JP5320556B2 - Ｓｎ、ＡｇおよびＣｕからなるはんだ物質 - Google Patents

Description

本発明は、主成分としてのＳｎ（錫）に加えて、１０重量％またはそれ未満のＡｇ（銀）、１０重量％またはそれ未満のＢｉ（ビスマス）、１０重量％またはそれ未満のＳｂ（アンチモン）および３重量％またはそれ未満のＣｕ（銅）を含んでなるはんだ物質に関する。さらに、本発明は、はんだ成分を溶融すると、上記の合金含量でＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、ＳｂおよびＣｕを含む合金を形成するような組成および含量で複数のはんだ成分を含むはんだ物質に関する。

上記の組成のはんだ物質は、広く使用されてきた鉛含有はんだ物質を、好ましくない環境適合性の理由から置き換えることが必要である際に、特に使用されている。例えばWO 01/03878 には、主成分としてのＳｎに加えて、１０％までのＡｇ、５％までのＣｕ、１０％までのＳｂおよび１０％までのＢｉを含んでなるはんだ物質が記載されている。さらに、少なくとも９０重量％のＳｎおよび更なる成分Ａｇ、Ｂｉ、ＳｂおよびＣｕを含んでなるはんだ物質が、EP 0 629 466 A1 から既知である。さらに、反応はんだとしての複数のはんだ成分から形成されるはんだ物質は、WO 00/48784 から既知であり、そこでは、はんだ成分の溶融の際に、主成分としてのＳｎに加えて、１〜１０％のＢｉ、５％までのＳｂ、３％までのＣｕおよび６％までのＡｇを含んでなる合金を形成する。

上記のはんだ物質は、ＳｎＡｇＣｕ３元系からなり、特に、組成SnAg3.8Cu0.7では、融点２１７℃を有する共晶を形成する。例えば、合金含量１０重量％までの量でＢｉを合金化することによって、この融点が低下することも既知である。ビスマスは、反応はんだ中での１つの成分として使用できることが知られており、例えば、１成分として上記の共晶SnAgCu合金を、他の成分である融点１３８℃を有するSn43Bi47と混合すると、反応はんだは、著しく低い温度で溶融し始める。

WO 01/03878 EP 0 629 466 A1 WO 00/48784

本発明の目的は、比較的低い融点を示し、同時に、はんだ接続が形成される温度が最も高い使用可能温度に設定される、SnAgCu系に基づくはんだ物質を提供することである。

本発明によれば、この目的は、はんだ物質の合金が、さらに１．０重量％またはそれ未満のＮｉ（ニッケル）を含むことによって達成される。例えば、はんだ物質が、反応はんだとして複数のはんだ成分で形成される場合、少なくとも１つのはんだ成分が、はんだ成分の溶融物から得られる合金が１．０重量％またはそれ未満のＮｉを含んでなる量で、さらにＮｉを含むことによって、本発明の目的は達成される。

このようにして得られる６つの物質からなる系に対して、はんだ物質の融点が、２１７℃の３元系SnAgCuの共融点以下に低下し、その結果、２３０℃のリフローはんだオーブンでのピーク温度において、はんだ物質の融点の十分な差が、はんだ接続を確実に形成できるように保たれることが示されている。このことは、製造業者が、複合組立品の現代の構成部品に対して、ＩＥＣで規定されるような、２６０℃で１０秒間のはんだ成分へ熱移動の最大値をもはや保証できないことを明らかにしている。これらのいわゆる進歩型パッケージに対する許容できるピーク温度は、２３０℃で１０秒間である。

本発明の６元素合金における個々の合金成分の合金含量変化による特性への影響を示した図である。

１重量％またはそれ未満までのニッケルを、５物質系SnAgCuBiSbに合金化することによって得られるはんだ物質の融点は、実質的に変わらない。しかしながら、Ｎｉの合金化は、はんだ物質の耐クリープ性の著しい向上を伴うことが驚くべきことにわかった。有利には、このようにして、はんだ接続の上昇した作業温度が可能である。したがって、今日ではしばしば必要とされる１５０℃までの作業温度は、本発明のはんだ物質の使用によって問題なく保証できる。本発明の６物質系の合金含有量の選択的な調節によって、１８０℃までの既に部分的に必要とされる作業温度を満足するはんだ物質を調製できる。

本発明のはんだ物質を用いたはんだ接続の耐クリープ性の向上は、ＮｉがＢｉと共に金属間相（約７５重量％Biを有するNiBiまたは約９１％のBiを有するNiBi₃）を形成し、好ましく粒界で析出し、それによってはんだ付け構造の分散硬化が生じることによって説明される。同時に元素Ｂｉが、粒の内部に移って、固溶体硬化を生じさせ、それが、耐クリープ性の向上に寄与する。さらに、このことは、合金成分Ｂｉが、低い温度ではんだ接続の局所溶融を招き、それによって耐クリープ性の著しい低下を引き起こしうる低融点共晶（例えば、１３８℃での合金系SnBiの共晶）を有する局所合金組成物を、特にＳｎと共に形成することを防止する。

しかしながら、合金成分ＢｉへのＮｉの作用による上記の耐クリープ性へのＮｉの好ましい効果は、合金組成物中のＢｉ含量が１０重量％を超えない場合でしか観察されていない。この点に関して、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、ＳｂおよびＮｉ含有合金が実際に記載されているドイツ特許公開DE 199 04 765 A1 によるはんだ物質は、合金中のＢｉ含量が４３〜５８重量％である点で、著しく相異している。これにより、１３８℃のSnBi系の上記共晶の故に、DE 199 04 765 A1 に記載されるはんだ物質は１４０℃を超えない融点を有することになる。１５０℃までの作業温度を伴うはんだ接続のためのこれらのはんだ物質の必要条件は、これらのはんだ物質が１５０℃ですでに液状であることから、それ故に記載されていない。本発明のはんだ物質と比較して、２０％以上高いＢｉ含量により、本発明のはんだ物質について記載される硬化メカニズムは、DE 199 04 765 A1 のはんだ物質には適用できない。

本発明の有利な展開によれば、合金は、２〜５重量％のＡｇ、１〜３重量％のＢｉ、１〜３重量％のＳｂ、０．５〜１．５重量％のＣｕおよび０．０５〜０．３重量％のＮｉを含んでなる。上記の範囲でＳｎに合金元素を合金化することは、SnAgCu系が共晶範囲近傍の合金ベースとして存在し、特に更なる合金成分Ｂｉ、ＳｂおよびＮｉを合金化することにより、SnAgCu共晶に関しての溶融点の低下および耐クリープ性の向上のバランスよい組み合わせが達成できることから、とくに有利であることがわかっている。これに関して、合金中のＮｉ含量の特に重要な点は以下のとおりである：Ｎｉは、はんだ接続の構造に約０．２重量％までしか溶解できず、従って、０．２重量％を超えるニッケル含量は、他の合金元素を、主として粒界で析出させ、分散硬化を生じさせる。

特有の反応はんだまたはストリップはんだは、はんだ成分Ｍ１および更なるはんだ成分Ｍ２を含むはんだ物質によって得られ、はんだ成分Ｍ１は、主成分としてのＳｎに加えて、２〜５重量％のＡｇ、３〜１２重量％のＢｉ、０．５〜１．５重量％のＣｕおよび０．１〜０．３重量％のＮｉを含み、更なるはんだ成分Ｍ２は、主成分としてのＳｎに加えて、２〜５重量％のＡｇ、０．５〜１．５重量％のＣｕ、１〜５重量％のＳｂおよび１．０重量％のＮｉを含む。本発明の他の展開によれば、更なる反応はんだ／ストリップはんだは、はんだ成分Ｍ１が、主成分としてのＳｎに加えて、２〜５重量％のＡｇ、３〜６重量％のＢｉ、１〜３重量％のＳｂおよび０．５〜１．５重量％のＣｕを含み、更なるはんだ成分Ｍ２が、主成分としてのＳｎに加えて、２〜５重量％のＡｇ、０．５〜１．５重量％のＣｕおよび１．０重量％のＮｉを含むはんだ物質からなる。

反応はんだ／ストリップはんだの両改良例において、はんだ接続を形成するＢｉ含量は、はんだ成分Ｍ１に集められ、一方、はんだ成分Ｍ２はＢｉを含まない。この点から、はんだ成分Ｍ１の融点は、はんだ成分Ｍ２の融点に対して低くされ、さまざまな融点のはんだ成分が、はんだ物質中で相互に組み合わせられる。低融点はんだ成分は、有利には、はんだ付けされる表面（例えば、部品および基材上）を、低い温度で湿潤する。はんだ付け工程の間、はんだ成分Ｍ１およびＭ２の間で合金形成が起こり、得られた均一な合金は、より低い融点のはんだ成分Ｍ１より高い融点を有している。均一な合金の得られた合金組成物は、有利なことに、上記のように、より高い耐クリープ性を有している。このようにして、上記のようなはんだ接続についての使用温度が確保される。単一はんだ成分に基づいて配合されたはんだ粉末の加工と、２種のはんだ成分の混合物に基づく反応はんだ粉末の加工とを比較すると、はんだ加工のための加工温度は、約５〜１０℃低下することが示される。このことは、以下のように説明できる：低融点はんだ成分Ｍ１の溶融温度を超えた後、より高い溶融はんだ成分Ｍ２は、溶融したはんだ成分Ｍ１によって安定化され、はんだ接続の接触表面が、形成される合金、すなわちはんだ成分Ｍ１およびＭ２の均一な混合物に由来する合金の溶融温度未満の温度で実質的に湿潤される。

本発明の更なる展開において、はんだ成分Ｍ１および更なるはんだ成分Ｍ２は、Ｍ１およびＭ２の重量に基づいて、１：１．５〜９、すなわち少なくとも１：１．５、多くとも１：９のＭ１：Ｍ２比で組み合わせられる。有利には、異なる合金含量を、混合比Ｍ１：Ｍ２を変えることによって要求された合金中で達成することができ、２種のはんだ成分Ｍ１およびＭ２のみが、これらの異なる合金含有物の源として役立つ。このようにすると、はんだ物質は、数種のはんだ成分のみを貯蔵するならコストが低いので、特に経済的に製造できる。

本発明の更なる展開によれば、ＳｂおよびＢｉの重量に基づいて、１：１．５〜３、すなわち少なくとも１：１．５および多くとも１：３、特に１：２のＳｂ：Ｂｉ比を有する合金が提供される。このＳｂ：Ｂｉ比範囲では、はんだ接続で小さい粒寸法を有する特に細かい構造が形成されることが明らかになっている。この点において、構造物中の０．２重量％までのＮｉ溶解は、粒寸法を減少させることが観察されている。この効果は、１：２のＳｂ：Ｂｉ混合比で最も強く、粒寸法は、上記の範囲でＳｂ：Ｂｉ比を変えることによって調節できる。

本発明の更なる展開では、０．０５〜０．２重量％のＮｉ含量を有する合金が提供される。約０．２重量％の溶解限度以下のＮｉ含量では、制限されたニッケル含有析出物のみが、はんだ接続構造に生じる。Ｎｉ含量が０．２重量％を超えると、Ｎｉ含有析出物が、特に粒界で増し、分散硬化の上記した工程を制限しうる。もちろん、０．２重量％未満のＮｉ含量では、Ｎｉ含量増加と微分散分布析出物の増加との間の相関も存在し、Ｎｉの溶解限度未満で析出物の形成は、溶解Ｎｉと析出Ｎｉの平衡を調節することによって決定される。

はんだとして使用するのに特に有用なはんだ物質は、組成SnAg3.3-4.7Cu0.3-1.7Bi2Sb1Ni0.2を有する。合金元素Ｂｉ、ＳｂおよびＮｉの使用の利点は、既に記載した。ベース合金SnAgCuの上記組成は、SnAgCu共晶についての近共晶組成である。このベース系の亜共晶組成が、リフローはんだ付けでより微細な粒子（析出物）を形成することが観察されることから、好ましい。

反応はんだまたはストリップはんだとして使用するのに特に有利なはんだ物質は、合金組成SnAg3.8Cu0.7Bi10Ni0.15を有するはんだ成分Ｍ１および合金組成SnAg3.8Cu0.7Sb2.0Ni0.15を有する更なるはんだ成分Ｍ２を含む。そのはんだ成分から目的の合金を形成すると、SnAgCu系ベース組成について共晶組成が有利に達成される。

有利には、はんだ物質中のはんだ成分Ｍ１および更なるはんだ成分Ｍ２の含量は、Ｍ１：Ｍ２＝３０重量％：７０重量％を形成する。その結果、Ｂｉ含量が３重量％であり、Ｓｂ含量は１．４重量％であり、それによって、Ｓｂ：Ｂｉ＝１：２の条件がほぼ達成される。

本発明の６元素合金における個々の合金成分について、合金含量の変化による影響を、定性的に図に示す。各々の場合、Ｓｎが主成分であり、すなわちＳｎ含量は、合金が１００重量％になるように他の合金成分の合金含量に依存して調節される。当然のことながら、本発明の適用では合金元素として理解されない微量の混入物質は考慮していない。このこととは無関係に、混入物質は、はんだ物質の使用に対して肯定的な影響を有することがある。すなわち、（重量に基づいて）１０００分の１のオーダーのリン含有物は、例えば、はんだ接続の酸化特性を向上させることが期待される。

図中の矢印に隣接した重量％の範囲は、個々の合金含量について標準値を示し、得られるはんだ接続の特性プロフィールが特に有利である多数の因子から明らかにされている。しかしながら、本発明において、このことは、個々の合金成分についての請求の範囲を限定するものと理解すべきではない。むしろ、特殊な場合の要件が、図に示される有利な範囲の外にあり、経験によって個別に決定されなければならないはんだ合金組成につながる。

矢印は、以下の表に示した調査した各特性を示す文字によって表示されている。矢印は、合金含量を変えることによって対応する特性が上昇する方向を、それぞれ指している。

はんだ物質は、一般的にすべての共通な形状、例えば、バー、ロッド、ワイヤ、フィルム、粉末またはコーティングなどで使用できる。はんだ付けされる接触面は、例えば、はんだ成分Ｍ１で１つの接触面を被覆し、はんだ成分Ｍ２で他方の接触面を被覆することも可能である。層状はんだも、はんだ成分Ｍ１およびＭ２を交互に被覆することによって製造されうる。基本的に、３種以上の成分を有するはんだ物質も可能であり、層状はんだは、適した順にそれぞれの上に被覆された層からなる。

はんだ成分Ｍ１およびＭ２並びに可能な他のはんだ成分を、反応はんだを調製するために、粉末形態で相互に混合することもできる。粉末状はんだ物質は、当然のことながら、はんだペーストを形成するために、バインダーとともに処方される。

Claims (1)

1. SnAg3.3-4.7Cu0.3-1.7Bi2Sb1Ni0.2で示される組成を有するはんだ物質。

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