用于表面贴装回流钎焊的抗坚碑无铅合金制造技术

公开了一种包含锡、银和铜的无铅钎料合金组合物，和一种最小化竖碑频率的回流钎焊工艺。在一个特别示例性的实施方案中，本发明专利技术用于最小化竖碑的无铅Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ钎料合金在熔化和长期熔化过程中显示出高的质量分数，如展宽的ＤＳＣ峰所示，这允许芯片元件两端具有平衡的表面张力。依照这个示例性实施方案的其它方面，该合金在熔化期间表现出大于２０％的固体质量分数并且使用５℃／ｍｉｎ的扫描速率时表现出大于８℃的ＤＳＣ峰宽。依照这个示例性实施方案的其它方面，该合金包含Ａｇ１－４．５ｗｔ％，Ｃｕ０．３－１ｗｔ％，余量的Ｓｎ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及适用于钎焊的无铅合金，且更具体涉及包含锡、银和铜的抗竖碑合金组合物。
技术介绍
由于电子工业不断追求电子器件的微型化，对小型无引线元件如0402(该术语是指尺寸为40mil×20mil的元件)和0201越来越多的使用导致竖碑缺陷(tombstoning)的迅速增加。这种竖碑缺陷是小型无引线元件如电阻和电容的表面贴装回流钎焊中观察到的一种最常见的缺陷，它由竖碑效应(也称为Manhattan效应、Drawbridge效应或Stonehenge效应)引起。在这种现象中，芯片元件一端从印制电路板上脱离而另一端与电路板保持连接，从而芯片元件向着垂直方向立起。竖碑效应的原因在于回流钎焊过程中元件两端熔融钎料的表面张力引起拉力的不均衡。元件的可焊性改变或元件两端钎料膏开始回流时的熔化差异可能干扰元件上熔融钎料表面张力的复杂平衡。为了克服电子制造中的竖碑问题，新的合金技术得到了开发，如Taguchi等人(美国专利No.6,050,480)和Huang等人(美国专利申请No.20020063147)的提议所述。Taguchi等人提出使用由60-65％锡(Sn)，0.1-0.6％银(Ag)，0.1-2％锑(Sb)和余量的铅(Pb)组成的钎料粉体合金来防止回流钎焊期间发生竖碑。Taguchi主要利用Ag和Sb来有效提高凝固温度范围，进而防止竖碑。同样，Huang等人提出使用包含32.0-42.0％(Pb)，58.0-68.0％(Sn)和0.1-0.7％(Ag)的抗竖碑钎料来提供更宽的凝固范围并平衡熔融钎料的表面张力。虽然这些建议的钎料合金将竖碑频率减至最小，但是它们包含铅。众所周知铅具有毒性并且对环境和公共健康带来危险。由于这个原因，联邦法规对铅和含铅组合物的使用实行了严格的限制。因此，近年来，用无铅钎料代替包含锡-铅的钎料已成为电子工业中的一个世界性趋势。在这些有希望的无铅合金中，优选的无铅钎料是锡-银-铜合金。例如，日本电子工业发展协会(JEIDA)推荐使用(4.0-2.0)％(Sn)(1.0-0.5)％(Ag)余量的Cu。(“无铅钎料商品化的挑战和成就-无铅钎料商品化的路线图2000-1.1版(Challenges and effortstoward commercialization of lead-free solder road map 2000 forcommercialization of lead-free solder-ver.1.1)”，日本电子工业发展协会，无铅钎焊研发项目委员会，2000年2月，http://www.jeida.or.jp/english/information/phfree/roadmap.html//)。此外，欧洲IDEALS协会推荐使用Sn95.5Ag3.8Cu0.7(J.Bath，C.Hardwerker，and E.Bradley，“Research updateLead-freesolder alternatives”，Circuit Assembly，2000年5月，第31-40页)。而在美国，国家电子制造业协会(NEMI)的无铅封装项目(theLead-free Assembly Project of National ElectronicsManufacturing Initiative(MEMI))推荐使用Sn95.5Ag3.9Cu0.6(上述Bath等人)。在目前的电子工业中，最常用的Sn-Ag-Cu合金由Ag(4.0-3.0)％，Cu(1-0.5)％，余量的Sn组成，Anderson等人(美国专利No.5,527,628)和Tanabe等人(日本专利No.05-050286)的专利涵盖了大部分这些合金，除此之外有Beghardt等人公布的Sn95.5Ag4Cu0.5合金(E.Berghardt and G.Petrow，“Ueber den Aufbau des SystemsSilber-Kupfer-Zinn”，Zeitschrift fuer Metallkunde，50，1959，第597-605页)，和美国专利No.5,405,577公开的Castin合金Sn96.2Ag2.5Cu0.8Sb0.5。另外，S.K.Kang等人(S.K.Kang et al.，“Formation of Ag3Sn plates in Sn-Ag-Cu alloys and optimizationof their alloy composition”，53rdElectronic components andtechnology(ECTC)conference，2003，第64-76页)发表了他们有关SnAg2.5Cu0.9和SnAg2Cu0.9合金用于电子封装的研究。然而，在基于无铅Sn-Ag-Cu合金的回流钎焊中，现有技术的主要问题是尚未发现可用的抗竖碑钎料合金。尽管Katoh等人在美国专利No.6,554,180B1中提出使用具有0.2-1质量％Ag，余量Sn的“双峰”合金以及使用助焊剂来减少竖碑缺陷，但是这种合金范围与普遍接受的Sn-Ag-Cu合金组合物偏离过大，因此被认为是不实用的解决方案。鉴于上文所述，希望提供适用于电子工业中的钎焊的无铅合金组合物和工艺，该合金可以克服上述的不足和缺点。更具体地，希望提供新型Sn-Ag-Cu合金组合物，该合金可以适合并且可用于电子元件组装中的回流钎焊工艺，能够有效地最小化竖碑频率。
技术实现思路
公开了适合且可用于回流钎焊的无铅Sn-Ag-Cu合金组合物。在一个特别示例性的实施方案中，无铅抗竖碑钎料合金包含锡、银和铜，该合金在熔化期间表现出大于20％的固体质量分数。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，在该抗竖碑合金熔化期间，扫描速率为5℃/min的DSC(差示扫描量热法)上的吸热峰值宽度ΔT大于8℃。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，组成金属包括约1wt％至约4.5wt％的银，约0.3wt％至1wt％的铜和余量的锡。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，组成金属包括约4wt％至约2wt％的银，约0.5wt％至约1wt％的铜和余量的锡。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，组成金属包括约3.8wt％至约2.5wt％的银，约0.5wt％至约1wt％的铜和余量的锡。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，该合金组合物可以包括提高力学性能的元素。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，该提高力学性能的元素包括选自Sb，Cu，Ni，Co，Fe，Mn，Cr和Mo的至少一种或多种元素，其总量至多为钎料合金的1wt％。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，该合金可以包括降低熔化温度的元素。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，该降低熔化温度的元素包括选自Bi，In和Zn的至少一种或多种元素，其总量至多为钎料合金的3wt％。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，该合金可以包括提高抗氧化性的元素。依照这个特别示例性的实施方案的其它方面，该提高抗氧化性的元素包括选自P，Ga和Ge的至少一种或多种元素，其总量至多为钎料合金的0.5wt％。此外还公开了在电子装配中使用多种无铅抗竖碑Sn-Ag-Cu钎本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅抗竖碑钎料合金，包含锡、银和铜，所述合金在熔化期间表现出大于２０％的固体质量分数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄本立，李宁成，
申请(专利权)人：铟美国公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]