无铅软钎料合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无铅软钎料合金。
【背景技术】
[0002] 汽车中搭载有在印刷基板上软钎焊电子部件而成的电子电路（以下，称为车载电 子电路）。车载电子电路用于对发动机、动力转向、制动器等进行电控制的设备，是对于汽车 的行驶而言非常重要的安全部件。因此，车载电子电路必须经长时间无故障地以稳定状态 运行。特别是发动机控制用的车载电子电路也有时被设置在发动机附近，作为使用环境，相 当严酷。
[0003] 实际上，设置这种车载电子电路的发动机附近在发动机旋转时达到100°c以上这 样的高温。另一方面，该发动机附近在发动机停止旋转时达到外部气体温度，例如若在北 美、西伯利亚等寒冷地区，则在冬季达到-30°c以下这样的低温。因此，车载电子电路因发动 机驾驶与发动机停止的反复而暴露于-30°c以下~+100°C以上这样的热循环。
[0004] 车载电子电路像这样长时间放置于温度大幅变化的环境时，电子部件与印刷基板 分别发生热膨胀/收缩。然而，由于电子部件的线热膨胀系数与印刷基板的线热膨胀系数 的差异较大，因此，在上述环境下的使用中一定的热位移反复施加于接合电子部件与印刷 基板的软钎焊部（以下，适宜地称为"焊料接头"）。这样一来，对焊料接头施加应力，最终 焊料接头发生断裂。
[0005] 因此，变得对于以焊料接头不会断裂的方式接合电子部件与印刷基板的软钎料合 金要求伸缩、即延性。软钎料合金具有优异的延性时，由如上所述的热位移造成的应力得到 缓和。
[0006] 另外，汽车不仅在平坦的道路上行驶，还有时在起伏剧烈的道路上行驶。因此，汽 车自路面受到振动、冲击，搭载于汽车的车载电子电路也受到这种振动、冲击。所以，对于车 载电子电路的焊料接头而言，需要可耐受这种振动、冲击的强度，因此软钎料合金自身的拉 伸强度也需要提高。
[0007] 由于像这样对车载电子电路用的软钎料合金要求严格的特性，因此至今一直没有 什么提案。
[0008] 着眼于热循环性的方面时，作为一般电子设备用，专利文献1中公开了一种软钎 料合金，其在3114 8-111-81软钎料合金中添加有513和附，包含480.5~5%、111〇.5~ 20%、Bi0. 1~3%、合计3%以下的513、211、附、6&和(：11的至少1种、余量511。另外，具有 与后述本发明最接近的组成、具体地公开了组成的软钎料合金是专利文献1的实施例22中 记载的Sn-3. 5Ag-12In-0. 5Bi-0. 2Sb-0. 3Ni软钎料合金。
[0009] 现有技术文献 [0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开2004-188453号公报
【发明内容】
[0012] 发明要解决的问题
[0013] 但是，专利文献1中仅仅公开了热循环后软钎料合金是否变形的结果，关于是否 能获得可耐受车载电子电路用途的充分的拉伸强度和延性等机械特性，没有进行任何研 宄。
[0014] 关于具体的组成，虽然该文献中研宄的软钎料合金也含有8~24%In，但仅含有 0. 5%Bi。因此，认为尽管In的含量多，但拉伸强度也差。Bi的含量多时，固液共存区宽， 因Bi的析出而软钎料合金变脆，拉伸强度和延性等机械强度劣化。认为仅含有0. 5%Bi是 为了避免这些问题。
[0015] 另外，专利文献1中记载的组成也含有合计0.5%的Sb和/或Ni。这是为了抑制 Sn在同素异形体间发生转变，此外，通过合金组织变得均匀且致密，从而抑制Sn的Y转变。
[0016] 如此，专利文献1中记载的软钎料合金在像车载电子电路那样必须考虑振动、冲 击的环境下需要提高机械强度。另外，关于车载用的软钎料合金，仅在热循环环境下抑制变 形是不够的，为了提高连接可靠性，焊料接头的裂纹的进展也需要抑制。
[0017] 进而，In除了促进Sn的相变之外，还昂贵，因此也期望尽量减少含量。
[0018] 本发明的课题是提供在热循环后抑制焊料凸块的变形、焊料接头中的裂纹的进 展，拉伸强度、延性优异，能进行低成本化的软钎料合金。
[0019] 更具体而言，提供如下的无铅软钎料合金，作为预想实际使用的一个基准， 在-40°c和+125°C的各温度下保持10分钟的热循环试验中，即使经过800个循环后也没有 观察到软钎料合金变形，在-40°C和+125°C的各温度下保持30分钟的热循环试验中，即使 经过3000个循环后也抑制了裂纹的产生和进展，此外，即使In的含量减少，也表现出较高 的拉伸强度和延性，能够实现低成本。
[0020] 用于解决问题的方案
[0021] 本发明人等关于专利文献1的实施例22中具体公开的 Sn-3. 5Ag-12In-0. 5Bi-0. 2Sb-0. 3Ni软钎料合金中即使减少In的含量也具有高拉伸强度 的合金组成进行了深入研宄。本发明人等特意着眼于被认为因脆性而使拉伸强度和延性劣 化的Bi的含量，精密地调整In和Bi的含量。于是，本发明人等得到以下见解：通过将In 的含量抑制在1. 0~7. 0%、且Bi的含量增加至1. 5~5. 5%，从而使拉伸强度和延性提高 至能在车载用等严酷的条件下使用的水平，热循环后的软钎料合金的变形受到抑制。
[0022] 进而，本发明人等在如前所述调整了In和Bi的含量的软钎料合金中，与专利文献 1相比在Ni的含量为0. 01~0. 2%、Sb的含量为0. 01~0. 15%的范围内确认到接合界面 的晶粒的微细化。另外，本发明人等得到了由于晶粒的微细化而使由热循环试验导致的裂 纹的产生和进展受到抑制的见解，从而完成了本发明。
[0023] 需要说明的是，本说明书中，延性是指，在拉伸试验中软钎料试验片发生断裂的情 况下，由软钎料试验片的断裂部分的截面积相对于试验前的软钎料试验片的截面积的比率 算出的值。
[0024] 此处，本发明如下。
[0025] (1) 一种无铅软钎料合金，其具有如下合金组成，该合金组成包含以质量％计，In : 1. 0 ~7. 0%、Bi:1. 5 ~5. 5%、Ag:1. 0 ~4. 0%、Ni:0? 01 ~0? 2%、Sb:0? 01 ~0? 15%、 和余量Sn。
[0026] (2)根据上述⑴所述的无铅软钎料合金，其中，以质量％计，In:1.0~6. 5%、 Bi:2. 5 ~4. 0。
[0027] (3) -种焊膏，其含有上述（1)或上述（2)所述的无铅软钎料合金。
[0028] (4) 一种预成型材料，其由上述⑴或上述⑵所述的无铅软钎料合金形成。
[0029] (5) -种焊料接头，其由上述⑴或上述⑵所述的无铅软钎料合金形成。
[0030] (6) -种车载电子电路，其具备上述（5)所述的焊料接头。
【附图说明】
[0031] 图1为用于说明裂纹进展率的截面示意图。
[0032] 图 2 的（a)、（b)、（c)分别为本发明的Sn-3Ag-3Bi-3In-0. 07Sb-0. 05Ni组成的焊 料凸块的、热循环前的截面SEM照片、将热循环进行200个循环后的截面SEM照片、及将热 循环进行800个循环后的截面SEM照片。
[0033] 图 3 的（a)、（b)、（c)分别为本发明的Sn-3Ag-3Bi-6In-0. 07Sb-0. 05Ni组成的焊 料凸块的、热循环前的截面SEM照片、将热循环进行200个循环后的截面SEM照片、及将热 循环进行800个循环后的截面SEM照片。
[0034] 图 4 的（a)、（b)、（c)分别为比较例的Sn-3Ag-3Bi-9In-0. 07Sb-0. 05Ni组成的焊 料凸块的、热循环前的截面SEM照片、将热循环进行200个循环后的截面SEM照片、及将热 循环进行800个循环后的截面SEM照片。
[0035] 图5的（a)为比较例的Sn-3Ag-3Bi-3In组成的焊料凸块的回流焊后的接合面SEM 照片、图5的（b)为本发明的Sn-3Ag-3Bi-3In-0. 02Sb-0.OINi组成的焊料凸块的回流焊后 的接合面SEM照片、图5的（c)为本发明的Sn-3Ag-3Bi-3In-0. 06Sb-0. 03Ni组成的焊料凸 块的回流焊后的接合面SEM照片。
[0036] 图6的（a)为本发明的Sn-3Ag-3Bi-3In-0. 07Sb-0. 05Ni组成的焊料凸块的 回流焊后的接合面SEM照片、图6的（b)为本发明的Sn-3Ag-3Bi-3In-0. 10Sb-0. 07Ni 组成的焊料凸块的回流焊后的接合面SEM照片、图6的（c)为比较例8的 Sn-3.OAg-3. 0Bi-3In-0. 22Sb-0. 29Ni组成的焊料凸块的回流焊后的接合面SEM照片。
[0037] 图7为示出使用比较例的Sn-3Ag-3Bi-3In组成和本发明的 Sn-3Ag-3Bi-3In-0. 07Sb-0. 05Ni组成的焊膏进行了接合的芯片电阻的焊料接头的裂纹进 展率的分布的图。
【具体实施方式】
[0038] 本发明在以下进行详细说明。本说明书中，涉及软钎料合金组成的" ％ "在没有特 别指定的情况下为"质量％ "。
[0039] 本发明的无铅软钎料合金的合金组成如下所述。
[0040] In: 1.0 ~7.0%
[0041] In的含量为1. 0~7. 0%。In在Sn中固溶，提高机械特性。因此，In提高软钎 料合金的拉伸强度。In的含量低于1.0%时，软钎料合金的拉伸强度得不到改善，此外，在 热循环后无法抑制裂纹的进展。In的含量为7. 0~10. 0%时，0Sn转变为ySn，在热循环 试验后软钎料合金自身与外部应力无关地发生变形，邻接的电极间发生短路。另外，In多 于7.0%时，成本上升，而且固相线温度过度下降，因此在热循环试验中软钎料合金发生熔 融。In的含量多于10%时，拉伸强度劣化。In的含量优选为1. 0~6. 5%、更优选为1. 0~ 6. 0%〇
[0042]Bi: 1.5 ~5. 5%
[0043]Bi的含量为1. 5