BR112015002414B1

BR112015002414B1 - Liga de solda sem chumbo de alta temperatura, pasta de solda, solda pré-moldada e junta da solda

Info

Publication number: BR112015002414B1
Application number: BR112015002414-9A
Authority: BR
Inventors: Rei Fujimaki; Minoru Ueshima
Original assignee: Senju Metal Industry Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2019-10-01
Also published as: MY154606A; EP2883649B1; BR112015002414A2; ES2632605T3; TWI587316B; EP2883649A1; KR20150024441A; TW201411652A; EP2883649A4; KR101561894B1; CN104520062A; US20150217410A1; US9796053B2; JP5585746B2; CN104520062B; DK2883649T3; JPWO2014024715A1; WO2014024715A1

Abstract

liga de solda sem chumbo de alta temperatura, pasta de solda, solda pré-moldada e junta da solda a presente invenção refere-se a proporcionar uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura, com excelente resistência à tração e ao alongamento, num ambiente de alta temperatura de 250 °c. para tornar a estrutura de uma liga de solda de sn-sb-ag-cu mais fina e fazer com que ocorra a dispersão da tensão aplicada na liga de solda é adicionado, pelo menos, um material selecionado a partir do grupo que consiste de, % em massa, 0,003 a 1,0% de al, 0,01 a 0,2% de fe, e 0,005 a 0,4% do ti a uma liga de solda que contém 35 a 40% de sb, 8 a 25% de ag, e 5 a 10% de cu, sendo o restante constituído por sn.

Description

LIGA DE SOLDA SEM CHUMBO DE ALTA TEMPERATURA, PASTA DE SOLDA, SOLDA PRÉ-MOLDADA E JUNTA DA SOLDA

CAMPO TÉCNICO [001]. A presente invenção se refere a uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura a base de Sn-Sb-Ag-Cu.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002]. Nos últimos anos, conforme são necessários níveis mais elevados de propriedades de elementos semicondutores, o seu ambiente de utilização também se torna cada vez mais exigente. Portanto, o Si (doravante referido como um elemento semicondutor de Si) que foi convencionalmente utilizado como um material do elemento semicondutor deve ser substituído pelo SiC, GaAs, GaN e semelhantes. Esses são referidos como um elemento semicondutor de SiC, um elemento semicondutor de GaAs e um elemento semicondutor de GaN, respectivamente. Cada um dos elementos semicondutores de SiC, GaAs e GaN tem excelentes propriedades, incluindo uma excelente resistência à pressão, um aumento alcançado na temperatura de operação e um intervalo de banda alargada, e é aplicado aos transistores de potência e dispositivos ópticos, como LEDs. Esses elementos semicondutores são chamados semicondutores de nova geração e são necessários para operação com altas temperaturas, e, portanto, as juntas de solda utilizadas para os mesmos também podem alcançar uma temperatura de aproximadamente 250 a 280 °C. Assim, é necessário o uso de uma solda de alta temperatura nos referidos semicondutores da nova geração.

[003]. Além disso, de forma geral, um elemento semicondutor pode ser conectado a um dissipador de calor, como um núcleo de metal ou uma chapa de cerâmica para a dissipação de calor e também é utilizada uma solda de alta temperatura para os referidos fins de conexão.

[004]. Até agora já se conhecem algumas soldas de alta temperatura e uma liga de solda Au-20Sn que é uma liga de composição eutética Au-Sn

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 9/49

2/32 é conhecida como uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura convencional. A liga de solda Au-20Sn tem uma temperatura eutética de 280 °C e, portanto, pode ser utilizada a 250 °C ou mais, mas abaixo de 280 °C. No entanto, esse é um material muito caro.

[005]. Exemplar de baixo custo, as ligas de solda sem chumbo de alta temperatura incluem uma liga de solda com base em Sn-Sb, uma liga de solda com base em Bi, uma liga de solda com base em Zn e uma liga sinterizada contendo Ag. Dessas, uma liga de solda com base em Sn-Sb é melhor que uma liga de solda com base em Bi, uma liga de solda com base em Zn e uma liga sinterizada contendo Ag em termos de condutividade térmica, resistência à corrosão e resistência da junta.

[006]. Cada uma dos Processos de Patentes 1 a 3 revela uma liga de solda de Sn-Sb-Ag-Cu obtida pela adição de Ag e Cu a uma liga de solda de Sn-Sb, como uma liga de solda de alta temperatura, que também pode ser utilizada num intervalo de temperatura de 250 a 280 °C.

[007]. Em outras palavras, cada uma dos Processos de Patentes 1 a 3 revela uma liga de solda de Sn-Sb-Ag-Cu possuindo uma temperatura de sólido superior a 250 °C para melhorar a resistência ao calor.

[008]. Além disso, O Processo de Patente 4 propõe uma liga de solda obtida pela adição de Fe a uma liga de solda de Sn-Sb-Ag-Cu para melhorar as propriedades de ciclo de calor.

LISTA DE CITAÇÃO [009]. Processo de Patente 1: JP 2005-340267 A [0010]. Processo de Patente 2: JP 2007-152385 A [0011]. Processo de Patente 3: JP 2005-340268 A [0012]. Processo de Patente 4: JP 2005-177842 A

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

PROBLEMAS TÉCNICOS [0013]. De forma geral, é assumido que a taxa de arrefecimento no momento da solda branda é de cerca de 0,8 a 50 °C/seg. De acordo com

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 10/49

3/32 α tendência técnica recente de solda, pode ser adotada uma taxa de arrefecimento consideravelmente baixa de, por exemplo, 1 °C/seg., na solda de refluxo comum. Pode-se concluir que essa condição é consideravelmente grave como a condição de solda. No relatório descritivo, por conveniência, esse é referido coletivamente como arrefecimento lento.

[0014]. No entanto, em algumas das ligas de solda reveladas nos Processos de Patentes 1 a 3, é formada uma fase de baixo ponto de fusão, que funde a 210 a 250 °C pelo arrefecimento lento numa quantidade superior a 2%. Nessas ligas de solda, a fase de baixo ponto de fusão funde à temperatura de operação de um elemento semicondutor variando entre 250 e 280 °C, em que uma junta de solda tem uma parte de baixa resistência, onde coexistem sólido e líquido. Caso ainda seja aplicada uma carga à parte de baixa resistência, a resistência à tração é consideravelmente reduzida. Portanto, uma junta de solda obtida pela solda com uso de uma liga de solda que possui uma grande quantidade de uma fase de baixo ponto de fusão conforme selecionado a partir das ligas de solda reveladas nos Processos de Patentes 1 a 3 é inferior na resistência da junta, pois a fase de baixo ponto de fusão funde a 250 °C ou mais.

[0015]. De forma geral, num dispositivo de solda, a taxa de arrefecimento da solda fundida é limitada dentro de um determinado intervalo, levando em conta o relatório descritivo do dispositivo e não é um fator operacional que deve ser controlado toda vez que é realizada uma solda. Além disso, o arrefecimento excessivamente rápido pode aplicar um estresse térmico desnecessário num dispositivo eletrônico em que é feita uma solda. Portanto, a seguinte descrição se baseia na premissa de arrefecimento lento.

[0016]. À temperatura de funcionamento de um elemento semicondutor variando entre 250 e 280 °C, ocorre o empenamento na junta da solda, devido à tensão térmica entre um substrato e um componente

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 11/49

4/32 semicondutor causado pela geração de calor a partir do próprio elemento semicondutor.

[0017]. De forma geral, sabe-se que, na fratura de um material metálico, ocorrem deslocamentos nas proximidades dos limites granulares de cristal devido à tensão aplicada para causar a fratura do limite granular. Quando o estresse se concentra nos limites granulares devido à tensão aplicada e estresse resultante dos mesmos, ocorre a fratura do limite granular. Em contraste, no caso onde os limites granulares de cristal são finamente dispersos, a tensão aplicada é reduzida, pois essa é dispersada nos limites granulares adjacentes. Em outras palavras, quando é aplicada tensão, uma junta de solda obtida por meio da solda de arrefecimento lento com o uso de uma liga de solda, a qual pode formar grãos de cristais grossos, é mais provável que ocorra a fratura dos limites granulares dos compostos intermetálicos da liga de solda. Isto é refletido na resistência à tração e no alongamento, que são as propriedades mecânicas da liga de solda. Portanto, uma junta de solda obtida pela solda de uma liga de solda com uma estrutura grossa possui uma resistência inferior na junta e na força de alongamento em comparação com uma junta de solda obtida por meio da solda de uma liga de solda com uma estrutura fina.

[0018]. As ligas de solda de Sn-Sb-Ag-Cu reveladas nos Processos de Patentes 1 a 3 são, assim, quebradiças e com alongamento inferior e, consequentemente, as juntas de solda obtidas por meio da solda dessas ligas de solda são mais suscetíveis a se tornarem quebradiças e quebrarem durante a utilização, como resultado do arrefecimento lento.

[0019]. O Processo de Patente 4 examina uma liga de solda de SnSb-P-Ag-Cu-Fe no Exemplo 31. No entanto, essa liga de solda contém Fe numa quantidade consideravelmente grande de 1% ou mais. Com um elevado teor de Fe, o arrefecimento lento causará compostos intermetálicos contendo Fe que devem ser dispersos grosseiramente na liga de solda. Portanto, essa liga de solda é considerada de baixa resistência à

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 12/49

5/32 tração e alongamento, pois é mais provável que ocorra fratura aos limites granulares dos compostos intermetálicos quando for aplicada tensão.

[0020]. Além disso, como resultado do arrefecimento lento, a liga de solda descrita no Exemplo 31 do Processo de Patente 4 é considerada como tendo uma taxa de fase sólida a 250 °C de até 95% e deve ser transformada num estado semifundido. Por isso, considera-se que a resistência da junta de solda, não pode ser mantida num ambiente de uso de 250 a 280 °C. Isso ocorre devido aos seguintes motivos: A taxa de fase sólida de Sn-40Sb a 250 °C é de aproximadamente 90%; a taxa de fase sólida de Sn-40Sb-7Cu a 250 °C é de 95%; e essas ligas de solda têm uma taxa de fase sólida abaixo de 98% e uma baixa resistência à tração de forma considerável a 250 °C. De acordo com o exposto, uma vez que a taxa de fase sólida é aumentado pela adição de 7% em peso de Cu para Sn-40Sb, é considerado que o Cu possui um efeito de aumento da taxa de fase sólida. A composição da liga de solda descrita no Exemplo 31 do Processo de Patente 4 é Sn-40Sb-0.1P-lAg-lCu-lFe. O teor total dos outros elementos exceto do Sn e Sb é de apenas 3,1% em peso. Mesmo se o Ag, Fe e P possuírem o mesmo efeito que o Cu no aumento da taxa de fase sólida, o teor total dos elementos adicionados é menor que 7% em peso. Portanto, a liga de solda descrita no Exemplo 31 do Processo de Patente 4 é considerada inferior em resistência à tração a 250 °C devido a sua taxa de fase sólida menor que o Sn-40Sb-7Cu.

[0021]. Um objetivo da presente invenção consiste em proporcionar uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura, com excelente resistência à tração e ao alongamento, mesmo sob um ambiente de alta temperatura de 250 °C.

SOLUÇÃO DOS PROBLEMAS [0022]. Para começar, os inventores da presente invenção estudaram a relação entre a taxa de fase líquida e a estrutura nas ligas de solda e como resultado obtiveram a conclusão de que uma liga de solda

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 13/49

6/32 que tem uma taxa de fase líquida de até 2% apresenta uma resistência elevada à tração consistente, enquanto que uma liga de solda com uma estrutura grossa exibe um baixo valor de alongamento a 250 °C, mesmo se a taxa de fase líquida for de até 2%. Então, os inventores da presente invenção fizeram um estudo intensivo no refinamento de uma estrutura de liga de solda de Sn-Sb-Ag-Cu com base no pressuposto de que a taxa de fase líquida é de até 2%, para melhorar a resistência à tração e o alongamento da própria liga de solda a 250 °C, que são indicadores da resistência da junta e a confiabilidade de uma junta soldada. Como resultado, os inventores da presente invenção obtiveram inesperadamente a conclusão de que a estrutura da liga de solda pode ser aperfeiçoada por meio da adição de pelo menos um material selecionado de um grupo que consiste de Al, Ti e Fe numa pequena quantidade para uma liga de solda de Sn-SB- Ag-Cu. Os inventores da presente invenção obtiveram ainda um resultado que o Cu3Sn, Cu6Sn5, Ag3Sn e composições semelhantes, são finamente dispersos numa fase SbSn por meio da adição de Al, Ti e Fe, assim, alcançam uma elevada resistência à tração e, particularmente, melhoram o alongamento da liga de solda, e a presente invenção foi concluída.

[0023]. A presente invenção é realizada da seguinte forma:

(1) Uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura com uma composição de liga, que compreende: 35 a 40% em peso de Sb, 8 a 25% em peso de Ag, 5 a 10% em peso de Cu, assim como pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de 0,003-1,0% em peso de Al, 0,01 a 0,2% em peso de Fe e 0,005 a 0,4% em peso de Ti, e um equilíbrio de Sn.

(2) A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com o (1) acima, que compreende ainda, pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de P, Ge e Ga numa quantidade total de 0,002 a 0,1% em peso.

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 14/49

7/32 (3) A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com (1) ou (2) acima, que compreende ainda, pelo menos um material selecionado de um grupo que consiste de Ni, Co e Mn numa quantidade total de 0,01 a 0,5% em peso.

(4) A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com qualquer um, (1) a (3) acima, que compreende ainda, pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de Zn e Bi numa quantidade total de 0,005 a 0,5% em peso.

(5) A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com qualquer um, (1) a (4) acima, que compreende ainda, pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de Au, Ce, In, Mo, Nb, Pd, Pt, V, Ca, Mg e Zr, numa quantidade total de 0,0005 a 1% em peso.

(6) Uma pasta de solda incluindo a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com qualquer um de (1) a (5) acima.

(7) Um pré-molde da solda incluindo a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com qualquer um de (1) a (5) acima.

(8) Uma junta da solda formada com o uso da liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com qualquer um de (1) a (5) acima.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0024]. A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra um exemplo de embalagem de um elemento semicondutor utilizando uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção.

[0025]. A Figura 2 é um gráfico que mostra a curva de DSC de uma liga de solda no Exemplo Comparativo 1.

[0026]. A Figura 3 é um gráfico que mostra a curva de DSC de uma liga de solda no Exemplo 14.

[0027]. A Figura 4 é um gráfico que mostra a curva de DSC da liga de solda no Exemplo Comparativo 1, indicando os métodos de cálculo da taxa de fase líquida e da taxa de fase sólida.

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 15/49

8/32 [0028]. A Figura 5 é uma vista em corte transversal de uma amostra utilizada num teste de tração.

[0029]. As Figuras 6(a) a 6(d) são, cada uma delas, uma microfotografia de uma superfície de fratura da amostra que foi utilizada por um microscópio óptico; A Figura 6(a) é uma micrografia no Exemplo 7, a Figura 6(b) uma micrografia no Exemplo 10, a Figura 6(c) uma micrografia no Exemplo 14ea Figura 6(d) uma micrografia no Exemplo Comparativo 3.

[0030]. As Figuras 7(a) a 7(d) são, cada uma delas, uma microfotografia de uma superfície de fratura da amostra que foi utilizada por um microscópio eletrônico; A Figura 7(a) é uma micrografia no Exemplo 7, a Figura 7(b) uma micrografia no Exemplo 10, a Figura 7(c) uma micrografia no Exemplo Mea Figura 7(d) uma micrografia no Exemplo Comparativo 3.

[0031]. As Figuras 8(a) a 8(c) são, cada uma, a micrografia de uma superfície em corte transversal de uma interface entre uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura da presente invenção e um dissipador de calor de Cu da forma como foi tirada por um microscópio eletrônico; A Figura 8(a) é uma micrografia no Exemplo 38, a Figura 8(b) uma micrografia no Exemplo 39, e a Figura 8(c) uma micrografia no Exemplo 40.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0032]. A presente invenção será descrita abaixo de forma mais detalhada. Salvo especificação em contrário, a percentagem (%) sobre a composição da liga de solda conforme utilizado no relatório descritivo é a percentagem em peso.

[0033]. Uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção tem a composição da liga, conforme descrito abaixo.

Sb: 35 a 40% [0034]. O teor de Sb está numa faixa de 35 a 40%. O Sb promove a geração de uma fase SbSn com alto ponto de fusão. O Sb suprime a

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 16/49

9/32 geração de uma fase de baixo ponto de fusão para aumentar a temperatura de sólido. Além disso, o Sb tende a reduzir a tensão superficial da liga de solda e, portanto, melhora a capacidade de absorção de água. Com um teor de Sb inferior a 35%, o efeito de supressão da geração de uma fase de baixo ponto de fusão não pode ser exibida e a capacidade de absorção de água também é deteriorada. Com um teor de Sb acima de 40%, a temperatura de líquido aumenta consideravelmente deteriorando a capacidade de soldagem. O teor de Sb permanece preferencialmente numa faixa de 36 a 40% e de forma ideal de 37 a 40%.

Ag: 8 a 25% [0035]. O teor de Ag está numa faixa de 8 a 25%. O Ag reduz a temperatura de líquido para 380 °C ou menos. O Ag gera um composto intermetálico de Sn e Ag3Sn para suprimir a geração de uma fase de baixo ponto de fusão, melhorando assim a resistência da liga de solda. Além disso, o Ag reduz a tensão superficial numa faixa de temperaturas de até 400 °C e, portanto, melhora a capacidade de absorção de água.

[0036]. Com um teor de Ag abaixo de 8%, não é possível exibir o efeito de supressão da geração de uma fase de baixo ponto de fusão conforme obtido pela adição de Ag. Com um teor de Ag em excesso de 25%, o Sb e o Ag formam, preferencialmente, uma fase Ag3Sb e, portanto, a fase Ag3Sb aparece no estágio inicial da solidificação. Portanto, é mais provável que seja gerada uma fase de baixo ponto de fusão na liga de solda.

[0037]. A formação da fase Ag3Sb de Sb e Ag no estágio inicial de solidificação reduz relativamente as concentrações de Sb e Ag na fase líquida remanescente no processo de solidificação da liga de solda. Diminui em concentrações de Sb e Ag na fase líquida remanescente reduzindo o efeito de supressão da geração de uma fase de baixo ponto de fusão para aumentar a relação entre a fase de baixo ponto de fusão a 250 °C ou menos. Por isso, a resistência ao calor da liga de solda é deteriorada. O teor

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 17/49

10/32 de Ag permanece preferencialmente numa faixa de 10 a 22% e de forma ideal de 12 a 18%.

Cu: 5 a 10% [0038]. O teor de Cu está numa faixa de 5 a 10%. O Cu controla a temperatura de líquido na faixa de 340 a 380 °C. Ele gera principalmente Cu3Sn e Cu6Sn5 para suprimir a geração de uma fase de baixo ponto de fusão, melhorando deste modo a resistência à tração da liga de solda.

[0039]. Com um teor de Cu abaixo de 5%, não é possível exibir o efeito de supressão da geração de uma fase de baixo ponto de fusão conforme obtido pela adição de Cu. Com um teor de Cu em excesso de 10%, o Sb e o Cu formam, preferencialmente, uma fase Cu2Sb e, portanto, a fase Cu2Sb aparece no estágio inicial da solidificação da liga de solda. Portanto, é mais provável que seja gerada uma fase de baixo ponto de fusão na liga de solda.

[0040]. A formação da fase Cu2Sb de Sb e Cu no estágio inicial de solidificação da liga de solda reduz relativamente as concentrações de Sb e Cu na fase líquida remanescente no processo de solidificação da liga de solda. Diminui em concentrações de Sb e Cu na fase líquida remanescente reduzindo o efeito de supressão da geração de uma fase de baixo ponto de fusão de Sb e Cu para aumentar a relação entre a fase de baixo ponto de fusão a 250 °C ou menos. Por isso, a resistência ao calor da liga de solda é deteriorada. Além disso, a temperatura de líquido da liga de solda é aumentada para reduzir a capacidade de absorção de água, reduzindo assim a capacidade de soldagem. O teor de Cu permanece preferencialmente numa faixa de 6 a 9% e de forma ideal de 6 a 8%.

[0041]. A fase de baixo ponto de fusão é uma fase solidificada que é formada pela segregação da solidificação no momento do arrefecimento da liga de solda após a fusão, e que tem um ponto de fusão de 210 a 250 °C. Em geral, a segregação da solidificação é um fenômeno em que os ingredientes específicos são segregados devido a uma diferença na

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 18/49

11/32 composição entre a primeira e a última parte solidificada após a solidificação de uma fase fundida. De forma geral, é mais provável que ocorra a segregação de solidificação com a diminuição da taxa de arrefecimento. Particularmente numa liga de solda isenta de chumbo que contém uma grande quantidade de Sn, é mais provável que ocorra a segregação do baixo ponto de fusão do Sn monofásico. A partir desse ponto de vista, a presente invenção se caracteriza pela supressão, na junta da solda, a geração de uma fase de baixo ponto de fusão em que o Sn monofásico é considerado como um ingrediente principal.

[0042]. A fase de baixo ponto de fusão inclui o Sn monofásico como o seu ingrediente principal, pois a temperatura de sólido, que é o ponto de fusão da fase de baixo ponto de fusão está no mesmo nível que o ponto de fusão do Sn, que é de 232 °C. O restante da fase de baixo ponto de fusão é considerado como sendo composto por uma fase residual, tendo uma composição mais próxima ao Sb2Sn3 com um ponto de fusão de aproximadamente 240 °C e uma composição eutética de Sn-Ag-Cu possuindo um ponto de fusão de aproximadamente 220 a 230 °C. Portanto, a temperatura de sólido, que é o ponto de fusão da fase de baixo ponto de fusão é considerada como uma temperatura na faixa de 210 a 250 °C.

[0043]. É gerada a fase de baixo ponto de fusão, pelo menos, no caso de existir uma composição de liga, com o teor de Sn excedendo o teor total de Sb, Ag e Cu. Em outras palavras, a fase de baixo ponto de fusão é gerada quando é atendida a seguinte equação Sb + Ag + Cu < Sn. A razão pela qual a geração da fase de baixo ponto de fusão é suprimida, como na presente invenção quando o teor de Ag é de 8 a 25% e o teor de Cu é de 5 a 10%, considera-se como sendo a formação preferencial de compostos intermetálicos de Sb, Ag e Cu com Sn durante a solidificação, formando assim uma fase de alto ponto de fusão. No entanto, não é conhecido o mecanismo exato do mesmo.

[0044]. A fase de alto ponto de fusão conforme utilizado na presente

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 19/49

12/32 invenção é uma fase solidificada composta por um composto intermetálico que mostra um ponto de fusão de 290 °C ou mais, conforme exemplificado pelo Cu6Sn5, Cu3Sn, Ag3Sn, SbSn ou Ni3Sn4.

[0045]. Uma junta de solda, na qual foi realizada uma solda utilizando a liga de solda, de acordo com a presente invenção possui esses compostos intermetálicos que constituem a fase de cada alto ponto de fusão, mas podem conter outros compostos intermetálicos além dos compostos ilustrados acima, desde que a fase de alto ponto de fusão seja uma fase solidificada que apresente um ponto de fusão de 290 °C ou mais. Em outras palavras, uma vez que a fase solidificada apresentar um ponto de fusão de 290 °C ou mais ou uma quantidade maior para uma grande parte da estrutura, a junta da solda obtida por meio de soldagem da mesma, de acordo com a presente invenção, apresenta uma excelente resistência ao calor e a resistência à tração.

[0046]. Pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de 0,003 a 1,0% de Al, 0,01 a 0,2% de Fe e 0,005 a 0,4% de Ti.

[0047]. Esses elementos se dispersam sutilmente nas fases respectivamente formados por compostos intermetálicos como Cu6Sn5, Cu3Sn e Ag3Sn numa fase SbSn para melhorar a resistência à tração e ao alongamento.

[0048]. Na liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção, a liga de solda de Sn-Sb-Ag-Cu contém Al, Fe e Ti e, portanto, esses elementos são preferencialmente cristalizados durante a solidificação para servir como sementes heterogêneas de nucleação, impedindo assim cada fase de engrossamento. Quando a nucleação de cada fase é promovida por meio de nucleação heterogênea, o número de pontos de partida para a nucleação é aumentado e, portanto, as fases dos compostos intermetálicos como o Cu6Sn5, Cu3Sn e Ag3Sn são sutilmente dispersos. Portanto, na liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção, a

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 20/49

13/32 área dos limites granulares de cristal nas ligas de solda aumenta para fazer a dispersão da tensão aplicada nos limites granulares e, portanto, são consideradas várias propriedades mecânicas e particularmente o alongamento com uma melhora significativa, mais do que uma liga de solda, nas quais são insensíveis as respectivas fases de compostos intermetálicos.

[0049]. O Al, Ti e Fe são adicionados em quantidades tão minúsculas quanto 0,003 a 1,6%. Por conseguinte, mesmo que seja produzido um composto com um ponto de fusão maior que o SbSn como um composto intermetálico contendo Sb, Ag e Cu, assim como qualquer um com Al, Ti e Fe, Sb, Ag e Cu na liga de solda, eles não são muito consumidos. Portanto, a geração de uma fase grosseira de baixo ponto de fusão é suprimida e, por conseguinte, a resistência de uma junta de solda, é menos suscetível a deterioração.

[0050]. É preferível que o teor de Al esteja numa faixa de 0,01 a 0,8% e de forma ideal de 0,02 a 0,5%, para que o efeito acima descrito possa ser suficientemente constatado. O teor de Fe permanece preferencialmente numa faixa de 0,02 a 0,15% e de forma ideal de 0,02 a 0,1%. O teor de Ti permanece preferencialmente numa faixa de 0,01 a 0,3% e de forma ideal de 0,02 a 0,2%.

[0051]. Caso os teores desses elementos sejam menores que os seus valores de limite mínimo, não existe nenhum efeito de refinamento da estrutura da liga da solda e a resistência à tração e o alongamento não são suficientemente melhorados. Caso o conteúdo desses elementos exceda os valores de limite máximo, os compostos intermetálicos contendo esses elementos são engrossados. Portanto, uma tensão aplicada à liga de solda se concentra nos limites granulares dos compostos intermetálicos, deteriorando assim a resistência à tração e o alongamento.

[0052]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode conter os seguintes elementos como

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 21/49

14/32 ingredientes opcionais.

[0053]. Pelo menos um ingrediente selecionado de um grupo consistindo de P, Ge e Ga, numa quantidade total de 0,002 a 0,1% [0054]. Esses elementos têm o efeito de melhorar a capacidade de absorção de água suprimindo a emergência de Al, Fe e Ti oxidáveis na superfície da liga de solda durante a solidificação da mesma. Desta forma, o Al, Fe e Ti permanecem no interior da liga de solda para promover ainda mais a estrutura de refinação por meio da nucleação heterogêneo acima descrita. Como resultado, esses elementos também têm o efeito de melhorar consideravelmente o alongamento da liga de solda. O teor total desses elementos se torna ainda mais ideal numa faixa entre 0,003 e 0,01%. Os teores dos respectivos elementos não são particularmente limitados, mas, para que os efeitos acima descritos possam ser suficientemente exibidos, o teor de P permanece preferencialmente numa faixa de 0,002 a 0,005%, o teor de Ge permanece preferencialmente numa faixa de 0,002 a 0,006 % e o conteúdo de GA permanece preferencialmente numa faixa de 0,002 a 0,02%.

[0055]. Pelo menos um ingrediente selecionado de um grupo consistindo de Ni, Co e Mn, numa quantidade total de 0,01 a 0,5% [0056]. Esses elementos suprimem a difusão de ingredientes de uma camada plana formada num elemento semicondutor ou num substrato externo no momento da soldagem na liga de solda. Portanto, esses elementos têm o efeito de manter a estrutura da liga de solda constituindo uma junta de solda, enquanto que deve ser formada uma redução na espessura de uma camada de compostos intermetálicos na interface das juntas. Dessa forma, esses elementos podem aumentar a resistência da junta de solda. O teor total desses elementos se torna ainda mais ideal numa faixa entre 0,01 e 0,05%. Os teores dos respectivos elementos não são particularmente limitados, mas, para que os efeitos acima descritos possam ser suficientemente exibidos, o teor de Ni permanece preferencialmente

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 22/49

15/32 numa faixa de 0,02 a 0,07%, o teor de Co permanece preferencialmente numa faixa de 0,02 a 0,04% e o conteúdo de Mn permanece preferencialmente numa faixa de 0,02 a 0,05%. Desses elementos, o Ni é um elemento particularmente preferencial como um elemento que exibe o efeito descrito acima.

[0057]. Pelo menos um ingrediente selecionado de um grupo consistindo de Zn e Bi, numa quantidade total de 0,005 a 0,5% [0058]. Estes elementos aumentam ainda mais a taxa de fase sólida da liga de solda a 280 °C para melhorar a resistência à tração. O teor total desses elementos se torna ainda mais ideal numa faixa entre 0,005 e 0,04% e de forma ideal entre 0.01 e 0.3%. Os teores dos respectivos elementos não são particularmente limitados, mas, para que os efeitos acima descritos possam ser suficientemente exibidos, o teor de Zn permanece preferencialmente numa faixa de 0,01 a 0,2%, e o teor de Bi permanece preferencialmente numa faixa de 0,02 a 0,3%.

[0059]. Pelo menos um elemento selecionado de um grupo consistindo de Au, Ce, In, Mo, Nb, Pd, Pt, V, Ca, Mg e Zr, numa quantidade total de 0,0005 a 1 %.

[0060]. Esses elementos melhoram a ductilidade mecânica a 250 °C, com o P, Ge e Ga. Esses elementos são oxidáveis e oxidam mais facilmente do que o Al, Ti e Fe, e têm o efeito de promover a estrutura de refinação conforme obtido com o uso de Al, Ti e Fe com esses três elementos permanecendo no interior da solda. O teor total desses elementos se torna ainda mais ideal numa faixa entre 0,01 e 0,03%. Os teores dos respectivos elementos não são particularmente limitados, mas, para que os efeitos acima descritos possam ser suficientemente exibidos, o teor de Au, Ce, In, Mo, Nb, Pd, Pt, V, Ca, Mg e Zr permanece preferencialmente numa faixa de 0,02 a 0,03%.

[0061]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção tem, de preferência, uma temperatura de sólido

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 23/49

16/32 de 280 °C ou mais e de forma ideal 290 °C ou mais. A temperatura de sólido foi assim definida pelos seguintes motivos:

[0062]. A temperatura de sólido foi definida para permitir que a junta de solda utilizando a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção tivesse uma resistência ao calor suficiente para resistir a geração de calor a partir de um elemento semicondutor de SiC, um elemento semicondutor de GaN e um elemento semicondutor que GaAs que opera numa temperatura elevada de 250 °C ou mais, para obter uma relação de fase sólida de 98% ou mais e assegurar uma boa confiabilidade. Outra razão pela qual a temperatura de sólido é definida como sendo igual a 280 °C ou mais e de preferência 290 °C ou mais é que a temperatura de refluxo, no momento da união de um outro componente eletrônico a um substrato da embalagem na etapa subsequente após um elemento semicondutor é a união ao substrato da embalagem que pode atingir 260 °C. A junta de solda é necessária por apresentar uma temperatura de sólido de 280 °C ou mais e de preferência 290 °C ou mais, uma vez que a temperatura é capaz de lidar muito bem com essa temperatura de refluxo, sem refundição. Mesmo numa liga de solda com uma temperatura de sólido de até 250 °C, se a taxa de fase sólida a 280 °C for de 98% ou mais, a resistência mecânica e, em particular, o alongamento da junta de solda, a 250 °C, é bom e a conexão também pode ser mantida no momento de refluxo repetido.

[0063]. A relação de fase sólida, conforme utilizado na presente invenção se refere a uma proporção (%) da área dos picos endotérmicos, conforme detectado a 280 °C ou mais para a área total de picos endotérmicos numa curva de DSC, medida a uma taxa de aumento de temperatura de 5 °C/min, utilizando uma liga de solda solidificada numa taxa de arrefecimento de 1 °C/min como a amostra.

[0064]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção tem preferencialmente uma temperatura de

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 24/49

17/32 líquido de até 400 °C. A temperatura de solda branda precisa ser uma temperatura elevada acima da temperatura de líquido. Portanto, a uma temperatura de líquido acima de 400 °C, a temperatura de solda branda precisa ser mais elevada que essa temperatura, mas a uma temperatura tão elevada, o custo de execução no momento da produção é elevado e a capacidade de trabalho é deteriorada. Além disso, é preferível uma temperatura de líquido de até 380 °C do ponto de vista da resistência ao calor de um próprio componente semicondutor e a proteção da fiação elétrica do circuito no interior do componente do semicondutor.

[0065]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção também pode ser utilizada na ligação da matriz de um elemento semicondutor, em outras palavras, na união de um elemento semicondutor com um dissipador de calor. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção também pode ser aplicada na solda branda dos terminais do conector e nas placas mãe, na montagem de DIP CIs ou semelhantes nas placas de circuitos impressos, para o conjunto e montagem de componentes eletrônicos, como capacitares, para vedação das embalagens de cerâmica, para anexação de cabos nos diodos e afins, e para soldar os pré-moldes das soldas na solda branda dos semicondutores.

[0066]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode ser adequadamente utilizada na forma de um pré-molde de solda ou pasta de solda. O referido material de pré-molde está no formato de uma arruela, um anel, um grânulo, um disco, uma fita, um cabo, uma bola ou algo semelhante.

[0067]. Um pré-molde de solda pode ser utilizado na junção de uma atmosfera redutora, sem o uso de fluxo. A junção numa atmosfera redutora não causa a contaminação das peças unidas com fluxo, por isso tem a vantagem de não apenas se tornar desnecessário para limpeza das peças que se uniram numa etapa seguinte a junção, mas também pode reduzir

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 25/49

18/32 de forma considerável os espaços vazios nas juntas da solda.

[0068]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode ser utilizada na forma de uma pasta de solda. A pasta de solda está numa forma pastosa e é obtida através da mistura do pó de liga de solda com uma pequena quantidade de fluxo. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode ser utilizada sob a forma de pasta de solda durante a montagem de componentes eletrônicos numa placa de circuito impresso através de um método de solda branda por refluxo. O fluxo para o uso da pasta de solda pode ser um fluxo solúvel ou insolúvel em água. Normalmente é utilizado um fluxo de resina, que é um fluxo insolúvel em água à base de resina.

[0069]. A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra um exemplo de embalagem de um elemento semicondutor utilizando uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode ser utilizada como uma liga de solda de alta temperatura para unir (ligação da matriz) um elemento semicondutor num dissipador de calor. Conforme ilustrado na Figura 1, cada parte do elemento semicondutor 1 e um dissipador de calor 2 tem uma camada chapeada 3 feita de Cu, Ni, Ni/Au, Ag, ou materiais semelhantes. Uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura 4 de acordo com a presente invenção faz a ligação entre as camadas chapeadas 3 para formar uma junta de solda.

[0070]. A junta de solda, de acordo com a presente invenção é formada pela utilização da liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção. Por exemplo, referindo a Figura 1, a junta de solda de acordo com a presente invenção inclui as camadas chapeadas 3 e a liga de solda 4.

[0071]. Assim como para as condições de fabricação da junta de solda, de acordo com a presente invenção, a taxa de arrefecimento no

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 26/49

19/32 tempo de solidificação ocorre de preferência numa faixa de 0,8 a 50 °C/seg. A taxa de arrefecimento dentro dessa faixa abrange a taxa de arrefecimento na maior parte de dispositivos de soldagem utilizadas atualmente. Por isso, num caso em que a liga de solda, de acordo com a presente invenção, é utilizada para executar a soldagem, não é particularmente necessário realizar quaisquer alterações específicas na taxa de arrefecimento no momento da solda branda. Devido a esses excelentes efeitos da presente invenção, mesmo num caso em que um elemento semicondutor está unido a uma placa de circuito impresso em escala grande ou dissipador de calor que tem uma grande capacidade de calor, não é necessário alterar a taxa de arrefecimento na liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção, e a solda é realizada sob condições convencionais de arrefecimento. Isto ocorre, pois a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode apresentar excelente confiabilidade da conexão enquanto suprime a geração de uma fase de baixo ponto de fusão, mesmo quando o arrefecimento lento é realizado a 0,8 °C/seg. A taxa de arrefecimento é ideal entre 1 e 10 °C/seg.

[0072]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção exibe seus efeitos particularmente nos casos em que um elemento semicondutor, conforme descrito acima, opera a uma temperatura elevada de aproximadamente 250 a 280 °C na soldagem a um dissipador de calor. Por uma questão de curso, a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção não gera uma fase de baixo ponto de fusão e pode exibir suficientemente alta confiabilidade de conexão, mesmo quando utilizada numa junta de solda, que tem uma temperatura de resistência ao calor exigida de até 250 °C.

[0073]. A liga de solda, de acordo com a presente invenção, fabricada com um material de alta pureza ou um material de alfa baixo é uma liga de solda de alfa baixo. Pode ser impedida a ocorrência de erros

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 27/49

20/32 de software com o uso dessa na periferia de uma memória.

EXEMPLOS [0074]. As ligas de solda com as respectivas composições de liga ilustradas nas Tabelas 1 e 2 foram fundidas a 430 °C e, em seguida, cada liga de solda foi arrefecida a uma taxa de arrefecimento de 1 °C/segundo, para simular a formação de cada junta de solda, após a solda branda. A taxa de arrefecimento é controlada por um termopar que detecta a temperatura do forno do DSC. Para ser mais específico, a taxa de arrefecimento de 1 °C/segundo é um valor obtido quando uma liga de solda foi completamente fundida a 430 °C, em seguida é arrefecida até 180 °C a uma taxa de redução da temperatura de 1 °C/segundo.

[0075]. Uma curva de DSC da liga de solda arrefecida foi obtida através do aumento da temperatura a 5 °C/min no ar com o uso do DSC (modelo: Q2000), fabricado pela TA Instruments Japan Inc., a partir da curva de DSC resultante, da temperatura de sólido, a temperatura de líquido, a taxa de fase líquida e a taxa de fase sólida. Os resultados são compilados nas Tabelas 1 e 2.

[0076]. A Figura 2 é um gráfico que mostra a curva de DSC de uma liga de solda no Exemplo Comparativo 1. A Figura 3 é um gráfico que mostra a curva de DSC de uma liga de solda no Exemplo 14. Essas curvas de DSC são obtidas através do aumento da temperatura das ligas de solda solidificadas a uma taxa de arrefecimento de 1 °C/seg. a 5 °C/min.

[0077]. Na curva de DSC ilustrada na Figura 2, a temperatura no início da endotermia do primeiro pico endotérmica é a temperatura de sólido e a temperatura no final da endotermia do último pico endotérmica é a temperatura de líquido. No entanto, num caso em que existe apenas um único pico endotérmica, como ilustrado na Figura 3, a temperatura no início da endotermia do pico endotérmica é a temperatura de sólido e a temperatura no final da endotermia desse pico endotérmica é a temperatura de líquido.

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 28/49

21/32 [0078]. Assim como visto na Figura 2, na liga de solda do Exemplo Comparativo 1, em que a composição da liga está fora do alcance do invento, observaram-se dois picos endotérmicos, e a temperatura de sólido apresentada era de 227 °C. Por outro lado, assim como está claro na Figura 3, na liga de solda do Exemplo 14, em que a composição da liga está dentro da extensão do invento, foi observado um único pico endotérmico, e a temperatura de sólido ilustrada foi de 323 °C.

[0079]. Nas composições da liga ilustradas nos Exemplos Comparativos exceto os Exemplos Comparativos 4, 5 e 10, foi observado um pico endotérmico a uma temperatura abaixo de 280 °C.

[0080]. Os métodos para calcular a taxa de fase líquida e a taxa de fase sólida serão descritos de forma detalhada, utilizando a curva de DSC do Exemplo Comparativo 1, conforme ilustrado na Figura 4 como um exemplo.

[0081]. A taxa de fase líquida a 280 °C foi determinada da seguinte forma: Em primeiro lugar, conforme ilustrado na Figura 4, foi tirada uma linha de base 8, e a área Vo (Vo = Vi + V2) cercado pela linha de base 8 e 9, foi determinada uma curva de DSC. Foi determinada a linha divisória 10, em seguida, foi desenhada a 280 °C e a área Vi cercada pela linha divisória 10, a curva de DSC 9 a 280 °C ou menos a linha de base e 8. Finalmente, a taxa de fase líquida (percentagem) a 280 °C, foi calculada pela equação (Vi / Vo) x 100. Por outro lado, num caso em que não foi observado nenhum pico endotérmico a uma temperatura de 280 °C ou menos, conforme ilustrado na Figura 3, a área Vi é 0 e, portanto, a taxa de fase líquida a 280 °C é de 0%.

[0082]. A taxa de fase sólida a 280 °C foi determinada da seguinte forma: Foi determinada a área V2 cercada pela linha divisória 10, a curva de DSC 9 a 280 °C ou mais e a linha de base 8 apresentada ilustrada na Figura 4. A taxa de fase líquida a 280 °C, foi então calculada por meio da equação (V2 / Vo) ^x 100 para obter a taxa de fase sólida. Por outro lado,

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 29/49

22/32 num caso em que foi observado nenhum pico endotérmico a uma temperatura de 280 °C ou mais, conforme ilustrado na Figura 3, V2 é igual a Vo, de modo que a taxa de fase sólida a 280 °C é igual a 100%. Os resultados das medições são ilustrados nas Tabelas 1 e 2.

[0083]. Além disso, uma liga de solda, tendo cada, uma composição de liga ilustrada nas Tabelas 1 e 2 foi moldada para preparar um espécime com um formato predeterminado. Os métodos de medição da resistência à tração e o alongamento à ruptura estão descritos abaixo.

[0084]. Um espécime tem o formato ilustrado na Figura 5. Sua parte paralela possui dimensões de 8 mm de diâmetro (φ) e 30 mm de comprimento. O espécime foi obtido por fusão de cada liga de solda à temperatura de líquido de cada composição de + 100 °C, a fundição da liga de solda fundida num molde dividido feito para trabalhar de acordo com as dimensões descritas acima, arrefecimento da liga de solda fundido com ar até que a temperatura diminuísse para a temperatura ambiente, e remoção da liga de solda arrefecida do molde dividido. Um termopar foi ligado à parte de fundição do molde dividido e foi medida a evolução da temperatura durante a solidificação. Como resultado, a taxa de arrefecimento foi de aproximadamente 1 a 3 °C/segundo. Foi realizado um teste de tração numa câmara termostática a 250 °C em ar, a uma velocidade de 0,09 mm/min utilizando um Autograph 5966 fabricado pela Instron.

[0085]. A resistência à tração e o alongamento à ruptura foram calculados a partir da carga e os valores de desvio lidos numa célula de carga do dispositivo de teste de tração. De acordo com a presente invenção, no caso de uma liga de solda foi constatada uma resistência à tração de 5 MPa ou mais, e um alongamento de ruptura de 5% ou mais, a liga de solda foi considerada como possuindo propriedades mecânicas suficientes para evitar a fratura fácil mesmo em alta temperatura quando utilizada para uma junta de solda.

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 30/49

23/32

Alongamento à ruptura [%]

^M 1

³⁶⁷ 1

⁴⁰⁷ 1

** 1

⁷²⁷ 1

124,0 |

⁸⁶⁷ 1

Si

35,3 |

^39J 1

o*

jd

^53J 1

o*

CO

1 826 I

112,3 |

o 3

63,3 |

CN

134,9 |

δ

120,5 |

²⁶⁵ 1

272,0 |

209,1

Resistência à tração [Mpa]

CN •d CN

CO CO CO

CN CN CN

CN

o •o CN

IO

5

CN

CO CO

CN 8'

CO 8'

8'

3‘

CN CO

•o

CO CO

8

o

8'

CN

oó

o 8

IO CN

CO

CN 8'

•o oó

| B j f E M

IO $9' o*

o 8

O 8

o 8

O 8

S O*

o 8

S O*

o 8

O 8

o 8

O 8

IO $9' o*

O 8

o 8

O 8

CO CN CN

CN CN

o*

1«11 ε

IO

O o

o*

O o

o*

O o

IO

O o

o'

CO O

CO

Temperatura do líquido, pq

360,3

358,9

357,0

359,5

jO CO

348,2

358,8

359,8

358,9

356,5

358,5

373,6

359,0

356,2

358,6

375,2

354,7

CN

356,7

356,3

8 CO

356,4

351,4

352,3

Temperatura do sólido [°q

228,4

300,2

297,7

300,8

338,2

227,6

298,5

228,6

304,6

•d

303,9

327,8

301,3

323,6

301,0

328,6

324,7

CO 8

322,2

§

299,3

301,0

299,5

227,6

CN

221,6

Composição da Iga [%]

5

r

ή

Ώ Z

₅°

Φ u

Ό

£

δ

>

£

CN o'

>5

CO o

2

CO o

Z

O o

í

8 O

o U

8 O

δ

δ o

δ

0,005

tk

0,003

1=

0,005

8 O

3 O

CN O

Φ Ik

δ o

8 O

0,046

o'

3

0,003

δ o

ειο'ο

O o

8 O

O

CO CO o

-

δ o

0,085

910Ό

δ o

8 O

o o

8 O

o'

δ o

0,003

Õ

IO

•o

¢0

IO

•o

¢0

•o

¢0

•o

IO

•o

-o

IO

<

¢0

LO

¢0

8

IO

¢0

LO

¢0

IO

¢0

8

¢0

IO

¢0

8

IO

LO

IO

CO

£

IO CO

CO

IO CO

CO

8

CO

8

•o CO

IO CO

•o CO

CO

δ

5>

8

B

| Exemplo 1 |

| Exemplo 2 |

| Exemplo 3 |

| Exemplo 4 |

| Exemplo 5 |

| Exemplo 6 |

| Exemplo 7 |

| Exemplo 8 |

| Exemplo? |

| Exemplo 101

| Exemplo 11|

| Exemplo 121

| Exemplo 131

| Exemplo 141

| Exemplo 15

| Exemplo 161

| Exemplo 171

| Exemplo 181

| Exemplo 19

| Exemplo 201

| Exemplo 211

| Exemplo 221

| Exemplo 23

| Exemplo 241

| Exemplo 251

Exemplo 26

24/32

Alongamento à ruptura [%]	159,6 \|	CN 8	1	102,6 \|	125,6
Resistência à tração [Mpa]	IO 8	IO CN	-o	IO	O 8
\| « j f E	o 8	•o CN CN	O 8	O 8	O 8
1«11 ε	O o	5	O o	O o	O o
Temperatura do líquido, pq	358,0	356,5	385,9	358,7	360,0
Temperatura do sólido [°q	304,4	225,6	300,3		324,2
Composição da Iga [%]	5
r
ή
Ώ Z
₅°
Φ u					0,049
Ό				910'0
£			19600'0
δ		O
>	0,005
£
>5
2
Z
í
o U
δ
δ
tk
1=
Φ Ik
3	δ o	900'0	0,004	O o	0,003
Õ	•o	•o	•o	-o	•o
<	IO	LO	IO	IO	IO
S	CO	CO	CO	CO	•o CO
5>	s	s	s	s	s
	\| Exemplo 271	\| Exemplo 281	\| Exemplo 291	\| Exemplo 301	Exemplo 31

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 32/49

25/32

Alongamento à ruptura pq

Ό Ό

o Ό

o. *o

1

CH 8

140,8 |

CN

3

«l CN

CS

0,3

•8 ,8 _ 8 -□ ac

3 cõ

CO CO

cq cõ

«H CO CN

CO cs CN

Ό δ

CH CO

cs cs CN

ΙΌ CO

cs có CN

X LO

CO

f « 1 1 E

o 8

Lf) cs' o.

«l o. o.

O 8

3 CS

s

Ό CS CS

O 8

cr>

o

1 M J E

O o

Lf) O

Lf) o

3

O o

«l CO

CH CN

5

O o

CN

o CO

Temperatura dotquldo rq

360,4

358,4

§

1 1

358,0

375,0

fH 8

362,9

356,9

CH cs

375,3

CS 3

X cs

I ° i? E 1 ’

326,0

225,7

224,0

Ό '•O Sl

225,5

333,5

o a

228,4

226,9

CH §

338,9

X Ό 8

fH

O .8 tr Q. 1

5

O

Q O

*

§ o

0,002

8000'0

0,0007

Ώ Z

§ O

0,002

%

Lf) § o

0,0023

ΰ

8 o

o_

8 o

£

0,012

δ

3 o

>

0,012

ç

8 O

5

O

Ώ o

a

0,044

2

8 o

0,016

ô

δ o

δ

δ o

δ

0,004

a_

0,002

1=

0,003

§

0 IL

0,003

§

<

§ o

8 o

600'0

3 o

0,046

õ

Ό

CO

Lf)

LO

r*s

CO

r*s

í*

Lf)

8

Lf)

CO

LO

CO

8

CO

Ώ V»

CO

3

LO CO

CO

c V»

2

| Exemplo 32 |

| Exemplo 33 |

| Exemplo 34 |

3 £ o. I

8 Δ Q. I

| Exemplo 37 |

Exemplo Compcralivo 1

Exemplo CompcraHvo 2

Exemplo CompcraHvo 3

Exemplo CompcraHvo 4

Exemplo CompcraHvo 5

Exemplo CompcraHvo 6

Exemplo CompcraHvo 7

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 33/49

26/32

Alongamento à ruptura pq	3	CO	o. CN	3
•8 ,8 _ 8 -□ ac	in	«l CN	«H 3	l>
f « 1 1 E	97,6	96,3	o 8	98,5
f M j E	X CN	CO	O o	ΙΌ
Temperatura dotquldo rq	«l CN 3	359,6	CH o.	362,3
I ° t \| E 1 ’	227,9	228,5	302,8	229,1
E O .8 tr Q. 1	Au
f
ή
Λ Z
Mo
ΰ
o_
£				H
δ
>
ç
5
a
2
Mn
ô
δ
δ
a_
1=				0,004
0 IL			0,006
<	0,002	2
Cu	Lf)	Ό	K	LO
í*	CO	LO	CO	CO
Λ V»	Lf) CO	CO	CO	LO CO
c V»	bal.	bal.	bal.	bal.
	Exemplo CompcraHvo 8	Exemplo CompcraHvo 9	Exemplo CompcraHvo 10	Exemplo CompcraHvo 11

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 34/49

27132 [0086]. Cada um dos Exemplos de 1 a 37 em que a composição da liga está dentro da extensão do invento apresentou uma taxa de fase sólida de 98% ou mais, uma temperatura de líquido de até 376 °C, uma resistência à tração a 250 °C de 5 MPa ou mais, e um alongamento na ruptura de 5% ou mais. Por outro lado, cada um dos Exemplos Comparativos 1 a 11, em que o Al, Fe e Ti não estão contidos ou o Al, Fe e Ti estão contidos em quantidades fora dos intervalos da presente invenção foi constatado apenas um alongamento à ruptura com valor inferior a 4%. Por exemplo, cada um dos Exemplos Comparativos 3, 4, 5, 10 e 11 apresenta uma taxa de fase sólida a 250 °C de 98% ou mais, satisfazendo assim a resistência necessária ao calor, mas apresenta um alongamento na ruptura a 250 °C de menos do que 3%, portanto, não atendendo a ductilidade mecânica. No entanto, nos Exemplos 2, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 12, 13, 15, 16, 18 e 37 em que o Al, Fe ou 11 é adicionado numa quantidade específica, a ductilidade mecânica melhora consideravelmente.

[0087]. Os Exemplos Comparativos de 1 a 5 em que o Al, Fe ou Ti não está contido, cada um tem um alongamento a ruptura de até 3%, embora alguns deles demonstrem uma elevada resistência à tração. Os Exemplos Comparativos 6 a 11 em que os teores de Al, Fe e Ti estão fora dos intervalos da presente invenção, cada um possui um alongamento baixo no valor de ruptura, embora alguns deles demonstrem uma elevada resistência à tração.

[0088]. As Figuras 6(a) a 6(d) são, cada uma delas, uma micrografia de uma superfície de fratura da amostra que foi utilizada por um microscópio óptico; A Figura 6(a) é uma micrografia no Exemplo 7, a Figura 6(b) uma micrografia no Exemplo 10, a Figura 6(c) uma micrografia no Exemplo 14 e a Figura 6(d) uma micrografia no Exemplo Comparativo 3. As micrografias apresentadas nas Figuras 6(a) a 6(d) são tomadas com uma ampliação de 20x.

[0089]. As Figuras 7(a) a 7(d) são, cada uma delas, uma micrografia de uma superfície de fratura da amostra que foi utilizada por um microscópio eletrônico; A Figura 7(a) é uma micrografia no Exemplo 7, a Figura 7(b) uma micrografia no Exemplo 10, a Figura 7(c) uma micrografia no Exemplo 14 e a

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 35/49

28/32

Figura 7(d) uma micrografia no Exemplo Comparativo 3. As micrografias apresentadas nas Figuras 7(a) a 7(d) são tomadas com uma ampliação de 200x.

[0090]. Conforme ilustrado nas Figuras 6(a) a 6(d), foi revelado que as regiões granulares rodeadas por fendas vistas na superfície de fratura nas Figuras 6(a) a 6(c) são claramente menores em tamanho do que aquelas na Figura 6(d). Também foi revelado que as fases de compostos intermetálicos tais como Ag3Sn e Cu3Sn são finamente dispersas numa fase SbSn nas Figuras 7(a) a 7(c), enquanto que uma fase SbSn e as fases grossas de compostos intermetálicos como o Ag3Sn e Cu3Sn formam uma estrutura lamelar na Figura 7(d).

[0091]. Na liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção, as fases de Ag3Sn, Cu6Sn5, Cu3Sn e semelhantes, são finamente dispersas na fase SbSn conforme ilustrado nas Figuras 7(a) a 7(c) para aumentar a área de limites granulares de cristal, desse modo reduzindo a concentração de tensão. Portanto, as regiões granulares cercadas pelas fissuras observadas na superfície de fratura, conforme ilustrado nas Figuras 6(a) a 6(c) são consideradas como sendo menores em tamanho do que as regiões granulares cercadas pelas fissuras observadas na superfície de fratura, conforme ilustrado na Figura 6(d).

[0092]. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode, assim, reduzir a concentração de tensões devido a deformação, enquanto suprime a fratura de cada limite granular e, consequentemente, é considerada por mostrar uma excelente resistência à tração e o alongamento na ruptura.

[0093]. Além disso, cada liga de solda, de acordo com a presente invenção foi utilizada para formar uma junta de solda, sobre um dissipador de calor e foi examinado o estado da interface comum entre a liga de solda e o dissipador de calor.

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 36/49

29/32

Espessura da camada de IMC [mm]	o	o CO	2,3
Taxa de fase sólida [°C]	0'001	0'001	0'001
Taxa de fase líquida [°C]	0,0	0,0	0,0
Temperatura do líquido [°C]	358,4	358,6	358,7
Temperatura do sólido [°C]	326,0	326,0	327,0
Composição da liga [%]	z	o	0,03	0,07
<	0,02	0,02	0,02
Cu	o	o	o
O) <	o	o	o
Sb	CO	CO	CO
Sn	bal.	bal.	bal.
	Exemplo 38	Exemplo 39	Exemplo 40

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 37/49

30/32 [0094]. Cada um dos Exemplos 38, 39 e 40 em que a composição da liga está dentro da extensão da presente invenção apresenta uma taxa de fase sólida de 100% e uma temperatura de líquido de até 376 °C, e possui uma boa resistência ao calor. Além disso, uma vez que o teor de Al estiver dentro da extensão da presente invenção, a resistência mecânica e a ductilidade também são obviamente atendidas. Além disso, uma camada de composto intermetálico (IMC) formada na interface da junta com o dissipador de calor é mais fina nos Exemplos 39 e 40 do que no Exemplo 38 em que o Ni não está contido. É conhecido que a confiabilidade da junta reduz na interface da junta entre a liga de solda e o dissipador de calor, caso a camada de compostos intermetálicos formados na vizinhança da interface comum tenha uma grande espessura. Em outras palavras, pela adição de mais Ni a uma liga de solda obtida através da incorporação de Al, Ti e Fe de uma liga de Sn-Sb-Ag-Cu dentro do âmbito da presente invenção, a camada de compostos intermetálicos pode ser impedida de ter uma espessura aumentada, melhorando assim ainda mais a confiabilidade da junta.

[0095]. As Figuras 8(a) a 8(c) são, cada uma, a micrografia de uma superfície em corte transversal de uma interface entre uma liga de solda sem chumbo de alta temperatura da presente invenção e um dissipador de calor de Cu da forma como foi tirada por um microscópio eletrônico. O dissipador de calor de Cu tem um tamanho de 30 x 20 x 2 mm e é feito de Cu. Um chip de Si tem um tamanho de 5 x 5 x 0,5 mm e as porções de eletrodos da junta são banhados levemente com Ni / Au.

[0096]. Foi realizada a solda branda de refluxo pela aplicação de fluxo adequado na porção central de um dissipador de calor de Cu, colocando a liga de solda com um peso de aproximadamente 10 mg no fluxo de montagem e um chip de Si nela. As condições da junta são como se segue: Foi utilizado um dispositivo de solda branda de H₂ a vácuo fabricado pela Shinko Seiki Co., Ltd.; taxa de elevação da temperatura: 1,8

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 38/49

31/32 [°C/seg.]; temperatura de pico: 367 [°C]; tempo de fusão da liga de solda: 80 segundos; e taxa de arrefecimento: 1,7 [°C/seg.].

[0097]. A Figura 8(a) é uma micrografia eletrônica de uma superfície em corte transversal de uma interface da junta entre uma liga de solda no Exemplo 38 (Sn-37%Sb-6%Cu-15%Ag-0,02%AI) e um dissipador de calor de Cu; A Figura 8(b) é uma micrografia eletrônica de uma superfície em corte transversal de uma interface da junta entre uma liga de solda no Exemplo (Sn-37%Sb-6%Cu-15%Ag-0,02%AI-0,03%Ni) e um dissipador de calor de Cu; e a Figura 8(c) é uma micrografia eletrônica de uma superfície em corte transversal de uma interface da junta entre uma liga de solda no Exemplo (Sn-37%Sb-6%Cu-15%Ag-0,02%AI-0,07%Ni) e um dissipador de calor de Cu.

[0098]. Conforme ilustrado nas Figuras 8(a) a 8(c), a junta de solda no Exemplo 38 forma uma fase composta intermetálica de CuSb com uma espessura de aproximadamente 4 (pm) na interface da junta do dissipador de calor de Cu. As juntas de solda que utilizam as ligas de solda descritas nos Exemplos 39 e 40 têm espessuras de IMC de 3,5 (pm) e de 2,3 (pm), respectivamente. As Figuras 8(a) a 8(c) revelam que é suprimida a fase de líquido dos ingredientes do eletrodo de Cu a partir dos dissipadores de calor de Cu nas ligas de solda e as camadas feitas de vários compostos intermetálicos formados nas interfaces da junta são finas.

[0099]. Do acima exposto, a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção tem uma excelente resistência à tração e ao alongamento num ambiente de alta temperatura de 250 °C. Portanto, a liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção pode reduzir a tensão térmica aplicada numa junta de solda, que pode ser causada pela tensão térmica devido a uma diferença de coeficiente de expansão térmica entre cada substrato e de um componente associado. Conforme descrito acima, na liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção, a junta de solda, não causa fratura em relação a um elemento semicondutor

Petição 870160039147, de 26/07/2016, pág. 39/49

32/32 capaz de operar em alta temperatura. A liga de solda sem chumbo de alta temperatura de acordo com a presente invenção também pode ser utilizada sem qualquer problema, mesmo num ambiente em que a liga de solda pode ser exposta a temperaturas elevadas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. LIGA DE SOLDA SEM CHUMBO de alta temperatura caracterizada por consistir uma composição de liga, que consiste em: 35 a 40% em peso de Sb, 8 a 25% em peso de Ag, 5 a 10% em peso de Cu, assim como pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de 0,003 a 1,0% em peso de Al, 0,01 a 0,2% em peso de Fe e 0,005 a 0,4% em peso de Ti, e um equilíbrio de Sn, em que consiste ainda, de pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de P, Ge e Ga numa quantidade total de 0,002 a 0,1% em peso, em que consiste ainda, de pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de Ni, Co e Mn numa quantidade total de 0,01 a 0,5% em peso, em que consiste ainda, de pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de Zn e Bi numa quantidade total de 0,005 a 0,5% em peso, em que consiste ainda, de pelo menos um material selecionado de um grupo consistindo de Au, Ce, In, Mo, Nb, Pd, Pt, V, Ca, Mg e Zr, numa quantidade total de 0,0005 a 1 % em peso.
2 PASTA DE SOLDA caracterizada por incluir a liga de solda sem chumbo de alta temperatura conforme definida pela reivindicação 1.
3 SOLDA PRÉ-MOLDADA caracterizada por incluir a liga de solda sem chumbo de alta temperatura conforme definida pela reivindicação 1.
4 JUNTA DA SOLDA caracterizada por ser formada pela liga de solda sem chumbo de alta temperatura conforme definida pela reivindicação 1.