JP4481986B2 - 複合金属マトリックス鋳物およびはんだ組成物、並びに方法 - Google Patents

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Description

(1)発明の分野
本発明は、一般的に、複合鋳物およびろう付け等のはんだに係り、より具体的には、本発明は、有機官能性無機酸化物粒子を含有する複合鋳物およびはんだに関する。さらに、本発明は、無鉛複合はんだに関する。
(2)関連技術の説明
重量を減少させるために、鋳鉄の代替として、軽量鋳物がますます使用されつつある。鋳物は、特に自動車および航空宇宙産業において、多くの用途を有する。しばしば、軽量鋳物は、鉄鋳物の性能および信頼性を持たない。この問題に対する1つのアプローチは、軽量鋳物中に臨界応力点にある高強度インサートを設けることである。
マイヤーらへの米国特許第6,484,790号および第6,443,211号は、種々の用途のために金属結合されたインサートを組み込んだ軽量複合金属鋳物を製造するための方法を教示している。1つの鋳造法は、インサートを、第1の層により、この第1の層の一部をインサートと鋳造金属材料との間の拡散バリアとして残しながら、第1の層の一部を鋳造金属材料中の溶解させることにより犠牲にさせるに十分な温度を含む条件下で、塗被する工程を含む。
シミズらへの米国特許第6,006,819号は、アルミニウム系本体とこのアルミニウム系本体に鋳造により組み込まれた鋳鉄材料との間の向上した結合を有するアルミニウム系複合部材を教示している。
ジョースタッドらへの米国特許第5,333,668号は、エンジンシリンダーのライナーインサートのような鉄またはアルミニウム物品を塗被して物品の周りにアルミニウム合金材料鋳物との金属結合を提供する方法を教示している。
無鉛電子はんだは、低融点合金系である。しかしながら、現代のマイクロエレクトロニクス用途におけるそれらの実用性能は、それらが、よりよい熱機械(TMF)的性能、良好は寸法安定性、および減少したエレクトロマイグレーションを有することを要求している。良好なTMF性能は、自動車/航空宇宙/防衛および消費者電子用途に重要である。これらの状況は厳しい熱攻撃を含むからである。典型的なマイクロ電気機械システム(MEMS)において、相互接続の寸法安定性は、重要になっている。電流を運ぶ印刷回路板中の配線は互いに非常に近接して配置されるからである。そのようなMEMSおよび電流発生用途で遭遇される高電流密度は、エレクトロマイグレーションの問題の解決策の正当な理由となっている。
複合はんだは、意図的に含められた強化材を有するはんだである。相容性のある強化材をはんだ系に含めようとするいくつかの試みがあった。そのような方法は、その場でのまたは機械的混合法により金属間(IMC)強化材を含めることを含む。機械的混合法は、IMCをはんだペーストに直接含めることができ、あるいははんだペーストに添加された金属粉末をリフロープロセス中に溶融はんだと反応させることによりIMCに変換させることができる。しかしながら、そのような強化材は、サイズが数ミクロンであるという傾向にある。加えて、IMC強化材は、使用中に粗大化し、その有効性に影響を与える傾向にある。IMC強化材により達成される実用性能の向上は、IMC強化材の種類、かかる強化材を含めるために用いた方法、および使用中のそれらの粗大化動力学に依存して変化する傾向にある。その結果、IMC粒子により強化された複合はんだは、実際の電子はんだ相互接続には実施されてきていない。電子部品の微細化における急速な進歩に伴い、サブミクロンの強化材を有するはんだについての必要性が進展している。
代替のアプローチは、インサート粒状強化材をはんだマトリックス中に含めることである。1つのそのような試みは、鉄粒子を磁界の存在下で含めることである(M.マコーマック、S.ジンおよびG.W.カムロット、“Enhanced Solder Alloy Performance by Magnetic Dispersions”、IEE Tranactions on Components, Pakkaging,and Manufacturing Technology−Part A、17(3)、pp.452−457、1994)。アルミナのようなセラミック粒子を電子はんだに含めることも試みられた。この方法の1つの問題は、リフロープロセス中に、強化材が気孔を有してより大きなサイズを獲得するようにさせる強化材の凝集である。これらの凝集粒子を破壊し、分散させるために圧延により機械加工することが試みられたが、強化材とマトリックスとの間の界面破壊という問題が付随した(H.マブーリおよびS.ジン、”New Creep−Resistant,Low Melting Point Solder with Ultrafine Oxide Dispersions”、J.Electr.Mater.、27(11):pp.1216−1222、1998)。このようなインサート強化材を含めることについてのもう一つの深刻な問題は、強化材とはんだマトリックスとの間にどのような化学結合もないということであり、これが、かかる強化材を、実用性能を向上させるために非常に効果的なものとはさせていないのである(H.マブーリおよびS.ジン)。その結果、インサート強化材を有するそのようなはんだは、実際には実施されてきていない。
強く求められているもう一つのアプローチは、Sn−Ag系はんだを少量のCu、Ni、希土類元素等と合金化させることである(C.M.ミラー、I.E.アンダーソンおよびJ.F.スミス、”A Viable Tin−Lead Solder Substitute:Sn−Ag−Cu”、J.Electr.Mater.、23(7)、pp.595−601、1994、F.グオ、S.チョイ、T.R.ビールダー、J.P.ルーカス、A.アチャリ、M パルチュリおよびK.N.サブラマニアン、”Evaluation of Creep Behavior of Near Eutectic Sn−Ag Solders Containing Small Amount of Alloy Additions”、Materials Science and Engineering、A351、pp.190−199、2003、J.G.リー、F.グオ、S.チョイ、K.N.サブラマニアン、T.R.ビールダーおよびJ.P.ルーカス、”Residual Mechanical Behavior of Themomechanically Fatigued Sn−Ag Based Solder Joints”、J.Electr.Mater.,31(9)、pp.946−952、2002、C.M.L.ウー、C.M.T.ロー、D.Q.ユーおよびL.ワン、”The Wettability and Microstructure of Sn− Zn−RE Alloys”、J.Electr.Mater.,32(2):pp.63−69、2003、C.M.L.ウー、D.Q.ユー、C.M.T.ローおよびL.ワン、”Improvements of Microstructure, Wettability, Tensile and Creep Strength of Eutectic Sn−Ag Alloy by Doping with Rare−Earth Elements”,Journal of Materials Research、17(12)、pp.3146−3154、2002)。これらの三元および四元合金はんだは、二元および三元IMC析出物を生成し得るが、リフロープロセス中にそのサイズと分布を制御することが困難である。かかる合金化は、また、溶融温度を変化させ、リフローパラメータに影響を及ぼし、処理パラメータおよび方法における変更を正当化する。
電子部品の微細化における急速な進歩に伴い、サブミクロンの強化材についての必要性が不可欠となっている。そのようなサブミクロンサイズの強化材は、粒界に存在するとき、TMFサイクル中の高温留置中に、TMF損傷の優勢なモードである粒界すべりを、粒界を鍵締めすることにより、最小化する。そのようなアプローチは、高温使用環境で用いられるニッケルおよびコバルト系超合金において採用されている。これらの強化材は、TMF損傷を最小化し、その使用信頼性を改善するとともに、MEMおよびマイクロエレクトロニクス用途に必須の寸法安定性を改善し得る。
マイクロエレクトロニクス用途において、電流密度が増加するにつれ、電極間のイオンのマイグレーションがボイドを発生させ、はんだ接合の不良を生じさせる。コンピュータ産業における同様の問題は、アルミニウム配線の粒界中に銅原子を含めることにより成功裏に取り組まれた。しかしながら、無鉛はんだの場合には、同じ問題に対する既知の解決策はない。はんだを強化する提案された方法から得ることができるサブミクロンサイズの強化材は、エレクトロマイグレーションの問題に対する解決策を提供し得る。
セカーへの米国特許第5,127,969号は、連続相と分散相を有するはんだ組成物を教示する。分散相は、グラファイト、炭化ケイ素、金属酸化物、元素金属および/または金属合金を含む粒子または繊維の形態にある強化材である。強化材は、分散相として、粒子または繊維の形態にあるままである。セカーはサブミクロンから60ミクロンに渡る粒状および繊維状強化材を教示するが、ナノサイズの粒子強化材を教示していない。
パルチュリらへの米国特許第5,928,404号および米国特許第6,360,939号は、一次はんだ粉末と、一次はんだ粉末の融点よりも実質的に高い融点を有することによりはんだ付けプロセス中に溶融しない添加剤金属粉末成分を有する電気はんだペーストを教示する。
アヴェリーらへの米国特許第6,340,113号は、第2の金属または第2の金属の塩溶液もしくは懸濁液で塗被された第1の金属の粒子から構成されるはんだ組成物を教示する。金属は、それらの個々の融点がそれら金属が結合したときに生成する合金の融点よりも高くなるように選択される。塗被された粒子を加熱すると、コア材料とそのコーティングとの間の界面で溶融が生じる。粒子は、互いに融合して多孔質金属フォームとなる。
キタジマらへの米国特許第6,521,176号は、無鉛はんだ合金がはんだ付けされる部品の所定の耐熱温度よりも低い融点を有するようにそれぞれの濃度が設定された無鉛はんだ合金を教示する。
サラフらへの米国特許第5,866,044号は、熱可塑性ポリマー、導電性金属粉末および有機溶媒系を含む導電性ペーストを教示する。熱可塑性ポリマーは、ポリ(イミド 尿素)、ポリ(エーテル シロキサン)、ポリ(スチレン ブタジエン)、ポリ(スチレン イソプレン)、ポリ(アクリロニトリル ブタジエン)、ポリ(エチレン 酢酸ビニル)およびポリウレタンからなる群の中から選ばれる。
関連技術ははんだの実用性能を改善する代替の取り組み方法を記述するが、この長い間未解決の問題に対する優れた解決策に対する必要性がなお存在する。従って、改善された実用性能を有する、サブミクロンの強化材を有する複合はんだ組成物を開発することが望ましい。さらに、複合はんだ組成物は鉛を含まないことが望ましい。環境中への鉛の放出は、鉛の固有の毒性と、現代生活のあらゆる側面における電子回路の拡大する利用を考慮すると、高まる関心事である。鉛はんだの溶融温度、はんだ付け性、疲労挙動および加工パラメータといった特性を維持しながら、鉛の量を減少させるはんだ組成物は、毒性廃棄物の処理という長い間未解決の問題に対処するであろう。
発明の概要
本発明は、金属マトリックス、および表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を含み、前記粒子が、前記金属マトリックス中に分散されている複合組成物を提供する。
また、本発明は、表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を溶融金属中に導入して、前記粒子が中に分散された金属マトリックスを製造する工程を包含する複合組成物の製造方法を提供する。
本発明は、さらに、前記金属またはその合金が約600℃未満の温度で溶融するものであるところの前述の組成物および方法を提供する。前述の組成物および方法のいくつかの態様において、前記金属は、金属の合金である。前述の組成物および方法のいくつかの態様において、前記金属は、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、タリウム(Tl)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)およびそれらの混合物からなる群の中から選ばれる。前述の組成物および方法のいくつかの態様において、前記粒子は、POSS、POSおよびそれらの混合物からなる群の中から選ばれる。前述の組成物および方法のいくつかの態様は、式R7Si79(OH)3と構造:
Figure 0004481986
を有するPOSS−トリオールである粒子を提供し、Rは前記有機官能基である。前述の組成物および方法のいくつかの態様において、前記粒子はシクロヘキルPOSS−トリオールであり、一方他の態様において、前記粒子はフェニルPOSS−トリオールである。
本発明は、さらに、金属はんだ、および表面に化学的に結合した有機官能基を有し、前記金属はんだ中に分散された無機酸化物粒子を含む複合組成物を提供する。いくつかの態様において、前記はんだは、前記粒子を中に分散させたマトリックスとして前記はんだを形成するために溶融されるペーストである。他の態様において、前記はんだは、マトリックスとしてのはんだおよびマトリックス中に分散された前記粒子を有するはんだの固体プリフォームである。
本発明は、さらに、上記組成物の態様を提供し、前記はんだは、約250℃未満の温度で溶融する。本発明の組成物の他の態様において、前記はんだは、金属の合金である。いくつかの態様において、前記はんだは、無鉛である。いくつかの態様において、前記粒子は、前記はんだと化学結合を形成している。いくつかの態様において、前記粒子は、式R7Si79(OH)3と構造:
Figure 0004481986
を有し、Rは前記有機官能基であるPOSS−トリオールである。いくつかの態様において、前記粒子は、シクロヘキルPOSS−トリオールであり、一方他の態様において、前記粒子は、フェニルPOSS−トリオールである。上記組成物のいくつかの態様において前記金属は、スズ(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、金(Au)、ニッケル(Ni)、アンチモン(Sb)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ゲルマニウム(Ge)およびそれらの混合物からなる群の中から選ばれる。いくつかの態様において、前記金属マトリックスは、Sn−Agであり、さらなる態様において、前記金属マトリックスは、共晶96.5wt%Sn−3.5wt%Agである。
本発明は、さらに、表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を粒状金属はんだ中に導入し、前記粒子と金属はんだを機械的に混合してペーストを提供する工程を包含するはんだペーストの製造方法を提供する。
本発明は、さらに、表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子が分散された金属はんだを含む複合組成物を提供する工程、および2またはそれ以上の部品を接合するために、前記はんだを、前記はんだを溶融させて前記2またはそれ以上の部品を接合させるはんだ付け手段を用いて、適用する工程を包含するはんだ付け方法を提供する。
本発明は、さらに、1またはそれ以上の電子部品、および金属はんだと、前記はんだ中に分散され、表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を含む組成物を包含し、前記組成物は、加熱により前記電子部品に結合されている装置を提供する。
本発明は、さらに、表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を金属はんだの粒子に導入し、前記粒子と金属はんだを機械的に混合してペーストを形成し、前記ペーストを溶融させて、前記粒子が金属マトリックス中に分散されたプリフォームを形成することを包含するはんだプリフォーム組成物の製造方法を提供する。
本発明は、さらに、表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を金属はんだおよびフラックス中に導入し、前記粒子と金属はんだを機械的に混合し、前記金属はんだを溶融させ、前記粒子を金属はんだ中に分散させ、これを所望の造形品に鋳造し、前記造形品を冷却し、前記造形品から前記フラックスを取り除いて造形はんだを提供することを包含する造形はんだの製造方法を提供する。
本発明は、さらに、前記はんだが約250℃未満で溶融するものであるところの、前述のはんだ付け方法、プロセスおよび装置の態様を提供する。前述のはんだ付け方法、プロセスおよび装置の他の態様において、前記はんだは、金属の合金である。いくつかの態様において、前記はんだは、無鉛である。いくつかの態様において、前記粒子は、前記はんだと化学結合を形成する。いくつかの態様において、前記粒子は、式R7Si79(OH)3と構造:
Figure 0004481986
を有するPOSS−トリオールであり、Rは前記有機官能基である。前述のはんだ付け方法、プロセスおよび装置のいくつかの態様において、前記粒子はシクロヘキルPOSS−トリオールであり、一方他の態様において、前記粒子はフェニルPOSS−トリオールである。前述のはんだ付け方法、プロセスおよび装置のいくつかの態様において、前記金属は、スズ(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、金(Au)、ニッケル(Ni)、アンチモン(Sb)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ゲルマニウム(Ge)およびそれらの混合物からなる群の中から選ばれる。いくつかの態様において、前記金属マトリックスは、Sn−Agであり、さらなる態様において、前記金属マトリックスは、共晶96.5wt%Sn−3.5wt%Agである。
目的
従って、本発明の目的は、実用性能を増大させるべく、所望レベルの粒子サイズと、鋳物およびはんだとしての低融点金属中の分散を達成するために、独特の有機官能性無機酸化物を利用することである。
本発明の他の目的は、向上した実用性能を有する無鉛はんだを提供することである。
これらの、および他の目的は、以下の記述と図面を参照することによりより一層明らかとなるであろう。
発明の詳細な説明
この明細書で引用した全ての特許、特許出願、政府刊行物、政府規則および参照文献は、その全体を参照によりここに含める。抵触の場合、定義を含め本明細書の記述が支配する。以下の用語についての定義は、本発明のさらなる理解を助成するために提供される。
「有機官能性無機酸化物粒子」は、サイズが好ましくはナノメートルからサブミクロンに渡る粒子であり、好ましくはケージ化されている。無機酸化物は、遷移金属、ランタニドもしくはアクチニド金属原子または、ホウ素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素およびテルルからなる群の中から選ばれる半金属に基づくことができる。有機官能性無機酸化物粒子には、POSS、POS、並びにコヤらへの米国特許第6,284,696号およびピナバイアらへの第6,465,387号に仔細されているような有機官能性シリケートが含まれるが、それらに限定されるものではない。これら粒子は、金属酸化物のコアを有し、分解に対し耐性のある有機基がコアに共有結合している。各有機基は、独立に、脂肪族および芳香族炭化水素基からなる群の中から選ばれる。有機基には、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、アルキニル、シクロアルキニル、アリール、およびヘテロアリール基が含まれ得るが、それらに限定されるものではない。有機基には、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、シクロヘキル(cyclohexyl)、ビニル、アリル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニルおよびフェニル基が含まれ得るが、それらに限定されるものではない。
用語「POSS」は、多面体オリゴマーシルセスキオキサンおよびその誘導体を指す。
POSSは、T−ケージ化分岐点構造:
Figure 0004481986
を有する。
POSSの一般式は、[R Si O1.5nであり、ここで、Rは、それぞれの存在毎に同じであるか異なる有機基であり、独立に、脂肪族および芳香族炭化水素基からなる群の中から選ばれる。有機基には、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、アルキニル、シクロアルキニル、アリール、およびヘテロアリールが含まれ得るが、それらに限定されるものではない。n=6であり、式R6Si69を有するPOSSの一例は、構造:
Figure 0004481986
である。この用語は、さらに、そのトリオール誘導体を含むが、それに限定されるものではない。
用語「POS」は、式[RMe2SiOSiO1.5nを有する、Q−ケージ構造を有す
る多面体オリゴマーシリケートおよびその誘導体を指す。n=6であるPOSの一例は、構造:
Figure 0004481986
であり、ここで、Rは、それぞれの存在毎に同じであるか異なる有機基であり、独立に、脂肪族および芳香族炭化水素基からなる群の中から選ばれる。有機基には、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、アルキニル、シクロアルキニル、アリール、およびヘテロアリールが含まれ得るが、それらに限定されるものではない。この用語は、さらに、そのトリオール誘導体を含むが、それに限定されるものではない。
「低融点」は、摂氏600度未満の融点を有するものと定義される。
「金属マトリックス」は、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、タリウム(Tl)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)およびそれらの混合物等であるがそれらの限定されない金属を含む。さらに、それは、スズ(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、金(Au)、ニッケル(Ni)、アンチモン(Sb)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ゲルマニウムおよびそれらの混合物からなる群の中から選ぶことができる。
用語「無鉛」は、鉛の重量百分率が、0.01重量パーセント(0.01wt%)未満である組成物を指す。
「複合はんだ」は、強化材が意図的に含められたはんだである。本発明の強化材は、有機官能性無機酸化物粒子である。これらの粒子は、マトリックスの0.1〜10重量パーセントの範囲内にある。
本発明は、好ましくは、ナノメートルからサブミクロンレベルの、はんだマトリックスと結合し得る不活性強化材を含む。好ましくは、粒子サイズは、ほぼ10〜100ナノメートルである。POSS技術における最近の進展は、そのような用途のための新たな道を切り開いた。POSSナノ技術は、そのような強化材と金属マトリックスとの間の結合を促進するための適切な手段を生み出し得る。加えて、ナノメートルからサブミクロンサイズの強化材を達成するために、はんだ中に強化材を含めることができるいくつかの手段が存在する。そのような複合物アプローチは、与えられた合金系のはんだ付け性またはそのリフロー特性を変えることがない。電子パッケージ、MEM、および自動車/航空宇宙/防衛エレクトロニクスは、本発明のための見込まれる用途の一部である。関連技術の無鉛はんだは、無機/有機ナノサイズ粒子強化材を含んでいない。
本発明を用いたはんだ付けは、部分加熱法または全体加熱法により達成することができる。部分加熱法には、はんだごて、パルスヒータ、レーザ、光ビーム、熱風、噴流はんだ付けを用いることが含まれるが、それらの限定されるものではない。全体加熱法には、赤外リフロー、対流リフロー、組み合わされた赤外対流、気相はんだ付け(VPS)、およびフローはんだ付けが含まれるが、それらに限定されるものではない。
複合はんだを用いる最も簡単な局部的な方法は、複合はんだを提供し、このはんだをはんだごてで加熱して溶融させることによる、はんだごてによるものである。ついて、はんだを電子部品のリードに適用し、接続を作る。複合はんだを用いる他の方法は、パルス加熱はんだ付けを用いるものである。予め複合はんだを準備し、ヒータチップから圧力をかける。対流リフローは、提供されたはんだペーストをノズルから流れる熱ガスにより加熱する方法である。レーザはんだ付けは、提供されたはんだを溶融させるためにレーザビームを適用することにより達成される。光ビームはんだ付けは、キセノンランプから光を適用することにより達成される。
はんだ付けの全体的方法には、リフローはんだ付けおよびフォロー(ウエーブ)はんだ付けが含まれる。リフローは、複合はんだを溶融させ、再固化させることを伴う。リフロー法は、複合はんだペーストを、電子部品の搭載前に回路板に印刷することによって行われる。熱をかけてはんだを部品のリード上に溶融させる。熱は、赤外パネルヒータ、対流ヒータ、または熱不活性ガス雰囲気を用いてかける。フロー(ウエーブ)はんだ付けは、フラックスの適用前に、接着剤または回路板中への挿入により電子部品を搭載することにより行われる。その次に、溶融はんだを電子部品上に押付ける。本発明は、片側または両側はんだ付けプロセスフローを用いて適用することができる。
はんだは、はんだ付け性を向上させるために、R(ロジン)タイプ、RMA(マイルド活性化)およびRA(活性化)フラックスのような種々のタイプのフラックスとともに用いることができる。はんだと混合するフラックスは、非水溶性フラックスまたは水溶性フラックスのいずれかであり得る。典型的な非水溶性フラックスは、ロジン系フラックスであるが、他の非水溶性フラックスも使用できる。ロジンは、重合されたもの、重合されていないもののいずれであってもよい。フラックスは、通常、ロジンのようなベース材料、少量の活性剤、および任意にチキソトロープ剤を溶媒中に含むものである。ロジンのための活性剤には、アミンハロゲン化水素酸塩、アミン有機酸塩、および有機酸が含まれる。チキソトロープ剤の例には、水素化ヒマシ油が含まれる。非水溶性フラックスに有用な溶媒には、グリコールエーテル、低級アルコールおよびテルペンが含まれる。
はんだフラックス、油、ワックス、グリースおよび電子回路の結合および組み立て中に生成する他の有機残渣を除去するために、はんだ付け後、はんだを清浄化することが重要である。使用するフラックスのタイプに応じて、種々のクリーナー製剤が利用でき、はんだ付け後に複合はんだ組成物を清浄化するために用いることができる。水溶性フラックスは、温かい石鹸水で容易に除去することができる。ロジンフラックスは、1,1,1−トリクロロエタン、トリクロロエチレン、トリクロロモノフルオロメタン、塩化メチレン、トリクロロトリフルオロエチレン(CFC113)、テトラクロロジフルオロエタン(CFC112)および他の溶媒のような塩素化炭化水素溶媒で除去することができる。サクデフらへの米国特許第6,569,252号およびウィンストンらへの米国特許第5,234,506号は、これらのクリーニング組成物をさらに詳細に記述しており、参照により本明細書に含めておく。
複合はんだを用いて回路を作るために、上記はんだ付け技術のいずれも用いることができる。2つのリード11を接続するはんだ付けされた層が図17に示されており、ここで粒子13ははんだマトリックス12中に分散されている。図33は、シリコンチップ12と基板11との間にはんだ接合13を有するはんだ付けされた層10を例示する。図34は、成形コンパウンド14で被覆されたボールグリッドアレー(BGA)基板15において印刷回路板(PCB)13をチップ11と接続する複合はんだボール12を有するマイクロチップ接続10を例示する。回路は、集積回路、トランジスタ、レジスタ、キャパシタ、ダイオード、整流器、マイクロ電子デバイスおよびMEMを含むがそれらに限定されない種々の電子部品を用いて組み立てることができる。
オリゴマーシルセスキオキサンの合成は、一般に、三官能性RSiY3前駆体(ここで、Rは、炭化水素基、Yは、塩化物のような加水分解性基)の加水分解性縮合により行われる(J.Am.Chem.Soc.1989、111、1741−1748;Organometallics 1991、10、2526−2528)。この反応は、通常、完全縮合および不完全縮合オリゴマーシルセスキオキサンの混合物を生成する。1つの重要な、完全縮合したオリゴマーシルセスキオキサンは、化合物R6Si69である。Rがシクロヘキルであるこの構造の化合物は、塩基性触媒の存在下に、RSi(OMe)3と反応させて、構造:
Figure 0004481986
の官能化された、不完全縮合シルセスキオキサンを与えることができる。
一例は、R7Si79(OH)3であり、ここでRは、シクロヘキルである(Chem.Commun.1999、2153−2154、Polym.Mater.Sci.Eng.2000、82、301−302)。
以下の例において、複合はんだは、POSSをはんだマトリックスに添加することにより調製した。異なる活性有機基を有する2つの異なるPOSSを共晶96.5重量パーセントスズ(Sn)−3.5重量パーセント銀(Ag)に含めた。図32は、はんだ接合作製のための実験セットアップ10を示す。シングル剪断−ラップはんだ接合試料は、半犬骨形状の銅ストリップ13を接合することにより調製した。銅ストリップ13間にはんだペースト12から作られたはんだ接合は、約100μm厚であり、約1mm×1mmのはんだ接合面積を有していた。これらの接合は、銅ストリップ13と、上部ガラス板11および底部ガラス14とのアセンブリが載置されたアルミニウム治具16を用いて作った。アルミニウム治具16をホットプレート上に置いた。溶接する領域の、熱電対ワイヤ15を介して測定した温度がはんだの融点より約30〜50℃上に達したら、アルミニウム治具16をホットプレートから取り除き、冷却のためにアルミニウムブロックの上に置いた。接合表面の1つを、種々の処理後にミクロ構造特性を観察するために、金属学的に研磨し、操作型電子顕微鏡(SEM)を用いて試験した。POSSのサイズと分布は、機械的に試験した試料の側面から、および破壊表面から調べた。
ナノ複合はんだを用いて作ったシングル剪断−ラップはんだ接合の機械的試験は、微細なよく分散したPOSS強化材を示し、非常に敏感な熱機械分析器を用いて試験した。これらの試験の主目的は、剪断強度を増大させるPOSS強化材を確認することであった。剪断延性は、寸法安定性のためには減少させるべきパラメータである。これは、特に衝撃条件下で、かけられた歪に対応するようにはんだ接合を従順にさせるためには、増加させるべきである。これらの剪断試験試料の破壊表面を、POSS粒子のサイズと分布を確認するために用いた。はんだ接合の研磨側部表面を、変形特性とそれらの関係を確認するために、SEMで調べた。
強化材は、金属マトリックスに強固に結合していた。それらは凝集しなかった。よく分布した100ナノメートルサイズの強化材が認められた。界面に化合物の生成がないことは、これらのPOSS分子の真の不活性性を示している。それらは、強度をある程度向上させる。
例1
マルチコア・ソルダー社により供給された製品番号NC63の共晶96.5重量パーセントスズ(Sn)−3.5重量パーセント銀(Ag)中に含められたシクロヘキルPOSS−トリオールからなるはんだ接合を作製した。(マルチコア・ソルダーは、今は、ヘンケルの一部である)。シクロヘキルPOSS−トリオールは、化学式(C6117Si79(OH)3と構造:
Figure 0004481986
を有し、ここでCyは、シクロヘキル基を表す。
はんだ接合を破壊し、その表面を走査型電子顕微鏡を用いてを観察した。シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の5および10ミクロンスケールでの破壊表面の平面をそれぞれ図1および図2に示す。粒子が認められる。シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の5ミクロンでの側部破壊表面を図3に示し、表面の2ミクロン倍率を図4および図5に示す。図3に、剪断バンドが認められる。シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の1ミクロンスケールでの研磨表面を図6に示す。図7および図8は、シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面の同じ領域の走査型電子(SE)および後方散乱(BE)画像の双方を示す。Ag3Snの鮮明な粒子が認められる。図20は、共晶Sn−AgとシクロヘキルPOSS−トリオール複合物の単純剪断強度を示す。
例2
マルチコア・ソルダー社により供給された製品番号NC63の共晶96.5重量パーセントスズ(Sn)−3.5重量パーセント銀(Ag)中に含められたフェニルPOSS−トリオールからなるはんだ接合を作製した。(マルチコア・ソルダーは、今は、ヘンケルの一部である)。フェニルPOSS−トリオールは、化学式(C657Si79(OH)3と構造:
Figure 0004481986
を有し、ここでPhは、フェニル基を表す。
はんだ接合を破壊し、その表面を走査型電子顕微鏡を用いてを観察した。図9は、フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の10ミクロンスケールでの破壊表面の平面を示す。フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の5ミクロンでの破壊表面の側面図を図10に示し、図11は、フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の2ミクロンスケールでの側部破壊表面を示す。図12は、フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の20ミクロンスケールでの研磨表面示す。図13および図14は、フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面のSEおよびBE画像の双方を示す。Ag3Snの鮮明な粒子が認められる。図20は、共晶Sn−AgとフェニルPOSS−トリオール複合物の単純剪断強度を示す。
例3
別のはんだ供給者からの共晶Sn−Agを用いて実験を繰り返した。(ケスター;製品番号R520A)。製品番号R520Aのケスター共晶Sn−3.5Agを用いて複合はんだを調製した。0.2765グラムのPOSS−シクロヘキシルトリオールを5.1674グラムのはんだに添加し、それにより共晶Sn−3.5Ag中に混合された5.07重量パーセントの粒子を生成させた。(表1参照)。共晶Sn−3.5Ag中に混合された粒子のおおよその体積パーセントは、20体積パーセントである。
Figure 0004481986
図21は、低倍率での、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示す。バーは、10マイクロメートルを表す。図22は、高倍率での、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示す。バーは、2マイクロメートルを表す。図23は、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のSE画像を示す。バーは、5マイクロメートルを表す。図24は、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のBE画像を示す。バーは、5マイクロメートルを表す。図25は、高倍率での、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面を示す。バーは、1マイクロメートルを表す。図31は、共晶Sn−AgおよびシクロヘキルPOSS−トリオール複合物の単純剪断強度を示す。
例4
製品番号R520Aのケスター共晶Sn−3.5Agを用いてPOSS−フェニルトリオール複合はんだを調製した。0.2745グラムのPOSS−フェニルトリオールを5.0639グラムのはんだに添加し、それにより共晶Sn−3.5Ag中に混合された5.14重量パーセントの粒子を生成させた。(表1参照)。共晶Sn−3.5Ag中に混合された粒子のおおよその体積パーセントは、20体積パーセントである。
図26は、低倍率での、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示す。バーは、10マイクロメートルを表す。図27は、高倍率での、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示す。バーは、2マイクロメートルを表す。
図28は、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のSE画像を示す。バーは、5マイクロメートルを表す。図29は、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のBE画像を示す。バーは、5マイクロメートルを表す。図30は、高倍率での、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面を示す。バーは、1マイクロメートルを表す。図31は、共晶Sn−AgおよびフェニルPOSS−トリオール複合物の単純剪断強度を示す。
Figure 0004481986
例5
以下の例は、POSS分子の異なる量および化学基を含有する共晶Sn−Agの剪断強度を示す。
複合はんだを作るためのPOSS粒子の例
例5 シクロヘキセニル−トリオール(2wt%)
例6 シクロヘキセニル−トリオール(3wt%)
例7 エチル−トリオール(3wt%)
例8 フェニル−トリオール(2wt%)
例9 フェニル−トリオール(3wt%)
例10および11 シクロヘキシル−ジオール(2wt%および3wt%)。ここで、Rは、式
Figure 0004481986
のシクロヘキシルである。
I. 初期ミクロ構造
一般的に、POSS含有複合はんだ接合は、POSS粒子の種類にかかわらず、はんだマトリックス中に均一に分散された極めて微細なサイズの粒子を示す。(以下の図35A〜35H参照)。
II. 0.01s-1の歪速度を用いたR.T.(22℃)でのシングル−剪断ラップ試験
シングル−剪断ラップはんだ接合を、先に記述し、図36に示される標準的な方法を用いて作製した。
表3は、室温で0.01s-1の一定歪速度を用いた種々のPOSS含有はんだ接合の剪断強度を示す。
(注:シングル−剪断ラップはんだ接合を作るために、全てのPOSS含有はんだ接合は、共晶Sn−Agはんだペーストを用いた)。
Figure 0004481986
図37は、結果をグラフの形態で示す。
III. 0.01s-1の歪速度を用いた85℃での剪断試験 表4は、85℃で0.01s-1の一定歪速度を用いた種々のPOSS含有はんだ接合の
剪断強度を示す。
Figure 0004481986
図38は、結果をグラフの形態で示す。
IV. 0.01s-1の歪速度を用いた150℃での剪断試験
表5は、150℃で0.01s-1の一定歪速度を用いた種々のPOSS含有はんだ接合の剪断強度を示す。
Figure 0004481986
図39は、結果をグラフの形態で示す。
V. 0.01s-1の歪速度を用いたRT(22℃)での剪断試験
表6は、室温で0.01s-1の一定歪速度を用いた種々のPOSS含有はんだ接合の剪断強度を示す。
Figure 0004481986
図40は、結果をグラフの形態で示す。
使用したPOSSの種類および量にかかわらず、POSS含有共晶Sn−Agはんだ接合は、種々の温度および歪速度で、未強化共晶Sn−Agはんだ接合に対し、改善された剪断強度を示した。
図41Aおよび図41B並びに図42Aおよび図42Bに示されるように、POSS含有共晶Sn−Agはんだ接合を用いて作られた接合の破壊形態は、均質な変形を示す一方、未強化接合は、局在化された変形を示す。
熱機械疲労(TMF)に供された際の共晶Sn−AgとPOSS含有はんだ接合の比較
はんだ接合は、種々の熱的環境中で使用されるものである。この評価の一部として、はんだ接合を、図43に示す現実的な熱サイクル条件に暴露した。種々の暴露時間での表面損傷をSEMを用いてモニターした。1000回の熱サイクルに暴露したとき、接合を標準的な剪断条件で試験し、残留強度を評価した。TMF試験のために、シクロヘキセニル−POSSトリオールの2つの異なる重量のフラクションを含有する共晶Sn−Agを用いた。接合の構成は、図36に示す通りであった。はんだ接合の幾何学形状は、犬骨形状のシングル剪断ラップはんだ接合であった。
I.表面損傷蓄積
図44A〜図44Dに見ることができるように、共晶Sn−Agはんだ接合では、TMFサイクル数が増すにつれ、表面損傷の有意な進行が観察された。
POSS粒子を含有する複合はんだ接合は、図45A〜図45Dおよび図46A〜図46Dに見ることができるように、1000回のTMFサイクル後でも、はるかに少ない表面損傷を示した。
最大1000回のTMFサイクル後、共晶Sn−Agはんだ接合は、図47Aに認められるように、はんだ領域中の金属間化合物(IMC)層近傍に高度に局在化した表面損傷を示している。共晶Sn−Agはんだ接合で観察された表面損傷(図47Bおよび図47C)は、Cu基板とはんだとの間の熱膨張係数(CTE)のミスマッチによるものである。Sn(スズ)は、高度に異方性の材料(体心正方)であるので、スズの異方性は、共晶Sn−Agはんだ接合に表面損傷を生み出すための有意な役割を果たしている。
しかしながら、POSS粒子を含有する複合はんだ接合における表面損傷は、共晶Sn−Agはんだ接合における損傷蓄積と比べてはるかに少なく、その変形は、図47Aおよび47Bに示すように、はんだ接合領域中でははるかに均質であった。
II.残留強度
初めに、POSSは、はんだ接合の強度を増大させる(表7および図48参照)。
表7は、TMF後のPOSS(シクロヘキセニル−トリオール)含有はんだ接合の残留剪断強度を示す(0.01s-1の一定歪速度をもってRTで試験)。
Figure 0004481986
観察された改善された剪断強度および実用性能は、ナノ粒子の使用による粒界すべりのピン止めに関連するものと信じられる。ここで、使用するナノ粒子は、ナノ強化材のサイズがはんだ接合の実用寿命中に不変であるように不活性なものでなければならないことを指摘しておくことは重要である。それらは、図49A、49Bおよび49Cに見られる。
III.TMF後の有意な知見
POSSは、はんだ接合の強度を増大させる。TMFは、POSS含有はんだ接合に最小の均一表面損傷をもたらす一方、同じ条件下で、はんだ/基板界面近傍の有意な局在化損傷が、POSSを含有しないはんだで作られた接合には生じる。
1000回のTMFサイクル後でも、POSS強化材を持たないはんだで作られた接合の特性の有意な損失(40〜50%)と比べて、POSS含有はんだで作られた接合における残留強度の低下は最小である(20%未満)。
POSS含有はんだを用いて作られた接合のTMF後の残留強度は、POSS強化材を持たないはんだを用いて作られた接合よりもはるかに高い。
無鉛POSS複合はんだについての知見のまとめ
POSS強化材は、機械的に混合して商用はんだペーストとすることができる。
それらは、どのような認識され得るミクロンサイズの凝集なしに、はんだ接合中に均一に分布する。
接合に存在するPOSS強化材は、Sn粒界に存在する傾向にある。そのような特徴は
、はんだ接合の熱機械疲労(TMF)損傷の原因となるプロセスである粒界すべりを防止するために極めて重要である。
POSSの存在は、ミクロ構造を安定化させる。1000回のTMFサイクルから生じる150℃での約2000時間後でも、有意なミクロ構造の変化は認められ得ない。POSSで強化されたはんだでは、粒成長は認められ得ない。
POSS粒子は、TMF条件下で極めて安定である。それらは、現場でまたは機械的手段により導入された金属間(IMC)強化材のようなに粗大化を示さない。
POSSの添加は、共晶Sn−Agはんだと銅表面との間の濡れ角度を低下させる。
2〜3重量パーセントのPOSSの添加は、共晶Sn−Agの剪断強度を、室温での検討においてその延性に有意の影響を及ぼすことなく、約50%増加させる。
3重量パーセントを超えるPOSSの添加は、銅表面に対するはんだの濡れ性を低下させる。
共晶Sn−Agに3重量パーセントのPOSSを添加することは、約15体積パーセントの強化材に相当する。POSSの添加を増加することは、濡れ角度を増加させ、それによりはんだ付け性を低下させる。複合はんだについての研究は、15〜20体積パーセントの強化材が、特性とはんだ付け性を考慮して、最適であることを示唆する。
POSS強化材は、はんだに対し極めて良好に結合するナノサイズ粒子である。極端温度での留置時間を伴う−15℃と150℃の間の1000回の熱サイクル後も、POSS強化材ははんだマトリックスから遊離することはない。このような特徴は、POSSとはんだとの間の非常に強い結合を示すものである。
SAC(Sn−4Ag−0.5Cu)合金はんだ接合は、接合したまま形態において共晶Sn−Agはんだ接合よりも強いが、それは、TMF条件下で、共晶はんだよりもはるかに速く劣化する。
POSS強化共晶Sn−Agはんだ接合のTMF性能は、現実的なTMF条件下でSAC(Sn−4Ag−0.5Cu)合金はんだ接合のそれよりもはるかに優れている。
1000サイクルのTMF後でも、POSS強化はんだは、有意な表面損傷を示さない
。かかる条件下で認められた最小損傷は、はんだ接合表面上により均一に分布される。かかる条件下で、はんだ/基板IMC界面近傍の甚大な局在化損傷の欠如は向上したTMF性能にとって極めて重要である。
はんだに対し弱く結合される、現場での複合はんだ中に存在する強化材と異なり、POSS強化材は、非常に強くはんだに結合する。
はんだに対するPOSS強化材の強い結合、そのナノサイズ、粗大化または凝集のないサイズ安定性、および粒界でのその存在は、他の複合はんだと比較して、POSS強化はんだ接合の向上した性能に対する主要な貢献であると信じられる。
ウエーブはんだ付けを利用する用途のために、POSSをはんだに含める手段として、プリフォームを用いることができる。
POSSは、はんだの電気特性を悪化させない。
表8は、共晶Sn−AgおよびPOSS(3wt%シクロヘニル−トリオール)を含有
する接合の導電度を示す。
Figure 0004481986
POSSの存在は、はんだの導電性にほとんど影響を持たなかった。
図50は、共晶Sn−Agはんだ接合(黒逆三角)と比較しての、3wtパーセントのPOSSを有するはんだ(白抜き逆三角)の室温でのクリープを示すグラフである。POSSが室温で、融点の0.8にあるこのはんだについて耐クリープ性を改善することが明らかである。
本発明をここでは例示された態様を参照して説明したが、本発明はそれらに限定されないことに注意すべきである。ここでの教示にアクセスする当業者は、その範囲内の追加の健康および態様を認識するであろう。従って、本発明は、ここに添付した特許請求の範囲によってのみ制限される。
シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の破壊表面の平面図を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の破壊表面の平面図を示し、バーは、10マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の側部破壊表面を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の側部破壊表面を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の側部破壊表面を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の高倍率の研磨表面を示し、バーは、1マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面のSE画像を示し、SE画像とBE画像は、同じ領域でのものであり、鮮明なAg3Sn粒子を示しており、バーは、2マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面のBE画像を示し、SE画像とBE画像は、同じ領域でのものであり、鮮明なAg3Sn粒子を示しており、バーは、2マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の破壊表面の平面図を示し、バーは、10マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の破壊表面の側面図を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の側部破壊表面を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面を示し、バーは、20マイクロメートルを表す。 鮮明なAg3Sn粒子を示す、フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面のSE画像を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 鮮明なAg3Sn粒子を示す、フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面のBE画像を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオールを有するはんだ接合の研磨表面を示し、バは、5マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオールの構造を示す。 シクロヘキルPOSS−トリオールの構造を示す。 はんだ付けされた部品のスケッチを示す。 共晶Sn−Agのミクロ構造を示し、バーは、10マイクロメートルを表す。 共晶Sn−Agおよび複合物の剪断強度を緒示す。 低倍率での、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示し、バーは、10マイクロメートルを表す。 高倍率での、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のSE画像を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面BE画像を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 高倍率での、シクロヘキルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面を示し、バーは、1マイクロメートルを表す。 低倍率での、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示し、バーは、10マイクロメートルを表す。 高倍率での、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の破壊表面を示し、バーは、2マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のSE画像を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面のBE画像を示し、バーは、5マイクロメートルを表す。 高倍率での、フェニルPOSS−トリオール/Sn−Agはんだ接合の研磨表面を示し、バーは、1マイクロメートルを表す。 共晶Sn−Agおよび複合物の単純剪断強度を示す。 はんだ接合作製のための実験セットアップであり、銅ストリップ、上部ガラス板、底部ガラス板、はんだペースト、熱電対ワイヤ、加熱されたアルミニウム治具を示す。 シリコンチップと基板との間のはんだ接合を示す。 複合はんだを用いたマイクロチップ接続を示す。 種々のPOSS含有複合はんだ接合の初期ミクロ構造のSEM画像である。 シングル剪断ラップはんだ接合の例示である。 0.01s-1の歪速度を用いて室温で試験した共晶Sn−Agと種々の複合はんだ接合の剪断強度を示すグラフである。 0.01s-1の歪速度を用いて85℃で試験した共晶Sn−Agと種々の複合はんだ接合の剪断強度を示すグラフである。 0.01s-1の歪速度を用いて150℃で試験した共晶Sn−Agと種々の複合はんだ接合の剪断強度を示すグラフである。 0.001/sの歪速度を用いて室温で試験した共晶Sn−Agと種々の複合はんだ接合の剪断強度を示すグラフである。 剪断変形挙動の概略を示すグラフであり、図41Aは、共晶Sn−Agはんだ接合の、図41Bは、POSS含有複合はんだ接合のそれを示すグラフである。 剪断破壊試料のSEM画像であり、図42Aは、共晶Sn−Agはんだ接合の、図42Bは、POSS含有複合はんだ接合についてのものである。 TMFについての温度−時間プロファイルを示すグラフである。 TMF0、250、500、1000サイクル後の共晶Sn−Agはんだ接合のSEM画像である。 TMF0、250、500、1000サイクル後の2wt%POSS含有はんだ接合のSEM画像である。 TMF0、250、500、1000サイクル後の3wt%POSS含有はんだ接合のSEM画像である。 1000TMFサイクル後の共晶Sn−Ag系はんだ接合のSEM画像である。 TMF後の共晶Sn−AgおよびPOSS(シクロヘキセニル−トリオール)含有はんだ接合の残留強度を示すグラフである。 高温でかけられた剪断力による粒界すべりの概略詳細であり、図49Aは、障害のない2つの隣接する粒間の粒界すべりを示し、図49Bは、粒界すべり中の粒界上の金属間粒子の存在による格子変形を受けた粒子を示し、図49Cは、格子変形の位置を示す粒界三重点でのすべりを示す(注:障害は、すべりに対する、従って塑性変形に対する耐性を向上させる)。 POSSを有する、および有しない共晶Sn−Agについての室温でのクリープを示すグラフである。

Claims (27)

  1. (a)金属はんだ、および
    (b)前記はんだ中に分散された、(i)シラノール基と(ii)粒子表面上に化学的に結合した有機官能基を含む、有機官能基を有する無機酸化物粒子
    を含む複合組成物。
  2. 前記有機官能基を有する無機酸化物粒子が、多面体オリゴマーシルセスキオキサン(POSS)、多面体オリゴマーシリケート(POS)、有機官能性シリケートおよびそれらの混合物からなる群の中から選ばれる請求項1に記載の複合組成物
  3. (a)金属はんだ、および
    (b)前記はんだ中に分散された、(i)多面体オリゴマーシルセスキオキサン(POSS)-ジオール、POSS-トリオール、多面体オリゴマーシリケート(POS)-トリオールおよびそれらの混合物からなる群の中から選ばれ(ii)粒子表面上に化学的に結合した有機官能基を含む、有機官能基を有する無機酸化物粒子
    を含む複合組成物。
  4. 前記有機官能基を有する無機酸化物粒子は、式R7Si79(OH)3と構造:
    Figure 0004481986
    を有するPOSS−トリオールを含み、Rは粒子表面上に化学的に結合した有機官能基である、請求項3に記載の複合組成物。
  5. 前記有機官能基を有する無機酸化物粒子は、式R Si 11 (OH) と構造:
    Figure 0004481986
    を有するPOSS−ジオールを含み、Rは粒子表面上に化学的に結合した有機官能基である、請求項3に記載の複合組成物。
  6. 前記有機官能基が、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびそれらの組み合わせからなる群の中から選ばれる請求項1から5のいずれか1項記載の複合組成物。
  7. 前記有機官能基が、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、アルキニル、シクロアルキニル、アリール、ヘテロアリールおよびそれらの組み合わせからなる群の中から選ばれる請求項6に記載の複合組成物。
  8. 前記有機官能基が、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、シクロヘキシル、ビニル、アリル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、フェニルおよびそれらの組み合わせからなる群の中から選ばれる請求項6に記載の複合組成物。
  9. 前記有機官能基が、アルキル、シクロアルキル、アリール、ヘテロアリールおよびそれらの組み合わせからなる群の中から選ばれる請求項6に記載の複合組成物。
  10. 前記金属はんだが、250℃未満で溶融するものである請求項1から9のいずれか1項記載の複合組成物。
  11. 前記金属はんだが、スズ(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、金(Au)、ニッケル(Ni)、アンチモン(Sb)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ゲルマニウム(Ge)およびそれらの混合物からなる群の中から選ばれる請求項1から9のいずれか1項記載の複合組成物。
  12. 前記金属はんだが、スズ(Sn)を含む請求項11に記載の複合組成物。
  13. 前記金属はんだが、金属合金である請求項1から12のいずれか1項に記載の複合組成物。
  14. 前記金属はんだが、Sn−Agである請求項13に記載の複合組成物。
  15. 前記金属はんだが、96.5wt%Sn−3.5wt%Agを含む共晶組成物である請求項13に記載の複合組成物。
  16. 前記金属はんだが、無鉛である請求項1から15のいずれか1項記載の複合組成物。
  17. 前記有機官能基を有する無機酸化物粒子が、金属はんだと化学結合を形成する請求項1から16のいずれか1項に記載の複合組成物。
  18. 前記複合組成物が、溶融して、はんだマトリックス中に分散した有機官能基を有する無機酸化物粒子と共にが、はんだを形成することができるはんだペーストの形である請求項1から17のいずれか1項に記載の複合組成物。
  19. 前記複合組成物が、固体プリフォームマトリックスの形であり、有機官能基を有する無機酸化物粒子が、固体プリフォームマトリックス中に分散している請求項1から17のいずれか1項に記載の複合組成物。
  20. (a)粒子表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を、粒状金属はんだ中に導入し、ここで、前記有機官能基を有する無機酸化物粒子は、請求項1から9のいずれか1項記載のものであり、および
    (b)有機官能基を有する無機酸化物粒子と粒状金属はんだを機械的に混合して、はんだペースト組成物を提供することを包含するはんだペースト組成物の製造方法。
  21. 金属はんだが、請求項10から16のいずれか1項で定義される、請求項20に記載の方法。
  22. (a)請求項1から19のいずれか1項記載の複合組成物を提供する工程、および
    (b)2またはそれ以上の部品を接合するために、前記はんだを、前記はんだを溶融させて前記2またはそれ以上の部品を接合させるはんだ付け手段を用いて、適用する工程を包含するはんだ付け方法。
  23. (a)1またはそれ以上の電子部品、および
    (b)請求項1から19のいずれか1項記載の複合組成物を包含し、前記複合組成物は、加熱により前記電子部品に結合されている電子装置。
  24. (a)粒子表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を、粒状金属はんだ中に導入し、ここで、前記有機官能基を有する無機酸化物粒子は、請求項1から9のいずれか1項記載のものであり、
    (b)前記有機官能基を有する無機酸化物粒子と粒状金属はんだを機械的に混合してペーストを形成し、
    (c)前記ペーストを溶融させてはんだプリフォーム組成物を形成し、ここで、前記有機官能基を有する無機酸化物粒子がはんだプリフォーム組成物に分散されている
    ことを包含するはんだプリフォーム組成物の製造方法。
  25. 前記金属はんだが、請求項10から16のいずれか1項で定義される請求項24に記載の方法。
  26. (a)粒子表面に化学的に結合した有機官能基を有する無機酸化物粒子を金属はんだおよびフラックス中に導入し、ここで、前記有機官能基を有する無機酸化物粒子は、請求項1から9のいずれか1項記載のものであり
    (b)前記有機官能基を有する無機酸化物粒子と金属はんだを機械的に混合し、
    (c)前記金属はんだを溶融させ、前記粒子を溶融金属はんだ中に分散させ、これを所望の造形はんだ組成物に鋳造し、
    (d)前記造形品を冷却し、
    (e)前記造形品から前記フラックスを取り除いて造形はんだ組成物を提供する
    ことを包含する造形はんだ組成物の製造方法。
  27. 前記金属はんだが、請求項10から16のいずれか1項で定義される請求項26に記載の方法。
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