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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft eine bleifreie Lötmittellegierung und insbesondere
eine bleifreie Lötmittellegierung,
die ausgezeichnete Eigenschaften zeigt, wenn sie verwendet wird,
um winzige Lötverbindungen
zu bilden, wie Lötverbindungen,
die durch Lötperlen
gebildet werden.
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Stand der
Technik
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Lötperlen
werden verwendet, um elektronische Teile an gedruckte Schaltungen
zu löten.
Beispielsweise werden bei Halbleiter-Gehäusen, wie BGA-("ball grid array")Vorrichtungen und
einem beträchtlichen
Teil der CSPs (Gehäusen
von Chip-Größe; "chip size packages") und MCMs (Multichip-Modulen),
Lötperlen
auf den Elektroden-Anschlussflächen
eines Substrats für
das Gehäuse
gebildet und verwendet, um das Gehäuse durch Aufschmelzlötung elektrisch
und physisch mit einer gedruckten Schaltung zu verbinden.
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Lötperlen
werden auch als Mittel zur drahtlosen Kontaktierung eines Halbleiter-Chips mit einem Substrat
oder einer gedruckten Schaltung verwendet. Drahtlose Kontaktierungsverfahren
unter Verwendung von Lötperlen
schließen
das TAB-(automatische
Folienbonden-)Verfahren und das Flip-Chip-Verfahren ein. Das Flip-Chip-Verfahren
ist eine Form des DCA-(direkten Chip-Anbringungs-)Verfahrens (auch
als Nackter-Chip-Montageverfahren bezeichnet). Obwohl das DCA-Verfahren
auch durch Drahtkontaktierung durchgeführt werden kann, ist kürzlich eine
drahtlose Kontaktierung unter Verwendung von Lötperlen, wie das Flip-Chip-Verfahren,
im DCA-Verfahren vermehrt verwendet worden, insbesondere auf dem
Gebiet der mobilen oder tragbaren elektronischen Produkte.
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Die
Drahtkontaktierungs-Technologie ist äußerst fortgeschritten, aber
sie erfordert immer noch eine gewisse Menge an Zeit, da die Elektroden
eines elektronischen Teils nacheinander anstelle von gleichzeitig kontaktiert
werden müssen,
wenn eine Drahtkontaktierung verwendet wird, und die Golddrähte, die
für die Drahtkontaktierung
verwendet werden, sind teuer. Weiter kann es, wenn ein Halbleiter-Chip
eine große
Zahl von Elektroden nahe seinem Zentrum aufweist, unmöglich sein,
Verbindungen zu allen Elektroden durch Drahtkontaktierung zu bilden,
da das Ergebnis sein könnte,
dass einige der Drähte
in Kontakt treten, was nicht zulässig
ist.
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Diese
Probleme der Drahtkontaktierung werden durch drahtlose Kontaktierung
beseitigt. Die drahtlose Kontaktierung ist allgemein weniger teuer
als die Drahtkontaktierung, da keine Golddrähte mehr verwendet werden,
und ihre Produktivität
ist überlegen,
da eine große
Zahl von Verbindungen gleichzeitig gebildet werden kann. Zusätzlich tritt
das Problem nicht auf, dass Drähte
miteinander in Kontakt treten.
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Lötmittellegierungen,
die herkömmlich
für das
Löten von
elektronischen Teilen verwendet worden sind, waren in den meisten
Fällen
Pb-Sn-Lötmittellegierungen.
Pb-Sn-Legierungen weisen eine ausgezeichnete Lötbarkeit und relativ niedrige
Schmelztemperaturen auf, so dass sie für das Löten von elektronischen Teilen an
gedruckte Schaltungen mit geringem Auftreten von Lötdefekten
sehr geeignet sind, was es so ermöglicht, zuverlässige Lötverbindungen
zu bilden.
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Wenn
elektronische Geräte,
die unter Verwendung einer Pb-Sn-Lötmittellegierung hergestellt
worden sind, nicht mehr funktionieren oder veraltet werden, werden
sie häufig
einfach weggeworfen, anstelle von repariert oder überholt
zu werden. Einige der Materialbestandteile der weggeworfenen elektronischen
Geräte (Metall,
das in Rahmen verwendet wird, Kunststoff, der in Gehäusen verwendet
wird, Glas, das in Anzeigen verwendet wird) können zurückgewonnen und wiederverwendet
werden, aber gedruckte Schaltungen in weggeworfenen elektronischen
Geräten
können
im Allgemeinen nicht wiederverwendet werden, so dass sie typisch
durch Lagerung in Müllgruben
entsorgt werden. Dies ist der Fall, da die Harze und der Kupferbelag,
die verwendet werden, um eine gedruckte Schaltung zu bilden, eng
aneinander haften und Lötmittel
metallisch an den Kupferbelag gebunden ist, so dass diese Materialien
nicht leicht voneinander getrennt werden können.
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Wenn
gedruckte Schaltungen, die durch Lagerung in der Erde entsorgt sind,
mit saurem Regen in Kontakt treten, der in den Boden eingesickert
ist, wird Pb in dem Lötmittel
durch den sauren Regen aus dem Lötmittel
herausgelöst,
und Wasser, das Pb enthält,
sickert weiter in den Boden und mischt sich mit Grundwasser und
kann in die Wasserversorgung eintreten. Wenn Pb-haltiges Wasser
von Menschen über
lange Zeiträume eingenommen
wird, häuft
sich das Pb im Körper
an und kann schließlich
zu einer Bleivergiftung führen.
Um die schädlichen
Wirkungen von Pb in Wasservorräten
zu vermeiden, ist nun die Verwendung von Pb in Lötmittel in der ganzen Welt
reguliert, und als Ergebnis gibt es ein großes Interesse in der Elektronikindustrie
an bleifreien Lötmitteln,
die kein Pb enthalten.
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Die
meisten bleifreien Lötmittel
basieren auf Sn und schließen
ein oder mehrere Legierungselemente wie Ag, Cu, Bi, In, Zn, Ni,
Cr, P, Ge und Ga ein.
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Einige
Beispiele für
binäre
bleifreie Lötmittellegierungen,
die in der Vergangenheit verwendet worden sind, sind Sn-Cu-, Sn-Sb-,
Sn-Bi-, Sn-Zn- und Sn-Ag-Lötmittellegierungen.
Im Allgemeinen weisen bleifreie Lötmittel auf Sn-Basis eine unterlegene
Lötbarkeit
im Vergleich zu herkömmlichen
Pb-Sn-Lötmitteln
auf. Insbesondere weisen die Sn-Cu- und Sn-Sb-Lötmittellegierungen eine schlechte
Lötbarkeit
auf. Sn-Bi-Lötmittellegierungen
tendieren dazu, spröde
Lötverbindungen
zu bilden, die nicht nur leicht beim Auftreten eines Stoßes abgeschält werden,
sondern auch abgehoben werden können,
wenn sie mit einer geringen Menge Pb kontaminiert sind, welches
aus der Auftragung auf einem Anschluss in die Verbindungen eingeführt wird. Sn-Zn-Lötmittellegierungen
weisen Probleme auf, da Zn ein Grundmetall ist. Wenn beispielsweise
eine Sn-Zn-Lötmittellegierung
in Form einer Lötpaste
verwendet wird, kann sich die Paste rasch in einem solchen Maß abbauen,
dass sie nicht durch Drucken aufgetragen werden kann, oder eine
galvanische Korrosion kann in gelöteten Teilen auftreten, nachdem
das Löten
beendet ist. So sind unter den bleifreien Lötmitteln auf Sn-Basis Sn-Ag-Lötmittellegierungen anderen
binären
bleifreien Lötmittellegierungen
bezüglich
Eigenschaften wie Lötbarkeit,
Sprödigkeit
und Alterung (Lagerungsstabilität) überlegen.
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Jedoch
weisen bleifreie Sn-Ag-Lötmittellegierungen
nicht immer eine genügende
Bondingfestigkeit auf, insbesondere wenn sie verwendet werden, um
Verbindungen mit einer sehr kleinen Bondingfläche zu bilden. Es gibt eine
anhaltende Tendenz, die Leistung zu verbessern, während die
Größe von elektronischen
Geräten
verringert wird, was einen Bedarf an Steigerungen der Leistung und
Verringerungen der Größe von elektronischen
Teilen schafft, die derartigen Geräten einverleibt werden. Wenn
man beispielsweise eine BGA-Vorrichtung
betrachtet, nimmt die Zahl der darauf gebildeten Elektroden zu,
während
ihre Gesamtgröße abnimmt. Als
Ergebnis weisen die meisten kompakten BGA-Vorrichtungen nahezu den
gleichen winzigen Abstand zwischen Lötperlen auf wie CSPs (Gehäuse von
Chip-Größe), so
dass sie ebenfalls als CSPs angesehen werden. Demgemäß werden
die Durchmesser der auf den Elektroden-Anschlussflächen von elektronischen Teilen
zu bildenden Lötperlen
ebenfalls kleiner, aber gleichzeitig wird eine Bondingfestigkeit
gefordert, die mit derjenigen von Perlen mit größerem Durchmesser vergleichbar
ist. Während
die Bondingfestigkeit einer herkömmlichen bleifreien
Sn-Ag-Lötmittellegierung
ausreichend sein kann, wenn sie verwendet wird, um Perlen mit großem Durchmesser
zu bilden, ist die Bondingfestigkeit für Lötperlen mit kleinem Durchmesser,
wie diejenigen, die auf CSPs gebildet werden, nicht ausreichend.
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Bei
der Herstellung wird ein elektronisches Teil häufig einem Einbrenntest unterzogen,
welcher bestimmt, ob das elektronische Teil bei erhöhter Temperatur
korrekt arbeiten kann. Die Bedingungen eines Einbrenntests unterscheiden
sich abhängig
vom Hersteller, aber typische Testbedingungen sind eine Testzeitspanne
von 12 Stunden bei einer Temperatur von 125°C. Nach einem Einbrenntest wird,
wenn das elektronische Teil eines mit Lötperlen ist, das Teil mit einer
Bildverarbeitungsausrüstung überprüft, um festzustellen,
ob irgendwelche der Lötperlen
fehlen oder missgestaltet sind.
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Es
wurde beobachtet, dass die Oberfläche einer Lötperle, die aus einer bleifreien
Sn-Ag-Lötmittellegierung
auf einem elektronischen Teil gebildet ist, bei einem Einbrenntest
gelb gefärbt
werden kann. Wenn die Oberfläche
einer Lötperle
gelb gefärbt
wird, kann eine Bildverarbeitungsausrüstung, die bei der anschließenden Überprüfung der
Lötperle
verwendet wird, unter Umständen
die Lötperlen,
die gelb gefärbt
worden sind, nicht genau nachweisen, wodurch ungenaue Ergebnisse
erzeugt werden. Beispielsweise gibt es die Möglichkeit, dass defekte Lötperlen
in einem Teil nicht erfasst werden oder dass ein Teil mit zufriedenstellenden
Lötperlen
irrtümlich
als defekt zurückgewiesen
wird. Demgemäß ist das
Gelbwerden von Lötperlen
beim Einbrenntest unerwünscht.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein bleifreies Lötmittel auf Sn-Ag-Basis bereit,
das eine ausreichende Bondingfestigkeit aufweist, selbst wenn es
verwendet wird, um winzige Lötperlen
zu bilden. Sie stellt auch eine bleifreie Lötmittellegierung auf Sn-Ag-Basis bereit,
die auf ihrer Oberfläche
nicht gelb wird, wenn sie nach dem Löten einer hohen Temperatur
zum Beispiel in einem Einbrenntest ausgesetzt wird.
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Die
gegenwärtigen
Erfinder fanden, dass, wenn eine kleine Menge Ni zusammen mit einer
kleinen Menge von mindestens einem aus (a) Co und (b) mindestens
einem aus P, Ge und Ga einer Sn-Ag-Lötmittellegierung zugesetzt
wird, die Bondingfestigkeit der Legierung durch eine synergistische
Wirkung von Nickel mit Co und/oder P, Ge oder Ga verbessert wird.
Sie fanden auch, dass der Zusatz einer geringen Menge an P, Ge oder
Ga wirksam ist, um zu verhindern, dass die Oberfläche des
Lötmittels
gelb wird, wenn es hoher Temperatur ausgesetzt wird.
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Eine
bleifreie Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst 1,0–5,0
Gew.-% Ag, 0,01–0,5
Gew.-% Ni, mindestens eines aus (a) 0,001–0,05 Gew.-% Co und (b) mindestens
einem aus P, Ge und Ga in einer Gesamtmenge von 0,001–0,05 Gew.-%
und einen Rest aus Sn.
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So
kann die bleifreie Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung jede der folgenden Kombinationen umfassen:
- (1) 1,0–5,0
Gew.-% Ag, 0,01–0,5
Gew.-% Ni, 0,001–0,05
Gew.-% Co und einen Rest aus Sn oder
- (2) 1,0–5,0
Gew.-% Ag, 0,01–0,5
Gew.-% Ni, mindestens eines aus P, Ge und Ga in einer Gesamtmenge von
0,001–0,05
Gew.-% und einen Rest aus Sn oder
- (3) 1,0–5,0
Gew.-% Ag, 0,01–0,5
Gew.-% Ni, 0,001–0,05
Gew.-% Co, mindestens eines aus P, Ge und Ga in einer Gesamtmenge
von 0,001–0,05
Gew.-% und einen Rest aus Sn.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch Lötkugeln, die aus der Lötmittellegierung
gebildet sind, und eine Lötpaste
bereit, welche ein Pulver aus der Lötmittellegierung gemischt mit
einem Flussmittel umfasst. Sie stellt auch ein elektronisches Teil
mit einer Mehrzahl von Lötperlen
bereit, die aus der Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet sind.
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In
der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein elektronisches Teil ein
Teil, das auf einer gedruckten Schaltung montiert ist, einschließlich eines
auf einer Platte montierten elektronischen Teils mit einem Substrat, wie
einer BGA-Vorrichtung, eines CPS oder MCM, und ein nacktes elektronisches
Teil, wie einen Halbleiter-Chip,
der durch das Flip-Chip-Verfahren oder eine andere Form des DCA-Verfahrens gebondet
ist. Ein elektronisches Teil kann auch ein Zwischenprodukt oder
unfertiges elektronisches Teil sein, wie ein Substrat zur Verwendung
bei der Herstellung eines auf einer Platte montierten elektronischen
Teils, oder ein Halbleiter-Wafer.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
begleitende Figur zeigt schematisch einen Biegetest, der in dem
Beispiel verwendet wird.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In
einem bleifreien Lötmittel
auf Sn-Ag-Basis weist Ag die Wirkung der Erhöhung der Bondingfestigkeit und
Lötbarkeit
auf, wenn es jedoch in einer Menge von weniger als 1,0 Gew.-% vorliegt,
können
diese Wirkungen nicht realisiert werden. Jedoch erzeugt eine Erhöhung der
Menge an Ag über
5,0 Gew.-% hinaus keine weiteren Vorteile, und da Ag teuer ist,
ist der Zusatz einer großen
Menge desselben unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit unerwünscht. Deshalb
beträgt
in der vorliegenden Erfindung der Gehalt an Ag 1,0–5,0 Gew.-%
und bevorzugt 1,0–4,0
Gew.-%.
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Selbst
wenn die Menge an Ag in einem bleifreien Sn-Ag-Lötmittel bei 5,0 Gew.-% liegt,
kann unter Umständen
eine ausreichende Bondingfestigkeit bei winzigen Lötverbindungen,
wie Verbindungen, die durch Lötperlen
mit kleinem Durchmesser gebildet werden, nicht erhalten werden.
Wenn jedoch Nickel zusammen mit Co und/oder mindestens einem aus
P, Ge und Ga einer Sn-Ag-Lötmittellegierung
zugesetzt wird, kann die Bondingfestigkeit der Legierung auf ein
Maß erhöht werden,
dass für
winzige Lötverbindungen
ausreichend ist.
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Wenn
die Menge an einem Sn-Ag-Lötmittel
zugesetztem Ni geringer als 0,01 Gew.-% ist, wird die Bondingfestigkeit
der Legierung nicht erhöht,
während,
wenn die Menge an Ni größer als
5,0 Gew.-% ist, der Schmelzpunkt der Legierung zu hoch wird und
die Lötbarkeit
abnimmt. Deshalb beträgt
der Ni-Gehalt 0,01–5,0 Gew.-%
und bevorzugt 0,02–0,2
Gew.-%.
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Die
Bondingfestigkeit der Legierung wird weiter durch den Zusatz von
(a) Co oder (b) mindestens einem aus P, Ge und Ga oder von sowohl
(a) als auch (b) zusätzlich
zu Ni weiter erhöht.
Unter diesen Legierungselementen ist Co wirksamer bei der Erhöhung der
Bondingfestigkeit der Legierung. P, Ge und Ga dienen jeweils dazu,
die Mikrostruktur der Legierung zu verfeinern, wodurch deren Bondingfestigkeit
erhöht
wird. Diese Elemente weisen auch die Wirkung auf, das Gelbwerden
der Oberfläche
der Legierung nach dem Löten
zu verhüten,
wenn diese hoher Temperatur ausgesetzt wird, was die Überprüfung von
Lötperlen
mit einer Bildverarbeitungsausrüstung
stört.
Der Zusatz eines einzigen aus P, Ge oder Ga ist ausreichend, um
für diese
Wirkungen zu sorgen, aber beliebige zwei oder mehr dieser Elemente
können
zugesetzt werden.
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Welches
aus Co und/oder mindestens einem aus P, Ge und Ga einer Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zugesetzt wird, kann abhängig von der Anwendung der
Lötmittellegierung
gewählt werden.
Wenn beispielsweise die Lötmittellegierung
verwendet wird, um sehr kleine Lötperlen
zu bilden, wie diejenigen, die auf CSPs oder einem nacktem Silicium-Chip
oder -Wafer gebildet werden, ist es vorzuziehen, Co mit oder ohne
mindestens einem aus P, Ge und Ga zuzusetzen, um die Bondingfestigkeit
weiter zu erhöhen.
Wenn eine Überprüfung von
Lötperlen
nach dem Löten
durchgeführt
wird, ist es vorzuziehen, mindestens eines aus P, Ge und Ga mit
oder ohne Co zuzusetzen.
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Wenn
zugesetzt, liegt die Menge von Co im Bereich von 0,001–0,5 Gew.-%
und liegt die Gesamtmenge von mindestens einem aus P, Ge und Ga
im Bereich von 0,001–0,5
Gew.-%. Wenn die Menge an Co, die zugesetzt wird, kleiner als 0,001
Gew.-% ist, erhöht
es nicht merklich die Bondingfestigkeit der Legierung, während, wenn
mehr als 0,05 Gew.-% Co zugesetzt werden, der Schmelzpunkt der Legierung
zunimmt, wie es der Fall bei Ni ist, und dies weist eine nachteilige
Wirkung auf die Lötbarkeit
auf. Wenn die Gesamtmenge von P, Ge und Ga geringer als 0,001 Gew.-%
ist, kann das Gelbwerden der Lötmittellegierung
nicht verhindert werden, wohingegen, wenn diese Gesamtmenge mehr
als 0,05 Gew.-% beträgt,
der Zusatz derselben die Lötbarkeit
behindert. Eine vorzuziehende Menge an Co beträgt 0,005–0,03 Gew.-%, und eine vorzuziehende
Gesamtmenge an P, Ge und Ga beträgt
0,002–0,01
Gew.-%.
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Eine
bleifreie Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine verbesserte Bondingfestigkeit auf, insbesondere
wenn sie für
winzige Lötverbindungen
verwendet wird, wie Verbindungen, die durch Lötperlen mit kleinem Durchmesser
gebildet werden. Zusätzlich
kann aufgrund des Zusatzes von einem oder mehreren aus P, Ge und
Ga verhindert werden, dass die Oberfläche der Lötperlen in einer Hochtemperaturumgebung
nach dem Löten
gelb wird.
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Die
Bildung von Lötperlen
kann entweder unter Verwendung von Lötkugeln oder von Lötpaste durchgeführt werden.
Wenn Lötperlen
aus Lötkugeln
gebildet werden, wie im Fall von BGA-Vorrichtungen, werden die Lötperlen
gebildet, indem man Lötkugeln
auf die Elektroden-Anschlussflächen
eines Substrats (oder eines Halbleiter-Chips oder -Wafers) gibt
und das Substrat und die Lötkugeln
erwärmt,
um die Lötkugeln
zu schmelzen. Der Durchmesser von Lötkugeln, die für typische
BGA-Vorrichtungen verwendet werden, liegt im Bereich von 0,6–0,8 mm,
aber kleinere Lötkugeln
mit einem Durchmesser von 0,25–0,5
mm oder sogar noch kleiner können
für kleinere
BGA-Vorrichtungen, wie CSPs und nackte Chips oder Wafer, verwendet
werden.
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Wenn
die Lötperlen
aus einer Lötpaste
gebildet werden, wird die Lötpaste
gewöhnlich
durch Siebdruck auf die Elektroden-Anschlussflächen eines Substrats oder eines
Halbleiter-Chips oder -Wafers aufgebracht. Die Lötpaste wird dann erwärmt, um
das Flussmittel vollständig
oder nahezu vollständig
zu entfernen und das Lötmittelpulver
in der Paste zu schmelzen, wodurch Lötperlen auf den Elektroden-Anschlussflächen gebildet werden.
Dieses Verfahren ist anwendbar, um Lötperlen auf CSPs oder nackten
Chips oder Wafern zu bilden.
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Eine
Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann entweder in Form von Lötkugeln oder von Lötpaste verwendet
werden, um Lötperlen
zu bilden.
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Die
Lötmittellegierung
kann durch irgendein geeignetes Verfahren zu Lötkugeln gebildet werden, wie ein
Verfahren, in dem ein dünner
Lötdraht
in kleine Abschnitte mit genauer Länge geschnitten wird, die dann durch
erneutes Schmelzen in einem Ölbad
kugelförmig
gemacht werden, oder ein Verfahren, welches das Tropfen von Tropfen
aus geschmolzener Lötmittellegierung
in ein Ölbad
beinhalten.
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Damit
die Lötmittellegierung
in Form einer Lötpaste
verwendet werden kann, wird die Legierung durch irgendein geeignetes
Verfahren, wie ein Zentrifugenzerstäubungs-(Rotierende Scheibe-)Verfahren
oder Gaszerstäubungsverfahren,
zu einem Pulver geformt, und das Legierungspulver wird gleichförmig mit
einem Flussmittel gemischt. Bei dem Flussmittel kann es sich um
ein Flussmittel entweder auf Kolophonium-Basis oder auf Nicht-Kolophonium-Basis
handeln.
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Obwohl
die Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung besonders vorteilhaft ist, wenn sie verwendet wird, um
winzige Lötperlen
aus Lötkugeln
oder Lötpaste
zu bilden, kann sie auch vorteilhaft verwendet werden, um andere
Arten von Lötverbindungen
auf einem elektronischen Teil oder einer gedruckten Schaltung zu
bilden. So ist das Lötverfahren
nicht auf eine Aufschmelzlötung
von Lötperlen
beschränkt,
und andere Arten von Löten,
wie ein Tauchlöten
oder ein Schwall-Löten,
können
mit der Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Demgemäß schließen mögliche Formen der Lötmittellegierung
einen Draht, einen Stab, ein Pulver, eine Granalie oder dergleichen
zusätzlich
zu der oben beschriebenen Lötkugel und
Lötpaste
ein.
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Beispiel
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Lötmittellegierungen
mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen wurden mittels
eines Verfahrens, in dem ein dünner
Lötdraht
in kleine Abschnitte mit genauer Länge geschnitten wurde, die
dann durch erneutes Schmelzen in einem Ölbad kugelförmig gemacht wurden, zu Lötkugeln
mit einem Durchmesser von 0,3 mm geformt. Die Lötkugeln wurden einem Biegetest
und einem Verformungstest unterzogen, um ihre Bondingfestigkeit
und Beständigkeit
gegen Gelbfärbung
bei hoher Temperatur zu bewerten.
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Wie
in der begleitenden Figur gezeigt, wurde der Biegetest durchgeführt, indem
man eine Biegekraft auf eine gedruckte Schaltung 1 anwendete,
auf der ein Substrat 2 zur Verwendung bei der Herstellung
von CSPs (nachstehend als CSP-Substrat
bezeichnet) mit Lötperlen 3,
die aus Lötkugeln
gebildet waren, montiert war, den Verformungsgrad der gedruckten
Schaltung 1 maß,
bis die Lötperlen 3 zwischen
dem CSP-Substrat 2 und der gedruckten Schaltung 1 zerbrachen.
Je größer der
Verformungsgrad der gedruckten Schaltung ist, desto größer ist
die Bondingfestigkeit der Lötperlen.
Wenn die Verformung in dem Test mindestens 9,5 mm beträgt, wird
davon ausgegangen, dass die Lötmittellegierung
in der Lage ist, eine Verbindung mit ausreichender Zuverlässigkeit
selbst bei strengen Verwendungsbedingungen zu bilden. Die Verformung
in dem Test beträgt
bevorzugt mindestens 10,0 mm.
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Der
Biegetest wurde auf die folgende Weise durchgeführt. Die Testergebnisse sind
in Tabelle 1 gezeigt.
- (1) Die Lötkugeln
wurden auf 150 Elektroden-Anschlussflächen auf einem CSP-Substrat gegeben,
das 30 × 120
mm maß und
eine Dicke von 0,8 mm aufwies.
- (2) Das CSP-Substrat, auf dem die Lötkugeln angeordnet waren, wurde
in einem Schmelzofen erwärmt,
um die Lötkugeln
zu Lötperlen
auf den Elektroden-Anschlussflächen des
Substrats zu formen.
- (3) Das CSP-Substrat, auf dem die Lötperlen gebildet waren, wurde
auf eine gedruckte Glas-Epoxy-Leiterplatte gegeben, wobei die Lötperlen
in Kontakt mit den entsprechenden Verbindungs-Anschlussflächen der Platte
standen, und das CSP-Substrat und die gedruckte Leiterplatte wurden
zusammen in einem Schmelzofen erwärmt, um das CSP-Substrat an
die gedruckte Leiterplatte zu löten.
- (4) Die gedruckte Leiterplatte, an die das CSP-Substrat gelötet war,
wurde 10 Tage bei 125°C
zur Alterung in einer Thermostatenkammer belassen.
- (5) Nach der Alterung wurde die gedruckte Leiterplatte einem
Biegetest auf die Weise unterzogen, die in der begleitenden Zeichnung
gezeigt ist.
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Eine
gedruckte Schaltung 1 mit einem CSP-Substrat 2,
das durch Lötperlen 3 an
diese gelötet
war, wurde mit dem nach unten weisenden CSP-Substrat 2 auf
zwei Stützelemente 4 mit
einem keilförmigen
Querschnitt gegeben. Die Stützelemente 4 waren
50 mm voneinander beabstandet, und das CSP-Substrat 2 war zwischen
den Stützelementen 4 so
angeordnet, dass sich seine lange Seite (die 120 mm-Seite) parallel zu
den Stützelementen
erstreckte (d.h. senkrecht zu der Zeichnungsebene erstreckte) und
dass sich sein Zentrum in der Mitte zwischen den Stützelementen 4 befand.
Eine Last wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,01 mm/s von oben
auf die gedruckte Schaltung 1 angewendet, indem man ein
Element 5 mit einem keilförmigen Querschnitt an einem
Ort herabdrückte,
der in der Mitte zwischen den Stützelementen 4 lag.
Der Verformungsgrad der gedruckten Schaltung 1 beim Zerbrechen
von einer oder mehreren Lötperlen 3 zwischen
dem CSP-Substrat 2 und der gedruckten Schaltung 1,
d.h. die Bewegungsmenge des herabdrückenden Elements 5,
gemessen von da an, wo das herabdrückende Element 5 zuerst
mit der gedruckten Schaltung 1 in Kontakt trat, bis die
Lötperlen 3 brachen,
wurde gemessen.
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Der
Zweck des Verfärbungstests
bestand darin zu bestimmen, ob Lötperlen,
die aus den Legierungen gebildet waren, eine Gelbfärbung eingingen,
wenn sie einer Hochtemperaturumgebung nach dem Löten ausgesetzt wurden. Der
Verfärbungstest
wurde wie folgt durchgeführt.
- (1) Die Lötkugeln
wurden auf Elektroden-Anschlussflächen eines CSP-Substrats wie
desjenigen, das für den
Biegetest verwendet wurde, angebracht.
- (2) Das CSP-Substrat, auf dem die Lötkugeln angebracht waren, wurde
in einem Schmelzofen erwärmt,
um die Lötkugeln
zu Lötperlen
auf den Elektroden-Anschlussflächen des
CSP-Substrats zu formen.
- (3) Das CSP-Substrat, auf dem die Lötperlen gebildet waren, wurde
24 Stunden in einer Thermostatenkammer bei 150°C belassen, und dann wurden
die Oberflächen
der Lötperlen
visuell bezüglich
einer Gelbfärbung
betrachtet.
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Die
Ergebnisse des Verfärbungstests
sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. In der Tabelle 1 zeigt "Nein" Fälle an,
in denen fast keine Gelbfärbung
auftrat, und "Ja" zeigt Fälle an,
in denen eine signifikante Gelbfärbung
auftrat.
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Tabelle
1 zeigt auch die Ergebnisse für
Vergleichslegierungen (Nr. 10–13),
einschließlich
einer herkömmlichen
Sn-Ag-Legierung, einer Sn-Ag-Cu-Legierung, die im japanischen Patent
Nr. 3,027,441 offenbart ist, einer Sn-Ag-Ni-Cu-Legierung, die in der JP-A-11-277290
offenbart ist, und einer Sn-Ag-Ni-Legierung, die in der JP-A-10-193172
offenbart ist, welche auf die gleiche Weise wie oben getestet wurden.
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(Bemerkungen)
Nr. 1 bis 9 sind Legierungen gemäß der vorliegenden
Erfindung, und Nr. 10 bis 13 sind Vergleichslegierungen.
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Aus
Tabelle 1 ist ersichtlich, dass alle Lötmittellegierungen gemäß der vorliegenden
Erfindung eine deutlich höhere
Verformung beim Biegetest aufwiesen als die Vergleichs-Lötmittellegierungen,
was anzeigt, dass sie eine verbesserte Bondingfestigkeit aufwiesen.
Es ist auch ersichtlich, dass der Zusatz von Ni und mindestens einem
aus P, Ge und Ga ohne Cu die Bondingfestigkeit verbessern konnte,
wie durch die Ergebnisse des Biegetests angezeigt, obwohl der Zusatz
von Co weiter die Bondingfestigkeit verbessern konnte. Diejenigen
Lötmittellegierungen,
die eines oder mehrere aus P, Ge und Ga enthielten, konnten einer
Alterung in einer Hochtemperaturumgebung ohne Gelbwerden standhalten.
Demgemäß wird erwartet,
dass die Lötperlen,
die aus derartigen Lötmittellegierungen
gebildet sind, einem Einbrenntest unterzogen werden können, ohne
dass sie eine Gelbfärbung
eingehen. Im Gegensatz dazu gingen alle Vergleichs-Lötmittellegierungen
eine Gelbfärbung
ein.
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Obwohl
die Lötmittellegierungen
in dem Beispiel in Form von Lötperlen
getestet wurden, die aus Lötkugeln
gebildet wurden, können ähnliche
Ergebnisse erwartet werden, wenn sie in Form von Lötperlen
getestet werden, die aus Lötpaste
durch Siebverdrucken der Paste, gefolgt von Erwärmen, gebildet wurden.
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Wie
oben erwähnt,
weist eine bleifreie Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Bondingfestigkeit nach Löten auf, die stärker ist
als diejenige einer herkömmlichen
bleifreien Sn-Ag-Legierung, so dass sie Lötverbindungen mit ausgezeichneter
Zuverlässigkeit
bereitstellen kann. Weiter enthält
eine bleifreie Lötmittellegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung eines oder mehrere aus P, Ge und Ga, geht nach Löten selbst
in einem Hochtemperaturtest keine Gelbfärbung ein, so dass Lötperlen,
die aus der Lötmittellegierung gebildet
sind, durch eine Bildverarbeitungsausrüstung genau überprüft werden
können.
