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CN101048258A - 无Pb焊料合金 - Google Patents

无Pb焊料合金 Download PDF

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CN101048258A CNA2005800372893A CN200580037289A CN101048258A CN 101048258 A CN101048258 A CN 101048258A CN A2005800372893 A CNA2005800372893 A CN A2005800372893A CN 200580037289 A CN200580037289 A CN 200580037289A CN 101048258 A CN101048258 A CN 101048258A
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Abstract

本发明涉及一种用于将电子元件安装或电镀在印刷电路板(PCB)等上的焊料合金，更具体而言，涉及一种包括无－Pb的Sn－Ag基焊料合金，其包括0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn。相比于常规的无－Pb焊料合金，本发明的无－Pb的Sn－Ag基焊料合金具有更低的熔点，并且具有高度提高的润湿性和连接强度，因而防止桥的产生。

Description

无Pb焊料合金
[技术领域]
本发明涉及用于将电子元件安装或电镀在印刷电路板(PCB)等上的焊料合金，更具体而言，涉及含0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％的Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn的无-Pb的Sn-Ag基焊料合金。
[背景技术]
如本领域中熟知的那样，焊接是使用焊料合金的一种连接技术，更具体而言，是将微电子元件比如半导体芯片或片状电阻(resistor chip)安装在印刷电路板(PCB)上的连接技术。最近，随着电子元件的日益小型化以及功能性的不断增加，元件安装的集成已经得到提高，因而需要更高水平的使用焊料合金的连接技术。换言之，由于元件安装的高度集成，因此，PCB及其上安装的电子元件以及焊料合金都更容易受到温度变化、热膨胀差异、振动等带来的周期应力的影响，使得焊料合金的微结构在焊接接缝上遭受晶粒变粗，从而在焊接接缝上由于疲劳而产生裂纹。在焊接接缝上的裂纹起着缺陷源的作用，所述的缺陷比如安装在PCB上的电子元件的断开。
因而，作为用于将电子元件安装在PCB上的焊接材料，主要使用含锡(Sn)和铅(Pb)的二元焊料合金，比如含60％wt的Sn和40wt％的Pb的焊料合金以及含63％wt的Sn和37wt％的Pb的焊料合金。
[发明内容]
[技术问题]
然而，通常的Sn-Pb基焊料合金存在其处置时由于铅泄漏导致的环境污染问题。
而且，由于在废弃电气和电子装置(WEEE)上的EC指示以及欧盟在电气和电子装置中某些有害物质的限制使用(RoHS)的EC指示禁止在电气和电子装置中使用有害物质，因此必需通过在制备焊料合金时限制或排除使用Pb，使电子工业开发环境友好的无-Pb焊料合金。
至于这样一种环境友好的无-Pb焊料合金，本领域中熟知的有：在日本未审查专利公布2000-225490中所公开的Cu-Ni-Sn三元焊料合金。该无-PbCu-Ni-Sn三元焊料合金是通过用Ni代替常规焊料合金中的一些含量的Cu而得到的，并且包含0.05～2.0wt％的Cu、0.001～2.0wt％的Ni以及余量的Sn。
由于无-Pb焊料合金不含Pb，因此它能够降低环境污染，并且具有稍微得到提高的机械强度。然而，其中公开的无-Pb焊料合金存在的问题在于，由于焊接时的氧化而产生过量的氧化皮，并且在于，由于焊料合金的低润湿性和铺展性，而在焊接接缝周围形成螺纹状桥连接，从而导致比如短路的缺陷。
同时，在电子元件的电极(芯片元件)或引线(引线元件)上进行电镀，以作为用于增强焊接性质和耐氧化性(耐腐蚀性)的最终处理。同样地，当电镀常规的Sn-15％Pb之后，在没有Pb下进行100wt％Sn的电镀或Sn-Cu的电镀时，形成金属须(当金属结构遭受压缩应力时或当电镀部分的表面被氧化时，其在电镀部分的表面上如金属须那样形成，并且生长以释放压缩应力)，从而导致短路并产品缺陷。
为了解决其中公开的无-Pb焊料合金的上述问题，在韩国专利登记10-0453074中公开了一种无-Pb四元焊料合金，该焊料合金包括0.05～2.0wt％的Cu、0.001～2.0wt％的Ni、0.001～1.0wt％的P以及余量的Sn。
该无-Pb四元焊料合金通过将微量的P加入到常规的无-Pb的Cu-Ni-Sn三元焊料合金中以限制氧化物的反应，并且提高了焊料的强度，增加了焊接接缝的耐应力性，从而忍耐焊接接缝周围的热应力和振动的同时，降低了焊料合金的流动性，因而减少了焊接缺陷。
然而，由于使用无-Pb四元焊料合金焊接时的温度升高高达30～40℃，因此必需保证电子元件的耐热性。而且，由于无-Pb四元焊料合金比常规的Sn-Pb焊料具有更低的耐湿性和铺展性(降低约15％)，因此其焊接性质恶化，并且如果进行无-Pb电镀(主要是，在手工元件(manual components)上电镀Sn，以及在IC系列上电镀Sn或电镀Sn-Bi)，则元件的焊接性质也被恶化。
[技术方案]
本发明是鉴于上述及其它问题进行的，并且本发明的一个方面提供一种无-Pb的Sn-Ag基焊料合金，尽管所述焊料合金根据焊料的应用而具有不同的合金含量，但是相比于常规的无-Pb焊料合金，其具有更低的熔点，并且具有高度提高的润湿性和连接强度。
[附图描述]
从下列结合附图的详述中，可以更清楚地理解本发明的上述及其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是说明润湿性和Ni含量之间的关系的图；
图2是根据焊料合金是否含有P，说明氧化物的量与焊接时间的关系的图；
图3是说明氧化物的量与P含量之间的关系的图。
[最佳方式]
现在将详细描述本发明的优选实施方案。
根据本发明的无-Pb的Sn-Ag基焊料合金包含最佳量的Ag、Ni和P，以提高焊料合金的强度以及耐应力性，从而容忍在焊接接缝内的热应力和振动，同时通过抑制氧化物的反应来提高焊料合金的流动性，通过抑制氧化物的反应来提高焊料合金的流动性是常规的Sn-Cu基无-Pb焊料合金的特征。
在根据本发明的焊料合金的组分中，由于Sn具有232℃的熔点，并且通常被用作用于连接的基础金属，因此本发明也含有作为基础金属的Sn。而且，本发明的焊料合金包含旨在提高焊接接缝处的连接强度的Cu和Ag以及旨在抑制Sn-Cu和Sn-Ag金属间化合物形成的Ni。另外地，本发明的合金还包括微量的P，以进一步降低因焊接时焊料合金的表面与氧之间的摩擦所致的氧化皮的产生。
当焊料合金包括约0.7wt％的Cu和余量的Sn时，其表现出约227℃的熔点，该熔点比含100wt％Sn的焊料合金的232℃熔点低约5℃。
加入到焊料合金中的Cu的最佳量在0.3～0.8wt％的范围。当将0.9wt％或更多的Cu加入到焊料合金时，该焊料合金的熔点又被提高。焊料合金的熔点升高导致焊接温度升高，因而对耐热性低的电子元件产生负面影响，并且在浇焊或回流焊接过程中产生表面氧化、粘度增加、润湿性降低以及产生桥状或毛刺状缺陷。另一方面，可以将约2.3wt％Cu加入到焊料合金中，只要保证被连接物体比如PCB、表面上安装的元件、金属等的耐热性与焊球一样即可，因而，即使进行焊接或金属电镀，润湿性和连接强度也得到了提高。
当将0.01wt％或更多Ag加入到Sn-Cu基焊料合金时，焊料合金的润湿性和铺展性比Sn-Cu-Ni-P基焊料合金的润湿性和铺展性更好，但是当加入Sn-Cu基焊料合金的Ag量少于0.01wt％时，没有表现出提高焊料合金的润湿性和铺展性的效果。另一方面，如果加入到Sn-Cu基焊料合金中的Ag量大于5.0wt％时，没有表现出焊料合金的润湿性和铺展性的增加，并且由于Ag的价格高，因此大量加入Ag在经济上是不适宜的。根据本发明，由于Ag的价格高，因此根据是使用酚基还是环氧基PCB，加入焊料合金中的Ag量是不同地确定的。加入焊料合金中的Ag的最佳量在0.01～0.5wt％(酚基PCB)的范围内或在2.0～4.0wt％的范围内(环氧基PCB)。
下表1所显示的是当将0.01～5wt％Ag加入到在韩国专利登记10-0453074中所公开的无-Pb的Sn-0.5Cu-0.1Ni-0.01P的焊料合金时的润湿时间和Ag的成本。
通过在下列条件下使用焊剂将基础金属和焊料焊接，同时观察基础金属和焊料之间的连接性质，进行试验。
1)使用砂纸将铜板(10×0.3mm2)磨光。
2)用I.P.A清洁后，将磨光的铜板充分干燥。
3)测量条件
浸渍时间：10秒
浸渍深度：2mm
POT温度：260℃
焊剂性质：SV-951F(固体形式12.5％)
表1
  合金   最大   最小  平均(sec)  Ag的价格(W)
  Sn 0.5Cu 0.1Ni 0.01P   1.61   1.27  1.42  -
  Sn Cu Ni P 0.01Ag   1.59   1.35  1.42  24.9
  Sn Cu Ni P 0.1Ag   1.58   1.35  1.38  249
  Sn Cu Ni P 0.3Ag   1.42   1.22  1.29  747
  Sn Cu Ni P 0.5Ag   1.44   1.13  1.29  1,245
  Sn Cu Ni P 1.0Ag   1.31   1.12  1.21  2,490
  Sn Cu Ni P 2.0Ag   1.08   0.69  0.85  4,980
  Sn Cu Ni P 3.0Ag   0.72   0.51  0.59  7,470
  Sn Cu Ni P 3.5Ag   0.74   0.52  0.59  8,715
  Sn Cu Ni P 4.0Ag   1.03   0.79  0.82  9,960
  Sn Cu Ni P 5.0Ag   1.11   0.68  0.88  12,450
如表1所示，焊料合金用于浇焊时优选包括0.01～0.5wt％的Ag，并且用于回流焊接时包括2～4wt％的Ag。
另外，将0.01～0.1wt％的Ni加入到焊料合金中。如图1所示，可看出润湿性根据Ni的含量而变化。
Ni起的作用是抑制因Sn与Cu或Ag之间的反应所导致的金属间化合物比如Sn-Cu或Sn-Ag的产生，同时提高在焊接POT时的熔融金属的流动性。
金属间化合物具有高熔点，并且当熔化合金时由于熔融金属中金属间化合物的存在，因此使熔融金属的流动性变差以及合金作为焊料的功能变差。结果，当在焊接过程中焊料图案(patterns)之间存在金属间化合物时，它们形成桥，因而导致导体被短路，并且当它们与熔融焊料分离时，可能残留突起形状的角。
另外，根据本发明，将微量的P加入焊料合金中。在图2和3中，显示氧化物含量根据P含量的变化。
当焊接装置在焊接过程中使用氮时，只产生少量的氧化物，因而使得它不一定要包括P。另一方面，如果不使用氮，则由于在99wt％或更大的范围内的过量Sn，熔融焊料在焊接过程中被氧化，并产生氧化皮或氧化物，因而在焊接过程中形成桥，同时降低了焊料合金的质量。因此，在焊接过程中没有使用氮的情况下，将P加入到焊料合金中，使得焊接POT中氧化皮的产生最少化，并且防止了桥的形成。另一方面，如果P含量为0.05wt％或更大，则没有防止焊料合金被氧化的作用。
下表2显示根据本发明的无-Pb的Sn-Ag基焊料合金的组成，焊料合金的熔点。
表2
  序号   Sn   Cu   Ni   Ag   P   熔点(℃)
12345678 余量余量余量余量余量余量余量余量   0.5％0.3～0.80.5％0.3～0.80.5％0.3～0.80.5％0.3～0.82.3％2.1～2.52.3％2.1～2.52.3％2.1～2.52.3％2.1～2.5   0.05％0.01～0.10.05％0.01～0.10.05％0.01～0.10.05％0.01～0.10.05％0.01～0.10.05％0.01～0.10.05％0.01～0.10.05％0.01～0.1   0.3％0.01～0.50.3％0.01～0.53.0％2.0～4.03.0％2.0～4.00.3％0.01～0.53.0％2.8～3.20.3％0.01～0.53.0％2.8～3.2 -0.008％0.003～0.01-0.008％0.003～0.010.008％0.003～0.010.008％0.003～0.01-- 227227220220270270270270
另外，根据本发明，无论是使用酚基还是环氧基PCB，根据被电镀的物体比如元件的引线、挠性印刷电路(FPC)、焊丝-B(丝焊)、焊球(S/B)等的耐热性是否得到保证，或者焊接装置在焊接时有没有使用氮，无-Pb的Sn-Ag基焊料合金都可以具有不同的组成。
下表3显示根据本发明无-Pb的Sn-Ag基焊料合金的应用，焊料合金的组成。
表3
  序号                      焊料合金                 应用
  Sn   Cu   Ni   Ag   P   酚   环氧   电镀   S/B   焊丝-B
  12345678   余量余量余量余量余量余量余量余量   0.5％0.5％0.5％0.5％2.3％2.3％2.3％2.3％   0.05％0.05％0.05％0.05％0.05％0.05％0.05％0.05％   0.3％0.3％3.0％3.0％0.3％3.0％0.3％3.0％ 0.008％0.008％0.008％0.008％   00000000   XX00X0X0   00000000   00000000   00000000
尽管已经显示并描述了本发明的几个实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，在没有背离本发明的原则和精神的情况下，可以在此实施方案上进行变化，本发明的范围限定在权利要求及它们的等价物中。
[发明方式]
根据本发明，这些和/或其它方面都是通过提供一种包括0.1～3.0wt％的Cu、0.01～0.5wt％的Ni、0.01～5.0wt％的Ag以及余量的Sn的无-Pb的Sn-Ag基焊料合金来实现的。
无-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1的wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
无-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
无-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
无-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以包含2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
无-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以进一步包含0.003～0.01wt％的P。
[工业适用性]
如从上面的描述显然的是，相比于常规的无-Pb焊料合金，本发明的无-Pb的Sn-Ag基焊料合金具有更低的熔点，并且具有高度提高的润湿性和连接强度，因而防止了桥的产生。
另外，根据本发明，根据是使用酚基还是环氧基PCB，被电镀的物本比如元件的引线、挠性印刷电路(FPC)、焊丝-B(丝焊)、焊球(S/B)等的耐热性是否得到保证，或者焊接装置在焊接时有没有使用氮，无-Pb的Sn-Ag基焊料合金都可以具有最佳的组成。
因此，本发明的无-Pb的Sn-Ag基焊料合金可以以比如浇焊、回流焊接、焊接后电镀、焊球、丝焊等的各种方式应用到元件中。

Claims (6)

1.一种无-Pb的Sn-Ag基焊料合金，其包括：
0.1～3.0wt％的Cu；0.01～0.5wt％的Ni；0.01～5.0wt％的Ag；以及余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述无-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
3.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述无-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括0.3～0.8wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.0～4.0wt％的Ag以及余量的Sn。
4.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述无-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、0.01～0.5wt％的Ag以及余量的Sn。
5.根据权利要求1所述的焊料合金，其中所述无-Pb的Sn-Ag基焊料合金包括2.1～2.5wt％的Cu、0.01～0.1wt％的Ni、2.8～3.2wt％的Ag以及余量的Sn。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的焊料合金，其进一步包括：0003～0.01wt％的P。
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