DE69628587T2

DE69628587T2 - Lot, lötpaste und lötverfahren

Info

Publication number: DE69628587T2
Application number: DE69628587T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Moriguchi-shi YAMAGUCHI; Tetsuo Katano-shi FUKUSHIMA; Kenichiro Nishinomiya-shi SUETSUGU; Akio Katano-shi FURUSAWA
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: EP0787559A1; US5918795A; US6267823B1; WO1997028923A1; EP0878265B1; JPH09216089A; JP3220635B2; DE69704725D1; EP0878265A1; EP0878265A4; MY117994A; US6428745B2; US20010018030A1; DE69628587D1; SG43578A1; DE69704725T2; US20010025875A1; EP0787559B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lötmittel, eine Lötmittelpaste und ein Lötverfahren, welches beim Löten einer elektronischen Schaltplatte verwendet wird.
Stand der Technik
In den letzten Jahren sind die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen und ein hochdichter Aufbau dieser Teile schnell bei der Technologie zum Aufbau elektronischer Bauteile zu elektronischen Schaltungen fortgeschritten. Als Ergebnis entstand eine schnelle und steigende Nachfrage nach einem Lötmittel, um eine hochentwickelte Bindung und dergleichen von einem elektronischen Bauteil mit engem Abstand und ausreichender Stärke zu ermöglichen. Zusätzlich, da die Bedenken bezüglich Umweltverträglichkeit zunehmen, konnte eine Bewegung hin zu vollzogenen gesetzlichen Bestimmungen für die Entsorgung von Industrieabfällen wie beispielsweise elektronische Schaltplatten (Platinen) beobachtet werden.
Im folgenden wird ein Beispiel für ein herkömmliches Lötmaterial unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 3 zeigt eine Mikrostruktur einer herkömmlichen Lötlegierung und die Mikrostruktur an der Bindungsgrenzfläche zwischen dem herkömmlichen Lötmaterial und einer Kupferanschlussfläche. In 3 bezeichnet die Zahl 1 eine α-feste Lösung (Mischkristall) mit einer Sn-reichen Phase. Die Zahl 2 bezeichnet eine β-feste Lösung (Mischkristall) mit einer Pb-reichen Phase. Die Zahl 3 bezeichnet eine intermetallische Verbindung der Zusammensetzung Cu₃Sn. Die Zahl 4 bezeichnet eine andere intermetallische Verbindung der Zusammensetzung Cu₆Sn₅. Die Zahl 5 bezeichnet einen Kupferboden.
Das oben gezeigte herkömmliche Lötmittel wird als eutektische Legierung von Sn und Pb verwendet, welche aus 63 Gew.-% Sn und 37 Gew.-% Pb zusammengesetzt ist und deren eutektischer Punkt 183°C ist. Zusätzlich hat die Legierung eine Mikrostruktur, worin die α-feste Lösung 1 und die β-feste Lösung 2 in dem lamellaren Zustand sind. Darüber hinaus wurden die intermetallischen Verbindungen 4 und 5 auf der Lötmittel/Kupferboden Bindungsgrenzfläche ausgebildet.
In den letzten Jahren wurden vom Standpunkt des Umweltschutzes in der Welt rapide Fortschritte gemacht, um die Verwendung von Blei zu regulieren, welches eine giftige Substanz enthalten in dem Lötmaterial (Sn-Pb-Legierung) ist. Das herkömmliche Lötmaterial hat das Problem, dass gewaltige Freisetzungen der giftigen Substanz Blei auftreten, wenn der Abfall einer gedruckten Schaltplatte mit Lötstellen aus herkömmlichem Lötmaterial saurem Regen ausgesetzt wird, und diese Toxizität von Blei verursacht nachteilige Auswirkungen auf den menschlichen Körper wie Neuropathien und dergleichen. Das herkömmliche Lötmaterial hat auch noch das andere Problem, dass, weil es in seiner Legierung eine lamellare Struktur hat, sich die Mikrostrukturen verdicken, wenn sie hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden und ein Gleiten an der mikrostrukturellen Grenzfläche des Lötmittels beim Anlegen einer Kraft an das Lotmittel auftritt, wodurch daran eine Bruchentwicklung verursacht wird. Darüber hinaus hat das herkömmliche Lötmaterial ein weiteres Problem, dass beim Löten und unter hoher Umgebungstemperatur doppelschichtige harte und brüchige intermetallische Verbindungen auf der Lötmittel/Kupferboden Bindungsgrenzfläche wachsen werden, welche die Bruchentwicklung an der Bindungsgrenzfläche induzieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist auf die Bereitstellung eines Lötmittels gerichtet, welches die Bildung von intermetallischen Verbindungen an der Lötmittel/Kupferboden Bindungsgrenzfläche unterdrückt und eine vortreffliche Hochtemperaturresistenz aufweist.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Bereitstellung einer Lötmittelpaste unter Ver wendung dieses Lötmittels und ein Lötverfahren, welches diese Lötmittelpaste verwendet.
Die Lötmittelpaste gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus einem Pulver des oben bezeichneten Lötmittels und einem Flussmittel zusammengesetzt sein.
Hierbei ist das Flussmittel aus wenigstens einem Harz, einem Aktivator, einem thixotrophen Mittel und einem Lösungsmittel zusammengesetzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, welches ein Aufschmelzprofil eines Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Darstellung, welche eine Mikrostruktur einer Lötlegierung eines Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Darstellung, welche die Mikrostruktur der herkömmlichen Lötlegierung und die Mikrostruktur an der Lötmittel/Kupferboden Bindungsgrenzfläche zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Das bleifreie Lötmittel gemäß der vorliegenden Erfindung, dessen wesentlicher Bestandteil Sn ist, enthält weiterhin 2,0 bis 3,5 Gew.-% Ag, 5 bis 18 Gew.-% Bi, 0,1–0,7 Cu und optional 0,1–1,5% In.
Durch eine Zugabe von Ag ist es möglich, ein Lötmittel mit einer feinen Mikrostruktur zu erhalten, welches eine hervorragende Hitzeresistenz hat, wie eine Resistenz gegen thermische Versprödung. Wenn der Gehalt an Ag unter 2,0 Gew.-% liegt, wird ein ausreichender steigernder Effekt bezüglich Hitzeresistenz nicht erhalten. Wenn ferner der Gehalt an Ag über 3,5 Gew.-% liegt, zeigt die resultierende Legierung eine sprunghafte Erhöhung ihres Schmelzpunktes. Damit eine Legierung als Lötmittelpaste einen bevorzugten Schmelzpunkt von 220°C oder weniger haben kann, sollte die Obergrenze an Ag enthalten in der Legierung 3,5 Gew.-% sein. Somit ist ein AG Gehalt von 2,0 bis 3,5 Gew.-% geeignet.
Darüber hinaus ist es möglich durch eine Zugabe von Bi den Schmelzpunkt des erhaltenen Lötmittels zu senken, wobei dabei die Benetzbarkeit gesteigert wird. Wenn der Gehalt an Bi unter 5 Gew.-% liegt, ist es unmöglich, die oben beschriebene Wirkung zufriedenstellend zu erhalten. Wenn ferner der Gehalt an Bi über 18 Gew.-% liegt, ist es unmöglich für die erhaltene Legierung eine zufriedenstellende Lötstellenfestigkeit zu erhalten. Daher ist der bevorzugte Gehalt an Bi 5 bis 18 Gew.-%.
Eine Zugabe von Cu unterdrückt die Bildung von intermetallischen Verbindungen an der Lötmittel/Kupferboden Bindungsgrenzfläche, wodurch die Festigkeit an der Bindungsgrenzfläche erhöht wird. Ein Cu Gehalt unter 0,1 Gew.-% erzeugt keinen derartigen Effekt für eine Legierung. Wenn ferner der Gehalt über 0,7 Gew.-% liegt, wird die erhaltene Legierung hart und brüchig. Folglich ist ein Gehalt an Cu von 0,1 bis 0,7 Gew.-% bevorzugt.
Das Lötmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst optional 0,1 bis 1,5 Gew.-% In.
Die Anwesenheit von In erhöht die Expansion und die Hitzeresistenz, wie beispielsweise Resistenz gegen thermische Versprödung einer Legierung. Ein Gehalt an In unter 0,1 Gew.-% erzeugt keinen derartigen Effekt für eine Legierung. Wenn ferner der Gehalt über 1,5 Gew.-% liegt, besitzt die erhaltene Legierung beeinträchtigte mechanische Festigkeit. Demgemäß ist ein bevorzugter Gehalt an In 0,1 bis 1,5 Gew.-%.
Die Lötmittelpaste gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch eine Zugabe so um eine Paste zu machen, eines Flussmittels zu einem Pulver des oben genannten Lötmittels zubereitet werden. Das Flussmittel ist im wesentlichen aus ca. 30 bis 70 Gew.-% fester Stoffe zusammengesetzt, wie beispielsweise Harz zur Verleihung von Fließvermögen und Viskosität für die Paste, eine geringe Menge eines Aktivators, ein thixotrophes Mittel zur Bewahrung der Form und einem Viskositätsverbesserungsmittel, welches hinzugefügt wird, wenn ein Grund es erfordert, und ungefähr 70 bis 30 Gew.-% eines Lösungsmittels.
Das Flussmittel, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht auf ein spezielles beschränkt. Wenn die Aufschmelzatmosphäre Luft oder Stickstoff ist, sind die Flussmittel des RA Typs mit einer relativ hohen Aktivität und die Flussmittel des RMA Typs mit einer relativ niedrigen Aktivität, welche keine Spülung erfordern, beide geeignet.
Es ist bevorzugt, Flussmittel des RMA Typs zu verwenden, wenn Luft die Aufschmelzatmosphäre ist.
Das Lötverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer Aufschmelzlöttechnik, welches die oben genannte Lötmittelpaste verwendet, ist dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach einem Durchtritt von einem Lötobjekt mit der Lötmittelpaste durch einen Bereich eines Aufschmelzofens, welcher eine Spitzentemperatur aufweist, es mit einer Abkühlrate von 10°C/Sekunde oder mehr abgekühlt wird.
Die vorliegende Erfindung schmilzt das Lötmittels bei einer Spitzentemperatur von 240 bis 250°C eines Aufschmelzofens. Und beim Verfestigen des geschmolzenen Lötmittels unterdrückt das oben erwähnte schnelle Abkühlen die Bildung von intermetallischen Verbindungen wie beispielsweise Ag₃Sn, Cu₃Sn, Cu₆Sn₅ und dergleichen und pulverisiert und dispergiert Ag₃Sn, wobei die mechanische Festigkeit und die Hitzeresistenz an der Lötung erhöht wird.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung mittels der Beispiele beschrieben.
Tabelle 1 listet die Zusammensetzungen der Lötmittel gemäß den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 auf sowie die Charakteristiken dieser Lötmittel. Beispiel 1 ist nicht Teil der Erfindung.
Die Schmelzpunkte wurden durch thermische Analyse der jeweiligen Lötmittel bestimmt.
Zur Abschätzung der Benetzbarkeit, Bindungsstärke und vom thermischen Schocktest der Lötmittel wurden verschiedene Lötmittelpasten durch Mischung jeweils der Pulver der jeweiligen Lötmittel (jeweilige durchschnittliche Partikelgröβe: ungefähr 30 bis 40 um) mit dem unter genannten Flussmittel mit einem Gewichtsverhältnis von 9 : 1 zubereitet. Hierbei wurde ein Flussmittel des RMA Typs zur Verwendung bei Luftaufschmelzung eingesetzt, welches die Zusammensetzung hat, welche in Tabelle 2 gezeigt wird.
Tabelle 2
Die Benetzbarkeit wurde wie folgt bestimmt. Zuerst wurde eine bestimmt Menge von der jeweiligen oben genannten Lötmittelpaste auf eine Kupferplatte gedruckt. Mit einer Annahme, dass die so auf die Kupferplatte gedruckte Lötmittelpaste eine reale sphärische Ausgestaltung hat, wird der Durchmesser der Kugel nach D. Next definiert, nach der Erhitzung der Kupferplatte auf 240°C, und die Lötmittelpaste wird über die Kupferplatte versprengt, wenn sie benetzt wird. Die Höhe der Lötmittelpaste, welche während dieses Prozesses gemessen wird, wird als H definiert.
Die Benetzbarkeit der Lötmittelpaste wird dargestellt durch 100 × (D – H)/D (%); je höher der Wert, desto besser die Benetzbarkeit.
Die Bindungsstärke wurde wie folgt bestimmt. Nach dem Drucken jeweils einer der Lötmittelpasten auf eine Baugruppe wurde ein elektronisches Teil QFP (quad flat package) mit einem terminalen Anschlussabstand von 0,5 mm an dem Bauteil unter Verwendung einer Plazierungseinrichtung befestigt, um das QFP an dem Bauteil mittels dessen Durchführung durch einen Aufschmelzofen anzubringen, der das Aufschmelzprofil wie in 1 gezeigt aufweist. Das QFP und das Bauteil wurden in dem Aufschmelzofen auf 160°C vorgewärmt und unmittelbar nach deren Durchleitung durch einen Bereich, der eine Spitzentemperatur von 240°C aufweist, werden sie mit einer Abkühlrate von 15 °C/Sekunde unter Verwendung eines Gebläses abgekühlt. Der terminale Anschluss des QFP, der auf diesem Weg an das Bauteil angebracht wurde, wurde hakenartig ausgeformt und auf einen Winkel von 45° zu dem Bauteil gezogen, um die Stärke des terminalen Anschlusses von dem Befestigungspunkt zwischen dem terminalen Anschluss und dem Bauteil bei der Zerlegung zu messen. Das Ergebnis repräsentiert die Bindungsstärke.
Thermische Schockresistenz wurde durch die Anwesenheit oder Abwesenheit von Brüchen an dem Befestigungspunkt nach der Wiederholung von 500 Zyklen dieser Operation abgeschätzt, welche jeweils die vorläufige Aufbewahrung eines Bauteils, an das in der oben beschriebenen Weise ein elektronisches Teil angebracht worden ist, für 30 Minuten bei –40°C, gefolgt von einer Aufbewahrung für 5 Minuten bei Raumtemperatur und für 30 Minuten bei 80°C umfassen.
Wie es aus Tabelle 1 offensichtlich ist, hat das Lötmittels gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schmelzpunkt von 220°C oder weniger, der für die Aufschmelzlöttechnik geeignet ist und dadurch erlaubt es das Löten bei einer Temperatur, welche elektronische Teile nicht beschädigt. Zudem zeigt die Lötmittelpaste, welche das Lötmittels gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, zufriedenstellende Benetzbarkeit zum metallischen Kupfer und eliminiert die Schwächung der Bindungsstärke aufgrund schlechter Benetzbarkeit. Ferner ist der Befestigungspunkt erzeugt mit der Aufschmelzlöttechnik unter Verwendung dieser Lötmittelpaste zufriedenstellend stark und offenbart vortreffliche Hitzeresistenz, so wie beispielsweise keine Bruchentwicklung durch den thermischen Schocktest, bei dem kalt-heiß Aufbewahrungszyklen wiederholt werden.
2 zeigt die Mikrostruktur der Lötlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer ca. 1.000-fachen Vergrößerung. Die Zahl 6 bezeichnet eine intermetallische Verbindung Ag₃Sn, welche eine Ablagerung in der Legierung ist. Wie im Vergleich mit der 3 offensichtlich wird, zeigt die intermetallische Verbindung in 2 eine feine Verteilung. Dies ergibt einen Befestigungspunkt, der weniger geneigt ist, sich mit der Zeit zu verändern und hervorragende Hitzeresistenz offenbart, wie beispielsweise Resistenz gegen thermische Versprödung unter einer hohen Umgebungstemperatur. Um eine solche Mikrostruktur der pulverisierten Legierung zu erhalten, ist es bevorzugt beim Verfestigen des Lötmittels dieses mit einer Abkühlrate von 10 °C/Sekunde oder mehr abzukühlen. Abkühlraten, welche geringer als diese sind, lassen die Bildung von intermetallischen Verbindungen zu, welche es unmöglich machen, eine feine Legierungsmikrostruktur zu erhalten. Die vorgenannten Abkühlbedingungen können durch Luftkühlung unter Verwendung eines Gebläses erhalten werden.
Wie oben diskutiert, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Lötmittels erhalten werden, welches frei von der giftigen Substanz Blei ist und hervorragend in Bezug auf mechanische Festigkeit und Hitzeresistenz ist.
Zudem ist die Lötmittelpaste gemäß der vorliegenden Erfindung für die Aufschmelzlöttechnik geeignet, wodurch ein hochdichtes Anbringen eines elektronischen Teils erleichtert wird.

Claims

Lötmittel bestehend aus 2,0 bis 3,5 Gew.-% Ag, 5 bis 18 Gew.-% Bi, 0,1 bis 0,7 Gew-% Cu und gegebenenfalls 0,1 bis 1,5 Gew.-% In und abgesehen von Verunreinigungen SN als Rest.
Lötmittelpaste, umfassend ein Fluβmittel, zusammengesetzt aus wenigstens einem Harz, einem Aktivator, einem thixotropen Mittel und einem Lösungsmittel, zusammen mit einem Lötmittelpulver, worin das Lötmittel wie in Anspruch 1 definiert ist.
Lötmittel oder Lötmittelpaste nach Anspruch 1 oder 2, das kein Blei enthält.
Lötmittel oder Lötmittelpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Schmelzpunkt von 220°C oder weniger.
Lötverfahren mittels einer Aufschmelzlötungstechnik unter Verwendung der Lötmittelpaste nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß direkt nach Durchgang eines Lötobjekts mit der Lötmittelpaste durch eine Fläche, welche eine Peaktemperatur in einem Schmelzofen zeigt, dieses mit einer Abkühlrate von 10°C/sek. oder mehr abgekühlt wird.