无铅焊料合金、接合用构件及其制造方法、以及电子部件

摘要

本发明提供可以减少空隙的产生的无铅焊料及使用它的密合性、接合强度、加工性优异的接合用构件。具有包含Sn：0.1～3％、和/或Bi：0.1～2％、余部为In及不可避免的杂质的组成，是对于抑制钎焊时的空隙产生有效的无铅焊料合金。通过将该无铅焊料合金熔融，浸渍金属基材，对熔融了的无铅焊料合金和金属基材施加超声波振动，而在金属基材的表面形成无铅焊料合金层，制成接合用构件。借助该接合用构件将散热片和封装在助熔剂的存在下进行回流加热而钎焊。

说明书

技术领域

本发明涉及无铅焊料合金、接合用构件及其制造方法、以及电子部件， 具体来说，涉及可以减少焊料接合部中的空隙的产生的无铅焊料合金、使 用了该无铅焊料合金的接合用构件及其制造方法、和使用了该接合用构件 的电子部件。

背景技术

电子部件的轻质化、薄型化乃至小型化正得到推进。特别是，随着电 子部件的多功能化的推进，而追求半导体封装(以下记作“封装”)的小型 化及高密度化。由此，例如来自BGA等封装的发热量有增加的趋势。为 此，还要求提高封装的散热性。

为了提高封装的散热性，例如多使用Al制的散热片或散热用翅片之 类的用于将热向外部传递的散热用构件。散热用构件与封装被通过在它们 之间涂布油脂、或者通过夹隔着散热用的薄片或密封等向封装上贴附散热 用构件等而接合。借助这些途径的接合与金属的接合相比，在耐热性、接 合强度、乃至密合性的方面较差。最好将散热用构件与封装利用焊料等金 属化地接合。

近年来，为了防止环境污染，Pb焊料(例如Sn-Pb共晶焊料)的使 用受到限制。由此，封装的焊盘中所用的焊料正逐渐被替代为不含有铅的 无铅焊料。如果能够将使用无铅焊料的封装与上述的散热用构件在无铅焊 料的回流温度曲线中使用助熔剂进行回流加热而接合，则可以将散热用构 件与焊料焊盘分别钎焊。由于在安装工序上，可以利用一次的热的负荷来 实现焊料接合，因此可以将封装的翘曲或焊盘的再熔融之类的由热的负荷 造成的制造工序上的问题的产生抑制为最小限度。

这里，铟的熔融温度很低，为156℃，热传导性也很良好，而且环境 污染的可能性也很低。由此，在专利文献1～3中公开过使用铟将两个构 件接合的做法。

包含铟的无铅焊料合金(In含量实质上为100质量％)具有优异的 延展性。如果将由包含铟的无铅焊料合金制成的小片夹设于散热用构件与 封装之间，则对因热负荷而在接合面中产生的凹凸的追随性高，有望能够 避免在利用树脂等接合时不可避免地产生的构件的剥离。

但是，在包含In的无铅焊料合金中存在如下的问题，即，(a)由 于过于柔软，因此很难利用对小片的冲裁加工或压延加工成形为所需的形 状，(b)由于为了确保耐冲击性，需要确保小片的厚度为1.5mm～2.5mm， 因此会阻碍电子部件的小型化或薄型化，并且在焊料接合时熔融了的无铅 焊料合金向接合部位以外渗出而损害封装的绝缘性，引起电路的短路。

由此，对于借助该无铅焊料合金的焊料接合，例如可以考虑如下的做 法，即，(i)在Cu、Ni、Au等的热传导性良好的金属基材的表面涂布 助熔剂，(ii)利用将该基材浸渍于熔融焊料中的熔融焊料镀膜法(浸渍 法)，在金属基材的表面形成无铅焊料合金层而作为接合用构件，(iii) 将该接合用构件夹设于散热用构件与封装之间，在助熔剂的存在下进行回 流加热。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-020143号公报

专利文献2：日本特表2002-542138号公报

专利文献3：日本特开2001-230349号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明人等进行了研究，结果判明，如果将具有包含In的无铅焊料 合金层的接合用构件夹设于散热用构件与封装之间，进行回流加热，就会 在散热用构件或封装与接合用构件的接合部的内部产生大量的空隙，这 样，接合部的接合强度、散热用构件与封装的密合性就会不足。

另外，在接合用构件的制造中通常使用助熔剂。由此还可以判明，由 于焊料层中不可避免地残存的助熔剂的残渣的原因，会进一步诱发接合部 的内部的空隙的产生。

解决课题的手段

本发明人等为了解决上述问题反复进行了深入研究，结果得到以下列 出的见解，从而完成了本发明。

(i)以单独地、或者复合地添加了少量的Sn、Bi的In作为主成分 的无铅焊料合金不会损害In本质上所具有的延展性，利用Sn、Bi的作用 可以在焊料接合时发挥良好的浸润性。这样，上述的无铅焊料合金可以提 高焊料接合部的空隙的排出性，可以减少残留于接合部的内部的空隙量。

(ii)通过向熔融了的上述的无铅焊料合金中浸渍金属基材，对熔融 了的无铅焊料合金及金属基材施加超声波振动，就可以不用使用助熔剂 地、维持足够的密合性地在金属基材的表面形成热传导性优异的无铅焊料 合金层，因此优选。

本发明提供一种无铅焊料合金，其特征在于，具有包含Sn：0.1～3 ％(本说明书中只要没有特别指出，有关化学组成的“％”就是指“质量 ％”)、和/或Bi：0.1～2％、余部为In及不可避免的杂质的化学组成。

从另一个观点出发，本发明提供一种接合用构件，其特征在于，具备 金属基材、优选具有Cu含量为95％以上的化学组成的金属基材、和形成 于该金属基材的至少接合区域的无铅焊料合金层，该无铅焊料合金层具有 上述的任意一种的化学组成。

该接合用构件由于在金属基材的表面具备无铅焊料合金层，因此可以 实现薄型化，并且加工为小片状的冲裁加工或压延加工时的形状保持性也 很良好，具有优异的量产性及加工性。

从另一个观点出发，本发明提供一种接合用构件的制造方法，其特征 在于，通过将金属基材浸渍于具有上述的化学组成并且处于熔融状态的无 铅焊料合金中，优选通过将金属基材浸渍于无铅焊料合金中后对金属基材 及无铅焊料合金施加超声波振动，而在该金属基材的至少接合区域形成无 铅焊料合金层。这样，由于可以不用使用助熔剂地、维持足够的密合性地 在金属基材的表面形成热传导性优异的无铅焊料合金层，因此可以减轻因 焊料层中残存助熔剂的残渣而引起的空隙的产生，并且可以消除因助熔剂 含有卤化物而采取环境对策或废水处理对策的必要性。

从另一个观点出发，本发明提供一种电子部件，其特征在于，具备上 述的本发明的接合用构件、与该接合用构件的接合区域抵接地配置的第一 构件(例如搭载于印制电路板中的BGA等封装)及第二构件(例如散热 用构件)，第一构件及第二构件被通过将接合用构件、第一构件及第二构 件在助熔剂的存在下进行回流加热，而借助接合用构件接合。

这样，由于第一构件及第二构件被介由金属制的本发明的接合用构件 接合，并且如上所述，该接合用构件可以抑制接合部的空隙的产生，因此 可以进行密合性或接合强度优异的接合。具体来说，可以例示出将接合用 构件与第一构件及第二构件的接合部的下述空隙率抑制为33.0％以下的 例子。

空隙率：在5mm×5mm的非电解镍金镀膜平台上涂布助熔剂，夹入 厚100μm、5mm×5mm的薄片的焊料合金，以峰值温度为160℃的回流温 度曲线进行回流加热后，使用东芝IT公司制的X射线观察装置 TOSMICRON 6090FP，测定三次空隙面积相对于平台面积的比例，是三次 的测定值的平均值。

发明的效果

根据本发明的无铅焊料合金，由于第一构件及第二构件的焊料接合部 的空隙的排出性优异，因而可以减少残留于接合部的内部的空隙量，从而 提高第一构件及第二构件的密合性或接合强度。

本发明的接合用构件可以实现薄型化，并且加工为小片状的冲裁加工 或压延加工时的形状保持性也很良好，可以获得优异的量产性及加工性。

根据本发明的接合用构件的制造方法，可以减少因在焊料层中残存助 熔剂的残渣而引起的空隙的产生，并且可以消除因助熔剂含有卤化物而采 取环境对策或废水处理对策的必要性。

此外，根据本发明的电子部件，可以在明显地抑制接合部的空隙的产 生的同时，以良好的密合性或接合强度将第一构件(例如搭载于印刷电路 板中的BGA等封装)及第二构件(例如散热用构件)接合。

附图说明

图1是本发明的电子部件的正面的剖面图。

图2是表示回流温度曲线的一例的曲线图。

图3是拍摄本发明的实施例的空隙的产生状況得到的X射线照片。

图4是拍摄本发明的比较例的空隙的产生状況得到的X射线照片。

符号说明

1第二构件

2无铅焊料合金层

3铜基材

4第一构件

5接合用构件

6电子部件

具体实施方式

对本发明的无铅焊料合金、接合用构件及其制造方法、电子部件依次 进行说明。

1.无铅焊料合金

对如上所述地限定无铅焊料合金的化学组成的理由进行说明。

通过使无铅焊料合金的化学组成满足上述的范围，可以改善无铅焊料 合金的焊料接合时的浸润性。这样，就会提高第一构件及第二构件的焊料 接合部的空隙的排出性，明显地减少残留于接合部的内部的空隙量。由此， 就会提高被焊料接合的第一构件及第二构件的密合性或接合强度。

具体来说，如果Sn含量小于0.1％，则与作为金属基材的Cu、Ni、 Au的反应性降低，无法发挥作为接合用构件要求的功能。另外，如果Sn 含量超过3％，则不能将接合部的空隙率抑制为所需的程度。所以，将 Sn含量限定为0.1～3％。

另一方面，如果Bi含量小于0.1％，则浸润性降低，钎焊性变差。另 外，如果Bi含量超过2％，则确认有脆性，以至无法构成接合用构件。 所以，将Bi含量限定为0.1～2％。

另外还因为，通过使无铅焊料合金的化学组成满足上述的范围，无铅 焊料合金就会在130～160℃熔融。对该理由进行说明。

作为在封装的焊盘中普遍使用的无铅焊料，已知除了Sn-3.5Ag(熔 点221℃、以下的括号内记载的温度都是熔点)、Sn-5Sb(235～240℃)、 Sn-0.75Cu(227℃)、Sn-2In(224～229℃)、Sn-58Bi(139℃)以 及Sn-9Zn(199℃)等二元合金以外，还有向它们中又添加了添加物的 三元以上的合金。而且，也可以考虑在封装中使用的焊盘的一部分中今后 继续使用Sn-Pb共晶焊料(熔点183℃)。

这里，本发明通过将使用这些焊料的封装与散热用构件以本发明的无 铅焊料合金的回流温度曲线进行加热来实现接合。如上所述，在焊盘中使 用的焊料中也有低熔点的，由此，本发明的无铅焊料合金最好是低熔点金 属。

另一方面，对于本发明的无铅焊料合金的熔点，为了确保耐热性，需 要为JIS C 0025中所规定的温度变化试验方法中普遍使用的125℃以 上，再考虑到实用性，需要为130℃以上。此外，回流温度曲线一般来说 被设定为比焊料的液相线温度还要高20℃左右的温度。

根据以上的理由，本发明的无铅焊料合金优选在130℃以上160℃以 下的温度下熔融的材料。由此，将本发明的无铅焊料合金的化学组成如上 所述地限定。

此外还因为，如果无铅焊料合金的化学组成满足上述的范围，则不仅 可以维持In所具有的优异的热传导性及延展性，而且环境污染的可能性 也很低。因热传导性良好，就可以将封装中产生的热有效地向散热用构件 传递。另外，因延展性良好，对因热负荷而在接合面中产生的凹凸的追随 性提高，可以避免封装及散热用构件的剥离。

根据以上的理由，将本发明的无铅焊料合金的化学组成限定为：

(a)Sn：0.1～3％、余部为In及不可避免的杂质、

(b)Bi：0.1～2％、余部为In及不可避免的杂质、或者

(c)Sn：0.1～3％、Bi：0.1～2％、余部为In及不可避免的杂质。

而且，以不丧失上述的特征为条件，本发明的无铅焊料合金也可以含 有Al：0.01％以下、Ni：0.1％以下、Cu：0.1％以下的任意1种以上。通 过含有0.01％以下的Al，有望提高延展性。另外，通过含有0.1％以下的 Ni、和/或0.1％以下的Cu，有望提高钎焊性。

2.接合用构件及其制造方法

接合用构件具备金属基材及无铅焊料合金层，因此对它们依次进行说 明。

[金属基材]

金属基材在其一部分或全部中，具有用于将第一构件及第二构件接合 的接合区域。例示如下的情况，即，将金属基材的一个面的全部或者一部 分设为用于接合第一构件的第一接合区域，并且将另一个面的全部或者一 部分设为用于接合第二构件的第二接合区域。

从具有高热传导率、具有优异的加工性、以及与上述无铅焊料合金的 反应性良好的方面考虑，金属基材最好是具有Cu含量为95％以上的化学 组成的铜基材。对于铜基材的厚度，从接合用构件的强度确保及薄型化的 观点考虑，最好设为0.05～0.5mm。

而且，金属基材除了上述铜基材以外，像Ni基材或Au基材那样， 只要是与Sn或Bi、In反应的金属基材，都可以同样的适用。

[无铅焊料合金层]

在金属基材的至少上述的接合区域，形成无铅焊料合金层。该无铅焊 料合金层具有上述的化学组成。

对于无铅焊料合金层的厚度，为了确保良好的钎焊性，最好单面为 15～60μm。而且，无铅焊料合金层既可以仅为对与第一构件、第二构件 的接合来说所必需的部分地在金属基材的两面或单面局部地形成，也可以 在金属基材的两面或单面整面地形成。

该接合用构件由于在金属基材的表面具备无铅焊料合金层，因此可以 实现薄型化，并且加工为小片状的冲裁加工或压延加工时的形状保持性也 很良好，具有优异的量产性及加工性。

[制造方法]

接合用构件是通过将上述的金属基材浸渍于具有上述的化学组成并 且处于熔融状态的无铅焊料合金中而制造的。

在该浸渍时，也可以依照常法使用助熔剂，然而最好在将金属基材浸 渍于无铅焊料合金中后通过对金属基材及无铅焊料合金施加超声波振动， 而在该金属基材的至少接合区域形成无铅焊料合金层。

例示出如下的情况，即，将对金属基材及无铅焊料合金施加的超声波 振动设为40KHz，将基板与喇叭(共振体)之间的距離设为2mm。

这样，就可以不使用助熔剂地、维持足够的密合性地在金属基材的表 面形成无铅焊料合金层。由此，就可以消除因在焊料层中残存助熔剂的残 渣而引起的空隙的产生，并且消除因助熔剂含有卤化物而采取环境对策或 废水处理对策的必要性。

本发明中，通过适当地变更金属基材的坯料、厚度、形状、所形成的 无铅焊料合金层的组成，可以自由地改变接合用构件的特性。另外，金属 基材同无铅焊料合金的反应速度与金属基材及无铅焊料合金层各自的化 学组成的组合对应地而变动。但是，通过适当地变更形成无铅焊料合金层 时的进送速度(熔融焊料槽浸渍时间)、熔融焊料槽的温度、冷却速度， 可以控制无铅焊料合金层的厚度。

通过使用以上的手法，可以根据对接合用构件要求的各种特性，恰当 地灵活地变更接合用构件的特性(例如耐热性、密合性、接合强度等)。

3.电子部件

图1是本发明的电子部件的正面的剖面图。

在第一构件4(例如搭载于印制电路板中的BGA等封装)上，在铜 基材3的两面放置形成有无铅焊料合金层2的本发明的接合用构件5，然 后，在该接合用构件5上放置第二构件1(例如作为散热用构件的Al制 的散热片)。

此后，通过保持该状态地将第一构件4、第二构件1及接合用构件5 的整体在助熔剂的存在下进行回流加热，而将第一构件4及第二构件1 借助接合用构件5接合。

回流温度曲线随着对其他的面安装部件印刷供给的无铅钎焊膏的合 金组成而不同。图2是表示回流温度曲线的一例的曲线图。

如图2的曲线图所示，在所供给的无铅钎焊膏的合金组成为普通的 Sn-Ag-Cu系的情况下，最好是峰值温度为240℃左右、达到熔融时间 的处于220℃以上的时间为40秒左右的回流温度曲线。在供给像Sn-Bi 系那样的低熔点焊料合金的情况下，最好是峰值温度为160℃左右、达到 熔融时间的处于140℃以上的时间为40秒左右的回流温度曲线。

其结果是，由于将第一构件4及第二构件1借助金属制的本发明的接 合用构件5接合，并且如上所述，该接合用构件5可以抑制接合部的空隙 的产生，因此可以制造将第一构件4及第二构件1与接合用构件5以足够 的密合性、并且以高接合强度良好地接合的电子部件6。

具体来说，将接合用构件5与第一构件4及第二构件1的接合部的下 述空隙率抑制为33.0％以下。

空隙率：在5mm×5mm的非电解镍金镀膜平台上涂布助熔剂，夹入 厚100μm、5mm×5mm的薄片的焊料合金，以峰值温度为160℃的回流温 度曲线进行回流加热后，使用东芝IT公司制的X射线观察装置 TOSMICRON 6090FP，测定三次空隙面积相对于平台面积的比例，是三次 的测定值的平均值。

而且，本发明是在金属基材上覆盖有焊料的构件。实际上在该构件被 与散热片等接合时，焊料与对散热片进行处理的镀膜发生反应。由此，利 用使用厚100μm、5mm×5mm的薄片的焊料合金的上述的评价方法，也可 以充分地再现本发明的效果。

本发明的接合用构件也可以通过将预先以恰当形状成形的金属基材 浸渍于熔融有本发明的无铅焊料合金的熔融焊料槽中，对熔融焊料和金属 基材施加超声波振动而形成无铅焊料合金层来制成。

另外，也可以在金属基材上形成无铅焊料合金层后，对该金属基材进 行冲裁等成形加工。这样，例如也能够以颗粒或垫圈之类的形状将接合用 构件成形，能够与BGA等周围的形状匹配地进行成形加工。此外，还可 以加工为接合用导电性带而使用。

本发明不仅可以适用于散热用构件的接合，而且由于可以不使用助熔 剂地在金属基材的表面形成无铅焊料合金层，因此也可以适用于想要避免 使用助熔剂的半导体部件的内部的构件的接合等。

实施例1

以下，将本发明的实施例表示于表1及图3中，并且将本发明的比较 例表示于表1及图4中。

[表1]

焊料熔融温度使用差示热分析仪测出。装置使用了Seiko Instruments 公司制的DSC6200。升温速度设为5℃/min，测定样品重量设为10±1mg。 固相线温度设为差示热分析的加热曲线的吸热峰开始点，液相线温度设为 差示热分析的加热曲线的吸热峰结束点。另外，对于温度适当与否，根据 本分析的结果，将焊料的固相线温度为130℃以上且液相线温度为160℃ 以下的设为○，将其以外的设为×。

空隙率利用上述的方法测定。而且，对于助熔剂的涂布，由于是借助 使用了厚100μm的金属掩模的印刷的供给方法，因此涂布量在全部的试 样中都是恒定的。

Rv＝Sv/Sl×100    Rv：空隙率(％)

                  Sv：空隙面积的和

                  Sl：平台面积(25平方毫米)

从表1、图3及图4中清楚地看到，本发明的无铅焊料合金由于熔点 为130～160℃，因此在160℃峰值的回流温度曲线中具有足够的熔融性。

另外，如果考虑无铅焊料合金层与所接合的构件的密合性、或者热传 导性，则接合部的空隙越少越好，从而需要有无铅焊料合金的对于Cu的 良好的浸润性。由于Bi、Sn会提高无铅焊料合金对Cu的浸润性，因此 通过添加Bi、Sn，空隙率降低。

而且，比较例7、8由于熔点没有进入130～160℃的范围，因此无法 算出空隙率。