[发明专利]包括Sn、Bi和Mn、Sb、Cu中的至少一种的无铅焊料合金及其用于将电子元件焊接至基板的用途

说明书

焊料合金包括38.0wt％‑42.0wt％铋(Bi)、0.01wt％‑2wt％的选自锰(Mn)、锑(Sb)和铜(Cu)的组的至少一种另外的元素，余量为锡(Sn)，并且至少大体上不含镍(Ni)，并且还优选地大体上不含银(Ag)。焊料合金可以与不含卤化物的焊料助焊剂组合以构成焊膏、焊料池或焊丝。焊膏例如用于焊接电子元件封装例如四方扁平无引线(QFN)封装，或用于焊接表面安装器件(SMD)，导致低的空隙形成。焊料合金还可以通过波峰焊接或选择性焊接来应用。

发明领域

本发明涉及无铅的锡-铋焊料组合物(lead free tin-bismuth soldercomposition)。

本发明还涉及这样的无铅的锡-铋焊料组合物用于将电子元件封装(electroniccomponent package)焊接至基板上的用途，该电子元件封装设置有多个触点(contact)和暴露的管芯焊盘(die pad)，所述触点和所述管芯焊盘被焊接至基板上的相关触点。

发明背景

传统上，焊料组合物基于共熔铅-锡合金，该共熔铅-锡合金具有约180℃的熔点。已知该组合物具有良好的粘合性质。然而，由于铅的毒性，不再允许使用该焊料组合物。在过去的20年中，锡基焊料已经成为用于微电子学中焊接的标准材料。更具体地，该锡基焊料是锡(Sn)、银(Ag)和铜(Cu)的合金，也被称为SAC焊料。典型地，锡的含量超过95wt％。一种熟知的合金是SAC305，具有3wt％Ag，0.5％Cu，并且余量为锡。然而，SAC焊料的缺点是典型地在217℃-227℃的范围内的熔点。较高的熔点要求回流工艺(即，其中焊料熔化并且形成与基板的连接的操作)必须在相对高的温度发生，这增加了由于热疲劳以及其他引起的故障的风险。

焊料的可选择的类型基于锡-铋(以下也称为SnBi)。基于此的商业上可获得的焊料合金包括Sn42Bi58和Sn42Bi57Ag1，其中数字表示各自元素的重量百分比。这些焊料合金是低熔点的，典型地约140℃，但当与SAC焊料合金相比时更脆。对锡-铋合金的研究在20世纪90年代早期进行。Felton等人，‘The properties of tin-bismuth alloy solders’，Journal of Minerals，Metals&Materials Society(JOM)，45(1993)，28-32，公开了三元锡-铋合金，该三元锡-铋合金含有1.0wt％的量的铜(Cu)、锌(Zn)或锑(Sb)作为三元合金元素，适用于Sn42Bi58合金和Sn60Bi40合金。基于测试基板的润湿区域(wetting area)，作者观察到用于Sn-Bi合金的平均润湿区域比用于传统Sn-Pb合金的平均润湿区域更差。结论是，三元元素可以在老化期间产生粗化，并且由此改进焊料的一些机械行为。EP0629467公开了Sn-Bi合金，该Sn-Bi合金具有42wt％-50wt％Sn、46wt％-56wt％Bi以及1wt％-2wt％Ag、2wt％-4wt％Cu和1wt％-2wt％In中的至少一种。

然而，20世纪90年代的该发展路线被放弃，转而支持SAC焊料。因此，一个原因在于铋本身是脆性元素，并且Sn-Bi焊料合金也是脆性的。即使当Bi合金的Bi含量减少至少于58％时，Bi合金也会变脆，因为Bi在Sn中偏析。通过使用Sn-Bi焊料合金焊接的焊料接头(solder joint)可能产生裂纹，因为当任何相当大的应力被添加到该焊料接头上时该焊料接头的脆性，使得该焊料接头的机械强度可能劣化。此外，为了应对电子设备(electronics)的微型化，典型的焊接区域已经随着时间而减小，并且必须使用焊料焊盘之间更窄的间距(pitch)。结果，使用了更少的焊料，这进一步增加了Sn-Bi合金的机械强度劣化的风险。