具有優越的降落沖擊可靠性的Mn摻雜的Sn基焊料合金及其焊縫的制作方法
【專利摘要】公開了具有優越的降落沖擊可靠性的Sn-Ag-Cu-基無鉛焊料合金及其焊縫。該焊料包括在大于0wt.%且小于或等于大約1.5wt.%之間的Ag；在大于或等于大約0.7wt.%且小于或等于大約2.0wt.%之間的Cu；在大于或等于大約0.001且小于或等于大約0.2wt.%之間的Mn；和余量的Sn。
【專利說明】具有優越的降落沖擊可靠性的Mn摻雜的Sn基焊料合金及其焊縫
【技術領域】
[0001]本公開一般地涉及用于電子器件的無鉛焊料合金組合物，并且更具體地涉及由該無鉛焊料合金制得的無鉛焊球、焊粉、焊膏和焊縫。
[0002]相關領域描述
[0003]在作為傳統錫鉛焊料的替代的各種無鉛焊料合金選擇中，錫(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu)合金是當前最受歡迎的，因為他們相對好的焊接性能、卓越的抗蠕變性和熱疲勞可靠性，以及它們與電流元件的兼容性。各種Sn — Ag — Cu焊料合金已經被不同國家的工業組織提議和推薦使用。例如，Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.%)被日本電子工業發展協會(JEIDA)在日本、Sn_3.8Ag_0.7Cu (wt.%)被 European Consortium BRITE-EURAM 在歐洲聯盟以及Sn-3.9Ag-0.6Cu(wt.%)被 National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI)在美國提出。然而，最近對無鉛焊料合金的研究已經表明由這些被推薦的Sn — Ag — Cu合金制得的焊縫可能是脆的并且在降落沖擊載荷下易于過早界面故障。雖然Sn — Ag — Cu合金中的銀含量的減少已經被發現是有益的，但是這些合金的降落試驗性能仍然劣于低共熔錫-鉛。傳統地，焊縫可靠性已經主要通過熱疲勞性能進行評估，因為熱疲勞斷裂已經是電子互聯中的關鍵性故障模式。隨著工業促進器件小型化和便攜式電子產品使用的增加，除傳統的熱疲勞可靠性之外，電子封裝中焊縫的沖擊可靠性變成關鍵性的。
[0004]電子封裝中焊縫的降落沖擊可靠性對使用焊球網格陣列(BGA)和/或芯片尺寸封裝(CSP)的便攜式電子產品的壽命是關鍵性的，由于電子工業中的器件小型化趨勢其正變得越來越流行。由SnAgCu (SAC)焊球制成的BGA和CSP焊縫的降落試驗性能比它們的SnPb對應物較差。最近研究發現SnAgCu合金中銀含量的減少在改善BGA/CSP降落沖擊可靠性方面可以是有益的。因此，在大部分BGA/CSP球合金應用中SAC105(Sn-l.0Ag-0.5Cu, wt.%)合金正在替代 SAC405 (Sn-4.0Ag-0.5Cu, wt.%)和 SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu, wt.%)合金作為工業標準合金。特別是，在移動應用例如手機中SAC105實質上是標準焊料。當前，SAC105用于超過所有手機的3/4。然而，SAC105的耐降落沖擊性能仍然不足夠好以滿足在小型化和通過消除BGA/CSP填充不足降低成本的趨勢中的工業增長的挑戰。
[0005]發明實施方式簡述
[0006]公開了具有改進的耐降落沖擊性能的無鉛焊料合金和其焊縫。在一個具體的示例性實施方式中，無鉛焊料合金優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag,0.01-1.5wt.%的Cu,以下添加劑的至少一種=Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是
0.001-1.0wt.%，Ti 的量是 0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。
[0007]根據該具體的示例性實施方式的其他方面，優選的Ag含量是0.0-2.6wt.%。
[0008]根據該具體的示例性實施方式的進一步方面，優選的Mn含量是0.01-0.3wt.%。
[0009]根據該具體的示例性實施方式的另外的方面，優選的Ce含量是0.01-0.2wt.%。
[0010]根據該具體的示例性實施方式的又其他方面，優選的Ti含量是0.01-0.2wt.%。
[0011]根據該具體的示例性實施方式的又進一步方面，優選的Y含量是0.01-0.4wt.%。[0012]根據該具體的示例性實施方式的又另外的方面，優選的Bi含量是0.01-0.5wt.%。
[0013]根據該具體的示例性實施方式的仍又另外的方面，無鉛焊料合金可電子地連接使用以下的一個或多個形成的襯底表面涂層(finish):電鍍的Ni/Au、無電Ni浸Au(electroless Ni immersion Au) (ENIG)、有機可焊性防腐劑(OSP)、浸 Ag 和浸 Sn。
[0014]在另一個具體的示例性實施方式中，焊球可以由無鉛焊料合金形成，其優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑的至少一種:Mn的量是 0.001-1.0wt.%，Ce 的量是 0.001-0.8wt.%，Y 的量是 0.001-1.0wt.%，Ti 的量是0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。
[0015]在又另一個具體的示例性實施方式中，焊粉可以由無鉛焊料合金形成，其優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑的至少一種:Mn的量是 0.001-1.0wt.%，Ce 的量是 0.001-0.8wt.%，Y 的量是 0.001-1.0wt.%，Ti 的量是0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。
[0016]在仍另一個具體的示例性實施方式中，焊膏可包括由無鉛焊料合金形成的焊粉，該合金優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag、。.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑的至少一種:Mn的量是 0.001-1.0wt.%，Ce 的量是 0.001-0.8wt.%，Y 的量是 0.001-1.0wt.%，Ti 的量是0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。
[0017]在又另一個具體的示例性實施方式中，用于在印制的電路板上布置電子元件的焊球網格陣列(BGA)可包括由無鉛焊料合金形成的焊球，該合金優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑的至少一種=Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是 0.001-0.8wt.%，Y 的量是 0.001-1.0wt.%，Ti 的量是 0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。
[0018]在仍另一個具體的示例性實施方式中，電子器件內的焊縫可由無鉛焊料合金形成，該合金優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag、。.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑的至少一種:Mn 的量是 0.001-1.0wt.%，Ce 的量是 0.001-0.8wt.%，Y 的量是 0.001-1.0wt.%，Ti 的量是
0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。
[0019]在進一步的實施方式中，焊料合金包括Ag的量大于Owt.%并且小于或等于大約
1.5wt.%、0.7-2.0wt.% 的 Cu,0.001-0.2wt.% 的 Mn 并且余量是 Sn。
[0020]現在參考如附圖中所示的其示例性實施方式將更詳細地描述本公開。雖然以下參考示例性實施方式描述了本公開，但是應當理解本公開不限于此。利用本文教導的本領域普通技術人員將認識到另外的實施、改變和實施方式，以及其他使用領域，這些都在如本文描述的本公開范圍之內，并且關于它們本公開可具有顯著的實用性。
[0021]從以下詳細描述結合附圖考慮本發明的其他特征和方面將變得明顯，這些附圖通過實例的方式圖解了根據本發明實施方式的特征。
【發明內容】
不意圖限制本發明的范圍，其由權利要求唯一限定。
[0022]附圖簡沭
[0023]根據一個或多個各種實施方式參考以下附圖詳細描述本發明。提供附圖僅僅是為了說明目的并且僅僅描繪本發明的典型或示例性實施方式。提供這些附圖有利于讀者對本發明的理解并且不應該被認為限制本發明寬度、范圍，或適用性。應當注意為了清楚和容易說明的目的這些附圖不必須按比例制成。[0024]圖1是表示由根據本公開實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金形成的回流(as-reflowed)焊縫的比較的耐降落沖擊性能數據的表。
[0025]圖2是表示根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金的比較的熔化行為的表。
[0026]圖3是表示由根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金形成的回流焊縫在150°C下熱老化四周之后的比較的耐降落沖擊性能數據的表。
[0027]圖4示出了 BGA試樣、PCB襯底和由其形成的所得的模擬的BGA組件，用于測試由根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金形成的焊縫。
[0028]圖5示出了用于測試由根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金形成的焊縫的耐降落沖擊性能試驗儀。
[0029]圖6是表示比較的Ag含量對根據本公開的實施方式配制的Sn — Ag — Cu — Mn焊料合金和對照焊料合金的回流焊縫的降落沖擊性能的影響的圖表。
[0030]圖7是表示由根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金形成的回流和老化的焊縫的比較的平均降落沖擊性能的圖表。
[0031]圖8是比較由不同合金制造的BGA焊縫的耐降落沖擊性能的表。
[0032]圖9是比較不同合金的BGA焊縫的耐降落沖擊性能的表。
[0033]圖10是比較不同合金的BGA焊縫的耐降落沖擊性能的表。
[0034]圖11是呈現額外的合金組成和它們的液相線和固相線溫度的表。
[0035]圖12是合金組成的DSC熱圖像(thermograph)。
[0036]圖13A和13B圖解了 SMT焊接前后的BGA組件。
[0037]附圖不意圖是窮盡的或限制本發明為公開的精確形式。應當理解本發明可通過改變和變化實施，并且本發明僅僅被權利要求和其等價物限制。
[0038]本發明實施方式詳述
[0039]本發明涉及用于提供材料處理的管理系統的系統和方法。在一種實施方式中
[0040]本公開涉及Sn—Ag —Cu基(S卩，無鉛)焊料合金及其具有改進的降落沖擊可靠性的焊縫。公開的Sn—Ag一Cu基焊料合金優選地包括0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑中的至少一種:Mn的量是0.001-1.0wt.%、Ce的量是0.001-0.8wt.%、Y的量是 0.001-1.0wt.%、Ti 的量是 0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。
[0041]與由已經被推薦并在工業中普遍使用的傳統的Sn — Ag — Cu焊料合金制成的那些焊縫相比，由上述無鉛焊料合金制成的焊縫具有較高的耐降落沖擊性能。
[0042]公開的Sn — Ag — Cu基焊料合金尤其適合于，但不限于，生成焊料凸塊例如在焊球網格陣列(BGA)封裝中的那些，其尤其當用于移動和便攜式電子產品時需要高降落沖擊可靠性。
[0043]參見圖1，示出了表示由根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金形成的回流焊縫的比較的耐降落沖擊性能數據的表。根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金包括Sn—Ag — Cu基焊料合金，其包含0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑中的至少一種=Mn的量是0.001-1.0wt.%，Ce的量是0.001-0.8wt.%，Y的量是0.001-1.0wt.%，Ti 的量是 0.001-0.8wt.%，以及 Bi 的量是 0.01-1.0wt.%，并且余量是 Sn。對照焊料合金包括 Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu 和 63Sn37Pb 焊料。如圖1的表中所示，根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金表現出優越的耐降落沖擊性能。
[0044]參見圖2，示出了表示根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金的比較的熔化行為的表。根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金包括Sn — Ag—Cu基焊料合金，其包含0.0-4.0wt.%的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、以下添加劑中的至少一種:Mn 的量是 0.001-1.0wt.%、Ce 的量是 0.001-0.8wt.%、Y 的量是 0.001-1.0wt.%、Ti 的量是0.001-0.8wt.%，以及Bi的量是0.01-1.0wt.%，并且余量是Sn。對照焊料合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn_l.0Ag-0.5Cu 和 63Sn37Pb 焊料。焊料合金的熔化溫度范圍用差示掃描量熱法(DSC)進行測量。用于DSC的樣品的質量為大約5-15mg，并且掃描速度是10°c/min。對于每種焊料合金,樣品被掃描兩次。樣品進行第一次掃描從環境溫度升至350°C，然后自然冷卻至環境溫度，然后再次掃描升至350°C。第二次掃描熱圖像被用于呈現合金的熔化行為。如圖2的表中所示，根據本公開加入少量的添加劑對于相應的Sn—Ag — Cu焊料合金的熔化行為具有可忽略的影響。因此，根據本公開焊料合金的使用與傳統的Sn—Ag一Cu焊料合金的使用條件一致。
[0045]焊縫的耐降落沖擊性能使用如圖5中示出的降落試驗機進行評估。降落試驗使用如圖4中所示的模擬的BGA組件來進行。模擬的BGA組件包括BGA試樣和印刷的電路板(PCB)襯底。BGA試樣，如圖4中示出的，包括40mmX40mm襯底，有3X3列分布的電鍍Nickel/Gold(Ni/Au)墊(2mm直徑)。PCB襯底，如圖4中示出的，是80mmX80mm襯底，有相應的3X3列分布的電鍍Nickel/GolcKNi/Au)墊(2mm直徑)以及在襯底的拐角處用于將所得的模擬的BGA組件用四個固定螺栓安裝到鋼降落塊(見圖5)上的4個鉆的孔(6mm直徑)。
[0046]焊縫在BGA試樣上3X3列分布的電鍍Nickel/Gold (Ni/Au)墊和PCB襯底的相應的墊之間形成。在模擬的BGA組件中的每一個焊縫由大約50mg的焊料合金制成。為了生產模擬的BGA組件，利用免洗助焊劑將給定合金的焊料球體首先安裝到PCB襯底上，并使用峰值溫度為240°C的回流曲線進行回流。該凸起的PCB襯底然后被安裝到BGA試樣，在它的墊上其被預先印刷有相同的免洗助焊劑并用相同的曲線回流。
[0047]將模擬的BGA組件用四個固定螺栓安裝到鋼降落塊上(見圖5)。PCB襯底和鋼降落塊之間的間隙是5_。通過沿著兩個導桿提升鋼降落塊到一定高度并且然后釋放該降落塊并且允許它沿著導桿自由降落直到碰撞鋼底座，產生強的降落沖擊并施加給模擬的BGA組件(見圖5)。降落沖擊導致模擬的BGA組件中的PCB襯底在四個固定螺栓上震動，并且該震動在模擬的BGA組件中的焊縫內又產生降落沖擊。降落試驗使用的高度大多是0.5米，但是在對于具有較高Ag含量的焊料合金的一些情況下，也使用減小的高度0.25米。在回流的條件下以及在150°C下熱老化四周之后在模擬的BGA組件上進行降落試驗。對于每一個測試條件，使用10個模擬的BGA組件。降落以破壞(即，組件的分離)的次數被用作用于比較焊縫的耐降落沖擊性能的基礎。降落以破壞的次數越高，焊縫的耐降落沖擊性能越高。另外，試驗中使用的降落高度越大，測試中產生的降落沖擊的強度越高。
[0048]回流條件下的根據本公開的實施方式配制的焊料合金和對照合金的降落試驗結果在圖1 的表中示出。傳統的 Sn-3.8Ag-0.7Cu(SAC387)和 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)合金在破壞前僅僅分別經得起平均1.1和1.2次降落。傳統的Sn-1.0Ag-0.5Cu(SAC105)合金表現出5.1的平均降落數，并且因此明顯好于SAC387和SAC305。如圖1的表中所示，根據本公開的實施方式配制的焊料合金N0.1到N0.13都表現出比SAC105優越的降落試驗性能。在根據本公開的實施方式配制的焊料合金中的摻雜劑的含量也顯著影響降落試驗性能。例如，在錳(Mn)摻雜劑(例如，實例焊料合金N0.1到N0.4)的情況中，降落試驗性能隨著Mn含量增大而改進，在0.13wt.%的Mn含量處達到了 35.4的最大平均值，并且然后隨著Mn含量的進一步增加而降低。
[0049]參見圖6,示出了表示Ag含量對根據本公開的實施方式配制的Sn—Ag一Cu一Mn焊料合金和對照焊料合金的回流焊縫的降落沖擊性能的比較的影響的圖表。因此，圖6示出了回流條件的Mn摻雜劑對具有各種Ag含量水平的焊縫的降落試驗性能的影響。在圖6的圖表中，每一條垂直線的下端表示最小降落次數，并且每一條垂直線的上端表示最大降落次數，而每一個方框代表兩次的標準偏差，對于每一種焊料合金，平均降落次數在方框的中心。在Mn摻雜劑含量是大約0.13wt.%處，對于Ag含量水平是0.0、1.1,1.76,2.59和3.09wt.%的焊料合金，平均降落次數分別是23.0、35.4、12.1、6.0和2.4。除了具有
3.09wt.%Ag的焊料合金之外，所有具有較低Ag含量水平的其他焊料合金表現平均值大于SAC105 (平均值5.1)的平均值，更不必說SAC305 (平均值1.2)和SAC387 (平均值1.1)。具有組成Snl.1Ag0.64Cu0.13Mn的實例焊料合金N0.2的降落試驗性能甚至比63Sn37Pb焊料合金更好。對于Sn—Ag — Cu (SAC)焊料合金，雖然較低的Ag含量通常導致較好的降落試驗性能，但是Mn摻雜劑的使用實質上比SAC105的降落試驗性能提升了 2.6wt.%Ag合金的降落試驗性能。
[0050]參見圖3，示出了表示由根據本公開的實施方式配制的實例焊料合金和對照焊料合金形成的回流焊縫在150°C下熱老化四周之后的比較的耐降落沖擊性能數據的表。對比如圖1中所示的回流條件的數據和如圖3中所示的熱老化條件的數據，披露了盡管在熱老化之后63Sn37Pb低共熔合金的平均降落次數大大減少從28.5降低到4.0，但是除了焊料合金N0.6和N0.13(見圖7)之外根據本公開的實施方式配制的焊料合金通常在熱老化之后表現較高的平均降落次數。以熱老化改進耐降落沖擊性能是由根據本公開的實施方式配制的焊料合金制成的焊縫的可靠性的良好指示。
[0051]基于上面提到的數據，根據本公開的實施方式配制的焊料合金表現了優異的耐降落沖擊性能，并且優于傳統的SnAgCu焊料(例如SAC305和SAC105)的耐降落沖擊性能。實際上，一些根據本公開的實施方式配制的焊料合金具有甚至比SnPb低共熔合金更好的耐降落沖擊性能。由根據本公開的實施方式配制的焊料合金制成的焊料凸塊或焊縫具有優于傳統的焊料合金的性能。例如，當根據本公開的實施方式配制的焊料合金被用作焊膏中的焊球和/或焊粉以連接BGA或CSP封裝到PCB時，由此形成的焊縫當組件在海運、操作或使用中經受降落沖擊載荷時不容易由于從PCB或從封裝分離而損壞。結果，因為使用根據本公開的實施方式配制的焊料合金，電子設備的可靠性可被大大改進。
[0052]進一步地，公開了具有優越的降落沖擊可靠性的Sn-Ag-Cu-基無鉛焊料合金及其焊縫。
[0053]進一步的焊料合金基本上由以下組成:大于Owt.%且小于或等于大約1.5wt.%的量的Ag、0.7-2.0wt.%的Cu、0.001-0.2wt.%的Mn，并且余量是Sn。優選的合金組成包括大約0.5wt.%的Ag、大約1.0wt.%的Cu、大約0.05wt.%的Mn,并且余量是Sn。
[0054]與由被認為是當前最抗沖擊的SnAgCu合金并且在工業中廣泛應用的SAC105 (Sn-1.0Ag-0.5Cu, wt.%)合金制成的那些焊縫相比，由上述無鉛焊料合金制成的焊縫具有較高的耐降落沖擊性能。
[0055]公開的焊料合金尤其適合于，但不限于生產焊縫，以焊球、焊粉或焊膏(焊粉和助焊劑的混合物)的形式，例如在需要高的降落沖擊可靠性的BGA/CSP組件中的那些，尤其是當用于移動和便攜式電子產品中時。
[0056]使用降落試驗機評估焊縫的耐降落沖擊性能。按照以下描述的步驟進行降落試驗。為了生產BGA部件，將給定合金的直徑是0.254mm的焊料球體首先使用水溶性助焊劑安裝到連接盤網格陣列(Land Grid Array) (LGA)襯底上并且然后使用峰值溫度為235_240°C的回流曲線回流。在用水洗清除助焊劑殘留物并且在100°C下氮氣烘烤I小時后，然后將該凸起的BGA封裝安裝到在墊上預先印刷有4型SAC305焊膏的PCB測試板上并使用峰值溫度為235-240°C的回流曲線回流。將完成的BGA組件通過降落試驗機中的螺栓安裝并且固定到鋼降落塊上。通過沿著兩個導桿提升降落塊到一定高度(在本測試條件下為I米)并且然后釋放該降落塊并允許其沿著導桿自由降落直到其碰撞鋼底座，產生強的沖擊并且施加給BGA組件。降落以破壞——S卩，BGA封裝與PCB完全分離——的次數用于比較焊縫的耐降落沖擊性能。降落次數越高，焊縫的耐降落沖擊性能越高。
[0057]根據本公開的焊料合金的實例和工業標準SAC105焊料合金的測試結果如圖8中所示。如這些結果表明的，在焊料n0.16和25之間Ag從1.0%到0.5%的下降不會顯著影響降落試驗性能。在焊料n0.25和26之間Cu含量從0.5%到1%的增加導致降落以破壞的平均次數大于8X的提高。
[0058]在焊料n0.25和27之間的Mn0.05%的增加導致相對于焊料26大于50%的提高以及相對于工業標準SAC105(焊料n0.16)大于13X的提高。為焊料n0.27列出的降落試驗結果是具有標稱組成是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn的焊料的結果，提供該結果的測量的組成是Sn0.5Ag0.91Cu0.04Mn(圖9的合金n0.27a)。同樣地，對照合金n0.16的測量的組成被列為圖9中的合金Cl ;對照合金n0.25的測量的組成被列為合金C2 ;并且對照合金n0.26的測量的組成被列為合金C3。此外，在關于圖8描述的相同的條件下再次試驗合金27a。如圖9中闡述的，第二試驗示出了降落以破壞的平均值是58.2，這與第一試驗非常相似。具有標稱組成是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn的第二具體合金組成、具有測量的組成是Sn0.56Agl.05Cu0.06Mn的第二具體合金組成在這些條件下進行試驗(合金n0.27b)。合金27b具有類似的降落試驗結果，降落以破壞的平均值62.2。
[0059]圖10圖解了對具有標稱組成是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn的合金的進一步的試驗結果。圖10的表中的每一種合金在以上關于圖8描述的類似條件下進行試驗。然而，在圖10的測試中，PCB測試板不被在墊上預先印刷有4型SAC305焊膏。而是，PCB測試板僅僅印制有助焊劑。測量的合金27a-c相對于傳統的SAC105合金Cl顯示出了在6X和9.5X之間的提聞。
[0060]圖11中圖解的表提供了組成大約是Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn制備的其他合金組成。在這些組成中，Ag的范圍從0.47wt.%到0.56wt.%, Cu的范圍從0.80wt.%到1.1wt.%,并且Mn的范圍從0.03wt.%到0.08wt.%。也提供了這些合金的固相線和液相線溫度，圖解了焊料具有熔化溫度近似于傳統的SAC合金并且適于無鉛電子應用。
[0061]圖12是合金27b的實例差示掃描量熱分析(DSC)熱圖像。DSC熱圖像示出了合金的熔化溫度范圍從217.71°C的固相線到226.59°C的液相線。該范圍類似于SAC105并且圖解了標稱焊料Sn0.5Agl.0Cu0.05Mn和在本文所述的范圍內的類似焊料是SAC焊料例如SAC105的適合的替代物。
[0062]圖8-11中所述類型的進一步Mn摻雜的SAC焊料合金可表征為具有大于Owt.%且小于或等于大約1.5wt.%的Ag,0.7-2.0wt.%的Cu,0.001-0.2wt.%的Mn，并且余量是Sn。沒有Ag含量的焊料合金也包含在圖8所述類型的焊料合金中。具體的子范圍具有在大約0.3wt.%和大約0.7wt.%之間的Ag、在大約0.7wt%和大約1.2wt.%之間的Cu、大約
0.0lwt.%和大約0.09wt.%的Mn,以及余量的Sn。
[0063]在沒有任何Ag的焊料合金中，合金傾向于柔軟，具有較低的熱疲勞性能。降落試驗性能取決于延展性和韌性的結合。通過放棄Ag軟化合金可導致較低的韌性，并且因此較低的降落試驗性能。然而，在一些情況中，沒有Ag但是具有公開范圍內的Cu和Mn的合金對于所需的應用可具有足夠的熱疲勞和降落試驗性能。如果Ag量大于1.5wt.%，則合金變得更硬和更剛性，因為在大塊焊料合金中增加的Ag3Sn金屬間顆粒。高剛度和硬度將損害合金的降落試驗性能。在一些非平衡條件下，盤狀的金屬間結構可在鄰近焊縫金屬間層的大塊焊料合金中形成。然而，這樣的盤狀金屬間結構通常形成超過2.6wt.%。避免低Ag量的軟化和較高Ag量的剛度的一個具體的Ag的子范圍是在大約0.3wt.%和大約1.5wt.%之間的Ag。
[0064]如果Cu量低于0.7wt.%，那么焊料和Ni襯底之間的金屬間層散裂為焊縫的大塊焊料可能會發生。金屬間化合物的散裂被很多因素影響，例如襯底、回流工藝參數和具體的焊料組成。然而，在Cu大于大約0.7wt.%的合金中，減少或避免散裂。在Cu大于大約
2.0wt.%時，過量的Cu6Sn5金屬間顆粒在大塊焊料材料中形成。這樣通過提高焊縫的硬度和剛度減小了焊縫的柔度。具體而言，1.5wt.%可以是Cu量的優選的上限以避免過量Cu的影響。在大約0.7wt.%和1.5wt.%之間的Cu含量幫助降低在襯底和大塊焊料之間的金屬間層(“MC層”)厚度。這些焊料合金的降落試驗性能隨著MC層厚度的減小而提高。避免太多或太少的Cu的影響以及提供IMC層厚度的有益的減小的具體的Cu的子范圍是在大約0.7wt.%和大約1.2wt.%之間的Cu。
[0065]如果將Mn量增加高于大約0.2wt.%，則焊料的氧化趨勢變得有害，這可不利地影響焊料的濕潤性。然而，即使非常少的量，例如0.0Olwt.%的Mn可有益地影響焊料的降落試驗性能。對降落試驗性能提供有益的影響而沒有不利的氧化趨勢的具體的Mn的子范圍是在大約0.0lwt.%和大約0.09wt.%之間的Mn。
[0066]圖13A圖解了在回流前裝配到PCB的實例BGA封裝，并且圖13B圖解了回流后結合到PCB的實例BGA封裝。在BGA封裝中，焊球105具有根據本公開的組成。用在它們之間形成的MC層104將焊球105結合到接觸墊103。在圖13A中，使用預先印刷有焊膏106的接觸墊107將BGA封裝102放置在PCBlOl上。焊膏106是助焊劑和具有根據本公開的組成的焊粉的混合物。在可選的實施方式中，只有焊球105或焊膏106的其中之一可具有根據本公開的組成。在這種實施方式中，焊球105或焊膏106中的另一個可由任何其他焊料組成構成，例如傳統的SAC焊料。[0067]BGA襯底102和PCBlOl 二者都可包含任何傳統的接觸墊103、107用于焊接。例如，它們可包括具有或沒有有機可焊性防腐劑(OSP)的銅接觸墊、電解Nickel/Gold (Ni/Au)接觸墊、ENIG接觸墊、浸Ag接觸墊、浸Sn接觸墊，或任何其他接觸墊。在一些情況下，PCB墊107可為僅用助焊劑或用其他焊膏預先印制的，例如傳統的SAC焊膏。
[0068]在回流焊接之后，將BGA封裝102結合到PCB101。BGA焊縫110包括大塊焊料區域108，在部件側的墊103和大塊焊料108之間的MC層104’，和在PCB側的墊107和大塊焊料108之間的第二 MC層109。
[0069]雖然以上就各種示例性實施方式和實施而言描述了本發明，但是應當理解在一個或更多的單個實施方式中描述的各個特征、方面和功能不限于其適用于描述它們的具體的實施方式，而是可被單獨地或以各種組合應用于本發明的一個或更多的其他實施方式，不論這樣的實施方式是否被描述，并且不論這樣的特征是否呈現為描述的實施方式的一部分。因此，本發明的寬度和范圍不應被任何上述的示例性實施方式所限制。
[0070]當術語“大約”連同量一起使用時指的是包含該量的標準制造公差。
[0071]本文中使用的術語和詞組，及其變型，除非另外明確說明，應該被認為開放式的，與限制性的相反。作為上述的實例:術語“包括”應當被理解為意思是“包括，但不限于”諸如此類；術語“實例”用于提供討論的項目的示例性的例子，不是其窮盡的或限制性的列舉；術語“一(a)”或“一個(an)”應當理解為意思是“至少一個” “一個或更多”諸如此類。力口寬的詞和短語例如“一個或更多”，“至少”，“但不限于”或其他類似短語的存在在一些情況下不應當被理解為意思是在這種加寬的短語可能不存在的實例中較窄情況是期望的或需要的。同樣地，在本文指對本領域普通技術人員來說是明顯的或已知的技術的情況下，這些技術包含在現在或將來任何時間對本領域技術人員明顯的或已知的那些。
【權利要求】
1.一種焊料，包括:在大于Owt.%且小于或等于大約1.5wt.%之間的Ag ；在大于或等于大約0.7wt.%且小于或等于大約2.0wt.%之間的Cu ；在大于或等于大約0.001且小于或等于大約0.2wt.%之間的Mn ;和余量的Sn。
2.根據權利要求1所述的焊料，進一步包括:在大于Owt.%且小于或等于大約1.2wt.%之間的Ag ；在大于或等于大約0.7wt.%且小于或等于大約1.5wt.%之間的Cu ；在大于或等于大約0.001且小于或等于大約0.2wt.%之間的Mn ;和余量的Sn。
3.根據權利要求1所述的焊料，進一步包括:在大于或等于大約0.3wt.%且小于或等于大約0.7wt.%之間的Ag ；在大于或等于大約0.7wt.%且小于或等于大約1.2wt.%之間的Cu ；在大于或等于大約0.01且小于或等于大約0.09wt.%之間的Mn ;和余量的Sn。
4.根據權利要求1所述的焊料，進一步包括:在大于或等于大約0.47wt.%且小于或等于大約0.56wt.%之間的Ag ；在大于或等于大約0.8wt.%且小于或等于大約1.1wt.%之間的Cu ；在大于或等于大約0.03且小于或等于大約0.08wt.%之間的Mn ;和余量的Sn。
5.根據權利要求1所述的焊料，包括:大約 0.5wt.% 的 Ag ；大約 1.0wt.% 的 Cu ；大約0.05wt.%的Mn ;和余量的Sn。
6.根據權利要求5所述的焊料，基本上由以下組成:大約 0.5wt.% 的 Ag ；大約 1.0wt.% 的 Cu ；大約0.05wt.%的Mn ;和余量的Sn。
7.根據權利要求6所述的焊料，由以下組成:大約 0.5wt.% 的 Ag ；大約 1.0wt.% 的 Cu ；大約0.05wt.%的Mn ;和余量的Sn。
8.根據權利要求1所述的焊料，包括:大約 0.5wt.% 的 Ag ；大約 1.0wt.% 的 Cu ； 在大約0.03wt.%和大約0.08wt.%之間的Mn ;和余量的Sn。
9.根據權利要求1所述的焊料，其中所述焊料為焊球的形式。
10.根據權利要求1所述的焊料，其中所述焊料為焊膏的形式，且進一步包括助焊劑。
11.根據權利要求1所述的焊料，其中所述焊料為焊粉的形式。
12.根據權利要求1所述的焊料，其中所述焊料為焊縫的形式。
13.根據權利要求12所述的焊料，其中所述焊縫被安置在移動器件中。
14.一種焊料，包括:在Owt.%且小于或等于大約0.7wt.%之間的Ag ；在大于或等于大約0.7wt.%且小于或等于大約1.2wt.%之間的Cu ； 在大于或等于大約0.01且小于或等于大約0.09wt.%之間的Mn ;和余量的Sn。
【文檔編號】H05K3/34GK103906596SQ201280048936
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年10月1日 優先權日:2011年10月4日
【發明者】W·劉, N-C·李 申請人:銦泰公司