DE60026547T2

DE60026547T2 - Lötverfahren und lötstelle

Info

Publication number: DE60026547T2
Application number: DE60026547T
Authority: DE
Inventors: Fujitsu Limited Masayuki Kawasaki-shi KITAJIMA; Fujitsu Limited Masakazu Kawasaki-shi TAKESUE; Fujitsu Limited Tadaaki Kawasaki-shi SHONO; Motoko Kawasaki-shi FUJIOKA
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: KR100660582B1; KR20020031098A; DE60026547D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Löten von elektronischem Gerät durch ein bleifreies Lötmaterial und auf eine durch dieses gebildete Lötverbindung.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Bisher fand eine weit reichende Anwendung von Blei/Zinn-Lötlegierungen (Pb/Sn-Lötlegierungen) zum Löten verschiedener Arten von elektrischem und elektronischem Gerät vom Gesichtspunkt ihrer niedrigen Schmelzpunkte und guten Benetzbarkeit sogar in oxidierenden Atmosphären statt.
Pb ist toxisch, sodass für die Handhabung von Pb sowie von Legierungen und anderen Materialien, die Pb enthalten, verschiedene Beschränkungen festgelegt werden.
Ferner wurde das jüngst ansteigende Interesse am Umweltschutz von härteren Vorschriften für die Entsorgung von elektronischem Gerät und anderem Abfall, der Pb-enthaltene Legierungen verwendet, begleitet.
In der Vergangenheit wurde elektronischer Geräteschrott mit großen Mengen Pb-enthaltener Lötlegierung im Allgemeinen auf die gleiche Art und Weise wie gewöhnlicher industrieller Schrott oder allgemeiner Schrott hauptsächlich durch Vergraben entsorgt.
Wenn elektronischer Geräteschrott mit großen Mengen von Pb-enthaltenem Lötmittel weiterhin durch Vergraben wie gegenwärtig entsorgt wird, wird die Elution des Pb dafür verantwortlich sein, einen schädlichen Einfluss auf die Umwelt und lebende Organismen aufzuweisen.
In der nahen Zukunft wird die Entsorgung von elektronischem Geräteschrott mit großen Mengen von Pb- enthaltener Lötlegierung nur nach Rückgewinnung des Pb wahrscheinlich obligatorisch werden.
Bis jetzt wurde jedoch keine Technik zum effizienten und wirksamen Entfernen von Pb aus elektronischem Geräteschrott etc. eingeführt. Ferner werden die Kosten der Rückgewinnung von Pb dafür verantwortlich sein, einen Kostenanstieg der Produkte zu verursachen.
Daher besteht ein starkes Interesse an der Entwicklung einer Löttechnik mit einem bleifreien Lötmaterial.
Einige bleifreie Lötmaterialien wurden kommerziell verwertet, wie beispielsweise Legierungen aus Sn, wobei Sb (Antimon), Ag (Silber), Ge (Germanium), Ti (Titan) etc. komplex hinzugefügt wurden, wobei diese jedoch auf spezielle Anwendungen begrenzt sind. Dies ist so, weil sie nicht die Merkmale aufweisen, die bei allgemeinen Anwendungen erforderlich sind, bei denen herkömmliche verwendete Pb/Sn-Lötlegierungen verwendet wurden, d.h. den niedrigen Schmelzpunkt und die gute Benetzbarkeit, die Aufschmelzfähigkeit und die Reaktionsfreiheit mit dem Basismaterial, um eine spröde Verbundschicht oder versprödete Schicht zu bilden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst als ihre Aufgabe die Bereitstellung eines Lötverfahrens und einer Lötverbindung, die in der Lage sind, eine Verbindungsfestigkeit sicherzustellen, die mit der des Lötens mit einer herkömmlichen Pb/Sn-Lötlegierung vergleichbar ist, ohne einen schädlichen Einfluss auf die Umwelt und ohne einen Anstieg in den Kosten aufzuweisen.
Die Aufgabe kann durch ein Lötverfahren erreicht werden, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
Beschichten von Cu-Elektroden von elektronischem Gerät mit einem Rostschutz-Überzug, der aus einer N enthaltenen organischen Verbindung besteht, und
Bilden von Lötverbindungen auf den beschichteten Cu-Elektroden durch Verwenden eines Lötmaterials, das aus mindestens 2,0 Gewichtsprozent und weniger als 3 Gewichtsprozent Ag, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Cu und einem Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Lötmaterial kann ferner insgesamt nicht mehr als 3 Gewichtsprozent von mindestens einem Element enthalten, das aus der aus Sb, In, Au, Zn, Bi und Al bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Eine der typischen Anwendungen der vorliegenden Erfindung ist eine Leiterplatte einer elektronischen Vorrichtung. Durch Abdecken der zu lötenden Cu-Elektroden mit einem Rostschutz-Überzug, der aus einer N (Stickstoff) enthaltenen organischen Verbindung zusammengesetzt ist, werden eine langfristige Lagerfähigkeit und Lötmittelbenetzbarkeit sichergestellt.
In der Vergangenheit bestand die Praxis darin, die Cu-Elektroden zu vernickeln und dann zu vergolden, wobei dies jedoch das Manko hoher Kosten und außerdem eines komplizierten Galvanisierungsprozesses und daher einer langen Herstellungszeit aufwies. Ferner bestand die Gefahr der Umweltverschmutzung durch die Entsorgung des Flüssigabfalls der Galvanisierung.
Bei der vorliegenden Erfindung werden durch die Verwendung des obigen Rostschutz-Überzugs die Kosten verringert und die Herstellungszeiten verkürzt.
In der Vergangenheit wurde für den Rostschutz der Cu-Elektroden ein Harz-Überzug aus Kolophonium (natürliches Pinus-Harz) oder Harz (synthetisches Harz) etc. gebildet. Da der Überzug ein dicker Überzug mit über 20 μm war, wurde jedoch Sondieren während elektrischer Tests schwierig. Aus diesem und anderen Gründen war eine Reinigung nach dem Löten notwendig.
Andererseits bestand die Praxis darin, ein wasserlösliches Rostschutzmittel zu verwenden, um die Dicke des Überzugs zu verringern, um die Reinigung nach dem Löten zu eliminieren. D.h., die durch Ätzen mit einer Kupfersulfatlösung etc. gereinigten Cu-Elektroden wurden dann in eine 1000 bis 5000 ppm eines wasserlöslichen Rostschutzmittels enthaltene Lösung getaucht, um einen Koordinationsbindungs-Überzug zu bilden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein äußerst dünner Rostschutz-Überzug durch Koordinationsbindungen (Chelatbindungen) durch das N in der N und das Metall enthaltenen organischen Verbindung gebildet. Man glaubt, dass die Dicke des Überzugs geringer als 3000 A° ist.
Für die N enthaltenen organischen Verbindungen mit dem Rostschutz-Überzug der vorliegenden Erfindung werden zyklische Verbindungen der in 1 gezeigten Strukturformeln, wie beispielsweise Imidazol, Benzoimidazol, Alkylimidazol, Benzotriazol, Mercaptobenzothiazol, Pyrrol, Thiazol etc., verwendet.
Die für ein Lötmaterial erforderlichen Eigenschaften sind wie folgt:

(1) Eine hohe Benetzbarkeit mit dem Basismaterial.
(2) Die Lötfähigkeit bei einer ausreichend niedrigen Temperatur, um keinen Hitzeschaden an dem gelöteten elektronischen Gerät zu verursachen; d.h., ein Schmelzpunkt, der gleich dem Schmelzpunkt des herkömmlichen Pb/Sn-Lötmittels von 456K (183°C) ist.
(3) Reaktionsfreiheit mit dem Basismaterial, um eine spröde intermetallische Verbindung oder versprödete Schicht zu bilden.
(4) Die Fähigkeit in einer Form, die Automatisierungsanwendung ermöglicht, wie beispielsweise als ein Pasten-, Pulver- oder Fadenlötmittel geliefert zu werden.
(5) Freiheit von schlechter Benetzbarkeit, Hohlräumen, Brücken und anderen Defekten aufgrund von Oxiden der Metallbestandteile in dem Lötmaterial.

Insbesondere muss beim Löten von elektrischem Gerät das geschmolzene Lötmittel dazu gebracht werden, in enge Zwischenräume zu fließen, sodass die Oberflächenspannung, Viskosität, Fluidität, etc. des Lötmaterials bedeutsam sind.
Die herkömmlichen Pb/Sn-Lötlegierungen erfüllen die obigen Bedingungen gut, wobei es jedoch schwierig war, Umweltverschmutzung infolge von Pb zu vermeiden.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Lötmaterial ist eine Ag/Cu/Sn-Legierung, die aus mindestens 2 Gewichtsprozent und weniger als 3 Gewichtsprozent Ag, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Cu und dem Rest aus im Wesentlichen Sn besteht. Da sie kein Pb enthält und da die Legierungsbestandteile Ag, Cu und N alle Elemente mit einer hohen Sicherheit sind, besteht keine Gefahr von Umweltverschmutzung. Außerdem werden die oben geforderten Eigenschaften zufriedenstellend erfüllt.
Die Gründe für die Begrenzung der Zusammensetzung der Ag/Cu/Sn-Lötlegierung der vorliegenden Erfindung werden nachstehend erläutert.
[Ag: mindestens 2,0 Gewichtsprozent und weniger als 3,0 Gewichtsprozent]
Hinsichtlich der grundlegendsten Eigenschaft eines Lötmaterials, d.h. seines Schmelzpunkts, ist es notwendig, einen niedrigen Schmelzpunkt (nicht mehr als 220°C) sicherzustellen, der gleich dem der herkömmlichen Pb/Sn- Lötlegierungen ist. Wenn der Ag-Gehalt mindestens 2,0 Gewichtsprozent beträgt, kann ein niedriger Schmelzpunkt von nicht mehr 220°C sichergestellt werden. Wenn der Ag-Gehalt geringer als 2,0 Gewichtsprozent wird, steigt der Schmelzpunkt plötzlich an. Wenn der Ag-Gehalt andererseits 3,0 Gewichtsprozent oder mehr wird, wird eine große Menge von Nadelkristallen erzeugt, die elektronischen Vorrichtungen schließen sich miteinander kurz und die Zuverlässigkeit der Verbindung nimmt ab. Für Anwendungen, bei denen es insbesondere notwendig ist, Kurzschlüsse aufgrund von Nadelkristallen zu verhindern und die Zuverlässigkeit der Verbindung zu verfolgen, ist es wünschenswert, den Ag-Gehalt im Bereich der vorliegenden Erfindung außerdem auf nicht mehr als 2,5 Gewichtsprozent zu begrenzen, da die Erzeugung von Nadelkristallen im Wesentlichen vollständig verhindert werden kann. Im Gegensatz ist es für Anwendungen wünschenswert, bei denen es notwendig ist, insbesondere die Dicke der später erläuterten intermetallischen Verbundschicht niedrig zu halten, den Ag-Gehalt weiter innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung auf nicht weniger als 2,5 Gewichtsprozent zu begrenzen, da die Dicke der intermetallischen Verbundschicht weiter verringert werden kann. Als Ag-Gehalt, der diese beiden Bedingungen gleichzeitig erfüllt, ist 2,5 Gewichtsprozent am bevorzugsten.
[Cu: 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent]
Die Lötlegierung und die Cu-Elektroden werden durch die Erzeugung einer intermetallischen Verbindung an der Grenzfläche zwischen der Lötlegierung und den Cu-Elektroden verbunden. D.h., die Erzeugung einer intermetallischen Verbindung ist wesentlich. Wenn die intermetallische Verbundschicht andererseits zu dick wird, wird sie spröde und die Verbindungsfestigkeit nimmt ab. Daher wird die intermetallische Verbundschicht vorzugsweise so dünn wie möglich zur Zeit des Verbindens ausgebildet. Es ist wünschenswert, dass sie gegen das Wachstum infolge der Wärmehistorie nach dem Verbinden widerstandsfähig ist. Die Erfinder maßen die Dicke der intermetallischen Verbundschicht an der Verbindungsgrenzfläche bei Temperaturen von bis zu 150°C, von denen man glaubt, dass sie die Wärmehistorie darstellen, der das elektronische Gerät in der Anwendungsumgebung unterworfen wird. Als Ergebnis entdeckten sie, dass, wenn der Ag-Gehalt in dem Bereich der vorliegenden Erfindung und der Cu-Gehalt in dem Bereich von 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent liegt, sich die Dicke der intermetallischen Verbundschicht stabilisiert und auf nicht mehr als etwa 4 μm unterdrückt werden kann. Sogar wenn der Cu-Gehalt nur ein wenig über dem obigen Bereich liegt, steigt die Dicke der intermetallischen Verbundschicht an. Als Cu-Gehalt, der geeignet ist, die Dicke der intermetallischen Verbundschicht auf die dünnste zu unterdrücken, ist 0,7 Gewichtsprozent am bevorzugtesten.
Aus den obigen Gründen ist bei der Ag/Cu/Sn-Lötlegierung der vorliegenden Erfindung der Ag-Gehalt auf mindestens 2,0 Gewichtsprozent und weniger als 3,0 Gewichtsprozent und der Cu-Gehalt auf 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent begrenzt. Der Ag-Gehalt kann in Übereinstimmung mit der Bedürfnis ausgewählt werden, entweder in dem Bereich von mindestens 2,0 Gewichtsprozent bis nicht mehr als 2,0 Gewichtsprozent oder von mindestens 2,5 Gewichtsprozent bis weniger als 3,0 Gewichtsprozent zu liegen. Die bevorzugteste Zusammensetzung ist 2,5Ag/0,7Cu/Sn.
Wenn die Löttemperatur von elektronischem Gerät um 10K (10°C) abfällt, verdoppelt sich im Allgemeinen die Lebensdauer von elektronischen Vorrichtungen. Die Verringerung des Schmelzpunkt des Lötmaterials ist äußerst bedeutsam.
Ferner weist die Ag/Cu/Sn-Lötlegierung der vorliegenden Erfindung Eigenschaften auf, die denen des Hauptbestandteils Sn äußerst nahe liegen, d.h. eine gute Benetzbarkeit mit Cu und eine hohe Leitfähigkeit.
Ferner wird, da die Menge von hinzugefügtem Ag gering ist, die Legierung kostengünstig auf dem gleichen Niveau wie herkömmliche Pb/Sn-Legierungen zur Verfügung gestellt.
Die Lötlegierung der vorliegenden Erfindung kann eine Gesamtmenge von nicht mehr als 3 Gewichtsprozent aus einem oder mehreren Elementen, das/die aus Sb (Antimon), In (Indium), Au (Gold), Zn (Zink), Bi (Wismut) und Al (Aluminium) ausgewählt wird/werden, zusätzlich zu der obigen Grundzusammensetzung von Ag/Cu/Sn umfassen.
Diese Elemente (insbesondere In und Bi) senken den Schmelzpunkt der Lötlegierung weiter ab und verbessern die Benetzbarkeit weiter. Wenn die Gesamtmenge über 3 Gewichtsprozent liegt, wird jedoch das äußere Erscheinungsbild der Lötverbindung, insbesondere der Glanz, schlechter. Wenn allein der Gehalt von Bi über 3 Gewichtsprozent liegt, nimmt die Zuverlässigkeit der Verbindung mit einem Pb enthaltenen Material weiter ab.
Die Lötverbindung der vorliegenden Erfindung enthält als unvermeidbare Verunreinigungen O (Sauerstoff), N, H (Wasserstoff) etc.. Insbesondere neigt O dazu, die Legierung spröde zu machen, daher sollte es in der Menge sehr gering gehalten werden.
Eine hauptsächlich aus Sn zusammengesetzte Lötlegierung ist zur Zeit des Lötens gegen Oxidation von Sn anfällig. Daher wird das Löten vorzugsweise in einer Atmosphäre aus N₂ oder Ar (Argon) oder in einer anderen, nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt. Infolgedessen ist es möglich, eine schlechte Benetzung oder schlechte elektrische Verbindung aufgrund der Oxidation der Lötlegierung zu verhindern.
Das Löten der vorliegenden Erfindung kann wie das herkömmliche Löten durchgeführt werden, während eine Ultraschallwelle angewendet wird, um die Benetzung zu fördern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine chemische Strukturformel, die ein spezifisches Beispiel eines Rostschutz-Überzugs zeigt, der aus einer N enthaltenen organischen Verbindung zusammengesetzt ist und der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist eine graphische Darstellung der Änderung im Schmelzpunkt einer Legierung bezogen auf den Ag-Gehalt für eine 0 bis 3,5 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung.
3 ist eine graphische Darstellung der Änderung im Schmelzpunkt einer Legierung bezogen auf den Cu-Gehalt für eine 3 Gewichtsprozent Ag/0 bis 3 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung.
4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Ag-Gehalt in einer 0 bis 4 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung und der Häufigkeit des Auftretens von nadelförmigem Fremdstoff.
5 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Rostschutz-Überzug/Flussmittel-Mischung zeigt, die von der Lötverbindung der vorliegenden Erfindung ausgetrieben wird.
6 ist eine graphische Darstellung, die allein durch die Dicke der ε-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch eine 2 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150° für 100 Stunden zeigt.
7 ist eine graphische Darstellung, die allein durch die Dicke der η-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch eine 2 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
8 ist eine graphische Darstellung, die durch die gesamte Dicke der ε-Schicht und der η-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch eine 2 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
9 ist eine graphische Darstellung, die allein durch die Dicke der ε-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch eine 2,5 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150° für 100 Stunden zeigt.
10 ist eine graphische Darstellung, die allein durch die Dicke der η-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch eine 2,5 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
11 ist eine graphische Darstellung, die durch die gesamte Dicke der ε-Schicht und der η-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch eine 2,5 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
12 ist eine graphische Darstellung, die allein durch die Dicke der ε-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch 3 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
13 ist eine graphische Darstellung, die allein durch die Dicke der η-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch 3 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
14 ist eine graphische Darstellung die durch die gesamte Dicke der ε-Schicht und der η-Schicht das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung einer durch 3 Gewichtsprozent Ag/0 bis 1,5 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildeten Lötverbindung bei 125°C und 150°C für 100 Stunden zeigt.
15 ist eine graphische Darstellung, die im Vergleich mit einer Pb/Sn-Lötlegierung die Verbindungsfestigkeit je Verbindungsanschluss einer elektronischen Komponente vor und nach der Erwärmung einer Lötverbindung zeigt, die durch 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gebildet wird.
BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Beispiel 1
Die Gründe für die Beschränkung des Bereichs des Ag-Gehalts bei der vorliegenden Erfindung wird ausführlicher durch dieses Beispiel erläutert.
Die Wirkung des Ag-Gehalts und des Cu-Gehalts auf den Schmelzpunkt einer Ag/Cu/Sn-Legierung wurde untersucht. Insbesondere wurde der Schmelzpunkt einer 0 bis 3,5 Gewichtsprozent Ag/0 bis 3 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung gemessen. 2 und Tabelle 1 zeigen die Änderung im Schmelzpunkt einer Legierung bezogen auf den Ag-Gehalt für eine 0 bis 3,5 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn- Lötlegierung. Wie in 2 und Tabelle 1 gezeigt ist, wird ein niedriger Schmelzpunkt von nicht mehr als 220°C durch eine untere Grenze des bei der vorliegenden Erfindung festgelegten Ag-Gehalts von nicht weniger als 2,0 erhalten. Wenn der Ag-Gehalt geringer als 2,0 Gewichtsprozent wird, steigt der Schmelzpunkt scharf an. Diese Beziehung zwischen dem Ag-Gehalt und dem Schmelzpunkt ist die gleiche für den Bereich des bei der vorliegenden Erfindung festgelegten Cu-Gehalts von 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent. Es sei bemerkt, dass Pb/Sn in Tabelle 1 eine herkömmliche 37 Gewichtsprozent Pb/Sn-Lötlegierung ist.
3 und Tabelle 2 zeigen die Änderung im Schmelzpunkt einer Legierung bezogen auf den Cu-Gehalt für eine 3 Gewichtsprozent Ag/0 bis 3 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung. Man lernt, dass bei einem Cu-Gehalt eines weiten Bereichs, einschließlich des Bereichs von Cu von 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent der vorliegenden Erfindung, ein niedriger Schmelzpunkt von nicht mehr als 220°C erhalten wird. Ähnliche Ergebnisse wurden für die Beziehung zwischen dem Cu-Gehalt und dem Schmelzen für einen Ag-Gehalt eines Bereichs von nicht weniger als 2,0 Gewichtsprozent und weniger als 3,0 Gewichtsprozent erhalten.
Als nächstes wurde die Verbindungsfestigkeit für eine 0 bis 3,5 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Legierung und eine 3 Gewichtsprozent Ag/0,5 bis 1,3 Gewichtsprozent Cu/Sn-Legierung untersucht. Die Verbindungsprozedur war der von 2 ähnlich. Wie in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigt ist, ergibt die Lötverbindung des Bereichs der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung eine Verbindungsfestigkeit, die höher als die einer herkömmlichen Pb/Sn-Lötlegierung ist.
Ferner wurde die Häufigkeit des Auftretens von Nadelkristallen untersucht, die einen Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit aufweisen. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Ag-Gehalt und der Häufigkeit des Auftretens von Nadelkristallen (nadelförmigem Fremdstoff) für eine 0 bis 4 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung. Wie in 4 gezeigt ist, wird, wenn der Ag-Gehalt nicht geringer als 3,0 Gewichtsprozent ist, eine große Menge von Nadelkristallen erzeugt. Wenn eine große Menge von Nadelkristallen auf diese Art und Weise vorkommt, werden die sich elektronischen Vorrichtungen zwischen ihnen kurzschließen, und die Zuverlässigkeit der Verbindung wird abnehmen. Für Anwendungen, bei denen es notwendig ist, insbesondere Kurzschlüsse durch Nadelkristalle zu verhindern und die Zuverlässigkeit der Verbindung zu verfolgen, kann, wie in 4 gezeigt ist, wenn der Ag-Gehalt auf nicht mehr als 2,5 Gewichtsprozent begrenzt wird, das Auftreten von Nadelkristallen im Wesentlichen vollständig verhindert werden, sodass dies außerdem wünschenswert ist. Es sei bemerkt, dass, obwohl die Figur die Messergebnisse für eine 0 bis 4 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung zeigt, ähnliche Ergebnisse für einen Bereich eines Cu-Gehalt von 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent erhalten werden, der bei der vorliegenden Erfindung festgelegt wird.
Beispiel 2
Die Gründe für die Begrenzung des Bereichs des Cu-Gehalts bei der vorliegenden Erfindung werden ausführlicher durch dieses Beispiel erläutert.
Lötlegierungen mit Zusammensetzungen von Sn/2,0 bis 3,0 Ag/0 bis 1,5 Cu wurden aufbereitet.
Ein Rostschutz-Überzug aus einer Alkylbenzotriasolverbindung wurde als eine N enthaltene organische Verbindung auf Cu-Elektroden von Leiterplatten ausgebildet, die aus kupferbekleideten Laminatplatten zusammengesetzt sind.
Lötverbindungen wurden durch die folgende Prozedur auf den mit den Überzügen versehenen Cu-Elektroden durch die Lötlegierungen gebildet.

1) 90 Gewichtsprozent eines Lötpulvers, das aus jeder Legierung (Partikelgröße von etwa 20 bis 42 μm) erzeugt wurde, und 10 Gewichtsprozent eines Flussmittels (aktivierendes Agens und Harzkomponente) wurden gemischt, um eine Lötpaste aufzubereiten. Die Lötpaste wurde auf die mit dem obigen Überzug versehenen Cu-Elektroden siebgedruckt, um eine Lötpastenschicht einer gleichmäßigen Dicke (ungefähr 150 μm) zu bilden.
2) Die Verbindungsanschlüsse der elektronischen Vorrichtung wurden auf den mit den Lötpastenschichten versehenen Cu-Elektroden angeordnet. Die Verbindungsanschlüsse waren aus 42-Legierung (Fe/42 Gewichtsprozent Ni-Legierung) zusammengesetzt.
3) Die Lötpastenschichten wurden auf mindestens 498K (225°C) erhitzt, um das Lötmittel zu schmelzen, dann wurde die Erwärmung gestoppt und es den Schichten ermöglicht, auf Zimmertemperatur abzukühlen. Infolgedessen wurden Lötverbindungen zum Verbinden der Cu-Elektroden und der Verbindungsanschlüsse aus 42-Legierung gebildet.

Der aus der N enthaltenen organischen Verbindung zusammengesetzte Rostschutz-Überzug wurde durch die Erwärmung zersetzt, reagierte mit dem in dem Lötpaste enthaltenen säurehaltigem Flussmittel und wurde von der Cu-Elektrode/42-Legierung-Verbindung entfernt. D.h., man glaubt, dass, wie in 5 gezeigt ist, die Mischung 3 des Rostschutz-Überzugs und des Flussmittels von der Grenzfläche mit der Cu-Elektrode 1 durch die geschmolzene Lötlegierung 2 ausgetrieben wurde. Daher bleibt der die Cu-Elektroden abdeckende Rostschutz-Überzug nie an der gelöteten Grenzfläche.
Nachdem der Rostschutz-Überzug entfernt wurde, reagierte das Sn in der geschmolzenen Lötlegierung und das Cu in den Elektroden, um zwei Arten von intermetallischen Verbindungen (ε-Phase: Cu₃Sn, η-Phase: Cu₆Sn₅) an der Lötlegierung/Cu-Elektroden-Grenzfläche zu erzeugen. D.h., die Grenzflächenstruktur wird die Cu/ε-Schicht/η-Schicht-Lötlegierung.
Aufgrund der Erzeugung der intermetallischen Verbindungen werden die Lötlegierung und die Cu-Elektroden verbunden. D.h., die Erzeugung der intermetallischen Verbindungen ist für das Verbinden wesentlich. Andererseits wird, falls sie zu dick ist, die intermetallische Verbundschicht spröde und die Verbindungsfestigkeit nimmt ab. Daher wird die intermetallische Verbundschicht vorzugsweise so dünn wie möglich zur Zeit des Verbindens erzeugt. Vorzugsweise ist sie gegen Wachstum infolge der Wärmehistorie nach dem Verbinden widerstandsfähig.
6 bis 14 und Tabellen 5 bis 7 zeigen das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht im Fall der Erwärmung der durch unterschiedliche Lötlegierungen gebildeten Lötverbindungen bei 125°C und 150°C für 100 Stunden allein durch die Dicke ε-Schicht, allein der η-Schicht und der ε-Schicht plus η-Schicht. Insbesondere beträgt, wie aus 8, 11 und 14 ersichtlich ist, die Dicke der intermetallischen Verbundschicht nach der obigen Erwärmung (Gesamtdicke) nicht mehr als etwa 4 μm, wenn eine Lötlegierung mit einer Zusammensetzung verwendet wird, die innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegt. Insbesondere ist es möglich, indem der Cu-Gehalt auf 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent des Bereichs der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, die Dicke der intermetallischen Verbundschicht zu stabilisieren und zu verringern. Ferner neigt die Dicke der intermetallischen Verbundschicht dazu, geringer zu werden, wenn der Ag-Gehalt eher im Bereich von mindestens 2,5 Gewichtsprozent als im Bereich von nicht mehr als 2,0 Gewichtsprozent im Bereich der vorliegenden Erfindung liegt. Auf diese Art und Weise ist das Wachstum von intermetallischen Verbindungen der Lötverbindung der vorliegenden Erfindung langsam und stellt langfristig eine höhere Zuverlässigkeit sicher.
Beispiel 3
Die Verbindungsfestigkeit nach der Wärmebehandlung wurde untersucht. 15 zeigt die Verbindungsfestigkeit im gebondeten Zustand nach Erwärmung bei 125°C für 100 Stunden und nach Erwärmung bei 150°C für 100 Stunden für eine 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent Ag/0,7 Gewichtsprozent Cu/Sn-Lötlegierung. Aus den Ergebnissen der Figur lernt man, dass aufgrund der vorliegenden Erfindung eine Verbindungsfestigkeit erhalten wird, die gleich die der herkömmlichen Pb/Sn-Lötlegierung ist. Insbesondere nimmt die auf eine herkömmliche Ag/Sn-Lötlegierung zurückzuführende Verbindungsfestigkeit infolge der Erwärmung (Wärmehistorie) monoton ab, während man beobachtet, dass die Verbindungsfestigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung vielmehr dazu neigt, mit der Erwärmung anzusteigen. Tabelle 1 0 bis 3,5Ag/0,7Cu/Sn
Tabelle 2 3 Aq/0 bis 3 Cu/Sn
Tabelle 3
Tabelle 4
ANWENDUNGSFÄHIGKEIT IN DER INDUSTRIE
Wie oben erläutert wurde, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine einer herkömmlichen Pb/Sn-Lötlegierung äquivalente Verbindungsfestigkeit zu gewährleisten, ohne Umweltverschmutzung durch Pb und ohne einen Kostenanstieg zu verursachen.

Claims

Lötverfahren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Beschichten von Cu-Elektroden von elektronischem Gerät mit einem Rostschutz-Überzug, der aus einer N enthaltenen organischen Verbindung besteht, und Bilden von Lötverbindungen auf den beschichteten Cu-Elektroden durch Verwenden eines Lötmaterials, das aus mindestens 2,0 Gewichtsprozent und weniger als 3 Gewichtsprozent Ag, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Cu und einem Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Lötverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötmaterial 2,0 bis 2,5 Gewichtsprozent Ag enthält.
Lötverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötmaterial mindestens 2,5 Gewichtsprozent und weniger als 3,0 Gewichtsprozent Ag enthält.
Lötverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötmaterial ferner insgesamt nicht mehr als 3 Gewichtsprozent von mindestens einem Element aufweist, das aus der aus Sb, In, Au, Zn, Bi und Al bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Lötverbindung, die durch ein Lötverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 gebildet wird.