BR112013021668B1 - Liga de solda para um dispositivo eletrônico, junta de solda e dispositivo de energia - Google Patents

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Klaus Wilke
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Minoru Ueshima
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Abstract

liga de solda para dispositivos de energia e junta de solda tendo uma alta densidade de corrente a presente invenção refere-se a uma junta de solda que é usada em dispositivos de energia e similares, e que pode suportar uma alta densidade de corrente sem desenvolver eletromigração é is formada de uma liga à base de sn-ag-bi-in. a junta de solda é formada de uma liga de solda consistindo essencialmente de 2 - 4% em massa de ag, 2 - 4% em massa de bi, 2 - 5% em massa de in, e um restante de sn. a liga de solda pode adicionalmente conter pelo menos um de ni, co, e fe.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para LIGA DE SOLDA PARA UM DISPOSITIVO ELETRÔNICO, JUNTA DE SOLDA E DISPOSITIVO DE ENERGIA.
Campo Técnico [001] Esta invenção se refere a uma liga de solda e uma junta de solda que pode suportar uma alta densidade de corrente sem ser danificada por eletromigração. A presente invenção também se refere a um elemento eletrônico (dispositivo eletrônico) e, particularmente, um dispositivo de energia usando tal junta de solda.
Técnica Antecedente [002] A soldagem é o método mais comumente usado para conectar eletricamente dispositivos eletrônicos a painéis de circuito e substratos similares. À medida que os dispositivos eletrônicos tornamse aumentadamente pequenos, o tamanho das juntas de solda para conexão de dispositivos eletrônicos a outros membros está similarmente tomando-se menor, e à medida que sua forma torna-se menor, a densidade de corrente em cada junta está se tornando extremamente grande. No presente, juntas de solda normalmente usadas para dispositivos eletrônicos não têm uma densidade de corrente consideravelmente alta. Contudo, no futuro, é esperado ser uma demanda de juntas de solda que possam ser seguramente usadas por longos períodos em densidades de corrente muito altas, tais como 5 -100 kA/cm2. Tal alta densidade de corrente é particularmente antecipada em equipamento elétrico, tais como dispositivos de energia usados em veículos elétricos híbridos, inversores, e similares.
[003] No passado, os dispositivos eletrônicos de interesse foram dispositivos eletrônicos usados em circuitos digitais, tais como substratos para computadores. Recentemente, contudo, aparelhos eletrodomésticos, tais como aparelhos de cozinha elétricos e condicionadores de ar, estão também se tornando computadorizados, e dispositivos
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2/29 eletrônicos conduzindo uma grande corrente estão se tornando mais comuns nestes aparelhos. Nos anos recentes, o controle do veículo está se tornando aumentadamente eletrônico, e existem agora veículos, tais como veículos híbridos e veículos elétricos, tendo uma grande porção destes constituída por partes eletrônicas.
[004] Os dispositivos eletrônicos que controlam estas grandes correntes incluem aqueles referidos como dispositivos de energia (dispositivos semicondutores para controle de energia) que manuseiam 1 ampère ou mais de corrente. Estes dispositivos incluem não somente semicondutores, tais como transistores de energia e diodos de energia, mas também inversores, módulos de energia, e similares, que foram produzidos em componentes.
[005] Devido a um dispositivo de energia manusear uma alta voltagem e uma alta corrente, uma grande quantidade de calor é gerada em seu interior. Portanto, um dissipador de calor à base de Cu, um substrato de isolamento, e um dispositivo de silício, são frequentemente conectados entre si com solda para proporcionar dissipação de calor. Mesmo quando eles são conectados entre si por pontes de fio, ligação por solda é usada entre suportes de modo a proporcionar dissipação de calor. Devido a uma grande corrente que flui nestas juntas de solda, elas têm uma alta densidade de corrente, e eletromigração em que Cu em suportes de Cu ou Ni em suportes de Ni que migram na solda, podem ocorrer, e causam problemas.
[006] A eletromigração é um fenômeno em que o fluxo de elétrons que é produzido quando uma grande corrente flui faz com que átomos de metal fluam na direção do fluxo de elétrons. A eletromigração, às vezes, produz trincas e outros defeitos no lado do catodo de uma junta de solda, e extrusão da solda e crescimento de compostos intermetálicos ocorrem no lado do anodo. Estas mudanças na microestrutura de uma junta de solda e na temperatura resultante aumentam
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3/29 às vezes a produção de dano, tal como fratura da junta de solda, e tal dano pode fazer com que um dispositivo eletrônico conectado à junta de solda funcione mal parcialmente ou totalmente.
[007] Devido aos dispositivos de energia terem uma alta densidade de corrente e uma grande quantidade de calor ser gerado de dispositivos de energia, soldas convencionais para dispositivos de energia têm usado soldas de alta temperatura, tais como Pb-5Sn ou Pb-10Sn (% em massa) que têm uma temperatura de fusão de ao redor de 300°C. Devido a interesses ambientais, sold as livres de chumbo para uso nos dispositivos de energia estão sendo estudadas, mas uma composição de solda livre de chumbo que é ótima para dispositivos de energia não foi ainda determinada.
[008] A solda Sn-5Sb acima mencionada e solda Sn-l0Sb são, no presente, bem conhecidas como soldas livres de chumbo para dispositivos de energia. Em adição, os presentes inventores revelaram uma pasta de solda contendo uma energia de solda à base de Bi tendo uma temperatura de sólido de pelo menos 260°C e um adesivo de termocura (Documento de Patente 1).
[009] Ligas de solda tendo uma composição de Sn-Ag-Bi-In que foram reveladas incluem uma liga de solda livre de chumbo consistindo essencialmente em pelo menos 0,8 % em peso a, quando muito, 5% em peso de Ag, pelo menos 0,1% em peso de cada de In e Bi com o total de ambos sendo, quando muito, 17% em peso, e um restante de Sn e impurezas inevitáveis (Documento de Patente 2), e um material de solda tendo Sn e Ag como uma composição básica com um teor de Ag de 0,1 - 20% em peso, caracterizada por conter pelo menos um de 0,1 - 25% em peso de Bi e 0,1 - 20% em peso de In, e um restante de Sn (Documento de Patente 3), e similares.
Documentos da Técnica Anterior
Documentos de Patente
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Documento de Patente 1: JP 2005-72173 A
Documento de Patente 2: JP 9-70687 A Documento de Patente 3: JP 8-206S74 A Sumário da Invenção
Problema que a Invenção é para Solucionar [0010] À medida que os dispositivos eletrônicos tornam-se aumentadamente pequenos, as juntas de solda que conectam componentes dentro dos dispositivos eletrônicos e juntas de solda que conectam os dispositivos eletrônicos a outros membros estão similarmente se tornando menores, e à medida que sua forma está se tornando menor, a densidade de corrente em cada junta está se tornando extremamente grande. Em adição, os dispositivos eletrônicos que são conectados aos eletrodos de painéis de circuito impresso de equipamento eletrônico estão se tornando menores, sua resistência elétrica está se tornando mais alta, e a densidade de corrente em cada junta está se tornando extremamente alta. A eletromigração se desenvolve em tais juntas de solda tendo uma alta densidade de corrente. A eletromigração é um fenômeno em que átomos de metal migram e fazem com que trincas e outros defeitos se desenvolvam no lado do catodo de uma junta de solda, e extrusão da solda e crescimento de compostos intermetálicos ocorrem no lado do anodo, encurtando, desse modo, a vida dos dispositivos eletrônicos e equipamento eletrônico.
[0011] À medida que os dispositivos eletrônicos tornam-se menores, as juntas que conectam os dispositivos eletrônicos e painéis de circuito impresso estão também se tornando menores. Devido à corrente elétrica fluir nestas juntas menores, a densidade de corrente é grande bastante com juntas de solda para conexão de painéis de circuito impresso tendo padrões finos, e a ocorrência de eletromigração tem se tornado um problema.
[0012] O problema a ser solucionado pela presente invenção é de
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5/29 senvolver uma liga de solda que não desenvolva eletromigração mesmo quando ela conecta partes eletrônicas, tais como diodos de energia tendo uma densidade de corrente extremamente alta, ou dispositivos eletrônicos pequenos tendo um padrão fino para painéis de circuito impresso.
Meios para Solucionar o Problema [0013] Os inventores da presente invenção verificaram que a causa da ocorrência de eletromigração é que devido à corrente que é gerada pela operação de dispositivos eletrônicos ou painéis de circuito impresso de equipamento eletrônico, os elétrons fluem na direção oposta a partir da corrente, e o metal em uma junta se move junto com o movimento dos elétrons, fazendo com que, desse modo, trincas e outros defeitos se desenvolvam no lado do catodo da junta. Eles também verificaram que a eletromigração é aliviada pelo controle do movimento abrupto de átomos de metal nas juntas de painéis de circuito impresso de equipamento eletrônico, e eles completaram a presente invenção.
[0014] A presente invenção é uma liga de solda adequada para montagem de partes eletrônicas, tais como diodos de energia tendo uma densidade de corrente extremamente alta, ou dispositivos eletrônicos pequenos tendo um padrão fino. A liga de solda consiste essencialmente de 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2 - 5% em massa de In, e um restante de Sn. É também uma junta de solda que conecta um dispositivo eletrônico pequeno a um painel de circuito usando esta liga de solda.
[0015] Uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, pode adicionalmente conter pelo menos um de 0,01 - 0,3% em massa de Ni, 0,01 - 0,32% em massa de Co, e 0,01 - 0,1% em massa de Fe.
[0016] Nas explanações nesta descrição prescrevendo uma composição de liga de solda, a % por si significa % de massa.
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6/29 [0017] Um dispositivo eletrônico em que uma liga de solda e uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, são usadas, e uma junta de solda que conecta tal dispositivo eletrônico a um painel de circuito impresso são efetivos na prevenção de eletromigração.
[0018] A eletromigração ocorre devido a um metal em suportes tal como Cu se movendo e difundindo na liga de solda de uma junta de solda junto com o movimento de elétrons. Se o movimento de um metal nos suportes, tal como Cu tendo uma carga elétrica em uma liga de solda, pode ser controlado, o movimento de Cu nos suportes, ou de um composto intermetálico formado na superfície de ligação entre os suportes de Cu e a liga de solda na liga de solda, pode ser impedido, e trincas e outros defeitos não se desenvolvem mesmo com uma junta tendo uma alta densidade de corrente.
[0019] Dois métodos são concebíveis como métodos pelos quais a liga de solda, de acordo com a presente invenção, controla o movimento de átomos de metal.
[0020] Um primeiro método é um método em que a difusão de átomos de Cu no interior de uma liga de solda tendo uma matriz de Sn é suprimida de modo a impedir fluxo abrupto de corrente. Este método é altamente efetivo na prevenção de eletromigração.
[0021] Especificamente, neste método, um metal que concede tensões à rede metálica da liga de solda é adicionado para tornar o movimento de átomos de metal que se movem (Cu e Ni) mais difícil. Na presente invenção, pela adição de Bi ou Sb, a rede metálica é distorcida para conceder uma resistência, e fluxo abrupto de corrente pode ser suprimido. Neste método, devido ao Bi ter um raio atômico maior do que o Sb, ele pode conceder uma resistência maior à rede. Portanto, Bi é usado na presente invenção, [0022] A Figura 1 mostra um modelo de uma rede metálica que compara o caso em que Bi não está presente tal como em um liga de
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SnAgCu convencional com o vaso em que Bi é adicionado como na presente invenção. A Figura 1(a) mostra um exemplo convencional. Pode ser visto que átomos de Cu passam facilmente através de uma rede de Sn. A Figura 1(b) mostra que quando Bi é adicionado como na presente invenção, os átomos de Bi distorcem a rede, e torna-se mais difícil os átomos de Cu passarem através da rede de Sn. Para simplificar a explanação, átomos de In e outros átomos são omitidos desta figura.
[0023] Foi também verificado que quanto mais uniforme a orientação do cristal, mais facilmente a difusão de átomos de Cu em uma liga de solda ocorre. Se a orientação de cristal da liga de solda torna-se aleatória, a difusão abrupta de Cu não ocorre mais. Em particular, a difusão é extrema na direção do eixo c da orientação do cristal. Portanto, se a direção da corrente é feita de modo a não coincidir com a direção do eixo c, a difusão de Cu dentro da liga de solda tendo uma matriz de Sn é suprimida, e difusão abrupta de Cu não ocorre. Na presente invenção, In (índio) é adicionado como um metal que pode suprimir alinhamento da orientação de cristal, como um resultado do qual eletromigração é suprimida.
[0024] Um segundo método é um em que uma camada de reação de um composto intermetálico ou compostos é formada na interface entre um metal, tal como Cu, que é usado para formar suportes e a liga de solda. Na presente invenção, In, Ni, e Co são usados. A corrente não flui prontamente na periferia de uma camada de composto intermetálico formada por uma reação de Cu usada nos suportes e In, Ni, ou Co em uma liga de solda. Contudo, somente a periferia de uma camada de reação de compostos intermetálicos formada por este método é uma área que suprime o fluxo de corrente, de modo que o efeito de supressão de corrente é local. Consequentemente, ele é menos efetivo do que o primeiro método que é um método que produz um
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8/29 efeito total, e torna difícil para a corrente fluir dentro de uma liga de solda. Na presente invenção, um método que tem um efeito total e torna difícil para o Cu se difundir em uma liga de solda, e um método que tem um efeito local e forma uma camada de reação de compostos intermetálicos na interface entre um metal, tal como Cu, usado em suportes, e a liga de solda, são ambos usados, pelo que é possível obter uma junta de solda em que a ocorrência de eletromigração é minimizada.
[0025] De modo a controlar o movimento de átomos de metal e impedir eletromigração, In e Bi são adicionados a uma solda Sn-Ag em uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, concedendo, desse modo, tensões à rede de metal da liga de solda e controle da orientação de cristal da liga de solda. Uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, tem uma composição de solda de Sn-Ag-InBi similar àquela descrita no Documento de Patente 2 ou Documento de Patente 3, e a composição de solda cai na faixa de uma solda de baixa temperatura.
[0026] Dispositivos eletrônicos ou substratos com os quais eletromigração é um problema são dispositivos eletrônicos, tais como dispositivos de energia em que uma grande corrente flui, dispositivos eletrônicos, tais como CPUs, tendo padrões finos, ou substratos nos quais tais dispositivos são montados. Todos destes têm a característica comum que eles têm uma alta densidade de corrente e, consequentemente, geram calor devido a uma alta corrente.
[0027] Na presente invenção, uma composição de solda que controla o movimento de átomos de metal e impede eletromigração é coincidentemente uma composição de solda que cai na faixa referida como uma solda de baixa temperatura. Os dispositivos eletrônicos e substratos que têm o problema de eletromigração têm problemas com relação à geração de calor devido a grandes correntes. Portanto, ligas
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9/29 de solda de alta temperatura tendo um alto ponto de fusão referidas como soldas de alta temperatura foram usadas com tais dispositivos e substratos. Se uma composição de solda similar àquela descrita no Documento de Patente 2 ou Documento de Patente 3 em que In ou Bi é adicionada para simplesmente abaixar a temperatura de fusão da solda é usada com dispositivos eletrônicos ou substratos que têm o problema de eletromigração, devido a uma alta densidade de corrente de uma junta de solda com fluxo de uma grande corrente, as juntas de solda terminal localmente a fusão e a eletromigração acaba aumentando porque o movimento de átomos de metal devido à eletromigração, pode não mais ser controlado.
[0028] Uma liga de solda para dispositivos de energia, de acordo com a presente invenção, é adequada para transistores de energia, tais como IGBTs (transistores bipolares de porta isolados) ou MOSFETs (transistores de efeito de campo MOS) usados em condicionadores de ar, anelas elétricas de arroz, máquinas-ferramenta, e similares. [0029] A Figura 2 mostra esquematicamente um IGBT. Na figura, um eletrodo de ligação de molde é provido em um dissipador de calor à base de cobre 25, e uma camada de solda 27 é provida no topo do eletrodo. A camada de solda 27 é conectada a um chip IC 22 através de uma camada de revestimento 24 que é formada no chip IC 22 que é montado na camada de solda 27. Um grampo de Cu 21 se estende de um eletrodo formado no topo do chip IC 22 a uma estrutura de condução de Cu 20. O chip IC 22 é conectado ao grampo de Cu 21 e o grampo de Cu 21 é conectado à estrutura de condução 20 por juntas de solda 26.
[0030] Particularmente quando uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, é usada para uma junta que conecta o emissor e o coletor de um dispositivo de energia, é possível manter qualidade por longos períodos, que é desejável, mesmo se existe uma alta denPetição 870180134497, de 26/09/2018, pág. 12/39
10/29 sidade de corrente entre terminais.
[0031] Uma liga de solda para dispositivos de energia, de acordo com a presente invenção, pode ser usada não somente dentro dos dispositivos de energia, mas é usada para juntas tendo uma grande corrente entre os dispositivos e um painel de circuito impresso, tais como juntas entre um dispositivo de energia e um painel de circuito impresso, ou juntas entre uma CPU e um painel de circuito impresso que tem uma alta densidade de corrente, impedindo, desse modo, a eletromigração que se desenvolve em suportes produzidos de Cu, Ni, ou similares. Quando se conecta tal dispositivo eletrônico a um painel de circuito impresso, o mesmo perfil de refluxo como para liga de Sn3,0Ag-0,5Cu normalmente usada pode ser usada.
[0032] A saber, uma liga de solda para dispositivos de energia, de acordo com a presente invenção, pode ser usada para dispositivos de energia tendo juntas de solda através das quais uma corrente tendo uma densidade de corrente de 5 - 100 kA/cm2 flui. Ela pode também ser usada para montagem de dispositivos de energia em painéis de circuito impresso com juntas através das quais uma corrente com uma densidade de corrente de 5 - 100 kA/cm2 flui.
[0033] Uma liga de solda para dispositivos de energia, de acordo com a presente invenção, pode garantir excelente resistência ao calor até condições de temperatura ao redor de 150°C dent ro de um dispositivo eletrônico quando o dispositivo é montado com a liga de solda. Contudo, desde que um dispositivo de energia permite que uma grande corrente de pelo menos 1 ampere flua, se a temperatura de sólidos da liga de solda é muito baixa, a junta de solda torna-se meio fundida, e movimento de átomos de metal não pode mais ser controlado.
Teor de Bi (bismuto):
[0034] Devido à segregação, uma fase de Bi pura cristaliza sobre um filete de solda total. Portanto, se a densidade de corrente local
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11/29 mente torna-se alta em uma junta soldada, visto que a própria solda gera calor em Joule, a temperatura da junta de solda instantaneamente excede 150°C, e a junta parcialmente derrete. Em um teste de ciclo de calor usual, ou em um teste de ciclo de energia convencional em que o passo é amplo e o fluxo de corrente é pequeno, mesmo se o calor em Joule é gerado, não existem problemas maiores porque devido à difusão de calor, a temperatura média se eleva ao invés da temperatura de uma porção de um filete de solda localmente aumentando. Em adição, um aumento de temperatura ocorre vagarosamente, de modo que fase de Bi pura é redissolvida na matriz de Sn, permitindo, desse modo, que a fase de baixo ponto de fusão desapareça, e não existe preocupação de refusão devido à segregação de Bi.
[0035] Contudo, com uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, tendo uma alta densidade de corrente, se o teor de Bi excedendo 4% de Bi segrega sobre o filete de solda total, e se a densidade de corrente se torna alta em uma porção onde Bi segregou, conforme o próprio Bi tem grosseiramente pelo menos 5 vezes a resistência elétrica de Sn, a geração de calor torna-se violenta. Em adição, a condutividade térmica de Bi é um valor extremamente baixo de grosseiramente 1/7 daquele de Sn, e 1/40 daquele de Cu, de modo que o calor gerado não é facilmente dissipado, e o aquecimento local é acelerado. Nas porções refundidas, a difusão de Cu torna-se mais e mais violenta, de modo que a eletromigração localmente progride e a durabilidade é encurtado até que um circuito aberto ocorra. A saber, mesmo com Bi que é efetivo em conceder tensões à rede de cristal de Sn e suprimindo a difusão de Cu, a fase de Bi pura que cristalizou na matriz de Sn não tem mais o efeito de suprimir a difusão de Cu na matriz de Sn, e se ela está presente em porções tendo uma alta densidade de corrente, ela promove geração de calor e interfere com a dissipação de calor, de modo que diminui grandemente a resistência a ele
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12/29 tromigração. Portanto, o teor de Bi é tornado quando muito 4%, de modo que a segregação de uma fase de Bi pura no tempo de solidificação de um filete de solda será minimizada.
Teor de In (índio):
[0036] A adição de In faz com que uma camada de reação com Cu se ligue para mudar de Cu6Sn5 a Cu6(SnIn)5. Em adição, o In se dissolve na matriz de Sn para formar uma solução sólida, concedendo, desse modo, tensões à rede de cristal, e suprimindo a difusão de Cu, de modo que aperfeiçoa a resistência à eletromigração. Por outro lado, à medida que a quantidade adicionada de In aumenta, a temperatura de sólidos da liga de solda diminui, e, particularmente, a uma alta temperatura, tal como 125°C, o endurecimento da solução sólida (reforço) devido ao In não pode ser esperado. A saber, os átomos de In não concedem mais tensões à rede de cristal da matriz de Sn, e a difusão mútua na matriz de Sn é acelerada pela diminuição no ponto de fusão, diminuindo, desse modo, a resistência à eletromigração. Além disso, a uma alta temperatura de 125°C, uma porção da fase β-Sn se transforma em fase γ-SnIn, fazendo com que, desse modo, a difusão de átomos de Sn e In torne-se violenta e formando um grande número de vagas atômicas. Isto torna mais fácil para o Cu se difundir através das vagas atômicas, de modo que a transformação para a fase γ-SnIn a uma alta temperatura deve ser evitada o máximo possível. Portanto, a quantidade adicionada de In é tornada quando muito 5%. Se possível, ela é quando muito 4%. Contudo, se a quantidade adicionada de In é tornada menor do que 2%, a concentração de In em uma camada de reação com eletrodos de Cu aumenta, e a ocorrência de eletromigração aumenta.
[0037] Em geral, uma diminuição na temperatura de sólidos de uma solda ativa a difusão de átomos, e a formação de vagas atômicas na solda a uma alta temperatura. Portanto, de modo a suprimir a ele
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13/29 tromigração, que requer supressão de difusão de Cu, uma solda tendo uma alta temperatura de sólidos é desejável. Contudo, foi verificado que o endurecimento da solução sólida devido à adição de Bi é mantido mesmo a 200°C, tornando, desse modo, possível s uprimir o movimento de transição no Sn e formação de vagas atômicas. Em adição, o problema de eletromigração devido à aceleração de difusão de Cu em β-Sn causada por uma diminuição no ponto de fusão é suprimido pelo ajuste da quantidade adicionada de In de modo a suprimir a difusão de Cu em uma camada de reação com eletrodos. Desse modo, nós encontramos a quantidade adicionada de In para minimizar uma diminuição na resistência à eletromigração devido a um aumento no ponto de fusão.
Efeitos da Invenção [0038] Mesmo embora uma liga de solda para um dispositivo de energia, de acordo com a presente invenção, tenha uma denominada composição de solda de baixa temperatura contendo Bi e In, ela tem resistência ao calor de ao redor de 150°C mesmo se ela é usada para juntas para conexão dentro de um dispositivo de energia. Em adição, ela não é danificada por eletromigração mesmo a uma alta densidade de corrente de 5 -100 kA/cm2. Consequentemente, um dispositivo de energia que faz uso de uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, pode operar estavelmente por longos períodos. Além disso, se uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, é usada para juntas para conexão de dispositivos de energia a painéis de circuito impresso por montagem em painéis de circuito impresso, ou conectando juntas para dispositivos, tal como CPU, tendo ligação fina a painéis de circuito impresso, a eletromigração não se desenvolve mesmo com uma junta que gera uma alta densidade de corrente de 5 100 kA/cm2, de modo que é possível obter qualidade estável por longos períodos.
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Breve Explanação dos Desenhos [0039] As Figuras 1(a) e 1(b) mostram um modelo de uma rede de Sn de um exemplo convencional e um exemplo da presente invenção, respectivamente.
[0040] A Figura 2 é uma vista esquemática de um IGBT (transistor bipolar de porta isolado).
[0041] A Figura 3 é uma vista explanatória mostrando o estado de conexão de solda em um exemplo da presente invenção.
[0042] A Figura 4 é uma fotomicrografia de elétron mostrando o estado de um terreno de cobre antes da condução da corrente em um exemplo da presente invenção.
[0043] A Figura 5 é uma fotomicrografia de elétron mostrando o estado de um terreno de cobre que tem um aumento na resistência de 5% após condução de ampères a 125°C em um exemplo d a presente invenção.
[0044] A Figura 6 é uma fotomicrografia de elétron mostrando o estado de um terreno de cobre que tem um aumento na resistência de 10% após condução de 20 ampères a 125°C em um exemp lo da presente invenção.
Modos de Efetuar a Invenção [0045] A presente invenção é uma liga consistindo essencialmente em 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2 - 5% em massa de In, e um restante de Sn. O teor de Ag pode ser quando muito 3,2%. O teor de In pode ser quando muito 4,5%.
[0046] A liga acima descrita pode preferivelmente ainda conter pelo menos um de 0,05 - 0,2% em massa de Ni, 0,05 - 0,2% em massa de Co, e 0,02 - 0,1% em massa de Fe.
[0047] Uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, pode ser formada de uma liga consistindo essencialmente em 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2 - 5% em massa de In, e
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15/29 um restante de Sn.
[0048] Uma liga que constitui a junta acima descrita pode, preferivelmente, ainda conter pelo menos um de 0,05 - 0,2% em massa de Ni, 0,05 - 0,2% em massa de Co, e 0,02 -0,1% em massa de Fe.
[0049] Uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, não é limitada ao uso com dispositivos eletrônicos específicos, mas ela é particularmente efetiva quando ela é usada com dispositivos eletrônicos que consomem uma grande quantidade de energia elétrica, tais como transistores de energia, visto que ela pode impedir eletromigração, [0050] Uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, pode ser formada em várias formas. Por exemplo, dentro de um dispositivo de energia, métodos tais como ligação de fio ou ligação de grampo flip por solda de refluxo usando pré-formas, bolas de solda, ou pasta de solda, são concebíveis.
[0051] Uma junta de solda para montagem de um dispositivo de energia em um painel de circuito impresso, ou montagem de uma CPU em um painel de circuito impresso, pode ser formada por conexão de um condutor ou um eletrodo de um dispositivo eletrônico por fluxo de solda. Alternativamente, ela pode ser formada por refluxo de solda de pasta de solda, bolas de solda, ou várias pré-formas. Em adição, uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, pode ser formada por solda manual. O método de soldagem é determinado por se o dispositivo de energia é um tipo distinto, ou um tipo montado de superfície.
[0052] As razões para limites na faixa dos componentes da composição na liga acima descrita são como segue.
[0053] Aperfeiçoamento de eletromigração em uma liga Sn-Ag-BiIn:
[0054] O teor de Ag é determinado a partir dos pontos de vista da
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16/29 temperatura de fusão e resistência à fadiga térmica da solda. Se o teor de Ag é mais baixo do que 2%, as propriedades de fadiga térmica da solda pioram. Por outro lado, se ela excede 4%, sua temperatura de líquido aumenta, de modo que o número de defeitos aumenta, e a qualidade de vazios aumenta, e a qualidade de uma junta de solda diminui. Consequentemente, o teor de Ag na presente invenção é pelo menos 2% em massa e, quando muito, 4% em massa.
[0055] Em particular, quando se formam asperezas usando-se bolas de solda, o composto grosseiro de Ag3Sn de cerca de o mesmo tamanho conforme o diâmetro das bolas de solda se cristalizam na mesma solda, e, no momento de montagem subsequente em uma placa mãe ou montagem de flip chip, tal composto grosseiro se cristaliza e se torna a causa de defeitos de soldas. À medida que a quantidade adicionada de Ag na presente invenção aumenta, a cristalização de Ag3Sn grosseiro gradualmente torna-se marcada. De modo a evitar este problema, um teor de Ag de quando muito 35% é melhor, e de modo a diminuir a cristalização de cristais primários e aperfeiçoar a confiabilidade de uma junta de solda, um teor de Ag de pelo menos 25% é preferido. Portanto, um teor de Ag mais preferido é pelo menos 2,5% em massa e, quando muito, 3,5% em massa.
[0056] Bi forma uma solução sólida com uma matriz de Sn e suprime a difusão de Cu na matriz de Sn. Bi forma uma solução sólida na matriz de Sn, e concede tensões à rede e suprime a difusão de átomos de Cu na matriz.
[0057] A eletromigração se desenvolve facilmente a uma alta temperatura de ao redor de 150°C. Consequentemente, é importante manter um estado de endurecimento da solução sólida que ocorre devido à adição de Bi em tal alta temperatura. Em geral, um estado de endurecimento da solução sólida desaparece se uma junta de solda é aquecida a uma alta temperatura de 150°C, e o limite de solubilidade do Bi
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17/29 em Sn torna-se pelo menos 10% a 150°C. Portanto, qu ando Bi é adicionado, é pensado que a difusão de átomos de Bi em uma matriz de Sn torna-se violenta e, as tensões da rede de Sn são aliviadas. Foi verificado que quando Bi é adicionado em uma quantidade de pelo menos 2%, o endurecimento da solução sólida é mantido mesmo a uma alta temperatura de pelo menos 150°C, e a presença de tensões na rede de Sn causadas pela continuação de endurecimento da solução suprime a difusão de átomos de Cu. A resistência à tensão a 160°C é 19 MPa e 28 MPa para SnAgO.5Cu e Sn3AgO.8Cu3Bi, respectivamente, e a 200°C, ela é 13 MPa e 20 MPa, respectivamente. Se o teor de Bi é menor do que 2% em massa, o endurecimento da solução sólida não é exibido, e tensões não aparecem na rede de Sn. Contudo, se uma quantidade excessiva de Bi é adicionada, em adição a diminuição acima descrita da temperatura de sólidos, uma fase de ponto de fusão baixa (fase de baixa temperatura) que se funde a 139° C se cristaliza devido à segregação no momento de soldagem. Desde que uma junta de solda é, às vezes, aquecida a uma alta temperatura de 150°C, a formação de uma fase líquida naquele momento devido à presença de tal fase de baixa temperatura em uma junta de solda não pode ser evitada. Como um resultado, devido a um aumento na carga de estresse causada por fadiga térmica, fraturas subitamente se desenvolvem. Portanto, a quantidade adicionada de Bi é tornada quando muito 4%. A quantidade adicionada de Bi na presente invenção é pelo menos 2% em massa, e, quando muito, 4% em massa.
[0058] Como um exemplo, no caso de uma liga de solda Sn3.0Ag0.8Cu5Bi, Bi se cristaliza sobre a totalidade do filete de uma junta de solda devido à segregação. Quando 4% de Bi é adicionado, Bi se cristaliza com um tamanho de ao redor de 10 pm, e é disperso sobre a totalidade de um filete, mas a área onde Bi é concentrada não passa através do filete total. Contudo, se Bi é adicionado em uma
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18/29 quantidade de pelo menos 7%, a área onde Bi segrega passa através do filete. Neste caso, se uma junta de solda é rapidamente exposta a uma alta temperatura de 150°C, uma porção de fase líquida passa através do filete, de modo que mesmo se a difusão de átomos de Cu é suprimida e eletromigração pode ser impedida, a resistência à fadiga térmica é marcadamente reduzida. Portanto, tal alto teor de Bi não é adequado para uma junta de solda requerendo alta confiabilidade mesmo sob altas correntes.
[0059] A quantidade adicionada de Bi é limitada a, quando muito, 4% e, preferivelmente, a, quando muito, 3%. Se o teor de Bi é 3% ou abaixo, a segregação de Bi é determinada em várias localizações em um filete, e mesmo se as porções onde Bi segrega refusão a 139°C, a progressão de fratura pode ser impedida. A tendência do Bi segregar não é mudada pela adição de In.
[0060] Na mesma maneira como Bi, o In (índio) forma uma solução sólida com Sn e concede tensões de rede à matriz de Sn. O endurecimento da solução sólida devido à adição de In é mantido mesmo a uma alta temperatura de 160°C. Embora seu efeito seja menor do que Bi, o In pode também suprimir a difusão de Cu em uma matriz de Sn.
[0061] Quando 2-5% de In é adicionado a uma liga de Sn, os cristais primários tornam-se γ-SnIn preferivelmente do que β-Sn, e a fase γ-SnIn cristalizada torna-se uma fase β-Sn devido à transformação de fase sólida a 100°C ou abaixo. Com uma fase β-Sn que suportou transformação de fase sólida nessa maneira, grãos de cristal são refinados de modo que seu tamanho torna-se, quando muito, 50 pm, e a orientação de cristal torna-se aleatória. Com uma fase β-Sn, a velocidade de difusão de átomos de Cu na direção do eixo c torna-se rápida. Se os grãos de cristal em uma junta de solda são grandes, existe uma alta probabilidade da direção de corrente coincidindo com a direção do eixo c. Além disso, devido aos grãos de cristal serem grandes e a pro
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19/29 babilidade acima descrita ser alta, a distância sobre a qual os átomos de Cu podem se difundir torna-se longa, e a quantidade de Cu que se difunde na solda de eletrodos de Cu aumenta. Como um resultado, circuitos abertos em eletrodos de Cu devido à eletromigração ocorrem extremamente facilmente em um curto período de tempo. Contudo, quando os grãos de cristal são pequenos, mesmo se a direção de corrente coincide com o eixo c de alguns dos grãos de cristal, os próprios grãos de cristal são pequenos, e a quantidade total de Cu que se move dos eletrodos de Cu na solda, é suprimida. Como um resultado, a vida útil até que as trajetórias de condução sejam interrompidas por eletromigração, torna-se longa.
[0062] Se a quantidade adicionada de In é menor do que 2%, quase não existe cristalização de fase γ-SnIn como cristais primários. A partir do estágio inicial de solidificação, uma fase β-Sn se cristaliza e continuamente cresce. Consequentemente, uma transformação de fase devido a uma reação de fase sólida não se desenvolve, e a direção de corrente coincide com a direção do eixo c de cristais grosseiros de β-Sn.
[0063] Portanto, a difusão de átomos de Cu em uma junta de solda aumenta, e circuitos abertos ocorrem em um curto comprimento de tempo.
[0064] Por outro lado, se In é adicionado em excesso de 5%, uma fase β-Sn é formada à temperatura ambiente, mas a 150°C, a razão de fase β-Sn para γ-SnIn torna-se aproximadamente 7:3. Isto significa que uma junta de solda suporta uma transformação de fase durante uso. Se uma transformação de fase de β-Sn a β-Sn e γ-SnIn ocorre durante uso, uma junta de solda se deforma, e curtos circuitos ocorrem entre a união de eletrodos. Portanto, o teor de In é limitado a, quando muito, 5%. O teor de In na presente invenção é pelo menos 2% em massa, e, quando muito, 5% em massa. Preferivelmente, ele é pelo
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20/29 menos 3% em massa, e, quando muito, 4% em massa.
[0065] A adição de In pode diretamente suprimir a eletromigração. Normalmente, compostos intermetálicos, tais como Cu6Sn5 e Cu3Sn, são formados na interface entre um eletrodo de Cu e uma liga de solda. O movimento de átomos de Cu nestas fases de composto intermetálico (também referidas abaixo como fases de reação) é rápido. Devido à eletromigração, os átomos de Cu em Cu6Sn5 se difundem na matriz de Sn, fazendo com que, desse modo, as fases de composto metálico desapareçam facilmente. Após as fases de composto metálico desaparecerem, o eletrodo de Cu e a matriz de Sn contatam diretamente entre si, e a difusão de Cu é ainda acelerada de modo que um circuito aberto ocorre em um curto comprimento de tempo. Por outro lado, se a fase de composto metálico é tornada Cu6(SnIn)5, a difusão de átomos de Cu causada por corrente pode ser suprimida. Como um resultado, o desaparecimento de fases de composto metálico por eletromigração pode ser efetivamente impedido. O teor de In é pelo menos 1% e, preferivelmente, pelo menos 2%. Com uma solda tendo um teor de In de quando muito 5%, o teor de In em uma fase de reação com um eletrodo de Cu torna-se, quando muito, 7%. Em outras palavras, o teor de In de uma fase de reação de Cu6(SnIn)5 é preferivelmente, quando muito, 7%.
[0066] Ni: A adição de 0,01 - 0,3% de Ni também tem o efeito de supressão de eletromigração. A adição de Ni a uma liga de Sn-Ag-BiIn pode mudar uma fase de reação de Cu6(SnIn)5 para (CuNi)6(SnIn)5, e pode suprimir a difusão de Cu. Se a quantidade adicionada de Ni é menor do que 0,01%, uma porção de uma fase de reação de Cu6(SnIn)5 pode permanecer não mudada. Se uma região em que a densidade de corrente torna-se alta coincide com a fase de reação remanescente de Cu6(SnIn)5, a difusão de Cu é acelerada e ultimamente um circuito aberto ocorre em um curto período de tempo. Neste
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21/29 caso, a quantidade adicionada de Ni é preferivelmente pelo menos 0,1%. Quando se efetua soldagem de refluxo, a temperatura de aquecimento no momento de refluxo é tornada quando muito 260°C. Normalmente, esta temperatura é, quando muito, 240°C. Se Ni é adicionado em excesso de 0,15%, a temperatura dos líquidos excede 240°C. A 240°C, uma pequena quantidade de Ni3(SnIn)4 perma nece, mas ela não tem quase nenhum efeito na soldagem. Contudo, se o teor de Ni excede 0,3% e, em alguns casos, se ela excede 0,2%, ela produz um efeito adverso, tal como um aumento na quantidade de vazios.
[0067] Contudo, devido ao Ni3(SnIn)4 permanecer, o Cu pode ser efetivamente impedido de dissolver na solda no momento de refluxo. Como um resultado, a ocorrência de circuitos abertos é impedida, e a vida de operação de uma junta pode ser prolongada. A quantidade adicionada preferida de Ni é 0,01 - 0,2% e, mais preferivelmente, 0,1 0,15%.
[0068] Co: A adição de 0,01 - 0,3% de Co também tem o efeito de supressão da eletromigração. A adição de Co a uma liga de Sn-Ag-BiIn pode mudar a fase de reação de Cu6(SnIn)5 a (CuCo)6(SnIn)5, e pode suprimir a difusão de Cu. Se a quantidade adicionada de Co é menor do que 0,01% e, às vezes, se é menor do que 0,02%, uma porção da fase de reação de Cu6(SnIn)5 permanece não mudada. Se uma região tendo uma alta densidade de corrente coincide com a fase de reação remanescente de Cu6(SnIn)5, a difusão de Cu é acelerada nesta região, e eventualmente um circuito aberto ocorre em um curto período de tempo. A quantidade adicionada de Co é preferivelmente pelo menos 0,1%. Quando se efetua soldagem de refluxo, a temperatura de aquecimento no momento de refluxo é nada quando muito 260°C. Normalmente, esta temperatura é quando muito 240°C. Se Co é adicionado em excesso de 0,05%, a temperatura de líquidos excede 240°C. A 240° C, uma pequena quantidade de Co(SnIn) 2 permanece,
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22/29 mas ela quase não tem efeito na soldagem. Particularmente, se o teor de Co excede 0,3% e, às vezes, se ele excede 0,2%, o Co produz um efeito adverso, tal como um aumento na quantidade de vazios. Contudo, Co(SnIn)2 permanece, desse modo o Cu pode ser efetivamente impedido de dissolver na solda no momento de refluxo, e como um resultado, a ocorrência de circuitos abertos é impedida, e a vida de operação de uma junta pode ser prolongada. A quantidade adicionada de Co é preferivelmente 0,05 - 0,2% e, mais preferivelmente, 0,05 0,15%.
[0069] A adição de Co também torna a superfície de uma fase lisa, e ela forma uma camada de reação com uma espessura uniforme. Se a quantidade adicionada de Co é menor do que 0,01%, irregularidades superficiais severas se formam na fase de reação (CuCo)6(SnIn)5, e se a corrente se concentra em porções onde a camada de reação é delgada, a fase de reação desaparece facilmente por eletromigração. Após a fase de reação desaparecer, os eletrodos de Cu e solda contatam diretamente entre si, e a difusão de Cu a partir dos eletrodos de Cu na solda é acelerada, fazendo com que os circuitos abertos ocorram em curto período de tempo.
[0070] A adição de Co pode também refinar grãos de cristal β-Sn na vizinhança da fase de reação a 30 pm ou menor, de modo que a vida de operação até que a fratura que ocorre devido à eletromigração pode ser prolongada.
[0071] Uma pequena quantidade de Fe pode ser adicionada a uma liga de Sn-Ag-Bi-In, de acordo com a presente invenção. Quando Fe é adicionado, seu teor é preferivelmente 0,01 - 0,1%.
Sn: restante [0072] O Sn constitui substancialmente o restante da liga de solda. Não existe limite superior particular no teor de Sn, mas geralmente ele é 94% em massa.
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23/29 [0073] Uma liga de solda usada em uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, pode ser produzida por métodos usuais para produção de uma liga de solda, e a liga de solda no momento de produção pode ser formada em uma forma adequada para o método de soldagem usado para formar uma junta de solda. Por exemplo, uma liga de solda, de acordo com a presente invenção, pode ser usada na forma de lingotes, barras, hastes, esferas de solda, pó de solda, ou fio de solda. Em adição, ela pode ser usada após ser formada em vários tipos de pré-formas, tais como pelotas ou discos.
[0074] Quando a liga de solda é usada como uma pasta de solda, um pó de liga de solda é misturado com um fluxo adequado em uma maneira convencional.
Exemplos [0075] De modo a investigar os efeitos de uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, a junta de solda, de acordo com a presente invenção, e junta de solda convencional foram preparadas por soldagem de um componente de Cu em suportes pelo método de soldagem de refluxo usando pasta de solda, e as propriedades das juntas de solda resultantes foram medidas. Os pós de solda tendo as composições de liga de solda mostradas na Tabela 1 foram misturados com fluxo para preparar pastas de solda.
[0076] Conforme mostrado na Figura 3, uma pasta de solda foi impressa nos eletrodos de cobre de um painel de circuito impresso 31 usando um estêncil, por exemplo, e, em seguida, uma placa de Cu retangular 33 foi colocada no topo da pasta. O painel de circuito impresso 31 e a placa de cobre 33 foram aquecidos em uma fornalha de refluxo para derreter a pasta de solda, e, em seguida, a montagem resultante foi resfriada para obter juntas de solda 34 que conectam a placa de Cu 33 a suportes 32 do painel de circuito impresso 31. A Figura 3 mostra esquematicamente o estado do painel de circuito impresso 31
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24/29 neste momento.
[0077] Um teste de ciclo de calor foi efetuado na seguinte maneira:
Um painel de circuito impresso FR4 de seis camadas com uma espessura de 1,6 mm foi usado. Uma pasta de solda a ser testada foi impressa em um padrão de soldagem (1,6x1,2 mm) a uma espessura de 150 pm com o mesmo tamanho de abertura conforme os eletrodos do painel de circuito impresso. Resistores de chip cerâmicos medindo 3,2 x 1,6 x 0,6 mm foram montados na pasta de solda usando um montador de parte automático Modelo SMT-2000V, produzido por Suzuki Co., Ltd., e, em seguida, soldagem foi efetuada usando um forno de reflexo Modelo SNR-825 produzido por Senju Metal Industry Co., Ltd. com uma temperatura de pico de 240°C e uma concentração de oxigênio de, quando muito, 500 ppm.
[0078] Para testar a fadiga térmica, um testador de choque térmico Modelo TSA-101 do tipo circulação de ar, produzido por Espec Corporation, foi usado. A montagem soldada acima foi mantida por trinta minutos em cada de -55°C e +125° C, e exposição à te mperatura ambiente foi zero minuto. Todos 500 ciclos, a resistência de cisalhamento de 10 - 15 juntas de cada parte de chip foi medida usando um testador de cisalhamento Modelo STR-1000, produzido por Rheska Corporation. O tamanho da ferramenta de cisalhamento foi 3 mm de largura x 2 mm de espessura, e a velocidade foi 5 mm por minuto.
[0079] De modo a determinar a vida útil das juntas de solda, a resistência de ligação mínima de 3216-partes de tamanho foi tornada 15N. O número cumulativo de juntas de solda tendo uma resistência de 15N ou menos foi calculado todo 500 ciclos. Falha foi produzida no ponto em que o número cumulativo excedeu 10%, e os 500 ciclos prévios foram produzidos na vida útil das juntas de solda. Os resultados são mostrados na Tabela 1.
[0080] Um teste de eletromigração foi efetuado na seguinte maneiPetição 870180134497, de 26/09/2018, pág. 27/39
25/29 ra.
[0081] Quando se determina a resistência a eletromigração, uma placa de cobre 33 e um terreno 32 de um painel de circuito impresso 31 foram conectados a um suprimento de energia adequado 35, conforme mostrado na Figura 3, e uma corrente foi passada entre a placa de Cu 33 e o terreno 32 do painel de circuito impresso 31. Esta corrente foi suprida até que a resistência elétrica aumentou por 5 % ou 10%, enquanto que mantendo o painel de circuito impresso 31 a 125°C no ar. Após a condução ser completada, a seção transversal da junta de solda 34, perto do fundo de filetes da junta de solda 34, foi observada com um microscópio de elétron. A razão porque a região de filete foi observada é porque esta é a localização onde a densidade de corrente é pensada ser mais alta.
[0082] Neste exemplo, as ligas de solda tendo as composições mostradas na Tabela 1 foram usadas. Os resultados são também mostrados na Tabela 1.
[0083] Finalmente, os filetes de solda de um painel de circuito impresso 1 após soldagem em uma fornalha de refluxo ajustada a uma temperatura de refluxo de pico de 240°C foram verificados com um aparelho de transmissão de raios-X para investigar vazios nas juntas de solda. As composições para qual vazios constituem pelo menos 20% da área superficial da seção transversal das juntas foram avaliadas como X (pobres), aquelas para qual vazios constituem 10% da área superficial foram avaliadas como Δ (razoável), e aquelas para qual vazios constituem menos do que 10% da área superficial foram avaliados como O (boas). Os resultados são mostrados na Tabela 1.
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26/29
Tabela 1 (1a parte)
Composição de liga (% em massa)
Sn Ag Bi In Ni Co Fe
EXEMPLO 1 REM 2 2 2
2 REM 2 3 4
3 REM 2,5 3 4
4 REM 3 3 4
5 REM 3,2 3 4
6 REM 4 3 4
7 REM 3 2 4
8 REM 3 2,5 4
9 REM 3 3 4
10 REM 3 3,5 4
11 REM 3 4 4
12 REM 3 4 5
13 REM 3 3 2
14 REM 3 3 3
15 REM 3 3 3,5
16 REM 3 3 4,5
17 REM 3 3 5
18 REM 3 3 4 0,02
19 REM 3 3 4 0,05
20 REM 3 3 4 0,1
21 REM 3 3 4 0,15
22 REM 3 3 4 0,2
23 REM 3 3 4 0,3
24 REM 3 3 4 0,02
25 REM 3 3 4 0,05
26 REM 3 3 4 0,1
27 REM 3 3 4 0,15
28 REM 3 3 4 0,2
29 REM 3 3 4 0,3
30 REM 3 3 4 0,02
31 REM 3 3 4 0,1
32 REM 3 3 4 0,05 0,05
33 REM 3 3 4 0,1 0,1
34 REM 3 3 4 0,1 0,05
35 REM 3 3 4 0,1 0,05
36 REM 3 4 3
37 REM 3 4 2
38 REM 3 2,5 2,5
39 REM 3 2 3
40 REM 3 2,5 4,5
41 REM 3 2 5
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27/29
COMPARA 1 REM 1,5 3 4
2 REM 3 1,5 1,5
3 REM 3 1,5 4
4 REM 3 7 4
5 REM 3 7 7
6 REM 3 3 1,5
7 REM 3 3 7
8 REM 3 5 4
9 REM 4 4 6
10 REM 3 4 1,5
Tabela 1 (2a parte)
Teste de ciclo de temp. (ciclos) Vida da junta (h) % de Defeitos * após 500 h Vazios
10% em vinco 5% em vinco N = 15
EXEMPLO 1 2000 400 13
2 2000 400 7
3 2500 400 0
4 3500 400 200 0
5 3500 400 0
6 3000 400 0
7 3000 400 7
8 3500 400 7
9 4000 400 0
10 4000 400 0
11 3500 400 0
12 3000 400 13
13 2500 400 7
14 3500 400 0
15 4000 400 0
16 3500 400 0
17 2500 400 7
18 3500 400 200 O
19 3500 450 250 O
20 3500 >500 300 O
21 3500 >500 350 O
22 3500 >500 350 Δ
23 3500 >500 350 X
24 3500 400 200 O
25 3500 450 250 O
Petição 870180134497, de 26/09/2018, pág. 30/39
28/29
26 3500 >500 300 O
27 3500 >500 350 O
28 3500 >500 350 Δ
29 3500 >500 350 X
30 3500 >500 200 O
31 3500 >500 400 Δ
32 3500 >500 400 O
33 3500 >500 >500 O
34 3500 >500 >500 O
35 3500 >500 >500 O
36 4000 400 0
37 2500 400 7
38 2000 400 7
39 2000 400 7
40 2500 400 7
41 2500 400 13
COMPARA 1 1500 400 7
2 1000 200 33
3 1500 300 20
4 1500 100 27
5 500 100 33
6 2000 300 20
7 500 100 20
8 3000 400 20
9 500 300 20
10 2000 300 20
*Defeitos = 20% de aumento na resistência [0084] A Figura 4 é uma fotomicrografia de elétron mostrando o estado de um terreno de cobre antes da passagem de corrente em um exemplo da presente invenção.
[0085] A Figura 5 é uma fotomicrografia de elétron mostrando o estado de um terreno de cobre quando a resistência aumentada por 5% após condução de uma corrente de 20 ampéres a 125°C em um exemplo da presente invenção.
[0086] A Figura 6 é uma fotomicrografia de elétron mostrando o estado de um terreno de cobre quando a resistência aumentada por 10% após conduzir uma corrente de 20 ampères a 125°C em um exemplo da presente invenção.
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29/29 [0087] Comparando a Figura 5 e Figura 6 com a Figura 4 antes do teste de condução, os suportes de Cu do painel de circuito impresso tornam-se significantemente maus delgados devido à eletromigração. Da Figura 5 e Figura 6, pode ser visto que a fratura ocorreu na porção de uma junta de solda mostrada como uma região negra. Nesta região, a junta de solda e o terreno de Cu do painel de circuito impresso não foram mais conectados entre si.
[0088] Foi confirmado que uma liga de Sn-Ag-Bi-In usada em uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, tem resistência à fadiga superior comparada a, ou a uma liga de Sn-Ag-Cu, ou a uma liga de Sn-Cu.
[0089] A partir dos resultados de teste acima descrito, pode ser visto que não existe substancialmente ocorrência de eletromigração mesmo se uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, é usada por longos períodos a uma densidade de corrente na faixa de 5 -100 kA/cm2. Ao mesmo tempo, a junta de solda tem excelente resistência ao ciclo de calor e resistência à fadiga. Consequentemente, uma junta de solda, de acordo com a presente invenção, é particularmente adequada para equipamento eletrônico que opera com uma alta corrente, que produz uma alta densidade de corrente, tais como transistores de energia e outro equipamento elétrico.
Petição 870180134497, de 26/09/2018, pág. 32/39

Claims (6)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Liga de solda para um dispositivo eletrônico, caracterizada pelo fato de que compreende uma junta que transporta uma corrente com uma densidade de corrente de 5 - 100 kA/cm2, consistindo em 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2 - 5% em massa de In, e um restante de Sn.
  2. 2. Liga de solda, de acordo a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que consiste em 2,5 - 3,5% em massa de Ag, 2 - 3% em massa de Bi, 3 - 4% em massa de In, e um restante de Sn.
  3. 3. Liga de solda, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que ainda consiste em pelo menos um elemento selecionado de 0,01 - 0,3% em massa de Ni, 0,01 - 0,32% em massa de Co, e 0,01 - 0,1% em massa de Fe.
  4. 4. Junta de solda caracterizada pelo fato de que é produzida pela liga de solda conforme definida na reivindicação 1, consistindo em 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2 - 5% em massa de In, e um restante de Sn, em que a junta de solda é uma junta de solda no interior de um dispositivo eletrônico, ou de uma junta de solda que é conectada a um dispositivo eletrônico, e em que uma corrente com uma densidade de corrente de 5 -100 kA/cm2 flui através de pelo menos uma porção da junta de solda.
  5. 5. Junta de solda, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a junta de solda é produzida de uma liga de solda consistindo em 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2 - 5% em massa de In, e um restante de Sn, e consistindo ainda em pelo menos um de 0,01 - 0,3% em massa de Ni, 0,01 - 0,32% em massa de Co, e 0,01 - 0,1% em massa de Fe.
  6. 6. Dispositivo de energia caracterizado pelo fato de que compreende uma junta de solda conforme definida na reivindicação 4, no interior do dispositivo e produzida por uma liga de solda consistindo
    Petição 870190009326, de 29/01/2019, pág. 4/9
    2/2 em 2 - 4% em massa de Ag, 2 - 4% em massa de Bi, 2-5% em massa de In, e um restante de Sn, em que uma densidade de corrente de 5 100 kA/cm2 flui através de pelo menos uma porção da junta.
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