JP3221640B2 - 改良された力学的性質を持つPbを含まない半田 - Google Patents

改良された力学的性質を持つPbを含まない半田

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    • B23K35/26Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262Sn as the principal constituent

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はPbを含まない半田、よ
り詳細には、半田を含む製品に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半田結
合は多くの産業プロセス、例えば、電子デバイスの相互
接続及びパッケージ化において致命的なステップであ
る。殆どの広く使用されている半田は、ほぼ二元のPb
−60(重量)%Sn合金である。但し、鉛(Pb)の
毒性のために、今日においてはPbを含まない代替半田
組成に大きな関心が寄せられている。幾つかのこのよう
な組成が周知である(これに関しては、例えば、W.B.Ha
mpshire (ハンプシャ)による著書『電子材料ハンドブ
ック(Electronic MaterialsHandbook )』、Vol.
1、パッケージング(Packaging )、AMS Internationa
l 社、Metals Park 、OH所在、1989年出版、63
3ページを参照)。
【0003】但し、知られているPbを含まない半田組
成は標準のPn−Sn半田のそれと大きく異なる融解温
度(melting temperatures)を含み、例えば、電子パッ
ケージングにおいてはあまり多く使用されてない。電子
パッケージングにおいては、パッケージの様々なレベル
が、各レベルの半田付け動作が前に半田付けされたレベ
ルを不注意に溶かすことがないように選択された異なる
融点の異なる半田にて半田付けされるのが通例である。
こうして、代替される半田のそれと大きく異なる融点を
持つ代替半田の使用は、パッケージング動作の再設計を
必要とし(非常に費用が掛かる提案)、さもなければ、
製造シーケンス、効率、及び/或は収率上の問題を起こ
す。Pbをベースとする半田を回避するという強力の理
由の観点からは、標準の40/60Pb−Sn半田のそ
れに近い(例えば、±10℃以内の)融解温度もち、ま
た標準のPbをベースとする半田に対する代替半田とし
て適当な他の特性(例えば、強度、湿潤性、クリープ抵
抗)を持つPbを含まない半田組成が入手できるように
することが強く要望される。本発明はこのような組成
(composition )について開示する。
【0004】
【課題を解決するための手段】広い意味においては本発
明は従来の共融或はほぼ共融のPb−Sn半田の融解温
度に(望ましくは、±10℃以内)接近した融解温度を
持つ本質的にPbを含まない半田組成から構成される製
品内に具現される。“融解温度(melting temperature
)”は、ここでは、液体の温度を指す。
【0005】より詳細には、本発明に従うPbを含まな
い組成は、Sn(少なくとも70重量%、典型的には、
少なくとも80重量%)、Zn(3から15の間の重量
%、好ましくは、6から10の間の重量%)、及びこの
組成が他の点ではInを含まない匹敵する組成の融解温
度よりも少なくとも5℃低い融解温度を持つようにする
ために有効な量のInから構成される。好ましくは、I
nの含有量は40/60Pb−Sn半田の融解温度(ほ
ぼ183℃)から±10℃の範囲内の融解温度を与える
ように選択され、典型的には、1から15、好ましく
は、3−10重量%とされる。この組成の残りの部分の
主要な成分はSnである。オプションとして、本発明に
よる組成は、Bi及び/或はSnを含むこともできる
が、Biは0から10(好ましくは最大でも5)重量%
の範囲とされ、Sbは0から5(好ましくは最大でも
3)重量%の範囲とされる。
【0006】本発明による組成は、望ましい融解温度を
持つばかりでなく、全く驚くことに、室温での極限引張
り強度(ultimate tensile strength 、UTS)、及び
/或は室温での0.2%オフセット降伏強さ(yield st
rength、YS)で表わされた場合の高い強度、及びクリ
ープ抵抗(creep resistance)、並びに良好な湿潤特性
(wetting properties)を持つ。より詳細には、好まし
い組成は、40/60Pb−Snよりも少なくとも10
%高いUTS/或はYS、及び40/60Pb−Snよ
りも少なくとも100%高いクリープ抵抗を持ち、また
40/60Pb−Snのそれに匹敵する湿潤能力を持
つ。
【0007】オプションとしてのBiの添加は典型的に
は幾分低い融点を与え、一方、特定の合金組成に依存し
て、オプションとしてのSbの添加は、融解温度に影響
を与えないか或は融解温度を幾分か上昇させる。但し、
我々は、Bi及び/或はSbの添加は合金の微細構造を
良好にし、望ましくない低融解温度相(lower melting
temperature phases)が形成される傾向を低下させるこ
とを発見した。
【0008】本発明による合金は、オプションとして、
半田の強度を増加させるため、或は幾つかの表面上での
湿潤特性をさらに向上させることなどの様々な理由のた
めに加えられた少量の(典型的には、合計しても最大1
0重量%の)Ag、Au、或はCuなどの元素を含む。
これらオプションとしての個々の成分の望ましい量は、
0から5、好ましくは、最大でも2重量%とされる。少
量の他の元素もまた当業者において一般に知られている
ように様々な理由のために使用することができる。存在
するオプションとしての元素の総量は典型的には最大で
も15重量%とされる。
【0009】本発明による組成は周知の幾つかの技法の
いずれかによって調製される。これらの技法の例として
は、元素状の或は部分的に合金された金属の混合物の好
ましくは不活性雰囲気内での融解、電気メッキ、無電解
メッキなどのような電気化学プロセスによる薄い或は厚
い膜の堆積、化学蒸着、蒸発及びスパッタリングなどが
ある。
【0010】本発明による組成は、適当な方法によっ
て、ワイヤ、リボン、バー或はプレフォームの形式を持
つ製品に成形することができる。これらはまた粉末の形
式にて半田ペースト或は半田クリームに組み入れること
もできる。本発明による半田は、周知の技法、例えば、
流動半田付け(wave soldering)、浸漬半田付け、或は
レーザ半田付けなどのような周知の技術を使用する製品
(例えば、表面搭載回路基板或は下位マウント(sub-mo
unt )に半田結合されたレーザチップ)の製造に使用す
ることができる。別の方法として、半田ペーストのリフ
ロー半田付け、或は堆積及びパターン化された半田層を
使用することもできる。
【0011】製造能力向上の理由から通常半田は約2秒
内に関連する表面(例えば、銅)を湿潤させることが要
求される。本発明に従う好ましい組成はこの能力を持
つ。
【0012】湿潤特性は一般的に不活性(例えば、N
2 )或は還元性(例えば、ガス形成)雰囲気を使用する
こと、或は半田付け動作をオイル(例えば、プロピレン
グリコール)の毛布下で遂行することによってさらに向
上させることができる。
【0013】
【実施例】例1 Pb−60重量%の二元合金が高純度の元素Pb及びS
nから調製された。この合金がアルゴン雰囲気内で14
mmの内径を持つ石英管内で融解され、800℃にて8
時間保持され、炉内冷却された。結果として得られたイ
ンゴットが3.7mmの直径にスエージ加工(swage )
され、4mm内径の石英管内でアルゴン雰囲気の中で3
00℃にて5分間だけ再融解され、次に室温に冷却され
た。次に、こうして製造されたロッドが0.5インチの
ゲージ長及び0.120インチのゲージ直径を持つ張力
測定用サンプルに加工された。引張り試験が室温にて
1.67x10-3-1の引張り速度にて遂行された。
0.2%オフセット降伏さ(YS)は約4500psi
であり、極限引張り強度(UTS)は約5000psi
であった。この合金の融解温度は約183℃であった。
Sn−9重量%Zn−5重量%Inの三元合金の引張り
試験サンプルが調製され、上に説明と実質的に同一の方
法にて試験された。結果は、YSが約8000psi、
UTSが約9000psi、そして融解温度が約188
℃であった。検出できるような低い融解温度を持つ望ま
しくない相は発見されなかった。
【0014】例2 Sn−9重量%Zn−10.0重量%Inの三元合金の
サンプルが例1と実質的に同一方法にて調製されたが、
これは約178℃の融点を持った。例1及び2の合金組
成が1000psi圧縮負荷の下で100℃におけるク
リープ試験に掛けられた。図1はこれらテストの一例と
しての結果を示すが、番号10及び11は、それぞれ例
1及び例2の本発明による組成の場合を示し、番号12
は従来の技術によるPb−Sn組成を示す。クリープ抵
抗の劇的な改善が明白である。
【0015】図2は、(ロンドンケミカル社、Bensenvi
lle 、Illinois 60106所在から)市販されている中性有
機酸融剤(neutral organic acid flux 、NF300
0)を使用して245℃空気中という条件下において得
られた銅上での湿潤力(wetting force )に関する一例
としてのデータを示す。これは、一般に、湿潤バランス
テスト(wetting balance test)と呼ばれる標準のテス
トによって得られた。これに関しては、例えば、C.Lea
(リア)の著書『表面搭載技術についての科学的ガイド
(Scientific Guide to Surface Mount Technolog
y)』、電気化学出版社(Electrochemical Publication
s,Ltd. )(1988年発行)の特に353−361ペ
ージを参照すること。図2において、参照番号20及び
21はそれぞれ従来の技術による91/9重量%Sn−
Zn二元合金及び例1の本発明による組成の場合を示
し、番号22は従来の技術によるPb−Sn組成の場合
を示す。図2からわかるように、本発明による組成は従
来の技術によるPb−Sn組成の場合と実質的に同じ位
い良好に、そして従来の技術によるSn−Zn組成の場
合よりもかなり良好に銅を湿潤させることがわかる。よ
り詳細には、好ましい組成は2秒以内に最大湿潤力(ma
ximum wetting force )を達成し、この最大湿潤力は同
一条件(不活性或は還元性雰囲気及び従来の低固体融剤
の使用、或はオイル下に浸漬)において、40/60P
b−Snのそれの少なくとも50%であった。
【図面の簡単な説明】
【図1】それぞれPb−60%Sn、Sn−5%In−
9%Zn、及びSn−10%In−9%Znのサンプル
のクリープ変形を比較する。
【図2】湿潤バランス試験によって測定された半田付け
能力のデータを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サンギョー ジン アメリカ合衆国 07946 ニュージャー シィ,ミリントン,スカイライン ドラ イヴ 145 (72)発明者 マーク トーマス マッコーマック アメリカ合衆国 07901 ニュージャー シィ,サミット,ニュー イングランド アヴェニュー 96 (56)参考文献 特開 平1−262092(JP,A) 米国特許5242658(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/26 C22C 13/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも70%のスズ(Sn)と、6な
    いし10重量%の間の亜鉛(Zn)と、3ないし10重
    量%のインジウム(In)と、0より大きく10重量%
    までのビスマス(Bi)とを含む合金から構成される本
    質的にPbを含まない半田組成を含む製品であって、ビ
    スマスが低融解温度相の形成される傾向を減少すること
    を特徴とする製品。
  2. 【請求項2】半田組成の融解温度が183℃±10℃と
    なるように前記インジウムの量が選択されることを特徴
    とする請求項1に記載の製品。
  3. 【請求項3】少なくとも70%のスズ(Sn)と、6な
    いし10重量%の間の亜鉛(Zn)と、3ないし10重
    量%のインジウム(In)と、0より大きく5重量%ま
    でのアンチモン(Sb)とを含む合金から構成される本
    質的にPbを含まない半田組成を含む製品であって、ア
    ンチモンが低融解温度相の形成される傾向を減少するこ
    とを特徴とする製品。
  4. 【請求項4】半田組成の融解温度が183℃±10℃と
    なるように前記インジウムの量が選択されることを特徴
    とする請求項3に記載の製品。
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