DE19904765B4

DE19904765B4 - Verwendung einer Legierung als bleifreie Lötmittel-Legierung

Info

Publication number: DE19904765B4
Application number: DE19904765A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Kawasaki Yamashita; Shinji Kawasaki Tada; Kunio Kawasaki Shiokawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: DE19904765A1; US6156132A

Abstract

Verwendung einer Legierung, bestehend aus
30 Gew.-% ≤ Bi ≤ 58 Gew.-%,
0 < Ni ≤ 0,2 Gew.-% und
0 < Cu ≤ 1 Gew.-%,
bezogen auf die Gesamtmenge der Legierung, wobei der Rest Sn sowie unvermeidbare Verunreinigungen sind, als bleifreie Lötmittel-Legierung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Legierungen als bleifreie (Pb-freie) Lötmittel-Legierungen, die in einer Lötmittel-Verbindung zwischen Metallteilen elektronischer Bauteile bzw. Anlagen eingesetzt werden sollen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Legierungen als bleifreie Lötmittel-Legierungen zur Vermeidung von nachteiligen Auswirkungen des Pb auf die Umwelt oder die Gesundheit, die aus Zinn, Bismut, Nickel, Kupfer und gegebenenfalls Silber und/oder Antimon und/oder Germanium bestehen.
Bisher wurden Lötmittel verwendet, um Metallteile zu verbinden, z. B. eine elektrische Verdrahtung in einer Fertigungsstraße für elektrische Bauteile oder dergleichen. Für den Löt-Prozeß sollte eine Lötmittel-Legierung ausgezeichnete charakteristische Eigenschaften in Bezug auf Benetzbarkeit, Duktilität, Festigkeit gegen thermische Ermüdung, Korrosionsbeständigkeit usw. aufweisen. Außerdem muß die Frage der Umweltverschmutzung beachtet werden, so dass die Lötmittel-Legierung ohne die Verwendung von Pb hergestellt werden sollte. Bezüglich der Auswirkungen von Pb auf die Gesundheit ist beispielsweise festzustellen, dass Pb in jeder Form in Säugern eine sich akkumulierende innere Toxizität zeigt. Daher sind Probleme der Luftverschmutzung, der Abfall-Behandlung im Blei-Verhüttungsprozeß und eine Akkumulation im Körperinneren von Babies und schwangeren Frauen aufgrund eines Kontakts mit der Luft und einer Kontamination von Lebensmitteln und dergleichen von öffentlichem Interesse.
Die herkömmlichen Lötmittel-Legierungen schließen Zinn-(Sn-)Blei-(Pb-)Legierungen, Zinn-(Sn-)Silber-(Ag-)Legierungen, Zinn-(Sn-)Antimon-(Sb-)Legierungen und Zinn-(Sn-)Bismut-(Bi-)Legierungen ein. Unter diesen enthält beispielsweise eine typische Legierung, die als "63Sn-37Pb" bekannt ist (eutektische Temperatur: 183 °C), 37 Gew.-% Pb, bezogen auf die Gesamtmenge ihrer Zusammensetzung, und es ist daher nicht bevozugt, diese Legierung praktisch zu verwenden, und zwar wegen der Einflüsse von Pb auf die Umwelt.

Die JP 62-230493 in Derwent Abstracts Nr. 87-324389/46 und Patent Abstracts of Japan beschreibt Lötmittel-Legierungen auf der Basis von Sn, Pb (H60A und H35A) bzw. Sn, Pb, Bi, die 0,0001 bis 0,1 Gew.-% Ge enthalten.

Die EP 0 612 577 A1 beschreibt ein bleifreies Lot-Matrixmaterial, das eine Legierung aus Sn, Bi und Cu sowie der Legierung zugesetzte magnetische Ni-Teilchen enthält. Die magnetischen Ni-Teilchen sind dabei nicht als Legierungsbestandteil in dem Lot-Matrixmaterial enthalten, sondern liegen dann als getrennte Teilchen vor.

Die US 5,384,090 beschreibt unter anderem Legierungen auf der Basis von Pb, Sn oder In, die 0,001 bis 50 Gew.-% mindestens eines zusätzlichen Elements enthalten können, das aus der Gruppe bestehend aus Be, B, C, Mg, Al, Si, P, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Se, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sb, Te, Ir, Pt, Au, Tl und Bi ausgewählt ist. Insbesondere beschreibt diese Patentschrift Legierungen, die Blei, Zinn oder Indium als Hauptbestandteil enthalten und die frei von Germanium sind.

Entsprechend besteht ein Bedarf zur Schaffung einer Pb-freien Lötmittel-Legierung mit einer Fließtemperatur von etwa 180 °C, und zwar aus den folgenden Gründen: Zwei oder mehrere Lötmittel-Legierungen mit verschiedenen Löt-Temperaturen sollten in zwei oder mehreren Lötschritten zur Herstellung komplizierter Bauteile bzw. Anlagen verwendet werden. Außerdem besteht auch der Bedarf zur Sicherung der Zuverlässigkeit von Halbleiter-Teilen im Hinblick auf eine thermische Zyklusbeständigkeit bei einer Peak-Temperatur von etwa 125 °C.

Jede der Pb-freien Legierungen, die anstelle einer Sn-Pb-Legierung eingesetzt werden, weist eine vergleichsweise hohe Fließtemperatur auf. Beispielsweise hat die Sn-Sb-Legierung eine Fließtemperatur von 232 bis 245 °C. Außerdem hat die Sn-Ag-Legierung eine eutektische Temperatur von 221 °C. Eine Lötmittel-Legierung aus Sn7,5Bi2Ag0,5Cu, die eines der Sn-Bi-Lötmittel ist, weist eine Fließtemperatur von 200 bis 220 °C auf und erfordert eine Löt-Temperatur von 240 bis 250 °C. Wie die Lötmittel-Legierung aus Sn7,5Bi2Ag0,5Cu, ist eine Lötmittel-Legierung, die einige Prozent Bi enthält, durch ihre niedrige Duktilität gekennzeichnet, zusätzlich zu den folgenden Problemen: Beispielsweise ist das erste Problem ihre schlechte Verarbeitbarkeit und Festigkeit. Das zweite Problem ist, daß der Fest-Flüssig-Koexistenzbereich, in dem eine Liquidus-Linie und eine Solidus-Linie gemeinsam existieren, verbreitert ist. Daher kann eine Delamination, d.h. ein Phänomen des Abhebens bzw. Ablösens, gelöteter Teile beobachtet werden, die auftreten kann als Ergebnis einer ungleichmäßigen Verteilung von Bi, wenn die beiden Teile miteinander verbunden werden.

Eine Zinn-(Sn-)Indium-(In-)Legierung, die aus einer Legierungszubereitung auf Sn-Basis unter Zugabe von In hergestellt wurde, wurde als Pb-freie Lötmittel-Legierung mit einer niedrigen Fließtemperatur untersucht. Die Sn-In-Legierung weist einen eutektischen Punkt von 118 °C auf, während eine Bismut-(Bi-)Indium-(In-)Legierung, die als weiteres Beispiel einer Pb-freien Lötmittel-Legierung mit einer niedrigeren Fließtemperatur bereitgestellt wurde, einen eutektischen Punkt von 75 °C hat. Jedoch sind die Wärmebeständigkeits-Temperaturen dieser Pb-freien Legierungen zu niedrig, als daß diese in der Praxis Verwendung fänden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Verwendung einer Pb-freien Legierung als Lötmittel-Legierung bereitzustellen, die eine niedrige Fließtemperatur aufweist und exzellente charakteristische Eigenschaften im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit und Benetzbarkeit zeigt und außerdem einen niedrigen Schmelzpunkt und eine gute Duktilität aufweist.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die Verwendung gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist im abhängigen Anspruch angegeben.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe, die Wirkungen und Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung genauer erläutert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen weiter erläutert.

Blei-freie Legierungen, die erfindungsgemäß als Lötmittel-Legierungen verwendet werden, können erhalten werden durch Schmelzen der jeweiligen Ausgangsmaterialien, die gewählt sind aus Sn, Bi, Sb, Ag, Ge, Ni und Cu, in den notwendigen Mengen und Mengen-Verhältnissen in einem elektrischen Ofen. Die Verfahrensweisen des Schmelzens der Ausgangsmaterialien sind im Stand der Technik wohlbekannt, so daß die Beschreibung der Verfahrensweisen bei der nachfolgenden Diskussion aus Gründen der Einfachheit weggelassen wird.
Eine Messung der Zugfestigkeit wurde unter Verwendung eines Teststücks mit einem Durchmesser von 3 mm bei einer Zug-Geschwindigkeit von 0,2 %/s bei Raumtemperatur durchgeführt. Zum Abschätzen der Wärmebeständigkeit wurde ein Teststück mit derselben Form verwendet, und es wurde seine Kriech-Deformations-Beständigkeit bei einer Belastung von 0,2 kg/mm² (1,46 MPa) gemessen.
Die Benetzbarkeit des Teststücks wurde ebenfalls unter Verwendung eines Meniskograph-Verfahrens abgeschätzt.
Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Messungen der Zugfestigkeit, Längung, Kriech-Deformations-Beständigkeit und Benetzbarkeit von Legierungen wie beispielsweise solcher des Sn22Bi-Typs, des Sn43Bi-Typs und Sn58Bi-Typs.
Von den in der nachstehenden Tabelle angegebenen Legierungen werden diejenigen erfindungsgemäß verwendet, die mindestens Sn, Bi, Ni und Cu enthalten.
Tabelle
Wie es in der Tabelle gezeigt ist, wird trotz der Erwartungen, gemäß denen die Wärmebeständigkeit der Sn43Bi-Legierung durch Zusatz von Ni zu der Legierung verbessert würde, und zwar aufgrund der Tatsache, daß Ni Beständigkeit gegen Oxidation bei einem hohen Schmelzpunkt zeigt, eine Absenkung der Duktilität der Legierung aus dem Grund beobachtet, daß Ni und Bi eine intermetallische Verbindung bilden können. So kam man zu dem Schluß, daß der Zusatz von Cu, das eine feste Lösung zusammen mit Ni bildet, wirksam sein kann, um eine Legierung zu erhalten, die verbesserte Eigenschaften der Wärmebeständigkeit usw. hat. Durch Zusatz von 0,1 Gew.-% Ni und 0,5 Gew.-% Cu zu der Legierung Sn43Bi erhält man eine verbesserte Legierung mit ausgezeichneten Eigenschaften der Zugfestigkeit und Wärmebeständigkeit (Kriech-Deformations-Beständigkeit) ohne Beeinträchtigung der Duktilität. In diesem Fall sinkt die Benetzbarkeit einer derartigen Legierung geringfügig auf einen annehmbaren Wert dieser Eigenschaft. Es wurde auch die Tatsache gefunden, daß dieselben Wirkungen erhalten werden können durch Zusatz von Cu und Ni zu der Sn43Bi-Legierung, die 2 Gew.-% Ag, 2 Gew.-% Sb oder 2 Gew.-% Ag und 2 Gew.-% Sb enthält.
Außerdem haben die erfindungsgemäßen Untersuchungen gezeigt, daß der Zusatz von Ge zu der Legierung wirksam ist für eine Verbesserung der Benetzbarkeit.
Dies zeigt sich beispielsweise bei den Legierungen Sn43Bi2Ag0,5Cu0,1Ni und Si58Bi2Ag0,5Cu0,1Ni, deren Benetzbarkeit jeweils durch den Zusatz von 0,05 Gew.-% Ge verbessert wird (vgl. die in der Tabelle angegebenen Werte).
Außerdem können dieselben Wirkungen auch erhalten werden durch Zusatz von 0,1 Gew.-% Ni, 0,5 Gew.-% Cu und 0,05 Gew.-% Ge zu der Legierung mit der Zusammensetzung Sn43Bi2Sb. Im Fall der Sn43Bi-Legierung, die 2 Gew.-% Ag und 2 Gew.-% Sb einschließt, führt der Zusatz von 0,1 Gew.-% Ni, 0,5 Gew.-Cu und 0,05 Gew.-% Ge uu einer derartigen Legierung zu guten Wirkungen.

Claims

Verwendung einer Legierung, bestehend aus 30 Gew.-% ≤ Bi ≤ 58 Gew.-%, 0 < Ni ≤ 0,2 Gew.-% und 0 < Cu ≤ 1 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Legierung, wobei der Rest Sn sowie unvermeidbare Verunreinigungen sind, als bleifreie Lötmittel-Legierung.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Legierung weiter mindestens eine Komponente enthält, die aus 0 < Ag ≤ 5 Gew.-%, 0 < Sb ≤ 5 Gew.-% und 0 < Ge ≤ 0,1 Gew.-% ausgewählt ist.