JP2005512813A

JP2005512813A - 無鉛ソフトハンダ

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Publication number: JP2005512813A
Application number: JP2003552486A
Authority: JP
Inventors: プファル・ローラント; ヴァルター・ヘルマン; ヴァルト・ヘルマン
Original assignee: プファル・シュタンツテヒニク・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2001-12-15
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2005-05-12
Also published as: DE50207747D1; WO2003051572A1; EP1453636B1; US20050008525A1; MXPA04005835A; CN1310736C; CN1604832A; EP1453636A1; BR0215041A; ATE334775T1; KR20040063990A; HUP0402010A2

Abstract

本発明は、特に電子機器及び電子技術で使用する無鉛ソフトハンダに関する。本発明の課題は、無鉛ソフトハンダを改良することにある。この無鉛ソフトハンダは、スズの粗い窪みを形成しにくくし、溶融後にハンダの滑らかで均質な表面を保証し、そしてＢＧＡボールとしての使用に対して適している。この課題は、本発明により、無鉛Sn-Ag-Cuハンダ合金によって解決される。この無鉛Sn-Ag-Cuハンダ合金は、0.8〜1.2重量％の銅その他スズ及び一般的な不純物が、5.0〜5.5重量％の銀を有する基合金に添加されている点で優れている。この場合、0.8〜1.2重量％のインジウム，0.01〜0.2重量％のニッケル又はニッケルの代わりに0.01〜0.2重量％のゲルマニウム若しくは0.01〜0.2重量％の例えばランタン又はネオジムのようなランタニドの要素が、この基合金に常に添加されている。この場合、最後の３つの実施の形態の総和が0.01〜0.2重量％になるように、これらの３つの実施の形態が母合金の形態で互いに組合わされ得る。

Description

本発明は、特に電子機器及び電子技術で使用する無鉛ソフトハンダに関する。

電子機器及び電子技術で使用されるソフトハンダは、熱的に接合すべき金属部材に対して良好な使用状況に加えて継目部分内で可能な限り小さい電気抵抗及び可能な限り高い疲れ強さも有しなければならない。したがって、非常に異なる熱膨張係数を有する材料自体が、これらのソフトハンダで互いに接合され得る。この場合、ハンダの融点又は溶融範囲が一方で最大動作温度を十分に超えるものの、同時にソフトハンダによって接合すべき構造部材が接合過程にこのハンダによって必要な溶融温度のために損傷しないように低いことも特に重要である。さらに、ハンダとして使用される合金が共融特性又は準共融特性を呈することが、最適なハンダ付けに対して好ましい。

特にＢＧＡボール（チップ製造用のハンダボール）を製造するために使用しなければならないハンダの場合、ハンダ箇所がこれらのハンダ箇所の有効な品質管理の範囲内でその光沢に基づいて迅速にかつ誤差なしに光学的に評価され得るように、非常に良好な機械特性及び電気特性に加えて、ハンダ箇所の滑らかで均質な表面が必須である。それ故に、スズの粗い窪み(Zinndentriden) の形成に関連して発生する粒の粗い組織が、ハンダ箇所の滑らかで均質な表面及び同時にその表面の光沢を非常に強く損なうので、ＢＧＡボール（チップ製造用のハンダボール）を製造するために使用されるこれらの合金は、ハンダの冷却時に窪み(Dentridbildungen)の形成を阻止しなければならないことが特に非常に要求される。

ハンダは多くの場合に非常に異なる温度膨張係数を有する物質間に光沢面を形成するので、粒の粗い組織に関連して発生し温度の変動によって引き起こされる剪断ひずみが引き起こされうる。これらの剪断ひずみは、例えばハンダ付け後の冷却の間の温度変化に関連してハンダ接合部分の損傷を伴う。

これらの全ての非常に多様な要求は、既にSnPbハンダによってほとんど見たされ得る。

しかしながら鉛は有毒であるので、鉛は、ヨーロッパ共同体の地位域内では労働保護及び環境保護の理由から2006年までに電子機器から締め出さなければならない。

例えばSnBiハンダが、米国特許第5,980,822 号明細書及び米国特許第5,981,795 号明細書から公知である。これらのSnBiハンダは、融点が低いためにS 例えばnPb ハンダの代わりとして考えられる。

これらの合金の主な欠点は、ビスマスがハンダの特性を悪くする点にもある。

ヨーロッパ特許発明第0858859 号明細書中で説明されているスズ−銀−銅合金で融点を下げるためにビスマスを使用することは、ビスマスはさらに延性を上昇させ、ハンダボールの所望の弾性を強く制限するので、ＢＧＡボール(ball-grid array) での使用に対して欠点である。

これらのハンダは、耐剪断性と耐クリープ性が弱い。

米国特許発明第6,231,691 号明細書中では、一方では0.15％Niが米国特許発明第5,527,628 号明細書にしたがって既に記された共融のSn-4.7％Ag-1.7％の銅ハンダに添加される。

基ハンダの216.8 ℃の共融点が、これによって変化しない。

この中間金属相の形成がハンダ特性とハンダ接合部分の機械特性／物理特性に関して既に説明した欠点を必ず伴うので、このハンダ合金で使用される銅成分は、Cn₃Sn 針状結晶体及び／又はCu₆Sn₅針状結晶体の形成のために比較的幅の広いハンダギャップをブリッジする。

また米国特許発明第6,231,691 号明細書中では、基ハンダSn-4.7％Ag-1.7％Cu及び0.3 ％Feを有するハンダ合金が既に記されている。

合金の構成要素Feを混合することによって、純粋なSnの融点(223℃) の近くにある基ハンダの共融点216.8 ℃が変化しない。

しかしながら0.3 ％のFeを基ハンダに添加した場合、このハンダが、酸化しやすくなり、それ故に電子機器の分野では使用できない。

さらにSn-(8.0 ％〜10％)In-3.2 ％Ag-1.0％Ag-1.0パーセントCuが、米国特許発明第5,938,862 号明細書から公知である。しかしながらインジウムは採掘に制限されるので、銀の二倍程度高価である。

インジウムのこの高い価格は、その高い合金比率の理由からハンダ合金の価格に強く影響する。

しかしながら同時に、この比較的高いインジウムの含有量は、これらのInハンダ合金が非常に不安定であることも伴う。

同時にこのインジウムの含有は、特に非共融のハンダ合金の使用時に変形（窪み）を必ず発生させる。その結果、これらのInハンダ合金は、チップ製造用のハンダボールを製造するためには必ずしも適していない。

例えばヨーロッパ特許発明第1231015 号明細書中で記されているように従来の技術から、一連のSn-(2.0 ％〜４％)-Ag-(0.5 ％〜1.5 ％)Cu ハンダ合金が公知である。

これらのハンダ合金は技術的な冷却過程の間にスズの粗い窪み(groben Zinndentriden)を非常に形成しやすくし、それ故にここから生じる欠点を伴うことが、これらのハンダ合金に共通している。

ヨーロッパ特許発明第0847829 号明細書中では、別のハンダ合金を記したこのハンダ合金のハンダの別形態が、同様にスズの粗い窪みを形成しやすくし、さらにＢＧＡボールとして使用するために最適な溶融及び214 ℃−215 ℃の凝固範囲を決して得られない。

本発明の課題は、従来の技術のこれらの欠点を排除すること、及び無鉛ソフトハンダを改良することにある。この無鉛ソフトハンダの溶融範囲及び凝固範囲は、214 ℃で始まって一方では共融であるものの、他方では適切なドーピングによって一定に上に拡大され得、同時にスズの粗い窪みを決して形成しやすくしない。ハンダの滑らかで均質な表面が、溶融後に保証される。さらに、例えば非常に良好な利用性，高い疲れ強さ，良好な耐食性，良好な可塑性及び粘性並びに僅かな電気抵抗のような良好な物理特性及び化学特性の点で優れている。本発明の無鉛ソフトハンダは、ＢＧＡボール（チップ製造用のハンダボール）として使用するために適している。

この課題は、本発明により、無鉛のSn-Ag-Cuハンダ合金によって解決される。このハンダ合金は、５〜20重量％の銀，0.8 〜1.2 重量％の銅その他スズ及び通常の不純物を有する基合金から組成される点で優れている。この場合、0.8 〜1.2 重量％のインジウムが、この基合金に常に添加されていて、そして、
−第１の実施の形態では0.01〜0.2 重量％のニッケル，
−第２の実施の形態では0.01〜0.2 重量％のゲルマニウム，
−第３の実施の形態では0.01〜0.2 重量％の例えばランタン又はネオジムのようなランタニドの要素が、この基合金に添加されている。この場合、最後の３つの実施の形態の総和が0.01〜0.2 重量％になるように、これらの３つの実施の形態が母合金の形態で互いに組合わせてもよい。

５〜5.5 重量％の銀比率で含まれる本発明の無鉛ソフトハンダは、準共融点及び凝固点を最大で214 〜215 ℃の範囲内に有し、冷却時にスズの粗い窪みの形成を阻止し、そしてハンダの滑らかで均質な表面を常に保証する。

銀のドーピングが5.5 重量％〜20重量％より多く上昇する場合、上に向かって拡大可能な特定の溶融範囲が、増大する銀含有量と共に214 ℃〜215 ℃の共融点で開始する。

214 ℃〜215 ℃で開始し上に向かって拡大可能な特定の準共融点と凝固点を有するこの本発明のハンダは、冷却時にスズの粗い窪みの形成を阻止し、ハンダ箇所の滑らかで均質な表面を常に保証する。

同時に本発明の無鉛ソフトハンダは、非常に良好な利用性，高い疲れ強さ，良好な耐食性，良好な可塑性及び粘性並びに僅かな電気抵抗のような非常に良好な物理特性及び化学特性の点で優れ、溶融後ではハンダの滑らかで均質な表面の点で優れている。

この説明した特性のために、本発明の無鉛ソフトハンダが、特にＢＧＡボール（チップ製造用のハンダボール）を製造するために適している。

本発明のその他の特徴，詳細及び利点は、特許請求の範囲及び実施の形態に記載されている。

本発明を２つの実施の形態に関して詳しく説明する。

第１の実施の形態では、本発明の無鉛ソフトハンダは、98.8重量％のSn- ５％Ag- １％Cu合金及び0.2 重量％のニッケルを有する１重量％のインジウムから組成される。

この場合、本発明の１重量％のインジウムの添加物は、基ハンダSn- ５％Ag- １％Cuの特に利用性，耐食性，可塑性及び粘性のような物理特性を改良する。

全合金の準共融特性を保証する場合、同時に本発明のインジウムの添加は、継目部分内の電気抵抗を低下させる。

本発明の追加の0.2 ％のニッケルの添加に関連して、本発明の全組成に起因して、本発明の合金の目標とする共融特性がほぼ得られる。同時に、スズの粗い窪みが、本発明のソフトハンダ合金の技術的な冷却過程の間に形成されない。

98.8重量％のSn- ５％Ag- １％Cu合金及び0.2 重量％のランタンのドーピングを有する１重量％のインジウムから組成された本発明の無鉛ソフトハンダを第２の実施の形態で詳しく説明する。

同様に、本発明の１重量％のインジウムの添加は、基ハンダSn- ５％Ag- １％Cuの特に利用性，耐食性，可塑性及び粘性のような物理特性を改良する。

全合金の準共融特性を保証する場合、同時に本発明のインジウムの添加は、同様に継目部分内の電気抵抗を低下させる。

本発明の追加の0.2 ％のランタンの添加に関連して、本発明のこの全組成のために、本発明の合金の目標とする共融特性及び214 ℃〜215 ℃の融点が得られる。このランタンは、純粋なランタンの形態で又は例えばニッケル若しくはゲルマニウムを含む合金として実現される。

本発明のソフトハンダ合金の技術的な冷却過程の間に、スズの粗い窪みが同様に形成されない。

従来のSnPbAgハンダ及びSnAgCuハンダと比較して、この本発明のハンダは、良好な均質な表面，良好な酸化特性及び明らかに良好な機械特性も有する。その結果、このハンダも、ＢＧＡボールの生産に対して使用され得る。

無鉛ソフトハンダを本発明の解決手段によって説明する。この無鉛ソフトハンダの溶融範囲及び凝固範囲は、一方では214 ℃で初めて共融であるものの、他方では適切なドーピングによって上に向かって特定に拡大され得、同時にスズの粗い窪みを生成しにくくし、溶融後にハンダの滑らかで均質な表面を保証し、さらに非常に良好な利用性，高い疲れ強さ，良好な耐食性，良好な可塑性及び粘性並びに僅かな電気抵抗のような良好な物理特性及び化学特性の点で優れていて、ＢＧＡボール（チップ製造用のハンダボール）としての使用に対して適する。

Claims

Sn-Ag-Cu合金に基づく無線ソフトハンダにおいて、0.8 〜1.2 重量％の銅その他スズ及び一般的な不純物が、5.0 〜20重量％の銀を有する基合金に添加され、この場合、0.8 〜1.2 重量％のインジウム，0.01〜0.2 重量％のニッケル又はニッケルの代わりに0.01〜0.2 重量％のゲルマニウム若しくは0.01〜0.2 重量％の例えばランタン又はネオジムのようなランタニドの要素が、この基合金に常に添加されていて、この場合、最後の３つの実施の形態の総和が0.01〜0.2 重量％になるように、これらの３つの実施の形態が母合金の形態で互いに組合わされ得ることを特徴とする無鉛ソフトハンダ。
Sn-Ag-Cu合金に基づく無線ソフトハンダにおいて、0.8 〜1.2 重量％の銅その他スズ及び一般的な不純物が、5.0 〜5.5 重量％の銀を有する基合金に添加され、この場合、0.8 〜1.2 重量％のインジウム，0.01〜0.2 重量％のニッケル又はニッケルの代わりに0.01〜0.2 重量％のゲルマニウム若しくは0.01〜0.2 重量％の例えばランタン又はネオジムのようなランタニドの要素が、この基合金に常に添加されていて、この場合、最後の３つの実施の形態の総和が0.01〜0.2 重量％になるように、これらの３つの実施の形態が母合金の形態で互いに組合わされ得ることを特徴とする無鉛ソフトハンダ。