[发明专利]用于焊接的低温高可靠性锡合金

说明书

本发明整体上涉及冶金领域并且涉及合金，并且特别是无铅且无锑的焊料合金。该合金特别地但是不唯一地适合用于电子焊接应用例如波峰焊、表面安装技术、热空气平整(leveling)和球栅阵列、平面栅格阵列、底部终端封装、LED和芯片级封装。

波峰焊(或流动焊接)是批量焊接电子组件的广泛使用的方法。可以使用它例如用于通孔电路板，其中使该板在熔融焊料波上方通过，该波拍打该板的底部以润湿待接合的金属表面。另一种焊接技术包括在印刷电路板上的焊接区上印刷焊料膏然后放置并使整个组件经过回流炉。在回流工艺过程中，该焊料熔化并且润湿元件以及板上的焊接表面。另一种焊接工艺包括将印刷的接线板浸渍至熔融焊料中以便用可焊接的保护层涂覆铜终端。这种工艺称为热空气平整。典型地用焊料球在两个基材之间组装球栅阵列接头或芯片级封装。使用这些接头的阵列来将芯片安装至电路板上。

随着无铅焊接材料的使用变得普遍，由于环境指令或者来自最终使用者的压力，对于这样的材料的应用范围也变得普遍。高Ag焊料合金(例如SnAg3.0Cu0.5)具有优异的机械性质和良好的热可靠性的优势。然而，这样的合金的熔点是约217-221℃。这种较高的熔点要求约240-250℃的回流温度，其在某些情况下对印刷电路板(PCB)和电子元件可为有害的。

存在对于具有比常规的高银合金的熔点低的熔点但是有相似的或更有利的机械性质和热性质的无铅焊料合金的需求。

本发明旨在解决至少一些与现有技术有关的问题或提供商业可接受的替代。

因此，在第一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含：

(a)从1至4重量％银

(b)从0.5至6重量％铋

(c)从3.55％至15重量％铟

(d)3重量％或更少的铜

(e)任选地下列元素中的一种或多种：

0至1重量％镍

0至1重量％的钛

0至1重量％锰

0至1重量％的稀土，例如铈

0至1重量％的铬

0至1重量％锗

0至1重量％的镓

0至1重量％的钴

0至1重量％的铁

0至1重量％的铝

0至1重量％的磷

0至1重量％的金

0至1重量％的碲

0至1重量％的硒

0至1重量％的钙

0至1重量％的钒

0至1重量％的钼

0至1重量％的铂

0至1重量％的镁

(f)余量为锡连同任何不可避免的杂质。

现在将进一步描述本发明。在下列段落中更详细地限定本发明的不同方面。除非明确相反地指出，可以将如此限定的每个方面与任何其他一个或多个方面组合。特别地，作为优选的或有利的而指出的任何特征可以与作为优选的或有利的而指出的任何其他一个或多个特征组合。

这里使用的术语“焊料合金”涵盖熔点在从90至400℃的范围内的易熔金属合金。

这里描述的合金展现改进的高温可靠性并且能够承受住典型地至少125℃的操作温度。

该合金具有相对低的熔点，更具体是低液相线温度，典型地215℃或更低、更典型地小于210℃、甚至更典型地小于205℃的液相线温度。这使得能够在低温回流工艺(例如在从210至230℃下的回流工艺)中使用该合金。与常规的回流工艺相比，这样的低温回流工艺可以较少可能导致对焊料元件的损坏。

该合金可以有利地在单个板上采用多个回流工艺的焊接方法中使用。例如在第一回流工艺中，使用标准合金(例如SnAg3.0Cu0.5)可将能够忍受较高回流温度的全部电子元件焊接至板。在第二回流工艺中，可使用本发明的合金来加工温度敏感元件。

该合金可以展现改进的机械性质和机械可靠性。该机械性质、机械可靠性和热可靠性可以与常规的高银焊料合金例如SnAg3.0Cu0.5的机械性质、机械可靠性和热可靠性相似或更有利。

该合金可以展现改进的热冲击性能。例如，该合金经受得住在每个温度下10分钟的停留时间的从-40℃至+125℃的超过2000次循环的IPC-9701热循环试验。

该合金是无铅的且无锑的，其意味着没有有意地添加铅或锑。因此，铅和锑的含量为零或处于不大于偶存杂质水平。