惡化，從而m^保證令A(yù)^意的)W結(jié)合強(qiáng)度和可靠性。更 進(jìn)一步，這些無(wú)鉛焊料在塑',工時(shí)會(huì)導(dǎo)M/I^t壞等，因此，對(duì)這些無(wú)鉛焊 料來(lái)i)Wrt成功,受擠壓、軋制、M等。因此，帶城絲狀的成形焊料產(chǎn) 品J4Ui無(wú)法制造?；谏蟟i^、因，無(wú)鉛焊料的應(yīng)用受到絲的P艮制。本發(fā)明是為了解決KL^H^中的上述問(wèn)題，并iL^發(fā)明的目的是提^-種 無(wú)鉛焊料、利用該無(wú)鉛焊料連接制造的高可靠性的焊##合產(chǎn)品和電子部 件，所狄鉛焊料具有優(yōu)良的^lL化性、Wfe性負(fù)沐塑',工性能，能浙呆證 令人滿意的焊接結(jié)^ 雖度和可靠性，并可^^形為帶絲絲狀。上述目的可通過(guò)含有錫(Sn) J^^i無(wú)鉛焊料實(shí)現(xiàn)，所述錫基^r具有 不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt %的鉭(Ta )。條本發(fā)明，還提l種含有錫(Sn)基^^i無(wú)鉛焊料，所述錫基R 含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2, Owt %的鉭(Ta )、不低于0. lwt %且不超過(guò) 10. 0wt。/。的鋅(Zn),余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。條本發(fā)明，還提^-種含有錫(Sn)基^^無(wú)鉛焊料，所述錫基妙 含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. 0wt %的鉭(Ta )、不低于0. lwt %且不超過(guò) 60. 0wt。/。的鉍(Bi )，綠由錫(Sn)和不可狄的雜質(zhì)城。條本發(fā)明，還提[種含有錫(Sn)基^^無(wú)鉛焊料，所述錫基妙 含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. 0wt %的鉭(Ta )、不低于0. lwt %且不超過(guò) 10. 0wt。/。的銦(In),余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。條本發(fā)明，還提^"種含有錫(Sn)基^^i無(wú)鉛焊料，所述錫基R 含有不低于0. 005wt Q/。且不超過(guò)2. 0wt %的鉭(Ta )、不低于0. Olwt %且不超過(guò) 7.5wt。/。的銅(Cu)，余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。條本發(fā)明，還提^-種含有錫(Sn)基^r的無(wú)鉛焊料，所述錫基絲
含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt 。/。的鉭(Ta )、不低于0. Olwt %且不超過(guò) 5. Owt。/。的l艮(Ag)，余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。條本發(fā)明，還提#~"種含有錫(Sn)基^^i無(wú)鉛焊料，所述錫基M 含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt %的鉭(Ta )、不低于0. Olwt %且不超過(guò) 5. Owt %的銀(Ag )、不低于0. Olwt %且不超過(guò)7. 5wt %的銅(Cu )，襯由錫(Sn) 和不可^的雜質(zhì)M。才 本發(fā)明的一個(gè)無(wú)鉛焊*[^逸實(shí)施方案，錫基^ii一步含有選自銦和 鉍的至少一種附加元素(Y)。才娘本發(fā)明的一個(gè)無(wú)鉛焊料更絲實(shí)施方案，在所述錫基^T中，選自銦 和鉍的附加元素(Y)的襯為，銦不超過(guò)10wtQ/。、鉍不超過(guò)60wt0/。。才緣本發(fā)明的一個(gè)無(wú)鉛焊料優(yōu)選實(shí)施方案，錫基^rii一步含有選自鈷 (Co)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、銻(Sb)和鍺(Ge)的至少一種附加元 素(X)。才娥本發(fā)明的一個(gè)iL4&焊料更優(yōu)選實(shí)施方案，在所述錫基合金中，選自鈷、 鈦、鎳、鈀、銻和鍺的附加元素(X)的^l:為，對(duì)于每種附加元素(X)， ^J: 不超過(guò)O. 5wt%，當(dāng)含有多種附加元素(X)時(shí)，多種附加元素(X)的總量不超 過(guò)l. Owt%。才娥本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可以是骨狀、帶狀、絲^ML糾。才娥本發(fā)明，還可提供由上述任何一種無(wú)鉛焊料連接而制造的焊接接 合產(chǎn)品。才娥本發(fā)明，可提供由上述任何一種無(wú)鉛焊料連接而制造的電子部件。 根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料，其具有良好的抗氧化性，并能很好并容易 地實(shí)現(xiàn)塑性加工，如擠壓、軋制和拔絲。更進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛 焊料，當(dāng)被用作焊料時(shí)，在焊料所需的各方面性能上都表現(xiàn)優(yōu)異，比如， 機(jī)械性能和濕潤(rùn)性。因此，本發(fā)明可提供一種無(wú)鉛焊料，其具有優(yōu)異的 抗氧化性、機(jī)械性能和塑性加工性能，并能保證令人滿意的焊接結(jié)合強(qiáng) 度和可靠性，并能夠被塑性加工成帶狀或絲狀。由于根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料具有不需顯著增加熔點(diǎn)就可實(shí)現(xiàn)的提高的潤(rùn)濕性，因此在有效防止待利用熱連接的物體的損壞的同時(shí)，能夠?qū)?現(xiàn)焊接結(jié)合強(qiáng)度和可靠性的顯著提高。因此，本發(fā)明可提供具有良好結(jié) 合強(qiáng)度和可靠性的焊接接合產(chǎn)品、優(yōu)選具有各種電子元件的電子部件，如，LED發(fā)光元件、SEDs (表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器)或與其所連接的安


圖 1 為顯示形成在基板上的根據(jù)本發(fā)明的 Sn-3Ag-0. 5Cu-4In-0. 05Ta焊料的熔體薄膜狀態(tài)的照片；圖2為顯示形成在基板上的Sn-3Ag-0. 5Cu焊料的薄膜狀態(tài)的照片； 圖3為顯示形成在基板上的Sn-3Ag-0. 5Cu-4In焊料的薄膜狀態(tài)的照片；圖4為顯示以滴落方法評(píng)價(jià)Sn-3Ag-0. 5Cu-4In-0. 05Ta焊料的表面張 力中形成的根據(jù)本發(fā)明的Sn-3Ag-0. 5Cu-4In-0. 05Ta焊料的液滴形狀圖；圖5為顯示以滴落方法評(píng)價(jià)Sn-3Ag-0. 5Cu焊料的表面張力中形成的 Sn-3Ag-0. 5Cu焊料的液滴形狀圖；圖6為顯示以滴落方法評(píng)價(jià)Sn-3Ag-0. 5Cu-4In焊料的表面張力中形 成的Sn-3Ag-0. 5Cu-4In焊料的液滴形狀圖，；圖7為簡(jiǎn)要說(shuō)明在實(shí)施例1和2中實(shí)施的"熱循環(huán)測(cè)試"的圖。
具體實(shí)施方式
[無(wú)鉛焊料]根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料含有Sn (錫)基合金，所述錫基合金包含不 低于0. 005wt。/。且不超過(guò)2. Owt。/。的鉭(Ta)。 iH/(M的術(shù)語(yǔ)"無(wú)鉛焊料"通 常是指含Pb (鉛)量不超過(guò)1000ppm的合金。才娥本發(fā)明，含有預(yù)定量的鉭的無(wú)鉛焊料可以分為(i) Sn-Ta基合金， (ii) Sn-Zn-Ta基合金，(iii) Sn-Bi-Ta基合金，(iv) Sn-Cu-Ta基合金， (v) Sn-Ag-Ta基合金，和(vi) Sn-Cu-Ag-Ta基合金。本發(fā)明中，即使當(dāng)一種無(wú)鉛烊料屬于合金(i)到(vi)的任何一種時(shí)， 鉭作為一種必不可少的成份都必須含有，并且其量不低于0.005 wt。/。不 高于2. 0 wt%。鉭是一種主要為提高焊料的潤(rùn)濕性和焊接部分機(jī)械性能的重要的成 份。鉭作為一種添加元素降低了錫或錫合金熔體的表面張力以提高焊料
潤(rùn)濕待焊接構(gòu)件的能力。并且，鉭導(dǎo)致錫或錫合金凝固過(guò)程中Sn-Ta金 屬間化合物的成核，這樣有助于晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)化。當(dāng)鉭含量低于0. 005 wt %時(shí)，盡管在細(xì)化凝固組織方面可以獲得滿意的效果，但卻不能獲得通 過(guò)降低表面張力而提高潤(rùn)濕性的效果。另一方面，當(dāng)鉭含量高于2. Owt%， 在一些情況下，在某些冷卻條件下形成粗大的Sn-Ta金屬間化合物，從 而盡管可以獲得出色的潤(rùn)濕性但導(dǎo)致了焊接強(qiáng)度的降低。在根據(jù)本發(fā)明 的無(wú)鉛焊料中的鉭含量?jī)?yōu)選0. 05到1. 0 wt 4的范圍，尤其優(yōu)選是0.1到 0. 5wt i的范圍，因?yàn)榭梢垣@得潤(rùn)濕性和機(jī)械性能的最佳平衡，并且可以 獲得最佳的焊接性能。根據(jù)本發(fā)明的Sn-Ta基無(wú)鉛焊料(i)包含錫、預(yù)定量的鉭、可選擇的 各種添加元素(它們將會(huì)被詳細(xì)介紹)和不可避免的雜質(zhì)。由于根據(jù)本 發(fā)明的Sn-Ta基無(wú)鉛焊料含少量的鉭，因而這種無(wú)鉛焊料不改變純錫的 熔點(diǎn)2321C,在這個(gè)熔化區(qū)間內(nèi)同時(shí)具有出色的潤(rùn)濕性能和機(jī)械性能。Sn-9 wt% Zn的共晶組成具有最低的熔點(diǎn)(熔點(diǎn))， 一般被用 作低熔點(diǎn)的無(wú)鉛焊料。但是，這種焊料有一個(gè)問(wèn)題，由于高含量的Zn， 可能形成粗大的共晶組織，從而導(dǎo)致不能提供滿意的焊接強(qiáng)度和可靠性。 根據(jù)本發(fā)明的Sn-Zn-Ta基無(wú)鉛焊料(i i)解決上述問(wèn)題尤其有效。具體來(lái) 說(shuō)，焊料中含有的鉭降低了表面張力，顯著細(xì)化Sn-Zn共晶組織，獲得 一種細(xì)小均勻的Sn-Zn共晶組織。借此，改善了機(jī)械性能。特別A^性 明顯改善，并可抑制凝固時(shí)裂紋的出現(xiàn)。這種機(jī)制對(duì)鋅含量超過(guò)9 wt% 的Sn-Zn過(guò)共晶組成和鋅含量低于9wt。/4的亞共晶組成也同樣有效，并且 組成不用特別限制。根據(jù)本發(fā)明的Sn-Bi-Ta基無(wú)鉛焊料(iii)與根據(jù)本發(fā)明的Sn-Zn-Ta 基無(wú)鉛焊料(ii)相似，Sn-57 wt% Bi共晶組成(熔點(diǎn))被通常用 作低熔點(diǎn)無(wú)鉛焊料。盡管一部分的鉍溶于錫中形成固溶體，大部分鉍作 為簡(jiǎn)單物質(zhì)形成共晶組織，共晶組織在某些冷卻條件下會(huì)粗化。這種粗 大的共晶組織的存在是焊接部分脆性斷裂的主要原因。在確保焊接強(qiáng)度 和可靠性時(shí)，鉍含量不應(yīng)超過(guò)5 wt°/。。鉍含量特別優(yōu)選在0.1到1. 0 wt°/。 的范圍。根據(jù)本發(fā)明的Sn-Cu-Ta基無(wú)鉛焊料(iv) 、 Sn-Ag-Ta基無(wú)鉛焊料(v) 和Sn-Cu-Ag-Ta基無(wú)鉛焊料(vi)也有與根據(jù)本發(fā)明的Sn-Zn-Ta基無(wú)鉛焊 料和Sn-Bi-Ta基無(wú)鉛焊料相同的鉭加入效果。 一般來(lái)說(shuō)，使用接近 Sn-O. 5到0. 75 wt% Cu共晶組成的組成和接近Sn-0. 5到0. 75 wt% Cu-3. 0 到3. 5 wt% Ag三元共晶組成的組成。為了提高烊料的熔點(diǎn)(液相線溫度)， 也使用一種銅含量超過(guò)7.5 wtX的過(guò)共晶組成，其銅含量遠(yuǎn)高于Sn-0. 7 wt% Cu共晶組成的銅含量，或使用一種含有銅含量低于0.5 wtW的亞共 晶組成，其銅含量遠(yuǎn)低于Sn-0. 7 wt% Cu共晶組成。在Sn-Cu基無(wú)鉛焊 料的所有組成中，都可以獲得鉭的加入效果。這對(duì)于Sn-Ag基無(wú)鉛焊料 和Sn-Cu-Ag基無(wú)鉛焊料也成立。如上所述，如果有必要也可以在根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料(i)至(vi)中 使用各種添加元素。選自鈷(Co)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、銻(Sb) 和鍺(Ge)的至少一種添加元素(X)可以作為添加元素的具體優(yōu)選例來(lái) 舉例。使用添加元素(X)可以降低熔化的無(wú)鉛焊料的表面張力，提高潤(rùn) 濕性。例如，日本專(zhuān)利申請(qǐng)No. 65858/2004描述通過(guò)加入鈷(Co )、鎳(Ni) 和鈀(Pb)可降^f"面張力。對(duì)于在根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料中作為添加元素的所有的鈷、鈦、鎳、 鈀、銻和鍺，其添加量?jī)?yōu)選不低于0. 005 wa且不高于0. 5 wt%。當(dāng)添加 量低于0. 005 wtM時(shí)，不能保證滿意的表面張力降低。另一方面，當(dāng)添加 量高于O. 5w04時(shí)，在某些冷卻條件下可能形成粗大的金屬間化合物，這 樣，機(jī)械性能有時(shí)會(huì)惡化。當(dāng)無(wú)鉛焊料中含有多種添加元素(X)時(shí)，添 加元素(X)的總含量?jī)?yōu)選不高于1. 0 wt%，特別優(yōu)選不高于0. 7 wt、當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料是Sn-Cu-Ta基無(wú)鉛焊料(iv)、 Sn-Ag-Ta 基無(wú)鉛焊料(v)或Sn-Cu-Ag-Ta基無(wú)鉛焊料(vi)時(shí)，除了上迷的添加元素 (X)外，還可以可選使用其它添加元素。選自銦(In)和鉍(Bi)的至少一 種添加元素(Y)可例舉為其它添加元素的具體優(yōu)選例。當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明的 無(wú)鉛焊料中使用添加元素(Y)時(shí)，添加元素(X)可以有也可以沒(méi)有。并且， 在根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料中，只要得到本發(fā)明的效果，除了添加元素(X) 和添加元素(Y)以外也可以存在其它添加元素。銦(In)主要是一種用于降低無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)的成份，通過(guò)考慮到所應(yīng) 用于的電子元件的允許溫度范圍與材料成本之間的平衡而適當(dāng)?shù)匾?guī)定。
一般說(shuō)來(lái)，從抗氧化角度來(lái)看，銦的加入量?jī)?yōu)選不高于10.0 wt%，特別 優(yōu)選不高于5. 0 wt%。鉍(Bi)主要是一種用于降低無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)的成份，并且鉍的組成沒(méi) 有具體限制。但是，如上所述，當(dāng)必須保證焊接強(qiáng)度和可靠性時(shí)，鉍含 量應(yīng)不高于5 wt%，特別優(yōu)選0.1 wt。/。到1. 0 wt%。特別在同時(shí)含有鉍和 銦時(shí)，鉍、含量?jī)?yōu)選在0.1 wt。/。到1. 0 w"/4的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料(i)到(vi)和根據(jù)本發(fā)明的可選地含有添加 元素(X)和添加元素(Y)的無(wú)鉛焊料可以非常容易且效果好地經(jīng)受塑性加 工，例如，擠出、軋制和拉絲。并且，當(dāng)作為焊料時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的無(wú) 鉛烊料(i)到(vi)和根據(jù)本發(fā)明的可選地含有添加元素(X)和添加元素(Y) 的無(wú)鉛焊料在焊料所需的各種性能上都非常優(yōu)異，例如，連接強(qiáng)度、機(jī) 械性能和潤(rùn)濕性。因此，本發(fā)明可提供具有優(yōu)異連接強(qiáng)度和可靠性的焊接接合產(chǎn)品， 特別是具有各種電子元件的電子部件，例如LED發(fā)光元件、SED(表面?zhèn)?導(dǎo)電子發(fā)射顯示器)或連接其上的安裝基板。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可采用任何所需方法制造而沒(méi)有特別的限 制。例如根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可以通過(guò)在或高于每一種組份熔點(diǎn)的溫 度下，熔體攪拌(kneading)必需的組份，例如，錫(Sn)、鉭(Ta)、鋅 (Zn)、鉍(Bi)、銅(Cu)、或銀(Ag),可選組份，例如，添加元素(X)或添 加元素(Y)，有必要的話還可以添加其它組份以提供具有預(yù)期成份的無(wú)鉛 焊料，然后冷卻混合物而制造出來(lái)。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料優(yōu)選制造方 法為，將構(gòu)成預(yù)期無(wú)鉛焊料所需含量或更低含量的錫與一種或至少兩種 上述的必需的組份和/或可選的組份事先合金化，然后將已合金化的產(chǎn)品 (預(yù)合金化產(chǎn)品)與所需錫含量的剩余量和必需的組份和/或可選組份的 剩余量合金化，以提供預(yù)期的無(wú)鉛焊料。這樣，可以很容易地制造出含 有均勻且緊密分歉的錫和上述金屬組份的焊料。為了阻止由于無(wú)鉛焊料 氧化所導(dǎo)致的性能惡化，無(wú)鉛焊料和它的組成成份優(yōu)選在惰性氣氛下處 理，例如氮?dú)?、氬氣、或氦氣氣氛。根?jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料在室溫下是固體或糊，這取決于例如，無(wú)鉛 焊料的組成、具體制造條件和其它條件。
這樣制造的根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可以非常容易且效果好地經(jīng)變塑 性加工，例如，擠出、軋制和拉絲。并且，當(dāng)用作焊料時(shí)，才艮據(jù)本發(fā)明 的無(wú)鉛焊料在焊料所需的各種性能上都非常優(yōu)異，例如，結(jié)合強(qiáng)度、機(jī) 械性能和潤(rùn)濕性。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料的潤(rùn)濕性為，JIS Z 3198-3所規(guī)定的潤(rùn)濕鋪 展百分比OO，對(duì)(i) Sn-Ta基無(wú)鉛焊料為75到80%,對(duì)(ii) Sn-Zn-Ta 基無(wú)鉛焊料為60到70%,對(duì)(iii) Sn-Bi-Ta基無(wú)鉛焊料為80到90%， 對(duì)(iv) Sn-Cu-Ta基無(wú)鉛焊料為70到85%,對(duì)(v) Sn-Ta-Ag基無(wú)鉛焊料 為75到85 % ，對(duì)(vi) Sn-Cu-Ag-Ta基無(wú)鉛焊料為75到85 % ,對(duì)這些無(wú) 鉛焊料的每一種來(lái)說(shuō)，與上述除了不含鉭之外均相同的焊料相比，潤(rùn)濕 性(鋪展百分比)可實(shí)現(xiàn)提高15%或更高。無(wú)鉛焊料的潤(rùn)濕性可以通過(guò)在基板上放置預(yù)定厚度的焊料層，在空 氣氣氛中將該組合件加熱到焊料熔點(diǎn)或該熔點(diǎn)以上的溫度，視覺(jué)觀察由 熔融焊料形成的焊料膜的狀態(tài)。圖1為顯示帶狀焊料(2)的狀態(tài)的圖，它是由尺寸為長(zhǎng)25mm x寬25mm x厚150 y m的Sn-3Ag-0， 5Cu-4In-0. 05Ta帶狀焊料作為根據(jù)本發(fā)明的焊 料，將帶狀焊料放在涂有焊劑的無(wú)氧銅片(l)上，在溫度250。C熱處理 組合件以熔化焊料然后凝固焊料后提供的。圖2為顯示除了使用 Sn-3Ag-0. 5Cu以外與圖1所示相同的帶狀焊料代替上述根據(jù)本發(fā)明的焊 料的圖。圖3為顯示除了使用Sn-3Ag-0. 5Cu-4In以外與圖1所示相同的 帶狀烊料代替上述根據(jù)本發(fā)明的焊料的圖。>^1些圖中可看出，杉li&本發(fā)明的無(wú)4&^料^W^的潤(rùn)濕性，在^Ji可 以形成具有J4^勻厚度的焊料膜。另一方面，對(duì)于其它焊料，由于潤(rùn)濕性碎 A;滿意，"^p^^h^l^態(tài)凈ici^排斥。因此，不能形成一個(gè)均勻的焊料膜， 并且出m^料非^^部分3或焊料膜的過(guò)分^^部分4。 jtW卜，焊料膜的輪廓不 清晰。對(duì)于潤(rùn)濕性差的焊料，不能夠?qū)崿F(xiàn)滿意的焊接結(jié)^ 雖度，并且，更進(jìn)一步， ^r^負(fù)^f料漏出而ii^非希望的區(qū)域。因此，這種焊料不適絲別^J于需要 高精;t^^^接質(zhì)量的應(yīng)用領(lǐng)域中，例如，作為用于高精度電子元件的連接或布 線的焊料。此外，焊料的潤(rùn)濕性可以通過(guò)落滴法測(cè)量熔融狀態(tài)的焊料的表面張
力來(lái)評(píng)定。落滴法是一種利用這樣的性質(zhì)測(cè)量表面張力的方法，當(dāng)液體 通過(guò)一個(gè)圓管開(kāi)口滴落時(shí)，由于焊料液滴的重量克服了液滴的表面張力 而使得焊料液滴滴落。圖4所示為本發(fā)明的Sn-3Ag-0. 5Cu-4In-0. 05Ta焊料的熔體逐步從 一個(gè)直徑為0. 7mm的圓形管開(kāi)口流出的場(chǎng)合剛要滴落前焊料液滴的形狀。 圖5所示為用除了采用Sn-3Ag-0. 5Cu以外與圖4所示相同的焊料代替圖 4中的焊料的液滴形狀。圖6所示為用采用Sn-3Ag-0. 5Cu-4In以外與圖 4所示相同的焊料代替圖4中的焊料的液滴形狀。在每個(gè)圖中，熔融的焊 料的表面張力Y可以通過(guò)焊料液滴剛要滴落前的焊料液滴水平方向上的 最大直徑de和在距離焊料液滴前端距離de的位置處的焊料液滴水平方 向上的直徑ds的關(guān)系被計(jì)算出來(lái)Y =g* p (de) VH式中Y代^面張力；g代表重力常數(shù)；de代表最大直徑；H代表校 正因子(H-ds/de),如上式所示，ds值越大，表面張力越低。焊料的表面張力越低，潤(rùn) 濕性越好。圖4所示根據(jù)本發(fā)明的Sn-3Ag-0. 5Cu-4In-0. ITa烊料的表面張力為 0. 40到0. 42N/m，圖5所示傳統(tǒng)的Sn-3Ag-0. 5Cu焊料的表面張力為0. 38到0.權(quán)/m， 圖6所示傳統(tǒng)的Sn-3Ag-0. 5Cu-4In焊料的表面張力為0.43到 0. 46N/m。從上述結(jié)果，明顯看出在傳統(tǒng)的Sn-3Ag-0.5Cu焊料中含有4In增加 了表面張力，在該焊料中含有O.lTa降低了表面張力從而實(shí)現(xiàn)好的潤(rùn)濕 性。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料具有優(yōu)良的抗氧化能力，這樣，極大的抑制 了由于氧化導(dǎo)致的各種性能的惡化，進(jìn)而，不易產(chǎn)生主要由焊料氧化物 組成的所謂的"浮渣"。例如，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料，產(chǎn)生的浮渣 的數(shù)量減少到不含鉭的無(wú)鉛焊料所產(chǎn)生的浮渣的約五分之一左右。 [生產(chǎn)無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品的工藝]根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的特征在于包括，溶解
行塑性加工來(lái)制備成形產(chǎn)品的塑性加工步驟。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的無(wú)鉛焊料不能毫無(wú)困難地進(jìn)行塑性加工，即使塑 性加工可以很成功完成，但難以獲得作為焊料所需滿足的機(jī)械性能、潤(rùn) 濕性和其它性能。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料可以非常容易且效 果很好的被塑性加工，即使在塑性加工后，也具有作為焊料應(yīng)滿足的好 的機(jī)械性、潤(rùn)濕性能、焊接結(jié)合強(qiáng)度和其它性能。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品的制造工藝，可以容易地制造出具 有所需形狀和尺寸的焊料成形產(chǎn)品，其具有作為焊料應(yīng)滿足的性能。在 本發(fā)明中，無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品可以生產(chǎn)出用傳統(tǒng)一般無(wú)鉛焊料迄今無(wú)法 實(shí)現(xiàn)的形狀，例如，帶、絲或棒狀。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的帶狀無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品的具體實(shí)例包括厚度為50到500 jam,尤其優(yōu)選100到150 jam的那些。才艮據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的絲 狀無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品的具體例包括絲直徑為0.1 mm到1 mm,特別優(yōu)選 0. 2 mm到0. 5 mm的那些。根據(jù)本發(fā)明的棒狀無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品的形狀和 尺寸沒(méi)有特別限制。但是，為了使得鑄造的棒狀無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品中化 學(xué)成分的偏析最小化，冷卻速度優(yōu)選不低于l'C/sec。進(jìn)而，棒狀無(wú)鉛焊 料成形產(chǎn)品的例子包括由擠出鑄錠后將擠出物進(jìn)行塑性加工例如禮制而 制造出的具有均勻組織的棒狀無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品，或通過(guò)直接軋制熔融 的無(wú)鉛焊料來(lái)制造棒狀無(wú)鉛焊料成形制品。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品特別適合用作對(duì)如具有各種電子元 件部，如LED發(fā)光元件，和SEDs (表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器)和安裝基 板進(jìn)行焊接的焊料成形產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛焊料成形產(chǎn)品具有與傳統(tǒng)含鉛的錫焊 料基本相同的熔點(diǎn)，并且具有與傳統(tǒng)無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛焊料成形制品相當(dāng) 或更優(yōu)的出色的焊接強(qiáng)度和可靠性。 實(shí)施例[實(shí)施例1 ]熔化由務(wù)9. 0wt %鋅-0. lwt %^^且成的無(wú)鉛焊料，并將熔體鑄成直徑為 100mm、長(zhǎng)300mm的^H"。然后，將^h擠壓成10mm厚、70mm寬的;^材。然后^=}#材進(jìn)行軋制，制成100Mm厚、70mm寬的帶。然后，如圖7所示，將附ij涂覆在圖7中所示厚3咖、寬50mm、長(zhǎng)60mm 的銅板100的表面上，然后將厚100ium、寬40mm、長(zhǎng)50mm的帶;J^f料102放 狄已涂覆的御板100上。接著，將厚0. 5咖、寬30咖、長(zhǎng)40mm的鍍有銅的S iN 狄101 ;M在帶^^料102的上部。將組件在溫度230匸、氮?dú)鈿夥罩屑訜?45秒以粉容。對(duì)由此獲得的連接產(chǎn)品在-2 5 r至1251C的*下進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試。 在2000周期^^環(huán)測(cè)試后，連接產(chǎn)品用超聲波探傷^ii，測(cè)。結(jié)果是，未 發(fā)現(xiàn)^^分離。 [實(shí)施例2 ];t^f匕由務(wù)0. 5wt %銅-2. 5wt %4艮-4. Owt %40~0. lwt %鉭-0. lwt %鈷纟賦的 無(wú)鉛焊料，并掙熔體鑄成直徑為100mm、長(zhǎng)300mm的^K然后，將^f擠壓成 lOim厚、70mm寬的棒材。然后5 t^材進(jìn)行軋制，制成100jum厚、70mm寬的帶。然后，如圖7所示，將荊'j涂覆絲3咖、寬50ran、長(zhǎng)60mm的御feL100的 表面上，然后將厚100um、寬4m、長(zhǎng)50nm的帶^f料102iil^已涂覆的銅 板100上。接著，將厚0.5咖、寬30咖、長(zhǎng)40nm的鍍有銅的SiN基仗102M 在帶^J^料101的上部。對(duì)組件在溫度25(TC、氮?dú)鈿夥罩屑訜?5秒以約容。對(duì) 由此荻得的連接產(chǎn)品在-25t:至125X:的^ff下進(jìn)行皿環(huán)測(cè)試。在4000周期熱 循環(huán)測(cè)^r，連接產(chǎn)品用超聲波探傷 ^#^測(cè)。結(jié)果是，^L現(xiàn)^^分離。 [雄例1 ]熔化由務(wù)9. Owt %鋅的無(wú)鉛焊料，并掙熔體鑄成直徑為IOO咖、長(zhǎng)300mm 的W。然后，將J3^f"擠壓成截面為厚10mm、寬70mm。結(jié)果^jto截面垂直于 擠壓方向在邊緣部分出現(xiàn)許多^對(duì)經(jīng)過(guò)擠壓的材^Hi行軋制，制成厚ioo lim、寬40mm、長(zhǎng)50mm的帶;l^^料，將該焊^4刀割并用作樣品。然后，用和實(shí)施例l相同的方式，將附'J涂覆在厚3咖、寬50mm、長(zhǎng)60nm 的銅板100的表面上，然后將厚100jnm、寬40咖、長(zhǎng)50咖的帶狀焊料102放 置在已涂覆的銅板100上。接著，將厚0. 5咖、寬30mm、長(zhǎng)40mm的鍍有銅的SiN 102 M在帶;W料101的上部。對(duì)組件在溫度230X:、氮?dú)釻中加熱 45秒以粉容。對(duì)由處荻得的連接產(chǎn)品在-25X:至125X:的^Ht下進(jìn)行^t環(huán)測(cè)試。 在750周期,環(huán)測(cè)試后，連接產(chǎn)品用超聲波探傷^i^fm測(cè)。結(jié)果是，在 連^^品的四角;^現(xiàn)"i午多*。
權(quán)利要求
1. 一種含有錫(Sn)基合金的無(wú)鉛焊料，所述錫基合金具有不低于0.005wt％且不超過(guò)2.0wt％的鉭(Ta)含量。
2、 一種含有錫(Sn)基^的無(wú)鉛焊料，所述錫基^r含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt %的鉭(Ta )、不低于0. lwt %且不超過(guò)10. Owt %的鋅(Zn), 余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。
3、 一種含有錫(Sn)基^^i無(wú)鉛焊料，所述錫基^^"有;pf氐于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt %的鉭(Ta )、不低于0. lwt %且不超過(guò)60. 0wt %的鉍(Bi), 余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)《誠(chéng)。
4、 一種含有錫(Sn)基^^l無(wú)鉛焊料，所述錫基^^有不低于0. 005wt %且不超it2. Owt %的鉭(Ta )、不低于O. lwt %且不超過(guò)l 0. Owt %的錮(In )， 余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。
5、 一種含有錫(Sn)基^r的無(wú)鉛焊料，所述錫基^^"有;M氐于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt %的鉭(Ta )、不低于0. Olwt %且不超過(guò)7. 5wt %的銅(Cu )， 余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)組成。
6、 一種含有錫(Sn)基鍵的無(wú)鉛焊料，所述錫基^r含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. Owt %的鉭(Ta )、不低于0. Olwt %且不超過(guò)5. Owt %的銀(Ag )， 余量由錫(Sn)和不可遊免的雜質(zhì)組成。
7、 一種含有錫(Sn)基^r^無(wú)鉛焊料，所述錫基^ir含有不低于0. 005wt %且不超過(guò)2. 0 %的鉭(Ta )、不低于0. Olwt %且不超過(guò)5. Owt %的銀(Ag )、不 低于0. Olwt %且不超過(guò)7. 5wt %的銅(Cu )，余量由錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì) 減。
8、 3t^利要求1至7中^-項(xiàng)所述的無(wú)鉛焊料，其中所述錫基^ii一步 包^自銦和鉍的至少一種附加元素(Y)。
9、 ^慎求8所述的無(wú)鉛焊料，其中，在所述錫基合金中，選自銦和鉍 的附加元素(Y)的短為，銦不超過(guò)10wt。/。且鉍不超過(guò)60wt。/0。
10、 M5U'J^求1至9中^^項(xiàng)所述的無(wú)鉛焊料，其中所述錫基^^一 步包含選自鈷(Co)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、銻(Sb)和鍺(Ge)的至 少一種附加元素(X)。
11、 如^u'誤求io所述的無(wú)鉛焊料，其中，在所述錫基合金中，選自鈷、 鈦、鎳、鈀、銻和鍺的附加元素(x)的好為，對(duì)于每種附加元素(x)， ^f: 不超過(guò)0.5wt。/。，當(dāng)含有多種附加元素(x)時(shí)，多種附加元素(x)的總量不超 過(guò)l. Owt%。
12、 H5U'J^求1至11中任一項(xiàng)所述的無(wú)鉛焊料，其是骨狀、帶狀、絲狀
13、 一種利用根據(jù);M'漆求1至12中>(—項(xiàng)所述的無(wú)鉛焊*接而成的 焊接接合產(chǎn)品。
14、 一種利用根據(jù)W'虔求1至12中^-項(xiàng)所述的無(wú)鉛焊絲接而成的 電子部件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無(wú)鉛焊料，其具有良好的抗氧化性能，并能容易并良好地進(jìn)行塑性加工。該無(wú)鉛焊料及無(wú)鉛焊料成形制品可提供焊接接合制品，特別是電子部件，其有很高的可靠性，例如，機(jī)械強(qiáng)度和連接強(qiáng)度。本發(fā)明還提供用該無(wú)鉛焊料連接而成的焊接接合產(chǎn)品及電子部件。
文檔編號(hào)B23K35/26GK101209516SQ200610130968
公開(kāi)日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者久里裕二, 龍?zhí)雇?申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝