DE60010590T2

DE60010590T2 - Verwendung einer bleifreien lotlegierungspaste zum herstellen von leiterplatten

Info

Publication number: DE60010590T2
Application number: DE60010590T
Authority: DE
Inventors: Andrew Hector STEEN
Original assignee: Multicore Solders Ltd
Current assignee: Multicore Solders Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: EP1073539A1; US6648210B1; GB0026708D0; DE60010590D1; AU2560400A; GB2352200B; GB9903552D0; ATE266497T1; JP2002537120A; GB2352200A; WO2000048784A1; EP1073539B1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von bleifreiem Lötlegierungspulver in Pasten zum Löten von Komponenten auf gedruckte Schaltungen (PCB).
Werden bleifreie Lötmittel beim Löten von Komponenten auf gedruckte Schaltungen verwendet, entstehen Probleme durch die höhere Aufschmelz-(Löt)-Temperatur, welche die hauptsächlichen, bleifreien Alternativen im Vergleich zu den zurzeit verwendeten, eutektischen Sn(PBAg)-Lötmitteln erfordern. Die hauptsächlichen, bleifreien Lötmittel basieren auf den Zinn-Kupfer-, Zinn-Silber- und Zinn-Silber-Kupfer-Eutektika und schmelzen bei 227°C, 221°C bzw. 217°C. Diese Legierungen erfordern vergleichsweise hohe Aufschmelztemperaturen im Bereich von 230–240°C, damit angemessenes Löten erhalten wird. Aufschmelztemperaturen in diesem Bereich können temperaturempfindliche Komponenten beschädigen. Somit finden bleifreie Lötmittel trotz ihrer offensichtlichen Vorteile noch keine verbreitete Anwendung beim Elektronikzusammenbau.
Zur Senkung der Schmelzpunkte bleifreier Legierungen auf unter 217°C und folglich zur Senkung der Aufschmelztemperaturen lassen sich die obigen, bleifreien Lötmittel mit begrenzten Mengen Wismut legieren, gewöhnlich mit bis zu etwa 10%, üblicherweise 2–5%, bezogen auf das Gewicht. Tatsächlich liegt ein zusätzlicher Vorteil in der Verwendung von Wismut in fester Lösung in Zinn in bleifreien Legierungen darin, dass Wismut Befunden zufolge die bleifreien Legierungen verstärkt. Die Zugabe von Wismut hat aber den Nachteil, das ein Schmelzbereich eingeführt wird. Wärmespannungen, die sich in einem Zusammenbau beim Abkühlen entwickeln, in Verbindung mit Lötverbindungen mit einem Erstarrungsbereich können unter ungünstigen Umständen zu Wärmerissbildung führen. Dieses Wärmerissbildungsphänomen hat man besonders bei durchkontaktierten Anwendungen, aber nicht bei Oberflächenmontage-Aufschmelzlötung beobachtet, so dass wismuthaltige Legierungen bei vielen Lötpastenanwendungen einsetzbar sind.
Ein gewöhnlich auf aufschmelzgelöteten, gedruckten Schaltungen gefundener Mangel besteht darin, dass Chipkom ponenten vertikal auf einer Lötfläche stehen und eine elektrische Unterbrechung erzeugen, wenn sie an einem Ende schneller löten als an dem anderen und folglich durch Oberflächenspannung gezogen werden. Aus diesem Grund ist das Verhalten als Grabsteineffekt bekannt. Bei der gegenwärtigen Praxis mit bleihaltigen Lötmitteln wird dies unter Verwendung einer Lötlegierung mit einem Schmelzbereich gelöst, aber im Hinblick auf bleifreie Lötmittel hat man keine Lösung vorgeschlagen.
Sn-Ag-Bi- und Sn-Ag-Cu-Bi-Legierungszusammensetzungen sind als bleifreie Lötlegierungen gut dokumentiert. Das Konzept, Legierungspulver mit hohen und niedrigen Schmelzpunkten unter Herstellung eines Gemischs zu kombinieren, das bei niedriger Temperatur schmilzt, aber eine Lötstelle mit hohem Schmelzpunkt bildet, ist ebenfalls gut dokumentiert (siehe z.B. U.S.-Patent 5 229 070). Die Verwendung dieser Legierungen mit einem Schmelzbereich zur Verhinderung des Grabsteineffekts ist jedoch unbekannt und nicht dokumentiert.
Wir haben entdeckt, dass Lötpasten, die mit Gemischen aus Sn63Pb37-Pulver und Sn62Pb36Ag2-Pulver hergestellt sind und bei 183°C bzw. 179°C schmelzen, überraschenderweise eine erheblich kleinere Neigung zum Grabsteineffekt ergeben als Pasten aus vorlegierten Pulvern, wenn man sie zum Löten von Chipkomponenten auf gedruckte Schaltungen einsetzt.
Auf dieser Grundlage schließen wir, dass die Verwendung eines Gemischs aus einem SnBi-Legierungspulver, wie Sn43Bi57-Pulver, und einem SnAgCu-Legierungspulver, wie Sn95,5Ag3,8Cu0,7-Pulver, wobei diese spezifischen Legierungen bei 138°C bzw. 217°C schmelzen, in einer (bleifreien) Paste analog ebenfalls einen Anti-Grabsteineffekt haben und den Beginn des Aufschmelzens der Paste bei niedriger Temperatur ermöglichen als bei Verwendung vorlegierter Pulver.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Befestigung einer Chipkomponente an einer gedruckten Schaltung bereitgestellt, das die Verwendung einer bleifreien Legierung in einer Lötpaste umfasst, die derart formuliert ist, dass die Neigung zum Grabsteineffekt (tombstoning) sowie der Schmelzpunkt der bleifreien Legierung verringert werden, indem zu einer Paste aus einem ersten Lötlegierungspulver, die eine bleifreie Lötpaste ist, ein SnBi-Legierungspulver gegeben wird, das niedriger schmilzt als das erste Lötlegierungspulver, wobei eine Wismut enthaltende, endgültige Legierung mit 1–10% Wismut hergestellt wird und die erste Lötlegierung 0–5% Cu, 0–10% Ag und 0–5% Sb enthält mit dem Rest Sn und mindestens ein Element aus Cu, Ag und Sb in einer Mindestmenge von 0,1% vorhanden ist, wobei die Legierung mit dem niedrigeren Schmelzpunkt als feineres Pul– ver vorliegt als die Legierung mit dem höheren Schmelzpunkt.
Alle hier gemachten Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.
Die Zugabe von SnBi-Pulver zu einer bleifreien Lötpaste, insbesondere SnAgCu-Lötpaste, ist deshalb besonders bemerkenswert, weil die Paste bei niedrigerer Temperatur aufzuschmelzen beginnt, was die erforderliche, maximale Aufschmelztemperatur senkt.
Wir haben zudem entdeckt, dass die Verringerung des Grabsteineffekts verstärkt wird, ist die niedriger schmelzende Legierung als feineres Pulver zugegen als die Legierung mit höherem Schmelzpunkt, die als gröberes Pulver vorhanden ist. Bevorzugt wird die Legierung mit niedrigerem Schmelzpunkt in Form eines Pulvers eingesetzt, dessen Teilchengröße vorwiegend unter 25 μm Durchmesser liegt. Dagegen liegt die Teilchengröße des ersten Lötlegierungspulvers vorwiegend über 25 μm Durchmesser. Stärker bevorzugt liegt die Teilchengröße der Legierung mit niedrigerem Schmelzpunkt im Bereich von 10–25 μm, und die Teilchengröße der ersten Lötlegierung beträgt vorwiegend 20–45 μm. Mit dem Wort vorwiegend ist gemeint, dass mehr als 50 Gew.-%, bevorzugt mehr als 75 Gew.-% und am stärksten bevorzugt die gesamte in Frage kommende Legierung die angegebene Teilchengröße hat. Hypothetisch lässt sich sagen, dass die Teilchen des feinen, niedriger schmelzenden Pulvers zuerst schmelzen und ein Netzwerk von Flüssigkeit um die größeren Pulverteilchen bilden. Dieses Flüssigkeitsnetzwerk ermöglicht eine leichtere Benetzung, leitet das Aufschmelzen ein und maximiert den wirksamen Schmelzbereich, so dass der Grabsteineffekt minimiert wird.
Bei der bevorzugten Durchführung wird eine Ausgangslegierung verwendet, die bis zu 3% Cu, bis zu 5% Ag und bis zu 5% Sb enthält, wobei der Rest Sn ist und mindestens eines der Elemente Cu, Ag und Sb in einer Menge von mindestens 0,1% zugegen ist.
Bei der Durchführung der Erfindung findet man üblicherweise, dass bei Verwendung einer Ausgangslegierung aus SnAg3,8,Cu0,7 in Form einer Lötpaste, zu der Sn43Bi57 in Pulverform in einer Menge gegeben wird, die eine Legierung mit einem Gesamt-Bi-Gehalt von 5% ergibt, aufgrund der Zugabe von SnBi-Legierungspulver die benötigte Aufschmelztemperatur um etwa 10°C verringert wird. Dies ist deutlich mehr als die Verringerung der Liquidustemperatur um 2°C, die man bei Zugabe von 5% Bi zu einem SnAgCu-Eutektikum erwartet. Es lässt sich überlegen, das dieses bessere Verhalten aus der Zugabe von Wismut als Pulverkonzentrat zu den anderen Komponenten resultiert, die bereits in Legierungsform zugegen sind, anstelle der Verwendung einer homogenen Legierung, weil latente Schmelzwärme über einen größeren Temperaturbereich absorbiert wird, der bei 138°C, dem Schmelzpunkt des SnBi-Eutektikums, beginnt. Dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen PCB und Lötverbindung verringert und eine niedrigere, maximale Aufschmelztemperatur ermöglicht, als sie sich bei Verwendung der äquivalenten, homogenen Legierung, einer Bi enthaltenden Paste, erzielen lässt.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von SnBi als Pulverbeimischung ergibt sich durch die Tatsache, dass in Lötpasten der Oxidgehalt des Pulvers so niedrig wie möglich sein muss, damit gutes Aufschmelzen erhalten wird. Die Zugabe von Wismut zu einem zinnreichen oder Zinn-Blei-Lötmittel auf herkömmliche Weise verändert das auf der Pulveroberfläche gebildete Oxid von Zinnoxid zu einem ge mischten Oxid, das Wismut sowie Zinn enthält. Das gemischte Oxid wächst schneller als das Zinkoxid, deshalb enthalten Wismutlegierungslötpulver mehr Oxid als Nicht-Wismutlegierungslötmittel und verschlechtern sich bei Lagerung schneller. Die Herstellung der Legierung unter Verwendung eines Pulvers und eines Gemischs ergibt einen niedrigeren Gesamtoxidgehalt, somit bessere Lagerungs- und Aufschmelzeigenschaften.
Es wurde hier bereits gesagt, dass die endgültige Legierung einen Bi-Gehalt von 1–10% haben sollte. Diese Menge liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2–6% und beträgt am stärksten bevorzugt etwa 5%. Bis zu jeweils 1% Ag, Cu und Sb können in der Wismut enthaltenden Additivlegierung eingesetzt werden, die bevorzugt 40–70% Bi und als Rest Zinn enthält. Sind ein oder mehr der Elemente Ag, Cu und Sb vorhanden, sollte wegen dieser beiden Faktoren vorzugsweise aufgepasst werden, dass die endgültige Legierung die folgende Analyse aufweist:

Ag bis zu 6%

Cu bis zu 3%

Sb bis zu 5%

Bi 1–10%

Sn Rest

Claims

Verfahren zur Befestigung einer Chipkomponente an einer gedruckten Schaltung, umfassend die Verwendung einer bleifreien Legierung in einer Lötpaste, die derart formuliert ist, dass die Neigung zum Grabsteineffekt (tombstoning) sowie der Schmelzpunkt der bleifreien Legierung verringert werden, indem zu einer Paste aus einem ersten Lötlegierungspulver, die eine bleifreie Lötpaste ist, ein SnBi-Legierungspulver gegeben wird, das niedriger schmilzt als das erste Lötlegierungspulver, wobei eine Wismut enthaltende, endgültige Legierung mit 1–10% Wismut hergestellt wird und die erste Lötlegierung 0–5% Cu, 0–10% Ag und 0–5% Sb enthält mit dem Rest Sn und mindestens ein Element aus Cu, Ag und Sb in einer Mindestmenge von 0,1% vorhanden ist, wobei die Legierung mit dem niedrigeren Schmelzpunkt als feineres Pulver vorliegt als die Legierung mit dem höheren Schmelzpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Lötlegierungspulver 0,1–3% Cu, 0,1–5% Ag und 0,1-5% Sb enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Lötlegierungspulver die Zusammensetzung SnAg3,8Cu0,7 hat.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei das SnBi-Legierungspulver 40–70% Bi enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das SnBi-Legierungspulver außerdem ein oder mehr Elemente aus Ag, Cu und Sb enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die endgültige Legierung die Analyse aufweist: Ag bis zu 6% Cu bis zu 3% Sb bis zu 5% Bi 1–10% Sn Rest
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die endgültige Legierung einen Bi-Gehalt im Bereich von 2–6% hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf die Herstellung eines Lötfleckens angewendet wird, der eine Komponente an der Oberfläche eines Leiters auf einem dielektrischen Substrat befestigt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Legierung mit dem niedrigeren Schmelzpunkt in Form eines Pulvers eingesetzt wird, dessen Teilchengröße größtenteils kleiner als 25 μm Durchmesser ist, während die Teilchen des ersten Lötlegierungspulvers größtenteils Durchmesser über 25 μm haben.