PL195528B1 - Bezołowiowy stop lutowniczy - Google Patents
Bezołowiowy stop lutowniczyInfo
- Publication number
- PL195528B1 PL195528B1 PL00361336A PL36133600A PL195528B1 PL 195528 B1 PL195528 B1 PL 195528B1 PL 00361336 A PL00361336 A PL 00361336A PL 36133600 A PL36133600 A PL 36133600A PL 195528 B1 PL195528 B1 PL 195528B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- alloy
- fatigue resistance
- melting point
- solder
- lead
- Prior art date
Links
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 81
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 81
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 42
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 42
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 38
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 27
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 8
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- LQBJWKCYZGMFEV-UHFFFAOYSA-N lead tin Chemical compound [Sn].[Pb] LQBJWKCYZGMFEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- RSWGJHLUYNHPMX-UHFFFAOYSA-N Abietic-Saeure Natural products C12CCC(C(C)C)=CC2=CCC2C1(C)CCCC2(C)C(O)=O RSWGJHLUYNHPMX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910020220 Pb—Sn Inorganic materials 0.000 description 2
- KHPCPRHQVVSZAH-HUOMCSJISA-N Rosin Natural products O(C/C=C/c1ccccc1)[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O1 KHPCPRHQVVSZAH-HUOMCSJISA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- KHPCPRHQVVSZAH-UHFFFAOYSA-N trans-cinnamyl beta-D-glucopyranoside Natural products OC1C(O)C(O)C(CO)OC1OCC=CC1=CC=CC=C1 KHPCPRHQVVSZAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017692 Ag3Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001152 Bi alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018471 Cu6Sn5 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006913 SnSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000374 eutectic mixture Substances 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000004881 precipitation hardening Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910001174 tin-lead alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C13/00—Alloys based on tin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
- B23K35/262—Sn as the principal constituent
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Organic Insulating Materials (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
Bezolowiowy stop lutowniczy, znamienny tym, ze zawiera wagowo od 76% do 96% Sn, od 0,2 do 2,5% Cu, od 2,5% do 4,5% Ag, 0% do 12% In, od 0,5% do 5,0% Bi oraz 0,2% do 2% Sb. PL PL PL PL
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest bezołowiowy stop lutowniczy.
W szczegóIności przedmiot wynalazku dotyczy bezołowiowych stopów zawierających efektywne ilości cyny, miedzi, srebra, bizmutu, antymonu i/lub indu oraz charakteryzujących się temperaturą topnienia od 175°C do 215°C. Stopy takie są stosowane do lutowania połączeń lutowanych. Są szczegóInie przydatne w mikroelektronice i elektronice.
Pomimo powszechnego stosowania w przemyśle elektronicznym, stopy lutownicze cynowoołowiowe Pb-Sn mają ograniczoną przyszłość, ze względu na toksyczność ołowiu, i ograniczenia lub zakazy stosowania ołowiu w skali ogóInoświatowej. W konsekwencji, na świecie powstało wiele inicjatyw, mających na celu znalezienie odpowiednich bezołowiowych zamienników dla stopów lutowniczych cynowo-ołowiowych Pb-Sn. Jednocześnie, konieczna jest wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie bezołowiowych stopów lutowniczych, aby spełnić wciąż rosnące wymagania wykonania połączeń lutowanych, jakie są wymagane przy coraz bardziej zaawansowanej technologii obwodów scalonych (integrated circuit IC) i technologii obudów obwodów scalonych.
W przemyśle elektronicznym stop lutowniczy jest używany do spajania nieosłoniętych układów scalonych albo upakowanych układów scalonych na następnym poziomie podłoża, poprzez tworzenie się żądanego pasma międzymetalicznego. Chwilowy przepływ i solidne zwilżanie stopem lutowniczym typowych wkładek metalizacyjnych, jak na przykład Cu, Ag, Au, Pd, Ni i innych metalicznych powierzchni, jest warunkiem koniecznym do tworzenia niezawodnych połączeń lutowanych w szybkim, zautomatyzowanym procesie produkcyjnym, stosującym topniki do lutowania miękkiego, które są dopuszczaIne w systemach elektronicznych.
Technologia montażu powierzchniowego jest powszechną technologią wytwarzania przy produkcji mniejszych, gęstszych i szybszych płytek obwodów drukowanych (printed circuit boards - PCB), stanowiących podstawę współczesnej elektroniki. Eutektyczny stop lutowniczy cynowo-ołowiowy (63Pb/37Sn) jest najbardziej rozpowszechniony w elektronice, w szczegóIności do powierzchniowego montażu płytek obwodów drukowanych. Ten stop lutowniczy ma też inną niezbędną właściwość fizyczną, to znaczy umiarkowaną temperaturę topnienia, w szczegóIności poniżej 210°C. Temperatura topnienia stopu lutowniczego, z wyjątkiem mieszaniny eutektycznej, znajduje się najczęściej w zakresie określonym przez krzywą likwidusu i krzywą solidusu (krzywą końca krzepnięcia). Stop zaczyna topnieć przy jego temperaturze solidusu, a całkowicie jest stopiony przy temperaturze likwidusu. Lutowanie musi odbywać się przy temperaturze wyższej od temperatury likwidusu stopu lutowniczego.
Praktyczną temperaturę procesu lutowania, dla otoczenia montażu powierzchniowego, można osiągnąć, co najmniej 25°C powyżej temperatury likwidusu stopu lutowniczego. Na przykład, stopem lutowniczym mającym temperaturę likwidusu 210°C należy lutować przy temperaturze, co najmniej 235°C. Temperatura topnienia stopu lutowniczego jest bardzo ważna, ponieważ zbyt wysoka temperatura topnienia mogłaby uszkodzić obwody elektroniczne i polimerową podstawę płytki drukowanej podczas lutowania, zaś zbyt niska temperatura topnienia obniżałaby długotrwałą niezawodność połączeń lutowanych. Przy wytwarzaniu płytek drukowanych z wykorzystaniem typowej polimerowej bazy płytki, jaką jest na przykład FR-4, temperatura procesu nie może przekroczyć 240°C. W związku z tym, bezołowiowy stop lutowniczy, który miałby zastąpić stop cynowo-ołowiowy (63Sn/ 37Pb) i miałby być wykorzystany w procesie montażu powierzchniowego, musi mieć temperaturę likwidusu niższą niż 215°C, najkorzystniej około 210°C.
Połączenia lutowane spełniają funkcję wzajemnego połączenia elektrycznego, termicznego i mechanicznego w systemach elektronicznych takich jak telekomunikacja, komputer, awionika czy elektronika samochodowa. Podczas użytkowania, połączenia lutowane są nieuchronnie wystawione na działanie naprężeń termicznych, wynikających ze zmian temperatury, włączania/wyłączania zasilania i/lub surowe warunki otoczenia. Wszystko to w połączeniu z niejednakową rozszerzaInością termiczną łączonych materiałów,(tj. półprzewodnika, ceramiki, metalu i polimeru) w układzie, skutkuje termiczno-mechanicznym zmęczeniem połączeń lutowanych. Obwody elektroniczne stają się coraz bardziej gęste a szybkość zegara wewnętrznego mikroprocesorów nieustannie wzrasta dla osiągania coraz wyższych częstotliwości. Ma to oczywisty wpływ na konstrukcję układu elektronicznego i na materiał stosowany w tym układzie, aby poradzić sobie z wzrastającym rozpraszaniem ciepła.
Ponadto, zwiększa się wciąż ilość połączeń lutowanych na każdej płytce drukowanej. Nie jest niczym niezwykłym występowanie kilku tysięcy lub dziesiątek tysięcy połączeń lutowanych na płytce drukowanej. Jednakże, jakiekolwiek uszkodzenie pojedynczego połączenia lutowanego skutkuje
PL 195 528 B1 uszkodzeniem całego układu. W związku z tym, wymagania dotyczące wytrzymałości i odporności na zmęczenie połączeń lutowanych wciąż rosną. Rozwój wielo-końcówkowych obudów obwodów scalonych, takich jak matryca siatkowa kulkowana (ball grid array BGA), czy obudowa mikroukładów (chip scale package CSP) oraz technologii bezpośredniego mocowania mikroukładów, takich jak struktura z kontaktem sferycznym, wymaga zwiększenia odporności na zmęczenie stopów lutowniczych.
W opisie patentowym US 5 328 660, został ujawniony bezołowiowy, wysokotemperaturowy, wieloskładnikowy stop lutowniczy na bazie cyny (78,4Sn/2Ag/9,8Bi/9,8In). Jednakże odporność tego stopu na zmęczenie jest niewielka.
Bezołowiowy, trójskładnikowy stop lutowniczy (93,6Sn/4,7Ag/1,7Cu) jest znany z opisu patentowego US 5 527 628. Jego temperatura topnienia jest względnie wysoka i wynosi 217°C, zaś odporność na zmęczenie jest umiarkowana.
Z opisu patentowego US 5 520 752, jest znany bezołowiowy stop lutowniczy (86% do 97% Sn/0,3% do 4,5% Ag/0 do 9,3% Bi/0 do 5% Cu). Jednakże odporność tego stopu na zmęczenie jest słaba.
W opisie patentowym US 5 538 686, został ujawniony wyrób zawierający bezołowiowy stop lutowniczy o lepszych właściwościach mechanicznych (>70% Sn/6% do 10% Zn/3 do 10% In/<10% Bi/ >5% Ag/<5% Cu). Jego temperatura topnienia mieści się w granicach 173°C do 193°C. Stop ten nie zwilża typowych podłoży pod zmontowanymi mikroukładami elektronicznymi i otoczeniem zmontowanego zespołu.
Z opisu patentowego US 5 580 520, znany jest bezołowiowy stop (77,2Sn2/8Ag/20In) mający temperaturę topnienia w granicach od 179°C do 189°C. Jednakże odporność tego stopu na zmęczenie jest niska.
W opisie zgłoszenia WO A 97 09 455 ujawniono stop bezołowiowy zawierający 0,5% do 2,7% Cu, 3,1% do 3,5% Agi opcjonaInie do 20% In, do 10% Bi, do 2,7% Sb, ale niezawierający bizmutu i antymonu.
W skrócie opisu zgłoszenia JP 10193169 został ujawniony bezołowiowy stop lutowniczy o określonej zawartości Ag, Bi, In i CU, którego resztę stanowi Sn. Zawiera on 1% do5% Ag, 0,1% do14% Bi, 0,1% do 10% In, przy czym £15% całości stanowi Bi i In, a 0,1% do 2% stanowi Cu, zaś resztę stanowi Sn z nieuniknionymi zanieczyszczeniami. Stop może zawierać 1% do 4% Ag, 1% do 9% Bi, 0,5% do 7% In, przy czym £10% całości stanowi Bi i In, a 0,1% do 1% stanowi Cu. Stop ma dobre właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach, w szczegóIności charakteryzuje się dobrą ciągliwością.
Podsumowując, każdy z wymienionych wyżej bezołowiowych stopów nie jest odpowiedni, ze względu na co najmniej jeden parametr, do wytwarzania niezawodnych połączeń lutowniczych przy wytwarzaniu zespołów elektronicznych.
Bezołowiowy stop lutowniczy według wynalazku jest charakterystyczny tym, że zawiera wagowo od 76% do 96% Sn, od 0,2% do 2,5% Cu, od 2,5% do 4,5% Ag, >0% do 12% In, od 0,5% do 5,0% Bi oraz od 0,2% do 2% Sb.
Zaletą bezołowiowego stopu lutowniczego, według wynalazku jest jego wysoka wytrzymałość i wysoka odporność na zmęczenie, aby przeciwstawić się coraz bardziej niesprzyjającym i surowym warunkom w mikroelektronicznych i elektronicznych aplikacjach. Ponadto, bezołowiowy stop lutowniczy charakteryzuje się umiarkowaną temperaturą topnienia (175°C-210°C), potrzebną w przemyśle elektronicznym.
Stop z łatwością zwilża typowe metaliczne podłoża, takie jak Sn, Cu, Ag, Au, Pd i Ni, stosowane przy produkcji układów elektronicznych i mikroelektronicznych, do utworzenia niezawodnych połączeń lutowniczych, bez stosowania topników, które nie są akceptowane w produkcji układów elektronicznych.
Rysunek przedstawia siłę zwilżania (mN) stopem lutowniczym:
(82,3Sn/0,5Cu/2,2B/12In) próbki Cu, w funkcji czasu, przy temperaturze 235°C.
Pomimo, iż przedmiot wynalazku został opisany w odniesieniu do korzystnego przykładu wykonania zrozumiałe jest, że nie ogranicza to wynalazku wyłącznie do tego przykładu wykonania.
Stop lutowniczy, stanowiący przedmiot wynalazku, zawiera od 76% do 96% Sn, od 0,2% do 2,5% Cu, od 2,5% do 4,5% Ag, >0% do 12% In, od 0,5% do 5,0% Bi oraz od 0,2% do 2% Sb.
Stwierdzono, że Cu i Ag połączone w odpowiednich proporcjach, nie tylko zwiększają odporność na zmęczenie, ale również obniżają temperaturę topnienia. W korzystnych postaciach przedmiotu wynalazku 0,5% Cu jest najbardziej efektywną ilością do obniżenia temperatury topnienia stopu. Różnica temperatury topnienia stopów z zawartością od 0,5% do 2,5% Cu mieści się w granicach 1°C.
PL 195 528 B1
Domieszka Cu większa niż 2,5% opóźnia płynność stapiania, co powoduje wady odlewnicze. Na przykład, temperatury topnienia 185°C-195°C stopu (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In), z domieszką Cu 0,5%, są o około 5°C niższe, niż temperatury topnienia 195°C-200°C stopu (83,9Sn/4,1Ag/12In) bez domieszki Cu. Temperatury topnienia 195°C-201°C stopu (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In) z domieszką 0,5% Cu są takie same, jak temperatury topnienia 195°C-201°C stopu (87Sn/2Cu/3Ag/8In) z domieszką 2% Cu. Domieszka 0,5% Cu jest również najbardziej efektywna dla zwiększenia odporności na zmęczenie. Plastyczność zmniejsza się liniowo, zaś odporność na zmęczenie zmniejsza się wykładniczo przy dalszym zwiększaniu domieszki Cu, aż do około 2%. Na przykład, plastyczność i odporność na zmęczenie stopu (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In), z domieszką 0,5% Cu, wynosi 206%, tj. o 146% więcej, niż w przypadku stopu (86,1Sn/1,6 Cu/4,3Ag/8In) z domieszką 1,6% Cu. Plastyczność i odporność na zmęczenie stopu (83,Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In), z domieszką 0,5% Cu, wynosi 250%, tj. o 174% więcej, niż w przypadku stopu (82,4 Sn/1,5Cu/4,1Ag/12In), z domieszką 1,5% Cu.
Domieszka około 3% Ag najbardziej skutecznie obniża temperaturę topnienia stopu. Różnice temperatur topnienia stopów z zawartością od 3% do 4.5% Ag mieszczą się w granicach 1°C. Na przykład, temperatury topnienia 196°C-202°C stopu (88,5Sn/0,5Cu /3Ag/8In) z domieszką 3% Ag są o około 10°C niższe, niż temperatury topnienia 208°C-212°C stopu (91,5Sn/0,5Cu/8In) bez domieszki Ag, ale są takie same jak temperatury topnienia 195°C-201°C stopu (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In), z domieszką 4,1% Ag.
Dodanie In zmniejsza temperaturę topnienia liniowo, w zakresie około 1,8°C na 1% wagi In, do około 12%. Wytrzymałość stopu zwiększa się liniowo, zaś trwałość zmęczeniowa wzrasta wykładniczo przy domieszce In, aż do około 8%. Domieszka 8% do 10% In jest optymaIna ze względu na odporność na zmęczenie. Na przykład, stop (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In) z domieszką 8% In, mao 6°C niższą temperaturę topnienia, o 126% wyższą wytrzymałość i o 175% wyższą odporność na zmęczenie niż stop (91,4Sn/0,5Cu/ 4,1Ag/4In) z domieszką 4% In. Domieszka 12% In jest punktem krytycznym pojawienia się drugiej fazy bardziej miękkiego In, przy 113°C. Na przykład, stop (83, 4Sn/0,5Cu/4, 1Ag/12In) z domieszką 12% Inma o 219% niższą odporność na zmęczenie i o 118% niższą wytrzymałość, niż stop (85,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/10In), z domieszką 10% In.
Stopy ze względnie dużą zawartością 6% do 12% In mogą być ponadto wzmacniane przez Bi, przy najniższych możliwych temperaturach topnienia z akceptowaIną odpornością na zmęczenie w niektórych krytycznych zastosowaniach. Na przykład, stop (82,3Sn/0,5Cu/3Ag/2,2Bi/12In) z domieszką 12% Ini 2,2% Bi ma 130% większą wytrzymałość i o około 20°C niższą temperaturę topnienia 183°C-193°C, niż stop (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In) z domieszką 12% In, ale bez domieszki Bi. MaksymaIna możliwa zawartość Bi powinna być mniejsza niż 5%, przy akceptowaInej plastyczności i odporności na zmęczenie. Na przykład plastyczność i odporność na zmęczenie stopu (79,5Sn/ 0,5Cu/3Ag/5Bi/12In) jest znacząco zmniejszona do poziomu niższego niż stopu 63Sn/37Pb.
Stopy lutownicze zawierające In mogą być również utworzone poprzez małe domieszki Sb, na przykład 0,5% Sb, w celu uzyskania wyższej odporności na zmęczenie, bez znacznego podniesienia temperatury topnienia. Na przykład, stop (84Sn/0,5Cu/3Ag/2,2Bi/12In/0,5Sb) z domieszką 12% In i 0.5% Sb ma o 113% większą wytrzymałość i o 160% większą odporność na zmęczenie, niż stop (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In) z domieszką 12% In i bez domieszki Sb. Jednakże, zbyt duża domieszka Sb stopów zawierających In, będzie zwiększała temperaturę topnienia, zmniejszała plastyczność i odporność na zmęczenie oraz zmniejszała zwilżaIność na Cu. Na przykład, stop (84Sn/0,5Cu/3Ag/ 12In/0,5Sb) z domieszką 12% In i 0,5% Sb ma o 4°C niższą temperaturę topnienia, o 212% większą plastyczność i o 125% większą odporność na zmęczenie, niż stop 82,5Sn/0,5Cu/3Ag/12In/2Sb) z domieszką 2% Sb.
Elementy stanowiące podłoże, Cu, Ag i Sb są wszystkie w fazie międzymetalicznej tworząc metale z Sn. Cu tworzy cząsteczki Cu6Sn5, Ag tworzy cząsteczki Ag3Sn, zaś Sb tworzy regularne cząsteczki SnSb. Same międzymetaliczne cząsteczki są znacznie siIniejsze niż podłoże Sn i są skuteczną przeszkodą dla rozchodzenia się pęknięć zmęczeniowych. Pośrednio, tworzenie się wielu międzymetalicznych cząsteczek dzieli drobnoziarnistą strukturę podłoża Sn. Indukowane międzymetalicznie drobniejsze ziarna w podłożu Sn ułatwiają poślizg granicy ziarna i wydłużają trwałość zmęczeniową.
In wchodzi w sieć krystaliczną podłoża Sn jako substytucyjny atom substancji rozpuszczonej. Rozpuszczony In powoduje utwardzenie roztworowi, wzmacnia właściwość łagodnego poślizgu i powoduje większą odporność na pęknięcia zmęczeniowe.
PL 195 528 B1
Bi wchodzi w sieć krystaliczną podłoża Sn jako substytucyjny atom substancji rozpuszczonej, do około 1% wagi. Powyżej 1% wagi Bi może wydzielać się jako cząsteczki drugiej fazy. Dlatego też Bi zapewnia zarówno utwardzenie roztworowe, jak i utwardzenie wydzieleniowe. Część utwardzonego roztworu Bi również wzmacnia właściwość łagodnego poślizgu i zwiększa odporność na pęknięcia zmęczeniowe w podłożu Sn.
Zawartość od 2,5% do 3,5% Ag jest krytyczna dla stopów lutowniczych Sn/Cu/Ag/Bi, w przeciwieństwie do zawartości od 2,5% do 4,5% Ag w innych stopach zawierających In. Zawartość Ag powyżej 3,5% w stopach Sn/Cu/Ag/Bi wzmaga kruchość stopu. Na przykład, odporność na zmęczenie i plastyczność stopu (93,3Sn/0,5Cu/3,1Ag/3,1Bi) z domieszką Ag 3,1% są o 152% i o 138% wyższe, odpowiednio, niż dla stopu (90,5Sn/1,7Cu/4,7Ag/3,1Bi) z domieszką 4,7% Ag. Zawartość Ag 2,5% jest wartością minimaIną dla zapewnienia wyższej odporności na zmęczenie. Poniżej 2,5% odporność na zmęczenie zmniejsza się. Na przykład, odporność na zmęczenie stopów 93,3Sn/0,5Cu/3,1Ag/3,1Bi i 92,2Sn/1,5Cu/3,2Ag/3,1Bi oraz 91,5Sn/2Cu/3,4Ag/3,1Bi jest o około 538%, 366% i 281%, odpowiednio, wyższa niż stopu (93Sn/2Cu/2Ag/3Bi) z domieszką 2% Ag.
Jednakże, w innych stopach zawierających In, będzie on reagował z Ag lub absorbował Ag, tworząc międzymetaliczny składnik AgIn2 lub nawet potrójny składnik międzymetaliczny AgSnIn. Dlatego też, maksymaIna zawartość Ag w innych stopach zawierających In może wynosić do 4,5%, przy zachowaniu dobrej plastyczności i odporności na zmęczenie. Każda większa domieszka nie będzie zmniejszała temperatury topnienia, a tylko zwiększała kruchość. Na przykład, przy tej samej temperaturze topnienia plastyczność stopu (84Sn/0,5Cu/13Ag/12,5Sb) będzie o 131% wyższa niż dla stopu (81,1Sn/1,7Cu/4,7Ag/12In/0,5Sb).
Należy zaznaczyć, że temperatura topnienia dla stopu lutowniczego 63Sn/37Pb wynosiła około 183°C, najwyższa wytrzymałość na rozciąganie 47 Mpa, zaś odporność na zmęczenie małą liczbą cykli, przy naprężeniu 0,2%, wyniosła 3650 cykli. Temperatura topnienia, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie dla stopu lutowniczego 99,3Sn/0,7Cu wynosiły, odpowiednio, 227°C, 24Mpa i 1125 cykli. Temperatura topnienia, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie dla stopu lutowniczego 96,5Sn/3,5Ag wynosiły 221°C, 35Mpa i 4186 cykli, odpowiednio.
Stop lutowniczy, stanowiący przedmiot wynalazku ma wytrzymałość, co najmniej 50 Mpa, korzystnie 60 Mpa, odporność na zmęczenie małą liczbą cykli, przy 0,2% naprężeniu, co najmniej około 5000 cykli, korzystnie około 10000 cykli, temperaturę topnienia solidusu między 175°C a 215°C, korzystnie mniej niż 210°C oraz temperaturę topnienia likwidusu między 185°C a 215°C, korzystnie mniej niż 210°C.
W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano stop lutowniczy zawierający około 87,4% Sn, 0,5% Cu, 4,1% Ag i 8% In. Temperatura topnienia tego stopu lutowniczego wynosiła od 195°C do 201°C. Wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie wynosiła, odpowiednio, 63Mpa i 17152 cykle. Odporność na zmęczenie tego stopu lutowniczego, jest o 470% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb, zaś wytrzymałość na rozciąganie 134% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb.
W innym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano stop lutowniczy zawierający około 85,4% Sn, 0,5% Cu, 4,1% Ag i 10% In. Temperatura topnienia tego stopu lutowniczego wynosiła od 194°C do 199°C. Wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie wynosiła 66Mpa i 17378 cykli, odpowiednio. Odporność na zmęczenie tego stopu lutowniczego jest o 476% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb, zaś wytrzymałość na rozciąganie jest o 140% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb.
W jeszcze innym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano stop lutowniczy zawierający około 84% Sn, 0,5% Cu, 3% Ag, 0,5% Sb i 12% In. Temperatura topnienia stopu lutowniczego wynosiła od 186°C do 196°C. Wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie wynosiła 58Mpa i 12345 cykli, odpowiednio. Odporność na zmęczenie stopu lutowniczego jest o 338% wyższa, niż dla stopu 63Sn/37Pb, zaś wytrzymałość na rozciąganie o 123% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb.
W kolejnym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano stop lutowniczy zawierający około 82,3% Sn, 0,5% Cu, 3% Ag, 2,2% Bi i 12% In. Temperatura topnienia tego stopu lutowniczego wynosiła od 183°C do 193°C. Wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie wynosiła 77Mpa i 8722 cykle, odpowiednio. Odporność na zmęczenie tego stopu lutowniczego jest o 239% wyższa, niż dla stopu 63Sn/37Pb, zaś wytrzymałość na rozciąganie o 164% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb.
W innym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku uzyskano stop lutowniczy zawierający około 92% Sn, 2% Cu, 3% Ag i 3% Bi. Temperatura topnienia tego stopu lutowniczego wynosiła od 209°C do 212°C. Wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie wynosiła 89Mpa i 8135
PL 195 528 B1 cykli, odpowiednio. Odporność na zmęczenie tego stopu lutowniczego jest o 223% wyższa, niż dla stopu 63Sn/37Pb, zaś wytrzymałość na rozciąganie jest o 189% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb.
W innym z korzystnych przykładów wykonania przedmiotu wynalazku uzyskano stop lutowniczy zawierający około 83,4% Sn, 0,5% Cu, 4,1% Ag i 12% In. Temperatura topnienia tego stopu lutowniczego wynosiła od 185°C do 195°C. Wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie wynosiła 56Mpa i 7950 cykli, odpowiednio. Odporność na zmęczenie tego stopu lutowniczego jest o 218% wyższa, niż dla stopu 63Sn/37Pb, zaś wytrzymałość na rozciąganie jest o 140% wyższa niż dla stopu 63Sn/37Pb.
Chwilowy przepływ i solidne spajanie, mające miejsce w każdym z powyższych przykładów wykonania, a uwidocznione w badaniach równowagi zwilżania na fig. 1, przewyższają wymagania na zdoIność zwilżania, w stosunku do standardów przemysłowych, takich jak normy Amerykańskiego Narodowego Instytutu Norm, ANSI-STD-002 i ANSI-STD-003. Topnikiem zwilżającym była nie aktywowana kalafonia lub słabo aktywowana kalafonia, bądź też nieczysty topnik.
ZdoIność do zwilżania, w odniesieniu do ANSI-STD-002 i ANSI-STD-003, siła zwilżania w 2,0 sekundzie (F1) i w 5,0 sekundzie (F2) powinna przekraczać 4,809 mN, zaś czas zwilżania (t2/3), w którym osiąga się 2/3 maksimum siły zwilżania, ma wynosić nie więcej niż 1,0 sekundę. Powierzchnia niezwilżona powinna być mniejsza niż 5%. W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1, skład stopu lutowniczego, stanowiącego przedmiot wynalazku, był następujący: 82,3% Sn/0,5% Cu/3% Ag/2,2% Bi/ 12% In. Uzyskano następujące wartości:
F1= 5,98mN,
F2 = 6,10mN, t2/3 = 0,72sek
Powierzchnia niezwilżona = 0%.
Opisane powyżej bezołowiowe stopy lutownicze, stanowiące przedmiot wynalazku, mogą być przygotowywane ze składników w stanie stopionym, przy pomocy zwykłych znanych technik ogrzewania. Stopy mogą być stosowane w różnej postaci: jako pasty, proszki, pręty lub druty, jak również mogą znaleźć zastosowanie w dowoInych procesach lutowania, na przykład takich jak lutowanie piecowe, lutowanie falowe oraz lutowanie ręczne, a także w różnych procesach wytwarzania materiałów, takich jak różnego rodzaju techniki natapiania i powlekania.
Pomimo, iż przedmiot wynalazku został opisany w odniesieniu do przykładów wykonania zrozumiałym jest, że mogą w nim zostać dokonane zmiany i modyfikacje, a przedstawiony opis nie ma na celu ograniczenia zakresu przedmiotu wynalazku.
Claims (2)
- Zastrzeżenie patentoweBezołowiowy stop lutowniczy, znamienny tym, że zawiera wagowo od 76% do 96% Sn, od 0,2 do 2,5% Cu, od 2,5% do 4,5% Ag, >0% do 12% In, od 0,5% do 5,0% Bi oraz 0,2% do
- 2% Sb.PL 195 528 B1
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/GB2000/004365 WO2002040213A1 (en) | 2000-11-16 | 2000-11-16 | Lead-free solders |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL361336A1 PL361336A1 (pl) | 2004-10-04 |
| PL195528B1 true PL195528B1 (pl) | 2007-09-28 |
Family
ID=9886311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL00361336A PL195528B1 (pl) | 2000-11-16 | 2000-11-16 | Bezołowiowy stop lutowniczy |
Country Status (14)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1333957B1 (pl) |
| AT (1) | ATE293513T1 (pl) |
| AU (1) | AU2001214037A1 (pl) |
| CY (1) | CY1105145T1 (pl) |
| CZ (1) | CZ297089B6 (pl) |
| DE (1) | DE60019651T2 (pl) |
| DK (1) | DK1333957T3 (pl) |
| ES (1) | ES2241671T3 (pl) |
| HU (1) | HU228577B1 (pl) |
| NO (1) | NO333677B1 (pl) |
| PL (1) | PL195528B1 (pl) |
| PT (1) | PT1333957E (pl) |
| RU (1) | RU2254971C2 (pl) |
| WO (1) | WO2002040213A1 (pl) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE45899E1 (en) | 2000-02-23 | 2016-02-23 | Orbital Atk, Inc. | Low temperature, extrudable, high density reactive materials |
| US7977420B2 (en) | 2000-02-23 | 2011-07-12 | Alliant Techsystems Inc. | Reactive material compositions, shot shells including reactive materials, and a method of producing same |
| US20050199323A1 (en) * | 2004-03-15 | 2005-09-15 | Nielson Daniel B. | Reactive material enhanced munition compositions and projectiles containing same |
| SG139507A1 (en) * | 2001-07-09 | 2008-02-29 | Quantum Chem Tech Singapore | Improvements in or relating to solders |
| DE602004009982T2 (de) * | 2003-03-31 | 2008-09-18 | Sanyo Electric Co., Ltd., Moriguchi | Metallschablone und Verfahren zum Drucken von bleifreier Lötpaste mit derselben |
| KR100825354B1 (ko) | 2003-08-26 | 2008-04-28 | 가부시끼가이샤 도꾸야마 | 소자 접합용 기판, 소자 접합 기판 및 그 제조 방법 |
| FR2867469A1 (fr) * | 2004-03-15 | 2005-09-16 | Alliant Techsystems Inc | Compositions reactives contenant un metal, et leur procede de production |
| CZ300575B6 (cs) * | 2005-01-04 | 2009-06-17 | Jeník@Jan | Bezolovnatá pájka |
| EP2116807A2 (en) | 2005-10-04 | 2009-11-11 | Alliant Techsystems Inc. | Reactive Material Enhanced Projectiles And Related Methods |
| CN101357421B (zh) * | 2005-12-16 | 2010-12-29 | 浙江亚通焊材有限公司 | 无铅锡焊料 |
| CN100453244C (zh) * | 2005-12-16 | 2009-01-21 | 浙江亚通焊材有限公司 | 无铅锡焊料 |
| EP2177305B1 (en) * | 2007-07-18 | 2013-07-03 | Senju Metal Industry Co., Ltd | In-containing lead-free solder for on-vehicle electronic circuit |
| US7821130B2 (en) * | 2008-03-31 | 2010-10-26 | Infineon Technologies Ag | Module including a rough solder joint |
| CN103962744B (zh) | 2009-04-20 | 2016-05-18 | 松下知识产权经营株式会社 | 焊锡材料及电子部件接合体 |
| KR20140063662A (ko) * | 2011-08-02 | 2014-05-27 | 알파 메탈즈, 인코포레이티드 | 솔더 조성물 |
| JP2013252548A (ja) * | 2012-06-08 | 2013-12-19 | Nihon Almit Co Ltd | 微細部品接合用のソルダペースト |
| CN103042315B (zh) * | 2013-01-22 | 2015-05-27 | 马莒生 | 耐热耐湿低熔点无铅焊料合金 |
| JP2015077601A (ja) * | 2013-04-02 | 2015-04-23 | 千住金属工業株式会社 | 鉛フリーはんだ合金 |
| US10286497B2 (en) | 2014-04-30 | 2019-05-14 | Nihon Superior Co., Ltd. | Lead-free solder alloy |
| MY162428A (en) * | 2014-06-24 | 2017-06-15 | Harima Chemicals Inc | Solder alloy, solder composition, solder paste, and electronic circuit board |
| MY186064A (en) * | 2015-05-05 | 2021-06-18 | Indium Corp | High reliability lead-free solder alloys for harsh environment electronics applications |
| WO2016185674A1 (ja) * | 2015-05-19 | 2016-11-24 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | はんだ合金およびそれを用いた実装構造体 |
| JP6135885B2 (ja) * | 2015-05-19 | 2017-05-31 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | はんだ合金およびそれを用いた実装構造体 |
| JP6745453B2 (ja) * | 2016-05-18 | 2020-08-26 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | はんだ合金およびそれを用いた実装構造体 |
| JP6230737B1 (ja) * | 2017-03-10 | 2017-11-15 | 株式会社タムラ製作所 | 鉛フリーはんだ合金、ソルダペースト及び電子回路基板 |
| JP6397079B1 (ja) * | 2017-04-07 | 2018-09-26 | 株式会社ケーヒン | はんだ材料 |
| CN109894768B (zh) * | 2019-03-29 | 2021-06-18 | 东莞市千岛金属锡品有限公司 | 一种低温无铅合金焊料的制备方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997009455A1 (en) * | 1995-09-01 | 1997-03-13 | Sarnoff Corporation | Soldering composition |
| KR980006783A (ko) * | 1996-05-13 | 1998-03-30 | 이. 힐러 윌리엄 | 저가의 위상 고정 모터 제어 방법 및 구조 |
| JP3736819B2 (ja) * | 1997-01-17 | 2006-01-18 | 株式会社豊田中央研究所 | 無鉛はんだ合金 |
| WO1999004048A1 (en) * | 1997-07-17 | 1999-01-28 | Litton Systems, Inc. | Tin-bismuth based lead-free solders |
| US5938862A (en) * | 1998-04-03 | 1999-08-17 | Delco Electronics Corporation | Fatigue-resistant lead-free alloy |
| JP2000288772A (ja) * | 1999-02-02 | 2000-10-17 | Nippon Genma:Kk | 無鉛はんだ |
-
2000
- 2000-11-16 AU AU2001214037A patent/AU2001214037A1/en not_active Abandoned
- 2000-11-16 ES ES00976153T patent/ES2241671T3/es not_active Expired - Lifetime
- 2000-11-16 DK DK00976153T patent/DK1333957T3/da active
- 2000-11-16 RU RU2003114304/02A patent/RU2254971C2/ru active
- 2000-11-16 DE DE60019651T patent/DE60019651T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-11-16 PT PT00976153T patent/PT1333957E/pt unknown
- 2000-11-16 EP EP00976153A patent/EP1333957B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-11-16 PL PL00361336A patent/PL195528B1/pl unknown
- 2000-11-16 WO PCT/GB2000/004365 patent/WO2002040213A1/en active IP Right Grant
- 2000-11-16 HU HU0301858A patent/HU228577B1/hu unknown
- 2000-11-16 AT AT00976153T patent/ATE293513T1/de active
- 2000-11-16 CZ CZ20031348A patent/CZ297089B6/cs not_active IP Right Cessation
-
2003
- 2003-05-14 NO NO20032185A patent/NO333677B1/no not_active IP Right Cessation
-
2005
- 2005-04-21 CY CY20051100509T patent/CY1105145T1/el unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| HU228577B1 (en) | 2013-04-29 |
| NO333677B1 (no) | 2013-08-05 |
| HUP0301858A3 (en) | 2005-05-30 |
| EP1333957B1 (en) | 2005-04-20 |
| DK1333957T3 (da) | 2005-06-20 |
| CZ297089B6 (cs) | 2006-09-13 |
| PL361336A1 (pl) | 2004-10-04 |
| EP1333957A1 (en) | 2003-08-13 |
| AU2001214037A1 (en) | 2002-05-27 |
| DE60019651T2 (de) | 2005-09-22 |
| HUP0301858A2 (hu) | 2003-08-28 |
| NO20032185D0 (no) | 2003-05-14 |
| ES2241671T3 (es) | 2005-11-01 |
| ATE293513T1 (de) | 2005-05-15 |
| WO2002040213A1 (en) | 2002-05-23 |
| RU2003114304A (ru) | 2005-01-20 |
| RU2254971C2 (ru) | 2005-06-27 |
| NO20032185L (no) | 2003-05-14 |
| PT1333957E (pt) | 2005-09-30 |
| DE60019651D1 (de) | 2005-05-25 |
| CY1105145T1 (el) | 2009-11-04 |
| CZ20031348A3 (cs) | 2004-04-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| PL195528B1 (pl) | Bezołowiowy stop lutowniczy | |
| Ren et al. | Alloying influences on low melt temperature SnZn and SnBi solder alloys for electronic interconnections | |
| KR101004589B1 (ko) | 기능 부품용 리드와 그 제조 방법 | |
| US6176947B1 (en) | Lead-free solders | |
| JP4613823B2 (ja) | ソルダペーストおよびプリント基板 | |
| KR100999331B1 (ko) | 납프리 땜납 합금 | |
| KR0124517B1 (ko) | 무연의 주석, 안티몬, 비스무트 및 구리 납땜 합금 | |
| US5328660A (en) | Lead-free, high temperature, tin based multi-component solder | |
| EP2277657B1 (en) | Lead-free solder | |
| WO2010122764A1 (ja) | はんだ材料および電子部品接合体 | |
| TW201702395A (zh) | 低溫高可靠性合金 | |
| JPH071179A (ja) | 無鉛すず−ビスマスはんだ合金 | |
| KR101738841B1 (ko) | Ｂｉ-Ｓｎ계 고온 땜납 합금으로 이루어진 고온 땜납 이음 | |
| JP4770733B2 (ja) | はんだ及びそれを使用した実装品 | |
| CA2589259A1 (en) | Solder alloy | |
| EP2092560B1 (en) | Lead-free solder alloy for printed circuit board assemblies for high-temperature environments | |
| JP2002120085A (ja) | 鉛無含有はんだ合金 | |
| CN113165122A (zh) | 无铅焊料组合物 | |
| CN1314229A (zh) | 无铅焊料 | |
| WO2008056676A1 (fr) | Pâte à braser sans plomb, carte de circuit électronique utilisant cette pâte à braser sans plomb, et procédé de fabrication de carte de circuit électronique | |
| JP3991788B2 (ja) | はんだおよびそれを用いた実装品 | |
| JP2023524690A (ja) | 混合はんだ粉末を含む高温用途の無鉛はんだペースト | |
| JP2008221330A (ja) | はんだ合金 | |
| JP4359983B2 (ja) | 電子部品の実装構造体およびその製造方法 | |
| KR101951813B1 (ko) | 저융점 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지 |