焊料合金

摘要

本发明提供一种可在高温区使用的下述新的无铅焊料合金。本发明的焊料合金含有Sn、Bi及Cu，Sn含量为1.9～4.3质量％，Cu含量为1.9～4.5质量％，剩余部分为Bi及不可避免的杂质，Sn含量与Cu含量满足下式：Cu含量(质量％)≤1.50×Sn含量(质量％)－1.00，Cu含量(质量％)≥1.45×Sn含量(质量％)－1.63。

权利要求

1.一种焊料合金，其含有Sn、Bi及Cu，Sn含量为1.9～4.3质量百分比，Cu含量为1.9～4.5质量百分比，剩余部分为Bi及不可避免的杂质，Sn含量与Cu含量满足下式：Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.00；

Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.63。

2.如权利要求1所述的焊料合金，其中，Bi含量为91.2～96.2质量百分比。

3.如权利要求1所述的焊料合金，其中，固相线温度为235℃以上。

4.如权利要求1所述的焊料合金，其中，液相线温度为272℃以下。

5.如权利要求1所述的焊料合金，其中，下式：[液相线温度]－[固相线温度]的值为33℃以下。

6.如权利要求1所述的焊料合金，其中，1次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。

7.如权利要求1所述的焊料合金，其中，3次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。

8.如权利要求1所述的焊料合金，其中，在250℃高温保持1000小时后的接合强度为

40MPa以上。

9.如权利要求1至8中任一项所述的焊料合金，其中，焊料合金的形状为粉状、球状或片状。

10.一种电子零件的内部接合焊料接头，其由权利要求1至8中任一项所述的焊料合金焊接而成。

11.一种功率电晶体的焊料接头，其由权利要求1至8中任一项所述的焊料合金焊接而成。

12.一种功率装置，其具有权利要求10或11所述的焊料接头。

说明书

焊料合金

技术领域

[0001] 本发明涉及一种焊料合金。

背景技术

[0002] 出于环境方面的考虑，推荐使用不含铅的焊料合金。焊料合金根据其组成，适宜作为焊料使用的温度区会有所变化。

[0003] 功率装置作为电力转换用元件用于油电混合车、送变电等广泛领域。现有可利用Si晶片的装置因应，但在要求高耐压、大电流用途、高速作动的领域中，带隙大于Si的SiC、
GaN等近年来受到了关注。

[0004] 在现有的功率模组中，作动温度最多为170℃左右，但认为在下一代型SiC、GaN等中可能成为200℃或200℃以上的温度区。伴随于此，对于搭载有这些晶片的模组所使用的
各材料要求耐热性及散热性。

[0005] 关于接合材料，就无Pb的观点而言，优选为Sn－3.0Ag－0.5Cu焊料，但在下一代型模组中作动温度可能超过200℃，因此与熔点为220℃附近的Sn－3.0Ag－0.5Cu焊料相比，
进一步要求耐热性。具体而言，就散热器的冷却及发动机周围的温度的容许性而言，谋求优
选为具有250℃以上的熔点的焊料。再者，焊料的组成若无特别说明，则以质量百分比表示，
上述Sn－3.0Ag－0.5Cu为Ag：3.0质量百分比、Cu：0.5质量百分比、剩余部分Sn的组成。虽并
非为RoHS的限制对象，但若为就环境限制的观点而言欠佳的Pb焊料(Pb－5Sn)，则可适应下
一代型模组的作动温度。与Pb焊料同样地使用Au系焊料(Au－Ge、Au－Si、Au－Sn)作为耐热
焊料(非专利文献1～3)。作为廉价的焊料，已知有Sn基焊料(专利文献1、2)。

[0006] 因此，近年来，金属细粉膏作为下一代型模组的接合材料而受到了关注。由于金属粉的尺寸小，故而表面能量高，在远低于该金属的熔点的温度会开始烧结。并且，与焊料不
同，一旦进行烧结，若不升温至该金属的熔点附近，则不会进行再熔融。利用此种特性，以Ag
细粉膏进行开发(专利文献3)。

[0007] Pb－5Sn焊料作为下一代型功率模组的接合材料的功能虽然足够，但含有铅，就将来的环境限制的观点而言亦较理想为不使用。又，Au系焊料就功能、环境方面而言作为接合
材料较为理想，但存在材料价格的问题。Sn基焊料的熔点低，例如于250℃的高温环境下有
使接合强度降低的忧虑。又，Ag细粉膏视条件可对接合层赋予足够的接合强度、耐热性，但
存在材料价格的问题。

[0008] 专利文献4的焊膏，虽设计成混合有组成不同的多种粉末，在其熔融后成为合金，但因此而需要进行超过各粉末的熔点的加热，例如若使用Cu粉，如果不加热至Cu的熔点
1084.6℃以上，则无法期望完全熔融，而担忧依存于焊接时加热操作的不均匀性。

[0009] 背景技术文献

[0010] 专利文献

[0011] 专利文献1：日本特开平9－271981号公报

[0012] 专利文献2：日本特开2000－141079号公报

[0013] 专利文献3：国际公开WO2011/155055号

[0014] 专利文献4：国际公开W02007/055308号。

[0015] 非专利文献

[0016] 非专利文献1：P.Alexandrov,W.Wright,M.Pan,M.Weiner,L.Jiao and J.H.Zhao,Solid－State Electron.,47(2003)p.263.

[0017] 非专利文献2：R.W.Johnson and L.Williams,Mater.Sci.Forum 483－485(2005)p.785.

[0018] 非专利文献3：S.Tanimoto,K.Matsui,Y.Murakami,H.Yamaguchi and H.Okumura,Proceedings of IMAPS HiTEC 2010(May 11－13,2010,Albuquerque,New Mexico,USA),
p32－39.

发明内容

[0019] [发明所欲解决的问题]

[0020] 因此，谋求如下焊料合金：即便在下一代型功率模组的接合材料所要求的高温区、例如超过250℃的温度区，亦具有优异的特性。

[0021] 因此，本发明的目的在于提供一种不添加含有铅，可在高温区使用的新的焊料合金。

[0022] [用以解决问题的手段]

[0023] 本发明人进行潜心研究后，结果发现通过下述Bi基焊料合金，可达成上述目的，从而完成了本发明。

[0024] 由此，本发明包含下述(1)。

[0025] (1)

[0026] 一种焊料合金，其含有Sn、Bi及Cu，

[0027] Sn含量为1.9～4.3质量百分比，Cu含量为1.9～4.5质量百分比，剩余部分为Bi及不可避免的杂质，Sn含量与Cu含量满足下式：

[0028] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.00

[0029] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.63。

[0030] 发明的效果

[0031] 根据本发明，可获得一种焊料合金，其不添加含有铅，即便在下一代型功率模组的接合材料所要求的高温区、例如超过250℃的温度区，亦具有优异的特性。

附图说明

[0032] 图1为图示本发明实施例所满足的式的范围的说明图。

具体实施方式

[0033] 以下，列举实施态样对本发明详细地进行说明。本发明并不限定于以下所列举的具体的实施态样。

[0034] [焊料合金]

[0035] 本发明的焊料合金为如下焊料合金：含有Sn、Bi及Cu，Sn含量为1.9～4.3质量百分比，Cu含量为1.9～4.5质量百分比，剩余部分为Bi及不可避免的杂质，Sn含量与Cu含量满足
下式：

[0036] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.00

[0037] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.63。

[0038] 本发明的焊料合金的固相线温度及液相线温度均为高的温度帯，在高温下长时间保持后亦维持足够的接合强度，因此即便于下一代型功率模组的接合材料所要求的高温
区、例如超过250℃的温度区，亦具有优异的特性。在适宜的实施态样中，本发明的焊料合金
由于不存在有意地添加而含有铅的情况，故而就将来的环境限制的观点而言亦有利，且由
于不使用高价的Ag，故而就材料价格的方面而言亦有利。

[0039] 所谓不可避免的杂质是指来自材料或步骤而不可避免地混入的成分，而非有意添加的成分。例如，若成为原料的金属的品位为4N，则不可避免的杂质最多含有0.01质量百分
比。在适宜的实施态样中，本发明的焊料合金为所谓无铅焊料合金，但例如亦可以在由RoHS
指令规定的含铅率1000ppm(0.1质量百分比)以下的范围含有铅作为不可避免的杂质。

[0040] [Bi]

[0041] 含有Bi(铋)作为本发明的焊料合金的主要构成元素。在适宜的实施态样中，Bi相对于焊料合金的含量例如可设为91.2～96.2质量百分比，优选为91.3～95.9质量百分比或
91.3～94.0质量百分比。在适宜的实施态样中，Bi相对于焊料合金的含量例如可设为91.2
质量百分比以上，优选为91.3质量百分比以上，或设为例如96.2质量百分比以下，优选为
95.9质量百分比以下、94.0质量百分比以下。通过设为此种范围，可使250℃1000小时后的
剪切强度为更高范围。

[0042] [Sn]

[0043] Sn相对于焊料合金的含量例如可设为1.9～4.3质量百分比，优选为2.1～4.2质量百分比或3.0～4.2质量百分比。在适宜的实施态样中，Sn相对于焊料合金的含量例如可设
为1.9质量百分比以上，优选为2.1质量百分比以上，进而优选为3.0质量百分比以上，或设
为例如4.3质量百分比以下，优选为4.2质量百分比以下。

[0044] [Cu]

[0045] 在适宜的实施态样中，Cu相对于焊料合金的含量例如可设为1.9～4.5质量百分比的范围，优选为2.0～4.5质量百分比或3.0～4.5质量百分比的范围。在适宜的实施态样中，
Cu相对于焊料合金的含量例如可设为1.9质量百分比以上，优选为2.0质量百分比以上，进
而优选为3.0以上，或设为例如4.5质量百分比以下。即便将Cu浓度设为1.9质量百分比以
上，液相线温度亦不上升，且容易确保250℃1000小时后的剪切强度为40MPa以上。又，若Cu
浓度超过4.50质量百分比，则无法忽视焊料对制造装置的附着，难以进行连续制造。

[0046] [Cu含量与Sn含量的关系]

[0047] 在适宜的实施态样中，Cu含量与Sn含量满足下式：

[0048] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.00

[0049] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.63，

[0050] 在适宜的实施态样中，Cu含量与Sn含量满足下式：

[0051] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.16

[0052] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.50，

[0053] 在进而适宜的实施态样中，Cu含量与Sn含量满足下式：

[0054] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.50

[0055] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.50。

[0056] [固相线温度]

[0057] 固相线温度例如可设为228℃以上或235℃以上。在固相线温度高(例如235℃以上)的焊料合金的情形时，在250℃环境下1000小时后的剪切强度为40MPa以上，因此可在高
温区充分使用。

[0058] [液相线温度]

[0059] 液相线温度例如可设为272℃以下、270℃以下或268℃以下。

[0060] [液相线温度与固相线温度]

[0061] 在适宜的实施态样中，可将下式：[液相线温度]－[固相线温度]的值(固相液相温度差：PR)设为例如33℃以下或24℃以下。

[0062] [适宜的组成]

[0063] 在适宜的实施态样中，焊料合金的组成例如可设为如下。

[0064] 组成为Sn：Bi：Cu＝2.1～4.2质量百分比：91.3～95.9质量百分比：2.0～4.5质量百分比，且满足下式：

[0065] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.16

[0066] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.50，

[0067] 组成为Sn：Bi：Cu＝3.0～4.2质量百分比：91.3～94.0质量百分比：3.0～4.5质量百分比，且满足下式：

[0068] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.50

[0069] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.50。

[0070] [接合强度]

[0071] 焊料合金的接合强度可通过实施例中所记载的手段测定。在适宜的实施态样中，接合强度以1次或3次回焊处理后的剪切强度计，例如以1次回焊处理后的剪切强度计，例如
可设为39MPa以上、43MPa以上或47MPa以上。所谓3次回焊处理后是指进行了实施3次回焊处
理的处理。又，以3次回焊处理后的剪切强度计，例如可设为39MPa以上或47MPa以上，优选为
54MPa以上。在适宜的实施态样中，接合强度以在空气环境下在250℃保持1000小时后所测
得的剪切强度计，例如可设为40MPa以上或43MPa以上，优选为46MPa以上。

[0072] [焊料合金的形状]

[0073] 本发明的焊料合金的形状可适当采用作为焊料使用所需要的形状。可如实施例所记载般制成片状的构件，进而可制成例如线、粉、球、板、棒等形状的构件。焊料合金的形状
优选设为粉体形状、焊料球形状(球状)或片状。焊料球是指例如直径50μm～500μm的球。在
适宜的实施态样中，有时包含粉体及焊料球而称为焊料粉。焊料粉可使用于焊料膏用，在此
情形时，例如可使用粒径未达50μm的焊料粉。

[0074] [适宜的实施态样]

[0075] 在适宜的实施态样中，本发明包含下述(1)及以下。

[0076] (1)

[0077] 一种焊料合金，其含有Sn、Bi及Cu，

[0078] Sn含量为1.9～4.3质量百分比，Cu含量为1.9～4.5质量百分比，剩余部分为Bi及不可避免的杂质，Sn含量与Cu含量满足下式：

[0079] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.00

[0080] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.63。

[0081] (2)

[0082] 如(1)所记载的焊料合金，其中，Bi含量为91.2～96.2质量百分比。

[0083] (3)

[0084] 如(1)至(2)中任一项所记载的焊料合金，其中，固相线温度为235℃以上。

[0085] (4)

[0086] 如(1)至(3)中任一项所记载的焊料合金，其中，液相线温度为272℃以下。

[0087] (5)

[0088] 如(1)至(4)中任一项所记载的焊料合金，其中，

[0089] 下式：[液相线温度]－[固相线温度]的值为33℃以下。

[0090] (6)

[0091] 如(1)至(5)中任一项所记载的焊料合金，其中，1次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。

[0092] (7)

[0093] 如(1)至(6)中任一项所记载的焊料合金，其中，3次回焊处理后的接合强度为39MPa以上。

[0094] (8)

[0095] 如(1)至(7)中任一项所记载的焊料合金，其中，在250℃高温保持1000小时后的接合强度为40MPa以上。

[0096] (9)

[0097] 如(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金，其中，焊料合金的形状为粉状、球状或片状。

[0098] (10)

[0099] 一种构件，其是以(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金作为材料的构件。

[0100] (11)

[0101] 一种电子零件的内部接合焊料接头，其是由(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金焊接而成。

[0102] (12)

[0103] 一种功率电晶体的焊料接头，其是由(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金焊接而成。

[0104] (13)

[0105] 一种印刷电路板，其具有(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金。

[0106] (14)

[0107] 一种电子零件，其具有(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金。

[0108] (15)

[0109] 一种功率电晶体，其具有(1)至(8)中任一项所记载的焊料合金。

[0110] (16)

[0111] 一种电子机器，其具有(11)或(12)所记载的焊料接头或(13)所记载的印刷电路板或(14)所记载的电子零件或(15)所记载的功率电晶体。

[0112] (17)

[0113] 一种功率装置，其具有(11)或(12)所记载的焊料接头。

[0114] 在适宜的实施态样中，本发明包含以上述焊料合金作为材料的构件、由上述焊料合金焊接而成的电子零件的内部接合焊料接头、由上述焊料合金焊接而成的功率电晶体的
焊料接头、具有上述焊料合金的印刷电路板、具有上述焊料合金的电子零件及具有上述焊
料合金的功率电晶体。又，在适宜的实施态样中，本发明包含具有上述焊料接头、印刷电路
板、电子零件、功率电晶体的电子机器，且包含具有上述焊料接头的功率装置。

[0115] [实施例]

[0116] 以下，列举实施例对本发明详细地进行说明。本发明并不限定于以下所例示的实施例。

[0117] [实施例1]

[0118] 向石墨坩埚中投入特定量的Bi、Cu、Sn的晶片原料，将石墨坩埚设置于雾化装置中，且设定为非活性气体环境，保持一定时间直至原料均匀地熔解为止，从而获得熔液。

[0119] 然后，提拉设置于石墨坩埚的底部的塞子，使熔液流入下部。此时向熔液吹送非活性气体，制造焊料粉。

[0120] 准确地称量0.5g焊料粉，使其溶解于酸后，利用ICP发射光谱分析器测定浓度，将其结果记载于表1。

[0121] [固相线温度、液相线温度、熔点的测定]

[0122] 焊料合金的固相线温度(SPT)、液相线温度(LPT)及熔点(MP)的测定依据JIS Z3198－1:2014，通过利用示差扫描热测定(DSC:Differential Scanning Calorimetry)的
方法而实施。将这些结果汇总示于表1。

[0123] [剪切强度的测定(1次或3次回焊处理后)]

[0124] 在Si晶圆的单面，通过溅镀制作Al面(厚度3μm)，进而通过涂布形成聚酰亚胺膜，然后通过曝光显影于聚酰亚胺膜形成直径300μm的开口部的焊垫。

[0125] 进而通过无电电镀，在焊垫部上依次形成Ni层(厚度2.5μm)、Pd层(厚度0.05μm)、Au层(厚度0.02μm)而设置UBM。

[0126] 在UBM上涂布助焊剂，进而在其上搭载直径300μm的焊料粉，进行回焊处理，使其加热接合。回焊处理的条件是在回焊温度290℃×1分钟下进行，仅进行1次或重复3次。

[0127] 然后利用以下条件测定接合强度(剪切强度)。

[0128] 接合强度依据MIL STD－883G测定。安装于负载感测器的工具下降至基板面，装置检测出基板面而停止下降，工具自所检测出的基板面上升至设定的高度，利用工具按压接
合部，计测破坏时的负载。将这些结果汇总示于表1。

[0129] ＜测定条件＞

[0130] 装置：dage公司制造，dage series 4000

[0131] 方法：晶粒剪切测试

[0132] 测试速度：100μm/s

[0133] 测试高度：20.0μm

[0134] 工具移动量：0.9mm

[0135] [剪切强度的测定(高温试验后)]

[0136] 在回焊处理后(1次回焊处理)，作为高温试验，在空气环境下在250℃保持1000小时后，与上述同样地测定剪切强度。将这些结果汇总示于表1。

[0137] [实施例2～6]

[0138] 以与实施例1相同的程序制作焊料粉，利用ICP发射光谱分析器测定浓度，通过示差扫描热测定而测定固相线温度、液相线温度及熔点，进而测定1次回焊处理后、3次回焊处
理后及高温试验后的剪切强度。将这些结果汇总示于表1。

[0139] [比较例1～12]

[0140] 以与实施例1相同的程序制作焊料粉，利用ICP发射光谱分析器测定浓度，通过示差扫描热测定而测定固相线温度、液相线温度及熔点，进而测定1次或3次回焊处理后及高
温试验后的剪切强度。将这些结果汇总示于表1。

[0141] [表1]

[0142]

[0143] [结果]

[0144] 如表1所示，实施例1～6的焊料合金即便在高温试验后(于250℃经过1000小时后)亦维持充分的剪切强度。

[0145] 在表1中，比较例3、6、9、12的已进行3次回焊处理后的剪切强度过低。

[0146] 比较例1、2、5、8、11的固相线温度过低。因此，考虑到不足以作为焊料合金，而不进行剪切强度测定。

[0147] 实施例1若与比较例4相比，则Cu含量为大致同等程度，但Sn含量不同，使得高温试验后的剪切强度大幅度提高。若实施例3与比较例7相比，则Cu含量为大致同等程度，但Sn含
量不同，使得高温试验后的剪切强度大幅度提高。若实施例5与比较例10相比，则Cu含量为
大致同等程度，但Sn含量不同，使得高温试验后的剪切强度大幅度提高。

[0148] 如表1所示，实施例1～6的焊料合金其组成满足有一定规则性的范围。将表示该范围的式示于以下。将由下式所表示的范围示于图1。

[0149] 如图1所示，实施例1～6的焊料合金的组成满足以下范围：

[0150] 1.9≤Sn含量(质量百分比)≤4.3

[0151] 1.9≤Cu含量(质量百分比)≤4.5

[0152] Cu含量(质量百分比)≤1.50×Sn含量(质量百分比)－1.00

[0153] Cu含量(质量百分比)≥1.45×Sn含量(质量百分比)－1.63。

[0154] [产业上的可利用性]

[0155] 本发明提供一种在高温区具有优异特性的焊料合金。本发明为产业上有用的发明。