Aleación de soldadura sin plomo, elemento de unión y procedimiento de fabricación del mismo, y componente electrónico.

Una aleación de soldadura sin plomo caracterizada por tener una composición química que consiste en,

en % enmasa, Sn: 0,1 - 3 % y/o Bi: 0,1 - 2 %, opcionalmente uno o más de Al: 0,01 % como máximo, Ni: 0,1 % comomáximo, y Cu: 0,1 % como máximo, y un resto de In e impurezas inevitables.

Aleación de soldadura sin plomo, elemento de unión y procedimiento de fabricación del mismo, y componente electrónico

Campo técnico

La presente invención se refiere a una aleación de soldadura sin plomo, un elemento de conexión y a un procedimiento para su fabricación, y a una pieza electrónica. Específicamente, se refiere a una aleación de soldadura sin plomo que puede disminuir la aparición de huecos en las uniones por soldadura, un elemento de conexión que usa la aleación de soldadura sin plomo y un procedimiento para su fabricación, y una pieza electrónica que usa el elemento de conexión.

Antecedentes de la técnica Se está promoviendo la disminución en el peso, el espesor y el tamaño de las piezas electrónicas. En particular, se está impulsando la miniaturización y la densificación de paquetes de semiconductores (denominados en lo sucesivo paquetes) con el desarrollo de la multifuncionalidad de las piezas electrónicas. Como resultado, existe la tendencia al alza en la cantidad de calor generado por paquetes tales como los BGA. Por esta razón, hay un deseo de aumentar aún más la capacidad de los paquetes para disipar el calor.

Los elementos de disipación de calor que transmiten calor al exterior de los paquetes, tales como los disipadores de calor o las aletas de radiación fabricados de Al, se usan ampliamente con el fin de mejorar la capacidad de disipación de calor de los paquetes. Un elemento de disipación de calor y un paquete se unen entre sí aplicando grasa entre los mismos, o acoplando el elemento de disipación de calor al paquete a través de una lámina de disipación de calor o una junta o similares. La unión por estos medios es inferior a la unión metálica con respecto a la resistencia al calor, la fuerza de unión, y la adherencia. Preferentemente, un elemento de disipación de calor y un paquete se unen metálicamente entre sí con soldadura o similar.

En los últimos años, el uso de soldaduras que contienen Pb (tales como la soldadura eutéctica Sn-Pb) se ha regulado con el fin de evitar la contaminación medioambiental. Como resultado, hay una tendencia a las soldaduras usadas para protuberancias de paquetes que deben sustituirse por soldaduras sin plomo que no contengan plomo. Si un paquete que usa una soldadura sin plomo para la formación de protuberancias puede unirse al elemento de disipación de calor descrito anteriormente por calentamiento a reflujo con un perfil de reflujo para la soldadura sin plomo a la vez que usa un fundente, la soldadura del elemento de disipación de calor y la soldadura de las protuberancias de soldadura del paquete pueden realizarse de manera simultánea. Como resultado, en un procedimiento de montaje, la unión por soldadura puede lograrse aplicando una carga térmica una sola vez, y se minimiza la aparición de problemas de fabricación debidos a una carga térmica, tales como la deformación de un paquete o la refundición de protuberancias.

El indio (In) tiene un bajo punto de fusión de 156 ºC y una buena conductividad térmica, y plantea una baja amenaza de contaminación medioambiental. Por lo tanto, los documentos de patente 1 - 3 desvelan la unión de dos elementos entre sí usando indio. El documento “Iudalloy Technical Data Sheet”, publicado el desvela aleaciones de soldadura sin plomo a base de indio.

Una aleación de soldadura sin plomo fabricada de indio (que tiene un contenido de In de, sustancialmente, el 100% en masa) tiene una excelente ductilidad. Si una pieza pequeña de una aleación de soldadura sin plomo fabricada de indio se dispone entre un elemento de disipación de calor y un paquete con el fin de realizar la soldadura, se espera que la unión por soldadura resultante pueda ajustarse fácilmente a las irregularidades superficiales formadas en la superficie de unión por una carga térmica, haciendo de este modo posible evitar el despegado del elemento unido que se produce inevitablemente cuando se une con una resina o similar.

Sin embargo, una aleación de soldadura sin plomo fabricada de In tiene los problemas de que (a) es tan flexible que es difícil formarla en una forma deseada mediante punzonado para formar una pequeña pieza o mediante laminado, y (b) con el fin de garantizar la resistencia al impacto, es necesario que una pequeña pieza tenga un espesor de 1, 5

- 2, 5 mm. Este espesor hace que sea difícil disminuir el tamaño y el espesor de las piezas electrónicas, y en el momento de la soldadura, la aleación de soldadura sin plomo fundida rezuma al exterior de la unión, afectando de este modo negativamente a las propiedades aislantes del paquete y provocando un cortocircuito.

Es concebible realizar la soldadura con esta aleación de soldadura sin plomo mediante, por ejemplo, (i) la aplicación de un fundente a la superficie de un sustrato metálico de un material tal como Cu, Ni, o Au que tiene una buena conductividad térmica, (ii) la formación de una capa de soldadura sin plomo en la superficie del sustrato metálico mediante el procedimiento de chapado por soldadura fundida (el procedimiento de chapado por inmersión en caliente) en el que el sustrato se sumerge en la soldadura fundida para obtener un elemento de conexión, y (iii) la disposición del elemento de conexión entre un elemento de disipación de calor y un paquete y la realización del calentamiento a reflujo en presencia de un fundente.

Documentos de la técnica anterior

Documentos de patente Documento de patente 1: JP 2002-020143 A

Documento de patente 2: JP 2002-542138 A

Documento de patente 3: JP 2001-230349 A

Divulgación de la invención Como resultado de las investigaciones, los presentes inventores encontraron que si el elemento de conexión descrito anteriormente que tiene una capa de aleación de soldadura sin plomo fabricada de In en su superficie se dispone entre un elemento de disipación de calor y un paquete y, a continuación, se somete a un calentamiento a reflujo, se desarrolla una gran cantidad de huecos dentro de las uniones resultantes entre el elemento de conexión y el elemento de disipación de calor o el paquete. Por lo tanto, la fuerza de las uniones y de la adherencia entre el elemento de disipación de calor y el paquete son inadecuadas.

Normalmente, se usa un fundente en la fabricación del elemento de conexión descrito anteriormente. También se ha descubierto que los residuos del fundente que permanecen inevitablemente en la capa de soldadura provocan además la aparición de huecos dentro de las uniones.

Los presentes inventores han realizado los siguientes descubrimientos y han completado la presente invención como resultado de las diligentes investigaciones dirigidas a resolver los problemas descritos anteriormente.

(i) Una aleación de soldadura sin plomo que tiene In como un componente principal a la que se añade una pequeña cantidad de Sn o Bi, por separado o en combinación, muestra una buena humectabilidad en el momento de la soldadura debido al efecto del Sn o Bi sin afectar negativamente a la ductilidad característica del In. Como resultado, la aleación de soldadura sin plomo descrita anteriormente puede aumentar la capacidad de los huecos para escapar de una unión por soldadura y puede disminuir la cantidad de huecos que permanecen dentro de la unión.

(ii) Es preferible sumergir un sustrato metálico en la aleación de soldadura sin plomo descrita anteriormente en un estado fundido y aplicar vibraciones ultrasónicas a la aleación de soldadura sin plomo fundida y al sustrato metálico, por lo que puede formarse una capa de aleación de soldadura sin plomo que tiene una conductividad térmica mejorada en la superficie del sustrato metálico sin usar un fundente, a la vez que mantener una adherencia adecuada.

La presente invención es una aleación de soldadura sin plomo caracterizada por tener una composición química que consiste, esencialmente, en Sn: 0, 1 - 3 % (en la presente descripción, a menos que se especifique lo contrario, % con respecto a una composición química significa % en masa) , y/o Bi: 0, 1 - 2 %, y un resto de In e impurezas inevitables.

Desde otro punto de vista, la presente invención es un elemento de conexión que comprende un sustrato metálico que tiene, preferentemente, una composición química que contiene al menos un 95 % de Cu, y una capa de aleación de soldadura sin plomo formada en, al menos, las zonas de conexión del sustrato metálico, caracterizado porque la capa de aleación de soldadura sin plomo tiene la composición química descrita anteriormente para una aleación de soldadura sin plomo.

Debido a que este elemento de conexión tiene una capa de aleación de soldadura sin plomo en la superficie de un sustrato metálico, puede... [Seguir leyendo]

1. Una aleación de soldadura sin plomo caracterizada por tener una composición química que consiste en, en % en masa, Sn: 0, 1 - 3 % y/o Bi: 0, 1 - 2 %, opcionalmente uno o más de Al: 0, 01 % como máximo, Ni: 0, 1 % como máximo, y Cu: 0, 1 % como máximo, y un resto de In e impurezas inevitables.

2. Un elemento de conexión que comprende un sustrato (3) metálico y una capa (2) de aleación de soldadura sin plomo formada en al menos las zonas de conexión del sustrato (3) metálico, caracterizado porque la capa (2) de aleación de soldadura sin plomo tiene una composición química como se define en la reivindicación 1.

3. Un elemento de conexión como se define en la reivindicación 2 en el que el sustrato (3) metálico tiene una composición química con un contenido de Cu de al menos un 95 % en masa.

4. Un procedimiento de fabricación para un elemento (5) de conexión caracterizado por sumergir un sustrato (3) metálico en un aleación de soldadura sin plomo fundida que tiene una composición química como se define en la reivindicación 1 para formar una capa (2) de aleación de soldadura sin plomo en al menos las zonas de conexión del sustrato (3) metálico.

5. Una pieza electrónica caracterizada por incluir un elemento de conexión como se define en la reivindicación 2 o la reivindicación 3 y un primer elemento (4) y un segundo elemento (1) cada uno dispuesto con el fin de entrar en contacto con una zona de conexión del elemento (5) de conexión, en la que el primer elemento (4) y el segundo elemento (1) se conectan a través del elemento (5) de conexión por calentamiento a reflujo del elemento (5) de conexión, el primer elemento (4) , y el segundo elemento (1) en presencia de un fundente.

6. Una pieza electrónica como se define en la reivindicación 5, en la que las uniones que conectan el elemento (5)

de conexión al primer elemento (4) y al segundo elemento (1) tienen un índice de huecos como se define a continuación del 33, 0 % como máximo.