具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头的制作方法
【专利说明】具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头
本申请是分案申请，原申请的申请日为2006年12月13日、申请号为200680046350.5 (PCT/US2006/047476)、发明名称为“具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头”。
相关申请的交叉文献
[0001]本专利申请要求2005年12月13日提交的美国临时专利申请60/749，615的优先权，其在此以其全部引入以作参考。
发明领域
[0002]本发明一般涉及电子装置中使用的无铅焊料合金组合物，特别是具有改良的抗跌落冲击性的无铅焊料合金及其焊接接头。
发明背景
[0003]在替代传统锡-铅焊料的各种无铅焊料合金选择中，锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金是目前最受欢迎的，原因在于它们相对优良的焊接性能、卓越的抗蠕变性能、和热疲劳可靠性，以及它们与目前组分的相容性。不同国家的工业组织已经提出并推荐使用多种 Sn-Ag-Cu 合金。例如:由日本 Japan Electronic Industry DevelopmentAssociat1n(JEIDA)提出的Sn_3.0 Ag-0.5 Cu(wt.%)，由欧盟the European ConsortiumBRITE-EURAM 提出的 Sn_3.8 Ag-0.7 Cu (wt.% )，以及由美国 the Nat1nal ElectronicsManufacturing Initiative (NEMI)提出的 Sn-3.9 Ag-0.6 Cu (wt.% ) 0 然而，关于无铅焊料合金的最近研究表明:由这些推荐的Sn-Ag-Cu合金形成的焊接接头可能是脆性的，并且在跌落冲击荷载下是易于过早界面损坏的。尽管已经发现减少Sn-Ag-Cu合金中的银含量是有帮助的，然而这些合金的跌落测试效果仍然劣于低共熔的锡-铅的性能。传统上，主要通过热疲劳性能评价焊接接头可靠性，因为在电子互连中热疲劳开裂(thermal fatiguefracture)是关键的损坏模式(critical failure mode)。随着工业向仪器小型化推进以及便携式电子产品增加的应用，在电子封装中除了传统的热疲劳可靠性(thermal fatiguereliability)之外，焊接接头的冲击可靠性成为关键。
[0004]由于前面所述，期望提供具有改良的跌落冲击可靠性的Sn-Ag-Cu基焊料合金及其焊接接头。
发明概述
[0005]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Μη、0.001-0.8wt.%的量的Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Υ、0.001-0.8wt.% 的量的 T1、以及 0.01-1.0wt.% 的量的 Bi，和余量的Sn。
[0006]根据这个具体示例性实施方式的其它方面，Ag的优选含量是0.0-2.6wt.%。
[0007]根据这个具体示例性实施方式的又一方面，Mn的优选含量是0.01-0.3wt.%。
[0008]根据这个具体示例性实施方式的另外的方面，Ce的优选含量是0.01-0.2wt.%。
[0009]仍然根据这个具体示例性实施方式的其它方面，Ti的优选含量是0.01-0.2wt.%。
[0010]仍然根据这个具体示例性实施方式的又一方面，Y的优选含量是0.01-0.4wt.%。
[0011]仍然根据这个具体示例性实施方式的另一方面，Bi的优选含量是0.01-0.5wt.%。
[0012]仍然根据这个具体示例性实施方式的又一方面，无铅焊料合金可以电子连接用一种或者多种下述材料形成的衬底表面防护层:电镀Ni/Au、非电镀的Ni浸Au (electroless Ni immers1n Au (ENIG))、有机可焊性保护剂(organic solderabilitypreservatives (OSP))、浸 Ag 以及浸 Sn。
[0013]在另一种具体示例性实施方式中，焊球可由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag，0.01-1.5wt.%白勺Cu，至少一种下面的添加剂:0.001-1.0wt.%的量的Μη、0.001-0.8wt.% 的量的 Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Υ、0.001-0.8wt.% 的量的 T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。
[0014]在仍然另一种具体示例性实施方式中，焊粉可由无铅焊料合金形成，其优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag，0.01-1.5wt.^的⑶，至少一种下面的添加剂:0.001-1.0wt.%的量的 Μη、0.001-0.8wt.% 的量的 Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Υ、0.001-0.8wt.% 的量的 T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。
[0015]在又一种具体示例性实施方式中，焊膏可包括由无铅焊料合金形成的焊粉，该合金优选地包括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 Μη、0.001-0.8wt.% 的量的 Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Y、0.001-0.8wt.%的量的T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。
[0016]在仍然另一具体示例性实施方式中，在印制电路板上排列电子组件的球栅阵列(ball grid array (BGA))可包括由无铅焊料合金形成的焊球，该合金优选地包括0.0-4.0wt.%的Ag, 0.01-1.5wt.%白勺Cu，至少一种下面的添加剂:0.001-1.0wt.%的量的Μη、0.001-0.8wt.% 的量的 Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Υ、0.001-0.8wt.% 的量的 T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。
[0017]在仍然又一具体的示例性实施方式中，电子器件中的焊接接头可由无铅焊料合金形成，该合金优选地包括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T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。
[0018]现在，本发明将参考其所附附图中说明的示例性实施方式更详细地予以描述。尽管本发明参考示例性实施方式在下面予以描述，应当理解本发明不限于此。具有接触本文教导的机会的本领域普通技术人员将认识到本文所述本发明范围之内的和本发明可能具有重要的实用性的另外的实施、修改和实施方式，以及其它使用领域。
附图简述
[0019]为了帮助对本发明更完全的理解，现在对所附附图进行参考，其中相同的元素用相同的数字进行标注。这些附图不应该被解释为对本发明的限定，而仅仅意欲是说明性的。
[0020]图1是表明对比的抗跌落冲击性数据的表，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焊状态焊接接头(a s -r e f I ο w e dsolder joints)。
[0021]图2是表明由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金和对照焊料合金的对比熔化行为的表。
[0022]图3是表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焊状态焊接接头的，且其在150°C下热老化四个星期。
[0023]图4显示了 BGA测试试样、PCB衬底，以及由其产生的模拟BGA组件，其用于测试根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的焊接接头。
[0024]图5说明了抗跌落冲击性检测器，其用于检测根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金形成的焊接接头。
[0025]图6是说明Ag含量对跌落冲击性能的对比影响图，其是关于由根据本发明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。
[0026]图7是说明对比的平均跌落冲击性能的图，其是关于由根据本发明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。
示例性实施方式的详述
[0027]本发明涉及具有改良的跌落冲击可靠性的Sn-Ag-Cu基(即，无铅)焊料合金和其焊接接头。该公开的Sn-Ag-Cu基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Μη、0.001-0.8wt.%的量的Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Υ、0.001-0.8wt.% 的量的 T1、以及 0.01-1.0wt.% 的量的 Bi，和余量的Sn。
[0028]与那些已经受到推荐并且目前在工业中使用的传统Sn-Ag-Cu焊料合金制造形成的焊接接头相比，由上述无铅焊料合金形成的焊接接头具有更高的抗跌落冲击性。
[0029]公开的Sn-Ag-Cu基焊料合金具体地适用于，但不限于，生产要求高跌落冲击可靠性的焊料凸点，如那些球栅阵列(BGA)封装中的，尤其是在移动和便携电子产品中使用时。
[0030]参考图1，其是说明对比的抗跌落冲击性的数据表，该数据是关于由根据本发明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。根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金包括Sn-Ag-Cu基焊料合金，其包括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 Μη、0.001-0.8wt.% 的量的 Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Υ、0.001-0.8wt.% 的量的 T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。对照焊料合金包括Sn-3.0 Ag-0.5 Cu、Sn-3.8Ag-0.7 Cu、Sn-1.0 Ag-0.5 Cu以及63Sn37Pb焊料。如图1表中所示，根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金显示了更好的抗跌落冲击性能。
[0031]参考图2，其是说明由根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金和对照焊料合金的熔化行为的对比表。根据本发明的实施方式配制的示例性焊料合金包括Sn-Ag-Cu基焊料合金，其包括0.0-4.0wt.%的Ag，0.01-1.5wt.%的Cu，至少一种下面的添加齐IJ:0.001-1.0wt.% 的量的 Μη、0.001-0.8wt.% 的量的 Ce、0.001-1.0wt.% 的量的 Y、0.001-0.8wt.%的量的T1、以及0.01-1.0wt.%的量的Bi，和余量的Sn。对照焊料合金包括 Sn-3.0 Ag-0.5 Cu、Sn-3.8 Ag-0.7 Cu、Sn-1.0 Ag-0.5 Cu 以及 63Sn37Pb 焊料。焊料合金的恪化温度范围由差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry (DSC))测量。DSC样品的质量是大约5-15mg，扫描率是10°C/min。对于每种焊料合金，样品被扫描两次。第一次从环境温度扫描样品至350°C，接着自然冷却降至环境温度，然后再次扫描至350°C。第二次扫描的温度记录被用于表示合金的熔化行为。如图2表中所示，根据本公开，小量添加剂的加入对相应Sn-Ag-Cu焊料合金的熔化行为具有微不足道的影响