TW201634167A - 焊膏 - Google Patents

Abstract

提供一種包含金屬粉末的焊膏，其中，該金屬粉末由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成，該包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有比率為0.1質量%以上11.0質量%以下。

Description

焊膏

本發明係關於一種焊膏。

組裝各種電子部件或半導體元件等時使用的焊膏，要求其具備例如相對於被接合部件的可濕性等通常焊膏之特性，其中尤其要滿足以下(1)~(3)之特性。

(1)可在320℃以下的溫度進行焊接。

(2)安裝於印刷基板後進行焊接的部件，在最高工作溫度為200℃時不會再熔化。

(3)可確保焊料接合部的信賴性，即，在相對高溫之使用環境下焊料接合部也不發生劣化。

作為具備這些特性的焊膏，歷來使用例如包含Pb-5質量%Sn的高溫焊膏。然而，近年來從防止環境污染的方面考慮，要求使用不含鉛的，即通稱之無鉛高溫焊膏。然而作為無鉛高溫焊膏，尚未找到可滿足上述(1)~(3)全部特性的適當材料，仍在進行各種研究探討。

例如，專利文獻1揭露了一種焊膏，其包含第1焊料合金粉末約60重量%~約92重量%、第2焊料合金粉末大於0重量%且小於約12重量%、及助焊劑，且，該第1焊料合金粉末包含固相溫度超過約260℃之第1焊料合金，該第2焊料合金粉末包含固相溫度小於約250℃之第2焊料合金。其 中，第1焊料合金包括Bi-Ag、Bi-Cu或Bi-Ag-Cu合金。

<先前技術文獻> <專利文獻>

專利文獻1：日本國特表2013-525121號公報

被接合部件有時使用包含作為最表層之Au層及作為底層之Ni層的焊墊。

然而，使用專利文獻1揭露的含Bi合金的焊膏來接合該焊墊的情況下，底層的Ni在焊料內擴散，有時在焊料接合部形成脆弱的鉍-鎳(Bi-Ni)合金。此外，形成鉍-鎳合金時會發生體積收縮，有時在鉍-鎳合金層及其鄰接層之間會形成縫隙。因這些理由，焊料接合部的接合強度降低，而造成無法確保信賴性的問題。

鑑於上述歷來技術之問題，本發明之一型態其目的在於提供一種在對包含作為最表層的Au層以及作為底層的Ni層的焊墊進行焊接時，能夠形成接合強度充分的焊料接合部的焊膏。

為了解決上述問題，本發明之一型態提供一種包含金屬粉末的焊膏，該金屬粉末由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成，該包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有比率為0.1質量%以上11.0質量%以下。

根據本發明之一型態，提供一種在用於對包含作為最表層的Au層及作 為底層的Ni層的焊墊進行接合的情況下，能夠形成接合強度充分的焊料接合部的焊膏。

11‧‧‧基材

12‧‧‧焊墊

121‧‧‧Ni層

122‧‧‧Au層

13‧‧‧焊料接合部

14‧‧‧矽晶片

圖1是實施例、比較例中製作的試驗片的結構說明圖。

以下，關於本發明的焊膏的一實施方式進行說明。

本實施方式的焊膏包含金屬粉末，該金屬粉末由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成。且，包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有比率為0.1質量%以上11.0質量%以下。

本發明的發明者關於在使用含鉍合金的焊膏來對包含作為最表層的Au(金)層及作為底層的Ni(鎳)層的焊墊進行接合時，能夠形成接合強度充分的焊料接合部的方法進行了研究探討。其結果發現，作為焊膏中包含的金屬粉末，如果使用由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成的粉末，能夠抑制鉍-鎳合金的形成，並形成接合強度充分的焊料接合部，從而完成了本發明。

在此，首先關於本實施方式的焊膏包含的金屬粉末進行說明。

金屬粉末可由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成。即，金屬粉末可以是由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成的混合粉末。

關於包含鉍與銀的合金粉末進行說明。

包含鉍與銀的合金粉末中包含的鉍，可作為本實施方式的焊膏中添加的主成份。在此，主成份之意為焊膏中質量比含量最多之成份。

由於鉍熔點為271℃，因此，包含鉍時較容易獲得作為高溫無鉛焊膏被 要求在200℃左右的溫度不會再熔化且能夠在320℃以下的溫度進行焊接的焊膏。

關於包含鉍與銀的合金粉末，僅包含鉍時過於脆弱，因此通過添加銀而形成包含鉍與銀的合金粉末，能夠改善應力緩和性。包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有量優選為0.1質量%以上，更優選為1.0質量%以上。

其理由在於，通過使包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有量成為0.1質量%以上，能夠改善包含鉍與銀的合金的應力緩和性。

包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有量的上限值優選為11.0質量%以下，更優選為5.0質量%以下。其理由在於，包含鉍與銀的合金粉末中銀的含有量超過11.0質量%時，包含鉍與銀的合金的熔點可能會超過320℃，因此，對焊膏進行加熱使之熔化時，該熱量可能會損傷基板等被接合部件。

包含鉍與銀的合金粉末可以包含鉍、銀以外的任意成份。例如，包含鉍與銀的合金粉末還可以包含從Cu、Zn、Al、Ni、Ge、P等中選擇的1種以上的金屬。在此，本實施方式的焊膏為無鉛焊膏，因此，包含鉍與銀的合金粉末中，除了必不可缺之成份之外，不宜含鉛。另外，包含鉍與銀的合金粉末也可以僅由鉍及銀構成。即，包含鉍與銀的合金粉末可以是鉍-銀合金粉末。

以下，關於錫粉末進行說明。

根據本發明的發明者的研究，金屬粉末除了包含鉍與銀的合金粉末之外還包含錫粉末的情況下，焊墊包含的Au層的金與錫發生反應，而在焊墊表面與焊料接合部之間形成作為金與錫的合金層的AuSn層。形成的AuSn層發揮阻擋層的作用，能夠防止作為底層的Ni層的鎳在焊料接合部擴散， 從而抑制鉍-鎳合金的形成。由此，能夠形成接合強度充分的接合部，確保焊料接合部的信賴性。

錫粉末可由金屬錫單體構成。其理由在於，通過使用由金屬錫單體構成的錫粉末，能夠形成緻密的AuSn層，抑制鎳的擴散。

另外，作為包含鉍與銀的合金粉末的合金成份添加錫的情況下，或者，不添加金屬錫單體粉末，而是添加包含錫的合金粉末的情況下，包含錫的合金粉末在達到該合金的熔點之前不會熔化。相對於此，如本實施方式的焊膏，添加由金屬錫單體構成的錫粉末的情況下，錫粉末在錫熔點即能夠熔化，因此在較低的溫度就會熔化。由此，在錫熔點附近開始，焊墊中包含的Au層的金與錫發生反應而能夠形成AuSn層，從而能夠更確實防止作為底層的Ni層的鎳在焊料接合部擴散，抑制鉍-鎳合金的形成。

此外，如下所述，可以根據Au層的厚度等，任意選擇錫粉末的添加量。因此，除了向包含鉍與銀的合金粉末添加錫來構成合金之外，還可以與包含鉍與銀的合金粉末分開添加錫粉末，從而可以根據用途或作為被接合部件的焊墊的構成，容易的提供具有最適當組成的焊膏。

關於金屬粉末中錫粉末所占比率並無特別限定，例如，可以根據接合時使用的焊膏的量、被接合部件所包含的焊墊的Au層的厚度等，任意選擇。例如，金屬粉末中錫粉末所占比率優選為3.0質量%以上30.0質量%以下，更優選為5.0質量%以上20.0質量%以下。

其理由在於，金屬粉末中錫粉末所占比率為3.0質量%以上的情況下，可形成具有充分厚度的AuSn層，能夠更確實抑制鉍-鎳合金生成。然而，金屬粉末中錫粉末所占比率超過30.0質量%時，容易產生不與Au層的金發 生反應的剩餘錫，剩餘錫有時與鉍發生反應而生成鉍-錫合金。鉍-錫合金與鉍-銀合金相比較為脆弱。此外，鉍-錫合金的熔點低，根據生成量可能成為導致焊膏熔點降低的原因。因此，尤其對使用時等成為高溫的被接合部件等進行接合的用途中，由於存在焊料接合部的信賴性降低的危險性，因此優選30.0質量%以下。

關於構成金屬粉末的鉍-銀合金粉末、及錫粉末的粒經並無特別限定。例如，可以考慮作為焊膏時的分散程度、在焊墊上進行塗敷時的作業性，對構成金屬粉末的鉍-銀合金粉末、及錫粉末選擇任意的粒經。

以上說明的金屬粉末，如上所述由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成，然而並不排除包含不純物等不可缺少的成份的情況。

本實施方式的焊膏除了上述金屬粉末之外，還可以包含任意的成份。例如包含用於與金屬粉末混合而形成膏體狀的助焊劑。

關於助焊劑並無特別限定，例如，可以根據用途等，任意選擇樹脂類、有機酸類、無機酸類等。例如，可以使用包含松脂或樹脂、溶劑、活性劑、觸變劑(Thixotropic agent)等的助焊劑。

作為松脂，可以使用松脂或松脂衍生物等，作為溶劑可以使用乙二醇一丁基醚(ethylene glycol monobutyl ether)、乙二醇一苯基醚(Ethylene Glycol Monophenyl Ether)等。另外，作為活性劑可以使用二苯胍(Diphenylguanidine)HBr、二乙胺(diethylamine)HCl等，作為觸變劑可以使用氫化蓖麻油、脂肪酸醯胺等。

關於金屬粉末與助焊劑的混合比率並無特別限定，可以根據焊膏被要求的流動性等，任意選擇。例如，金屬粉末與助焊劑的混合物中助焊劑所 占比率優選為3.0質量%以上15.0質量%以下，更優選為5.0質量%以上12.0質量%以下。

以上就本實施方式的焊膏進行了說明，如上所述，本實施方式的焊膏尤其適合用於對包含作為最表層的Au層及作為底層的Ni層的焊墊、與其他被接合部件進行接合。然而其用途並不限定於此，例如，可應用於要求使用高溫無鉛焊膏的各種用途。

使用本實施方式的焊膏而形成的焊料接合部的接合強度根據被接合部件的材料或用途等而異，因此並無特別限定。在此，關於使用本實施方式的焊膏對2個被接合部件進行接合的構造體，其剛接合之後的接合強度(初期接合強度)優選為20.0MPa以上，更優選為30.0MPa以上。在此，可以通過室溫剪力試驗來測定構造體的接合強度。

另外，將使用本實施方式的焊膏對2個被接合部件進行接合而成的構造體置於200℃下進行100小時或200小時加熱後的接合強度也優選為20.0MPa以上，更優選為30.0MPa以上。在此，上述在200℃下的加熱時間可以包括從室溫開始升溫的時間。

根據以上說明的本實施方式的焊膏，將其用於對包含作為最表層的Au層及作為底層的Ni層的焊墊進行接合的情況下，能夠形成接合強度充分的焊料接合部。

[實施例]

以下舉出具體實施例、比較例進行說明，而本發明並不限定於這些實施例。

首先，關於通過以下實施例、比較例製作成的焊膏的評價方法進行說 明。

(接合試驗、接合界面的評價)

首先，製作了如圖1所示的試驗片。在此，圖1是表示與構成試驗片各層的疊層方向平行的面的示意性剖面圖。

如圖1所示，在20mm×20mm的科伐(kovar)材製作的基材11上製備形成有焊墊12的一方的被接合部件，該焊墊12包括作為底層的Ni層121及作為最表層的Au層122。在此，通過鍍層成模，形成20mm×20mm、膜厚5μm的Ni層121，以及20mm×20mm、膜厚3μm的Au層122。

然後，在焊墊12上，以3mm×3mm、厚度50μm至60μm的尺寸印刷通過各實施例、比較例製作的焊膏，形成了焊料接合部13。在焊料接合部13上，作為另一方的被接合部件，設置了3mm×3mm、厚度0.30mm的矽晶片14。

將準備好的構造體放置於加熱爐內，在大氣氛圍下，從室溫開始以4℃/秒的升溫速度升溫至320℃並保持3分鐘，然後冷卻至室溫，製作成試驗片。在此，為了實施下述200℃保持試驗，在各實施例、比較例以相同條件分別製作了4個試驗片。

針對在各實施例、比較例製作的試驗片中的1個試驗片，作為接合試驗，對一方的被接合部件與另一方的被接合部件是否接合進行了簡易確認。由於一方的被接合部件上設置有作為另一方的被接合部件的矽晶片14，用手對另一方的被接合部件施加水平方向的力時，如果另一方的被接合部件與一方的被接合部件分離了，就判斷為未能接合，評價為×。如果另一方的被接合部件與一方的被接合部件未分離，則判斷為接合，評價為○。

另外，作為接合界面的評價，針對試驗片的焊料接合部13與焊墊12的界面，利用SEM S-4800(HITACHI)及EDX GENESIS 2000(EDAX)進行了定性分析。在此，對Ni層121的鎳與鉍發生反應從而在焊料接合部13與焊墊12的界面是否產生鉍-鎳合金的情況進行了確認。如果未發現鉍-鎳合金生成就評價為○，如果確認到鉍-鎳合金的面積占接合界面的10.0%以上且未滿30.0%就評價為△，如果確認到鉍-鎳合金的面積占接合界面的30.0%以上就評價為×。

(剪力試驗)

對通過各實施例、比較例製作的具有圖1所示的構造的試驗片，在大氣氛圍下以200℃進行了規定時間的加熱，然後在室溫下實施了剪力試驗，以評價其接合強度。在此，在200℃下將試驗片保持100小時、200小時之後分別進行了評價。另外，為了進行對比，對進行200℃加熱之前的試料也實施了剪力試驗，以評價其初期接合強度。在此，該加熱時的保持時間，如下所述，還包含升溫時間。

由於剪力試驗為破壞性試驗，因此，對通過各實施例、比較例製作的試驗片中的3個試驗片分別測定了初期接合強度、保持100小時後的接合強度、保持200小時後的接合強度。

剪力試驗中，針對具有圖1所示的結構的試驗片，對基材11側的一方的被接合部件進行固定，並對矽晶片14施加了圖1所示實心箭頭A方向的力，並將試驗片被破壊時的強度作為該試驗片的接合強度。

在此，作為對試驗片進行200℃加熱時的條件，從室溫以1℃/分進行升溫，達到200℃之後保持200℃。接下來，從升溫開始經過100小時、或200 小時後，從加熱炉內取出試驗片，冷卻至室溫並進行了剪力試驗。

以下，關於各實施例、比較例的焊膏製作程序進行說明。

(實施例1)

準備了由包含銀0.5質量%、鉍99.5質量%的鉍-銀合金粉末(平均粒經30μm)、及錫粉末(平均粒經30μm)混合而成的金屬粉末。

在此，以金屬粉末中錫粉末含量成為5質量%、鉍-銀合金粉末成為95質量%之比率進行了混合。

以下，將上述金屬粉末的組成記載為Bi/0.5Ag+5Sn。

對上述金屬粉末與助焊劑進行混合，形成了焊膏。

作為助焊劑使用松脂主成分、非鹵素類，並調整助焊劑的添加量，使金屬粉末與助焊劑的混合物的粘度成為190Pa．S，混合兩者形成了焊膏。在此，粘度是指使用粘度計(株式會社MALCIM製 型號：PCU-203)在旋轉條件10rpm、25℃下測定的粘度。

以下實施例、比較例中調製焊膏時也以同樣方法調整了助焊劑的添加量，其結果焊膏中助焊劑的含量在7.0質量%~11.0質量%的範圍。

對獲得的焊膏實施了上述接合試驗、接合界面評價、剪力試驗。其結果如表1所示。

(實施例2~實施例11)

在各實施例中，除了使用如表1所示的組成的金屬粉末之外，其他按照與實施例1相同的方式製作了焊膏。

其中，實施例2所示的金屬粉末中，鉍-銀合金粉末包含0.5質量%的銀，其余部分，即99.5質量%由鉍構成。並且，金屬粉末包含10質量%的錫粉 末、90質量%的鉍-銀合金粉末。

另外，實施例11所示的金屬粉末中，包含鉍與銀的合金粉末除了包含鉍與銀之外，還包含銅、鎳及鍺。該包含鉍與銀的合金粉末包含3質量%的銀、0.1質量%的銅、0.1質量%的鎳、0.05質量%的鍺、96.75質量%的鉍。並且，金屬粉末中，該包含鉍與銀的合金粉末占90質量%、錫粉末占10質量%。

對通過各實施例獲得的焊膏，按照與實施例1相同的方式進行了評價。其結果如表1所示。

(比較例1~比較例3)

除了使用如表1所示的組成的金屬粉末之外，其他按照與實施例1相同的方式製作了焊膏。

對獲得的焊膏，與實施例1同樣進行了評價。其結果如表1所示。

(比較例4)

如表1所示，使用由包含2.6質量%銀的鉍-銀合金粉末(平均粒經30μm)、錫-鋅合金粉末混合而成的金屬粉末，其他按照與實施例1相同的方式製作了焊膏。

在此，如表1所示，金屬粉末中包含的鉍-銀合金粉末，包含2.6質量%的銀，作為其余部分的97.4質量%由鉍構成。

此外，如表1所示，錫-鋅合金粉末包含1.8質量%的鋅，其余98.2質量%由錫構成。

並且，金屬粉末包含20質量%的錫-鋅合金粉末，其余的部分，即80質量%為鉍-銀合金粉末。

對獲得的焊膏，與實施例1同樣進行了評價。其結果如表1所示。

(比較例5)

如表1所示，使用由包含2.6質量%銀的鉍-銀合金粉末(平均粒經30μm)、錫-銀-銅合金粉末混合而成的金屬粉末，其他按照與實施例1相同的方式製作了焊膏。

在此，如表1所示，金屬粉末包含的鉍-銀合金粉末，包含2.6質量%的銀，作為其余部分的97.4質量%由鉍構成。

另外，如表1所示，錫-銀-銅合金粉末包含0.06質量%的銀、0.01質量%的銅，其余的部分，即99.93質量%為錫。

並且，金屬粉末包含1.9質量%的錫-銀-銅合金粉末，其余的部分，即98.1質量%為鉍-銀合金粉末。

對獲得的焊膏，與實施例1同樣進行了評價，其結果如表1所示。

根據表1的接合試驗結果，實施例1~實施例11的焊膏中包含的金屬粉末均在320℃熔化，並確認到能夠對基材11上形成有焊墊12的一方的被接合部件、及作為矽晶片14的另一方的被接合部件進行接合。

相對於此，比較例3中，鉍-銀合金粉末中銀的含量較多，熔點提高，因此焊膏中的金屬粉末的一部分未熔化，確認到未能對一方的被接合部件及另一方的被接合部件進行接合。另外，表1中對比較例3的接合界面評價及剪力試驗記載了“-”，其理由在於未能對2個被接合部件進行接合，因此並未進行接合界面評價及剪力試驗。

另外，實施例1~實施例11的初期接合強度均為20MPa以上，並確認到能夠對2個被接合部件進行充分強度的接合。其理由被認為，對2個被接合部件進行接合時，在焊墊表面形成AuSn層，從而能夠抑制在焊料接合 部形成鉍-鎳合金。

此外，實施例4、實施例8的初期接合強度分別為22.0MPa、23.0MPa，雖然能夠發揮充分的初期接合強度，然而與實施例1等其他實施例相比，確認到其初期接合強度較小。

關於實施例4，由於金屬粉末中錫粉末的含量少，而有AuSn層形成不夠充分的部分，造成微量的鉍與鎳發生反應，因此接合界面的評價為△。由於形成一部分脆弱的鉍-鎳合金，因此被認為與其他實施例相比焊料接合部的初期接合強度較小。

另外，關於實施例8，由於金屬粉末中錫粉末的含量較多，因此被認為未與Au層的金發生反應的錫，與鉍發生反應而形成了鉍-錫合金。並且，由於鉍-錫合金比鉍-銀合金脆弱，因此被認為與其他實施例相比焊料接合部的初期接合強度較小。

相對而言，比較例1、2中，鉍-銀合金粉末中銀的含量較少，因此無法充分提高焊料接合部的接合強度，確認到初期接合強度為15.0MPa，比實施例1~實施例11小。

另外，確認到比較例4、比較例5的接合界面的評價為×。在本次接合試驗中確認到，向金屬粉末添加錫時優選添加錫粉末，而並非錫合金的粉末。

以上，關於焊膏根據實施方式及實施例等進行了說明，而本發明並不限定於上述實施方式及實施例等。在申請專利範囲所記載的本發明的要旨範囲內，可進行各種變形、変更。

本申請根據2015年3月31日向日本國專利廳申請的專利申請 2015-071978號請求優先權，且，本國際申請引用專利申請2015-071978號的全部內容。

Claims (5)

1. 一種包含金屬粉末的焊膏，其中，該金屬粉末由包含鉍與銀的合金粉末、及錫粉末構成，該包含鉍與銀的合金粉末中，銀的含有比率為0.1質量%以上11.0質量%以下。
2. 根據申請專利範圍第1項之焊膏，其中，該包含鉍與銀的合金粉末是由鉍與銀構成的鉍-銀合金粉末。
3. 根據申請專利範圍第1項之焊膏，其中，該金屬粉末中，該錫粉末所占比率為3.0質量%以上30.0質量%以下。
4. 根據申請專利範圍第3項之焊膏，其中，該包含鉍與銀的合金粉末是由鉍與銀構成的鉍-銀合金粉末。
5. 根據申請專利範圍第1至4的任1項之焊膏，其中，該焊膏用於對包含作為最表層的Au層及作為底層的Ni層的焊墊、及其他被接合部件進行接合。