DE69425224T2

DE69425224T2 - Zinn-wismuth-lötpaste und deren verwendung

Info

Publication number: DE69425224T2
Application number: DE69425224T
Authority: DE
Inventors: William Beckenbaugh; Cynthia Melton; Dennis Miller
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2014-04-06
Also published as: KR950702463A; EP0655961A4; CA2140253C; DE69425224D1; CA2140253A1; JP3476464B2; US5429292A; WO1994027777A1; EP0655961A1; EP0655961B1; ATE194533T1; US5389160A; JPH07509662A; KR100213695B1

Description

Hintergrund der Erfindung®

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Lötpaste zum Bilden einer Zinn-Wismuth-Lötverbindung mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Lötpaste, welche eine Mischung aus einem Zinn-Wismuth- Legierungspulver und einem Pulver eines dritten Metalls, vorzugsweise Gold oder Silber, umfaßt, so daß die Hochtemperatureigenschaften der Produktverbindung verbessert werden.
Eine Lötpaste wird verwendet, um eine Lötverbindung zu bilden, beispielsweise um eine Komponente auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungskarte oder dergleichen anzubringen ("surface mounting"). Eine typische Paste umfaßt ein Pulver, welches aus einer Lötlegierung gebildet und in einem flüssigen Träger, der ein Flußmittel enthält, dispergiert ist. Der Träger kann ebenso ein sich verbrauchendes organisches Bindemittel umfassen, so daß das Pulver nach der Anwendung in einer selbsttragenden Masse gehalten wird. Zur Ausbildung der Verbindung umfaßt die Karte eine durch Löten benetzbare Verbindungslötfläche, welche eine erste Paßfläche bildet. Gleichermaßen umfaßt die Komponente eine zweite durch Löten benetzbare Paßfläche, beispielsweise einen Kontakt. Die Lötpaste wird geeigneterweise der Verbindungslötfläche zugeführt, beispielsweise durch Siebdruck ("screen printing"), woraufhin die Komponente mit der zweiten Paßfläche mit der aufgebrachten Lötpaste in Kontakt gebracht wird. Die Anordnung wird daraufhin erhitzt, um den Träger zu verdampfen und die Lötlegierung zu schmelzen und zum Fließen zu bringen. Durch Kühlung verfestigt sich die Lötlegierung wieder, und sie verbindet die Paßflächen, um die Verbindung zu vervollständigen. Die Lötverbindung bringt die Komponenten nicht nur körperlich an der Karte an, sondern die Verbindungslötfläche auf der Karte und der Kontakt der Komponente werden auch elektrisch verbunden, um im Betrieb einen elektrischen Strom zur Komponente oder von dieser weg zu leiten.
Herkömmliches Lötmittel ist aus einer Zinn-Blei-Verbindung gebildet. Es wurde vorgeschlagen, eine bleifreie Lötverbindung zu bilden, welche aus einer Zinn-Wismuth-Legierung zusammengesetzt ist. Jedoch neigt eine Zinn-Wismuth-Legierung zu schlechten mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen, welche bei mikroelektronischen Packungen während der Anwendung typischerweise angetroffen werden. Insbesondere neigen derartige Lötlegierungen dazu, bei niedrigen Temperaturen um 100ºC unannehmbar weich zu werden, wobei sie eine relativ geringe Schmelztemperatur aufweisen, insbesondere im Vergleich zu den herkömmlichen Zinn-Blei-Lötmitteln.
Die US-A-4,657, 589 beschreibt eine Lötverbindung, der einem Lötmetall eine geringe Menge Gold zugefügt wurde, um das Brechen der Lötverbindung in elektronischen Schaltungen zu vermeiden.
Die US-A-4,373,974 beschreibt eine Lötverbindung fein verteilter Lötmetalle, die in einem Träger mit viskositätssteigernden Agenzien, organischen Lösungsmitteln und einem Harz dispergiert sind.
Das Dokument "Principles of soldering and brazing" von G. Hump- San et al., März 1993, ASM Int., OH, USA, Seiten 234-235 beschreibt Veränderungen weicher Lötmittel bezüglich des Schmelzpunktes unter Verwendung von Gold.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird eine Lötpaste nach Anspruch 1 zur Verfügung gestellt. Diese Lötpaste kann verwendet werden, um eine Lötverbindung zu bilden, welche verbesserte mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aufweist, einschließlich einer erhöhten Schmelztemperatur, wobei dies das Ergebnis der Legierungsbildung des dritten Metalls mit der Zinn-Wismuth-Legierung ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird weiterhin mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen veranschaulicht.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Anordnung einer gedruckten Schaltungskarte und einer elektrischen Komponente mit einer Lötpaste gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Anordnung aus Fig. 1 nach dem Aufschmelzen des Lötmittels zum Bilden einer Lötverbindung;
Fig. 3 ist ein Graph, welcher die Schmelztemperatur als Funktion des Goldgehalts in einer Zinn-Wismuth-Lötlegierung zeigt; und
Fig. 4 ist ein Graph, welcher die Knoop-Härte ("Knoop hardness") als Funktion der Temperatur für einige Lötlegierungen zeigt, einschließlich goldhaltiger Zinn-Wismuth- Legierungen, die aus einer Lötpaste gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Lötpaste gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Bildung einer bleifreien Lötverbindung zum Anbringen einer elektrischen Komponente auf eine gedruckte Schaltungskarte verwendet. Die Paste ist durch das Zufügen eines Goldpulvers zu einer kommerziellen Lötpaste mit Zinn-Wismuth-Lötpulver in geeigneter Weise zusammengesetzt. Ein bevorzugtes Zinn-Wismuth-Lötpulver besteht aus einer nahezu eutektischen Legierung, welche aus etwa 60 Gew.-% Wismuth und dem ausgleichenden Zinn zusammengesetzt ist, wobei sie weniger als 0,1% Blei als Verunreinigung enthält. Das Zinn-Wismuth-Pulver liegt in einer Größe zwischen -200 und +325 Mesh vor und es wurde in einem Träger dispergiert. Der Träger ist aus einem Alkohol mit hohem Siedepunkt und einem Glycol- Lösemittel zusammengesetzt, wobei er ein Flußmittel mit einer weißen Harzverbindung enthält. Die Paste enthält ebenfalls ein sich verbrauchendes organisches Bindemittel, geeigneterweise eine Ethyl-Cellulose-Verbindung, welche geeignet ist, das Pulver in einer Kohäsionsablagerung zu binden. Eine geeignete Paste ist von Indium Corporation of America unter der Handelsbezeichnung Indalloy 281 käuflich erhältlich. Der Zinn-Wismuth- Lötpaste wird Goldpulver zugefügt, um die Paste gemäß der vorliegenden Erfindung zusammenzusetzen. Die Teilchen des Goldpulvers haben Dimensionen zwischen etwa 5 und 10 um. Die Menge des zugefügten Goldes wurde auf der Grundlage des Gesamtgewichtes des Metallpulvers berechnet, und sie beträgt zwischen etwa 1,0 und 2,2 Gew.-%.
Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen; dort ist eine Anordnung zum Anbringen einer diskreten Komponente 10, wie etwa eines Widerstandes oder dergleichen, auf eine gedruckte Schaltungskarte 12 dargestellt, wobei die Lötpaste gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die gedruckte Schaltkarte 12 umfaßt eine metallische Kupferspur 16, welche an einem dielektrischen Substrat 18 von dem als FR4-Karte bezeichneten Typ angebracht ist, wobei diese aus einem Epoxyharz und einem Glasfaserlaminat zusammengesetzt ist. Die Spur 16 enthält auf der Oberfläche eine Lötstelle 20, welche der Ort zum Anbringen der Komponente 10 ist. Die Karte 12 umfaßt weiterhin einen Lötstop 22, welcher aus einer Epoxygrundlage oder einem anderen geeigneten Polymerharz zusammengesetzt ist, welches eine durch Lötmittel nicht benetzbare Barriere bildet. Der Lötstop 22 wird der Spur 16 zugefügt, um das Verteilen von Lötlegierung zu vermeiden und hierdurch die Lötlegierung während des Aufschmelzens auf die Verbindungslötstelle 20 zu begrenzen. Eine aufgebrachte Menge 24 der Lötpaste mit der Mischung aus Zinn-Wismuth-Lötpulver und Goldpulver wird der Verbindungslötstelle 20 durch Siebdruck zugefügt. Die Komponente 10 umfaßt einen Kontakt 30, welcher aus einer Palladium-Silber-Legierung gebildet ist, welche eine Paßfläche für die Verbindung bildet. Nach dem Aufbringen der Lötpaste 24 wird die Komponente 10 mit der gedruckten Schaltungskarte 12 zusammengesetzt, so daß der Kontakt 30 mit der aufgebrachten Menge 24 in Kontakt ist.
Zur Vervollständigung der Verbindung wird die in Fig. 1 gezeigte Anordnung auf eine Temperatur größer als 140ºC erhitzt, vorzugsweise größer als 160ºC, um die Lötlegierung aufzuschmelzen. Während der anfänglichen Erwärmungsstufen werden restliches Lösemittel und organisches Bindemittel in der aufgebrachten Menge 24 abgebaut und verdampft. Wenn die Anordnung auf eine Temperatur oberhalb von 138,5ºC, die eutektische Schmelztemperatur, erwärmt wird, lösen sich die Zinn-Wismuth- Teilchen, und sie koagulieren zum Bilden einer flüssigen Phase. Gleichzeitig beginnt die flüssige Phase mit dem Schmelzen des Goldpulvers. Bei der erhöhten Temperatur bildet sich eine gleichförmige Flüssigkeit, welche die Verbindungslötstelle 20 und den Kontakt 30 benetzt. Die Benetzung wird durch die Aktivität des weißen Harzflußmittels erleichtert. Die Anordnung wird gekühlt, um die Lötverbindung 32 in Fig. 2 zu erzeugen, welche die Verbindungslötstelle 20 und den Kontakt 30 verbindet und sich kontinuierlich dazwischen erstreckt, um die Komponente 10 an der Karte 12 anzubringen und ebenso, um die Lötstelle 20 und den Kontakt 30 elektrisch zu verbinden. Die Verbindung 32 ist im wesentlichen aus Zinn und Wismuth zusammengesetzt, welche aus der Lötlegierung des ersten Metallpulvers stammen, und sie enthält Gold, welches aus dem zweiten Metallpulver stammt, vorzugsweise in einer Menge zwischen etwa 1,0 und 2,2 Gew.-%.
Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Lötpaste zur Verfügung, welche eine Mischung von in einem verdampfbaren Träger dispergierten Metallpulvern enthält. Die Mischung ist vorzugsweise aus Pulvern gebildet, welche aus einer Lötlegierung aus Zinn und Wismuth zusammengesetzt sind. Allgemein enthalten Zinnlegierungen zwischen etwa 30 und 70 Gew.-% Wismuth mit Schmelztemperaturen, die niedrig genug sind, um das Aufschmel zen auf einem herkömmlichen Substratmaterial, wie etwa auf Epoxy-basierenden gedruckten Schaltungskarten, zu gestatten, und welche ohne weiteres mit hoher Reinheit, im wesentlichen bleifrei, erhältlich sind. Die bevorzugte Legierung enthält zwischen etwa 48 und 68 Gew.-% Wismuth. Die Paste umfaßt weiterhin eine geringfügige Zufügung eines zweiten Metallpulvers mit einem dritten Metall, um die mechanischen Eigenschaften des Zinn-Wismuth-Lötmittels zu verbessern. Geeignete dritte Metalle zur Legierungsbildung mit dem Zinn-Wismuth-Lötmittel umfassen Gold und Silber, wobei Gold bevorzugt ist. Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform des zweiten Metallpulvers aus dem dritten Metall in reiner Form zusammengesetzt ist, kann das Metall auch von vornherein als Legierung vorliegen, auch mit Zinn oder Wismuth. Während des Erwärmens zum Aufschmelzen der Lötpaste schmilzt und verfließt das Zinn-Wismuth-Pulver anfänglich. Es ist ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Aufschmelzen der Zinn-Wismuth-Lötpaste bei einer relativ geringen Temperatur beginnt, die wesentlich geringer ist als die der goldhaltigen Legierung, welche die Verbindung bildet. Dies unterstützt die Benetzung der Paßflächen während der frühen Stufen des Aufschmelzens, wobei dieses Benetzen wesentlich für die Bildung einer starken Lötverbindung ist. Dennoch löst sich das dritte Metall zu einem gewissen Zeitpunkt in der flüssigen Phase, und es geht eine Legierung mit dem Zinn und dem Wismuth ein, um eine Verbindung mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften zu bilden.
Fig. 3 ist ein Graph, welcher die Schmelztemperatur als Funktion der Goldkonzentration in einer Legierung zeigt, welche aus 58 Gew.-% Wismuth und dem ausgleichenden Zinn zusammengesetzt ist. Es ist zu erkennen, daß Goldkonzentrationen von nur 1 Gew.-% die Schmelztemperatur der Legierung signifikant erhöhen.
Konzentrationen die größer als etwa 2,2 Gew.-% sind, haben Schmelztemperaturen oberhalb von 210ºC. In herkömmlicher Praxis werden Lötmittel bei Temperaturen aufgeschmolzen, welche 20 ºC bis 40ºC oberhalb der Schmelztemperatur liegen, um das Schmelzen zu beschleunigen und die Zykluszeit zu reduzieren. Demgemäß benötigen Legierungen mit mehr als etwa 2,2 Gew.-% Gold hohe Aufschmelztemperaturen, welche dazu führen, daß andere Merkmale beschädigt werden, die typischerweise in elektronischen Packungen vorzufinden sind. Ebenfalls wird bei höheren Goldkonzentrationen die Bildung von intrametallischen Zinn- Gold-Phasen signifikant, wobei die Neigung zum Verschlechtern der mechanischen Eigenschaften der Verbindung entsteht. Eine bevorzugte Goldkonzentration in der Produktverbindung liegt zwischen etwa 1,0 und 2,2 Gew.-% Gold.
In Fig. 4 ist die Knoop-Härte in Gramm pro Mikrometer als Funktion der Temperatur aufgetragen. Die Kurve A zeigt die neue Härte für eine Legierung mit etwa 2,0 Gew.-% Gold, 58 Gew.-% Wismuth und dem ausgleichenden Zinn, wobei die Legierung durch eine Paste erzeugt wurde, die gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt ist. Zu Vergleichszwecken zeigt Kurve B die Härte einer vergleichbaren Zinn-Wismuth-Legierung ohne Gold, wobei die Kurve C eine Standardlegierung eines Zinn-Blei- Lötmittels zeigt, welches aus etwa 2 Gew.-% Silber, etwa 36 Gew.-% Blei und dem ausgleichenden Zinn zusammengesetzt ist. Es ist zu erkennen, daß die Zufügung von Gold die Härte der Wismuth-Blei-Lötlegierung wesentlich bei erhöhten Temperaturen steigert und eine Härte erzeugt, die mit der Zinn-Blei- Legierung innerhalb des Bereiches von etwa 110ºC bis 150ºC vergleichbar ist. Im allgemeinen wird angenommen, daß Härte eine erhöhte Stärke anzeigt, so daß die Zinn-Wismuth- Goldlegierung, welche von der Paste gemäß der vorliegenden Er findung herrührt, zu stärkeren, haltbareren Verbindungen führt, die besser in der Lage sind, den Temperaturentwicklungen standzuhalten, wie sie typischerweise bei mikroelektronischen Packungen während der Verwendung auftreten.
Wenngleich sich die Fig. 3 und 4 auf Zufügungen von Gold zu Zinn-Wismuth-Legierungen beziehen, wird angenommen, daß man ein ähnliches Ansteigen der Schmelztemperatur der Zinn-Wismuth- Legierung aufgrund der Verwendung von Silberzufügungen erhält. Dementsprechend kann Silber in geeigneter Weise als Ersatz dienen, um die Hochtemperatureigenschaften der Verbindungen zu verbessern, die aus Legierungen aus Zinn und Wismuth gebildet sind.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde die Lötpaste, die mit einer Goldzufügung gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt ist, zum Anbringen einer diskreten Komponente an einer gedruckten Schaltungskarte verwendet. Während des Aufschmelzens koagulieren die Metallpulver der Lötpaste, um eine Lötflüssigkeit zu bilden, welche eine erste Paßfläche benetzt, die die Verbindungslötstelle der gedruckten Schaltkarte ist, so wie eine zweite Paßfläche, welche der Kontakt der Komponente ist; durch Kühlung tritt eine Verfestigung ein, um die erwünschte Lötverbindung zu bilden. Wenngleich Kupfer- und Platin- Silberlegierungen für die Paßflächen gewählt wurden, können die Paßflächen in geeigneter Weise aus Nickel oder irgendeinem anderen Metall gebildet werden, welches durch Lötmittel benetzbar ist, so daß eine starke Lötverbindung erzeugt wird. Weiterhin kann die Erfindung ohne weiteres angewendet werden, um Höckerlötverbindungen zwischen einem Substrat, wie etwa einer gedruckten Schaltungskarte oder einem keramischen Chipträger, und einer Verbindungslötfläche zu bilden, welche auf einem integrierten Schaltungschip angeordnet ist.
Auch wenn die Erfindung anhand von bestimmten Ausführungsformen beschrieben wurde, so ist hierdurch nicht beabsichtigt, daß sie durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt wird, sondern nur durch den Umfang, der in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben ist.
Die Ausführungsformen der Erfindung, bezüglich derer ein exklusives Eigentum oder Vorrecht beansprucht wird, sind wie folgt definiert.

Claims

1. Lötpaste mit einer Mischung aus einem ersten Metallpulver, einem zweiten Metallpulver und einem verdampfbaren Träger, wobei das erste Metallpulver aus einer Lötlegierung gebildet ist, welche zwischen 30 und 70 Gew.-% Wismuth und, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen, ausgleichendes Zinn aufweist, wobei das zweite Metallpulver ein drittes Metall der Gruppe aus Gold und Silber in einer Menge zwischen 1,0 und 2,2 Gew.-% basierend auf dem gesamten Metallpulver aufweist, so daß es sich in der Lötlegierung löst, um ihre Schmelztemperatur zu erhöhen.

2. Lötpaste nach Anspruch 1, bei der die Lötlegierung aus zwischen 48 und 68 Gew.-% Wismuth und, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen, ausgleichendem Zinn besteht und wobei das zweite Metallpulver aus Gold besteht.

3. Lötpaste nach Anspruch 1, welche weiterhin einen verdampfbaren Träger aufweist, und wobei

- das erste Metallpulver in dem verdampfbaren Träger dispergiert ist und aus einer Lötlegierung gebildet ist, die, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen, aus zwischen 48 und 68 Gew.-% Wismuth und ausgleichendem Zinn besteht, und

- das zweite Metallpulver aus Gold besteht und in dem verdampfbaren Träger dispergiert ist.

4. Verfahren zum Bilden einer Lötverbindung unter Verwendung der Lötpaste gemäß Anspruch 1,

gekennzeichnet durch

- Anordnen einer ersten Paßfläche und einer zweiten Paßfläche in Kontakt mit der Lötpaste zum Ausbilden einer Anordnung,

- Erhitzen der Anordnung auf eine Temperatur, welche in der Lage ist, die Lötverbindung zu schmelzen, um eine Lötflüssigkeit zu bilden und das dritte Metall in der Lötflüssigkeit zu lösen, und

- Kühlen der Anordnung zum Bilden einer Lötverbindung, welche mit der ersten und der zweiten Paßfläche verbunden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Lötlegierung, neben unvermeidbaren Verunreinigungen, aus zwischen 48 und 68 Gew.-% Wismuth und ausgleichendem Zinn besteht und bei dem das zweite Metallpulver aus Gold besteht.

6. Verfahren zum Bilden einer Lötverbindung unter Verwendung einer Lötpaste gemäß Anspruch 1 zum Anbringen einer elektrischen Komponente an einer gedruckten Schaltungskarte, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

- Aufbringen einer Lötpaste auf eine Verbindungsfläche der gedruckten Schaltungskarte, wobei die Paste das erste Metallpulver und das zweite Metallpulver enthält, welche in einem verdampfbaren Träger dispergiert sind, wobei das erste Metallpulver aus einer Lötlegierung gebildet ist, die, neben unvermeidbaren Verunreinigungen, aus zwischen 48 und 68 Gew.-% Wismuth und ausgleichendem Zinn besteht, wobei das zweite Metallpulver aus Gold besteht,

- Anordnen einer durch Lötmittel benetzbaren Paßfläche der Komponente in Kontakt mit der aufgebrachten Menge auf der gedruckten Schaltungskarte, um eine Anordnung zu bilden,

- Erhitzen der Anordnung zum Verdampfen des Trägers und zum Schmelzen der Lötlegierung, um eine Lötflüssigkeit zu bilden, woraufhin sich das zweite Metallpulver in der Lötflüssigkeit löst, und

- Kühlen der Anordnung, um die Lötflüssigkeit zu verfestigen, so daß sich eine Lötverbindung bildet, welche die Komponente mit der gedruckten Schaltungskarte verbindet und zwischen 1,0 und 2,2 Gew.-% Gold enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Erhitzens das Erhitzen der Anordnung auf über 140ºC enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Erhitzens das Erhitzen der Anordnung auf über 160ºC enthält.