JP2024526066A - 混合はんだ合金粉末を用いた高信頼性鉛フリーはんだペースト - Google Patents
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Abstract
本開示のいくつかの実施態様は、Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ－Ｉｎ合金からなる、１０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金からなり、第１のはんだ合金粉末よりも低い固相線温度を有する、１０重量％～９０重量％の第２のはんだ合金粉末、及びフラックスから本質的になる、はんだペーストを記載する。
Description
・関連出願の相互参照
本願は、２０２１年６月１１日に出願され、ここに本明細書の一部を構成するものとして内容が援用される、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｌｅａｄ－Ｆｒｅｅ Ｓｏｌｄｅｒ Ｐａｓｔｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｉｘｅｄ Ｓｏｌｄｅｒ Ａｌｌｏｙ Ｐｏｗｄｅｒｓ」と題する米国仮特許出願番号第６３／２０９，５８５号の利益を主張する。
本願は、２０２１年６月１１日に出願され、ここに本明細書の一部を構成するものとして内容が援用される、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｌｅａｄ－Ｆｒｅｅ Ｓｏｌｄｅｒ Ｐａｓｔｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｉｘｅｄ Ｓｏｌｄｅｒ Ａｌｌｏｙ Ｐｏｗｄｅｒｓ」と題する米国仮特許出願番号第６３／２０９，５８５号の利益を主張する。
電子機器アセンブリの廃棄によって発生する鉛（Ｐｂ）は、環境及びヒトの健康にとって有害であると考えられている。電子機器の相互接続及び電子機器パッケージ産業では、規制によってＰｂ系はんだの使用がますます禁止されている。２００６年７月にヨーロッパ連合で施行された特定有害物質使用制限（ＲｏＨＳ）指令によって、Ｐｂはんだ合金のＰｂフリーはんだ合金への置換が生じた。Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ（ＳＡＣ３０５）及びＳｎ３．８Ａｇ０．７Ｃｕ（ＳＡＣ３８７）といったＳｎＡｇＣｕ（「ＳＡＣ」）はんだ合金が、持ち運びが可能な状態で広く利用される主流の鉛フリーはんだとなった。これらのはんだは、典型的には、１２５℃以下の動作温度で機能する。また、これらはコンピュータ利用電子機器、ポータブル電子機器及び／又はモバイル電子機器で広く使用されている。新興の自動車電子機器は、内部で使用される装置の使用温度が最大１５０℃であることを求めている。コンパートメントデバイスの使用温度の傾向は依然として１２５℃未満であるが、主流のＳＡＣ３０５よりも長い耐用年数が望ましい。
このように過酷な電子機器環境にとって、慣習的な二成分又は三成分の鉛フリーＳｎリッチはんだ合金は、耐久には十分信頼できるものではない。電子機器の動作温度が高くなればなるほど、はんだ合金から形成されたはんだ接合部の微構造はより急速に劣化及び分解する。近年の高信頼性鉛フリーＳｎリッチはんだ合金の開発は、過酷な熱サイクル又は熱衝撃条件でのはんだ接合部の耐熱疲労性を改善する上で重要な役割を果たすことを実証している。こうした合金では、５．０重量％～９．０重量％のＳｂは、微細なＳｎＳｂ金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ、ＩＭＣ）粒子の体積分率を最適化し、はんだ合金から形成されたはんだ接合部の強度と延性のバランスをとるために合金化され得る。
本開示のいくつかの実施態様は、２種以上の金属はんだ粉末とフラックスを含むはんだペーストに関する。はんだ粉末のうち１種は、慣習的なＳｎＡｇＣｕはんだ合金の融点に相当するか、これよりも僅かに低い、他のものよりも低い融点を有することができ、他のはんだ粉末は、Ｓｂの追加により、慣習的なＳｎＡｇＣｕはんだ合金の融点に相当するか、これよりも高い融点を有することができる。該はんだペーストは、ピークリフロー温度を低下し、プロセスウィンドウを広げ、空隙を減少し、かつ／又は相当の信頼性を維持若しくは高信頼性単一金属対応物ペーストの信頼性を改善させることすらできる。
一実施形態では、はんだペーストは、Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ－Ｉｎ合金からなる、１０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金からなり、第１のはんだ合金粉末よりも低い固相線温度を有する、１０重量％～９０重量％の第２のはんだ合金粉末、及びフラックスから本質的になる。
いくつかの実施態様では、はんだペーストは、４０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、１０重量％～６０重量％の第２のはんだ合金粉末、及びフラックスから本質的になる。
いくつかの実施態様では、第１のはんだ合金粉末は２１０℃～２４５℃の固相線温度を有し、第２のはんだ合金粉末は２００℃～２１７℃の固相線温度を有する。
いくつかの実施態様では、第１のはんだ合金粉末は、２～１０重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．０～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである。
いくつかの実施態様では、第１のはんだ粉末は、１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである。
いくつかの実施態様では、第２のはんだ合金粉末は、１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ及び残りがＳｎであり、又は１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、１．０～７．０重量％のＢｉ及び残りがＳｎである。
いくつかの実施態様では、第１のはんだ合金粉末は、０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ又はＺｎを含む。
いくつかの実施態様では、第１のはんだ合金粉末は、９５Ｓｎ－５Ｓｂ、９０．６Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ０．０１Ｎｉ、８９．３Ｓｎ３．８Ａｇ０．９Ｃｕ５．５Ｓｂ０．５Ｉｎ、８９．７Ｓｎ３．８Ａｇ１．２Ｃｕ３．８Ｓｂ１．５Ｂｉ、８９Ｓｎ３．８Ａｇ０．７Ｃｕ３．５Ｓｂ０．５Ｂｉ２．５Ｉｎ、８６．７Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ３．２Ｂｉ０．５Ｉｎ０．２Ｎｉ、８５．１Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ１１Ｓｂ又は８４．６Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ１１Ｓｂ０．５Ｉｎである。いくつかの実施態様では、第２のはんだ合金粉末は、９１．０Ｓｎ２．５Ａｇ０．５Ｃｕ６．０Ｂｉ、９３．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ３．０Ｂｉ、９３．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ６．０Ｂｉ又は９６．５Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕである。
一実施形態では、方法は、Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ－Ｉｎ合金からなる、１０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、及びＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金からなり、第１のはんだ合金粉末よりも低い固相線温度を有する、１０重量％～９０重量％の第２のはんだ合金粉末、及びフラックスから本質的になるはんだペーストを、２つの部品間に塗布してアセンブリを形成することと、アセンブリをリフローはんだ付けして、はんだペーストからはんだ接合部を形成することと、を含む。
いくつかの実施態様では、アセンブリをリフローはんだ付けしてはんだ接合部を形成することは、第１のはんだ合金粉末及びフラックスからなるはんだペーストからはんだ接合部を形成するために必要とされるピーク温度よりも低いピーク温度でアセンブリをリフローはんだ付けすることを含む。例えば、混合されたはんだ合金粉末とフラックスとを含むはんだペーストは２４５℃未満の温度（例えば、約２４０℃）でリフローはんだ付けされるが、第１のはんだ合金粉末とフラックスとからなるはんだペーストからはんだ接合部を形成するために必要とされるピーク温度は、２４５℃超、２５０℃超、２５５℃超又はそれ以上であり得る。いくつかの実施態様では、アセンブリは、２４５℃未満のピーク温度でリフローはんだ付けされる。いくつかの実施態様では、アセンブリは、約２４０℃～２４５℃未満のピーク温度でリフローはんだ付けされる。いくつかの実施態様では、アセンブリは、約２４０℃以下のピーク温度でリフローはんだ付けされる。いくつかの実施態様では、アセンブリは、約２３５℃～約２４０℃のピーク温度でリフローはんだ付けされる。
一実施形態では、はんだ接合部は、Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ－Ｉｎ合金からなる、１０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金からなり、第１の合金よりも低い固相線温度を有する、１０重量％～９０重量％の第２のはんだ合金粉末、及びフラックスから本質的になるはんだペーストを、２つの部品間に塗布してアセンブリを形成することと、アセンブリをリフローはんだ付けし、はんだペーストからはんだ接合部を形成することと、を含む、プロセスによって形成される。
開示された技術の他の特徴及び態様は、開示された技術の実施態様に従って、例として特徴を示す添付の図面と併用して以下の詳細な説明から明らかになるであろう。発明の概要は、特許請求の範囲及び同等物によって定義される、本明細書に記載されている任意の発明の範囲を限定しようと意図したものではない。
前述の概念（こうした概念が、相互に矛盾していない限り）のすべての組合せは、本明細書に開示された発明の主題の一部であると考えられることを理解されたい。特に、本開示の最後に現われる特許請求された主題の組合せすべては、本明細書に開示された発明の主題の一部であると考えられる。
本明細書に開示される技術は、１つ以上の種々の実施形態に従って、含まれている図を参照して詳細に記載される。図は、例示のみを目的として提供されており、例示的な実施態様を単に示している。
図は、網羅的であること、又は開示された正確な形態に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、修正及び変更を伴って実施することができ、開示された技術は、特許請求の範囲及びその同等物によってのみ限定されることができる。
上述のように、５．０重量％～９．０重量％のＳｂをＳｎＡｇＣｕはんだに加え、高温で過酷な電子機器環境での信頼性を著しく改善した。ただし、典型的なＳｎＡｇＣｕはんだ合金に５．０～９．０重量％のＳｂを合金化することで、ペースト範囲（すなわち、合金の固相線温度と液相線温度との範囲）が広がり、一般的に使われている融点が約２１７℃のＳｎＡｇＣｕはんだと比較して、はんだ合金の融点を約８～１１℃上昇させ得る。ＳｎＡｇＣｕＳｂ、ＳｎＡｇＣｕＳｂＩｎ又はＳｎＡｇＣｕＢｉＳｂ系はんだ合金の融点が上昇することによって、２３５～２４０℃の慣習的なＳＡＣリフロー温度は、少なくとも１０℃上昇して２４５～２５０℃でなければならない。このことによって、プリント回路基板アセンブリ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＰＣＢＡ）部品が、リフロー温度の上昇に耐久することができないことから、Ｓｂ含有ＳｎＡｇＣｕＳｂ合金を用いてはんだ付けする時にプロセスウィンドウが狭められることがある。プロセス温度の上昇に加え、高信頼性Ｓｎリッチはんだ合金は、典型的には、場合によってはＳｂを加えることによってペースト範囲がより広くなることから、慣習的なＳｎＡｇＣｕプロセスプロファイルを使用するＳｎＡｇＣｕ合金に劣る空隙性能を示す。要約すると、ＳｎＡｇＣｕはんだ合金に５．０重量％～９．０重量％の量でＳｂを加えることで信頼性を著しく改善し得るが、これははんだ合金の融点を上昇し、ペースト範囲を広げることになる。このことは、ＳＡＣ３０５及びＳＡＣ３８７といった主流の鉛フリーはんだと比較すると、より高いリフローピーク温度、より狭いプロセスウィンドウ、及び／又は不十分な空隙性能を引き起こすことがある。
これらの変更に対処するために、本開示の実施態様は、２種以上の選択された金属はんだ粉末とフラックスを含む新規はんだペーストに関する。このはんだペーストは、（１）リフローピーク温度を低下させること、（２）プロセスウィンドウを広げること、（３）空隙率を減少させること、及び／又は（４）同等の信頼性を維持すること、又はさらには高信頼性単一粉末対応物ペーストの信頼性を改善することを目標としている。はんだ粉末のうち１種は、慣習的なＳｎＡｇＣｕはんだ合金の融点に相当するか、これよりも僅かに低い他のものよりも低い融点を有し得、他のはんだ粉末は、Ｓｂの追加により、慣習的なＳｎＡｇＣｕはんだ合金の融点に相当するか、これよりも高い融点を有し得る。例えば、少なくとも２種のはんだ合金粉末を有するはんだペーストの一実施態様では、第１のはんだ合金粉末は、２１０～２４５℃の範囲であり得るより高い固相線温度を有し、第２のはんだ合金粉末は、２００～２１７℃の範囲であり得るより低い固相線温度を有する。
いくつかの実施態様では、より高い融点のはんだ合金は、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＣｕＳｂ、ＳｎＡｇＣｕＳｂＩｎ、ＳｎＡｇＣｕＢｉＳｂ、ＳｎＡｇＣｕＢｉＳｂＩｎ又はそれらの変形を含み得る。いくつかの実施態様では、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ及び／又はＣｏの添加剤は、より高い融点のはんだ合金中に含まれ、その延性を向上し、濡れ性能を改善し得る。表１は、慣習的なＳｎＡｇＣｕ合金（合金Ｅ～Ｈとして示される）と比較した、本開示による、より高い融点の例示的なはんだ合金の組成（合金Ａ～Ｄ及びＩ～Ｋとして示される）を示す。本開示による、より高い融点のはんだ合金は、慣習的なＳｎリッチＳｎＡｇＣｕはんだ合金と比較すると、改善された信頼性とより高い融点を提供し得る。
最終はんだ接合部の良好な空隙性能及び高信頼性、並びに２４５℃の最大プロセス温度を維持するために、より高い融点はんだ合金とより低い融点はんだ合金との比が調整され得る。より高い固相線温度のはんだ合金に対するより低い固相線温度のはんだ合金の重量％が不十分である場合、必要とされるプロセス温度は、２４５℃超であり得る。一方、より低い固相線温度のはんだ合金の重量％が十分以上である場合、はんだ接合部の信頼性は、より高い固相線温度のはんだ合金の不足により損なわれる可能性がある。したがって、ペースト中での第１のはんだ合金と第２のはんだ合金との比率は、高信頼性性能と低プロセス温度ウィンドウの両方を充足するように、注意深く設計される必要があり得る。この目的のために、より高い固相線温度のはんだ粉末は、１０重量％～９０重量％のはんだペーストを含み得、より低い固相線温度のはんだ粉末は、１０重量％～９０重量％のはんだペーストを含み得る。特定の実施態様では、より高い固相線温度のはんだ粉末は、４０重量％～９０重量％のはんだペーストを含み得、より低い固相線温度のはんだ粉末は、１０重量％～６０重量％のはんだペーストを含み得る。
以下の表２は、本開示による、鉛フリー混合はんだ粉末ペーストの例示的な組成を示す。第１に、より高い固相線温度及び高信頼性のはんだ合金（表１では合金＃Ａ）は、Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ３．２Ｂｉ０．５Ｉｎ０．２Ｎｉであり、第２に、より低い固相線温度のはんだ合金は、ＳｎＡｇＣｕＢｉはんだ合金（表１では合金＃Ｈ又は＃Ｆのいずれか）である。
以下の表３は、本開示による、鉛フリー混合はんだ粉末ペーストの例示的な組成を示す。第１に、より高い固相線温度及び高信頼性のはんだ合金（表１では合金＃Ｂ）は、Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ０．０１Ｎｉであり、第２に、より低い固相線温度のはんだ合金は、ＳｎＡｇＣｕはんだ合金（合金＃Ｅ）又はＳｎＡｇＣｕＢｉはんだ合金（合金＃Ｇ）である。
以下の表４は、本開示による、鉛フリー混合はんだ粉末ペーストの例示的な組成を示す。第１に、より高い固相線温度及び高信頼性のはんだ合金は、表１では合金＃Ａ、＃Ｊ及び＃Ｋであり、第２に、より低い固相線温度のはんだ合金は、ＳｎＡｇＣｕＢｉはんだ合金（合金＃Ｆ又は＃Ｈ）である。
以下の表５は、本開示に従って、単一はんだ合金（表１では合金＃Ａ及び＃Ｈ）及び混合したはんだペーストの８種の合金（表２ではＭ＃２－６及び＃２－８並びに表４ではＭ＃４－１及び＃４－５）についての固相線温度及び液相線温度を列挙している。固相線温度及び液相線温度を、ＴＡ Ｑ２０００ ＤＳＣで動作される示差走査熱量計（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ、ＤＳＣ）で測定した。
示されるように、４０重量％の合金＃Ｈを合金＃Ａに混合することによって、はんだ接合部の融点は４℃に低下する。これは、合金＃Ａのみを含有するはんだペーストと比較すると、より低いピーク温度下でのリフローの実現可能性を実証している。
図１Ａ～図１Ｂは、同一リフロープロファイルが２４０℃のピーク温度を有し、リフロー後に形成された３つのはんだ接合部の空隙率（図１Ａ）及びメガパスカル（ＭＰａ）での接着せん断強度（図１Ｂ）をそれぞれ示すプロットである。３つのはんだ接合部は、単一の合金（合金＃Ａ）はんだペースト並びに混合したはんだペースト（表２ではＭ＃２－６及びＭ＃２－８）を使用して形成された。３ｍｍ×３ｍｍのＣｕダイをリフローして有機溶接可能保護剤（ＯＳＰ）基板上へとはんだ付けし、ダイ付着はんだ接合部を形成した。空隙率をＸ線で測定し、接着せん断強度をＣＯＮＤＯＲ ２５０ ＸＹＺＴＥＣせん断試験機を用いて異なる温度で捕捉した。
一般的に言えば、はんだ接合部のせん断強度がより高いことは、信頼性がより良好であることを示唆している。図１Ａ～図１Ｂに示されるように、（１）対応する単一の合金はんだペースト（合金＃Ａ）及び（２）混合はんだペーストＭ＃２－８と比較して、高温（１２５℃～１５０℃の下）の接着せん断強度を維持しながらも、Ｍ＃２－６中に合金＃Ａを低量で有することによって良好な空隙性能（すなわち、より低い空隙率）がもたらされる。空隙性能と接着強度の両方の組合せを考慮すると、Ｍ＃２－６（６０重量％の合金＃Ａ及び４０重量％の合金＃Ｈ）は、Ｍ＃２－８（８０重量％の合金＃Ａ及び２０重量％の合金＃Ｈ）を上回った。
図２は、リフロー後に形成された６つのはんだ接合部の空隙率を示すプロットであり、同
一のリフロープロファイルは、２４０℃のピーク温度を有する。６つのはんだ接合部を、単一の合金（合金＃Ａ）混合はんだペースト及び５種のはんだペースト（表２ではＭ＃２－１１、Ｍ＃２－１３、Ｍ＃２－１４、Ｍ＃２－１５及びＭ＃２－１７）を使用して形成した。混合はんだペースト（＃Ａ及び＃Ｆ）中の選択された低い固相線温度のはんだ合金（＃Ｆ）の量についての空隙性能の傾向は、プロットから認識される。はんだ中の合金＃Ｆの量が高くなればなるほど、空隙率は低くなる。ただし、信頼性を維持するため、合金＃Ａと合金＃Ｆとの混合比は、ある特定のレベルを超えて維持される必要があり得る。
一のリフロープロファイルは、２４０℃のピーク温度を有する。６つのはんだ接合部を、単一の合金（合金＃Ａ）混合はんだペースト及び５種のはんだペースト（表２ではＭ＃２－１１、Ｍ＃２－１３、Ｍ＃２－１４、Ｍ＃２－１５及びＭ＃２－１７）を使用して形成した。混合はんだペースト（＃Ａ及び＃Ｆ）中の選択された低い固相線温度のはんだ合金（＃Ｆ）の量についての空隙性能の傾向は、プロットから認識される。はんだ中の合金＃Ｆの量が高くなればなるほど、空隙率は低くなる。ただし、信頼性を維持するため、合金＃Ａと合金＃Ｆとの混合比は、ある特定のレベルを超えて維持される必要があり得る。
図３は、合金＃Ａ、合金＃Ｆ及びＭ＃２－１４から作製され、同一プロファイル下でリフローされたＣｕーＣｕ接合部の２５℃～１７５℃の範囲の温度での接着せん断強度を示す。混合はんだペーストＭ＃２－１４から作製されたはんだ接合部は、単一の合金はんだペースト（＃Ａ及び＃Ｆ）から作製されたはんだ接合部の両方よりも、温度範囲全体を通じてより高い接着強度を呈した。これは、良好な信頼性を示している。これは、合金＃Ａと合金＃Ｆの５０重量％対５０重量％の混合比は、空隙性能を改善するだけでなく、接着せん断強度及び場合によっては関連する信頼性もまた向上させることを実証した。
Ｍ＃２－１４の実施形態を含み、５０重量％の合金＃Ａ及び５０重量％の合金＃Ｆからなるはんだ接合部の熱疲労信頼性を、組み立てられたチップ抵抗器テストボードを用いた加速熱サイクル（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｉｎｇ、ＡＴＣ）試験を使用して評価した。２つの異なるサイズの抵抗器０６０３及び０８０５を有する組み立てられたチップ抵抗器テストボードによって、導通テスト、すなわち、本来の位置での熱サイクル中の連続モニタリングが可能になった。ＡＴＣ用の公称温度サイクルプロファイルは、１）それぞれの極限温度（ＴＣ１）にて１０分間の滞留時間で－４０～１２５℃、及び２）それぞれの極限温度（ＴＣ２）にて１０分間の滞留時間で－４０～１５０℃であった。はんだ接合部は、５０％の抵抗増加を故障基準として設定したデータロガーを使用してモニタリングした。ＴＣ１下での４０００サイクル後、及びＴＣ２下での２５００サイクル後には、どの抵抗器にも故障はなかった。ＴＣ１下での２５００サイクル後のはんだ接合部の断面では、ひずみが最大であった接合部の角周辺には明らかな亀裂成長は見られなかった。テストは、Ｍ＃２－１４から作製されたはんだ接合部が、一般的に使用される業界標準の合金＃Ｅよりもはるかに熱的に安定していたことを実証した。図４Ａ～図４Ｂはそれぞれ、ＴＣ１下での２５００サイクル後のＭ＃２－１４（図４Ａ）及び合金＃Ｅ（図４Ｂ）から形成されたはんだ接合部の断面を示す。合金＃Ｅのはんだ接合部は、Ｍ＃２－１４のはんだ接合部が無傷に近かったのに対し、ＴＣ１下での２５００サイクル後には激しい亀裂を呈した。
図５は、リフロー後に形成された９つのはんだ接合部の空隙率を示すプロットであり、同一のリフロープロファイルは、２４０℃のピーク温度を有する。９つのはんだ接合部を、単一の合金（合金＃Ｂ）はんだペースト及び８種の混合はんだ合金ペースト（表３ではＭ＃３－２、Ｍ＃３－４、Ｍ＃３－６、Ｍ＃３－８及びＭ＃３－１１、Ｍ＃３－１３、Ｍ＃３－１５、Ｍ＃３－１７）を使用して形成した。プロットは、混合はんだ合金ペースト中のより高い固相線温度はんだ合金（＃Ｂ）に対するより低い固相線温度はんだ合金（＃Ｅ又は＃Ｇ）の比率がより高いことが、一般には、より良好な空隙性能と相関することを示している。
図６は、リフロー後に形成された７つのはんだ接合部の空隙率を示すプロットであり、同一のリフロープロファイルは、２４０℃のピーク温度を有する。図６の右上に示されるように、はんだ接合部は、ＭｉｃｒｏＬｅａｄＦｒａｍｅ（登録商標）部品（ＭＬＦ６８）とテストボードの間に形成された。７つのはんだ接合部を、単一の合金（合金＃Ａ）はんだペースト及び６種の混合はんだ合金ペースト（表２ではＭ＃２－１４、並びに表４ではＭ＃４－１から４－５）を使用して形成した。プロットは、混合はんだ合金ペーストが、単一合金はんだペーストよりも良好な空隙性能を有することを示している。プロットはまた、混合はんだ合金ペースト中のより高い固相線温度はんだ合金（＃Ａ）に対し、より低い固相線温度はんだ合金（例えば、＃Ｆ又は＃Ｈ）の比率が高いことが、一般には、より良好な空隙性能と相関することを示している。
合金＃Ｅ（一般的に使用される業界標準）、Ｍ＃２－１４及びＭ＃４－１から４－５を含むはんだ接合部の熱疲労信頼性を、組み立てられたチップ抵抗器（１２０６抵抗器）テストボードを用いて、ＡＴＣテスト、上記のようなＴＣ１を使用して評価した。ＴＣ１下での２０００サイクル後のはんだ接合部の断面を比較した。図７は、ＴＣ１下での２０００サイクル後に合金＃Ｅ、Ｍ＃２－１４及びＭ＃４－１から４－５から形成されたはんだ接合部の断面を示す。断面に示された亀裂拡大は、本開示による混合粉末はんだペーストから作製されたはんだ接合部が、一般的に使用される業界標準の合金＃Ｅよりもはるかに熱的に安定していたことを実証している。
開示された技術の種々の実施形態を上述したが、これらは例としてのみ提示され、限定ではないことを理解されたい。同様に、種々の図は、開示された技術についての例示的な構造又は他の構成を示し得る。これは、開示された技術に含まれることができる特徴及び機能を理解する一助とするために行われている。示された実施形態及びそれらの種々の代替は、示された例に制限されることなく実装することができる。加えて、フロー図、動作説明及び方法のクレームに関しては、ステップが本明細書に提示される順序が、文脈が別段指示しない限り、種々の実施形態が列挙された機能を同じ順序で実行するために実装されることを義務づけようとするものではない。
開示された技術が種々の典型的な実施形態及び実施態様という点から上述されているが、１つ以上の個々の実施形態に記載されている種々の特徴、態様及び機能は、それらが記載されている特定の実施形態への適用性に限定されてはいないものの、代わりに、こうした実施形態が記載されているか否かに関わらず、及びこうした特徴が記載の実施形態の一部として提示されているか否かに関わらず、開示された技術の他の実施形態のうちの１つ以上に単独又は種々の組合せで適用されることができることを理解されたい。したがって、本明細書に開示された技術の幅及び範囲は、上記の典型的な実施形態のうちのいずれかによって限定されるべきではない。
本明細書に使用される用語及び語句、並びにこれらの変形は、特段明記されない限り、限定ではなくオープンエンドとして解釈されるべきである。前述の例としては、「を含む」という用語は、「を含むが限定されない」などの意味として解釈されるべきであり、「例」という用語は、その網羅的又は限定的な一覧ではなく、議論における項目の典型例を提供するために使用され、「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」という用語は、「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」、「１つ以上の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」などという意味として解釈されるべきであり、「従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）」、「慣習的な（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）」、「通常の（ｎｏｒｍａｌ）」、「標準的な（ｓｔａｎｄａｒｄ）」、「公知の（ｋｎｏｗｎ）」といった形容詞及び同様の意味の用語は、記載の項目を、所定の期間又は所定の時点で利用可能な項目に限定するものとして解釈されるべきではない。ただし、代わりに、現在又は将来の任意の時点で利用可能であり得る、又は公知である、従来の、慣習的、通常の、又は標準的な技術を包含するように解釈されるべきである。同様に、本明細書が当業者にとって明白である、又は公知である技術を指す場合には、こうした技術は、現在又は将来の任意の時点で当業者に明白である、又は公知であるものを包含する。
場合によっては、「１つ以上の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「これに制限されない（ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」といった広がりのある用語及び語句の存在は、こうした広がりのある語句が存在し得ない場合には、より狭い場合が意図されるか必要とされることを意味すると解釈されるべきではない。
Claims (21)
- はんだペーストであって、
Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ－Ｉｎ合金からなる、１０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、
Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金からなり、前記第１のはんだ合金粉末よりも低い固相線温度を有する、１０重量％～９０重量％の第２のはんだ合金粉末、及び
フラックスから本質的になる、はんだペースト。 - 前記はんだペーストが、４０重量％～９０重量％の前記第１のはんだ合金粉末、１０重量％～６０重量％の前記第２のはんだ合金粉末、及び前記フラックスから本質的になる、請求項１に記載のはんだペースト。
- 前記第１のはんだ合金粉末が２１０℃～２４５℃の固相線温度を有し、前記第２のはんだ合金粉末が２００℃～２１７℃の固相線温度を有する、
請求項２に記載のはんだペースト。 - 前記第１のはんだ合金粉末が、
２～１０重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．０～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである、請求項１に記載のはんだペースト。 - 前記第１のはんだ粉末が、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである、請求項４に記載のはんだペースト。 - 前記第２のはんだ合金粉末が、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ及び残りがＳｎであり、又は
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、１．０～７．０重量％のＢｉ及び残りがＳｎである、請求項４に記載のはんだペースト。 - 前記第１のはんだ合金粉末が、０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ又はＺｎを含む、請求項４に記載のはんだペースト。
- 前記第１のはんだ合金粉末が、９５Ｓｎ－５Ｓｂ、９０．６Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ０．０１Ｎｉ、８９．３Ｓｎ３．８Ａｇ０．９Ｃｕ５．５Ｓｂ０．５Ｉｎ、８９．７Ｓｎ３．８Ａｇ１．２Ｃｕ３．８Ｓｂ１．５Ｂｉ、８９Ｓｎ３．８Ａｇ０．７Ｃｕ３．５Ｓｂ０．５Ｂｉ２．５Ｉｎ、８６．７Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ３．２Ｂｉ０．５Ｉｎ０．２Ｎｉ、８５．１Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ１１Ｓｂ又は８４．６Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ１１Ｓｂ０．５Ｉｎである、請求項４に記載のはんだペースト。
- 前記第２のはんだ合金粉末が、９１．０Ｓｎ２．５Ａｇ０．５Ｃｕ６．０Ｂｉ、９３．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ３．０Ｂｉ、９３．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ６．０Ｂｉ又は９６．５Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕである、請求項６に記載のはんだペースト。
- 前記第１のはんだ合金粉末が、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．０～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである、請求項４に記載のはんだペースト。 - 方法であって、
Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ－Ｂｉ－Ｉｎ合金からなる、１０重量％～９０重量％の第１のはんだ合金粉末、
Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金又はＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金からなり、前記第１の合金よりも低い固相線温度を有する、１０重量％～９０重量％の第２のはんだ合金粉末、及び
フラックス
から本質的になるはんだペーストを、２つの部品間に塗布してアセンブリを形成することと、
前記アセンブリをリフローはんだ付けし、前記はんだペーストからはんだ接合部を形成することと、を含む、方法。 - 前記アセンブリをリフローはんだ付けして前記はんだ接合部を形成することが、前記第１のはんだ合金粉末及び前記フラックスからなるはんだペーストから前記はんだ接合部を形成するために必要とされるピーク温度よりも低いピーク温度で前記アセンブリをリフローはんだ付けすることを含む、請求項１１に記載の方法。
- 前記第１のはんだ合金粉末が２１０℃～２４５℃の固相線温度を有し、前記第２のはんだ合金粉末が２００℃～２１７℃の固相線温度を有する、
請求項１２に記載の方法。 - 前記ピーク温度が２４５℃未満である、請求項１３に記載の方法。
- 前記はんだペーストが、４０重量％～９０重量％の前記第１のはんだ合金粉末、１０重量％～６０重量％の前記第２のはんだ合金粉末、及び前記フラックスから本質的になる、請求項１３に記載の方法。
- 前記第１のはんだ合金粉末が、
２～１０重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．５～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、３．０～６．５重量％のＳｂ、０．２～７．０重量％のＢｉ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである、請求項１１に記載の方法。 - 前記第２のはんだ合金粉末が、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ及び残りがＳｎであり、又は
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、１．０～７．０重量％のＢｉ及び残りがＳｎである、請求項１６に記載の方法。 - 前記第１のはんだ合金粉末が、９５Ｓｎ－５Ｓｂ、９０．６Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ０．０１Ｎｉ、８９．３Ｓｎ３．８Ａｇ０．９Ｃｕ５．５Ｓｂ０．５Ｉｎ、８９．７Ｓｎ３．８Ａｇ１．２Ｃｕ３．８Ｓｂ１．５Ｂｉ、８９Ｓｎ３．８Ａｇ０．７Ｃｕ３．５Ｓｂ０．５Ｂｉ２．５Ｉｎ、８６．７Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ５．５Ｓｂ３．２Ｂｉ０．５Ｉｎ０．２Ｎｉ、８５．１Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ１１Ｓｂ又は８４．６Ｓｎ３．２Ａｇ０．７Ｃｕ１１Ｓｂ０．５Ｉｎである、請求項１６に記載の方法。
- 前記第１のはんだ合金粉末が、
１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎであり、又は１．５～４．０重量％のＡｇ、０．５～１．２重量％のＣｕ、９～１５重量％のＳｂ、０．１～３．５重量％のＩｎ、任意選択で０．００１～３．０重量％のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐ若しくはＺｎ、及び残りがＳｎである、請求項１６に記載の方法。 - 前記第２のはんだ合金粉末が、９１．０Ｓｎ２．５Ａｇ０．５Ｃｕ６．０Ｂｉ、９３．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ３．０Ｂｉ、９３．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ６．０Ｂｉ又は９６．５Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕである、請求項１７に記載の方法。
- プロセスによって形成されたはんだ接合部であって、前記プロセスが、請求項１～１０のいずれか一項に記載のはんだペーストを２つの部品間に塗布してアセンブリを形成することと、
前記アセンブリをリフローはんだ付けし、前記はんだペーストから前記はんだ接合部を形成することと、を含む、はんだ接合部。
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