DE112010000752T5

DE112010000752T5 - Bleifreie Lotlegierung, ermüdungsbeständige Lötmaterialien, die die Lotlegierung enthalten, und kombinierte Produkte, die die Lötmaterialien verwenden

Info

Publication number: DE112010000752T5
Application number: DE201011000752
Authority: DE
Inventors: Ken-ichiro Sugimori; Atsushi Irisawa; Satoshi Kawakubo; Seiji Yamada
Original assignee: Koki Co Ltd; Nippon Filler Metals Ltd
Current assignee: Koki Co Ltd; Nippon Filler Metals Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN102006967B; WO2010087241A1; US20110274937A1; JP2010172902A; JP4554713B2; TW201039961A; CN102006967A; TWI511828B

Abstract

[ZU LÖSENDE PROBLEME] Bereitstellen einer silberarmen, bleifreien Lotlegierung, die eine ausgezeichnete Benetzbarkeit und Wärmeermüdungsbeständigkeit aufweist, und eines Lotpasten-Lötmaterials und Lötmaterials mit Kern aus Harzflussmittel, das eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit besitzt, und eines kombinierten Produktes unter Verwendung des Lötmaterials. [MITTEL ZUR LÖSUNG] 0,1 bis 1,5 Gewichts-% Cu, 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% Co, 0,05 bis 0,25 Gewichts-% Ag, 0,001 bis 0,008 Gewichts-% Ge, wobei der Rest Sn ist. Diese silberarme, bleifreie Lotlegierung wird mit einem pastösen Flussmittel gemischt oder in einer Schalungsform unter Verwendung eines festen oder pastösen Flussmittels als Kern geformt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bleifreie Lotlegierung, ein Lötmaterial, das die Lotlegierung enthält, welche eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit besitzt, und ein durch Löten kombiniertes Produkt, das zum Verbinden von Metallen oder dergleichen von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine silberarme, bleifreie Lotlegierung, die zum Aufschmelzlöten (Reflow-Löten), Schwalllöten, Handlöten oder dergleichen verwendet wird, ein Lotpasten-Lötmaterial und Lötmaterial mit Harzflussmittel als Kern, das die bleifreie Lotlegierung enthält und eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit besitzt, und ein kombiniertes Produkt, welches das Lötmaterial verwendet.
STAND DER TECHNIK
Üblicherweise sind als Lotlegierungen, die zum Verbinden von Metallen von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, gewöhnlich verwendete bleihaltige Lotlegierungen verwendet worden, zum Beispiel solche, die 63 Gewichts-% Sn und 37 Gewichts-% Pb enthalten.
Bezüglich des bleihaltigen Lotes ist darauf hingewiesen worden, dass, wenn Blei, welches aus Abfällen, wie zum Beispiel gelöteten Schaltplatinen, eluiert, in das Grundwasser eindringt, solches Wasser durch Trinken schwerwiegende Gesundheitsstörungen im Nervensystem verursacht. Unter diesem Gesichtspunkt sind viele bleifreie Lotlegierungen ohne Blei untersucht worden.
Als bleifreie Lotlegierungen ohne Blei sind Legierungen auf der Basis von SnCu, Legierungen auf der Basis von SnAgCu, SnBi-basierte Legierungen, SnZn-basierte Legierungen, Legierungen von SnAgCu-basierten Legierungen, denen Bi, In usw. zugesetzt wurde, und dergleichen untersucht worden.
Davon hat die SnCu-basierte Lotlegierung einen höheren Schmelzpunkt von 227°C als die anderen bleifreien Lotlegierungen, selbst wenn sie eine eutektische Legierung von Sn0,7Cu ist. Die SnCu-basierte Lotlegierung ist nicht so brüchig wie SnBi-basierte Legierungen und ist bei der Erosionsbeständigkeit nicht schlechter als die SnZn-basierten Legierungen. Da Materialien in Bezug auf Benetzbarkeit und niedrige Kosten recht gut sind, ist daher die SnCu-basierte Lotlegierung praktisch neben den SnAgCu-basierten Legierungen entwickelt worden, welche bei der Ausgewogenheit zwischen Benetzbarkeit und Festigkeit hervorragend sind.
Wenn jedoch die eutektische Sn0,7Cu-Legierung unter Berücksichtigung der Wärmebeständigkeit der Teile zum Löten verwendet wird, muss die Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt und der Verarbeitungstemperatur gering werden. Dementsprechend können leicht Probleme verursacht werden, die mit dem Löten in Verbindung stehen, d. h. die eutektische Sn0,7Cu-Legierung ist bei der Benetzbarkeit unterlegen und ist bei der Ermüdungsbeständigkeit schlechter als das SnAgCu-Lot, wie zum Beispiel Sn3Ag0,5Cu, was ein Hindernis bei der praktischen Entwicklung von SnCu-basierten Legierungen ist.
Um die Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit der SnCu-basierten Legierungen zu verbessern, gibt es vorgeschlagene Legierungen, bei denen eine kleine Menge von Ag, Bi, Ni, Si, Co usw. der eutektischen Sn0,7Cu-Legierung hinzugefügt wird.
Obwohl die Benetzbarkeit durch Zusetzen einer kleinen Menge Ag verbessert werden kann, ergibt zum Erhöhen der Ermüdungsbeständigkeit ein kleiner Zusatz nur einen geringeren Effekt, und es ist erforderlich, Ag in einer Konzentration von nahezu 1 Gewichts-% zuzufügen, wie im Fall der SnAgCu-basierten Legierung. Ni, Co und dergleichen können ein Lot durch Ausfällen von feinkörnigen intermetallischen Verbindungen nur im Lot oder in der Kristallkorngrenze festigen. Der Mechanismus, durch den ein Lot durch Ag gefestigt wird, ist unterschiedlich, und das Lot wird durch Bilden eines dreidimensionalen Netzwerks gefestigt, bei dem nadelartige intermetallische Verbindungen, wie zum Beispiel Ag3Sn, in Sn angeordnet sind. Wenn dementsprechend eine Menge von Ag etwa 1 Gewichts-% erreicht, kann das Netzwerk nicht gebildet werden und daher kann das Lot nicht gefestigt werden.
Obwohl durch den Zusatz von Bi die Benetzbarkeit verbessert wird und die Kriecheigenschaften ebenfalls verbessert werden, verringert sich die Zähigkeit wegen der Reduzierung der Dehnung und verringert sich dadurch die Ermüdungsbeständigkeit.
Obwohl durch das Zusetzen von Ni die Ermüdungsbeständigkeit verbessert werden kann, ist diese nicht ausreichend, und außerdem wird die Benetzbarkeit verkleinert.
Obwohl durch das Zusetzen von Si zu erkennen ist, dass die Ermüdungsbeständigkeit leicht verbessert wird, ist das vollständig unzureichend, und verringert sich die Benetzbarkeit.
Ferner ist kürzlich ein Patent (vgl. Patentdokument 1) veröffentlicht worden, bei dem die beigemengten Elemente dieselben wie die im vorliegenden Patent sind, obwohl sie für den Fall einer SnAgCu-basierten Legierung gelten. Gemäß dem Patent erhält man sowohl eine Cu-Erosionsbeständigkeit wie auch antioxidative Eigenschaften durch Zusetzen von kleinen Mengen von Co und Ge. Diese Legierung besitzt eine ausgezeichnete Benetzbarkeit und eine relativ gute Ermüdungsbeständigkeit, weil Ag mit 1,0 bis 5,0 Gewichts-% enthalten ist, hat aber dadurch Nachteile, dass sie teures Ag in hoher Konzentration enthält. Es ist daher sehr wünschenswert, ein Lot mit geringem Ag-Gehalt zu erhalten, das Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit auf demselben Niveau wie SnAgCu-basierte Legierungen aufweist.
[Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 3761182
Ferner ist ein Patent (vgl. Patentdokument 2) veröffentlicht worden, bei dem 0,1 bis 1,5 Gewichts-% Cu, 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% Co, 0,05 bis 0,5 Gewichts-% Ag, 0,01 bis 0,1 Gewichts-% Sb und ferner 0,001 bis 0,008 Gewichts-% Ge zugesetzt werden.
Die Erfindung des vorher genannten Patentdokumentes 2 besteht darin, dem SnCuCoAg vorher Sb zuzusetzen und ferner Ge zuzusetzen. Gemäß dem Patent wird Ge zugesetzt, um die Oxidation zu hemmen, und Sb wird zugesetzt, um die Erzeugung von schlackeartigen Substanzen im erwähnten Formulierungsbereich zu hemmen. Die Schlacke wird erzeugt, wenn ein Lot in einem Strömungsschritt als Strahlstrom auftritt, und dies ist nicht erforderlich, wenn der Strahlstrom in einem Strömungsschritt im Fall einer Lotpaste und eines Harzflussmittel-Lotes nicht benötigt wird. Außerdem ist umgekehrt ein erstaunlicher Fakt festgestellt worden, dass der Zusatz von Sb negative Auswirkungen auf die Löteigenschaften und die Ermüdungsbeständigkeit hat. Da außerdem die Erfindung des vorher genannten Patentdokumentes 2 aus mehreren Elementen von 6 Elementen zusammengesetzt ist, ergibt sich das Problem, dass die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Lötmaterialien nicht einfach ist.
[Patentdokument 2] Japanisches Patent Nr. 4076182
Daher ist die Studie zur Förderung der praktischen Anwendung durch Zusetzen einer kleinen Menge von Elementen zur herkömmlichen SnCu-basierten Lotlegierung, um dadurch die langzeitliche Zuverlässigkeit zu verbessern, die durch Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit repräsentiert wird, noch vollständig unzureichend.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
Die Erfindung, die in Anspruch 1 beansprucht wird, ist aus einer solchen Sicht erarbeitet worden, und es ist ein Ziel der Erfindung, eine silberarme, bleifreie Lotlegierung bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Benetzbarkeit, langzeitliche Zuverlässigkeit besitzt, die durch die Ermüdungsbeständigkeit repräsentiert wird, und die Nachteile der SnCu-basierten Lotlegierung kompensiert.
Außerdem sollen die Erfindungen, die in den Ansprüchen 2 und 3 beansprucht werden, ein Lotpastenmaterial und ein Harzflussmittel-Lotmaterial bereitstellen, das eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit besitzt.
Ferner sollen die Erfindungen, die in den Ansprüchen 4 und 5 beansprucht werden, kombinierte Lotprodukte bereitstellen, die eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit besitzen und unter Verwendung des Lotpastenmaterials und des Harzflussmittel-Lötmaterials hergestellt werden.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Im Ergebnis der intensiven Untersuchungen der aktuellen Erfinder, um die vorgenannten Ziele zu erreichen, ist festgestellt worden, dass bei der Verwendung eines Lotes, das 0,1 bis 1,5 Gewichts-% Cu, 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% Co, 0,05 bis 0,25 Gewichts-% Ag, 0,001 bis 0,008 Gewichts-% Ge und als Rest Sn enthält, dies eine silberarme, bleifreie Lotlegierung ist, die eine langzeitliche Zuverlässigkeit aufweist, repräsentiert durch ausgezeichnete Benetzbarkeit und ausgezeichnete Wärmezyklusbeständigkeit, was ein Hindernis bei der praktischen Entwicklung der vorgenannten SnCu-basierten Lotlegierung ist, und das Lotpastenmaterial oder die Harzflussmittel-Lotmaterial bemerkenswert große Ermüdungsbeständigkeit erzeugen, das in solch einer herkömmlichen Legierung niemals zu finden ist, und daher ist die vorliegende Erfindung gemacht worden.
Das heißt, unter den vorliegenden Erfindungen umfasst die bleifreie Lotlegierung, die in Anspruch 1 beansprucht wird, 0,1 bis 1,5 Gewichts-% Cu, 0,05 bis 0,25 Gewichts-% Ag, 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% Co, 0,001 bis 0,008 Gewichts-% Ge, wobei der Rest Sn ist.
Ferner ist das ermüdungsbeständige Lotpastenmaterial, das in Anspruch 2 beansprucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die bleifreie Lotlegierung gemäß Anspruch 1 pulverförmig ist, und dann werden das Pulver und ein flüssiges oder teigartiges Flussmittel vermischt.
Außerdem ist das ermüdungsbeständige Harzflussmittel-Lötmaterial, das in Anspruch 3 beansprucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotlegierung gemäß Anspruch 1 in einer Schalungsform durch Verwendung eines festen oder teigartigen Flussmittels als Kern geformt wird.
Außerdem ist das ermüdungsbeständige kombinierte Produkt, das nach Anspruch 4 beansprucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das ermüdungsbeständige Lotpastenmaterial gemäß Anspruch 2 verwendet wird, damit ein Befestigungsmaterial und ein Material, das befestigt werden soll, verbunden werden.
Außerdem ist das ermüdungsbeständige kombinierte Produkt, das nach Anspruch 5 beansprucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das ermüdungsbeständige Harzflussmittel-Lotmaterial gemäß Anspruch 3 verwendet wird, um ein Befestigungsmaterial und ein Material, das befestigt werden soll, zu verbinden.
Wie oben erwähnt, wird die Ermüdungsbeständigkeit des Lotes durch das Zusetzen von Co in einer Konzentration von 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% zu einer Sn-basierten bleifreien Lotlegierung verbessert, zum Beispiel durch Bilden einer gleichförmigen Schicht von intermetallischen Verbindungen von Sn-Cu, Sn-Co, Sn-Cu-Co, die schwierig aufzubauen sind durch die Wärmebelastung, in der Grenzfläche von Cu eines Schaltungssubstrats und eines Lotes und durch Erzeugen und Verteilen der sehr starken und feinkörnigen intermetallischen Verbindungen im Lot. Außerdem kann die Zugabe von Co die Benetzbarkeit des Lotes auf Grund der Verringerung einer Oberflächenspannung des Lotes verbessern.
Wenn jedoch ein Gehalt von Co groß wird, können die intermetallischen Verbindungen von Sn-Cu, Sn-Co, Sn-Cu-Co leicht im geschmolzenen Lot ausfallen, um Schlacke zu bilden, und wenn der Gehalt von Co so weit reduziert wird, dass die Schlacke nur schwer gebildet kann kann, werden das Kriecheigenschaften und die Ermüdungsbeständigkeit unzureichend.
Das Zusetzen von Ag verbessert die Benetzbarkeit, um so eine Lötstörung zu verhindern und auch zur Ermüdungsbeständigkeit beizutragen.
Für diese SnCu-basierte Lotlegierung, die kleine Konzentrationen von Co und Ag enthält, ist das charakteristischste Merkmal der vorliegenden Erfindung das zusätzliche Zusetzen einer kleinen Menge von Ge. Wenn Co und Ge zusammen vorliegen, ist die Dehnung des Lotes extrem hoch, um so der Verformung wegen der Wärmespannungsbelastung zu widerstehen, und daher kann die Ermüdungsbeständigkeit verbessert werden. Dieser Effekt wird nicht erzeugt, nicht nur, wenn Co oder Ge allein zum SnCu-basierten Lot zugesetzt wird und wenn ein anderes Element, wie zum Beispiel Bi, Ni oder In zugesetzt wird, sondern der Effekt wird auch nicht produziert, wenn Co und Ge in dem SnAgCu-basierten Lot, das eine hohe Konzentration von Ag enthält, beide vorhanden sind.
Die Erfindung gemäß Patent Nr. 3761182 ist eine, bei der Ag gegenüber der vorliegenden Erfindung 4-fach oder mehr zugesetzt wird. Der Grund, warum die Ermüdungsbeständigkeit trotz einer hohen Konzentration von Ag der vorliegenden Erfindung unterlegen ist, ist die vermutlich schlechte Kompatibilität von Co und Ag. Wenn man Co dem SnCu-basierten oder dem Ag-armen Lot zusetzt, wird die Nulldurchgangszeit, die ein Index der Benetzbarkeit ist, kürzer; wenn man jedoch Co zum SnAgCu-basierten Lot zusetzt, das eine hohe Konzentration von Ag enthält, wird die Nulldurchgangszeit umgekehrt länger. Außerdem zeigt die Dehnung gemäß dem Zugtest dasselbe Verhalten, und wenn man Co zu Lot auf SnCu-Basis oder silberarmem Lot zusetzt, wird die Dehnung groß, wenn man aber Co dem SnAgCu-basierten Lot zusetzt, das eine große Ag-Menge enthält, wird die Dehnung umgekehrt klein. Wie oben beschrieben, wird, wenn die Menge an Ag groß ist, der Effekt des Zusetzens von Ag und Co durch das Zusetzen von Co ausgeglichen, und daher kann man eine ausreichende Verbesserung von Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit nicht erwarten, selbst wenn Co oder Ge dem SnAgCu-basierten Lot zugesetzt wird, das eine große Menge Ag enthält.
Die Erfindung gemäß Patent Nr. 4076182 ist ein Patent, bei dem ferner eine kleine Menge Sb der vorliegenden Erfindung zugesetzt wird. Es wurde neuerdings festgestellt, dass, wie vorher erwähnt, da damit die Bildung von Schlacke verhindert werden soll, wenn ein geschmolzenes Lot als Strahlstrom auftritt, dies nicht nur unnötig für Anwendungen ist, wie zum Beispiel Lotpaste und Harzflussmittel-Lot, bei denen der Strahlstrom während des Lötschrittes nicht angewendet wird, sondern dies auch negative Auswirkungen auf die Verbesserung der Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit hat.
Der Grund, warum Sb die Schlackebildung im Strahlstrom unterdrückt, ist, dass es die Bildung und Aggregation der intermetallischen Verbindung verhindert, die den Kern der Schlacke im geschmolzenen Lot bildet. Wenn also feinkörnige intermetallische Verbindungen im Strahlstromlot erzeugt werden, existieren sie stabil. Im Ergebnis dessen wurde festgestellt, dass bei der Ausführung des Lötens die intermetallische Verbindung in dem Substrat, das gelötet werden soll, am Cu haftet oder am Eisen einer Spitze des Lötkolbens, um so die Bildung der Grenzflächenschicht zu verhindern. Deswegen ist festgestellt worden, dass das Zusetzen von Sb die Cu-Erosion und Fe-Erosion beschleunigt und die Festigung der Grenzfläche durch Ausfällen der intermetallischen Verbindung an der Grenzfläche zum Cu hemmt, um eine gleichförmige Schicht zu bilden, die eine der Bedingungen für die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit ist.
Da außerdem Sb keine Wirkung bei der Verbesserung der Benetzbarkeit durch Senken einer Oberflächenspannung des Lotes hat, wie zum Beispiel Bi und Co, umgekehrt aber die Benetzbarkeit sogar etwas verringert, wurde als wünschenswert festgestellt, Sb nicht einer Lotpaste und einem Harzflussmittel-Lot zuzusetzen, welches während des Lötens keinem Strahlstrom ausgesetzt ist.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Wie oben erwähnt, kann eine silberarme Lotlegierung, die ausgezeichnete Benetzbarkeit und Wärmezyklusbeständigkeit aufweist, durch gleichzeitiges Zusetzen von Co und Ge zu der vorgegebenen formulierten SnCuAg-basierten Legierung hergestellt werden. Die silberarme Lotlegierung wird wegen der Schlackebildung als ungünstig angesehen, wenn sie in Form eines Strahlstroms fließt, ergibt aber unerwartete Effekte, durch die ein kombiniertes Produkt, das bemerkenswert verbesserte Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweist, erhalten werden kann, wenn es in Form eines Lotpastenmaterials oder Harzflussmittel-Lötmaterials hergestellt wird.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden erläutert.
Der Gehalt an Cu gemäß der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich von 0,1 bis 1,5 Gewichts-%. Wenn der Cu-Gehalt kleiner als 0,1 Gewichts-% ist, sind die Erosionsbeständigkeit und die Benetzbarkeit schlechter, und wenn der Cu-Gehalt mehr als 1,5 Gewichts-% beträgt, liegt der Schmelzpunkt hoch und es tritt daher ein Lötdefekt auf, wie zum Beispiel nadelartige Vorsprünge bei der Lötarbeit.
Wenn sie Co in einer Konzentration von 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% enthalten ist, bildet sich eine Schicht der intermetallischen Verbindungen von Sn-Cu, Sn-Co, Sn-Cu-Co, die sich in der Lötgrenzfläche bilden soll, parallel zur Lotoberfläche und relativ dick. Da diese Schicht durch Wärmebelastung oder die Last von thermischen Änderungen schwierig aufzubauen ist und sie sich im Lot verteilt und ausfällt und das Lot stark macht, kann die Langzeitzuverlässigkeit, die durch die Ermüdungsbeständigkeit repräsentiert wird, verbessert werden.
Wenn der Gehalt an Co kleiner als 0,01 Gewichts-% ist, ist es unzureichend, die Grenzfläche stark zu machen, da die Dicke der intermetallischen Verbindungen, die an der Grenzfläche gebildet werden, gering ist, und wenn der Gehalt an Co 0,05 Gewichts-% oder mehr beträgt, wird umgekehrt die Dicke der intermetallischen Schicht zu groß und die Härte des Lotes wird zu hoch, was zur Verringerung der Zähigkeit führt, und daher wird die Ermüdungsbeständigkeit nicht verbessert. Wenn außerdem Ag, Cu, Ge gleichzeitig vorhanden sind, kann sich Schlacke leicht bilden, was zum Auftreten von Lötdefekten führt, einschließlich von nadelartigen Vorsprüngen und Ausfall der Verbindung.
Das Zusetzen von Ag verbessert die Benetzbarkeit und trägt auch zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit bei. Diese Effekte zeigen sich nicht, wenn der Gehalt an Ag kleiner als 0,05 Gewichts-% ist, und wenn der Gehalt an Ag größer als 0,25 Gewichts-% ist und Co und Ge gleichzeitig vorhanden sind, bildet sich wahrscheinlich Schlacke im Lot, was zum Auftreten von Lötdefekten führt, einschließlich nadelartiger Vorsprünge und Ausfall der Verbindung.
Das Zusetzen von Ge hemmt nicht nur die Bildung von Oxiden, sondern ist auch für die Verbesserung der Langzeitzuverlässigkeit wirksam, die durch Benetzbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit repräsentiert wird. Wenn außerdem dieses Ge zusammen mit Co in der Lotlegierung vorhanden ist, wird die Dehnung extrem groß, und daher wird die Ermüdungsbeständigkeit weiter verbessert. Diese bemerkenswert große Dehnung kann nicht durch das alleinige Zusetzen von Co oder Ge erhalten werden, und dieses Phänomen kann nicht durch Zusetzen anderer Metalle beobachtet werden und kann auch nicht in dem Fall festgestellt werden, wenn Co und Ge der SnAgCu-basierten Legierung zugesetzt werden, die eine hohe Konzentration von Ag aufweist. Die Wirkung des Zusetzens von Co zur Lotlegierung kann nicht bei einer Konzentration von weniger als 0,001 Gewichts-% erzeugt werden. Wenn die zugesetzte Menge mehr als 0,008 Gewichts-% in dem Fall beträgt, wo Cu, Ag, Co gleichzeitig vorhanden sind, fallen die intermetallischen Verbindungen in Form von Schlacke bei einer Löttemperatur in der Nähe des Schmelzpunktes aus, wodurch das Löten verhindert wird.
Aus der bleifreien Lotlegierung, die auf die vorgenannten Weisen erzeugt wurde, kann das ermüdungsbeständige Lotpastenmaterial und das Harzflussmittel-Lotmaterial der vorliegenden Erfindung gemäß bekannten Verfahren hergestellt werden. Das heißt, das Lotpastenmaterial, das oben beschrieben wird, kann durch Pulverisieren der vorgenannten bleifreien Lotlegierung und durch Mischen des Pulvers mit einem bekannten flüssigen oder pastösen Flussmittel hergestellt werden, das für ein Objekt wie dieses verwendet wird. Das Harzflussmittel-Lotmaterial kann durch Formen der vorgenannten Lotlegierung in einer Schalungsform unter Verwendung eines festen oder teigartigen Flussmittels als Kern nach dem bekannten Verfahren hergestellt werden.
Ein Befestigungsmaterial und ein Material, das befestigt werden soll, sind vorzugsweise ein Befestigungsmaterial und ein Material, das befestigt werden soll, welche zur metallischen Verbindung von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen verwendet werden.
Beispiele
Lote von 5 kg für Beispiele (Nr. 1 bis Nr. 2) und Vergleichsbeispiele (Nr. 1 bis Nr. 4), die Zusammensetzungen der TABELLE 1 haben, welche unten erwähnt wird, wurden durch Schmelzen der angegebenen Metalle bei 450°C, ausreichendes Rühren und dann Absenken der Temperatur der geschmolzenen Flüssigkeit auf 350°C hergestellt, um dann in eine Gießform von 50°C gegossen zu werden. Zu dieser Zeit wird unter Berücksichtigung der Tatsache, dass nur Ge leicht zu oxidieren ist, schließlich Ge zur Zeit der Temperaturabsenkung der geschmolzenen Flüssigkeit auf 350°C zugesetzt, und das sich ergebende Produkt wurde ausreichend gerührt. Ferner wurde Lotpulver von 2 kg, das eine Teilchengröße von 20 μm bis 38 μm hat, unter Verwendung des Lotes, das in denselben Schritten hergestellt wurde, als Rohmaterial hergestellt. Außerdem wurde dieses Lotpulver mit einem pastösen Flussmittel vom Typ RMA gemischt, um eine Lotpaste herzustellen.
Man beachte, dass Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co0,005Ge (BEISPIEL) eine Lotlegierung von 0,1 Gewichts-% Ag, 0,7 Gewichts-% Cu, 0,03 Gewichts-% Co, 0,005 Gewichts-% Ge bedeutet, wobei der Rest Sn ist.
Mit Bezug auf die so erhaltenen Lote wurden Nulldurchgangszeit (s), Festigkeit (N/mm²) und Dehnung (%) gemessen. Ferner wurde mit Bezug auf die Substrate, die mit den hergestellten Lotpasten gelötet wurden, ein Test der thermischen Ermüdung durchgeführt, und dann wurde die Verbindungsfestigkeit des Chipwiderstandes nach dem Testen bestimmt. Die Testverfahren waren folgende.
Eine Nulldurchgangszeit wurde unter Verwendung einer Kupferplatte von 5 × 50 × 0,3 mm mit einer Apparatur zum Testen der Benetzbarkeit unter den Bedingungen der Eintauchtiefe von 2 mm, Eintauchgeschwindigkeit von 2,5 mm/s und Eintauchdauer von 10 s gemessen. Man beachte, dass die Testtemperatur auf eine Liquidustemperatur von +35°C eingestellt war, und dass ein Flussmittel vom RMA-Typ verwendet wurde.
[Zugfestigkeit (N/mm²), Dehnung (%)]
Zwei Ingots wurden durch Gießen unter Verwendung eines Lotes von 1,5 kg bei einer Temperatur der geschmolzenen Flüssigkeit von 350°C und einer Kokillentemperatur von 50°C hergestellt. Aus diesen Ingots wurden zwei Prüflinge von JIS 4 durch mechanische Verarbeitung hergestellt. Für die Prüflinge wurde eine Zugprüfung unter den Bedingungen einer Dehnungsgeschwindigkeit von 30%/min bei Raumtemperatur durchgeführt.
[Verbindungsfestigkeit des Chipwiderstandes]
Ein Chipwiderstand (2012) wurde auf ein Testsubstrat unter Verwendung einer Lotpaste, die aus einem vorgegebenen Lotlegierungspulver und einem Flussmittel hergestellt wurde, reflow-gelötet. Zu dieser Zeit wurde die Temperatur des Reflow-Peaks auf einen Schmelzpunkt (Liquidustemperatur) der Lotlegierung von +20°C eingestellt. Um die Eigenschaft thermische Ermüdung des hergestellten Substrats zu messen, erfolgte eine thermische Änderung von –40°C auf +125°C. Das Substrat wurde 30 Minuten auf jeder Temperatur gehalten, der Test wurde mit 1500 Zyklen durchgeführt. Auf den Chipwiderstand auf dem Substrat wurde nach dem Testen eine Last aus einer seitlichen Richtung ausgeübt, und die Kraft, bei der das Teil vom Substrat abgeschält wurde, wurde gemessen.

Ferner wurde das Teil zusammen mit dem Substrat in ein Harz eingebettet; die Querschnittsansicht des Verbindungsteils des Lotes nach dem Abreiben wurde untersucht, um so das Vorhandensein von Rissen zu prüfen. [TABELLE 1]

Zu testendes Lot	Sn	Ag	Cu	Co	Sb	Ge
BEISPIEL 1	Rest	0,1	0,7	0,03		0,005
BEISPIEL 2	Rest	0,2	0,8	0,04		0,003

VERGLEICHSBEISPIEL 1	Rest	0,3	0,7
VERGLEICHSBEISPIEL 2	Rest	3,0	0,5	0,02		0,010
VERGLEICHSBEISPIEL 3	Rest	0,1	0,7			0,010
VERGLEICHSBEISPIEL 4	Rest	0,3	0,7	0,03	0,03	0,007

Die Zahlen in TABELLE 1 sind Gewichts-%. [TABELLE 2]

Zu testendes Lot	Nulldurchgangszeit (s)	Zugprüfung		Ermüdungs beständigkeits prüfung
		Zugfestigkeit (N/mm²)	Dehnung (%)	Verbindungsfestigkeit von Chipwiderstand (N)		Riss im Querschnitt
		Zugfestigkeit (N/mm²)	Dehnung (%)	Anfangswert	1500 Zyklen	15000 Zyklen
Beispiel 1	0,74	33,8	75,4	55,8	30,9	keiner
Beispiel 2	0,72	34,3	73,8	54,6	30,0	keiner

Vergleichsbeispiel 1	1,04	33,5	35,4	40,2	16,0	gefunden groß
Vergleichsbeispiel 2	0,68	46,7	32,5	56,0	31,2	gefunden klein
Vergleichsbeispiel 3	0,78	33,7	52,5	45,3	22,3	gefunden mittel
Vergleichsbeispiel 4	0,77	33,9	64,3	52,0	28,0	gefunden klein

Wie aus den vorgenannten Ergebnissen ersichtlich ist, betragen die Nulldurchgangszeiten der Lotlegierung von Beispiel 1 und 2 0,72 bis 0,74 s, bei den Vergleichsbeispielen ergibt Vergleichsbeispiel 2 jedoch 0,68 s. Die Vergleichsbeispiele 1, 3 und 4 ergeben 0,77 bis 1,04 s. Die Dehnung von Beispiel 1 und 2 im Zugtest beträgt 73,8 bis 75,4%, die Vergleichsbeispiele 1 bis 4 ergeben jedoch 32,5 bis 64,3%. Zum Beispiel zeigt 1 die Ansichtsfotos von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 nach der Zugprüfung. Ferner betragen die Verbindungsfestigkeiten des Chipwiderstandes von Beispiel 1 und 2 nach dem Testen von 1500 Zyklen 30,0 bis 30,9 N, bei den Vergleichsbeispielen ergibt Vergleichsbeispiel 2 jedoch 31,2 N, die Vergleichsbeispiele 1, 3 und 4 ergeben 16,0 bis 28,0 N. Die Risse des Lots nach dem Testen von 1500 Zyklen traten in Beispiel 1 bis 2 nicht auf, jedoch wurden Risse in jedem der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 festgestellt. Zum Beispiel zeigt 2 die Querschnittsansicht von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 nach dem Test von 1500 Zyklen. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch gleichzeitiges Zusetzen von Co und Ge zu einer silberarmen SnAgCu-Lotlegierung die Benetzbarkeit verbessert wird und die Dehnung extrem groß wird. Im Ergebnis dessen hat die sich ergebende Legierung ausgezeichnete Wärmezykluseigenschaften, die einem SnAgCu mit hohem Ag-Gehalt überlegen ist, und es treten keine Risse im Lot auf, selbst nach dem Testen mit 1500 Zyklen von Temperaturänderungen, was eine ausgezeichnete Verbindungszuverlässigkeit ergibt.
Das Lot von Vergleichsbeispiel 2, das sich aus denselben Elementen zusammensetzt wie denen der vorliegenden Erfindung, zeigt im Vergleich zu den anderen Vergleichsbeispielen eine kurze Nulldurchgangszeit und große Chipfestigkeit bei 1500 Zyklen. Die Dehnung beträgt jedoch nur 32,5, was zu einer niedrigen Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit führt. Da außerdem der Ag-Gehalt hoch ist, sind die Ziele der vorliegenden Erfindung nicht erreicht worden, und ferner sind die Ziele der vorliegenden Erfindung niemals erreicht worden, da die kleinen Risse im Verbindungsteil bei 1500 Zyklen beobachtet wurden.
Das Lot von Vergleichsbeispiel 4, das durch Zusetzen von Sb zum Lot der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, hat eine kurze Nulldurchgangszeit im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 3. Ferner ist die Chipverbindungsfestigkeit bei 1500 Zyklen und Dehnung etwas schlechter als die von Beispiel 1 und 2. Da außerdem im Vergleich zu Beispiel 1 und 2 die kleinen Risse im Verbindungsteil bei 1500 Zyklen festgestellt wurden, sind die Ziele der vorliegenden Erfindung niemals erreicht worden.
1 zeigt den Prüfling von JIS 4 vor dem Testen und die Prüflinge von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 nach dem Testen. Der Prüfling nach dem Testen von Beispiel 1 zeigt eine größere Dehnung im Zugtest als der Prüfling nach dem Testen von Vergleichsbeispiel 2. Außerdem ist die Unebenheit der Oberfläche gering, was zeigt, dass die kristalline Struktur des Lotes gut ist.
2 zeigt die Querschnittsansicht des Chipwiderstandes von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 vor dem Testen und nach der Ermüdungsbeständigkeitsprüfung von 1500 Zyklen. Risse treten im Lot von Vergleichsbeispiel 2 auf, in Beispiel 1 tritt jedoch kein Riss auf.
Es ist bestätigt worden, dass die Harzflussmittel-Lotmaterialien, die unter Verwendung der bleifreien Lotlegierung von Beispiel 1 und 2 hergestellt wurden, dieselben Ergebnisse wie die vorgenannten Ergebnisse bei identischer Prüfung aufweisen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt die Ansichtsfotos des Zugtestprüflings vor dem Testen und die Prüflinge von Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 nach der Zugprüfung.
2 zeigt Querschnittsansichten von Chipwiderständen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 vor und nach 1500 Zyklen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3761182 [0012, 0029]
JP 4076182 [0014, 0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS 4 [0046]
JIS 4 [0053]

Claims

Bleifreie Lotlegierung, die 0,1 bis 1,5 Gewichts-% Cu, 0,01 Gewichts-% oder mehr und weniger als 0,05 Gewichts-% Co, 0,05 bis 0,25 Gewichts-% Ag, 0,001 bis 0,008 Gewichts-% Ge umfasst, wobei der Rest Sn ist.
Ermüdungsbeständiges Lotpastenmaterial, wobei die bleifreie Lotlegierung nach Anspruch 1 pulverförmig ist und dann das Pulver und eine Flüssigkeit oder ein pastöses Flussmittel vermischt werden.
Ermüdungsbeständiges Harzflussmittel-Lotmaterial, wobei die Lotlegierung nach Anspruch 1 in einer Schalungsform unter Verwendung eines festen oder pastösen Flussmittels als Kern geformt ist.
Kombiniertes Produkt, wobei das ermüdungsbeständige Lotpastenmaterial nach Anspruch 2 verwendet ist, um dabei ein Befestigungsmaterial und ein Material, das befestigt werden soll, zu verbinden.
Kombiniertes Produkt, wobei das ermüdungsbeständige Harzflussmittel-Lotmaterial nach Anspruch 3 verwendet ist, um dabei ein Befestigungsmaterial und ein Material, das befestigt werden soll, zu verbinden.