具有在高温下改善的特性的无铅软焊料制造技术

本发明专利技术涉及基于锡－铟－银－焊料合金的无铅软焊料，包含在８８至９８．５重量％的锡、在１至１０重量％的铟、在０．５至３．５重量％的银、在０至１重量％的铜以及具有晶化改性剂的掺杂，特别是最大１００ｐｐｍ的钕的掺杂，以及０－３％镓、锑、铋。所述焊料具有高于２１０℃的熔点、高温下很高的疲劳强度、以及金属间相的很少的生长。该合金可以在焊接电子构件时被应用于晶片凸点技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于如下主题的软焊料，该主题的应用范围最多至200°C，特别是处于150至190°C。技术背景在所述这样高的温度下，锡-银-铜-(SAC)-焊点由于金属间相的生 长而特别快地老化。在高温下，抗拉强度更小并且延展极限由于材料疲劳 而恶化，该材料恶化伴随着金属间相的生长而发生。根据欧盟规程2002/96/EG "Waste Electrical and Electronic Equipment" =WEEE und 2002/95/EG "Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment" =RoHS (http://ec. europa. eu/environment /waste/weee—index, htra)， 对含 铅的焊料的应用被强烈地限制并且基本上对不含铅的焊料的应用进行规 定。因而，具有最多至O. 1重量％的铅含量的焊料被视为不含铅。US 5， 938， 862公开了在含有2. 3重量％的银和1重量％的铜的情况下 的具有8到10重量％的铟的SAC-软焊料。高的铟含量使得焊料合金非常软 并且出现了变形(空穴)，从而用来制造焊料球的铟合金不适合于芯片制 造。DE 10 2004 050 441 Al公开了对与黑色金属组合的镧系元素的使用， 以便通过热作用来延迟材料粗糙化。假设优选作为黑色金属-预制合金引 入的钕由作为相应金属间相的预制合金来限定，因为在那里所使用的混合 金属由于其对于氧很高的亲和力而不能以传统的方式被合金化。EP 1 623 791 A2为了形成熔渣(例如该熔渣由于钕的引入而产生) 的问题而介绍了一种用于分离熔渣的方法。由此，例如根据WO 03/051572 的焊料被净化。W0 03/051572介绍了一种具有铟的SAC-焊料，同样也向 该SAC-焊料加入钕以合金化。凭借5至20重量%可以产生接近于共晶的合金。这样具有如下的优点，即，所述合金几乎是突然地固化并且在此形成 光滑的表面。很高的银含量导致高份额的Ag3Sn-相，该Ag.,Sn-相在温度负荷的情况下继续生长并且结构发生粗糙化。WO 03/051572 Al公开了基于如下的SAC-合金的无铅的'软焊料，所 述SAC-合金具有0. 8至1. 2重量％的铟和0. 01至0. 2重量％的钕。这样的 软焊料应当避免形成锡的枝晶并且在熔融之后保证了焊料的光滑而均质 的表面。另外，焊料应当具有尽可能高的交变荷载强度，从而凭借所述的 软焊料具有非常不同的热膨胀系数的原料自身能够彼此接合。WO 97/43456涉及了在汽车领域由于温度变换而引起的材料疲劳的问 题。介绍了如下组成的不含铅的软焊料，所述软焊料由68.2至91.8重量 %锡、3. 2至3. 8重量％银以及5至5. 5重量%铟，所述软焊料可选地具有最 多至3重量%铋和最多至1.5重量%铜。作为示例实施为如下的合金，所述 合金具有89.8重量％锡、3. 7重量％银、5重量％铟以及1.5重量％铜。
技术实现思路
本专利技术的任务在于，抵制材料疲劳，所述材料疲劳在直至20(TC的温 度下，特别是在150与19(TC之间的范围内出现。焊料的熔点应当高于最大应用温度至少1CTC，更好地为高于最大应 用温度20°C。该任务的解决方案凭借独立权利要求的特征而实现。优选实施方式 介绍了从属权利要求。对于本专利技术具有决定性的是，基于锡-铟-银-合金的软焊料阻止金属 间相的形成和生长。根据本专利技术地，成分锡、铟、银以及需要时的铜的质 量份额如此地选择，S卩，由于所述组成而已经存在金属间相的形成和生长 的很小的倾向。此夕卜，金属间的Ag:,Sn-相的形成被阻止，特别是所述Ag3Sn-相将导致材料疲劳的生长在优选的方向上被阻止。根据本专利技术已知的是，在现有技术中设置用于晶粒细化的镧系元素 虽然在焊料固化时能够被使用，但是在镧系元素的浓度，特别是钕的浓度高于100ppm的情况下，焊料特性也连同受到损害。所使用的数量始终高于镧系元素，特别是钕在锡中的熔解度极限，使得镧系元素，特别是钕始终存在于金属间相中。但是，特别是在很高的应用温度下，金属间相是不 抗氧化的，并且因此在很高的应用温度下导致诸多问题，因此，这样的相 对于经受高于15(TC的温度的焊料而言应被避免。根据本专利技术， 一方面将金属间相的形成保持得很低而另一方面对金 属间相的晶化进行改性。较高的铜份额或者银份额提高了金属间相的形成。在此，具有决定的是，在1与8重量%之间的铟，特别是在1. 5与5 重量％之间的铟，当在铜表面上施用该焊料时明显地限制了 Cu3Sn-相的形 成。此外，具有决定性的是，对晶化生长进行改性。这两种效应使得高温 下的材料疲劳变慢，只要当银含量被限制在最大3.5重量o/。，特别是3重 量％时，这两种效应特别地使得高温下的材料疲劳变慢。为了对Ag3Sn-相 的晶体生长进行改性，根据本专利技术地应用晶化改性剂，特别是应用钕。钕 可以作为改性剂以低于电感耦合等离子体(ICP)指示极限的30ppra的数 量持续地对晶体生长进行改性。因此，钕需要仅以低于100ppm的数量， 特别是以低于30卯m的数量被掺杂在软焊料中。只要钕基于很小的浓度熔 解于基质中，则金属间相的形成得以阻止，从而当金属间相主要呈星状地 形成时，就被阻止。设想熔解在基质中的钕在钕的浓度超过100ppm时，被产生的金属间 相所吸收并因此在接近于金属间钕-相的更高浓度时不再熔解在基质中。 因此，假设金属间相的形成在钕浓度超过100卯m时，随着钕浓度的增加 不升反降。特别是通过钕对晶体生长的改性的原因在于，在温度高于150'C时在 固化的焊料中，也就是在低于焊料熔点的温度下，取代粗糙的晶体板或晶 体针地产生纤细分杈的晶体。该效应对于焊料连接的增加的微型化，例如对于芯片制造，特别是 对于晶片凸点是非常重要的。特别是在温度高于15(TC的工作条件下，通 过在界面内Cu3Sn-相或CueSn5-相的相生长而将来自焊料连接的、增加的锡 的份额被化合。剩余焊料中由此强迫性地提高的银-份额在超过了前面所 述的3. 0重量％的阈值时，导致Ag3Sn-相的强烈的晶体生长。通过Ag3Sn-相的板状的或针状的构成，可能的是，该相由焊料连接 中生长出来并且导致短接。这一点通过钕的掺杂来防止。因此，Ag3Sn-相的纤细地分杈的晶体生长对于钕给出了提示，钕以低 于30ppm的指示极限的顺势的数量的存在就足够了。而具有决定性的是， 根据本专利技术的软焊料被以改性剂，特别是钕来掺杂。天然的杂质是不够的。 钕只有最多至大约100ppm是相容的。钕在锡中的熔解度极限为低于 100ppra。高于熔解度极限时，金属间的锡-钕-相中的钕便会析出。更大量 的钕由于被氧化的SnNd-相的析出而使合金恶化。由于氧化剂钕在大气条 件下，0.05至0.2重量％的钕会导致焊料表面的氧化皮。为了将钕在熔体 中保持在0. 01重量％的浓度，则需要降低的条件或者施加真空。具有0. 2 重量％的钕的合金以传统的制造方法不能被加工成焊料粉并且由于在焊点 处的界面上被氧化的影响而促使裂纹形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于锡－铟－银－焊料合金的软焊料，包含　－８８至９８．５重量％的锡，　－在１至１０重量％的铟，　－在０．５至３．５重量％的银，　－在０至１重量％的铜，　－以及掺杂，所述掺杂具有在固化的焊料中阻止金属间相生长的晶 化改性剂。

【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：温弗里德克雷默，约尔格特罗德勒，
申请(专利权)人：WC贺利氏有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]