DE112020004146T5

DE112020004146T5 - Lötpasten und lötstellen

Info

Publication number: DE112020004146T5
Application number: DE112020004146.8T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Nishimura
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-05-25
Also published as: US20220297243A1; WO2021045131A1; JPWO2021045131A1; CN114340834A

Abstract

Mittels einer Lötpaste, enthaltend eine hauptsächlich aus Sn bestehende bleifreie Lotlegierung in Pulverform sowie Metallpartikel mit einem höheren Schmelzpunkt als dem der betreffenden bleifreien Lötpaste, wobei die genannten Metallpartikel aus einer Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent oder einer Cu-Co-Legierung mit einem Co-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent bestehen, können Lötstellen mit gegenüber herkömmlichen Produkten hervorragender Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit gebildet werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Lötpasten und Lötstellen.
Technischer Hintergrund
Bisher gibt es Fälle, in denen zum Befestigen elektronischer Bauteile wie zum Beispiel Stromwandlungselemente oder dergleichen auf Kupferplatinen ein Verfahren angewendet wird, bei dem Lötpaste oder Lötfolie an den erforderlichen Stellen positioniert und im Reflowofen erhitzt wird. Bei dieser Lötmethode im Reflowverfahren kommt es vor, dass das durch Erhitzen flüssig gewordene Lot infolge des Eigengewichts der Elektronikbauteile aus dem Zwischenraum zwischen dem zu lötenden Material herausgedrückt wird und im Ergebnis die Verbindungskraft abnimmt. Weiterhin wird beim Verbinden von Elektronikbauteilen mit Leiterplatten mittels Lotkugeln die Höhe der Kugeln ungleichmäßig, so dass die Elektronikbauteile mit einer Neigung mit der Platte verbunden werden. Bei dieser Art der Verbindung gibt es Fälle, in denen es in Bereichen mit niedrigeren Kugeln zu thermischer Spannung kommt, was im Ergebnis langzeitiger Nutzung zu Rissen oder dergleichen in den Kugeln führt. Zusätzlich zu diesen Problemen des Lötens gibt es Fälle, in denen die Lötstellen von elektronischen Bauteilen, wenn sie bei Betrieb unter hohen Betriebstemperaturen erhitzt werden, weich werden (verringerte Härte bzw. Festigkeit im Vergleich zu normalen Temperaturen), so dass sich durch das Eigengewicht der Bauteile oder durch äußere Kräfte wie Schwingungen die Höhe der Lötverbindung ändert und ungleichmäßig wird, was wiederum zur Ursache von mangelhaften Verbindungen wird.
Als Verbesserungsmaßnahme dafür wird zum Beispiel ein Verbundmaterial als Lotlegierung vorgeschlagen, in welchem Metallpartikel dispergiert sind (Patentliteratur 1 - 3).
In Patentliteratur 1 wird offengelegt, dass in plattenförmigem Lot Metallpartikel mit hohem Schmelzpunkt dispergiert sind, wobei die in dem im Hauptbestandteil aus Sn bestehenden bleifreien Schaumlot vorhandenen oben genannten Metallpartikel aus Ni oder Cu sind, einen Schmelzpunkt von +300°C oder mehr über dem der Lotlegierung haben, der Partikeldurchmesser 20 - 300 µm beträgt, die Partikeldurchmesser der betreffenden Metallpartikel mit hohem Schmelzpunkt um nicht mehr als 40% schwanken, in der Umgebung der Metallpartikel mit hohem Schmelzpunkt zwischen dem Hauptbestandteil des Lots und den Metallpartikeln mit hohem Schmelzpunkt eine Legierungsschicht gebildet wird, und dass für die betreffende Legierungsschicht mindestens eine Sorte gewählt wird, und zwar falls die Metallpartikel Ni sind, aus einer aus Ni₃SN, Ni₃Sn₂ und Ni₃Sn₄ bestehenden Gruppe, und falls die Metallpartikel Cu sind, aus einer aus Cu₃Sn und CU₆Sn₅ bestehenden Gruppe. Wenn mit dieser Anordnung Halbleiterelemente und Platine zusammengelötet werden, werden die Halbleiterelemente nicht gegenüber der Platine geneigt befestigt und damit kommt es nicht zu verminderter Verbindungsfestigkeit aufgrund unzureichender Lotmenge. Außerdem bildet sich in der Umgebung der Metallpartikel eine Legierungsschicht mit dem Lot und es wird davon ausgegangen, dass diese die Verbindungsfestigkeit von Metallpartikel und Lot erhöht.
Patentschrift 2 beschreibt eine Lötfolie, in welcher Metallkugeln mit einem höheren Schmelzpunkt als dem die Matrix bildenden Lot dispergiert sind, wobei die oben genannte Metallkugeln einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen 30 und 300 µm haben und die Differenz ihrer Durchmesser einen Standardwert von weniger als 2,0 µm aufweist. Da es mit dieser Anordnung möglich wird, den Abstand zwischen den Elektrodenteilen der Platine und den Anschlüssen der elektronischen Bauteile (Standhöhe) im gewünschten Maß stabil zu halten, die Dicke der die Wärmeleitung behindernden Lotschicht einem Bereich gehalten werden, in dem die Wärmeexpansionsdifferenz des Materials von Platte und elektronischen Bauteilen abgemildert wird, so dass eine geringe Standhöhe möglich wird.
In Patentschrift 3 wird eine Halbleitervorrichtung offengelegt, deren Besonderheit darin besteht, dass die Lotschicht, die die Chipteile und die Verdrahtung befestigt, von einer Harzschicht abgedichtet wird, wobei die genannte Lotschicht aus einem Verbundmaterial besteht, welches sich aus dem Matrixmetall der genannten Lotschicht sowie aus darin dispergiertem Metallpulver zusammensetzt, wobei das Metallpulver einen höheren Schmelzpunkt besitzen als das genannte Matrixmetall. Wenn mit diesem Aufbau Chips als Schaltkreiselemente auf der Platine angebracht werden und diese Halbleitervorrichtung mit den darauf angebrachten, mit Harz abgedichteten Chipteilen auf einer extern verkabelten Platine angebracht werden, ist es möglich, Halbleitervorrichtungen bereitzustellen, bei denen das Austreten von primär aufgebrachtem Lotmaterial und daraus resultierende Kurzschlüsse, Drahtbrüche und Positionsabweichungen der Chipbauteile verhindert werden.
Schriften zum Stand der Technik
Patentschriften

Patentschrift 1: Patent Nr. 5369682 Patentanzeige
Patentschrift 2: Patentoffenlegung 2005-161338 Patentanzeige
Patentschrift 3: Internationale Offenlegung Nr. 2003/021664 Darstellung der Erfindung

Die von der Erfindung zu lösende Aufgabe
In den letzten Jahren erhalten SiC und GaN als Material für Leistungshalbleiter wegen ihrer hervorragenden Schalteigenschaften mehr und mehr Beachtung. Da zum Beispiel Leistungsmodule, die SiC-Halbleiter verwenden, ihre Betriebseigenschaften am besten unter hohen Temperaturen entfalten, wird für Lotlegierungen, mit denen solche Leistungsmodule und dergleichen auf den Platinen befestigt werden, eine höhere Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit als bisher verlangt. Da weiterhin mit der Realisierung der 5. Generation der Kommunikationstechnik große Datenmengen zwischen den Kommunikationsendgeräten fließen, wird auch von den zum Verbinden der gedruckten Leiterplatten mit den Anschlüssen der elektronischen Bauteile in Kommunikationsendgeräten verwendeten Lotlegierungen eine höhere Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit als bisher verlangt.
Die Erfinder haben Untersuchungen zu Lotlegierungen mit hoher Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit vorgenommen und festgestellt, dass es wirksam ist, intermetallische Verbindungen in der Lotlegierung zu erzeugen, damit Lotlegierungen solche Eigenschaften besitzen können. (Offenlegungsschrift 2011-41970 Patentanzeige). Solche Lotlegierungen können bis zu einem gewissen Grad den Marktanforderungen entsprechen, es gibt jedoch Raum für weitere Verbesserung.
In der in Patentschrift 1 genannten Erfindung heißt es, dass die Metallpartikel mit hohem Schmelzpunkt aus Ni oder Cu sind und dass die Legierungsschicht aus den Metallpartikeln undaus dem denHauptbestandteil des Lots bildenden Sn mindestens eine Sorte ist, die aus einer aus Ni₃Sn, Ni₃Sn₂ und Ni₃Sn₄ bestehenden Gruppe oder aber aus einer aus Cu₃Sn und Cu₆Sn₅ bestehenden Gruppe gewählt wird. Für den Fall, dass die Metallpartikel z.B. Ni sind, zeigten die Untersuchungen der Erfinder jedoch, dass es Fälle gibt, in denen die Benetzungsfähigkeit gegenüber einer bleifreien Lotlegierung mit Sn als Hauptbestandteil gering ist und keine ausreichende Legierungsschicht gebildet wird. Sie stellten weiterhin fest, dass, falls die Metallpartikel Cu sind, aufgrund der ungleichmäßigen Interdiffusion an der Grenzfläche zwischen Sn und Cu bei Erhitzung Kirkendall-Löcher entstehen, wodurch der Grad der Wärmeleitfähigkeit und die Verbindungsstärke beeinträchtigt werden.
Für die in Patentschrift 2 beschriebene Erfindung werden Metallkugeln aus einer hauptsächlich aus Ni bestehenden Mischung als am besten geeignet verwendet. Allerdings wird in Patentschrift 2 nur Lötfolie beschrieben, die gebildet wird, indem zwischen zuvor dünn ausgewalzte Lötfolien Metalkugeln eingebracht werden und die Folie weiter ausgewalzt wird. In der so entstandenen Lötfolie existieren keine intermetallischen Verbindungen. Weiterhin wird in Patentschrift 2 zu den hauptsächlich aus Ni bestehenden Metallkugeln lediglich offengelegt, dass diese aus reinen Ni-Stücken gebildet werden. Außerdem gibt es auch hier Fälle, in denen ebenso wie oben genannt die Benetzungsfähigkeit der Metallkugeln aus Ni gegenüber einer bleifreien, hauptsächlich aus Sn bestehenden Lotlegierung gering ist und eine intermetallische Verbindung nicht ausreichend gebildet wird.
Bei der in Patentschrift 3 beschriebenen Erfindung wird als Ausführungsbeispiel eine Lötschicht genannt, welche aus einem Verbundmaterial besteht, das gekennzeichnet ist durch eine Matrixmetallschicht mit darin dispergierten Metallpartikel, wobei die Matrixmetallschicht jeweils aus verschiedenen Lotlegierungen einschließlich bleifreien Lotlegierungen und die Metallpartikel jeweils aus verschiedenen Legierungen bestehen. Allerdings legt Patentschrift 3 zwar als Lotmaterial eine aus Lotlegierung und Metallpartikel bestehende Paste offen, jedoch stehen intermetallische Verbindungen nicht im Blickfeld. Damit das in Patentschrift 3 beschriebene Metallpulver den hohen Marktanforderungen genügt, gibt es außerdem Raum für weitere Verbesserungen.
Das Zielder vorliegenden Erfindung ist es eine Lötpaste bereitzustellen, mit derLötstellen geschaffen werden können welche Lötverbindungen enthalten, die gegenüber herkömmlichen Lötverbindungen eine hervorragende Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen. Weiterhin sollen Lötstellen bereitgestellt werden, die solche Lötverbindungen besitzen.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Um das oben genannte Problem zu lösen, führten die Erfinder gründliche Untersuchungen durch. Im Ergebnis dessen zeigte sich, dass das oben genannte Problem gelöst wird, wenn Metallpartikel aus einer bestimmten Cu-Ni-Legierung in einer hauptsächlich aus Sn bestehenden bleifreien Lotlegierung vorhanden sind, oder wenn Metallpartikel aus einer bestimmten Cu-Co-Legierung in einer hauptsächlich aus Sn bestehenden, Ni enthaltenden bleifreien Lotlegierung vorhanden sind.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung erstens eine Lötpaste, bestehend aus einer hauptsächlich aus Sn bestehende bleifreien Lotlegierung in Pulverform sowie aus Metallpartikel mit einem höheren Schmelzpunkt als dem der genannten Lotlegierung, wobei die genannten Metallpartikel aus einer Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent oder einer Cu-Co-Legierung mit einem Co-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent bestehen.
Zweitens betrifft die vorliegende Erfindung Lötstellen mit Lötverbindungen, welche mit der oben genannten Lötpaste gebildet werden, wobei bei den genannten Lötverbindungen an den Grenzflächen der genannten Metallpartikel (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet wird, oder Partikel aus Legierungen (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet werden, die an die Stelle der oben genannten Metallpartikel treten.
Wirkung der Erfindung
Mit der Lötpaste dieser Erfindung können Lötstellen mit gegenüber herkömmlichen Produkten hervorragender Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit geschaffen werden.
Figurenliste

1: Schnittzeichnung in Richtung der größten Materialdicke gesehen, zur Erläuterung der Struktur der mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels entstandenen Lötstelle.
2: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 1 entstandenen Lötverbindung, unter dem Rasterelektronenmikroskop gesehen.
3A: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 2 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe A), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (5000-fach).
3B: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 2 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe B), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (5000-fach).
4A: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 3 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe A), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (900-fach).
4B: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 3 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe B), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (900-fach).
5A: Vergrößerung eines Teils von 4A (eingerahmter Teil) (5000-fach)
5B: Vergrößerung eines Teils von 4B (eingerahmter Teil) (5000-fach)
6A: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 4 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe A), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (900-fach).
6B: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Anwendungsbeispiels 4 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe B), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (900-fach).
7A: Vergrößerung eines Teils von 6A (eingerahmter Teil) (5000-fach)
7B: Vergrößerung eines Teils von 6B (eingerahmter Teil) (5000-fach)
8A: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Vergleichsbeispiels 1 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe A), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (5000-fach).
8B: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Vergleichsbeispiels 1 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe B), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (5000-fach).
9A: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Vergleichsbeispiels 2 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe A), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (5000-fach).
9B: Bild eines Teils der Schnittfläche in Richtung der größten Materialdicke der Lötstelle, welche die mit der Lötpaste des Vergleichsbeispiels 2 entstandenen Lötverbindung enthält (Beobachtungsprobe B), gesehen unter dem Rasterelektronenmikroskop (5000-fach).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lötpaste enthält eine hauptsächlich aus Sn bestehende bleifreie Lotlegierung (im Folgenden in manchen Fällen als „Lotlegierung“ beziehungsweise als „bleifreie Lotlegierung“ bezeichnet) in Pulverform sowie Metallpartikel mit einem Schmelzpunkt über dem der Lotlegierung (im Folgenden in manchen Fällen vereinfacht als „Metallpartikel“ bezeichnet“). Diese Metallpartikel bestehen aus einer Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent oder einer Cu-Co-Legierung mit einem Co-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent.
Weil die Metallpartikel aus einer Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent oder einer Cu-Co-Legierung mit einem Co-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent enthalten sind, ist es möglich, beim Erhitzen zum Herstellen der Lötstelle eine Legierung aus der hauptsächlich aus Sn bestehenden bleifreien Lotlegierung und den Metallpartikeln (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ als intermetallische Verbindung stabil an der Grenzfläche zwischen Metallpartikel und Lot zu bilden, oder die genannten Metallpartikel durch die gebildeten Legierungen (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ zu ersetzen. Wenn die Metallpartikel aus einer Cu-Ni-Legierung mit einem bestimmten Anteil an Ni bestehen, ist es im Vergleich zu Metallpartikel aus Cu oder Ni möglich, das Sn der geschmolzenen Lotlegierung stabil in den Metallpartikeln zu verteilen. Damit kann die Bildung von (Cu, Ni)₆Sn₅ stabil erfolgen. Wenn die Metallpartikel weiterhin aus einer Cu-Co-Legierung mit einem bestimmten Anteil an Co bestehen, ist es aufgrund der ähnlichen Eigenschaften von Co und Ni denkbar, dass eine stabile Bildung von (Cu, Co)₆Sn₅ erfolgen kann. Wenn bei der Erwärmung mittels des in der Lötpaste enthaltenden Flussmittels Oxidfilme und dergleichen von der Oberfläche der Metallpartikel entfernt werden und diese Oberfläche mit der geschmolzenen Lotlegierung in Kontakt kommt, wird je nach den Bedingungen (zum Beispiel Erwärmung, Zusammensetzung und Größe der Metallpartikel und dergleichen) an den Grenzflächen der genannten Metallpartikel (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ stabil gebildet, oder es werden Partikel der Legierungen (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet, die an die Stelle der oben genannten Metallpartikel treten. Weiterhin ist der Schmelzpunkt von (Cu, Ni)₆Sn₅ 415°C und damit ein anderer als der von Cu₆Sn₅, so dass es bei 186°C nicht zum Phasenwechsel η-η' kommt. Wenn es zum Phasenwechsel η-η' kommt, kommt es zur Volumenänderung, wodurch sich in der Lötverbindung Spannungskräfte konzentrieren, die zur Ursache von Schäden werden können. Mit (Cu, Ni)₆Sn_s entsteht solch ein Phasenwechsel jedoch nicht. Das heißt, auch wenn die Lötverbindung einer hohen Temperatur von über 186°C ausgesetzt und danach abgekühlt wird, kommt es nicht zum Phasenwechsel und die in der Lötverbindungen konzentrierten Spannungskräfte können unterdrückt werden. Damit ist es möglich, Lötstellen bereitzustellen, die auch unter diesem Gesichtspunkt eine gute Zuverlässigkeit aufweisen. Da Co ähnliche Eigenschaften besitzt wie Ni, kann auch mit (Cu, Co)₆Sn₅ auf dieselbe Weise die Konzentration von Spannungskräften in der Lötverbindung unterdrückt werden, womit es denkbar ist, Lötstellen bereitstellen zu können, die eine gute Zuverlässigkeit aufweisen.
Wie oben dargestellt, können Metallpartikel aus bestimmten Cu-Ni-Legierungen an ihrer Grenzfläche zum Lot stabil (Cu, Ni)₆Sn₅ bilden, oder die genannten Metallpartikel können durch aus (Cu, Ni)₆Sn_s gebildete Partikel ersetzt werden. Weiterhin können aus bestimmten Cu-Co-Legierungen gebildete Metallpartikel an ihrer Grenzfläche zum Lot stabil (Cu, Co)₆Sn₅ bilden. Im Ergebnis dessen wirken die aus der Hitzebeständigkeit und der Wärmeleitfähigkeit von (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅ resultierenden Eigenschaften effektiv auf die Lötverbindung und damit auf die Lötstelle. Weiterhin ist es möglich, bei wiederholtem Einwirken von hohen Temperaturen die Entstehung von Kirkendall-Löchern, wie sie im Fall von Cu-Metallpartikel entstehen, zu verhindern. Im Ergebnis dessen können auch bei langzeitiger Nutzung der Lötstelle Schäden unterdrückt werden, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren Lötstellen mit höherer Zuverlässigkeit bereitgestellt werden können. Hier bedeutet das an der Grenzfläche von Metallpartikel und Lot entstehende (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅ solches (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅, welches teilweise oder vollständig mit der Oberfläche der Metallpartikel in Kontakt ist und beständig ist. Falls weiterhin Metallpartikel aus bestimmten Cu-Co-Legierungen verwendet werden, und wenn als intermetallische Verbindung in der Lotlegierung Ni enthalten ist, ist es möglich, dass neben (Cu, Ni)₆Sn_s auch (Cu, Ni, Co)₆Sn₅ gebildet werden kann.
Bei Verwendung von Metallpartikeln aus bestimmten Cu-Co-Legierungen und der bestimmten, Ni enthaltenden bleifreien Lotlegierung in Pulverform entstehen als intermetallische Verbindungen (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅. Weiterhin kann, wie oben genannt, auch (Cu, Ni, Co)₆Sn₅ gebildet werden. Deshalb ist es auch mit einer solchen Lötpaste möglich, wie oben genannt, Lötstellen mit höherer Zuverlässigkeit als bisher bereitzustellen.
Die bleifreie Lotlegierung ist eine Legierung mit Sn als Hauptbestandteil. Als bleifreie Lotlegierung können die in diesem technischen Bereich allgemein verwendbaren Produkte verwendet werden, z.B. lassen sich bleifreie Lotlegierungen der Gruppen Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Zn, Sn-Sb, Sn-Ag-Bi, Sn-Ag-In, Sn-Cu-Ni und Sn-Ni nennen. Von diesen sind bleifreie Lotlegierungen der Gruppen Sn-Cu-Ni und Sn-Ni wünschenswert. Es ist kein Problem, wenn diese bleifreien Lotlegierungen entsprechende Zusätze wie z.B. Ni, Co, Ge, Ga, Cr, P, Si, Ti, V, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo, Pd, Te, Pt, Au und dergleichen enthalten. Da weiterhin, falls die Metallpartikel aus einer Cu-Co-Legierung bestehen, ist es unter dem Aspekt der Verhinderung der Ausschmelzung von Cu aus den Metallpartikeln und der Bildung von (Cu, Ni)₆Sn₅ und dem Erreichen der oben genannten Funktion wünschenswert, wenn eine Lotlegierung verwendet wird, die Ni enthält. Für diesen Fall lassen sich bleifreie Lotlegierungen z.B. der Gruppen Sn-Cu-Ni und Sn-Ni sowie der Gruppen Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Zn, Sn-Sb, Sn-Ag-Bi oder Sn-Ag-In nennen, welchen Ni zugesetzt wurde. Auch hier ist es kein Problem, wenn diese bleifreien Lotlegierungen entsprechende Zusätze wie z.B. Co, Ge, Ga, Cr, P, Si, Ti, V, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo, Pd, Te, Pt, Au oder dergleichen enthalten.
Es ist ausreichend, wenn die Konzentration von Sn in der bleifreien Lotlegierung so hoch ist, dass Sn der Hauptbestandteil ist. Das heißt, wenn es den größten Anteil der Lotlegierung ausmacht.
Die Metallpartikel bestehen aus Legierungen mit Cu und Ni oder aus Legierungen mit Cu und Co. Im Fall der Legierung aus Cu und Ni beträgt der Anteil von Ni in der Legierung 0,1 - 90 Masseprozent, wobei 5 - 45 Masseprozent gut, 10 - 40 Masseprozent besser und 20 - 35 Masseprozent wünschenswert sind. Im Fall der Legierung aus Cu und Co beträgt der Anteil von Co in der Legierung 0,1 - 90 Masseprozent, wobei 5 - 45 Masseprozent gut, 10 - 40 Masseprozent besser und 20 - 35 Masseprozent wünschenswert sind. Wenn weiterhin im Fall einer Cu-Ni-Legierung der Anteil von Ni in diesem Bereich liegt, beziehungsweise wenn im Fall einer Cu-Co-Legierung der Masseanteil von Co in diesem Bereich liegt, wird als intermetallische Verbindung eine Legierung aus der hauptsächlich aus Sn bestehenden bleifreien Lotlegierung und den Metallpartikeln (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ stabil an der Grenzfläche zwischen Metallpartikel und Lot gebildet, oder es werden Partikel aus (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet, die die genannten Metallpartikel ersetzen. Wenn, wie oben genannt, die Metallpartikel aus einer Legierung von Cu und Co bestehen und wenn das Pulver der Lötlegierung Ni enthält, wird als intermetallische Verbindung (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ stabil an der Grenzfläche zwischen Metallpartikel und Lot gebildet, oder es wird dieses und (Cu, Ni, Co)₆Sn₅ gebildet.
Falls die Legierung aus Cu und Ni besteht und der Anteil von Ni in der Legierung 0,1 - 10 Masseprozent ist, und besonders falls der Anteil 2 - 10 Masseprozent ist, kommt es leicht zur Bildung von (Cu, Ni)₆Sn₅ und es besteht die Tendenz, dass die Metallpartikel aus Cu-Ni-Legierung leichter durch Partikel aus (Cu, Ni)₆Sn₅ ersetzt werden. Falls der durchschnittliche Durchmesser der Metallpartikel weniger als 10 µm ist, besteht weiterhin die Tendenz, dass Metallpartikel aus Cu-Ni-Legierung zu Partikel (Cu, Ni)₆Sn₅ werden. Dies ist jedoch auch von den Erhitzungsbedingungen und von der Erhitzungshistorie abhängig. Diese (Cu, Ni)₆Sn₅-Partikel haben einen höheren Schmelzpunkt als die Lotlegierung, weisen eine gute Verbindungsstärke mit der Lotlegierung auf und können in der Lötverbindung dieselben Funktionen wie Metallpartikel aus Cu-Ni-Legierung und Cu-Co-Legierung erfüllen.
Die Größe der Metallpartikel ist ausreichend, wenn die Partikel zu Kernen für die Bildung von intermetallischen Verbindungen werden können. Z.B. ist ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 5 µm ausreichend. Die Obergrenze des durchschnittlichen Partikeldurchmessers kann entsprechend dem Abstand zwischen den zu verbindenden Teilen, der Stärke der Lötverbindung und dem zu verbindenden Material angepasst werden. Wie oben genannt, ist es möglich, je nach dem enthaltenen Ni-Anteil einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 µm oder mehr zu verwenden, falls die Metallpartikel aus einer Cu-Ni-Legierung bestehen und falls Kerne aus Cu-Ni-Legierung zurückbleiben sollen. Für die Gleichmäßigkeit der Partikel gibt es keine besondere Beschränkung und je nach Bedarf können es auch Partikel mit angepasster Größe sein. Für die Form der Partikel gibt es keine besondere Beschränkung und die in diesem technischen Gebiet allgemein bekannte Formen können verwendet werden.
Für den Anteil von Metallpartikel in der Lötpaste gibt es keine besondere Beschränkung. Er kann je nach Verwendungszweck an die erforderliche Verbindungsstärke und entsprechend der mit dem Vorhandensein der intermetallischen Verbindung gewünschten Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit an den Bedarf angepasst werden.
Solche Metallpartikel können mit den bekannten Methoden angepasst werden. Es können auch handelsübliche Produkte verwendet werden.
Allgemein ist in Lötpasten ein Flussmittel enthalten, um die Oberflächen der Lotlegierung und der zu verbindenden Teile von Oxidschichten zu befreien, zu reinigen und die Verbindung von Lot und zu verbindenden Teilen zu ermöglichen. Flussmittel enthalten als Bestandteile Harz, Lösungsmittel, Aktivatoren und Thixotropiermittel.
Als Beispiele für Harz können Kolophonium-Sorten (säuremodifiziertes Kolophonium, hydriertes Kolophonium, disproportioniertes Kolophonium, polymerisiertes Kolophonium, Kolophonium-Ester), phenolmodifiziertes Harz, Acrylharz und dergleichen genannt werden. Eine dieser oben genannten Sorten von Kolophonium oder zwei oder mehr können gemischt verwendet werden.
Bezüglich des Lösungsmittels gibt es keine besonderen Beschränkungen und die in diesem technischen Gebiet allgemein verwendete Lösungsmittel können eingesetzt werden. Als Beispiele können unter anderem genannt werden: Ethylenglykol-Monomethylether, Ethylenglykol-Monoethylether, Ethylenglykol-Monobutylether, Diethylenglykol-Monomethylether, Diethylenglykol-Monoethylether, 2-Propanol, Dekanol, Isobornyl-Cyclohexanol (MTPH), Oktandiol, 2-Hexyl-1-Dekanol und weitere Alkoholsorten, Butylkarbidol, Dibutyl-Karbidol, Hexylenglykol, Hexylendiglykol, Tripropylenglykol-Monobutylether und weitere Glykolsorten, Benzoesäurebutyl, Maleinsäure-Dibutyl und weitere Ether, n-Hexin, Dodecan und weitere Hydrokarbone, Terpineol, 1,8-Terpin-Monoazetat, 1,8-Terpin-Diacetat und weitere Terpen-Derivate. Von diesen Lösungsmitteln kann eine Sorte enthalten sein, auch zwei oder mehrere sind möglich.
Bezüglich des Aktivators gibt es keine besonderen Beschränkungen und die in diesem technischen Gebiet allgemein verwendete Aktivatoren können eingesetzt werden. Als Beispiele können unter anderem genannt werden:

Ethylen-Bis-Stearinsäure-Amid,
Hexamethylen-Bis-Hydroxystereaminsäure-Amid und weitere Bis-Stereamide, Hydroxy-Stearinsäureamide und weitere Monoamide, gehärtetes Rhizinusöl und dergleichen. Von diesen Aktivatoren kann einer enthalten sein, auch zwei oder mehrere sind möglich.

In dem Flussmittel können neben den oben genannten Bestandteilen von Flussmitteln auch weitere, allgemein in Lötpaste enthaltende Zusatzstoffe wie z.B. Mittel zur Regulierung der Zähigkeit, Oxidationsschutzmittel usw. enthalten sein.
Die enthaltenen Mengen der oben genannten Bestandteile des Flussmittels können nach Bedarf angepasst werden.
In den mit den Anwendungsformen dieser Erfindung entstandenen Lötstellen sind Lötverbindungen enthalten, die unter Verwendung der oben genannten Lötpaste gebildet wurden. Weiterhin wurde in der Nähe der Oberflächen der in der Lötpaste enthaltenen Metallpartikel die intermetallische Verbindung (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet, oder es wurden Partikel aus (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet, die an die Stelle der die oben genannten Metallpartikel traten. Die an den Grenzflächen zwischen intermetallischer Verbindung und Lot entstandenen Metallpartikel oder die Partikel der intermetallischen Verbindung entstehen, indem das geschmolzene Material der betreffenden Lotlegierung mit den betreffenden Metalpartikeln benetzt wird. Das heißt, sie werden gebildet, wenn mit der oben genannten Lötpaste eine Lötstelle hergestellt wird.
Das Herstellen der Lötstellen kann unter Verwendung der oben genannten Lötpaste mit den bekannten Verfahren wie Reflow-Löten und dergleichen erfolgen.
Im Folgenden wird die Lotlegierung für die Anwendungsform anhand von Zeichnungen erläutert. 1 ist eine Schnittzeichnung eines Abschnitts der Lötstelle 10 in Richtung der größten Materialdicke gesehen, um die Struktur zu erläutern. Wie 1 zeigt, ist in der Lötstelle 10 das Basismaterial A, das Basismaterial B sowie die Lötverbindung 1 enthalten, die unter Verwendung der Lötpaste entsteht und zwischen Basismaterial A und B die Verbindung herstellt. In der Lötverbindung 1 dieser Ausführungsform sind in dem aus einer Legierung mit dem Hauptbestandteil Sn bestehenden bleifreien Lot 2 an der Grenzfläche des Lots gebildete Metallpartikel 3 aus (Cu, Ni)₆Sn₅ (Nr. 4) dispergiert. In der Ausführungsform von 1 sind im Lot 2 die Metallpartikel 3 dispergiert. (Cu, Ni)₆Sn_s (Bezugszeichen 4) existiert in der Nähe der an der Grenzfläche mit dem Lot gebildeten Metallpartikel 3. Durch (Cu, Ni)₆Sn₅ (Bezugszeichen 4) kann die Wärmeleitfähigkeit effektiver wirken. Deshalb ist denkbar, dass die Lötverbindungen z.B. von im Hochtemperaturbereich arbeitenden elektronischen Bauteilen hervorragende Wärmeabstrahlungseigenschaften und gute Hitzebeständigkeit besitzen. Weiterhin dringen während des Lötens infolge der Wärmeleitfähigkeit durch das Erhitzen entstandene Schmelzmaterialien innerhalb eines Moments in die gesamte Lotlegierung vor, so dass ein Effekt denkbar ist, der das Zurückbleiben von Hohlräumen in der Lotlegierungsmasse unterdrückt. Zusammen mit der Eigenschaft von (Cu, Ni)₆Sn₅ (Bezugszeichen 4), keinen Phasenwechsel n-n' zu haben, ist es denkbar, dass dies zu einer verbesserten Zuverlässigkeit der Lötstelle 10 nach dem Abkühlen beiträgt.
Da solche Lötstellen eine hervorragende Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit besitzen, sind sie ausgesprochen gut geeignet für Lötverbindungen z.B. in Steuerungen von Leistungsmodulen für Automobilmotoren oder anderen elektrische Antrieben und dergleichen, wo hohe Temperaturen entstehen.
Ausführungsbeispiele
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Lötpaste dieser Erfindung in der Ausführungsform erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
Eine Lötpaste wurde hergestellt, enthaltend ein Gemisch von 1,2 Masseanteilen Schmelzmittel (Isobornyl Cyclohexanol), 0,4 Masseanteilen Adipinsäure, 0,8 Masseanteilen Dekanol als Flussmittel, 6,8 Masseanteilen einer eine Ni-Menge von 5,5 atm% (5,1 Masseprozent) enthaltenden Cu-Ni-Legierung in Metallpulverform und 10,8 Masseanteilen einer bleifreien Lotlegierung mit Sn als Hauptbestandteil in Metallpulverform (SN100C des Herstellers Nihon Superior Co, Ltd. (Eingetragenes Warenzeichen)).
Die erhaltene Lötpaste wurde auf Keramikplatinen aufgetragen und unter Stickstoffgasatmosphäre 60 Sekunden lang auf 300°C erhitzt, um eine mit der Lötpaste gebildete Lötverbindung zu erhalten. Die entstandene Lötverbindung wurde in Richtung der größten Materialdicke geschnitten und die Schnittfläche wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Wie in 2 gezeigt, wurde festgestellt, dass die erhaltene Lötverbindung mit den einen Ni-Anteil von 5,1 Masseprozent enthaltenden Metallpartikeln mit hoher Cu-Konzentration gebildet wurde, wobei die Metallpartikel in der Lotlegierung erhalten blieben. Das heißt, es ist denkbar, dass Sn sich in den Metallpartikeln aus Cu-Ni-Legierung verbreitete und dass (Cu, Ni)₆Sn₅ an den Grenzflächen von Metallpartikel und Lot gebildet wurde.
Ausführungsbeispiel 2
Eine Lötpaste wurde hergestellt, enthaltend ein Gemisch von 1,2 Masseanteilen Schmelzmittel (Isobornyl Cyclohexanol), 0,4 Masseanteilen Adipinsäure, 0,8 Masseanteilen Dekanol als Flussmittel, 2,0 Masseanteilen einer eine Ni-Menge von 5,1 enthaltenden Cu-Ni-Legierung in Metallpulverform und 15,6 Masseanteilen einer bleifreien Lotlegierung mit Sn als Hauptbestandteil in Metallpulverform (SN100C des Hersteller Nihon Superior Co, Ltd. (Eingetragenes Warenzeichen) mit Cu 0,7, Ni 0,05, Ge 0,005 und der Rest Sn in einer Legierung der Gruppe Sn-Cu-Ni).
Ausführungsbeispiel 3
Eine Lötpaste wurde hergestellt, bei der anstelle des Metallpulvers aus Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 5,1 Masseprozent das Metallpulver einer Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 30% verwendet wurde und alle anderen Stoffe dieselben wie in Ausführungsbeispiel 2 waren.
Ausführungsbeispiel 4
Eine Lötpaste wurde hergestellt, bei der anstelle des Metallpulvers aus Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 5,1 Masseprozent das Metallpulver einer Cu-Co-Legierung mit einem Co-Anteil von 30% verwendet wurde und alle anderen Stoffe dieselben wie in Ausführungsbeispiel 2 waren.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Lötpaste wurde hergestellt, bei der anstelle des Metallpulvers aus Cu-Ni-Legierung mit einem Ni-Anteil von 5,1 Masseprozent ein Metallpulver aus Cu verwendet wurde und alle anderen Stoffe dieselben wie in Ausführungsbeispiel 2 waren.
Vergleichsbeispiel 2
Eine Lötpaste wurde hergestellt, enthaltend ein Gemisch von 1,2 Masseanteilen Schmelzmittel (Isobornyl Cyclohexanol), 0,4 Masseanteilen Adipinsäure, 0,8 Masseanteilen Dekanol als Flussmittel und 17,6 Masseanteilen einer bleifreien Lotlegierung mit Sn als Hauptbestandteil in Metallpulverform (SN100C des Hersteller Nihon Superior Co, Ltd.
(Eingetragenes Warenzeichen)
Bewertung
Nach Verwendung der in den Ausführungsbeispielen 2 - 4 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Lötpaste wurde die folgende Bewertung vorgenommen.
Prüfung der Scherfestigkeit
Herstellung der Proben für die Messung
Nachdem die einzelnen Lötpasten auf das Basismaterial einer Platine aus Kupferfolie auf die Montagestellen aufgedruckt wurden, wurde ein Widerstandsbauteil (R 2012, Länge 2 mm, Breite 1,25 mm) angebracht. Nacdem die Proben mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1,5 °C/sec und einer Maximaltemperatur von 250°C 50 Sekunden lang durch Reflow-Erhitzen verbunden wurden, wurden sie gekühlt und das Flussmittel wurde durch Wäsche mit Isopropylalkohol (IPA) entfernt, um Lötstellen zu erhalten, die mit Lötverbindungen verbunden waren, die welche durch Verbindung der Kupferfolienplatine und der Widerstandsbauteile mittels Lötpaste hergestellt wurden. Die erhaltenen Lötstellen wurden als Messproben A (Ausgangsproben) verwendet. Ein Teil der Messproben A wurde in die Kammer einer Testvorrichtung für Erhitzungszyklen (TSA-102EL-A des Herstellers Espec) gesetzt und einem Erhitzungszyklustest unterzogen, wobei 1000 Zyklen ohne Unterbrechung erfolgten und ein Zyklus aus -40°C über 30 Minuten und anschließender Erwärmung auf 125°C über 30 Minuten bestand. Diese Proben wurden als Messproben B (Erhitzungszyklus) verwendet.
Messung der Scherfestigkeit

Die Messproben A und B wurden in eine Testvorrichtung für die Scherfestigkeit (AG-IS 10 kN des Herstellers Shimazu) eingesetzt und mit einer Schergeschwindigkeit von 0,5 mm/min getestet, um die Festigkeit gegenüber Scherbelastung (N) zu messen. Von dieser Festigkeit gegenüber Scherbelastung wurde der Maximalwert (Max Force) als die Verbindungsstärke bewertet. Der Maximalwert war der Durchschnitt aus 8 durchgeführten Messungen für jede Probe. Weiterhin wurde die Abnahmerate der Messwerte von Anfangsproben und Proben nach den Erhitzungszyklen (Erhitzungszyklen/Anfang × 100) errechnet, um den Einfluss der Erhitzungszyklen zu bewerten. Die Ergebnisse sind in Tabelle angegeben. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, ergaben sich bei allen Ausführungsbeispielen höhere Werte als bei den Vergleichsbeispielen, wobei die Abnahmerate bei allen über 90% lag. Damit wird deutlich, dass sie den Vergleichsbeispielen überlegen sind und dass es möglich ist, die Verringerung der Verbindungsstärke aufgrund der Erwärmungshistorie zu unterdrücken. Tabelle 1

		Aus-führu ngs-beispiel 2	Aus-führu ngs-beispiel 3	Aus-führu ngs-beispiel 4	Vergleic hs-beispiel 1	Vergleic hs-beispiel 2
Zusammensetzung der Metallpartikel		Cu-5,1Ni	Cu-30Ni	Cu-30Co	Cu	Ohne Zusatzst offe
Max Force [N]	Anfang	46,9	41,5	44,5	39,4	38,4
Max Force [N]	Erhitzu ngs-zyklus	44,0	37,9	42,7	31,2	27,9
Abnah me-rat e (%)		94	91	96	79	73

Messung der Wärmeleitfähigkeit
Herstellung der Proben für die Messung
Die einzelnen Lötpasten wurden auf Aluminiumoxid-Platten (Länge 5 cm, Breite 5 cm, Dicke 500 µm) in entsprechender Menge aufgetragen, auf diese Platten wurden 120 µm dicke Zwischenstücke und darauf jeweils eine zweite Aluminiumoxid-Platte (Länge 5 cm, Breite 5 cm, Dicke 500 µm) gesetzt. Anschließend wurden die Proben auf eine Heizplatte gesetzt. Danach wurde eine Druckvorrichtung verwendet, um auf die Aluminiumoxid-Platten von oben her eine Last von 0,5 atm aufzubringen. Die Temperatur der Heizplatte wurde auf 250°C eingestellt. Nachdem festgestellt wurde, dass die Lötpaste geschmolzen war und zwischen den Aluminiumoxid-Platten austrat, wurde die Wärmezufuhr gestoppt. Anschließend wurde mit einem Gebläse für Spotkühlung gekühlt. Nachdem festgestellt wurde, dass das Lot erstarrt war, wurde die oben genannte Druckbelastung aufgehoben. Danach wurden die Aluminiumoxid-Platten entfernt und das Flussmittel wurde durch Waschen mit IPA entfernt. Auf diese Weise wurden Messproben von Lotlegierungsfolie hergestellt, deren Lötpaste einer Erhitzungsbehandlung unterzogen wurde und die Metallpartikel enthielt.
Messung der Dichte
Nach dem archimedischen Prinzip wurden die einzelnen Messproben in mit Wasser gefüllte Gefäße mit demselben Innendurchmesser wie die betreffenden Proben getaucht. Anhand der Änderung der Flüssigkeitsoberfläche vor und nach dem Eintauchen der Proben wurde das Volumen der Proben und deren Gewicht ermittelt.
Messung der spezifischen Wärme
Eine Vorrichtung der dynamischen Differentialkaliometrie Typ DSC3500 (Hersteller NETZSCH) wurde verwendet, wobei Saphir als Bezugsmaterial diente. Die spezifische Wärme der einzelnen Messproben wurde unter Argon-Atmosphäre und unter Raumtemperatur mit der DDK-Methode gemessen.
Messung der Thermodiffusivität
Das einen Graphitfilm bildende Aerosol-Trockenschmiermittel DGF (Hersteller Nihon Sempaku Kogu Ltd.) wurde verwendet, um die einzelnen Messproben zu schwärzen. Die Thermodiffusivität wurden mit einem Laserflash-Analysator LFA457 (Hersteller NETZSCH) unter normaler Atmosphäre und Raumtemperatur gemessen. Für jede Probe wurden n = 4 sowie die Durchschnittswerte ermittelt.
Berechnung der Wärmeleitfähigkeit
Für die einzelnen Messproben wurde die Wärmeleitfähigkeit aus den wie oben beschrieben ermittelten Werten der Dichte, der spezifischen Wärme und der Thermodiffusität nach der folgenden Formel berechnet. $\begin{array}{l} W \ddot{a} rmeleitf \ddot{a} higkeit (W / (m \cdot K)) = Thermodiffusit \ddot{a} t (m^{2} / s) \times Dichte \\ (kg / m^{3}) \times spezifische W \ddot{a} rme (J / (kg \cdot K)) \end{array}$

Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, ist die Wärmeleitfähigkeit der Ausführungsbeispiele 2 - 4 erheblich besser als die des keinen Zusatz von Metallpulver enthaltenden Vergleichsbeispiels 2 und auch nicht geringer als die von Vergleichsbeispiel 2, für welches Kupfer verwendet wurde, das allgemein eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit besitzt. Tabelle 2

	Zu-sam men-set zung der Metall- partikel	Ent- ha ltener Anteil an Metall-partik eln [%]	Dicht e [kg/m 3]	Spezi-f ische Wärm e J/(kg · K)]	Therm o-diffu -sivitä t [m²/s]	Wärme- leit-fähi gkeit [W/(m · K)]	Vergleic h mit Vergleic hs-beisp iel 2
Aus-füh rungs-b eispiel 2	Cu-5,1 Ni	10	7,5×1 0³	235	80,8×1 0^-6	143	2,13
Aus-füh rungs-b eispiel 3	Cu-30N i	10	7,5×1 0³	235	80,5×1 0^-6	141	2,10
Aus-füh rungs-b eispiel 4	Cu-30C o	10	7,5×1 0³	235	80,5×1 0^-6	139	2,07
Vergleic hs-beis piel 1	Cu	10	7,5×1 0³	236	91,1×1 0^-6	161	2,40
Vergleic hs-beis piel 2	Ohne Zusatzstoffe	-	7,4×1 0³	219	41,4×1 0^-6	67,1	1,00

Untersuchung der Schnittflächenstruktur der Lötstellen
Herstellung der Proben für die Messung
Von der Lötpaste wurden jeweils 3 g in der Mitte einer Kupferplatte 1 (sauerstofffreies Kupfer, Breite 5 mm × Länge 5 mm × Dicke 0,5 mm) aufgetragen und eine Kupferplatte 2 (sauerstofffreies Kupfer, Breite 5 mm × Länge 5 mm × Dicke 0,5 mm) so darauf gesetzt, dass die Lötpaste dazwischen liegt. Nachdem die Proben mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1,5 °C/sec und einer Maximaltemperatur von 250°C 50 Sekunden lang durch Reflow-Erhitzen verbunden wurden, wurden sie gekühlt. Auf diese Weise wurden Lötstellen hergestellt, die mit Lötverbindungen verbunden waren, welche durch Verbindung der Kupferplatten mittels Lötpaste entstanden. Die so erhaltenen Lötstellen wurde als Untersuchungsproben A verwendet. Ein Teil der Untersuchungsproben A wurde im Ofen (Mo-931 des Herstellers Toyama Sangyo Co.) für 100 Stunden unter 150°C belassen, um eine Alterungsprüfung durchzuführen. Diese Proben wurden als Untersuchungsproben B (Alterung) verwendet. Die Untersuchungsproben A und B wurden in Richtung der größten Materialdicke aufgeschnitten und nachdem die Schnittflächen poliert wurden, wurden sie unter dem Rasterelektronenmikroskop (JSM-6360LA des Herstellers JEOL Ltd.) (im Folgenden „REM“) fotografiert. Die erhaltenen Bilder sind in 3A - 10B gezeigt. Während des Polierens der Schnittflächen der Untersuchungsproben A und B wurde der Mittelwert der zugegebenen Partikel untersucht. Um diesen zu bewerten, wurde das Polieren stufenweise vorgenommen und die Untersuchung erfolgte, wenn der größte Durchmesser erreicht war.
Wie in den 3A - 7B gezeigt, bildeten sich in den die bestimmten Metallpartikel enthaltenden Lötpasten unter den allgemeinen Reflow-Bedingungen in der Nähe der Oberflächen (Cu, Ni)₆Sn₅ oder (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, CO)₆Sn₅. Wenn eine Erwärmungshistorie hinzukam, bildete sich in der Nähe der Oberflächen der Metallpartikel (Cu, Ni)₆Sn₅ oder (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅ (Ausführungsbeispiele 3, 4), oder es bildeten sich darüber hinaus auch Partikel aus (Cu, Ni)₆Sn₅ (Ausführungsbeispiel 2). Wie in 8B zu sehen ist, kann in Vergleichsbeispiel 2, welches Cu-Metallpartikel enthält, nach einer Erwärmungshistorie die Bildung von Kirkendall-Löchern festgestellt werden. Wenn dagegen Metallpartikel einer Cu-Ni-Legierung oder einer Cu-Co-Legierung enthalten sind, kann anders als bei Metallpartikeln nur aus Cu eine stabile intermetallische Verbindung ohne Kirkendall-Löcher entstehen.
Wie oben dargelegt, enthalten Lötverbindungen, die unter Verwendung der Lötpaste der Ausführungsbeispiele hergestellt wurden, bestimmte Metallpartikel, was dazu führt, dass (Cu, Ni)₆Sn₅ oder (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅ stabil gebildet werden. Damit wird die Entstehung von Hohlräumen unterdrückt und auch nach wiederholter Erhitzungsbelastung zeigte sich eine im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1, in dem Kirkendall-Löcher entstanden waren, eine hervorragende Scherfestigkeit. Außerdem zeigte sich, dass die Wärmeleitfähigkeit auch im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1, in dem Cu-Metallpartikel verwendet wurden, nicht geringer ist. Da die Entstehung von Hohlräumen nach wiederholter Wärmebelastung unterdrückt wird, sowie aufgrund der Eigenschaften von (Cu, Ni)₆Sn₅ und (Cu, Co)₆Sn₅, keine Phasenübergänge zu haben, kann die Konzentration von Spannungskräften unterdrückt werden und folglich kann die durch Brüche verursachte Abnahme der langfristigen Zuverlässigkeit unterdrückt werden.
Bezugszeichenliste

1: unter Verwendung von Lötpaste entstandene Lötverbindung,
2: bleifreies Lot,
3: Metallpartikel,
4: (Cu, Ni)₆Sn₅,
10: Lötstelle,
A, B: Basismaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 5369682 [0006]
WO 2005161338 [0006]

Claims

Eine Lötpaste, enthaltend eine hauptsächlich aus Sn bestehende bleifreien Lotlegierung in Pulverform sowie Metallpartikel mit einem höheren Schmelzpunkt als dem der genannten Lötpaste, wobei die genannten Metallpartikel aus einer Cu-Ni-Legierung mit einen Ni-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent oder einer Cu-Co-Legierung mit einem Co-Anteil von 0,1 - 90 Masseprozent gebildet werden.
Lötstellen mit Lötverbindungen, hergestellt unter Verwendung der in Anspruch 1 genannten Lötpaste, wobei bei den genannten Lötverbindungen an den Grenzflächen der genannten Metallpartikel und des Lots (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet wird, oder Partikel aus Legierungen (Cu, Ni)₆Sn₅ beziehungsweise (Cu, Co)₆Sn₅ gebildet werden, die an die Stelle der oben genannten Metallpartikel treten.