DE60110453T2

DE60110453T2 - Weichlotwerkstoff und dessen verwendung in einem elektrischen oder elektronischen bauteil

Info

Publication number: DE60110453T2
Application number: DE60110453T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yamaguchi; Masato Hirano; Yoshinori Sakai
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: US20030015575A1; CN1392817A; WO2002022302A1; EP1337377B1; JP2002096191A; DE60110453D1; EP1337377A1; CN1216715C

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lötmaterial zum Verbinden einer externen Elektrode einer elektronischen Komponente mit einem auf einer Platine (oder einem Substrat) gebildeten Lötauge, um die elektronische Komponente im Herstellungsprozess einer Elektronikplatine auf der Platine zu befestigen. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verbindungsstruktur, die solch ein Lötmaterial verwendet und eine elektronische oder elektrische Vorrichtung, in welcher solch ein Lötmaterial zum Verbinden verwendet wird.
Stand der Technik
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach portablen elektronischen Geräten, wie etwa Mobiltelefonen, Digitalkameras oder dergleichen, angestiegen und die Verkleinerung und Optimierung für höhere Leistungen solch eines elektronisches Gerätes erfolgte stufenweise. Gleichzeitig wurde es dringend gewünscht, die Zuverlässigkeit einer Elektronikplatine, welche in dem elektronischen Gerät enthalten ist, zu steigern. Daher besteht das Verlangen, die mechanische Festigkeit und die wärmebeständige Ermüdungsfestigkeit eines Lötmaterials, welches in einem Befestigungsprozess der elektronischen Komponenten verwendet wird, zu steigern.
Darüber hinaus wird, während die Bedenken über den Schutz der globalen Umwelt weltweit anwachsen, eine Verordnung oder ein Gesetzessystem erstellt, um die Aufbereitung von industriellen Abfällen zu regeln. Bezogen auf die Elektronikplatine, die in das elektronische Gerät eingebaut ist, kann das in einem zum Verbinden der elektronischen Komponente mit der Platine dienende Lötmaterial enthaltene Blei die Umwelt verschmutzen, wenn es einer unzureichenden Abfallaufbereitung unterworfen wird, so dass Untersuchungen und Entwicklungen bezogen auf ein Lötmaterial, welches kein Blei enthält (z. B. ein sogenanntes blei freies Lötmaterial), als eine Alternative zu dem Blei enthaltenden Lötmaterial ausgeführt werden.
Ein Lötmaterial, welches üblicherweise bisher verwendet wurde, ist ein Zinn-Blei (Sn-Pb) basiertes Lötmaterial, welches Sn und Pb als Hauptbestandteile (oder – komponenten) beinhaltet. Eine eutektische Mischung einer Sn-Pb-Legierung ist 63Sn-37Pb (nämlich eine Mischung aus Gewichtsanteilen von 63 % Sn und 37 % Pb auf Basis des Ganzen) und die Sn-Pb-Legierung besitzt den niedrigsten Schmelzpunkt von 183°C bei eutektischer Mischung. Aufgrund solch einer niedrigsten Schmelztemperatur wird die Sn-Pb basierte Legierung mit eutektischer Mischung üblicherweise als Lötmaterial verwendet. Nachstehend wird auf solche eine Sn-Pb basierte Legierung mit eutektischer Mischung auch als „eutektisches Sn-Pb-Legierungsmaterial" oder „eutektisches Sn-Pb-Lötmaterial" Bezug genommen.
Eine Elektronikplatine, bei der Verbindungen mittels oben beschriebenem gewöhnlichen Lötmaterial ausgebildet sind, wird im Folgenden beschrieben. 1 zeigt schematisch eine vergrößerte Teilschnittansicht einer Elektronikplatine, bei der eine Chipkomponente als elektronische Komponente auf der Platine befestigt ist. Bezug nehmend auf 1, d. h. auf die Elektronikplatine 10, ist die Chipkomponente 7, die an ihrem Rand eine darunter liegende Elektrode 2, eine Zwischenelektrode 3 und eine externe Elektrode 4 aufweist, auf der Platine (oder dem Substrat) 6 durch Verbinden der externen Elektrode 4 und einem Lötauge 5 mittels eines Lötmaterials 1 befestigt. Hinsichtlich dieser Elemente der Elektronikplatine ist beispielsweise die darunter liegende Elektrode 2 aus Silber, die Zwischenelektrode 3 aus Nickel, die externe Elektrode 4 und das Lötmaterial 1 aus dem eutektischen Sn-Pb-Legierungsmaterial gefertigt, und das Lötauge 5 besteht aus Kupfer.
Die in 1 gezeigte Elektronikplatine 10 wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird das Lötmaterial 1 mittels eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen auf dem Lötauge 5 aufgebracht, welches auf einer vorbestimmten Position der Platine 6 durch Ätzen oder dergleichen vorher ausgebildet wurde. Danach wird die Chipkomponente 7 mit der darunter liegenden Elektrode 2, der Zwischenelektrode 3 und der externen Elektrode 4 auf ihrem Rand, die eine flächige Form aufweisen, auf der Platine 6 platziert, um die externe Elektrode 4 mit dem Lötmaterial 1 in Kontakt zu bringen. Dann wird die Platine 6, auf der die Chipkomponente 7 platziert ist, durch einen Reflow-Lötofen oder dergleichen geführt, um das Lötmaterial auf seinen Schmelzpunkt oder höher (z. B. 230 °C) aufzuheizen und dabei das Lötmaterial 1 zu schmelzen, und hiernach wird es auf Raumtemperatur gekühlt, um das Lötmaterial zu verfestigen. Während dieses Vorgangs steigt das geschmolzene Lötmaterial 1 benetzend über eine Oberfläche der externen Elektrode 4 und verfestigt sich, während der Benetzungszustand eingehalten wird, z. B. in der Art, wie in 1 gezeigt. Dadurch ist die Chipkomponente 7 (elektronische Komponente) auf der Platine 6 befestigt.
2 zeigt schematisch eine vergrößerte Teilschnittansicht einer anderen Elektronikplatine, bei der eine verdrahtete Komponente als elektronische Komponente auf der Platine befestigt ist. Bezug nehmend auf 2, d. h. auf die Elektronikplatine 11, ist die eine aus ihrem Körper kommende Zwischenelektrode 3 und eine externe Elektrode 4, die die Zwischenelektrode 3 bedeckt, aufweisende verdrahtete Komponente 8 durch Verbinden der externen Elektrode mit einem Lötauge 5 mittels eines Lötmaterials 1 auf der Platine 6 befestigt. Materialien dieser Elemente der Elektronikplatine 11 und ein Verfahren zum Befestigen der verdrahteten Komponente (elektronische Komponente) sind mit denen ähnlich, die oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurden.
Als bleifreies Lötmaterial anstatt des Blei enthaltenden Lötmaterials wie oben beschrieben, wird das Verwenden eines Sn-Ag basierten Legierungsmaterials vorgeschlagen, welches Sn und Ag als Hauptbestandteile beinhaltet. Eine eutektische Mischung einer Sn-Ag-Legierung ist Sn-3.5Ag (nämlich eine Mischung aus Gewichtsanteilen von 96,5 % Sn und 3,5 % Ag auf der Basis des Ganzen), und die Sn-Ag-Legierung besitzt den niedrigsten Schmelzpunkt von 221 °C bei eutektischer Mischung. Dieses bleifreie Lötmaterial aus Sn-3.5Ag besitzt eine vorteilhafte mechanische Festigkeit verglichen mit dem eutektischen Sn-Pb-Lötmaterial, welches üblicherweise verwendet wird.
Jedoch ist der Schmelzpunkt des bleifreien Sn-3.5Ag-Lötmaterials (z. B. 221 °C) höher als der des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials (z. B. 183 °C), so dass das Sn-3.5Ag Lötmaterial zum Schmelzen auf eine höhere Temperatur aufgeheizt werden muss, verglichen mit dem Fall des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials. Resultierend daraus wird die Platine, auf der die elektronischen Komponenten aufgelötet werden, während des Befestigungsvorgangs der elektronischen Komponenten einer höheren Temperatur ausgesetzt, um das Sn-Ag basierte, bleifreie Lötmaterial zu schmelzen. In diesem Fall ist es problematisch, dass einige elektronische Komponenten beschädigt werden können, da diese höhere Temperatur über einer Wärmebeständigkeitstemperatur der elektrischen Komponente liegt.
Darüber hinaus enthält die externe Elektrode der zu lötenden elektronischen Komponente oftmals Blei, und wenn in solch einem Fall das bleifreie Lötmaterial verwendet wird, entsteht das Problem einer geringeren Verbindungsfestigkeit der elektronischen Komponente mit der Platine und einer geringeren Zuverlässigkeit der Elektronikplatine, da eine schwache (oder spröde) Legierung in einem Verbindungsbereich zwischen dem Großteil des Lötmaterials und der externen Elektrode (oder in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Lötmaterial und der externen Elektrode) ausgebildet wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die oben beschriebenen Probleme zu mindern oder zumindest teilweise zu lösen und ein verbessertes bleifreies Lötmaterial bereitzustellen, welches bevorzugt als Verbindungsmaterial in dem Befestigungsvorgang einer elektronischen Komponente auf einer Platine verwendet wird.
Es sollte beachtet werden, dass „Lötmaterial" verwendet wird, um auf ein metallisches Material zu verweisen, welches einen relativ niedrigen Schmelzpunkt besitzt (z. B. 100 bis 250 °C), welches sich bei normaler Temperatur in einem festen Zustand befindet und zum elektrischen und physikalischen (oder mechanischen) Verbinden von Elektroden verwendet wird (in anderen Worten zum Löten von Elektroden). Z. B. wird das Lötmaterial beim Befestigungsvorgang einer elektronischen Komponente verwendet, um eine externe Elektrode der elektronischen Komponente mit einem auf einer Platine ausgebildeten Lötauge (oder einer Verdrahtung) elektrisch und physikalisch zu verbinden.
Wie bisher im Gebiet der physikalischen Metallurige bekannt ist 42Sn-58Bi (nämlich eine Mischung aus Gewichtsanteilen von 42 % Sn und 58 % Bi auf der Basis des Ganzen) eine eutektische Mischung einer Sn-Bi-Legierung, und die Sn-Bi-Legierung besitzt den niedrigsten Schmelzpunkt von ungefähr 138 °C bei eutektischer Mischung. Dieser Schmelzpunkt ist beträchtlich niedriger verglichen mit dem der eutektischen Sn-3.5Ag-Legierung (z. B. ungefähr 221 °C), wie oben beschrieben. Daher wird in einer ternären Sn-Ag-Bi-Legierung, die aus dem Hinzufügen von Bi zu einer binären Sn-Ag-Legierung resultiert, der Schmelzpunkt der Sn-Ag-Bi-Legierung gesenkt, indem der Gehalt von Bi in der Sn-Ag-Bi Legierung bei Aufrechterhalten des Gehalts von Ag bei einem Gewichtsanteil von ungefähr 3,5 % gesteigert wird.
Jedoch senkt der Anstieg des Gehalts von Bi in der Sn-Ag-Bi basierten Legierung nicht nur den Schmelzpunkt, sondern erzeugt und intensiviert außerdem die Sprödigkeit. Das spröde Legierungsmaterial besitzt daher eine schlechte mechanische Festigkeit und eignet sich nicht als Lötmaterial, da eine hohe Festigkeit zum Befestigen der elektronischen Komponente notwendig ist.
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass eine Legierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen mechanischen Festigkeit durch Hinzufügen von Ni und In zu der oben beschriebenen Sn-Ag-Bi basierten Legierung realisiert werden kann. Dies kann wie nachfolgend erklärt werden:
Im Fall der Sn-Ag-Bi basierten Legierung mit einem großen Gehalt von Bi wird eine relative große Phase von Bi (oder eine Anhäufung von Bi) nach Verfestigung der geschmolzenen Legierung ausgebildet, und die verfestigte Legierung zeigt infolge der zu mechanischer Festigkeit führenden Bi-Phase Sprödigkeit. Andererseits kann im Falle der Sn-Ag-Bi-Ni basierten Legierung, die aus der Addition von Ni zu der Sn-Ag-Bi basierten Legierung resultiert, die Ausbildung der oben beschriebenen großen Phase von Bi verhindert werden, da sich nach der Verfestigung der geschmolzenen Legierung Bi chemisch an Ni bindet, um eine feine Mischung zu bilden, wie etwa in Ni-Bi, Ni-Bi₃ oder dergleichen. D. h., es ist geplant, dass die Addition von Ni die Bi-Phase in eine feine und/oder separate Phase umwandelt, um das Sinken der mechanischen Festigkeit zu vermeiden.
Daher wird aus einer Sn-Ag-Bi-Ni basierten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung ein bleifreies Lötmaterial bereitgestellt, dessen Material eine Zusammensetzung besitzt, die in geeigneter Weise zum Aufweisen eines für ein Lötmaterial bevorzugten Schmelzpunkts und einer mechanischen Festigkeit, z. B. zum Befestigen einer elektronischen Komponente auf einer Platine, ausgewählt ist. Die Zusammensetzung des bleifreien Lötmaterials aus der Sn-Ag-Bi-Ni basierten Legierung wird bevorzugt so ausgewählt, dass es einen Schmelzpunkt im Bereich zwischen 160 °C und 250 °C besitzt. Ein Teil Sn des bleifreien Lötmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Cu ersetzt werden.
Das Lötmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus Gewichtsanteilen von 1,0 bis 4,0 % Ag, 1,0 bis 20 % Bi, 2,5 bis 15 % In, 0,1 bis 1,9 % Ni und der restliche Teil Sn, abgesehen von Unreinheiten.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind wie folgt:
Das Lötmaterial beinhaltet ferner einen Gewichtsanteil von 0,1 bis 1,0 % aus Kupfer (es wird darauf hingewiesen, dass in dieser Ausgestaltung ein Teil von Sn durch Cu ersetzt ist);
Eine Verbindungsstruktur besitzt eine externe Elektrode, die mit dem Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 mit dem Lötmaterial verbunden ist, wobei die externe Elektrode aus einem Material hergestellt ist, dessen Hauptkomponente aus der Gruppe bestehend aus Sn, Pd, Sn-Bi, Sn-Cu und Sn-Ag ausgewählt ist;
Ein Verbindungsteil hergestellt aus dem Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 und 2;
Ein elektrisches oder elektronisches Gerät, bei dem das Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 zum Ausbilden einer Verbindung verwendet ist;
Eine Elektronikplatine, bei der eine externe Elektrode einer elektronischen Komponente mit einem auf einer Platine gebildeten Lötauge mittels Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 verbunden ist; und
Ein Befestigungsverfahren einer elektronischen Komponente auf einer Platine, wobei das Verfahren das Verbinden einer externen Elektrode der elektronischen Komponente mit einem auf einer Platine geformten Lötauge mittels Lötmaterial gemäß einen der Ansprüche 1 und 2 umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine vergrößerte Teilschnittansicht einer Elektronikplatine, bei der eine Chipkomponente als elektronische Komponente auf einer Platine befestigt ist; und
2 zeigt schematisch eine vergrößerte Teilschnittansicht einer weiteren Elektronikplatine, bei der eine verdrahtete Komponente als elektronische Komponente auf einer Platine befestigt ist.
Die folgenden Nummerierungen bezeichnen die folgenden Elemente: 1 Blei enthaltendes Lötzinn; 2 Unten liegende Elektrode; 3 Zwischenelektrode; 4 externe Elektrode; 5 Lötauge; 6 Platine; 7 Chipkomponente; 8 verbleite Komponente; und 10 und 11 Elektronikplatine
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lötmaterial bereitgestellt, welches aus Gewichtsanteilen von 1,0 bis 4,0 % Ag, 1,0 bis 20 % Bi, 2,5 bis 15 % In, 0,1 bis 1,0 % Ni und zum restlichen Teil aus Sn besteht. Das Lötmaterial kann unvermeidbare Unreinheiten aufweisen.
Die hier verwendeten „Gewichtsanteile von ...%" basieren auf einem Gesamtgewicht des Lötmaterials, wobei das Gewicht der unvermeidbaren Unreinheit vom Gesamtgewicht ausgenommen ist. Daher ist die Gesamtanzahl von Verhältnissen in „Gewichtsanteilen von ...%" Ag, Bi, In, Ni und Sn theoretisch gleich 100.
Besonders bevorzugt ist der Anteil von Bi im Bereich von Gewichtsanteilen von 1,0 bis 5,0 % und bevorzugter bei einem Gewichtsanteil von ungefähr 3 %. Zusätzlich ist der Gehalt von Ni bevorzugt im Bereich von Gewichtsanteilen von 0,1 bis 0,5 % und bevorzugter bei einem Gewichtsanteil von ungefähr von 0,3 %.
Die unvermeidbare Unreinheit kann Unreinheiten einschließen, die von Natur aus in einem Rohmaterial zur Herstellung des Lötmaterials enthalten sind. Unreinheiten, die versehentlich während der Herstellung des Lötmaterials eingeschlossen wurden. Die unvermeidbare Unreinheit kann ferner ein Element enthalten, welches während eines Lötvorgangs unter Verwendung des Lötmaterials der vorliegenden Erfindung vom Anschlussdraht einer elektronischen Komponente beim Löten in das Lötmaterial übertragen wurde. Als unvermeidbare Unreinheit ist beispielsweise eine Menge eines Elementes, wie etwa Pb, Cu und dergleichen vorhanden, wobei sich das Element unabsichtlich im Lötmaterial befindet. Daher kann es so verstanden werden, dass die Verhältnisse der Zusammensetzung des Lötmaterials durch unabsichtlich hinzugefügte Elemente in gewissem Maße geändert werden können.
Auf diese Art und Weise wird ein Lötmaterial bereitgestellt, welches aus Sn, Ag, Bi, In und Ni besteht, wobei die Zusammensetzung eine solche ist, dass das Material einen Schmelzpunkt im Bereich von 160 bis 215 °C besitzt und bevorzugt im Bereich von 160 bis 210 °C. Das Lötmaterial kann unvermeidbare Unreinheiten wie oben beschrieben beinhalten. Solch ein Lötmaterial kann wie oben beschrieben durch Auswahl seiner Zusammensetzung erhalten werden.
Gemäß solch einem Lötmaterial der vorliegenden Erfindung wird ein bleifreies Lötmaterial bereitgestellt, welches einen Schmelzpunkt besitzt, der niedriger als der vom Sn-3.5Ag-Lötmaterial (221 °C) und auf einem ähnlichen Niveau mit dem des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials (183 °C) liegt und auch eine für ein Lötmaterial ausreichende mechanische Festigkeit besitzt. Das Lötmaterial der vorlie genden Erfindung besitzt eine ausreichende Wärmebeständigkeit oder thermische Beständigkeit (oder thermische Ermüdungsfestigkeit), so dass es seine kontinuierliche Belastung über einen ausgedehnten Zeitraum überstehen kann. Zusätzlich besitzt das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Stoßfestigkeit und eine Dichte, die geringer als die des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials ist (und daher ein geringeres Gewicht als das des eutektischen Sn-Pb Lötmaterials besitzt), so dass es insbesondere bevorzugt für ein mobiles Gerät usw. verwendet wird. Darüber hinaus besitzt das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung eine gute elektrische Leitfähigkeit auf gleichem Niveau mit oder besser als die des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials oder des Sn-3.5Ag-Lötmaterials, so dass es bevorzugt für ein Hochleistungsgerät verwendet werden kann, das eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung ausführt.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung ferner Gewichtsanteile von 0,1 bis 1,0 % und bevorzugt 0,5 bis 0,8 % Cu, welches einen Teil einer Menge Sn des Lötmaterials der vorliegenden Erfindung ersetzt. In ähnlicher Weise zu dem vorangehenden ist die Gesamtanzahl der Verhältnisse als „Gewichtsanteile in ... %" von Ag, Bi, In, Ni, Cu und Sn theoretisch gleich 100. Gewiss kann das Lötmaterial unvermeidbare Unreinheiten beinhalten, wie oben beschrieben.
Das Beinhalten von Cu in einem geeigneten Anteil hat den Effekt, dass die Sprödigkeit des Lötmaterials, die durch Ausbildung der relativ großen Bi-Phase induziert wird, ferner verhindert wird. Wenn der Gehalt von Cu kleiner als ein Gewichtsanteil von 0,1 % ist, kann solch ein Effekt nicht in ausreichendem Maße erhalten werden. Wenn der Anteil von Cu größer als ein Gewichtsanteil von 1,0 ist, kann die Sprödigkeit gegenproduktiv erhöht werden. Daher beinhaltet das Lötmaterial Cu bevorzugt im oben beschriebenen Anteil.
Das Lötmaterial besitzt bevorzugt eine Zusammensetzung, die aus Gewichtsanteilen von 1,0 bis 4,1 % Ag, 1,0 bis 10 % Bi, 0,1 bis 0,5 % Ni, 1,0 bis 10 % In und zum restlichen Teil Sn (in anderen Worten 75,5 bis 96,9 % Sn) besteht.
Das Enthalten von In mit einem geeigneten Anteil hat den Effekt, dass ein Schmelzpunkt des Lötmaterials der vorliegenden Erfindung gesenkt wird und ebenso, dass die Sprödigkeit des Materials, die vom Bi her rührt, ferner durch eine Duktilität von In verhindert wird.
Darüber hinaus besitzt, im Falle, dass das Lötmaterial In und Cu zur gleichen Zeit enthält, das Lötmaterial besonders bevorzugt eine Zusammensetzung, die aus Gewichtsanteilen von 1,0 bis 4,0 % Ag, 1,0 bis 10 % Bi, 0,1 bis 0,5 % Ni, 1,0 bis 10 % In, 0,5 bis 0,7 % Cu und zum restlichen Teil Sn (in anderen Worten zu Gewichtsanteilen von 74,8 bis 96,4 % Sn) besteht.
Das wie oben beschriebene Lötmaterial der vorliegenden Erfindung kann in jeder Form verwendet werden. Z. B. kann es in der Form eines Lötdrahts, eines Lötzinns zum Fließ- (oder Wellen-) Löten, einer Lötkugel, einer Lötcreme (oder Lötpaste) oder dergleichen verwendet werden. Das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung kann in Mischung mit anderen Komponenten, wie etwa einem Flussmittel, einem Aktivator, Harz, einem thixotropen Mittel und dergleichen verwendet werden.
Das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung ist ein blei-(z. B. Pb) freies Lötmaterial, und daher ist eine externe Elektrode einer mittels diesem Lötmaterial zu lötenden elektronischen Komponente bevorzugt aus einem bleifreien Material hergestellt. Für den Fall, dass das Lötmaterial und das Material der externen Elektrode so ausgewählt werden, dass sie kein Blei enthalten, wird keine spröde Legierung im Verbindungsbereich zwischen einem Körper des verfestigten Lötmaterials und der externen Elektrode ausgebildet, so dass eine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit und Zuverlässigkeit der Verbindung sichergestellt werden kann.
Daher wird in einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Verbindungsstruktur bereitgestellt, bei der die externe Elektrode mit dem Lötmaterial der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, beispielsweise mit einer Platine als Gegenstand verbunden wird.
Bevorzugt wird die externe Elektrode aus einem Material hergestellt, welches Sn, Pd, Sn-Bi, Sn-Cu oder Sn-Ag als Hauptbestandteile beinhaltet. Der Ausdruck „Hauptbestandteil" bedeutet primärer (oder dominanter) Bestandteil, wobei das Material irgendeinen anderen Bestandteil mit einer relativ kleinen Menge beinhalten kann.
Ferner wird in einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verbindungsteil bereitgestellt, welches aus dem oben beschriebenen Lötmaterial der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das Verbindungsteil wird im Allgemeinen durch Löten gebildet, wobei das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Solch ein Verbindungsteil kann einen anderen Bestandteil als das oben beschriebene Lötmaterial enthalten, wie etwa einen Bestandteil, der aus der externen Elektrode (wie etwa ein Beschichtungsmaterial davon) in das geschmolzene Lötmaterial eluiert ist. Das Verbindungsteil kann ferner Bestandteile beinhalten, die ursprünglich in einem anderen Material als das Lötmaterial der vorlie genden Erfindung existierten und in das geschmolzene Lötmaterial nach Kontaktieren dieses anderen Materials mit dem geschmolzenen Lötmaterial zum Ausbilden des Verbindungsteils übertragen wurde.
Das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung ist für verschiedene elektrische/elektronische Geräte einsetzbar, wobei jedes von diesen eine Verbindungsstruktur besitzt, bei der mindestens eine externe Elektrode mit einen bestimmten Gegenstand verbunden ist, wie etwa eine Platine mit dem Lötmaterial. Der Begriff „elektrische/elektronische Geräte" beinhaltet verschiedene Geräte oder Vorrichtungen, wie etwa elektrische Haushaltsgeräte, Audio-/visuelle Systeme und Informations-/Kommunikationsvorrichtungen. Die elektrischen Haushaltsgeräte beinhalten beispielsweise einen Kühlschrank, eine Waschmaschine, eine Klimaanlage usw. Die Audio-/visuellen Systeme beinhalten z. B. eine Digitalkamera, einen Camcorder, einen Videobandrecorder (oder einen Videobandplayer), einen Fernseher, einen digitalen Plattenspieler, wie etwa einen Minidiscplayer und einen Compactdiscplayer, einen Stereokassettenrecorder mit Kopfhörer usw., und bevorzugt portable Varianten hiervon (z. B. tragbare Audiogeräte). Ferner beinhalten die Informations-/Kommunikationsvorrichtungen z. B. einen Personal Computer, ein Mobiltelefon, ein Zubehörteil für den Personal Computer, wie etwa eine PC-Karte, ein KFZ-Navigationssystem usw.
Folglich wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein elektrisches/elektronisches Gerät (oder eine Vorrichtung) bereitgestellt, bei dem das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben verwendet ist.
Genauer gesagt wird eine Elektronikplatine bereitgestellt, bei der eine externe Elektrode einer elektronischen Komponente mit einem auf der Platine ausgebildeten Lötauge mittels des Lötmaterials der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben verbunden ist.
Ferner wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Befestigungsverfahren einer elektronischen Komponente bereitgestellt, wobei dieses Verfahren das Verbinden einer externen Elektrode der elektronischen Komponente mit einem auf der Platine ausgebildeten Lötauge mittels des Lötmaterials der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben aufweist. In anderen Worten wird ein Verfahren zum Herstellen der Verbindungsstruktur, des Verbindungsteils, des elektrischen oder elektronischen Geräts oder der Elektronikplatinen wie oben beschrieben bereitgestellt.
Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung wie auch vergleichende Beispiele detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass jede Zusammensetzung in der Einheit „Gewichtsanteil in ... %" auf Basis des ganzen Gewichts des Lötmaterials in den Beispielen und den vergleichenden Beispielen ausgedrückt wird.
(Beispiel 1)
In diesem Beispiel wurde ein Lötmaterial durch Schmelzen und Mischen von Metallmaterialien in einem Zusammensetzungsverhältnis, wie in den Tabellen 5 bis 16 gezeigt, angefertigt, so dass verschiedene Lötmaterialien hergestellt wurden. Die Lötmaterialzusammensetzungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung werden in den Tabellen 11 bis 16 gezeigt. Es ist zu beachten, dass ein Verhältnis von Sn in den Tabellen 5 bis 16 nicht gezeigt wird, jedoch das Verhältnis Sn mit dem restlichen Anteil, der aus dem Abziehen von in den Tabellen gezeigten Verhältnissen von Metallmaterialien (oder-elementen) außer Sn resultiert, korrespondiert. Ferner wird jedes Zusammensetzungsverhältnis in der Ein heit „Gewichtsanteile in ... %" auf der Basis des Gesamten wie oben beschrieben gezeigt, und eine Leerstelle in der Tabelle zeigt das Nichtvorhandensein (z. B. ein Anteil von 0).
Der Schmelzpunkt (melting point, m.p., im folgenden mit „SP" bezeichnet) (°C) jedes auf diese Weise angefertigten Lötmaterials wurde als die Temperatur mittels eines Differenzialthermoanalysators gemessen, bei der das Lötmaterial vollständig schmilzt. Die gemessenen Schmelzpunkte werden ebenfalls in den Tabellen 5 bis 16 gezeigt.
Zusätzlich wurde die Zugfestigkeit jedes der Lötmaterialien mittels einer Instron Zugversuchsmaschine gemessen. Die gemessenen Werte werden ebenfalls in den Tabellen 5 bis 16 gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Zusammensetzungsverhältnisse für die Bestandteile bis auf Sn gezeigt werden (daher besteht der restliche Teil ausschließlich aus Sn). Ferner werden die Werte der Zugfestigkeit in der Einheit „kgf/mm²" und zusammen mit dementsprechend in die Einheit „10⁶ Pa" umgewandelten Werten in Klammern gezeigt.
Darüber hinaus wurden die Eigenschaften Wärmefestigkeit, Stoßfestigkeit, Leichtigkeit und elektrische Leitfähigkeit bewertet, wobei alle diese für ein Lötmaterial notwendig sind, das für ein elektrisches/elektronisches Gerät verwendet wird, unter Verwendung von fünf Rangstufen bewertet, die von nachfolgenden Kriterien für die Bewertung abhängen:
(1) Wärmefestigkeit
Elektronikplatinen wurden durch Verbinden von elektronischen Komponenten mit Platinen mittels oben beschriebenen verschiedenen Lötmaterialien hergestellt, und auf diese Weise hergestellte Platinen wurden in eine Atmosphäre bei einer konstanten Temperatur von 125 °C platziert, während sie alle 500 Stunden einer Sichtprüfung unterzogen wurden, ob in einem aus dem Lötmaterial hergestellten Verbindungsbereich ein Bruch festgestellt wird. Auf diese Weise wurde die Wärmefestigkeit (oder thermische Ermüdungsfestigkeit) für jedes der Lötmaterialen gemäß der Kriterien von untenstehender Tabelle 1 bewertet. Wird bei einer Untersuchung beispielsweise nach einer verstrichenen Zeit von 1500 Stunden in der Elektronikplatine ein Bruch festgestellt, obwohl er nicht nach einer Zeit von 1000 Stunden festgestellt wurde, wird das für die Platine verwendete Lötmaterial mit der Rangstufe 3 bewertet. Es ist bevorzugt, dass das Lötmaterial im Allgemeinen mit der Rangstufe 3 oder höher bewertet wird, um es besser als Lötmaterial zum Überdauern einer kontinuierlichen Last über einen langen Zeitraum zu verwenden, obwohl dies nicht essentiell ist, da die Zuverlässigkeitsanforderung abhängig von jeder Elektronikplatine variiert.
Tabelle 1 – Kriterium für die Bewertung der Wärmefestigkeit
(2) Stoßfestigkeit
Elektronikplatinen wurden jeweils durch Verbinden von elektronischen Komponenten mit Platinen mittels oben beschriebener verschiedener Lötmaterialen hergestellt, und so hergestellte Platinen wurden dem Falltest aus einer Höhe von 0,1 m unterworfen und danach deren elektrische Funktionen geprüft durch Bewerten, ob die elektronischen Komponenten normal funktionieren (dieser Test wird auch als Funktionstest bezeichnet). Wenn die Elektronikplatinen im Funktionstest jeweils ein gutes Ergebnis erbrachten, wurden anschließend die Oberflächen ihrer aus dem Lötmaterial hergestellten Verbindungsbereiche einer Sichtprüfung unterzogen. Auf diese Weise wurde die Stoßfestigkeit des Lötmaterials für jede der Platinen gemäß der Kriterien aus unten stehender Tabelle 2 bewertet. Wenn z. B. durch den elektrischen Funktionstest herausgefunden wurde, dass eine Elektronikplatine einen Defekt aufweist, wird das für die Platine verwendete Lötmaterial mit der Rangstufe 1 bewertet. Falls eine Elektronikplatine gemäß dem elektrischen Funktionstest gut ist, aber ein feiner Bruch im Lötmaterialbereich entdeckt wird, wird das für die Platine verwendete Lötmaterial mit der Rangstufe 3 bewertet. Es ist bevorzugt, dass das Lötmaterial im Allgemeinen mit der Rangstufe 3 oder höher bewertet wird, um zum Löten verwendet zu werden, obwohl dies nicht essentiell ist. Es ist weiter bevorzugt, dass das Lötmaterial mit der Rangstufe 5 bewertet wird, um es insbesondere in einem Gerät zu verwenden, welches eine hohe Stoßfestigkeit benötigt, wie etwa ein portables Gerät. Es ist zu beachten, dass der Ausdruck „Falte", wie er in Tabelle 2 verwendet wird, ein Faltungsphänomen auf einer Oberfläche des erstarrten Lötmaterials bedeutet, wobei dieses Phänomen kurz vor dem Wachsen aus der Falte in den Bruch beobachtet wird.
Tabelle 2 – Kriterien zum Bewerten der Stoßfestigkeit
(3) Leichtigkeit
Eine spezifische Dichte „d_n" gemäß der oben beschriebenen Lötmaterialien wurde gemessen, und die Leichtigkeit im Gewicht davon wurde gemäß den Kriterien der unten stehenden Tabelle 3 durch Vergleichen der auf diese Weise gemessenen spezifischen Dichte mit der des konventionellen Sn-Pb eutektischen Lötmaterials „d₀" bewertet. Es ist bevorzugt, dass das Lötmaterial mit der Rangstufe 4 oder höher bewertet wird, um eine Leichtigkeit zu erreichen, die mindestens der des konventionellen eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials ist, obwohl dies nicht essentiell ist. Es wird darauf hingewiesen, dass d₀ 8,3 g/cm³ beträgt.
Tabelle 3 – Kriterium zum Bewerten der Leichtigkeit
(4) Elektrische Leitfähigkeit
Ein elektrischer Widerstand „R_n" jedes der oben beschriebenen verschiedenen Lötmaterialien wurde gemessen, und die elektrische Leitfähigkeit davon wurde gemäß den Kriterien aus der unten stehenden Tabelle 4 durch Vergleichen des auf diese Weise gemessenen elektrischen Widerstandes mit dem des konventionellen eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials „R₀" bewertet. Es ist bevorzugt, dass das Lötmaterial mit der Rangstufe 5 bewertet wird, um die elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, die mindestens ähnlich der des konventionellen eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials ist, obwohl dies nicht essentiell ist. Es ist zu beachten, dass R₀ 0,2 μΩ·m ist.
Tabelle 4 – Kriterium zum Bewerten der elektrischen Leitfähigkeit
Die auf diese Weise bewerteten Ergebnisse werden ebenfalls in den unten stehenden Tabellen 5 bis 16 gezeigt, in Bezug auf die Eigenschaften von (1) der Wärmefestigkeit, (2) der Stoßfestigkeit, (3) der Leichtigkeit und (4) der elektrischen Leitfähigkeit der verschiedenen Lötmaterialien jeweils basierend auf den Kriterien zur Bewertung wie oben beschrieben.
Tabelle 5 (Beispiel 1)
Diese Bezeichnungen werden in den Tabellen 6 bis 16 nicht beschrieben, sind aber ebenso anwendbar auf die Tabellen 6 bis 16.
Tabelle 6 (Beispiel 1)
Tabelle 7 (Beispiel 1)
Tabelle 8 (Beispiel 1)
Tabelle 9 (Beispiel 1)
Tabelle 10 (Beispiel 1)
Tabelle 11 (Beispiel 1)
Tabelle 12 (Beispiel 1)
Tabelle 13 (Beispiel 1)
Tabelle 14 (Beispiel 1)
Tabelle 15 (Beispiel 1)
Tabelle 16 (Beispiel 1)
(Vergleichendes Beispiel 1)
Zusätzlich, als vergleichendes Beispiel in Bezug auf Beispiel 1, wurden das konventionelle eutektische Sn-Pb-Lötmaterial (z. B. das 63Sn-37Pb-Legierungsmaterial) und das eutektische Sn-3.5Ag-Lötmaterial (z. B. 96.5Sn-3.5Ag-Legierungsmaterial) wie auch Materialien, die jeweils durch Hinzufügen von In, Cu und/oder Ni zu einem Sn-Ag-Bi basierten Lötmaterial angefertigt wurden, um eine bestimmte Zusammensetzung außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu besitzen, ähnlich wie in Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 17 und 18 gezeigt. Es ist zu beachten, dass Werte und Rangstufen in der gleichen Weise dargestellt werden wie in den Tabellen 5 bis 16.
Tabelle 17 (vergleichendes Beispiel 1)
Tabelle 18
Die in den Tabellen 5 bis 16 gezeigten Schmelzpunkte der Lötmaterialien aus Beispiel 1 lagen im Bereich von 162 bis 218 °C, niedriger als der von 221 °C des in Tabelle 17 gezeigten Sn-3.5Ag-Lötmaterials (Nummer 2 des vergleichenden Beispiels 1) und auf einem ähnlichen Niveau wie das von 183 °C des ebenfalls in Tabelle 17 gezeigten eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials (Nummer 1 des vergleichenden Beispiels 1).
Die mechanische Festigkeit kann wie oben beschrieben basierend auf der Zugfestigkeit als Maß bewertet werden. Die Lötmaterialien aus Beispiel 1 besaßen eine Zugfestigkeit im Bereich von 4,2 bis 63 kgf/mm² (von 41,2 × 10⁶ bis 61,7 × 10⁶ Pa) verweisend auf die Tabellen 5 bis 16. Solche Werte der Zugfestigkeit waren ausreichend höher als die von 3,8 kgf/mm² (37,2 × 10⁶ Pa) des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials (Nummer 1 des vergleichenden Beispiels 1) und von 3,5 kgf/mm² (29,4 × 10⁶ Pa) des Sn-3.5Ag-Lötmaterials (Nummer 2 des vergleichenden Beispiels 1), gezeigt in Tabelle 17. Ferner waren diese Werte ebenso höher als die im Bereich von 2,5 bis 3,0 kgf/mm² (von 24,5 × 10⁶ bis 29,4 × 10⁶ Pa) des Sn-Ag-Bi basierten Lötmaterials, dessen Zusammensetzungen außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung sind (Nummern 3 bis 18 des vergleichenden Beispiels 1). Daher besaßen die Lötmaterialien aus Beispiel 1 eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit und es kann so verstanden werden, dass die mechanische Festigkeit des Sn-Ag-Bi basierten Lötmaterials durch Auswahl seiner Zusammensetzung innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung erhöht werden kann.
Zusätzlich, verweisend auf die Tabellen 5 bis 16, wurde die Wärmefestigkeit aller Lötmaterialien aus Beispiel 1 mit der Rangstufe 5 bewertet. Daher besaßen die Lötmaterialien aus Beispiel 1 eine ausreichende thermische Ermüdungsfestigkeit und wurden als befähigt angesehen, eine kontinuierliche Last über eine lange Dauer zu überstehen.
Ebenfalls verweisend auf die Tabellen 5 bis 16 lag die Stoßfestigkeit der Lötmaterialien aus Beispiel 1 auf gleichem Niveau wie die des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials und des Sn-3.5Ag-Lötmaterials, gezeigt in Tabelle 17 (Nummern 1 und 2 des vergleichenden Beispiels 1) und höher als die des Sn-Ag-Bi basierten Lötmaterials, welches eine Zusammensetzung außerhalb des Umfangs der vor vorliegenden Erfindung besitzt (Nummern 3 bis 18 des vergleichenden Beispiels 1). Daher besaßen die Lötmaterialien des Beispiels 1 eine ausreichend hohe Stoßfestigkeit, und es kann so verstanden werden, dass die Stoßfestigkeit des Sn-Ag-Bi basierten Lötmaterials durch Auswahl seiner Zusammensetzung innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung erhöht werden kann.
Die Lötmaterialien aus Beispiel 1 besaßen eine spezifische Dichte niedriger als die des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials und wurden aufgrund der Leichtigkeit im Gewicht, wie in den Tabellen 5 bis 16 gezeigt, mit der Rangstufe 5 bewertet. Daher können die Lötmaterialien aus Beispiel 1 bevorzugt in einer Vorrichtung verwendet werden, wie beispielsweise in einem portablen Gerät.
Darüber hinaus wurden die Lötmaterialien aus Beispiel 1 gemäß ihrer elektrischen Leitfähigkeit, wie in den Tabellen 5 bis 16 gezeigt, mit der Rangstufe 5 bewertet und besaßen eine Leitfähigkeit ähnlich der des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials und des Sn-3.5Ag Lötmaterials, gezeigt in Tabelle 17 (Nummern 1 und 2 des vergleichenden Beispiels 1) und höher als die der Sn-Ag-Bi basierten Lötmaterialien, von denen jedes eine Zusammensetzung besitzt, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt (Nummern 3 bis 18 des vergleichenden Beispiels 1). Daher können die Lötmaterialien aus Beispiel 1 ähnlich wie das konventionelle eutektische Sn-Pb-Lötmaterial bevorzugt in einer Vorrichtung verwendet werden, die eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung ausführt.
Es kann aus diesen oben beschriebenen Resultaten so verstanden werden, dass das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung im Gewicht leichter als das eutektische Sn-Pb-Lötmaterial ist und einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Sn-3.5Ag-Lötmaterial besitzt, sowie eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit, Wärmefestigkeit, Stoßfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Gemäß dem Lötmaterial der vorliegenden Erfindung kann ein bleifreies Lötmaterials bereitgestellt werden, welches eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, als auch einen Schmelzpunkt, der niedriger als der des Sn-3.5Ag-Lötmaterials ist und ähnlich dem des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials ist. Das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt eine ausreichende Wärmefestigkeit (oder thermische Ermüdungsfestigkeit), so dass es unter kontinuierlicher Belastung einen langen Zeitraum überdauern kann. Zusätzlich besitzt das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Stoßfestigkeit und aufgrund seiner geringeren spezifischen Dichte als die des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials ein leichteres Gewicht, so dass es bevorzugt insbesondere für ein portables Gerät usw. verwendet wird. Darüber hinaus besitzt das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung eine gute elektrische Leitfähigkeit, die ähnlich oder besser als die des eutektischen Sn-Pb-Lötmaterials und des Sn-3.5Ag-Lötmaterials ist, so dass es bevorzugt für ein Hochleistungsgerät verwendet werden kann, welches eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung ausführt.
Zusätzlich kann ebenso eine Verbindungsstruktur und/oder ein Verbindungsbereich mit einer ausreichenden Verbindungsfestigkeit durch Verwenden des Lötmaterials der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Das Lötmaterial der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt als Lötmaterial zum Befestigen einer elektronischen Komponente auf einer Platine in einem Herstellungsverfahren insbesondere einer Elektronikplatine verwendet, es kann jedoch für verschiedene elektronische oder elektrische Geräte verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung beansprucht eine Priorität gemäß der Pariser Verbandsübereinkunft der japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-281718, eingereicht am 18. September 2000, mit dem Titel „Lötmaterial und elektrisches/elektronisches Gerät, in dem dieses verwendet wird".

Claims

Lötmaterial, bestehend – abgesehen von Unreinheiten – aus Gewichtsanteilen von 1,0 bis 4,0 % Silber (Ag), 1,0 bis 20 % Bismut (Bi), 2,5 bis 15 % Indium (In), 0,1 bis 1,0 % Nickel (Ni) und zum restlichen Teil aus Zinn (Sn).
Lötmaterial gemäß Anspruch 1, ferner beinhaltend 0,1 bis 1,0 Gew.-% Cu an Stelle eines Anteils Sn.
Verbindungsstruktur, bei der eine externe Elektrode mit dem Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 verbunden ist, wobei die externe Elektrode aus einem Material hergestellt ist, dessen Hauptkomponente aus der Gruppe bestehend aus Sn, Pd, Sn-Bi, Sn-Cu und Sn-Ag ausgewählt ist.
Verbindungsteil, hergestellt aus dem Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 und 2.
Elektrisches oder elektronisches Gerät, bei dem das Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 zum Bilden einer Verbindung verwendet ist.
Elektronikplatine, bei der eine externe Elektrode einer elektronischen Komponente mit einem auf einer Platine gebildeten Lötauge mittels Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 verbunden ist.
Verfahren zum Befestigen einer elektronischen Komponente, wobei das Verfahren das Verbinden einer externen Elektrode der elektronischen Komponente mit einem auf einer Platine geformten Lötauge mittels Lötmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 umfasst.