。因此，根据本公开的焊料合金的使用条件与传统Sn-Ag-Cu焊料合金的使用条件一致。
[0032]使用跌落检测器评价焊接接头的抗跌落冲击性，如图5所示。使用如图4所示的模拟BGA组件进行跌落测试，。模拟BGA组件包括BGA试样和印制电路板(PCB)衬底。BGA
试样--如图4所示--包括40mm x 40mm的衬底，及3x 3排列分布的电镀镍/金(Ni/
Au)垫(2mm直径)。PCB衬底--如图4所示--是80mm x 80mm的衬底，及相应的3x 3
排列分布的电镀镍/金(Ni/Au)垫(2mm直径)和在衬底角的4个钻孔(6mm直径)，该钻孔用于把产生的模拟BGA组件安置到具有4个固定栓的钢跌落块上(见图5)。
[0033]在BGA试样和PCB衬底上3x 3排列分布的电镀镍/金(Ni/Au)垫中的相应垫之间形成焊接接头。模拟BGA组件中的每个焊接接头由大约50mg焊料合金制成。为了生产模拟BGA组件，首先使用免清洗助焊剂(no-clean flux)把给定合金的焊球安置到PCB衬底上，并且使用峰值温度在240°C的回流方案进行回流。然后这种带凸起的PCB衬底被安置到BGA试样上，其用相同的免清洗助焊剂在其垫上被预印刷并用相同方案进行回流。
[0034]把模拟BGA组件安装到具有四个固定栓的钢跌落快上(见图5)。PCB衬底与钢跌落块之间的间隙是5mm。通过沿着两个导向杆升高钢跌落块到一定高度、然后释放跌落块并允许它沿着导向杆自由跌落直到撞击钢基底，强烈的跌落冲击被产生并传给模拟BGA组件(见图5)。该跌落冲击导致模拟BGA组件中的PCB衬底在四个固定栓上振动，并且该振动又在模拟BGA组件中的焊接接头中产生跌落冲击。用于跌落测试的高度通常是0.5米，但
0.25米的减小高度也在一些具有较高Ag含量的焊料合金的情况下使用。在回流状态条件下和在150°C下热老化四周之后，在模拟BGA装置上进行跌落测试。对于每种测试条件，使用10个模拟BGA组件。跌落至损坏(即，组件的分离)的次数被用作比较焊接接头抗跌落冲击性的基础。跌落至损坏的次数越多，焊接接头的抗跌落冲击性越大。同样，用于测试的跌落高度越高，测试中产生的跌落冲击强度越高。
[0035]在回流状态条件下，根据本公开的实施方式配制的焊料合金和对照焊料合金的跌落测试结果在附图1的表中予以说明。传统Sn-3.8Ag-0.7 Cu(SAC387)和Sn_3.0 Ag-0.5Cu(SAC305)合金在破坏前分别平均仅仅经受得住1.1次和1.2次跌落。传统的Sn-L OAg-0.5 Cu(SAC105)合金显示了 5.1的平均跌落次数，并且因此大大地优于SAC387和SAC305。如附图1的表中所示，根据本发明的实施方式配制的焊料合金I到13均显示出比SAC105更优的跌落测试性能。根据本公开的实施方式配制的焊料合金中的掺杂剂含量也显著影响着跌落测试性能。例如，在锰(Mn)掺杂剂的情况下(例如，示例性焊料合金I到4)，跌落测试性能随着Mn含量的增加而提高，在0.13wt.%的Mn含量时达到35.4的最大平均值，并且然后随着Mn含量的继续增加而下降。
[0036]参考附图6，说明的是Ag含量对跌落冲击性能的对比影响图，其是关于由根据本公开的实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流焊状态焊接接头的。因此，附图6说明了回流状态条件下，Mn掺杂剂对各种Ag含量水平的焊接接头的跌落测试性能的影响。在附图6的图表中，每个竖直线的下端代表最小跌落次数，每个竖直线的上端代表最大跌落次数，而每个框代表两倍标准偏差，每种焊料合金的平均跌落次数在框的中心。在Mn掺杂剂含量为大约0.13wt.%时，对于具有的Ag含量水平分别为0.0、1.1、1.76,2.59以及3.09wt.%的焊料合金，平均跌落次数分别是23.0、35.4、12.1,6.0以及
2.4。除了具有3.09wt.%的Ag的焊料合金，具有较低Ag含量水平的所有其它焊料合金显示出平均值大于SAC105的平均值(平均值为5.1)，更别提SAC305 (平均值1.2)和SAC387 (平均值1.1) ο对于示例性焊料合金2的跌落测试性能，其具有Snl.1 Ag0.64 Cu0.13Mn的组成，甚至比63Sn 37Pb焊料合金更优。对于Sn-Ag-Cu (SAC)焊料合金，尽管较低的Ag含量一般产生较好的跌落测试性能，但Mn掺杂剂的使用基本上提高了 2.6wt.% Ag合金的跌落测试性能到SAC105。
[0037]参考附图3，说明对比的抗跌落冲击性的数据表，其是关于由根据本发明实施方式配制的示例性焊料合金形成的和对照焊料合金形成的回流状态焊接接头的，且其在150°C下热老化4星期。对比附图1中所示回流状态条件下的数据与附图3中所示热老化条件下的数据，揭示出来的是:尽管63Sn37Pb低共熔合金的平均冲击次数在热老化之后从28.5显著降低到4.0，但根据本发明的实施方式配制的焊料合金一一除了焊料合金第6号和第13号，一般在热老化之后显示出较高的平均跌落次数(见附图7)。抗跌落冲击性随热老化提高，是由根据本公开的实施方式配制的焊料合金制造的焊接接头可靠性的良好表现。
[0038]在上面给出的数据的基础上，根据本公开的实施方式配制的焊料合金显示出优秀的抗跌落冲击性，并且优于传统的SnAgCu焊料(比如SAC305和SAC105)。确实，一些根据本发明的实施方式配制的焊料合金具有的抗跌落冲击性能甚至比SnPb低共熔合金更好。由根据本发明的实施方式配制的焊料合金制造的焊接凸点或者焊接接头具有比传统焊料合金的更优的性质。例如，当根据本公开的实施方式配制的焊料合金被用于焊球和/或焊膏中的焊粉以连接BGA或者CSP封装到PCB上时，如此形成的焊接接头在组件在船运、处理或者使用过程中遭受跌落冲击负荷时可以不易于因为从PCB或者封装发生分离而损坏。结果是，由于根据本公开的实施方式配制的焊料合金的使用，可大大地提高了电子设备的可靠性。
[0039]本公开不限于本文所述【具体实施方式】的范围。确实，对于本领域的普通技术人员而言，由于前面的描述和所附附图，本公开的其它各种实施方式和对本公开的修改一一除了本文所描述的那些之外一一将是显然的。因此，那些其它实施方式和修改意欲落入本公开的范围。进一步，尽管本发明在此为具体目的以具体环境中的具体实施的内容予以描述，本领域普通技术人员将认识到它的用途不限于此；并且，本公开可在任何环境中为任何目的被有利地实施。因此，应当在考虑文中所述本公开的完全范围和精神下，解释所附权利要求。
【主权项】
1.无铅焊料合金，其主要由下列组成:0.0-1.76wt.%的八区，0.01-1.5wt.^的⑶，和至少一种下列添加剂:0.01-0.3wt.%的量的Mn，和0.01-0.2wt.%的量的Ti，和余量的Sn。2.焊球，其由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。3.焊粉，其由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。4.焊膏，其包括由权利要求1所述的无铅焊料合金形成的焊粉。5.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求I所述的无铅焊料合金形成。6.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求1所述的无铅焊料合金形成。7.权利要求1所述的无铅焊料合金，其中所述无铅焊料合金电子连接用一种或者多种下列材料形成的衬底表面防护层:电镀Ni/Au、非电镀的Ni浸Au (ENIG)、有机可焊性保护剂(OSP)、浸Ag，以及浸Sn。8.无铅焊料合金，主要由下列组成:0.0-1.76wt.%的Ag、0.01-1.5wt.^的⑶、至少一种下列添加剂:0.01-0.3wt.%的量的Mn和0.01-0.2wt.%的量的Ti，和至少一种下列进一步添加剂:0.01-0.2wt.% 的量的 Ce、0.01-0.4wt.% 的量的 Y、和 0.01_0.5wt.% 的量的 B1、和余量的Sn。9.焊球，其由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。10.焊粉，其由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。11.焊膏，包括由权利要求8所述的无铅焊料合金形成的焊粉。12.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。13.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求8所述的无铅焊料合金形成。14.无铅焊料合金，主要由下列组成:大于Owt.%并且小于或等于约2.6wt.%的量的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、和至少一种下列添加剂:0.001-1.0wt.%的量的Mn、和0.001-0.8wt.%的量的T1、和余量的Sn。15.权利要求14所述的无铅焊料合金，其中Mn的含量是0.01-0.3wt.%。16.权利要求14所述的无铅焊料合金，包括Ti，并且其中Ti的含量是0.01-0.2wt.%。17.焊球，其由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。18.焊粉，其由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。19.焊膏，包括由权利要求14所述的无铅焊料合金形成的焊粉。20.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。21.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求14所述的无铅焊料合金形成。22.权利要求14所述的无铅焊料合金，其中所述无铅焊料合金电子连接用一种或者多种下列材料形成的衬底表面防护层:电镀Ni/Au、非电镀的Ni浸Au (ENIG)、有机可焊性保护剂(OSP)、浸Ag，以及浸Sn。23.无铅焊料合金，其主要由下列组成:大于Owt.%小于或等于约2.6wt.%的量的Ag、0.01-1.5wt.%的Cu、和至少一种下列添加剂:0.001-1.0wt.%的量的Mn、和0.001-0.8wt.%的量的T1、和至少一种下列进一步添加剂:0.001-0.8wt.%的量的Ce、0.001-1.0wt.%的量的Y、和0.01-1.0wt.%的量的B1、和余量的Sn。24.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Ce的含量是0.01-0.2wt.%。25.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Mn的含量是0.01-0.3wt.%。26.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Y的含量是0.01-0.4wt.%。27.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Bi的含量是0.01-0.5wt.%。28.权利要求23所述的无铅焊料合金，其中Ti的含量是0.01-0.2wt.%。29.焊球，其由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。30.焊粉，其由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。31.焊膏，其包括由权利要求23所述的无铅焊料合金形成的焊粉。32.用于在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(BGA)，其中所述BGA中的焊球由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。33.电子器件中的焊接接头，其中所述焊接接头由权利要求23所述的无铅焊料合金形成。
【专利摘要】公开了具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头。在一种具体的示例性实施方式中，无铅焊料合金优选地包括0.0-4.0wt.％的Ag，0.01-1.5wt.％的Cu，至少一种下面的添加剂：0.001-1.0wt.％的量的Mn、0.001-0.8wt.％的量的Ce、0.001-1.0wt.％的量的Y、0.001-0.8wt.％的量的Ti、以及0.01-1.0wt.％的量的Bi，和余量的Sn。
【IPC分类】C22C13/00
【公开号】CN105063419
【申请号】CN201510520337
【发明人】W·刘, N-C·李
【申请人】美国铟泰公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2006年12月13日
【公告号】EP1977022A2, EP1977022A4, US20070134125, WO2007070548A2, WO2007070548A3