DE102017220681A1

DE102017220681A1 - Bleifreie Lotzusammensetzung

Info

Publication number: DE102017220681A1
Application number: DE102017220681.0A
Authority: DE
Inventors: Jeejung KIM; Hyun Chae Jung; Taekhee PARK; Joo Dong Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Heesung Material Ltd
Current assignee: Hyundai Motor Co; LT Materials Co Ltd; Kia Corp
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-02-21
Also published as: KR102286739B1; CN109396687A; KR20190019418A; US20190054575A1; CN109396687B

Abstract

Eine bleifreie Lotzusammensetzung enthält, bezogen auf 100 % des Gesamtgewichts der bleifreien Lotzusammensetzung, 0,3 bis 3,0 Gew.-% Silber (Ag), 0,5 bis 3,0 Gew.-% Antimon (Sb), 0,3 bis 3,0 Gew.-% Indium (In) und als restlichen Anteil Zinn (Sn).

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2017-0 104 273, eingereicht am 17. August 2017 im koreanischen Intellectual Property Office (Amt für geistiges Eigentum), deren Gesamtinhalt durch Rückbeziehung in dieses Dokument aufgenommen wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine hochfeste bleifreie Lotzusammensetzung. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine hochfeste bleifreie Lotzusammensetzung, die ein auf vier Elementen basierendes Material aus Zinn (Sn)-Silber (Ag)-Antimon (Sb)-Indium (In) umfasst.
Beschreibung des Stands der Technik
Früher wurde als Lotmaterial hauptsächlich Blei verwendet; in jüngster Zeit ist es jedoch infolge von Umweltschutzbestimmungen verboten worden, Blei in elektronischen Produkten zu verwenden, und die Verwendung von Blei ist in Fahrzeugen streng verboten. Deshalb werden derzeit die herkömmlichen bleihaltigen Lotmaterialien durch verschiedene Arten von Metalllegierungen ersetzt. Ein bleifreies Lotmaterial hat jedoch eine geringere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als die herkömmlichen bleihaltigen Legierungen, und leicht wird darin eine Ionenwanderung hervorgerufen. Als übliche bleifreie Lotzusammensetzung wird in Abhängigkeit von ihrem Anwendungsbereich und Zweck eine auf Sn-Ag-Cu basierende Zusammensetzung, eine auf Sn-Bi basierende Zusammensetzung, eine auf Sn-Ag basierende Zusammensetzung bzw. eine auf Sn-Zn-Bi basierende Zusammensetzung verwendet, und insbesondere wird für den breitesten Anwendungsbereich und verschiedenste Zwecke eine auf Sn-Ag-Cu basierende Zusammensetzung verwendet. Die auf Sn-Ag-Cu basierende bleifreie Lotzusammensetzung findet bei allgemeinen elektronischen Produkten Anwendung, während für Fahrzeuge und Produkte mit vergleichbarem Niveau, die eine hohe Zuverlässigkeit, d. h. ausgezeichnete thermische Ermüdungseigenschaften, erfordern, der auf Sn-Ag-Cu basierenden bleifreien Lotzusammensetzung weitere Elemente beigemischt werden. Nach dem Löten mit einer auf Sn-Ag-Cu basierenden bleifreien Lotzusammensetzung werden, wenn sich die Temperatur wiederholt in extremer Weise ändert, infolge von Spannungen, die durch den Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Grundbestandteile hervorgerufen werden, Risse erzeugt. Wenn Risse entstehen, nimmt die Haftfestigkeit ab, und dadurch kann die Zuverlässigkeit des Produkts beeinträchtigt werden. Die vorstehenden Informationen, die in diesem Abschnitt Allgemeiner Stand der Technik offenbart sind, dienen lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrundes der Offenbarung, und von daher können sie Informationen enthalten, die nicht dem Stand der Technik zuzurechnen sind, der einem Durchschnittsfachmann im Anmeldeland bereits bekannt ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung ist in dem Bestreben gemacht worden, eine bleifreie Lotzusammensetzung mit ausgezeichneter Benetzbarkeit und Verarbeitbarkeit und ausgezeichneten thermischen Ermüdungseigenschaften bereitzustellen.
Außerdem ist die vorliegende Offenbarung in dem Bestreben gemacht worden, eine bleifreie Lotzusammensetzung bereitzustellen, die ungefährlich für den Menschen und umweltfreundlich ist.
Ferner ist die vorliegende Offenbarung im Bestreben entstanden, eine bleifreie Lotzusammensetzung bereitzustellen, die bei elektronischen Produkten und Fahrzeugen verwendet werden kann.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt eine bleifreie Lotzusammensetzung bereit, die, bezogen auf 100 % des Gesamtgewichts der bleifreien Lotzusammensetzung, 0,3 bis 3,0 Gew.-% Silber (Ag), 0,5 bis 3,0 Gew.-% Antimon (Sb), 0,3 bis 3,0 Gew.-% Indium (In) und als Restanteil Zinn (Sn) enthält.
Die bleifreie Lotzusammensetzung kann überdies mindestens eines der Elemente Scandium (Sc), Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Cobalt (Co) umfassen.
Zusätzlich kann Scandium (Sc) mit 0,001 bis 0,5 Gew.-% umfasst sein.
Zusätzlich kann Nickel (Ni) mit 0,001 bis 0,05 Gew.-% umfasst sein.
Zusätzlich kann Chrom (Sc) mit 0,001 bis 0,05 Gew.-% umfasst sein.
Zusätzlich kann Cobalt (Co) mit 0,001 bis 0,05 Gew.-% umfasst sein.
Silber (Ag) kann 0,5 bis 2,0 Gew.-% ausmachen.
Silber (Ag) kann 1,0 bis 1,5 Gew.-% ausmachen.
Antimon (Sb) kann 0,7 bis 2,5 Gew.-% ausmachen.
Antimon (Sb) kann 1,5 bis 2,0 Gew.-% ausmachen.
Indium (In) kann 0,4 bis 1,5 Gew.-% ausmachen.
Indium (In) kann 0,5 bis 1,0 Gew.-% ausmachen.
Bei Bewertung der Zugfestigkeit nach der Norm ASTM A370 kann die bleifreie Lotzusammensetzung eine Zugfestigkeit von 55 MPa oder mehr aufweisen.
Nach dem Löten der bleifreien Lotzusammensetzung kann das Dickenzunahmeverhältnis einer intermetallischen Verbindungsschicht nach 2000 Wiederholungszyklen einer Prüfung auf thermische Ermüdung 40 % oder kleiner sein, wobei ein Zyklus 125 °C/30 min bis -40 °C/30 min umfasst.
Mit der vorstehend beschriebenen bleifreien Lotzusammensetzung kann eine bleifreie Lotlegierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Ein elektronisches Bauteil gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die vorstehend beschriebene bleifreie Lotlegierung aufweisen.
Ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die vorstehend beschriebene bleifreie Lotlegierung aufweisen.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine bleifreie Lotzusammensetzung mit ausgezeichneter Benetzbarkeit und Verarbeitbarkeit und ausgezeichneten thermischen Ermüdungseigenschaften bereitzustellen. Auch ist es möglich, gleichzeitig den Silber- (Ag) Gehalt zu verringern.
Außerdem kann die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als Lotlegierung bei Fahrzeugen, bei elektronischen Produkten und insbesondere in der Mikroelektronik verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung sowie die Verfahren zum Erlangen derselben werden aus den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen offensichtlich. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein. Die folgenden Ausführungsbeispiele werden gegeben, um die vorliegende Offenbarung zu ergänzen und einem Fachmann zu ermöglichen, den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung richtig zu verstehen, wobei die vorliegende Offenbarung nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche definiert ist. In der gesamten Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandelemente.
Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen wird eine ausführliche Beschreibung wohlbekannter Technologien weggelassen, um zu vermeiden, dass die vorliegende Offenbarung nicht eindeutig ausgelegt wird. Sofern nicht anders angegeben, haben alle Termini (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Termini), die hierin verwendet werden, die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird. Außerdem versteht sich, dass der Ausdruck „umfassen“ und Variationen davon, wie etwa „umfasst“ oder „umfassend“, überall in der Beschreibung so zu verstehen sind, dass sie die angegebenen Elemente einschließen, weitere Elemente jedoch nicht ausschließen. Ferner sollen die Singularformen „einer“, „eine“, „ein“ und „der“, „die“, „das“, wie hier verwendet, auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes erkennen lässt.
In den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Gewichtsprozent (Gew.-%) als ein prozentualer Anteil eines Gewichts einer entsprechenden Zusammensetzung am Gewicht der Gesamtzusammensetzung dargestellt. Ferner bedeutet bei den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung „Umfasstsein“ eines zusätzlichen Elements das Ersetzen des restlichen Zinns (Sn) durch eine zusätzliche Menge des zusätzlichen Elements.
Eine bleifreie Lotzusammensetzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine umweltfreundliche und ungiftige Lotzusammensetzung ohne Blei (Pb). Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden durch Verwenden eines auf vier Elementen basierendes Materials aus Zinn (Sn)-Silber (Ag)-Antimon (Sb)-Indium (In) bei einer Prüfung auf thermische Ermüdung (bei thermischem Schock oder Temperaturwechselbeanspruchung) ausgezeichnete thermische Ermüdungseigenschaften sichergestellt.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist unter Berücksichtigung der Benetzbarkeit und Verarbeitbarkeit während des Lötens und der Zuverlässigkeit während einer Prüfung auf thermische Ermüdung (bei thermischem Schock oder Temperaturwechselbeanspruchung) konzipiert und weist eine im Vergleich zu einer herkömmlichen bleifreien Lotzusammensetzung ausgezeichnete Qualität auf.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält Silber (Ag), Antimon (Sb), Indium (In) und Zinn (Sn). Im Folgenden wird jeder Bestandteil ausführlich beschrieben.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0,3 bis 3,0 Gew.-% Silber (Ag). Insbesondere kann sie 0,5 bis 2,0 Gew.-% Silber (Ag) umfassen, und noch spezifischer kann sie 1,0 bis 1,5 Gew.-% Silber (Ag) umfassen. Eine intermetallische Verbindung aus Sn-Ag mit einer dichten nadelförmigen Struktur, die während des Lötens innerhalb des vorerwähnten Bereiches entsteht, erhöht die Festigkeit einer Lotlegierung. Überdies wird die Dehnung verbessert, sodass sich die thermischen Ermüdungseigenschaften und die Tropffestigkeit verbessern.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0,5 bis 3,0 Gew.-% Antimon (Sb). Insbesondere kann sie 0,7 bis 2,5 Gew.-% Antimon (Sb) umfassen, und noch spezifischer kann sie 1,5 bis 2,0 Gew.-% Antimon (Sb) umfassen. Bei einem Gehalt des Antimons im vorerwähnten Bereich ist es möglich, die thermischen Ermüdungseigenschaften dadurch sicherzustellen, dass während einer Prüfung auf thermische Ermüdung (bei thermischem Schock oder Temperaturwechselbeanspruchung) Scherbeanspruchungen ein Widerstand entgegengesetzt wird und Rissbildungsgeschwindigkeit und -ausdehnungsbereich reduziert werden, wobei dieser Effekt bei einer gleichmäßigen Verteilung eines Antimon- (Sb) Materials maximiert wird.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0,3 bis 3,0 Gew.-% Indium (In). Insbesondere kann sie 0,4 bis 1,5 Gew.-% Indium (In) umfassen, und noch spezifischer kann sie 0,5 bis 1,0 Gew.-% Indium umfassen. Bei einem Gehalt des Indiums im vorerwähnten Bereich ist es möglich, den Schmelzpunkt zu steuern, um eine ausgezeichnete Haftfestigkeit und Benetzbarkeit sicherzustellen und durch Dämpfen der thermischen Ermüdung die Festigkeit zu bewahren.
In der bleifreien Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist Zinn (Sn) als Restanteil umfasst, um 100 % ihres Gesamtgewichts zu erreichen. Zinn (Sn) ist an sich ungiftig und hat eine ausgezeichnete Löslichkeit in anderen Metallen; dadurch ermöglicht es eine problemlose Herstellung unterschiedlicher Legierungen.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann zusätzlich mindestens eines der Elemente Scandium (Sc), Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Cobalt (Co) umfassen.
Wenn zusätzlich Scandium (Sc) umfasst ist, kann es mit 0,001 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, umfasst sein. Bei einem Gehalt im vorerwähnten Bereich können Festigkeit und Spreitfähigkeit des Lots weiter verbessert sein. Wenn Scandium (Sc) jedoch in einer zu großen Menge umfasst ist, kann sich dadurch, dass eine unlösliche Verbindung entsteht, die Verarbeitbarkeit verschlechtern. Wenn Scandium (Sc) in einer zu kleinen Menge umfasst ist, kann die Verbesserung der Festigkeit und der Spreitfähigkeit beispielhaften Ausführungsformen sein.
Wenn zusätzlich Nickel (Ni) umfasst ist, kann es mit 0,001 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, umfasst sein. Bei einem Gehalt im vorerwähnten Bereich ist es möglich, durch Reduzieren der Dicke einer intermetallischen Verbindung auf effektive Weise die Festigkeit sicherzustellen. Wenn Nickel (Ni) in einer zu großen Menge umfasst ist, kann die Benetzbarkeit verschlechtert sein. Wenn Nickel (Ni) in einer zu kleinen Menge umfasst ist, kann die Verbesserung der Festigkeit beispielhaften Ausführungsformen sein.
Wenn zusätzlich Chrom (Cr) umfasst ist, kann es mit 0,001 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, umfasst sein. Bei einem Gehalt im vorerwähnten Bereich ist es für Verbesserungen des Korrosionsschutzes, des Tropfenaufpralls und der Festigkeit vorteilhaft. Wenn Chrom (Cr) in einer zu großen Menge umfasst ist, kann die Verarbeitbarkeit verschlechtert sein. Wenn Chrom (Cr) in einer zu kleinen Menge umfasst ist, kann die Verbesserung des Korrosionsschutzes, des Tropfenaufpralls und der Festigkeit beispielhaften Ausführungsformen sein.
Wenn zusätzlich Cobalt (Co) umfasst ist, kann es mit 0,001 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, umfasst sein. Bei einem Gehalt im vorerwähnten Bereich wird die während einer thermischen Ermüdung erfolgende Metalldiffusion unterdrückt, sodass sich die Beibehaltung der Festigkeit verbessert, und überdies kann ein Wachstum der intermetallischen Verbindungsschicht (IMC-Schicht) unterdrückt werden. Wenn Cobalt (Co) in einer zu großen Menge umfasst ist, kann die Verarbeitbarkeit verschlechtert sein. Wenn Cobalt (Co) in einer zu kleinen Menge umfasst ist, kann der vorerwähnte Effekt beispielhaften Ausführungsformen sein.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es durch Anwenden des auf vier Elementen basierenden Materials aus Zinn (Sn)-Silber (Ag)-Antimon (Sb)-Indium (In) möglich, eine bleifreie Lotzusammensetzung zu erhalten, die eine ausgezeichnete Festigkeit hat. Insbesondere kann ihre Zugfestigkeit bei einer Bewertung nach der Norm ASTM A370 55 MPa oder mehr betragen. Da die Norm ASTM A370 wohlbekannt ist, entfällt ihre ausführliche Beschreibung.
Da das auf vier Elementen basierende Material aus Zinn (Sn)-Silber (Ag)-Antimon (Sb)-Indium (In) auf die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewendet wird, sind deren thermische Ermüdungseigenschaften ausgezeichnet. Dies liegt daran, dass es möglich ist, die Bildung einer dichtgepackten intermetallischen Verbindungsschicht (IMC-Schicht) und eine Dickenzunahme zu unterdrücken. Die intermetallische Verbindungsschicht umfssend Ag₃Sn weist eine dichtgepackte nadelförmige Struktur auf und kann einen ausgezeichneten Anfangsfestigkeitswert sicherstellen. Außerdem ist es dadurch, dass durch das Beimischen von Sb eine Verringerung der Scherbeanspruchung und durch das Beimischen von In eine Zunahme der Verformbarkeit und folglich eine Zunahme der Widerstandsfähigkeit eines Verbindungsabschnitts im Hinblick auf eine Umwelteinflussprüfung erzielt werden, sodass die Festigkeit erhalten bleibt und ein Wachstums der intermetallischen Verbindungsschicht (IMC) unterdrückt wird, vorteilhaft, ungeachtet einer Nutzungsdauer eine Anfangsfestigkeit zu bewahren.
Da bei der bleifreien Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung das Wachstum der intermetallischen Verbindungsschicht maximal unterdrückt wird, sind die thermischen Ermüdungseigenschaften verbessert. Insbesondere kann, was die Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht nach einem Löten der bleifreien Lotzusammensetzung anbelangt, nach 2000 Zykluswiederholungen bei der Prüfung auf thermische Ermüdung während 30 Minuten (ein Zyklus entspricht 125 °C bis -40 °C) das Dickenzunahmeverhältnis der intermetallischen Verbindungsschicht 40 % oder kleiner sein. Insbesondere kann es 35 % oder kleiner sein.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auf mindestens ein Lötmittelprodukt von einer Lotpaste, einer Lotkugel, einer Lotstange, einem Lotdraht, einer Lotperle, einer Lötmittelplatte, einem Lötpulver, einem Lötmittelband und einem Lötmitteltring angewendet werden.
Die bleifreie Lotzusammensetzung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann aus einer bleifreien Lotlegierung hergestellt sein, und die bleifreie Lotlegierung kann zweckmäßigerweise bei elektronischen Bauteilen und Fahrzeugen verwendet werden.
Nachfolgend werden Beispiele für die vorliegende Offenbarung und Vergleichsbeispiele ausführlich beschrieben. Die folgenden Beispiele dienen jedoch lediglich der Veranschaulichung, und der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 1 bis 14: Herstellung von bleifreien Lotzusammensetzungen

Bleifreie Lotzusammensetzungen gemäß den Beispielen 1 bis 8 bzw. den Vergleichsbeispielen 1 bis 14, wurden mit den in Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzungen hergestellt. (Tabelle 1)

Klassifizierung	Silber (Gew.-%)	Antimon (Gew.-%)	Indium (Gew.-%)	Andere (Gew.-%)	Zinn (Gew.-%)
Vergleichsbeispiel 1	-	-	-	-	100
Vergleichsbeispiel 2	3,0	-	0,5	-	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 3	0,3	-	0,7	-	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 4	-	-	-	Ni: 0,01	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 5	-	-	-	Cr: 0,01	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 6	-	-	-	Co: 0,01	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 7	-	-	-	Sc: 0,01	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 8	-	-	-	Sc: 0,005	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 9	0,5	-	-	Sc: 0,005	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 10	1,5	-	-	Sc: 0,005	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 11	1,5	-	0,5	Sc: 0,005	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 12	1,5	-	1,0	Sc: 0,005	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 13	-	1	1,0	Sc: 0,005	Restbetrag
Vergleichsbeispiel 14	-	2	1,0	Sc: 0,005	Restbetrag
Beispiel 1	1,5	2	1,0	Sc: 0,005	Restbetrag
Beispiel 2	1,5	1	1,0	Sc: 0,005	Restbetrag
Beispiel 3	1,5	2	0,5	Sc: 0,005	Restbetrag
Beispiel 4	1,0	2	1,0	Sc: 0,005	Restbetrag
Beispiel 5	1,0	1	0,5	Sc: 0,005	Restbetrag
Beispiel 6	1,5	1	1,0	Ni: 0,005	Restbetrag
Beispiel 7	1,5	1	1,0	Cr: 0,005	Restbetrag
Beispiel 8	1,5	1	1,0	Co: 0,005	Restbetrag

Es wurden die Zugfestigkeiten der mit den bleifreien Lotzusammensetzungen der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 14 hergestellten Lotlegierungen bewertet. Die Zugfestigkeit des Metalls wurde nach der Norm ASTM A370 bewertet. Die ausgewerteten Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. (Tabelle 2)

Klassifizierung	Zugfestigkeit des Metalls (MPa)
Vergleichsbeispiel 1	24
Vergleichsbeispiel 2	49
Vergleichsbeispiel 3	34
Vergleichsbeispiel 4	37
Vergleichsbeispiel 5	35
Vergleichsbeispiel 6	38
Vergleichsbeispiel 7	41
Vergleichsbeispiel 8	42
Vergleichsbeispiel 9	44
Vergleichsbeispiel 10	51
Vergleichsbeispiel 11	50
Vergleichsbeispiel 12	52
Vergleichsbeispiel 13	54
Vergleichsbeispiel 14	58
Beispiel 1	61
Beispiel 2	57
Beispiel 3	60
Beispiel 4	56
Beispiel 5	55
Beispiel 6	58
Beispiel 7	60
Beispiel 8	57

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Intensität bei den Beispielen, die Silber (Ag), Antimon (Sb) und Indium (In) umfassen, im Vergleich zu der der Vergleichsbeispiele wesentlich verbessert ist.
Versuchsbeispiel: Merkmalsbewertung bei bleifreien Lotzusammensetzungen
Die Merkmale der mit den bleifreien Lotzusammensetzungen der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 14 hergestellten Lotlegierungen wurden nach den folgenden Prüfverfahren bewertet. Nachdem unter Verwendung eines halogenfreien Flussmittels der Klasse ROL1 ein Lotdraht hergestellt worden war, wurde er bewertet, und die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.

In Tabelle 3 sind für die Spreitfähigkeit Zahlenwerte angegeben, für die Prüfung auf thermische Ermüdung (bei thermischem Schock oder Temperaturwechselbeanspruchung) ist entsprechend dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Rissen durch entsprechende Zyklen OK oder NIO angegeben, und für die Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht (IMC-Schicht) sind Zahlenwerte angegeben. Außerdem sind für das Festigkeitsminderungsverhältnis Zahlenwerte angegeben. (Tabelle 3)

Klassifizierung	Spreitfähigkeit	Rissbildung infolge thermischer Ermüdung (thermischer Schock, Temperaturwechselbeanspruchung)					2000 Zyklen
Klassifizierung	Spreitfähigkeit	0 Zykl en	500 Zykl en	100 0 Zykl en	150 0 Zykl en	200 0 Zykl en	IMC-Schicht Änderungsverhältnis	Festigkeitsminderungsverhältnis
Vergleichsbeispiel 1	82,6 %	OK	NIO	NIO	NIO	NIO	+52 %	-51 %
Vergleichsbeispiel 2	81,7 %	OK	OK	OK	NIO	NIO	+41 %	-43 %
Vergleichsbeispiel 3	80,2 %	OK	OK	NIO	NIO	NIO	+42 %	-45 %
Vergleichsbeispiel 4	80,1 %	OK	OK	NIO	NIO	NIO	+45 %	-48 %
Vergleichsbeispiel 5	80,3 %	OK	OK	NIO	NIO	NIO	+44 %	-49 %
Vergleichsbeispiel 6	80,1 %	OK	OK	NIO	NIO	NIO	+44 %	-49 %
Vergleichsbeispiel 7	82,7 %	OK	OK	NIO	NIO	NIO	+46 %	-48 %
Vergleichsbeispiel 8	82,3 %	OK	OK	NIO	NIO	NIO	+45 %	-48 %
Vergleichsbeispiel 9	82,9 %	OK	OK	OK	NIO	NIO	+42 %	-42 %
Vergleichsbeispiel 10	83,2 %	OK	OK	OK	NIO	NIO	+41 %	-34 %
Vergleichsbeispiel 11	82,7 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+33 %	-26 %
Vergleichsbeispiel 12	82,2 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+31 %	-23 %
Ver-	80,6 %	OK	OK	OK	NIO	NIO	+44 %	-20 %
gleichsbeispiel 13
Vergleichsbeispiel 14	80,3 %	OK	OK	OK	NIO	NIO	+41 %	-19 %
Beispiel 1	82,1 %	OK	OK	OK	OK	OK	+26 %	-14 %
Beispiel 2	81,4 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+30 %	-17 %
Beispiel 3	81,1 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+30 %	-16 %
Beispiel 4	81,5 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+32 %	-19 %
Beispiel 5	81,8 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+32 %	-22 %
Beispiel 6	82,2 %	OK	OK	OK	OK	OK	+30 %	-20 %
Beispiel 7	83,1 %	OK	OK	OK	OK	OK	+28 %	-15 %
Beispiel 8	82,1 %	OK	OK	OK	OK	NIO	+35 %	-25 %

Vergleich der Spreitfähigkeit
Bei jeder Zusammensetzung wurde mit einem Mikrometer die Spreitfähigkeit durch Erwärmen während 30 Sekunden auf eine Temperatur von +50 °C, basierend auf einem Schmelzpunkt (flüssige Phase), gemessen.
Unter Bezugnahme auf die Messergebnisse, die in Tabelle 3 dargestellt sind, wurde bestätigt, dass der Grad der Spreitfähigkeit in Abhängigkeit von der Art und dem Gehalt der beigemischten Bestandteile unterschiedlich war und dass die Spreitfähigkeit der Beispiele jener der Vergleichsbeispiele 2 und 3, die der herkömmlichen Zusammensetzung auf Basis von drei Elementen entsprechen, gleich war oder viel besser war.
Rissvergleich bei der Prüfung auf thermische Ermüdung (bei thermischem Schock oder Temperaturwechselbeanspruchung)
Nachdem die Lotlegierung auf eine Epoxid-Lochrasterplatine gelötet worden war, wurde die Rissbildung mittels einer Wärmestoßprüfvorrichtung bei 125 °C oder -40 °C und 500, 1000, 1500 bzw. 2000 Zyklen (Zyklus/30 Minuten) untersucht.
Unter Bezugnahme auf die Beobachtungsergebnisse, die in Tabelle 3 dargestellt sind, wurde bestätigt, dass der Ausgangspunkt der Risserzeugung bei den auf vier Elementen basierenden Legierungen der Beispiele besser als bei den Vergleichsbeispielen war.
Änderungsverhältnis der intermetallischen Verbindungsschicht (IMC-Schicht)
Nach einem Wiederholen von 2000 Zyklen in gleicher Weise wie bei der Thermoschockprüfung auf Rissbildung wurde die Dickenänderung der intermetallischen Verbindungsschichten (IMC-Schichten) durch Vergleichen mit diesen vor der Thermoschockprüfung auf Rissbildung bestätigt. $\begin{array}{l} Dickenänderung einer intermetallischen Verbindungsschicht (%) = \\ ([Dicke nach der Thermoschockprüfung auf Rissbildung] - [Dicke vor der Ther- \\ moschockprüfung auf Rissbildung]) / [Dicke vor der Thermoschockprüfung auf \\ Rissbildung] \end{array}$
Unter Bezugnahme auf die Ergebnisse, die in Tabelle 3 dargestellt sind, wurde bestätigt, dass die Dickenänderungen der intermetallischen Verbindungsschichten (IMC-Schichten) bei den auf vier Elementen basierenden Legierungen der Beispiele geringer als bei den Vergleichsbeispielen waren.
Festigkeitsminderungsverhältnis
Die Festigkeitsänderungsverhältnisse der Prüfgegenstände wurden in gleicher Weise wie bei der Prüfung des IMC-Schicht-Änderungsverhältnisses bestätigt. Die Festigkeitsänderung schwankt in Abhängigkeit von einer Vergröberung der inneren Metallstruktur und vom Auftreten einer Rissbildung, und der zwischen Beispielen und Vergleichsbeispielen vorhandene Unterschied bei der Festigkeitsänderung hat sich klar bestätigt. Ein niedriges Festigkeitsminderungsverhältnis heißt, dass es wenige Risse im Innern gibt, was bedeutet, dass die Änderung des elektrischen Widerstandes gering ist. Deshalb ist das Festigkeitsminderungsverhältnis ein absolutes Kriterium für eine Einteilung in hochfeste bleifreie Lotzusammensetzungen und bleifreie Lote generell.
Es hat sich bestätigt, dass die Festigkeitsminderungsverhältnisse der Legierungen der Beispiele im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen bemerkenswert niedrig sind. Von daher wurde gefolgert, dass die Zusammensetzung der Beispiele den Merkmalen der hochfesten bleifreien Lotzusammensetzung entspricht.
Wie in Tabelle 3 gezeigt, hat sich bestätigt, dass das Lot, das aus Zinn-Silber-Antimon-Indium hergestellt ist, in den Beispielen ein besseres Spreitverhalten und eine bessere Zuverlässigkeit bei der Prüfung auf thermische Ermüdung (bei thermischem Schock oder Temperaturwechselbeanspruchung) als das dem Vergleichsbeispiel entsprechende Lot aufweist und dass eine ausreichende Haftfestigkeit sichergestellt ist.
Obgleich diese Offenbarung in Zusammenhang damit beschrieben wurde, was derzeit als praxisnahe Ausführungsbeispiele angesehen wird, versteht sich, dass sie nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern es im Gegenteil beabsichtigt ist, verschiedene Abwandlungen und äquivalente Ausgestaltungen abzudecken, die unter den Erfindungsgedanken und in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Bleifreie Lotzusammensetzung, umfassend, bezogen auf 100 % des Gesamtgewichts der bleifreien Lotzusammensetzung, 0,3 bis 3,0 Gew.-% Silber (Ag), 0,5 bis 3,0 Gew.-% Antimon (Sb), 0,3 bis 3,0 Gew.-% Indium (In) und als restlichen Anteil Zinn (Sn).
Bleifreie Lotzusammensetzung nach Anspruch 1, überdies umfassend: mindestens eines der Elemente Scandium (Sc), Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Cobalt (Co).
Bleifreie Lotzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei zusätzlich Scandium (Sc) mit 0,001 bis 0,5 Gew.-% umfasst ist.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach Anspruch 2 oder 3, wobei zusätzlich Nickel (Ni) mit 0,001 bis 0,05 Gew.-% umfasst ist.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei zusätzlich Chrom (Cr) mit 0,001 bis 0,05 Gew.-% umfasst ist.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, wobei zusätzlich Cobalt (Co) mit 0,001 bis 0,05 Gew.-% umfasst ist.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Silber (Ag) 0,5 bis 2,0 Gew.-%, bevorzugt 1,0 bis 1,5 Gew.-% ausmacht.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Antimon (Sb) 0,7 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 1,5 bis 2,0 Gew.-% ausmacht.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Indium (In) 0,4 bis 1,5 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 1,0 Gew.-% ausmacht.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bleifreie Lotzusammensetzung eine Zugfestigkeit von 55 MPa oder mehr, bewertet nach der Norm ASTM A370, aufweist.
Bleifreie Lotzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach einem Löten der bleifreien Lotzusammensetzung das Dickenzunahmeverhältnis einer intermetallischen Verbindungsschicht nach 2000 Zykluswiederholungen bei einer Prüfung auf thermische Ermüdung 40 % oder kleiner ist, wobei ein Zyklus 125 °C/30 min bis -40 °C/30 min umfasst.
Bleifreie Lotlegierung, hergestellt mit der bleifreien Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Elektronisches Bauteil, das die bleifreie Lotlegierung nach Anspruch 12 aufweist.
Fahrzeug, das die bleifreie Lotlegierung nach Anspruch 12 aufweist.