无铅软钎料合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及Sn-Bi-Sb系无铅软针料合金，特别是设及连接可靠性优异的Sn-Bi-訊 系无铅软针料合金。
【背景技术】
[0002] 近年来，移动电话等电子设备趋于小型化、薄型化。运种电子设备所使用的半导体 装置等电子部件中，逐渐开始使用厚度薄至几mm左右~ImmW下的基板。
[0003]另一方面，W往，作为无铅软针料广泛使用Sn-Ag-Cu软针料合金。Sn-Ag-Cu软针料 合金的烙点比较高，即使是作为共晶组成的Sn-3Ag-0.5Cu软针料合金也会表现出220°C左 右的烙点。因此，利用Sn-Ag-化软针料合金对前述那样的薄基板的端子（电极)进行软针焊 时，由于接合时的热而使基板发生应变，有时产生接合不良。
[0004]针对运种接合不良，正在实施如下对策:通过在低溫下进行软针焊，从而抑制薄基 板的应变，提高连接可靠性。作为能够用于实现该目的的低烙点软针料合金，已知有Sn-Bi 软针料合金。该Sn-Bi软针料合金中，Sn-58Bi软针料合金的烙点非常低，为140°C左右，能够 抑制基板的应变。
[0005]但是，Bi原本是较脆的元素，Sn-Bi软针料合金也较脆。即使减少Sn-Bi软针料合金 中的Bi含量，该软针料合金也会由于Bi在Sn中偏析而发生脆化。使用Sn-Bi软针料合金进行 软针焊而得到的针焊接头存在如下担屯、：在施加很大应力时因其脆性而产生龟裂，机械强 度劣化。
[0006]此外，为了应对电子部件的小型化，必须缩小其使用的基板的面积，必须实现电极 的小型化、电极间的低间距化。进而，用于对各电极进行软针焊的软针料合金的用量减少， 因此软针料接合部的机械强度降低。
[0007]从运些问题出发，进行了如下研究:在能够抑制基板的应变的低烙点的Sn-Bi软针 料合金中添加某种元素，来实现W机械强度为代表的各种特性的提高。
[000引专利文献1中，公开了通过在Sn-Bi软针料合金中添加Sb来改善延性。
[0009]专利文献2中，公开了通过在Sn-Bi软针料合金中添加Sb和Ga来改善Sn-Bi软针料 合金的脆性，从而提高接合强度。
[0010]专利文献3中，公开了通过在Sn-Bi软针料合金中添加Cu来抑制电极的Cu腐蚀，此 夕h通过添加Sb来实现软针料合金的机械强度的提高。
[00川专利文献4中，公开了通过在Sn-Bi软针料合金中添加4旨、化、111、化作为必需元素， 能够缓和伸长率、由直至龟裂产生为止的经过时间表示的机械疲劳强度(龟裂产生寿命)的 降低。该文献中，也记载了通过添加訊来降低龟裂产生寿命。
[0012]如上所述，近年来的电子部件的小型化也招致针焊接头的小型化。因此，接合端子 (电极)的焊膏的用量也少，软针料接合强度也降低。因此，专利文献5中，公开了为了弥补软 针料接合强度而在Sn-Bi系软针料合金中含有热固化性粘接剂的软针料接合材料。公开了 热固化性粘接剂可WW含有触变剂、固化剂和助焊剂等热固化性粘接剂成分的形态使用。
[0013]现有技术文献
[0014]专利文献
[0015] 专利文献1:日本特开2010-167472号公报
[0016] 专利文献2:日本特开平07-040079号公报
[0017] 专利文献3:日本特开平11-320177号公报 [001引专利文献4:日本特开2004-017093号公报
[0019] 专利文献5:日本特开2007-090407号公报
【发明内容】
[0020] 发明要解决的问题
[0021] 通常，由铜(Cu)形成的电子部件的端子（电极)在化学锻Ni后，大多通过如锻Au或 锻Pd和锻Au的组合运样的贵金属锻覆进行处理。锻Au层是为了防护其下层的锻Ni层使其不 被氧化，并且提高烙融软针料的表面润湿性而设置的。关于化学锻Ni,通常会形成含有相当 大量的憐(P)的Ni覆膜。该憐主要源自化学锻中使用的还原剂(例如，次麟酸钢）。通常，运种 Ni锻覆膜的P含量为几质量％ ^上，例如2~15%质量％。
[0022] 专利文献1和2中公开的发明中，例如对经化学锻Ni处理的端子(电极)进行软针焊 时，Ni向软针料合金中的扩散系数大于P的扩散系数，因此锻覆膜中的Ni优先地在软针料合 金中扩散。而且，在与软针料接合部的界面与Ni相比P析出较多，在界面形成所谓的P富集 (高浓度)层。即使Au覆膜运样的贵金属覆膜存在于Ni覆膜上而形成Ni/Au锻覆膜，如后述那 样Au等贵金属锻覆膜非常薄而无法阻止Ni的扩散，因此也会发生Ni的优先扩散。
[0023] 该P富集层硬且脆，因此使软针料接合部的剪切强度劣化。具有运种P富集层的软 针料接合部因剪切而断裂时，经常发生锻Ni层露出的现象。运意味着:该断裂不是软针料接 合部自身的断裂，而是由P富集层自端子化极)的剥落而引起的。因此，P富集层的生成会对 软针料接合部的连接可靠性造成不利影响。
[0024] 专利文献3中虽然记载了通过添加Sb、Cu带来的效果，但是其含量尚不明确，也未 证明添加訊所带来的效果。此外，也未提及通过添加化来提高针焊接头的机械强度的内容。
[0025] 专利文献4中，记载了添加Sb和Cu两者时，有龟裂产生寿命大幅降低的倾向，W及 通过添加作为必需元素的In来提高伸长率。但是，完全没有公开通过添加Sb和Cu来提高软 针料合金的延性、软针料接合部的机械强度。
[0026] 专利文献5公开了，包含Sn-Bi系软针料合金和热固化性树脂的软针料接合材料还 可W进一步含有SbXu。该专利文献5中记载了，为了抑制软针料合金的组织的粗化、实现高 寿命化而添加Sb、Cu。但是，因此，专利文献5中，并没有证明通过添加Sb、Cu，可提高软针料 合金的延性、拉伸强度，从而提高软针料接合部的剪切强度。此外，具体来说使用何种合金 组成和配混比的软针料合金能达到运样的效果是不明的。
[0027] 本发明的课题在于，提供能够形成连接可靠性优异的针焊接头的Sn-Bi-Sb系无铅 软针料合金。
[00測用于解决问题的方案
[0029]本发明人等着眼于，代表性地对具有通过化学锻Ni而形成的含有P的Ni覆膜的电 极进行软针焊时，Ni向软针料合金中的扩散系数大于P的扩散系数，发现通过抑制软针焊中 Ni向合金中的扩散，能够抑制P富集层的生长。
[0030] 为了实现该目的，本发明人等发现，在Sn-Bi-訊软针料合金中添加Cu和P中的一者 或两者时，能够保持低烙点、优异的延性和高拉伸强度，并且通过抑制Ni的扩散，能够显著 抑制P富集层的生长，从而显著地改善软针料接合部的剪切强度。
[0031]本发明的无铅软针料合金具有如下合金组成，该合金组成W质量％计包含Bi:31 ~59%、Sb:0.15~0.75%、W及选自由Cu:0.3~1.0%和P:0.002~0.055%组成的组中的1 种或巧中，余量基本上由Sn组成。
[0032]此外，本发明的针焊接头是在具有锻Ni层的Cu电极上使用上述无铅合金而形成 的。
[0033]进而，本发明的基板是具备分别具有锻Ni层的多个化电极、且厚度为5mmW下的基 板，所述基板具有使用上述无铅软针料合金而形成的针焊接头。
[0034]发明的效果
[0035]本发明的无铅软针料合金具有对于抑制软针料接合时的基板的热应变而言充分 低的烙点，延性优异，拉伸强度高，且能够抑制在对经化学锻Ni处理的电极进行软针焊时接 合界面上的P富集层的生成，从而提高软针料接合部的剪切强度。
[0036] 此外，关于本发明的针焊接头，伴随上述软针料合金的软针料接合部的剪切强度 的提高，在电极与软针料接合部的界面变得不易发生断裂，与W往相比，即使在使用薄基板 的情况下，也能够确保优异的连接可靠性。
[0037]进而，本发明的基板可W在软针焊时减少应变，从而实现优异的连接可靠性。
【附图说明】
[0038] 图1为使用Sn-58Bi软针料合金对经化学锻Ni/Au处理的Cu电极进行软针焊，并剪 切去除所形成的软针料接合部后的、电极的表面SEM照片。
[0039] 图2A为使用Sn-58Bi软针料合金对经化学锻Ni/Au处理的Cu电极进行软针焊而形 成的针焊接头的、软针料接合部与电极的界面附近的截面SEM照片。
[0040] 图2B为使用本发明的Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu软针料合金对经化学锻Ni/Au处理的 Cu电极进行软针焊而形成的针焊接头的、软针料接合部与电极的界面附近的截面SEM照片。 [0041 ] 图2C为使用Sn-58Bi软针料合金对经化学锻Ni/Pd/Au处理的化电极进行软针焊而 形成的针焊接头的、软针料接合部与电极的界面附近的截面SEM照片。
[0042] 图2D为使用本发明的Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu软针料合金对经化学锻Ni/Pd/Au处理 的Cu电极进行软针焊而形成的针焊接头的、软针料接合部与电极的界面附近的截面SBl照 片。
【具体实施方式】
[0043]W下，进一步对本发明进行详细说明。W下的说明中，关于软针料合金组成的 "%"，只要没有特别限定就是"质量％"。
[0044] 本发明的无铅软针料合金是在Sn-Bi-Sb软针料合金中含有化和/或P的合金。该软 针料合金显示出Sn-Bi-Sb软针料合金原本具有的低烙点和高延性。进而，特别是电极使用 如经化学锻Ni/Au处理或化学锻Ni/Pd/Au处理的电极运样的受到化学锻Ni的电极时，本软 针料合金能够通过抑制Ni向软针料合金的扩散来抑制P富集层的生长，从而大幅改善软针 料接合部的剪切强度。其结果，本发明的无铅软针料合金能够抑制软针焊中的薄基板的应 变，且确保优异的连接可靠性(软针料接合部的连接可靠性）。
[0045] 如前所述，通常在化学锻Ni后接着实施锻Au或锻Pd/Au运样的使用其它贵金属的 锻覆处理。因此，在锻Ni层上层叠有锻Au层。但是，运样的锻Au层或其它贵金属锻层较薄，为 0.05WI1左右，在软针焊中会扩散到软针料合金中而消失。因此，本发明中，在评价各种特性 时，无需特别考虑锻Au层或其它贵金属锻层。
[0046] 本发明的软针料合金具有下述金属组成。
[0047] Bi的含量为31~59%DBi降低软针料合金的烙点。Bi的含量少于31 %时，烙点变 高，软针焊时基板有时发生应变。Bi的含量多于59%时，因Bi的析出而使拉伸强度和延性劣 化。Bi的含量优选为32~58%、更优选为35~58%。
[004引Sb的含量为0.15~0.75。Sb提高软针料合金的延性。Sb的含量少于0.15 %时，延性 (伸长率)劣化，Sb的含量多于0