JP7289200B2 - 半田合金組成物、半田およびその製造方法 - Google Patents
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Description
選択肢の一つとして、前記銅の含有量は、0.3~0.7wt%である。
選択肢の一つとして、前記銅の含有量は、0.4~0.6wt%である。
選択肢の一つとして、前記ニッケルの含有量は、0.045~0.055wt%である。
選択肢の一つとして、前記ビスマスの含有量は、2.9~3.1wt%である。
選択肢の一つとして、前記半田は半田ボールであり、かつ前記半田ボールの直径は0.05~1mmである。
前記技術案のいずれかに記載の半田合金組成物における各成分の質量パーセントに従って、銀、銅、ロジウム、錫、及び選択可能なニッケルとビスマスを混合して溶融させることにより、溶融体を得ることと、
前記溶融体に対して成形処理を行うことにより、前記半田を得ることと、
を含む。
ここで、銀の含有量は、0.9wt%、1wt%、1.3wt%、1.5wt%、1.7wt%、1.9wt%、2wt%、2.2wt%、2.5wt%、2.7wt%、2.9wt%、3wt%、3.2wt%、3.5wt%、3.7wt%、3.9wt%、4wt%、4.1wt%などであってもよい。銅の含有量は、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%、0.9wt%、1wt%などであってもよい。ロジウムの含有量は、0.02wt%、0.03wt%、0.04wt%、0.05wt%、0.06wt%、0.07wt%、0.08wt%、0.085wt%などであってもよい。
好ましくは、半田合金組成物の総重量を100wt%とし、本発明の実施例に係る半田合金組成物は、0.04~0.06wt%のニッケルをさらに含む。より好ましくは、当該ニッケルの含有量は0.045~0.055wt%である。
好ましくは、半田合金組成物の総重量を100wt%とし、本発明の実施例に係る半田合金組成物は、2~4wt%のビスマスをさらに含む。本発明の半田合金組成物が2~4wt%のビスマスと0.02~0.085wt%のロジウムを同時に含む場合、より良い降伏強度および引張強度などの特性を持ち、かつ、銅基材上の濡れ性を向上させることができ、また、当該半田合金組成物を半田とするときに形成された半田接合部は境界金属の成長をより効果的に抑制できることを特に説明しなければならない。なお、ビスマスの含有量が2.0wt%を超える場合、当該半田合金組成物を半田とするときに形成された半田接合部は、温度循環テストにおいてより良い性能を得るほか、銅基材に対する濡れ性も向上し、ビスマスの含有量が4wt%未満である場合、降伏強度および引張強度などの特性が強すぎず、温度循環テストにおいて当該半田合金組成物を半田とするときに形成された半田接合部はより多くの循環回数を持つことができる。より好ましくは、当該ビスマスの含有量は、2.9~3.1wt%であり、かつ、ビスマスの含有量が2.9~3.1wt%である場合、銅基材に対し最良の濡れ性能を有することができ、そして半田接合部の境界金属層の厚さを効果的に減少させることができる。
当該半田は、溶接のために使用され、溶接箇所における機械的強度、降伏強度および引張強度などの特性を良くすることに有利であり、半田接合部はより優れた温度循環テストの性能を有し、AEC-Q100車載電子部品信頼性仕様によるシェアテストにより良く適合することができる。
選択肢の一つとして、本発明の実施例に係る半田において、半田合金組成物の総重量を100wt%とし、半田合金組成物は、2~4wt%のビスマスをさらに含む。
例として、半田ボールの直径は、0.05mm、0.15mm、0.25mm、0.35mm、0.45mm、0.55mm、0.65mm、0.75mm、0.85mm、0.95mm、1mmなどであってもよい。
前記技術案のいずれかに係る半田合金組成物における各成分の質量パーセントに従って、銀、銅、ロジウム、錫、及び選択可能なニッケルとビスマスを混合して溶融させることにより、溶融体を得るステップ1と、
溶融体に対して成形処理を行うことにより、半田を得るステップ2と、
を含む。
選択肢の一つとして、当該製造方法は、
半田合金組成物の総重量を100wt%とし、半田合金組成物は、0.04~0.06wt%のニッケルをさらに含み、銀、銅、ロジウム、錫、ニッケルを混合して溶融させることにより、溶融体を得ることと、
溶融体に対して成形処理を行うことにより、半田を得ることと、
を含む。
ロジウム、錫、ニッケルを混合して溶融させた後冷却し、ロジウム、錫、ニッケルによって形成されたプレアロイを得る。
このようにすると、各成分をお互いに十分に溶融させ、均一に分散されることができ、成分均一な溶融体を得ることに有利である。
半田合金組成物の総重量を100wt%とし、半田合金組成物は、2~4wt%のビスマスをさらに含み、銀、銅、ロジウム、錫、ビスマスを混合して溶融させることにより、溶融体を得ることと、
溶融体に対して成形処理を行うことにより、半田を得ることと、
を含む。
半田合金組成物の総重量を100wt%とし、半田合金組成物は、0.9~4.1wt%の銀、0.3~1wt%の銅、0.02~0.085wt%のロジウム、0.04~0.06wt%のニッケル、2~4wt%のビスマスおよび余剰の錫を含み、銀、銅、ロジウム、錫、ビスマスを混合して溶融させることにより、溶融体を得ることと、
溶融体に対して成形処理を行うことにより、半田を得ることと、
を含む。
以下の具体的な実施例において、条件を指定しない関与する操作は、従来の条件または製造業者によって推奨される条件に従って行われる。使用された製造元および仕様を示しない原材料は、市場から入手可能な従来の製品である。
錫-銀-銅合金および当該錫-銀-銅合金により形成された半田ボール
比較例1、4、7の錫-銀-銅合金は錫、銀と銅を含み、当該錫-銀-銅合金の化学成分および含有量(wt%)をそれぞれ整理し表1、表2および表3に示す。
ロジウムを含む半田合金組成物および当該半田合金組成物により形成された半田ボール
実施例1~9と比較例2~3、5~6、8~9の半田合金組成物は錫、銀、銅とロジウムを含み、当該半田合金組成物の化学成分および含有量(wt%)をそれぞれ整理し表1~3に示す。
(比較例10、13、16、19)
ニッケルを含む半田合金組成物および当該半田合金組成物により形成された半田ボール
比較例10、13、16、19の半田合金組成物は錫、銀、銅とニッケルを含み、当該半田合金組成物の化学成分および含有量(wt%)を整理し表4~7に示す。
ロジウムとニッケルを含む半田合金組成物および当該半田合金組成物により形成された半田ボール
実施例10~29と比較例11~12、14~15、17~18、20~21の半田合金組成物は錫、銀、銅、ロジウムとニッケルを含み、当該半田合金組成物の化学成分および含有量(wt%)をそれぞれ整理し表4~7に示す。
(比較例22、25、28)
ニッケルとビスマスを含む半田合金組成物および当該半田合金組成物により形成された半田ボール
比較例22、25、28の半田合金組成物は錫、銀、銅、ニッケルとビスマスを含み、当該半田合金組成物の化学成分および含有量(wt%)を整理し表8~10に示す。
ロジウム、ニッケルとビスマスを含む半田合金組成物および当該半田合金組成物により形成された半田ボール
実施例30~38と比較例23~24、26~27、29~30の半田合金組成物は錫、銀、銅、ロジウム、ニッケルとビスマスを含み、当該半田合金組成物の化学成分および含有量(wt%)をそれぞれ整理し表8~10に示す。
実施例1の適用
(合金融点分析)
A.分析方法
実施例1~29と比較例1~21の合金を示差走査熱量計(DSC:differential scanning calorimetry、モデル:Perkin Elmer DSC 2260)により分析し、得られた結果を図1(実施例1~3と比較例1~3)、図2(実施例4~6と比較例4~6)、図3(実施例7~9と比較例7~9)、図4(実施例11、13~14と比較例10~12)、図5(実施例16、18~19と比較例13~15)、図6(実施例20~24と比較例16~18)及び図7(実施例26、28~29と比較例19~21)に示す。
図1~図7から分かるように、示差熱曲線がほぼ重なっており、ロジウムを添加しない合金と適量のロジウムを添加した合金の融点はあまり変化していない。本発明において、はんだ合金組成物にロジウムを添加することは、最終的に得られる合金の融点に影響を与えないないことが示される。
(半田ボールのビッカース(Vickers)硬さの分析)
A.分析方法
以下の実験は、台湾省の中沢株式会社から購入しかつ製品モデルがFM-100 eのビッカース硬度測定器でテストしている。まず、実施例と比較例のロジウムを添加しない半田ボールと適量のロジウムを添加した半田ボールを特定の直径(0.45mmまたは0.25mm)の半田ボールに作成し、次に半田ボールを基板に半田付けして一つの接点を形成し、この接点と金型との間にエポキシ樹脂を注入して埋めこむことにより、この接点部をエポキシ樹脂に固定させ、次に、この金型を剥離させ、球体の残り約2/4のところまでこの接点部を研磨機で研磨して、さらに艶出しを行って、研磨した半田ボールのビッカース硬さをビッカース硬度測定器で測定する(荷重:10g、時間:10秒)。実施例1~29と比較例1~21の合金を前述の方法で分析して得られたビッカース硬さの結果、各実施例と比較例の合金の銀、銅、ニッケルとロジウムの含有量、および作成した半田ボールの直径をそれぞれ整理し表11-1、表11-2に示す。
B.結果と考察
表11-1、表11-2の硬さの結果から、同じ半田ボール直径および類似の銀の含有量のもとで、半田ボールの硬さはロジウムの含有量の増加につれて増加することが分かり、このことからはんだ合金組成物にロジウムを添加すると、合金の硬さを高めることができることが分かる。
(半田ボールの推力試験)
A.分析方法
まず、この半田ボールの推力試験は、AEC-Q100車載電子部品信頼性仕様と以下のステップに基づいてテストしている。
ステップ(4)-半田ボールの推力試験:ステップ(2)とステップ(3)のリフローを経たパッケージに対し、実密会社から購入しかつモデルがDage-4000である押し引き機によりシェアテストを実施する。ここで、AEC-Q100における010 REV-Aによると、プッシュカッターと半田接合部との接触高さ(シェア高さ)が1 / 3に達し、かつプッシュカッターはこの半田パッドのソルダーレジスト層に触れてはいけない。半田ボールの推力試験の各条件を整理し表12に示す。
ステップ(5)-顕微鏡による観察:前記ステップ(4)の推力試験を経た半田ボールは破壊によって断面を発生し、その断面の状況を顕微鏡で観察し、断面を5つの断面モード(モード1~モード5)に分ける。モード1~モード5の断面の状況の記述、断面の残部錫の割合、および境界金属層が破壊したかどうかについて、整理して表13にに示す。
実施例1~29と比較例1~21の合金に対し前述の推力試験を実施して得られた断面モードの回数(モード1、モード3またはモード5の回数)、各実施例と比較例の合金の銀、銅、ニッケル及びロジウムの含有量、および作成した半田ボールの直径をそれぞれ整理し表14-1、表14-2に示し、ここで、表14-1、表14-2の断面モードの結果は、いずれも15個(または20個)の同じ合金と同じ直径を有する半田ボールを使用して推力試験を実施してから、統計を行った結果になる。
前記表14-1、表14-2の断面モードの回数に応じて、推力試験後の境界金属層の破壊(モード3またはモード5)の発生率(%)を計算し、その発生率の式が式Iに示すようになり、計算して得られた結果を整理して表15-1、表15-2に示す。
B.結果と考察
実施例1~29と比較例1~21の比較結果から分かるように、半田合金組成物が0.02~0.085wt%のロジウムを含む場合、リフローを複数回行ってかつシェアテスト(AEC-Q100仕様)を実施した後、境界金属層の破壊の確率がいずれも0%であり、ロジウムの含有量が半田合金組成物の0.02wt%未満または0.085wt%を超える場合、比較例17および20の境界金属層の破壊の発生率のみが0%であり、残りは5%以上で、場合によって73%にも達する。
(温度循環テスト(Thermal Cycling Test 、TCT))
A.分析方法
本温度循環テストにおいて、実施例30~38および比較例22~30で作製した半田ボール(直径0.45mm)をそれぞれ半田パッドにマウントし、SMTでPCBに半田付けして、さらにグレード1(-50℃~+150℃、1000個のサイクル)の温度循環テストを行う。最終的に得られる温度循環テストの結果を図14(実施例30~32と比較例22~24)、図15(実施例33~35と比較例25~27)および図16(実施例36~38と比較例28~30)に示す。ここで、実施例30~38と比較例22~30の銀、銅、ニッケル、ビスマスとロジウムの含有量を整理し表16に示す。
Claims (10)
- 半田合金組成物であって、
前記半田合金組成物の総重量を100wt%とし、前記半田合金組成物は、0.9~4.1wt%の銀、0.3~1wt%の銅、0.02~0.085wt%のロジウム、0.04~0.06wt%のニッケル、2~4wt%のビスマス、および残部の錫と不可避不純物からなる、
半田合金組成物。 - 前記ロジウムの含有量は、0.03~0.075wt%である請求項1に記載の半田合金組成物。
- 前記銅の含有量は、0.3~0.7wt%である請求項1に記載の半田合金組成物。
- 前記銅の含有量は、0.4~0.6wt%である請求項1に記載の半田合金組成物。
- 前記ニッケルの含有量は、0.045~0.055wt%である請求項1に記載の半田合金組成物。
- 前記ビスマスの含有量は、2.9~3.1wt%である請求項1に記載の半田合金組成物。
- 前記半田合金組成物の総重量を100wt%とし、前記半田合金組成物は、0.9~4.1wt%の銀、0.4~0.6wt%の銅、0.03~0.075wt%のロジウム、0.045~0.055wt%のニッケル、2.9~3.1wt%のビスマスおよび残部の錫と不可避不純物からなる請求項1に記載の半田合金組成物。
- 請求項1ないし7のいずれか一項に記載の半田合金組成物によって形成される半田。
- 半田ボールであり、かつ前記半田ボールの直径は0.05~1mmである請求項8に記載の半田。
- 請求項1~7のいずれか一項に記載の半田合金組成物における各成分の質量パーセントに従って、銀、銅、ロジウム、錫、及びニッケルとビスマスを混合して溶融させることにより、溶融体を得ることと、
前記溶融体に対して成形処理を行うことにより、半田を得ることと、
を含む半田の製造方法。
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