專利名稱：釬料合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及合金，特別是無鉛釬料合金。該合金特別適用于但不排他地適用于諸如波峰焊接(wave soldering )、回流焊接(reflow soldering )、熱風整平(hot air levelling)和^#陣列(ball grid array) 和芯片尺寸封裝(chip scale package)的電子焊接應用。
背景技術：
出于環(huán)境原因，對于含鉆常規(guī)合金的無鉛替代品的需求增加。許多 常規(guī)的釬料合金基于錫—銅共晶組合物Sn — 0.7wt.%Cu。EP-A-0336575 描述了用于連接和密封的低毒性合金組合物，特別是用作管道釬料的無 鉛合金。波峰焊接(或澆注釬焊)是批量釬焊電子組裝件時廣泛使用的方法。 它可以例如用于通孔電路板，其中該板通過熔融釬料的波峰，該熔融釬 料包圍板的底部以濕潤待結合的金屬表面。另 一種焊接工藝包含將印刷線路板浸入熔融釬料中以用可釬焊的 保護層涂覆銅端子。該工藝被稱為熱風整平。球柵陣列接頭(ball grid array joint)或芯片尺寸封裝(chip scale package) —般用兩個基板之間的釬料球組裝。這些接頭的陣列用來在 電路板上安裝芯片。美國2002/0051728涉及用于半導體器件中的凸點連接(bump connection)的釬料球。描述了含鉛和無鉛釬料合金組合物。提供了具 有組成Sn-2.5Ag-0.5Cu-lBi的無鉛釬料合金的實施例。但是，存在與用于波峰焊接、回流焊接、熱風整平工藝和球柵陣列 的一些常規(guī)無鉛共晶或近共晶釬料組合物相關的問題。特別是，為了獲 得板上沒有諸如部件端部之間的釬料的結網(wǎng)和橋接的實質性缺陷的有 效的焊接結果，波峰焊接中的常規(guī)釬料合金常需要高操作溫度。所用的
高溫增加渣形成的速度和印刷線路板過度變形的可能性。對于適用于波峰焊接、回流焊接、熱風整平工藝和球柵陣列的釬料 合金存在大量的需求。首先，合金相對于諸如銅、鎳、鎳磷("非電解 鎳，，)的各種基板材料必須表現(xiàn)出良好的濕潤特性。這些基板可以例如通過使用錫合金、金或有機涂層(OSP)涂覆以改善濕潤性。良好的濕潤性還提高熔融釬料流入毛細間隙和爬上印刷線路板中的貫通孔的孔 壁的能力，由此實現(xiàn)良好的孔填充。釬料合金趨于溶解基板并在與基板的界面處形成金屬間化合物。例 如，釬料合金中的錫可以在界面處與基板反應以形成金屬間化合物層。如果基板是銅，那么將形成Cll6Sll5層。這種層一般具有從幾分之一微米到幾微米的厚度。在該層與銅基板的界面處，可能存在金屬間化合物Cu3Sn。界面金屬間化合物將趨于在時效過程中生長，特別是在工作溫 度較高的情況下，并且較厚的金屬間層和可能已形成的任何孔穴一起可 以進一步促進存在應力的接頭處的過早斷裂。其它重要的因素為(i)合金自身內金屬間化合物的存在，這會導 致改善的機械性能；(ii)抗氧化性，在貯存或重復回流過程中的劣化可 能會導致焊接性能變得不太理想的情況下，其在釬料球中是重要的； (iii)撇渣率；和(iv)合金穩(wěn)定性。這些后面的考慮因素對于將合金 長時間地保持在槽或浴中的應用是重要的。發(fā)明內容本發(fā)明旨在解決至少一些與現(xiàn)有技術相關的問題并提供改進的釬 料合金。因此，本發(fā)明提供適用于波峰焊接工藝、回流焊接工藝、熱風 整平工藝、球柵陣列或芯片尺寸封裝的合金，該合金包含0.08 ~ 3wt,。/o的鉍；0.15-1.5wt,o/o的銅；0.1 ~ 1.5wt,。/o的銀；o--0.1wt.。/。的褲o'-0.1wt /。的鍺o'-0.1wt。/。的鎵0'-0,3wt,o/o的一o-Uwt /。的錮o--0.3wt /o的鎂o--0.3wt。/。的鉀o-o--0.3界!:.％的鋁o一種或更多種稀土元素;和以下元素中的至少一種0.02 ~ 0.3wt,。/。的鎳； 0.008 0.2wt.o/o的錳； 0.01 ~ 0.3wt。/o的鈷； 0.01 ~ 0.3wt。/o的鉻； 0.02 0.3wt,。/o的鐵； 0.008 ~ 0.1wt.o/o的鋯；和余量的錫以及不可避免的雜質。
現(xiàn)在將進一步說明本發(fā)明。在以下各段中，將更詳細地描述本發(fā)明 的不同方面。除非明顯地指出矛盾，否則所限定的每個方面可以與任何 其它一個或多個方面組合。特別地，所指出作為優(yōu)選的或有利的任何特 征可以與所指出作為優(yōu)選的或有利的任何其它一個特征或多個特征組 合。鉍的存在通過其以低濃度水平在固溶體中的存在和以較高水平作 為富鉍粒子或含鉍金屬間化合物提供合金的強化。其存在改善對于正在 討論的應用即波峰焊接工藝、回流焊接工藝、熱風整平工藝、球柵陣列或芯片尺寸封裝的釬料合金的機械性能。鉍含量還有助于Cu-Sn金屬間 化合物在界面處的生長速率的降低，這導致使用該合金制成的釬焊接頭 的改進的機械性能。因此，根據(jù)本發(fā)明的合金優(yōu)選包含0.08 lwt,。/。的 Bi、更優(yōu)選0.08 ~ 0.5wt,。/o的Bi、還更優(yōu)選0.08 ~ 0.3wt /o的Bi、尤其 更優(yōu)選0.08 ~ 0.2wt。/。的Bi。有用的下限被考慮為0.08wt.%,因此，關 于鉍的下限一般為0.1wt.%,更一般為0.12wty。或0.14wt.%。但是， 鉍在合金中的含量不超過3wt.%。更高水平的鉍降低熔點并降低合金的 延性，例如，使得加工成焊絲變得更加困難。因此，鉍在合金中的含量 優(yōu)選不超過lwt.。/。、更優(yōu)選不超過0.5wt.%、更優(yōu)選不超過0.4wt,Vo、 還更優(yōu)選不超過0.3wt.。/。。鑒于以上原因，在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明 提供在此描述的且包含0.10~0.3界^%的Bi、更優(yōu)選0.12 0.3wt。/。的 Bi的合金。合金優(yōu)選包含0.15 ~ lwt /o的Cu、更優(yōu)選包含0.5 ~ 0.9wt,n/o的Cu、 還更優(yōu)選包含0.6 ~ 0.8wt。/。的Cu。合金包含0.1 ~ 1.3wt /。的Ag、更優(yōu)選包含0.1 ~ lwt。/。的Ag、還更 優(yōu)選包含0.1 ~ 0.5wt。/。的Ag、還更優(yōu)選包含0.1 ~ 0.4wt,。/。的Ag、還更 優(yōu)選包含0.2 0.4wt。/。的Ag。在與其它合金元素結合中，已發(fā)現(xiàn)這些 范圍內的銀含量給合金提供用于所討論的應用的所需性能。此外，已發(fā) 現(xiàn)具有較低銀含量的熔融合金具有產(chǎn)生較低的銅溶解速率的優(yōu)點。因 此，合金中的銀的含量優(yōu)選不超過l.lwt.%、更優(yōu)選不超過0.5wt.%、 還更優(yōu)選不超過0.4wt.%。銅與錫形成共晶，從而降低熔點并增加合金強度。在過共晶范圍內 的銅含量提高液相線溫度但進一步增加合金強度。銀進一步降低熔點并
改善釬料對銅和其它基板的濕潤性能。鉍也改善合金強度，并且根據(jù)所 選擇的濃度將進一 步降低熔點。合金優(yōu)選包含0.02 0.2wt。/。的鎳、鈷、鐵和鉻中的至少一種，更 優(yōu)選包含0.02~0.1界1.%的鎳、鈷、鐵和鉻中的至少一種。如果鎂存在的話，合金優(yōu)選包含0.005 ~0.3界^%的鎂。通過存在的 0.02 ~ 0.3wt,。/o的鐵連同0.005 ~ 0.3wto/o的鎂可以獲得改進的性能。如果錳存在的話，合金優(yōu)選包含0.01~0.15界^%的錳、更優(yōu)選包含 0.02-0.1wt,o/o的錳。鎳、鈷、鉻、錳和鋯可以用作金屬間化合物生長調節(jié)劑和晶粒細化 劑。例如，盡管不希望受理論束綽，但相信鎳與錫形成金屬間化合物并 置換銅以形成CuNiSn金屬間化合物。鎳還可與鉍形成金屬間化合物。 已發(fā)現(xiàn)鎳在合金中的鎳存在具有降低印刷電路板上的薄銅層的溶解速 率的有利效果。在一些存在將被釬料濕潤的大面積的棵露銅的情況下， 該特性有助于保持釬料組合物的穩(wěn)定性并防止銅水平的不適當?shù)脑黾印?由于由釬料浴組合物的變化(例如，銅水平的增加)導致的問題的可能 性降低，因此這在例如熱風釬料整平中具有特殊價值。因此，根據(jù)本發(fā) 明的合金優(yōu)選包含至少0.03wt,o/o的Ni，例如0.03 ~ 0.3wt /o的Ni。如果工作條件限制最高溫度，并且需要熔融合金在通過孔時或在毛 細間隙中具有良好的流動性能，那么鎳水平不超過0.1wt.。/。、更優(yōu)選不 超過0.06wt。/。是有利的。因此，在一個優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明提供 在此描述的且包含0.03 ~ 0.1wt,。/o的Ni、更優(yōu)選包含0.03 ~ 0.06wt.。/o的 Ni的合金。另一方面，在希望并可通過較高的操作溫度提供來自晶粒細化和強 度的最大化效果的情況下，則合金優(yōu)選包含至少0.05wt。/。的Ni、更優(yōu) 選包含至少0.07wt.。/。的Ni、還更優(yōu)選包含至少0.1wt。/。的Ni。因此， 在另一個優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明提供在此描述的且包含0.05~ 0.3wt。/o的M、更優(yōu)選包含0.07~0.3\￥亡.％的M、還更優(yōu)選包含0.1 ~ 0.3wt /。的Ni的合金。此外，鎳在含低銀和鉍的合金中提供改善抵抗由球或焊骨形式的這
些釬料制成的球柵陣列或芯片尺寸封裝的所謂的"跌落沖擊(drop shock)"失效(脆性斷裂)方面的很大的實際益處。認為該益處是源自 由在工作過程中出現(xiàn)的熱時效導致的在釬料和基板之間的界面處的金 屬間化合物的降低的生長速度。已發(fā)現(xiàn)所述銅-釬料界面金屬間化合物 的生長速率比Sn-Ag-Cu-Bi體系的無鎳合金小。認為鐵具有與鎳類似的效果，并且關于鎳的上述評論因此也適用于 鐵。出于上述的原因，合金優(yōu)選包含至少0.03wt /o的Fe，例如包含0.03 ~ 0.3wt,。/o的Fe。錳、鈷和鉻分別在錫中具有較低的溶解度，并且還認為其與銅和錫 形成金屬間化合物。鉻在銅中具有一定的溶解度，因此具有以與鎳相同 的方式置換Cu-Sn金屬間化合物中的銅的可能性。金屬間化合物的存在 影響在合金從熔融態(tài)冷卻到固態(tài)的過程中發(fā)展的微觀組織。觀察到的晶 粒結構越細，對合金的外觀和強度越有益。已發(fā)現(xiàn)鈷降低銅的溶解速率和減慢界面金屬間化合物形成的速率， 同時對釬料濕潤速度沒有負面影響。因此，合金優(yōu)選包含至少0.02wt.% 的Co、更優(yōu)選包含至少0.05wt,。/。的Co、更優(yōu)選包含至少0.07wt。/。的 Co、還更優(yōu)選包含至少0.1wt。/c的Co。但是，如果工作條件限制最高 溫度，并且需要熔融合金在穿過孔時或在毛細間隙中具有良好的流動性 能，那么可以優(yōu)選鈷水平不超過0.1wt.。/0、更優(yōu)選不超過0.07wt,/0。因 此，在一個優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明提供在此描述的且包含0.02~ 0.07wt。/o的Co、更優(yōu)選包含0.02 ~ 0.05wt,。/o的Co的合金。當將Co用 在與本發(fā)明的其它元素組合的組合物中作為球柵陣列和芯片尺寸封裝 中的釬料時，其存在提供與M類似的益處。提高抗跌落沖擊失效。還發(fā)現(xiàn)鉻使合金硬化。因此，對于某些希望避免脆性合金的應用， 優(yōu)選合金中的鉻含量不超過0.2wt.%、更優(yōu)選鉻含量不超過0.1wt.%。 優(yōu)選的范圍為0.02 ~ 0.1wt,。/。的Cr、更優(yōu)選為0.02 ~ 0.08wt.。/o的Cr、 還更優(yōu)選為0.02 ~ 0.06wt。/。的Cr。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，合金中的鉻的存在在能夠降低釬料球的氧化速率 方面具有顯著的益處。因此，對于某些應用，可以優(yōu)選合金包含至少 0.02wt,。/。的Cr、優(yōu)選包含至少0.05wt,o/。的Cr、更優(yōu)選包含至少 0.06wt。/o的Cr、還更優(yōu)選包含至少0.07wt.。/。的Cr。在一個優(yōu)選實施方 案中，本發(fā)明提供包含在此描述的且包含0.02~0.3 1%的Cr、更優(yōu)選 包含0.05 ~ 0.3wt。/o的Cr、還更優(yōu)選包含0.07 ~ 0.3wt.。/。的Cr的合金 的釬料球。發(fā)現(xiàn)鋯和錳兩者均降低界面金屬間化合物生長的速率。銦、鋅和鋁可用作擴散調節(jié)劑。已發(fā)現(xiàn)銦對釬料濕潤性具有有益的 效果。銦降低釬料的熔點。銦還可用于減少釬料點中的孔穴的形成。銦 還可改善富Sn基體的強度。已發(fā)現(xiàn)鋅以與銦類似的方式起作用。已發(fā)現(xiàn)鋁和鎂改變在大塊合金中存在的金屬間相的形狀，從而在合 金必須在管口的入口區(qū)域中在沒有由未熔金屬間化合物的組合導致的 阻塞的情況下穿過窄管口的一些制造應用中提供益處。磷、鍺和鎵可用于減小在釬料的開口槽的頂部形成的渣的體積，并 因此在例如波峰焊接池中是有價值的添加劑。如果稀土元素存在的話，合金優(yōu)選包含至多0.05wt。/。的一種或更多 種稀土元素。 一種或更多種稀土元素優(yōu)選包含選自鈰、鑭、釹和鐠的兩 種或更多種元素。合金一般將包含至少卯wt /。的錫、優(yōu)選包含94 99.6wt。/。的錫、 更優(yōu)選包含95 99wt。/。的錫、還更優(yōu)選包含97 99wto/。的錫。因此， 本發(fā)明還提供用于波峰焊接工藝、回流焊接工藝、熱風整平工藝、球柵 陣列或芯片尺寸封裝的合金，該合金包含0.08-3wt。/o的鉍； 0.15 1.5wt。/o的銅; 0.1 ~ 1.5wt /。的銀; 95-99wt,。/。的錫； o'-0.1wt。/。的磷o'-0.1wt。/o的鍺o--0.1wt。/。的鎵o'o'-0.3\￥[%的銦o--0.3界"/。的鎂o--0.3wt /。的鉀o--0.3界"/。的硅o--0.3\￥"/。的鋁o--0.3wt,。/。的鋅種或更多種稀土元素;和以下元素中的至少一種0.02 0.3wt,o/o的鎳； 0.008 ~ 0.2wt,。/o的錳； 0.01 0.3wt。/o的鈷； 0.01 ~ 0.3wt,o/o的鉻； 0.02~0.3界1.%的鐵；和 0細~ 0.1wt,。/o的鋯；以及不可避免的雜質。
根據(jù)本發(fā)明的合金基本上可以由所述的元素組成。因此應當理解，除了那些必須的元素(即，Sn、 Cu、 Bi、 Ag和Ni、 Co、 Mn、 Fe、 Zr 和Cr中的至少一種)以外，在組合物中可存在其它的非限定的元素， 前提是它們的存在不在實質上影響組合物的基本特性。因此，本發(fā)明還 提供用于波峰焊接工藝、回流焊接工藝、熱風整平工藝、球柵陣列或芯 片尺寸封裝的合金，該合金基本上包含0.08-3wt./。的鉍； 0.15~1.5.％的銅; 0.1 ~ 1.5wt。/o的銀； 95-99wt。/。的錫；0-0.1wt。/。的褲； 0 ~ 0.1wt,n/。的鍺； 0 ~ 0.1wt。/。的鎵；0 ~ 0.3wt。/。的一種或更多種稀土元素;0 0.3wt.。/。的銦；0 0.3wt,。/。的鎂；0 0.3wt。/。的釣；0 0.3wt.。/。的硅；0 0.3wt.。/o的鋁；0~0.3wt.。/的鋅；和以下元素中的至少一種0.02 ~ 0.3wt,o/o的鎳； 0細-0.2wt,o/o的錳； 0.01-0,3wt,。/o的鈷； 0.01~( 1.%的鉻； 0.02 ~ 0.3wt,。/o的鐵;和 0.008 ~0.1界1%的鋯；以及不可避免的雜質。本發(fā)明還提供以下釬料合金組合物在球柵陣列或芯片尺寸封裝中 的用途0.08 3wt,。/o的鉍；0.15 1.5wt,。/。的銅；0.1 ~ 1.5wt。/。的銀；0~0.1界[%的罅；0 ~ 0.1wt.。/。的鍺；0 ~ 0.1wt /。的鎵；0 ~ 0.3wt。/。的一種或更多種稀土元素；0~0.3界1%的銦；0 0.3wt.。/。的鎂；
0-0.3wt.。/。的釣； 0 ~ 0.3wt,。/o的珪； 0 0.3wt,。/。的鋁； 0 ~ 0.3wt.o/o的鋅；和余量的錫以及不可避免的雜質。本發(fā)明還提供包含上述釬料合金組合 物的球柵陣列接頭。根據(jù)本發(fā)明的合金是無鉛的或是基本上無鉛的。合金提供優(yōu)于常規(guī) 含鉛釬料合金的環(huán)境優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的合金將一般任選地與助熔劑一起作為棒、棍或錠提 供。合金還可以以絲例如加入助熔劑的包芯絲、球或其它預成型件的形 式提供，該預成型件一般但未必通過由條或釬料切割或沖壓而成。它們 可以只是合金或通過焊接工藝所需的合適的助熔劑涂覆。合金也可以作 為粉末或作為與助熔劑混合以制造釬料骨的粉末提供?？梢詫⒏鶕?jù)本發(fā)明的合金用在作為將兩個或更多個基板焊接在一 起和/或用于涂覆基板的手段的熔融釬料浴中。應當理解，根據(jù)本發(fā)明的合金可包含不可避免的雜質，盡管它們的 總量不可能超過lwt /。的組合物。優(yōu)選地，合金包含的不可避免的雜質 的量不多于組合物的0.5wt.%、更優(yōu)選不多于組合物的0.3wt.%、還更 優(yōu)選不多于組合物的0.1wt.%。根據(jù)本發(fā)明的合金特別適于包括波峰焊接、回流焊接、熱風整平或 球柵陣列和芯片尺寸封裝的應用。根據(jù)本發(fā)明的合金還可以應用于諸如 例如管道工程和汽車散熱器的非電子應用。實施例以下是進一 步描述本發(fā)明的非限制性實施例。 實施例1
通過在鑄鐵坩鍋(作為替代方案，可以使用陶瓷坩堝)中熔化Sn 制備合金。將Sn-3wt。/。的Cu合金、元素Bi和Sn-5wt%Ag和 Sn-0.6wt%Ni的合金加到熔融的Sn中。在合金浴溫度為350。C時進行 這些添加。將浴冷卻到300'C，以便磷以合金Sn-0.3。/。P的形式加入。對合金進行采樣以驗證以下組成Ag 0.3wt%Cu 0.7wt%Bi 0.12wt%Ni 0.04wt%P 0.005wt%和余量的錫。合金被鑄成錠。其稍后被重熔成作為波峰焊接機的釬料浴。泵送在 260。C的浴溫度下的熔融合金以產(chǎn)生彼此接近的兩個釬料波峰(solder wave )。使用所述機器在單面和雙面印刷電路板的某一范圍上的板端子 (board termination)和元件之間產(chǎn)生接頭。需要修理的缺陷的發(fā)生率 非常低，并且釬焊接頭的表面引人注目地光亮并易于檢查。實施例2根據(jù)實施例1的合金也可以用在熱風釬料整平浴(hot air solder leveling bath)中。將溫度設定為260°C，并且設定機器使得與釬料板的 接觸時間范圍為PCB板的頂部處的2.5秒到板的底部處的5秒。氣刀溫 度為295'C。實現(xiàn)了具有干凈的表面光潔度和一致的鍍錫厚度的極好的 鍍錫結果。實施例3制備以下合金組合物(單位均為wt.。/。)Ag0.3Cu0.6Bi0.13Ni0.03Co0.02P0.004Sii余量以與實施例1類似的方式制備該合金。鈷以Sn-0.3wt%Co的母合金 的形式加入。將釬料填入波峰釬料浴中、熔化，并將溫度設為260'C。 用AlphaFryEF6000焊劑對釬料板焊劑處理，然后該板被波峰焊接。干 凈地形成接頭，橋接的水平是低的，并且孔填充是極好的。實施例4以與實施例1類似的方式制備以下合金組合物(單位均為wt.%)Ag 0.34Cu 0.72Bi 0.25Ni 0.03P 0.003Sn 余量該合金也可用于波峰釬料浴中。包含大連接器塊、具有某一范圍的 引線間距的四列扁平集成電路IC ( Quad flat pack IC )、 SOT 23和芯片 電阻器和電容器的雙面FR4試驗板用AlphaFry焊劑EF6000進行焊劑 處理并通過260'C的波。在故意有挑戰(zhàn)性的板布局上獲得存在最少的橋 接和漏焊(skip)的良好的焊接結果。制備與實施例2~5的組合物對應的合金，其中用0.007界^%的Ge 代替磷含量。實施例6以與實施例1類似的方式制備以下的合金組合物(單位均為wt.%):Ag 0.35Cu 0.65Bi 0.14Co 0.20P 0.005%Sn 余量該合金可以以球的形式提供，并用在球柵陣列或芯片尺寸封裝接頭中。實施例7以與實施例1類似的方式制備以下的合金組合物(單位均為wt.%):Ag 0.35Cu 0.7Bi 0.13Co 0.10Ge 0.10Sn 余量該合金可以以球的形式提供，并用于球柵陣列或芯片尺寸封裝接頭中。實施例8以與實施例1類似的方式制備以下的合金組合物(單位均為wt.%):Ag 1.1Cu 1.1Bi 0.15Ni 0.06Co 0.02%Sn 余量該合金可以以預型件或球的形式提供。 實施例9以與實施例1類似的方式制備以下的合金組合物。鍺通過制造 Sn-0.3%Ge的母合金提供。0.3Cu 0.7Bi 0.1Ni 0.10P 0.006Sn 余量該合金可以以球的形式提供，并用在自陣列或芯片尺寸封裝接頭中。實施例10
實施例9的合金組合物被沖壓成盤，然后該盤被熔化并被球化成球。 實施例11以與實施例l類似的方式制備以下的合金組合物(單位均為wt.%):Ag 0.4Cu 0.6Bi 0.14Ni 0.05In 0.15Ge 0.005%Sn 余量該合金可以以球體的形式提供。 實施例12以與實施例1類似的方式制備以下的合金組合物(單位均為wt.% )。 在真空爐中制備包含0.25%Cr的錫鉻母合金。0.3Cu 0.65Bi 0.12Cr 0.05P 0.006Sn 余量該合金可以以球的形式提供。
實施例13以與實施例1類似的方式制備以下的合金組合物(單位均為wt.% )。Ag 0.3Cu 0.7Bi 0.1M 0.2P 0.006Sn 余量該合金可以以球的形式提供，并用在球柵陣列或芯片尺寸封裝接頭中。實施例14通過在真空爐中熔化元素制備以下的合金組合物。Ag1.1Cu1.1Bi0.1Fe0.25Mg0.01Sn余量該合金可以以球的形式提供，并用在球柵陣列或芯片尺寸封裝接頭中。實施例15使用以下合金組合物的釬料球通過回流焊接制備十個BGA組件，
每個BGA組件單獨地具有菊環(huán)(daisy chain)形式。 AAg 3.0wt% Cu 0.5wt% Sn余量B Ag 0.3wt% Cu 0.7wt% Bi 0.1wt% Sn余量CAg 0.3wt% Cu 0.7wt% Bi 0.1wt% Ni 0.05wt% Sn余量它們分別受到持續(xù)0.5毫秒的1500g沖擊脈沖以模擬跌落沖擊應力 加載。在所有階段，通過使用64通道在線抗力監(jiān)測器上的監(jiān)視組裝件 以跟蹤釬焊接頭的狀態(tài)，從而可以建立由于抗力變化導致的失效。重復沖擊，并記錄出現(xiàn)失效的接頭。在僅僅3次沖擊加載之后，10%的Sn-3.0Ag-0.5Cu接頭已失效，然 而在記錄到相同的失效之前，由合金B(yǎng)制成的那些接頭經(jīng)受得住50次 跌落，并且由合金C制成的那些接頭經(jīng)受得住120次跌落。對于25。/。的失效率，合金A在8次跌落后出現(xiàn)，合金B(yǎng)在100次
跌落后出現(xiàn)，而合金C經(jīng)受得住200次跌落。該改進的抗脆性跌落沖擊失效具有非常實用的價值。 實施例16通過在鑄鐵坩鍋(作為替代方案，可以使用陶瓷坩堝)中熔化Sn 制備合金。將Sn-3wt%Cu的合金、Sn-5wt%Ag和Sn-0.35wt%Ni的合 金加到熔融的Sn中。在合金熔池溫度為350r時進行這些添加。將浴 冷卻到300"，用于以合金Sn-0.3%P的形式加入磷。對合金進行采樣以驗證以下組合物Ag 0.3wt%Cu 0.7wt%Bi 0.1wt%P 0.006wt%和余量的錫。然后合金組合物作為金屬流被噴射成不活潑的垂直柱體。金屬流通 過經(jīng)熔體罐和在出口處或在出口附近施加的磁致伸縮振動能被球化。同樣，合金組合物也可被沖壓并然后被球化成球。以球的形式提供的^r可用在,陣列接頭中.焊劑被印刷到或銷轉 移(pin transfer)到CSP的焊盤上。然后所述^1#^取并布置或搖動穿過 絲網(wǎng)(stencil)到經(jīng)焊劑處理的焊盤上。然后組裝件在240 26(TC之間的 峰值溫度下在標準回流爐中回流。對在150'C下時效至多1000小時的封裝件評價合金和釬焊接頭性 能。通過標準金相技術測量IMC生長。用機械球拉伸試驗來評價釬焊 接頭失效模式(脆性或韌性)。
權利要求
1.一種適用于波峰焊接工藝、回流焊接工藝、熱風整平工藝、球柵陣列或芯片尺寸封裝的合金，該合金包含0.08～3wt.％的鉍；0.15～1.5wt.％的銅；0.1～1.5wt.％的銀；0～0.1wt.％的磷；0～0.1wt.％的鍺；0～0.1wt.％的鎵；0～0.3wt.％的一種或更多種稀土元素；0～0.3wt.％的銦；0～0.3wt.％的鎂；0～0.3wt.％的鈣；0～0.3wt.％的硅；0～0.3wt.％的鋁；0～0.3wt.％的鋅；和以下元素中的至少一種0.02～0.3wt.％的鎳；0.008～0.2wt.％的錳；0.01～0.3wt.％的鈷；0.01～0.3wt.％的鉻；0.02～0.3wt.％的鐵；和0.008～0.1wt.％的鋯；和余量的錫以及不可避免的雜質。
2. 如權利要求1所述的合金，包含0.08 ~ lwt.。/。的Bi。
3. 如權利要求2所述的合金，包含0.08 ~ 0.5wt。/。的Bi。
4. 如權利要求3所述的合金，包含0.08 ~ 0.3wt.。/o的Bi、優(yōu)選包含 0.10 ~ 0.3wt,o/o的Bi、更優(yōu)選包含0.12 ~ 0.3wt,。/o的Bi。
5. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.15 lwt.。/。 的Cu。
6. 如權利要求5所述的合金，包含0.5 ~ 0.9wt,。/。的Cu。
7. 如權利要求6所述的合金，包含0.6 0.8wt。/。的Cu。
8. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.1~1界1%的Ag。
9. 如權利要求8所述的合金，包含0.1 ~ 0.5wt。/。的Ag。
10. 如權利要求9所述的合金，包含0.2 ~ 0.4wt。/o的Ag。
11. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.02 ~ 0.2wt.% 的Ni、 Co、 Fe和Cr中的至少一種。
12. 如權利要求11所述的合金，包含0.02 ~ 0.1wt。/o的Ni、 Co、 Fe和Cr中的至少一種。
13. 如權利要求1 ~ 10中的任一項所述的合金，包含0.03 ~ 0.3wt.% 的Ni。
14. 如權利要求13中的任一項所述的合金，包含0.03 ~ 0.1wt,。/。的 Ni、優(yōu)選包含0.03 ~ 0.06wt,。/o的Ni。
15. 如權利要求13所述的合金，包含0.05~0.3\￥[%的Ni、優(yōu)選 包含0.07 ~ 0.3wt,o/。的Ni。
16. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.02~ 0.07wt。/o的Co、優(yōu)選包含0.02 0.05wt。/o的Co。
17. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.02-0.08wt.。/。的Cr、優(yōu)選包含0.02 0.06wt.。/。的Cr。
18. 如權利要求1 ~ 16中的任一項所述的合金，包含0.02 ~ 0.3wt.% 的Cr、優(yōu)選包含0.05 ~ 0.3wt,o/o的Cr。
19. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.005 ~ 0.3wt.o/o的Mg。
20. 如權利要求19所述的合金，包含0.02 ~ 0.1wt.。/。的Fe。
21. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.01-0.15wt,。/o的Mn。
22. 如權利要求21所述的合金，包含0.02 ~ 0.1wt。/o的Mn。
23. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.05 ~ 0.3wt.% 的In。
24. 如權利要求23所述的合金，包含0.1 ~ 0.2wt。/。的In。
25. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.01 ~ 0.3wt.% 的Ca。
26. 如權利要求25所述的合金，包含0.02~0.2\￥1.%的Ca。
27. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.01 ~ 0.3wt.% 的Si。
28. 如權利要求27所述的合金，包含0.02 ~ 0.2wt,。/。的Si。
29. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.008~ 0.3wt。/o的Al。
30. 如權利要求29所述的合金，包含0.1 ~ 0.2wt。/o的Al。
31. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含0.01 ~ 0.3wt.% 的Zn。
32. 如權利要求31所述的合金，包含0.1 ~ 0.2\￥[%的Zn。
33. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，其中，所述一種或 更多種稀土元素包含選自鈰、鑭、釹和鐠的一種或更多種(優(yōu)選兩種或 更多種)元素。
34. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含約0.3wt.。/。的 Ag、約0.7wt。/。的Cu、約0.1wt。/。的Bi、至多0.1wt.。/。的選自Ni、 Co、 Cr和Mn的至少一種元素和約0.006wt。/。的P。
35. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，包含約0.3\^.%的 Ag、約0.7wt,。/。的Cu、約0.1wt.。/。的Bi、至多0.1wt.。/o的選自Ni、 Co、 Cr和Mn的至少一種元素和0.005 ~ 0.015wt."/o的Ge。
36. 如前面的權利要求中的任一項所述的合金，其具有以下形式 棒、桿、實心或包芯焊絲、箔或條、或粉末或骨(粉末與助熔劑混合物) 或用于球柵陣列接頭或芯片尺寸封裝的釬料球、或其它預成型的釬料 件。
37. —種包含如權利要求1 ~36中的任一項所限定的合金的焊接接頭。
38. —種下面的釬料合金組合物在球柵陣列或芯片尺寸封裝中的用途0.08 3wt。/o的鉍； 0.15 1.5wt。/。的銅； 0.1 ~ 1.5wt,。/o的銀；0 ~ 0.1wt。/。的褲； 0 ~ 0.1wt。/。的鍺； 0 ~ 0.1wt。/o的鎵；0 ~ 0.3wt。/。的一種或更多種稀土元素；0 0.3wt。/。的銦；0 ~ 0.3wt，/。的鎂；0 0.3wt。/o的鉤；0~0.3界1%的硅；0-0.3wt.。/。的鋁；0 ~ 0.3wt。/o的鋅；和余量的錫以及不可避免的雜質。
39. 如權利要求38所述的用途，其中，所述合金包含0.08 lwt.0/0 的Bi、優(yōu)選包含0.08 ~ 0.5wt,。/o的Bi。
40. 如權利要求39所述的用途，其中，所述合金包含0.08 ~ 0.2wt.% 的Bi、優(yōu)選包含約0.1\￥1%的Bi。
41. 如權利要求38~40中的任一項所述的用途，其中，所述合金 包含0.15 ~ lwt,。/o的Cu、優(yōu)選包含0.5 ~ 0.9wt。/o的Cu。
42. 如權利要求41所述的用途，其中，所述合金包含0.6 0.8wt.0/。 的Cu、優(yōu)選包含約0.7wt。/。的Cu。
43. 如權利要求38~42中的任一項所述的用途，其中，所述合金 包含0.1 ~ lwt。/。的Ag、優(yōu)選包含0.1 ~ 0.5wt.。/o的Ag。
44. 如權利要求43所述的用途，其中，所述合金包含0.2 0.4wt.。/。 的Ag、優(yōu)選包含約0.3wt。/。的Ag。
45. 如權利要求38~44中的任一項所述的用途，其中，所述合金 包含0.001 ~ 0.1wt。/o的磷、優(yōu)選包含0.003 ~ 0.01wt.。/。的褲。
46. 如權利要求45所述的用途，其中，所述合金包含0.004 ~ 0.008wt。/o的磷、優(yōu)選包含約0.006"1.%的磷。
全文摘要
一種適用于波峰焊接工藝、回流焊接工藝、熱風整平工藝或球柵陣列的合金，該合金包含0.08～3wt.％的鉍；0.15～1.5wt.％的銅；0.1～1.5wt.％的銀；0～0.1wt.％的磷；0～0.1wt.％的鍺；0～0.1wt.％的鎵；0～0.3wt.％的一種或更多種稀土元素；0～0.3wt.％的銦；0～0.3wt.％的鎂；0～0.3wt.％的鈣；0～0.3wt.％的硅；0～0.3wt.％的鋁；0～0.3wt.％的鋅；和以下元素中的至少一種0.02～0.3wt.％的鎳；0.008～0.2wt.％的錳；0.01～0.3wt.％的鈷；0.01～0.3wt.％的鉻；0.02～0.3wt.％的鐵；和0.008～0.1wt.％的鋯；和余量的錫以及不可避免的雜質。
文檔編號C22C13/00GK101132881SQ200580045736
公開日2008年2月27日 申請日期2005年12月1日 優(yōu)先權日2004年12月1日
發(fā)明者蘭吉特·潘赫爾, 安東尼·英厄姆, 巴瓦·辛格, 布賴恩·劉易斯, 格拉爾德·坎貝爾, 約翰·勞克林 申請人:愛爾發(fā)加熱有限公司