CN105063419A - 具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头 - Google Patents
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Abstract
公开了具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头。在一种具体的示例性实施方式中，无铅焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
Description
本申请是分案申请，原申请的申请日为2006年12月13日、申请号为200680046350.5(PCT/US2006/047476)、发明名称为“具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头”。
相关申请的交叉文献
本专利申请要求2005年12月13日提交的美国临时专利申请60/749,615的优先权，其在此以其全部引入以作参考。
发明领域
本发明一般涉及电子装置中使用的无铅焊料合金组合物，特别是具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头。
发明背景
在替代传统锡-铅焊料的各种无铅焊料合金选择中，锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金是目前最受欢迎的，原因在于它们相对优良的焊接性能、卓越的抗蠕变性能、和热疲劳可靠性，以及它们与目前组分的相容性。不同国家的工业组织已经提出并推荐使用多种Sn-Ag-Cu合金。例如：由日本JapanElectronicIndustryDevelopmentAssociation(JEIDA)提出的Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)，由欧盟theEuropeanConsortiumBRITE-EURAM提出的Sn-3.8Ag-0.7Cu(wt.％)，以及由美国theNationalElectronicsManufacturingInitiative(NEMI)提出的Sn-3.9Ag-0.6Cu(wt.％)。然而，关于无铅焊料合金的最近研究表明：由这些推荐的Sn-Ag-Cu合金形成的焊接接头可能是脆性的，并且在跌落冲击荷载下是易于过早界面损坏的。尽管已经发现减少Sn-Ag-Cu合金中的银含量是有帮助的，然而这些合金的跌落测试效果仍然劣于低共熔的锡-铅的性能。传统上，主要通过热疲劳性能评价焊接接头可靠性，因为在电子互连中热疲劳开裂(thermalfatiguefracture)是关键的损坏模式(criticalfailuremode)。随着工业向仪器小型化推进以及便携式电子产品增加的应用，在电子封装中除了传统的热疲劳可靠性(thermalfatiguereliability)之外，焊接接头的冲击可靠性成为关键。
由于前面所述，期望提供具有改良的跌落冲击可靠性的Sn-Ag-Cu基焊料合金及其焊接接头。
发明概述
公开了具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头。在一种具体的示例性实施方式中，无铅焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
根据这个具体示例性实施方式的其它方面，Ag的优选含量是0.0-2.6wt.％。
根据这个具体示例性实施方式的又一方面，Mn的优选含量是0.01-0.3wt.％。
根据这个具体示例性实施方式的另外的方面，Ce的优选含量是0.01-0.2wt.％。
仍然根据这个具体示例性实施方式的其它方面，Ti的优选含量是0.01-0.2wt.％。
仍然根据这个具体示例性实施方式的又一方面，Y的优选含量是0.01-0.4wt.％。
仍然根据这个具体示例性实施方式的另一方面，Bi的优选含量是0.01-0.5wt.％。
仍然根据这个具体示例性实施方式的又一方面，无铅焊料合金可以电子连接用一种或者多种下述材料形成的衬底表面防护层：电镀Ni/Au、非电镀的Ni浸Au(electrolessNiimmersionAu(ENIG))、有机可焊性保护剂(organicsolderabilitypreservatives(OSP))、浸Ag以及浸Sn。
在另一种具体示例性实施方式中，焊球可由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
在仍然另一种具体示例性实施方式中，焊粉可由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
在又一种具体示例性实施方式中，焊膏可包括由无铅焊料合金形成的焊粉，该合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
在仍然另一具体示例性实施方式中，在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(ballgridarray(BGA))可包括由无铅焊料合金形成的焊球，该合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
在仍然又一具体的示例性实施方式中，电子器件中的焊接接头可由无铅焊料合金形成，该合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
现在，本发明将参考其所附附图中说明的示例性实施方式更详细地予以描述。尽管本发明参考示例性实施方式在下面予以描述，应当理解本发明不限于此。具有接触本文教导的机会的本领域普通技术人员将认识到本文所述本发明范围之内的和本发明可能具有重要的实用性的另外的实施、修改和实施方式，以及其它使用领域。
附图简述
为了帮助对本发明更完全的理解，现在对所附附图进行参考，其中相同的元素用相同的数字进行标注。这些附图不应该被解释为对本发明的限定，而仅仅意欲是说明性的。
图1是表明对比的抗跌落冲击性数据的表，其是关于由根据本发明实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头(as-reflowedsolderjoints)。
图2是表明由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金和对照焊料合金的对比熔化行为的表。
图3是表明对比的抗跌落冲击性的数据表，其是关于由根据本发明实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头的，且其在150℃下热老化四个星期。
图4显示了BGA测试试样、PCB衬底，以及由其产生的模拟BGA组件，其用于测试根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的焊接接头。
图5说明了抗跌落冲击性检测器，其用于检测根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的焊接接头。
图6是说明Ag含量对跌落冲击性能的对比影响图，其是关于由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头的。
图7是说明对比的平均跌落冲击性能的图，其是关于由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头的。
示例性实施方式的详述
本发明涉及具有改良的跌落冲击可靠性的Sn-Ag-Cu基(即，无铅)焊料合金和其焊接接头。该公开的Sn-Ag-Cu基焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
与那些已经受到推荐并且目前在工业中使用的传统Sn-Ag-Cu焊料合金制造形成的焊接接头相比，由上述无铅焊料合金形成的焊接接头具有更高的抗跌落冲击性。
公开的Sn-Ag-Cu基焊料合金具体地适用于，但不限于，生产要求高跌落冲击可靠性的焊料凸点，如那些球栅阵列(BGA)封装中的，尤其是在移动和便携电子产品中使用时。
参考图1，其是说明对比的抗跌落冲击性的数据表，该数据是关于由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头的。根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金包括Sn-Ag-Cu基焊料合金，其包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。对照焊料合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu以及63Sn37Pb焊料。如图1表中所示，根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金显示了更好的抗跌落冲击性能。
参考图2，其是说明由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金和对照焊料合金的熔化行为的对比表。根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金包括Sn-Ag-Cu基焊料合金，其包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。对照焊料合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu以及63Sn37Pb焊料。焊料合金的熔化温度范围由差示扫描量热法(DifferentialScanningCalorimetry(DSC))测量。DSC样品的质量是大约5-15mg，扫描率是10℃/min。对于每种焊料合金，样品被扫描两次。第一次从环境温度扫描样品至350℃，接着自然冷却降至环境温度，然后再次扫描至350℃。第二次扫描的温度记录被用于表示合金的熔化行为。如图2表中所示，根据本公开，小量添加剂的加入对相应Sn-Ag-Cu焊料合金的熔化行为具有微不足道的影响。因此，根据本公开的焊料合金的使用条件与传统Sn-Ag-Cu焊料合金的使用条件一致。
使用跌落检测器评价焊接接头的抗跌落冲击性，如图5所示。使用如图4所示的模拟BGA组件进行跌落测试，。模拟BGA组件包括BGA试样和印制电路板(PCB)衬底。BGA试样——如图4所示——包括40mmx40mm的衬底，及3x3排列分布的电镀镍/金(Ni/Au)垫(2mm直径)。PCB衬底——如图4所示——是80mmx80mm的衬底，及相应的3x3排列分布的电镀镍/金(Ni/Au)垫(2mm直径)和在衬底角的4个钻孔(6mm直径)，该钻孔用于把产生的模拟BGA组件安置到具有4个固定栓的钢跌落块上(见图5)。
在BGA试样和PCB衬底上3x3排列分布的电镀镍/金(Ni/Au)垫中的相应垫之间形成焊接接头。模拟BGA组件中的每个焊接接头由大约50mg焊料合金制成。为了生产模拟BGA组件，首先使用免清洗助焊剂(no-cleanflux)把给定合金的焊球安置到PCB衬底上，并且使用峰值温度在240℃的回流方案进行回流。然后这种带凸起的PCB衬底被安置到BGA试样上，其用相同的免清洗助焊剂在其垫上被预印刷并用相同方案进行回流。
把模拟BGA组件安装到具有四个固定栓的钢跌落快上(见图5)。PCB衬底与钢跌落块之间的间隙是5mm。通过沿着两个导向杆升高钢跌落块到一定高度、然后释放跌落块并允许它沿着导向杆自由跌落直到撞击钢基底，强烈的跌落冲击被产生并传给模拟BGA组件(见图5)。该跌落冲击导致模拟BGA组件中的PCB衬底在四个固定栓上振动，并且该振动又在模拟BGA组件中的焊接接头中产生跌落冲击。用于跌落测试的高度通常是0.5米，但0.25米的减小高度也在一些具有较高Ag含量的焊料合金的情况下使用。在回流状态条件下和在150℃下热老化四周之后，在模拟BGA装置上进行跌落测试。对于每种测试条件，使用10个模拟BGA组件。跌落至损坏(即，组件的分离)的次数被用作比较焊接接头抗跌落冲击性的基础。跌落至损坏的次数越多，焊接接头的抗跌落冲击性越大。同样，用于测试的跌落高度越高，测试中产生的跌落冲击强度越高。
在回流状态条件下，根据本公开的实施方式配制的焊料合金和对照焊料合金的跌落测试结果在附图1的表中予以说明。传统Sn-3.8Ag-0.7Cu(SAC387)和Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)合金在破坏前分别平均仅仅经受得住1.1次和1.2次跌落。传统的Sn-1.0Ag-0.5Cu(SAC105)合金显示了5.1的平均跌落次数，并且因此大大地优于SAC387和SAC305。如附图1的表中所示，根据本发明的实施方式配制的焊料合金1到13均显示出比SAC105更优的跌落测试性能。根据本公开的实施方式配制的焊料合金中的掺杂剂含量也显著影响着跌落测试性能。例如，在锰(Mn)掺杂剂的情况下(例如，示例性焊料合金1到4)，跌落测试性能随着Mn含量的增加而提高，在0.13wt.％的Mn含量时达到35.4的最大平均值，并且然后随着Mn含量的继续增加而下降。
参考附图6，说明的是Ag含量对跌落冲击性能的对比影响图，其是关于由根据本公开的实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头的。因此，附图6说明了回流状态条件下，Mn掺杂剂对各种Ag含量水平的焊接接头的跌落测试性能的影响。在附图6的图表中，每个竖直线的下端代表最小跌落次数，每个竖直线的上端代表最大跌落次数，而每个框代表两倍标准偏差，每种焊料合金的平均跌落次数在框的中心。在Mn掺杂剂含量为大约0.13wt.％时，对于具有的Ag含量水平分别为0.0、1.1、1.76、2.59以及3.09wt.％的焊料合金，平均跌落次数分别是23.0、35.4、12.1、6.0以及2.4。除了具有3.09wt.％的Ag的焊料合金，具有较低Ag含量水平的所有其它焊料合金显示出平均值大于SAC105的平均值(平均值为5.1)，更别提SAC305(平均值1.2)和SAC387(平均值1.1)。对于示例性焊料合金2的跌落测试性能，其具有Sn1.1Ag0.64Cu0.13Mn的组成，甚至比63Sn37Pb焊料合金更优。对于Sn-Ag-Cu(SAC)焊料合金，尽管较低的Ag含量一般产生较好的跌落测试性能，但Mn掺杂剂的使用基本上提高了2.6wt.％Ag合金的跌落测试性能到SAC105。
参考附图3，说明对比的抗跌落冲击性的数据表，其是关于由根据本发明实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流状态焊接接头的，且其在150℃下热老化4星期。对比附图1中所示回流状态条件下的数据与附图3中所示热老化条件下的数据，揭示出来的是：尽管63Sn37Pb低共熔合金的平均冲击次数在热老化之后从28.5显著降低到4.0，但根据本发明的实施方式配制的焊料合金——除了焊料合金第6号和第13号，一般在热老化之后显示出较高的平均跌落次数(见附图7)。抗跌落冲击性随热老化提高，是由根据本公开的实施方式配制的焊料合金制造的焊接接头可靠性的良好表现。
在上面给出的数据的基础上，根据本公开的实施方式配制的焊料合金显示出优秀的抗跌落冲击性，并且优于传统的SnAgCu焊料(比如SAC305和SAC105)。确实，一些根据本发明的实施方式配制的焊料合金具有的抗跌落冲击性能甚至比SnPb低共熔合金更好。由根据本发明的实施方式配制的焊料合金制造的焊接凸点或者焊接接头具有比传统焊料合金的更优的性质。例如，当根据本公开的实施方式配制的焊料合金被用于焊球和/或焊膏中的焊粉以连接BGA或者CSP封装到PCB上时，如此形成的焊接接头在组件在船运、处理或者使用过程中遭受跌落冲击负荷时可以不易于因为从PCB或者封装发生分离而损坏。结果是，由于根据本公开的实施方式配制的焊料合金的使用，可大大地提高了电子设备的可靠性。
本公开不限于本文所述具体实施方式的范围。确实，对于本领域的普通技术人员而言，由于前面的描述和所附附图，本公开的其它各种实施方式和对本公开的修改——除了本文所描述的那些之外——将是显然的。因此，那些其它实施方式和修改意欲落入本公开的范围。进一步，尽管本发明在此为具体目的以具体环境中的具体实施的内容予以描述，本领域普通技术人员将认识到它的用途不限于此；并且，本公开可在任何环境中为任何目的被有利地实施。因此，应当在考虑文中所述本公开的完全范围和精神下，解释所附权利要求。
Claims (33)
1.无铅焊料合金，其主要由下列组成：0.0-1.76wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，和至少一种下列添加剂：0.01-0.3wt.％的量的Mn，和0.01-0.2wt.％的量的Ti，和余量的Sn。
2.焊球，其由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。
3.焊粉，其由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。
4.焊膏，其包括由权利要求1所述的无铅焊料合金形成的焊粉。
5.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。
6.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。
7.权利要求1所述的无铅焊料合金，其中所述无铅焊料合金电子连接用一种或者多种下列材料形成的衬底表面防护层：电镀Ni/Au、非电镀的Ni浸Au(ENIG)、有机可焊性保护剂(OSP)、浸Ag，以及浸Sn。
8.无铅焊料合金，主要由下列组成：0.0-1.76wt.％的Ag、0.01-1.5wt.％的Cu、至少一种下列添加剂：0.01-0.3wt.％的量的Mn和0.01-0.2wt.％的量的Ti，和至少一种下列进一步添加剂：0.01-0.2wt.％的量的Ce、0.01-0.4wt.％的量的Y、和0.01-0.5wt.％的量的Bi、和余量的Sn。
9.焊球，其由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。
10.焊粉，其由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。
11.焊膏，包括由权利要求8所述的无铅焊料合金形成的焊粉。
12.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。
13.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。
14.无铅焊料合金，主要由下列组成：大于0wt.％并且小于或等于约2.6wt.％的量的Ag、0.01-1.5wt.％的Cu、和至少一种下列添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、和0.001-0.8wt.％的量的Ti、和余量的Sn。
15.权利要求14所述的无铅焊料合金，其中Mn的含量是0.01-0.3wt.％。
16.权利要求14所述的无铅焊料合金，包括Ti，并且其中Ti的含量是0.01-0.2wt.％。
17.焊球，其由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。
18.焊粉，其由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。
19.焊膏，包括由权利要求14所述的无铅焊料合金形成的焊粉。
20.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。
21.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。
22.权利要求14所述的无铅焊料合金，其中所述无铅焊料合金电子连接用一种或者多种下列材料形成的衬底表面防护层：电镀Ni/Au、非电镀的Ni浸Au(ENIG)、有机可焊性保护剂(OSP)、浸Ag，以及浸Sn。
23.无铅焊料合金，其主要由下列组成：大于0wt.％小于或等于约2.6wt.％的量的Ag、0.01-1.5wt.％的Cu、和至少一种下列添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、和0.001-0.8wt.％的量的Ti、和至少一种下列进一步添加剂：0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、和0.01-1.0wt.％的量的Bi、和余量的Sn。
24.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Ce的含量是0.01-0.2wt.％。
25.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Mn的含量是0.01-0.3wt.％。
26.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Y的含量是0.01-0.4wt.％。
27.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Bi的含量是0.01-0.5wt.％。
28.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Ti的含量是0.01-0.2wt.％。
29.焊球，其由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。
30.焊粉，其由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。
31.焊膏，其包括由权利要求23所述的无铅焊料合金形成的焊粉。
32.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。
33.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。
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