DE69704725T2

DE69704725T2 - Weichlotlegierung, Weichlotpaste und Verfahren zum Weichlöten

Info

Publication number: DE69704725T2
Application number: DE69704725T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yamaguchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: EP0878265B1; US20010025875A1; US5918795A; WO1997028923A1; SG43578A1; DE69628587T2; DE69704725D1; JPH09216089A; US6428745B2; US20010018030A1; EP0878265A4; EP0787559A1; MY117994A; EP0787559B1; EP0878265A1; US6267823B1; JP3220635B2; DE69628587D1

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lotlegierung und ein Weichlotmittel zum Löten elektronischer Schaltkreisleiterplatten und auf ein Verfahren zum Löten derselben.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Verringerung der Größe und eine hoch-dichte Montage von elektronischen Bauelementen sind ein schnell ansteigender Trend in der derzeitigen Technologie der Montage von elektronischen Teilen. Mit diesem Trend ist eine Anforderung nach einer Erhöhung hinsichtlich höherer Zuverlässigkeit und Funktion von Lotmaterialien entsprechend den eng beabstandeten elektronischen Teilen vorhanden. Dabei gewinnt der Umweltschutz zunehmend an Bedeutung und es ist eine Bewegung zu einer legal regulierten Entsorgung von Industrieabfällen, einschließlich elektronischer Schaltkreisleiterplatten, vorhanden. Nachfolgend wird ein herkömmliches Lotmaterial unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 2 stellt eine Legierungszusammensetzung eines herkömmlichen Lotmaterials und dessen metallische Struktur in einer Verbindungszwischenfläche zwischen einem Kupfersteg und einem Lotmittel dar. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine α-Fest-Lösung-Sn-Schicht. 2 bezeichnet eine β-Fest-Lösung-Pb-Schicht. 3 bezeichnet eine intermetallische Verbindung, die aus Cu&sub3;Sn zusammengesetzt ist. 4 bezeichnet auch eine intermetallische Verbindung, die aus Cu&sub6;Sn&sub5; zusammengesetzt ist. Mit 5 ist ein Cu-Steg bezeichnet.
Das vorstehend angegebene, herkömmliche Lotmittel ist eine eutektische Legierung, die aus Sn und Pb zusammengesetzt ist, die einen eutektischen Punkt von 183ºC besitzt, wobei Sn mit 63 Gewichts-% und Pb mit 37 Gewichts-% vorhanden sind. Die Legierung enthält eine α-Fest-Lösung 1 und eine β-Fest-Lösung 2 in lamellaren Zuständen. Weiterhin sind die intermetallischen Verbindungen 3 und 4 in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Kupfersteg und dem Lotmittel gebildet.
Vom Standpunkt des Umweltschutzes her gesehen ist allerdings ein solcher Trend vorhanden, die Verwendung von Blei, bei dem es sich um eine toxische Substanz eines Sn- Pb-Legierung-Lotmittels handelt, so zu beschränken, daß es sich schnell über die ganze Welt verbreitet. Das herkömmliche Lotmittelmaterial, bei dem die Legierung eine lamellare Struktur besitzt, besitzt ein Problem dahingehend, daß die Legierungskomponenten bei einer hohen Temperatur anschwellen und das Lotmittel dadurch unter Spannung gesetzt wird, wodurch die Grenzflächen zwischen den Legierungskomponenten dazu gebracht werden, zu gleiten, was zu Lotmittelrissen führt. Ein anderes Problem ist dabei dahingehend vorhanden, daß während des Lötens oder bei hohen Temperaturen eine feste und brüchige, zweischichtige, intermetallische Verbindung in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Lotmittel und dem Kupfersteg gebildet wird, was dazu führt, daß Risse in der Zwischenfläche auftreten.
Aus der US-A-5439639 sind verschiedene Lotmittellegierungen in dem System Sn-Ag-Bi bekannt. Insbesondere sind zwei Lotmittellegierungen offenbart, nämlich 91,84 Sn - 3,33 Ag - 4,83 Bi und 90,48 SN - 3,28 Ag - 6,23 Bi. Diese Legierungen werden dazu verwendet, ein Lotmittel mit der Hinzufügung von auf Rosin- bzw. Terpentinharz basierendem, schwach aktiviertem Flußmittel herzustellen. Weiterhin ist aus McCormack, et al. "THE DESIGN AND PROPERTIES OF NEW LEAD FREE SOLDER ALLOYS, SEPTEMBER 12, 1994, PROCEEDINGS OF THE IEEE/CPMT AND THE NATIONAL ELECTRONICS MANUFACTURING TECHNOLOGY SYMPOSIUM, eine Lotmittellegierung der Zusammensetzung Sn - 3,5 Ag - 5 Bi bekannt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die vorstehend angegebenen Probleme liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lotmittelmaterial frei von Blei zu schaffen, bei dem die Legierungskomponenten fein strukturiert sind und die intermetallischen Verbindungen hinsichtlich eines Anwachsens in der Verbindungszwischenfläche zwischen einem Lotmittel und einem Kupfersteg eingeschränkt sind, so daß die Änderungen der Komponenten über die Zeit bei hohen Temperaturen minimiert werden können und eine ausgezeichnete, thermische Ermüdungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen erhalten werden kann.
Die vorstehende Aufgabe wird durch eine bleifreie Lotmittellegierung gelöst, die aus 2,5 bis 4,0 Gewichts-% Ag, 5 bis 18 Gewichts-% Bi, 0,1 bis 0,7 Gewichts-% Cu und 0,1 bis 1,5 Gewichts-% In, der Rest Sn, besteht.
Die erfindungsgemäße Lotmittellegierung ist hauptsächlich aus Sn zusammengesetzt, und die Hinzufügung einer kleinen Menge von Ag dazu ermöglicht, daß eine Legierung geschaffen wird, die eine feine Legierungsstruktur und eine ausgezeichnete, thermische Ermüdungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzt. Weiterhin ermöglicht die Hinzufügung einer kleinen Menge von Bi, den Schmelzpunkt davon zu verringern und die Benetzungsfähigkeit zu verbessern.
Weiterhin ist die Hinzufügung einer kleinen Menge Cu dahingehend effektiv, das Wachstum von intermetallischen Verbindungen in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Kupfersteg und dem Lotmittel zu beschränken. Weiterhin verbessert die Hinzufügung einer kleinen Menge von In die Dehnungseigenschaft und die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Legierung.
Der Grund, warum die Zusammensetzung der Lotmittellegierung auf die Weise eingeschränkt ist, wie dies vorstehend erwähnt ist, wird nachfolgend erläutert.
Ag ist dahingehend effektiv, die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Legierung zu verbessern. Allerdings kann, falls die Menge von hinzugefügtem Ag geringer als 2,5 Gewichts-% ist, ein solcher Effekt nicht ausreichend ausgeübt werden. Dabei muß, um sicherzustellen, daß der Schmelzpunkt bei oder niedriger als 220ºC liegt, der Gehalt an Ag 4,0 Gewichts-% oder weniger sein. Falls die hinzugefügte Menge von Ag 4,0 Gewichts-% übersteigt, steigt der Schmelzpunkt schnell in unvorteilhafter Weise an. Aus diesem Grund wird die Menge einer Hinzugabe von Ag zwischen 2,5 und 4,0 Gewichts-% gehalten.
Bi ist effektiv, um den Schmelzpunkt zu erniedrigen und die Benetzungsfähigkeit zu erhöhen. Wenn allerdings die Menge von hinzugefügtem Bi geringer als 5 Gewichts-% ist, kann ein solcher Effekt nicht ausreichend ausgeübt werden. Dabei kann, falls die Menge von hinzugefügtem Bi 18 Gewichts-% übersteigt, keine ausreichende Lotfestigkeit in unvorteilhafter Weise erhalten werden. Deshalb wird die Menge der Hinzugabe von Bi zwischen 5 und 18 Gewichts-% gehalten.
Cu ist effektiv, um die thermischen Eigenschaften der Legierung zu verbessern und die Bildung von intermetallischen Verbindungen in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Lotmittel und dem Kupfersteg einzuschränken. Allerdings kann, wenn die Menge von hinzugefügtem Cu geringer als 0,1 Gewichts-% beträgt, ein solcher Effekt nicht ausgeübt werden, und falls die Menge 0,7 Gewichts-% übersteigt, wird die Legierung fest und brüchig. Deshalb liegt die Menge der Hinzugabe von Cu zwischen 0,1 und 0,7 Gewichts-%. In ist effektiv, die Dehnungseigenschaft, die Benetzungsfähigkeit und die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Legierung zu verbessern. Allerdings kann, falls die Menge von hinzugefügtem In geringer als 0,1 Gewichts-% ist, ein solcher Effekt nicht erzielt werden, und falls die Menge 1,5 Gewichts-% übersteigt, wird die mechanische Festigkeit der Legierung herabgesetzt. Deshalb beträgt die Menge der Hinzugabe von In 0,1 bis 1,5 Gewichts- %.
Ein Weichlotmittel gemäß der Erfindung wird durch Hinzugabe und Mischen eines Flußmittels in die Legierung nach der Erfindung präpariert.
Um den vorstehend angegebenen Zweck zu erzielen, ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch charakterisiert, daß die Lotmittellegierung der Erfindung durch Abkühlen bzw. Abschrecken verfestigt wird, wie dies in Anspruch 3 definiert ist.
Ein anwendbares Abschreckungsverfahren hier ist vorzugsweise ein Blasen mit Kaltluft, wobei die Abkühlrate zwischen 5 bis 15ºC/Sekunde, am bevorzugtesten bei oder ungefähr 10ºC/Sekunde, liegt.
Die erfindungsgemäße Abkühlverfestigung der Lotmittellegierung ermöglicht, daß intermetallische Verbindungen aus Ag&sub3;Sn, Cu&sub3;Sn und CuSn&sub5; hinsichtlich eines Anwachsens eingeschränkt werden und fein verteilt werden, wodurch die mechanische Festigkeit und die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Legierung verbessert werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 stellt die Zusammensetzung einer Lotmittellegierung dar, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 2 stellt die Legierungsstruktur eines herkömmlichen Lotmittels und dessen metallische Zusammensetzung in der Verbindungszwischenfläche zwischen einem Kupfersteg und einem Lotmittel dar.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird detailliert unter Bezugnahme auf Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2, wie dies in Tabelle 1 dargestellt ist, beschrieben.
Tabelle 1 stellt die Zusammensetzung (in Gewichts-%), den Schmelzpunkt, die Benetzungsfähigkeit, die Verbindungsfestigkeit und die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Lotmittelliegerungen, die in den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 verwendet sind, dar. Tabelle 1
Die Schmelzpunkte wurden für jede Lotmittellegierung mit thermischer Analyse gemessen. Jede Legierung wurde als Weichlotmittel des Typs RMA (Rosin Mild Activated) zur Verwendung in Luft hergestellt und Tests hinsichtlich der Benetzungsfähigkeit, der Verbindungsfestigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit wurden bei jedem Weichlotmittel durchgeführt.
Beim Evaluieren der Benetzungsfähigkeit wurde ein OFP mit einer 0,5 mm Teilung zuerst befestigt und dann wurde die Ablöse- bzw. Peelingfestigkeit pro Leitung gemessen. Der Test zu der thermischen Schockbeständigkeit wurde unter Verwendung einer Testeinrichtung für die thermische Schockbeständigkeit unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: jede Weichlotmittelprobe wurde Temperaturänderungen von 40ºC (30 Minuten) über eine normale Temperatur (5 Minuten) bis zu 80ºC (30 Minuten) für 500 Zyklen unterworfen. Danach wurde für eine Evaluierung der thermischen Schockbeständigkeit geprüft, ob Risse existierten oder nicht.
Beim Präparieren eines Weichlotmittels von der vorstehend angegebenen Lotmittellegierung war keine bestimmte Einschränkung bei der Auswahl des Typs eines Flußmittels, das hinzugegeben wurde, vorhanden, und solche Flußmittel, wie Flußmittel für Air-Reflow, ein Flußmittel für ein N&sub2;-Reflow, ein Flußmittel vom RA (Rosin Activated) Typ und ein Flußmittel vom RMA (Rosin Mild Activated) Typ, wurden als verwendbar bestätigt. Unter diesen war der bevorzugteste Typ eines Flußmittels der RMA-Typ zur Verwendung in Luft, der aktiv ist und eine relativ hohe Antikorrosionsbeständigkeit besitzt.
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde eine Lotmittellegierung verwendet, die 96,5 Gewichts-% von Sn und 3,5 Gewichts-% von Ag enthielt, während in dem Vergleichsbeispiel 2 eine Lotmittellegierung verwendet wurde, die 63 Gewichts-% von Sn und 37 Gewichts-% von Pb enthielt.

BEISPIEL 1

Die Lotmittellegierung des Beispiels 1 ist aus fünf Komponenten zusammengesetzt, d. h.: 85,5 Gewichts-% von Sn, 3 Gewichts% von Ag, 10 Gewichts-% von Bi, 0,5 Gewichts-% von Cu und 1 Gewichts-% von In.
Die Lotmittellegierung wurde zu einem Weichlotmittel durch Hinzufügen dazu eines Flußmittels vom RMA-Typ zur Verwendung in Luft verarbeitet. Dann wurden Tests in Bezug auf den Schmelzpunkt, die Benetzungsfähigkeit, die Verbindungsfestigkeit und die thermische Schockbeständigkeit bei diesem Weichlotmittel durchgeführt.
Danach wurde das Lotmittel durch Abkühlung bzw. Abschrecken bei dem Verfestigungsvorgang des Lötens verfestigt. Als Folge waren, wie in Fig. 1 dargestellt ist, intermetallische Verbindungen (Ag&sub3;Sn&sub6;) in Bezug auf ein Anwachsen eingeschränkt und fein dispergiert. Daneben war es möglich, die mechanische Festigkeit zu erhöhen und die thermische Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern. Weiterhin konnte verhindert werden, daß intermetallische Verbindungen in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Kupfersteg und dem Lotmittel anwuchsen. In dem Abkühlverfestigungsvorgang des Lotmittels wurde ein kalter Luftstrom unter einer Kühlrate von ungefähr 10ºC/Sekunde aufgebracht, um dadurch die gelötete Verbindung zu kühlen.
Beispiel 1 stellt eine Verbesserung dahingehend dar, daß der Schmelzpunkt erniedrigt wird und die Verbindungsfestigkeit erhöht wird.

BEISPIEL 2

In Beispiel 2 wurde eine Lotlegierung verwendet, die aus den folgenden fünf Komponenten zusammengesetzt war: 80,5 Gewichts-% von Sn, 3 Gewichts-% von Ag, 15 Gewichts-% von Bi, 0,5 Gewichts-% von Cu und 1 Gewichts-% von In.
Verglichen mit dem Beispiel 1 wurde die Menge von Bi, das in der Legierung des Beispiels 2 enthalten war, erhöht. Als Folge wurde, wie in Tabelle 1 dargestellt ist, ein merkbarer Effekt beim Erniedrigen des Schmelzpunkts beobachtet.
Die Lotlegierung von Beispiel 2 wurde auch mittels Abkühlen verfestigt, nachdem sie verlötet war. Als Ergebnis wurde eine noch weitere Verbesserung in Bezug auf die mechanische Festigkeit und die thermische Ermüdungsbeständigkeit beobachtet.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann, mit der Hinzufügung einer kleinen Menge von Ag zu dem Lotmittel der vorliegenden Erfindung, das Sn als eine Hauptkomponente enthält, eine solche Lotlegierung erhalten werden, die eine feine Legierungsstruktur besitzt, die minimierten, strukturellen Änderungen unterworfen wird und die eine ausgezeichnete, thermische Ermüdungsbeständigkeit besitzt.
Die Hinzufügung einer kleinen Menge von Bi erniedrigt den Schmelzpunkt und verbessert die Benetzungsfähigkeit.
Die Hinzufügung einer kleinen Menge von Cu macht es möglich, das Anwachsen von intermetallischen Verbindungen in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Kupfersteg und dem Lotmittel einzuschränken, um dadurch die Verbindungsfestigkeit zu erhöhen.
Die Hinzufügung einer kleinen Menge an In verbessert die Dehnungseigenschaft und erhöht die thermische Ermüdungsbeständigkeit.
Ein anderer Punkt, der anzumerken ist, ist derjenige, daß durch die Abkühlverfestigung des Lotmittels bei dem Kühlvorgang des Lotmittels die Legierungsstruktur gefeint werden kann und die intermetallischen Verbindungen können hinsichtlich eines Anwachsens in der Verbindungszwischenfläche zwischen dem Kupfersteg und dem Lotmittel eingeschränkt werden. In dieser Hinsicht wird eine Lotlegierung erhalten, die ausgezeichnet in sowohl der mechanischen Festigkeit als auch der thermischen Ermüdungsbeständigkeit ist. Ein noch weiterer Vorteil ist derjenige, daß das Lotmittel, das so erhalten ist, frei von Blei oder einer toxischen Substanz ist.

Claims

1. Bleifreie Lotmittellegierung, die besteht aus:

2,5 bis 4,0 Gewichts-% von Ag,

5 bis 18 Gewichts-% von Bi,

0,1 bis 0,7 Gewichts-% von Cu und

0,1 bis 1,5 Gewichts-% von In,

der Rest Sn.

2. Weichlotmittel, das durch Hinzufügen eines Flußmittels zu der Lotmittellegierung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, hergestellt wird.

3. Lötverfahren unter Verwendung der Lotmittellegierung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, wobei die Lotmittellegierung durch Abschrecken zu fein dispergierten, intermetallischen Verbindungen mittels Kühlen bei einer Abschreckrate von 5- 15ºC/Sekunde, vorzugsweise bei oder ungefähr 10ºC/Sekunde, verfestigt wird, um dadurch die mechanische Festigkeit der Lotmittellegierung zu erhöhen.