用于芯片焊接的钎焊合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钎焊合金。更具体地，本发明涉及廉价的无铅高温钎焊合金，其用于代 替导电粘合剂并用于芯片焊接以焊接诸如功率器件的装置的背面。
【背景技术】
[0002] 常用的Sn-Pb共晶焊料（solder)或含90质量％以上的铅（Pb)的Pb基钎焊合 金包含作为有毒物质的铅，因此，已经限制使用此类焊料或钎焊合金。近年来，不含铅的 Sn-Ag共晶焊料或Sn-Ag-Cu基焊料已经变得普及，并且已用于电子部件和印刷电路板之间 的焊接。然而，如果使用主要由Sn构成的无铅焊料，则焊接部分经历例如温度高至260°C的 高热，因此对于电子零件的内部焊接，可能产生不良耐热性的问题，例如电极熔化或电线断 裂。
[0003] 此外，在功率器件领域，已经越来越期望在高温下使用功率器件，并且此类功率器 件所需的操作温度规范已经由约150°c的常规操作温度规范（150°C是由自加热所达到的 低温水平）升高至175°C、然后至200°C。相应地，也期望改善功率器件的焊接部分的耐热 性。在日本电子情报技术产业协会（Japan Electronics and Information Technology Industries Association，JEITA)的2011年环保意识型先进包装技术成果报告（2011年 7月）中，已经报道了可以通过采用Pb基组合物（主要由铅组成并且熔点为例如290°C 以上的材料）的常规技术来确保耐热性。根据一些其他报道，对于待通过芯片焊接来焊 接的部分，需要260°C以上的温度作为耐热温度，所述芯片焊接用于电子零件的内部焊接。 Sn-Ag-Cu基焊料已广泛用作导电粘合剂和无Pb焊料，并且对于此类Sn-Ag-Cu基焊料，固相 线温度为约220°C，因此Sn-Ag-Cu基焊料可能在上述的260°C的所需耐热温度下熔化。因 此，可能在某些情况下产生上述不良耐热性的问题，例如电极熔化或电线断裂。
[0004] 具有高Pb含量的Pb基焊料具有290°C以上的高固相线温度，其满足所需的耐热 性；然而，已经限制使用铅。具有与上述Pb基焊料类似的高固相线温度的高温焊料包括由 贵金属构成的焊料，如Au-20% Sn (固相线温度：280°C )、Au-3. 6% Si (固相线温度：370°C ) 和Au-25% In (固相线温度：370°C )。然而，因为这些钎焊合金非常昂贵，因此一般难以将 其用作Pb基焊料的替代材料。
[0005] Bi基合金包括基于Bi-Ag基材料（固相线温度：262°C )产生的高温焊料，所述 Bi-Ag基材料的特性已通过添加额外的元素而得到改善（参见专利文献1和2)。然而，因 为熔点与260°C的所需耐热温度之间的余量不足，所以可能产生的问题在于超过所需耐热 温度的任何微小过量的峰值温度会导致材料熔化，这可能导致不良的焊接。
[0006] 此外，已知下述组合物，其中向铋（Bi)中添加微量的具有明显低的低共熔点的元 素，如锡（Sn)或铟（In) (Bi-Sn共晶的低共熔点：139°C，Bi-In共晶的低共熔点：109. 5°C ) (参见专利文献3)。然而，如果该材料被Sn或In污染，即使Sn或In的量非常小以至于为 1，OOOppm以下，该材料仍可能被偏析，并且该材料可能在可能形成于偏析部分中的低熔点 相中熔化，这可能由此导致机械特性和长期耐环境性退化，即，可能缩短材料的寿命。
[0007] 已知贯通型陶瓷冷凝器，其中焊料主要由Bi组成并包括已经向其中加载的诸如 银（Ag)或锑（Sb)的组分，该焊料被装载入结构体的孔中（参见专利文献4)。然而，此类发 明旨在插入安装型部件。此外，焊料所需的特性是凝固时不引起体积收缩，这与用于芯片焊 接的焊料所需的特性不同。
[0008] 此外，已知主要由Bi组成的在高温下使用的不含Pb的焊料（参见专利文献5)。 然而，此类发明包含锌（Zn)和Sn作为必要成分，并且其中公开了不含Zn和Sn的Bi-Ge-基 焊料不适于用作焊料，这归因于它们的不良加工性和润湿性。
[0009] 现有技术文献列表 [0010] 专利文献
[0011] 专利文献 I:JP 2005-503926 W
[0012] 专利文献 2: JP 3671815 Bl
[0013] 专利文献 3: JP 2007/018288 X
[0014] 专利文献 4:JP 2〇〇7_18188〇 A
[0015] 专利文献 5: JP 2012-076130 A
[0016] 发明概述
[0017] 技术问题
[0018] 期望开发其中不会发生固相线温度降低并具有改善的诸如润湿性等特性的高温 钎焊合金，以作为廉价的无铅高温钎焊合金用于焊接诸如功率器件等装置的待芯片焊接的 部分。
[0019] 问题的解决方案
[0020] 着重于熔点与铅接近的铋（Bi)的特性，发明人已经发现，通过使用主要由铋（Bi) 组成的并包含所添加的微量金属的材料可以改善材料的润湿性和加工性，并且基于该发现 完成本发明。特别地，发明人已经发现，通过向铋（Bi)中添加特定量的锑（Sb)和/或锗 (Ge)，可以改造铋（Bi)所必需的并且易于导致脆性破坏的金属结构，从而获得可加工成焊 料并同时保持可用作高温焊料的温度特性的合金。
[0021] 具体地，根据本发明一方面，用于芯片焊接的钎焊合金包含0. 05质量％ -3. 0质 量％的锑（Sb)和由铋（Bi)及不可避免的杂质组成的其余部分。本发明的钎焊合金尤其 与用于焊接插入安装型部件的端子的焊接材料不同，并且涉及用于芯片焊接的钎焊合金， 其旨在用于插入安装型部件和表面安装型部件的内部焊接的芯片焊接，如四方扁平封装 (QFP)和小引出线封装（SOP)，并且还旨在用于通过裸芯片的芯片焊接而进行的焊接。
[0022] 在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0. 01质量％ -I. 0质 量％的锗（Ge)。
[0023] 在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0. 05质量％ -I. 0质 量％的锑（Sb)和0. 01质量％ -0. 2质量％的锗（Ge)。
[0024] 在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0. 01质量％ -0. 1质 量％的镍（Ni)。
[0025] 在用于芯片焊接的钎焊合金中，优选的是该钎焊合金还包含0. 001质量％ -0. 1质 量％的磷（P)。
[0026] 根据本发明另一方面，用于芯片焊接的钎焊合金包含0. 01质量％ -2. 0质量％的 锗（Ge)和由铋（Bi)及不可避免的杂质组成的其余部分。
[0027] 根据本发明另一方面，焊膏包含钎焊合金和焊剂，并且所述钎焊合金包含0. 01质 量％ -2.0质量％的锗（Ge)和由祕（Bi)及不可避免的杂质组成的其余部分。
[0028] 本发明的有益效果
[0029] 通过提供包含特定量的加载至Bi的Sb和/或Ge的合金，可以获得甚至在高温 下也高度可靠的用于芯片焊接的无铅钎焊合金，其由此能够防止焊接失效、例如潮湿凹陷 (wet dents)或空隙（void)以及在待焊接部分中的焊角（soldering fillet)的不良形成， 这被认为是可能由于Bi所特有的低润湿性而产生的负面作用，并且还能抑制会发生诸如 裂纹或断线等失效的几率，该失效与由于与不同类型的材料焊接的焊接部分中热膨胀系数 的差异而产生的变形相关。此外，通过向这些组合物进一步添加Ni，可以改善焊接性，并且 通过向这些组合物进一步添加P，可以抑制氧化，并且可以改善加工性。
[0030] 附图的简要说明
[0031] 图1是例示Bi-Sb基合金的二元相图。
[0032] 图2是例示Bi-Ge基合金的二元相图。
[0033] 图3(a)和3(b)是例示本发明的Bi-Sb基钎焊合金的铺展率的图，并且图3(b)是 图3(a)的由虚线矩形所示部分的放大图。
[0034] 图4 (a)和4(b)是例示本发明的Bi-Ge基钎焊合金的铺展率的图，并且图4(b)是 图4(a)的由虚线矩形所示部分的放大图。
[0035] 图5示出了例示在本发明实施例和比较例的钎焊合金与焊剂混合并使用该混合 物在Cu板和Ni板上进行焊接的情况下获得的润湿性的图。
[0036] 图6例不了表不Bi-Sb基合金的Sb载量与Bi-Sb基合金的金属结构之间的关系 的显微照片，其中单位" ％ "表示"质量％ "。
[0037] 图7例示了表示Bi-Ge基合金的Ge载量与Bi-Ge基合金的金属结构之间的关系 的显微照片，其中单位" ％ "表示"质量％ "。
[0038] 实施方案描述
[0039] 参考附图，在下文描述本发明的实施方案。然而，本发明不受下述实施方案的限 制。
[0040] [第一实施方案：Bi-Sb二元合金]
[0041] 根据本发明的第一实施方案，用于芯片焊接的钎焊合金包含0. 05质量％ -3. 0质 量％的Sb和由Bi及不可避免的杂质组成的其余部分。不可避免的杂质主要包括铜（Cu)、 、锌（211)、铁$6)、铝仏1)、砷仏8)、镉（〇(1)、六8、金（六11)、111、？、？13、511等。特别地，本发 明的钎焊合金的特征在于除了在不可避免的杂质中包含的Sn之外，所述钎焊合金不包含 Sn。不包含Sn是为了防止由于Bi-Sn共晶组成的存在而导致钎焊合金的熔点降低。此外， 本发明的该钎焊合金是不包含Pb的无铅钎焊合金。
[0042] 图1是例示B