專利名稱：無鉛的錫合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有改進的機械性能如蠕變強度和改進的熱疲勞強度的用于焊接的無鉛的錫合金，并且涉及基于該合金的無鉛焊料。
焊接在很多電子設備中受到限制。另外，在汽車工業(yè)中，對在增加的較高操作溫度下具有改進的熱疲勞強度的電子設備的需求日益增加。
很多焊料基于錫-鉛合金，但是在工業(yè)加工中、產(chǎn)品中、以及產(chǎn)品使用壽命結束后的的廢棄物中鉛的毒性是很大的環(huán)境和健康相關的問題。
DE-A-2713196和DE-A-31472226公開了在鑄造錫基錫銻鉛合金和軸承合金中使用鋅-鋁-鎂合金作為晶粒細化劑。該錫合金不含有銦，并且不是焊接合金。
EP-A-0702095公開了用于滑動軸承的合金，含有Sn，Cu，Sb，Ni，In和Eutinal，Ag或Ti。該合金通常含有0.3-2wt％銦，使用中特別優(yōu)選的是1.5wt％。
已經(jīng)研制了無鉛合金。例如，已知用于重熔焊接的含96.5wt％錫和3.5wt％銀的錫/銀合金。
無鉛合金的其他例子是用于熔波焊接的含99.3wt％錫和0.7wt％銅的共晶錫/銅合金。
用于焊接的無鉛合金的又一其他例子是含96.2wt％錫、2.5wt％銀、0.8wt％銅和0.5wt％銻的合金。
錫鉛合金具有廣泛的用途，例如在將硅片安裝在印刷電路板上的過程中用作球狀柵極陣列。這些球狀柵極陣列必須具有足夠的熱疲勞強度，以能夠經(jīng)受在線路開關過程中在約4厘米寬度范圍內(nèi)的部件和線路板之間的多至150℃的溫差。如果焊接的疲勞強度不夠，則使焊接部分的顯微組織粗化。隨后產(chǎn)生裂紋的萌生和擴展，則導致芯片與印刷電路板之間的電接觸失效。
因此，使用已知的無鉛錫焊接合金的一個問題是其熱疲勞強度。
我們已經(jīng)開發(fā)了含有少量銦的無鉛的錫合金，與已知的無鉛的錫合金相比，該焊接具有改進的熱疲勞強度。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于焊接的無鉛的錫合金，含有至多0.25wt％銦和晶粒細化劑，該晶粒細化劑是由2.5-10％鋁、1-5％鎂和余量鋅組成的合金。
錫具有四面晶體組織，這比具有立方晶體組織的金屬如鉛具有更好的抗變形性。
這意味著錫的延性較鉛小，因此當經(jīng)受高溫時錫不易發(fā)生塑性變形。
另外，理論指出鉛錫合金中的鉛和錫成分在鑄造時分離為富鉛和富錫區(qū)域，產(chǎn)生細晶組織，從而相對于錫來說改進延展性。
因此，這種顯微組織基本上能夠吸收塑性變形而不產(chǎn)生裂紋，即具有良好的熱疲勞強度。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過加入上述已知的Eutinal晶粒細化劑代替鉛，可以獲得細晶顯微組織。本發(fā)明的合金具有細針狀晶體組織，這延緩了由熱變形所誘發(fā)的再結晶或晶粒粗化過程，從而獲得良好的熱疲勞強度。
用于本發(fā)明的晶粒細化劑是Eutinal，在合金中該細化劑的含量范圍為至多0.5wt％，優(yōu)選0.1wt％或更小，最優(yōu)選為0.01-0.06wt％。
在鑄造該錫合金過程中，由于Eutinal作為晶粒細化劑而使錫晶體的長大減慢，因此保持細顯微組織。使用這種合金本發(fā)明獲得了良好的熱疲勞強度。
本發(fā)明的錫合金還可含有銀和/或銅，合金中錫的含量為至少90wt％，余量為上述含量范圍的Eutinal、銀和/或銅和/或鉍和/或銻。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含有銀和Eutinal的錫合金具有與已知錫鉛合金相當?shù)臒崞趶姸?，比僅含銀的錫合金好的多的熱疲勞強度。
本發(fā)明的合金含有銦的量為至多0.25wt％，優(yōu)選為至多0.2wt％。本發(fā)明的合金也可含有含量為至多0.2wt％的鈦，和/或含量為至多0.2wt％的鋅。
本發(fā)明的合金通過本領域技術人員公知的方法制造。例如，可以在約600℃溫度通過熔融鋅、加入鋁和鎂，并攪拌以溶解，注入模具中，形成均勻合金而制得Eutinal母合金。
通過將Eutinal合金加入熔融錫中，形成注入模具中的含有6-12wt％鋅，0.1-1wt％鋁和0.08-0.6wt％鎂的母合金，而制得錫中的Eutinal母合金。最終的無鉛合金可如下制得首先熔化錫合金并向其中加入主要的合金化金屬，即銦和其他任何合金化金屬以形成熔融混合物，然后將Eutinal/錫母合金加入到該熔融混合物中。
作為選擇，可以省去制備Eutinal/錫母合金的步驟，而是直接將Eutinal加入到上述制備的熔融無鉛合金中。
參照附圖進一步說明本發(fā)明，其中

圖1是進行熱疲勞試驗的組件的側剖圖，圖2-4是進行熱疲勞試驗后的焊料球的掃描電鏡照片，圖5是熱疲勞試驗的結果數(shù)據(jù)。
參照下列實施例進一步說明本發(fā)明。實施例按照已知方法制備四種合金，每種合金的成分列于表1中。在表中“Eut”表示成分為5％鋁、2.5％鎂和余量鋅的Eutinal合金。
表1
隨后將這些合金按照已知方法裝配成球狀柵極陣列(BGAs)，用于將硅片封裝安裝在組件中，如圖1所示。
該組件包括線路板2、焊料球柵極陣列4、硅片6和封裝8。
將每種合金的6個組件進行至多3000次熱疲勞循環(huán)，每次循環(huán)包括在+125℃保持15分鐘，15分鐘內(nèi)降至-40℃，在-40℃保持15分鐘，再于15分鐘內(nèi)升至+125℃。
進行熱疲勞循環(huán)之后，拍攝焊料球的掃描電鏡照片，圖2-4。
使用硅片球柵極陣列封裝(Amkor 225 BGA)以研究焊料在大應變下的特性。
當任何接點的電阻大于5歐姆時即認為該組件失效。
掃描電鏡照片示出了合金顯微組織變化的性質和程度。顯微組織照片的討論對比合金1的典型顯微照片示于圖2。該照片表明了聯(lián)接到硅片封裝上的球的頂角處顯微組織粗化并萌生裂紋。這些是在熱循環(huán)中的最高應變區(qū)，這說明焊接的顯微組織受到應變環(huán)境的影響。
圖3示出了應變對合金No.2的影響。在高應變的球邊角處的金屬間化合物的分布比低應變的球中心處的分布更粗大。
在合金6中也可看出這種影響，但是在合金16中不是這樣，合金16的情況示于圖4中。在這種情況下，沒有看出金屬間化合物的分布明顯受到應變環(huán)境的影響。這些結果基于對幾種不同焊接球的觀察而得出。熱疲勞結果的統(tǒng)計分析試驗的原始數(shù)據(jù)再現(xiàn)于圖5中。這表明在每種封裝中的失效數(shù)與完成的熱循環(huán)數(shù)的關系。用韋氏(Weibull)統(tǒng)計法處理該試驗結果以得出關于每種合金的失效可能性的指標。該數(shù)值應處理為估算值，因為每種合金的數(shù)據(jù)點是有限的。
每種試驗合金的“韋氏模量”值示于表2。韋氏模量高表明結果的分散范圍小，而韋氏模量低說明結果的分散范圍大。合金6的模量最小(分散最大)，而在無鉛合金中，合金16具有最大模量(分散最小)。
韋氏統(tǒng)計也可以用于預測對于特定失效可能性的循環(huán)數(shù)。在表2中也列出了至1％失效的計算的循環(huán)數(shù)。這再次表明合金16是示試驗的無鉛合金中最好的。
表權利要求
1.一種用于焊接的無鉛的錫合金，含有至多0.25wt％銦和晶粒細化劑，該晶粒細化劑是由2.5-10wt％鋁、1-5wt％鎂和余量鋅組成的合金。
2.權利要求1的合金，其中晶粒細化劑的含量為至多0.2wt％。
3.權利要求2的合金，其中晶粒細化劑的含量為至多0.1wt％。
4.權利要求3的合金，其中晶粒細化劑的含量為0.01wt％-0.06wt％。
5.任一前述權利要求的合金，還含有銀。
6.任一前述權利要求的合金，還含有銅。
7.任一前述權利要求的合金，含有至少90wt％錫，至多0.25wt％的銦以及余量的晶粒細化劑、銀和/或銅和/或鉍和/或銻。
8.任一前述權利要求的合金，還含有至多0.2wt％的鈦。
9.任一前述權利要求的合金，還含有至多0.2wt％的鋅。
10.任一前述權利要求的合金，還含有至多0.2wt％的銦。
11.一種無鉛焊料，其含有任一前述權利要求的合金。
12.一種用于將電子部件裝配在線路板上的球狀柵極陣列，包括權利要求1-10的任一合金，或者權利要求11的焊料。
13.一種電子部件和線路板之間的接點，其包括權利要求1-10的任一合金，或者權利要求11的焊料。
全文摘要
一種用于焊接的無鉛的錫合金,含有至多0.25wt%銦和晶粒細化劑,該晶粒細化劑是由2.5—10%鋁、1—5%鎂和余量鋅組成的合金。該合金具有改進的如蠕變強度機械性能,以及改進的熱疲勞強度。
文檔編號C22C13/00GK1244897SQ9880209
公開日2000年2月16日 申請日期1998年1月28日 優(yōu)先權日1997年1月29日
發(fā)明者M·A·奧德, R·比爾哈姆 申請人:阿爾菲弗賴伊有限公司