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。特别是涉及连接可靠性优异的Sn-Bi-Cu-Ni系无铅 软钎料合金。
【背景技术】
[0002] 近年来，移动电话等电子设备具有小型化、薄型化的倾向。这种电子设备所使用的 半导体装置等电子部件中，已经开始使用使厚度薄至几_左右~Imm以下的基板。
[0003] 另一方面，一直以来，作为无铅软钎料广泛使用Sn-Ag-Cu软钎料合金。Sn-Ag-Cu 软钎料合金的熔点比较高，即使是属于共晶组成的Sn-3Ag-0. 5Cu软钎料合金也表现出 220°C左右。因此，利用Sn-Ag-Cu软钎料合金对前述那样的薄基板的电极进行软钎焊时，由 于接合时的热而使基板发生应变，有时产生接合不良。
[0004] 针对这种连接不良，进行如下方法：通过在低温下进行软钎焊，从而抑制薄基板的 应变，提高连接可靠性。作为能应对该方法的低熔点软钎料合金，已知有Sn-Bi软钎料合 金。该软钎料合金当中，Sn-58Bi软钎料合金的熔点相当低，为140°C左右，能够抑制基板的 应变。
[0005] 但是，Bi原本是较脆的元素，Sn-Bi软钎料合金也脆。即使减少Sn-Bi软钎料合金 的Bi的含量，也会由于Bi在Sn中偏析而发生脆化。使用Sn-Bi软钎料合金进行软钎焊而 得到的钎焊接头在施加较大应力时担心因其脆性而产生龟裂，机械强度劣化。
[0006] 另外，为了应对电子部件的小型化，必须缩小其使用的基板的面积，必须实现电极 的小型化、电极间的低间距化。进而，用于进行软钎焊的软钎料合金的用量减少，因此钎焊 接头的机械强度降低。
[0007] 于是，专利文献1中，公开了为了能够进行具有高接合强度的软钎料接合而在 Sn-Bi软钎料合金中添加Cu和Ni而得到的Sn-Bi-Cu-Ni无铅软钎料合金。根据该文献，使 用该软钎料合金的接合部由于在软钎料接合部中和/或软钎料接合界面形成具有六方最 密堆积结构的金属间化合物，因此接合强度提高。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 :日本特开2013-00744号公报
【发明内容】
[0011] 发明要解决的问题
[0012] 电子部件的电极通常为Cu，对于该Cu电极，通常覆盖有无电极镀Ni层、化学镀 Ni/Au层、化学镀Ni/Pd/Au层。如此，Cu电极利用Au、Au与Pd的组合那样的贵金属进行了 化学镀处理。镀Au层抑制基底的镀Ni层的氧化，改善与熔融软钎料的润湿性。关于化学 镀Ni层，形成含有源自化学镀中使用的还原剂（例如，次磷酸钠）的相当大量的P的镀Ni 层。这种镀Ni层至少含有几质量百分数的P、例如2~15质量％。
[0013] 但是，专利文献1中记载了为了在软钎料合金与自电极引出的Cu布线部的接合界 面形成六方最密堆积结构的金属间化合物，而在Sn-Bi软钎料合金中添加Cu、Ni，但没有公 开具体的合金组成，也没有记载用于证明接合强度提高的效果的结果。该文献中记载了在 Sn为57atm%、Bi为43atm%的组成中添加的Cu、Ni的含量的范围，但不清楚是否在该范围 内接合强度都会提高。
[0014] 另外，该文献中记载了作为软钎料合金的接合对象，有印刷基板的Cu布线部、不 含Cu的布线部，但除了布线部为Cu之外，不清楚接合对象为怎样的构成。如前所述，该文 献中没有公开软钎料合金的具体的合金组成，因此，除了在电极与软钎料合金的接合界面 形成金属化合物之外，关于接合界面的状态没有任何公开或启示。因此，很难认为满足该文 献中公开的Bi、Cu和Ni的含量的所有软钎料合金在用于例如进行了化学镀Ni处理的Cu 电极的软钎焊时能够解决以下那样的问题。
[0015] 对进行了化学镀Ni处理的电极进行软钎焊时，软钎料合金中的Ni的扩散系数大 于P的扩散系数，因此Ni优先地在软钎料合金中扩散，在软钎料合金与电极的接合界面产 生P的浓度较高的部分，形成所谓P富集层。该P富集层硬脆，因此使钎焊接头的剪切强度 劣化。具有这种P富集层的钎焊接头因剪切而断裂时，发生镀Ni层露出的现象。该断裂不 是钎焊接头自身的断裂，而是由电极上形成的P富集层的剥离而引起的。因此，P富集层的 形成会对钎焊接头的连接可靠性造成不利的影响。
[0016] 同样地，对未进行镀覆处理的Cu电极进行软钎焊时，也不清楚满足该文献中公开 的各元素的含量范围的所有软钎料合金是否都表现出高接合强度。
[0017] 此处，本发明的课题在于提供如下的Sn-Bi-Cu-Ni系无铅软钎料合金，即所述无 铅软钎料合金为低熔点且延性优异，拉伸强度高，此外，对进行了化学镀Ni处理的Cu电极 进行软钎焊时，由该软钎焊形成的钎焊接头表现出高剪切强度，从而抑制软钎料接合时的 基板的热应变，具有优异的连接可靠性。另外，本发明的课题在于提供对于未进行镀覆处理 的Cu电极，由软钎焊形成的钎焊接头也表现出高剪切强度，从而具有优异的连接可靠性的 Sn-Bi-Cu-Ni系无铅软钎料合金。
[0018] 用于解决问题的方案
[0019] 本发明人等着眼于，对具有由化学镀Ni处理形成的含P镀Ni层的电极进行软钎 焊时，为了提高剪切强度，软钎料合金中的Ni的扩散系数大于P的扩散系数。此外，本发明 人等想到通过在软钎焊时抑制Ni向软钎料合金中的扩散，从而能够抑制P富集层的生长， 为了提高剪切强度而进行了深入研究。
[0020] 首先，本发明人等在Sn-Bi软钎料合金中仅添加0. 5质量％左右的Cu，对具有化学 镀Ni层的Cu电极进行了软钎焊，结果发现由软钎焊形成的钎焊接头的剪切强度差。因此， 在该Sn-Bi-Cu软钎料合金中，将Cu的含量增加至I. 1质量％，发现剪切强度也没有改善， 进而熔点高且延性大幅劣化。换言之，本发明人等发现，仅在Sn-Bi软钎料合金中添加Cu， 也无法提高所形成的钎焊接头的剪切强度，根据Cu的含量而产生高熔点、低延性等问题。
[0021] 因此，本发明人等在通过仅添加Cu而得到的前述见解的基础上，着眼于在Sn-Bi 软钎料合金中添加的Cu的含量和与Cu无限固溶的Ni，精密地调查Ni的含量。其结果，本 发明人等发现，Cu为0.3~1.0质量％、Ni为0.01~0.06质量％时，为低熔点，延性优异 且拉伸强度高，抑制P富集层的生长，具有化学镀Ni层的Cu电极上形成的钎焊接头的剪切 强度显著改善。本发明人等发现，由此会减少因基板的薄型化而产生的软钎焊时的基板的 应变，表现出优异的连接可靠性。进而，本发明人等为了确认通用性，对不具有化学镀Ni层 的Cu电极进行了软钎焊，结果发现，该Cu电极上形成的钎焊接头也与具有化学镀Ni层的 Cu电极上形成的钎焊接头同样地表现出高剪切强度，从而完成了本发明。
[0022] 此处，本发明如下所述。
[0023] (1) -种无铅软钎料合金，其具有以质量％计包含Bi :31~59%、Cu :0.3~ I. 0%、Ni :0? 01~0? 06%、余量Sn的合金组成。
[0024] (2)根据（1)所述的无铅软钎料合金，其还含有以质量％计总计0? 003~0? 05% 的选自由P和Ge组成的组中的1种以上。
[0025] (3) -种钎焊接头，其是在具有镀Ni层的Cu电极上使用上述（1)或上述（2)所述 的无铅软钎料合金而形成的。
[0026] (4)根据上述⑶所述的钎焊接头，其中，前述镀Ni层为含有P的化学镀层。
[0027] (5) -种基板，其板厚为5mm以下，具备具有镀Ni层的多个Cu电极，前述Cu电极 分别具有使用上述（1)或上述（2)所述的无铅软钎料合金而形成的钎焊接头。
[0028] (6)根据上述（5)所述的基板，其中，前述镀Ni层含有P。
[0029] 本发明的无铅软钎料合金适合于进行过化学镀Ni处理且板厚为5mm以下的薄基 板上形成的Cu电极的软钎焊的使用，通过用于具有化学镀Ni层的电极的软钎焊而最能发 挥本发明的效果。因此，由于本发明的软钎料合金的低熔点而将软钎焊时的薄基板的翘曲 抑制在最小限度。如此，由于抑制作为钎焊接头的剪切强度劣化的原因的接合界面的P富 集层的生长、以及软钎料合金的良好的延性（伸长率）和高拉伸强度，因此钎焊接头的连接 可靠性得到改善。进而，本发明的软钎料合金也适用于未进行化学镀Ni处理的Cu电极的 软钎焊。
【附图说明】
[0030] 图1为对经化学镀Ni/Au处理的Cu电极使用Sn-58Bi软钎料合金进行软钎焊并 剪切去除软钎料接合部后的、倍率300倍的电极的表面照片。
[0031] 图2:图2的（a)和图2的（b)为进行了化学镀Ni/Au处理的Cu电极通过软钎焊 形成了钎焊接头时的、软钎料接合部与电极的界面附近的倍率800倍的