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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine bleifreie Weichlotlegierung
zur Verwendung beim Löten und
bei Lötverbindungen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung bleifreie Zusammensetzungen,
die wirksame Mengen an Zinn, Kupfer, Silber, Bismut, Antimon und/oder
Indium enthalten und eine Schmelztemperatur zwischen 175–215°C besitzen. Die
Legierung ist besonders nützlich
in Mikroelektronik- und Elektronikanwendungen.
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Trotz
ihres gegenwärtigen
Erfolgs in der Elektronikindustrie sehen sich Pb-Sn-Weichlotlegierungen
aufgrund der Blei-Toxizität
und der Kontrolle oder Verhinderung der Verwendung von Blei im globalen
Rahmen einer begrenzten Zukunft gegenüber. Folglich sind viele Initiativen
auf einer weltweiten Basis unternommen worden, bleifreie Alternativen
zu Pb-Sn-Weichlotlegierungen zu finden. Zwischenzeitlich wird die
hohe Festigkeit und hohe Ermüdungsbeständigkeit
von bleifreier Legierung benötigt,
um das steigende Leistungsniveau in Lötanschlüssen zu erfüllen, wie durch die kontinuierlichen
Fortschritte bei integrierten Schaltungen (IC) und IC-Gehäusetechnologien
erforderlich.
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In
der Hierarchie der Elektronikproduktion wird Weichlotlegierung verwendet,
um die Bare-Chips
oder Packaged-Chips mit dem nächsten
Niveau eines Substrats durch die Bildung eines erwünschten
Bandes aus intermetallischen Verbindungen metallurgisch zu verbinden.
Ein sofortiger Fluß und
richtige Benetzung der Weichlotlegierung mit den üblicherweise
verwendeten Metallisierungskissen, wie etwa Cu, Ag, Au, Pd, Ni und
anderen metallischen Oberflächen,
ist Voraussetzung für
die Bildung verläßlicher
Lötverbindungen
unter den automatisierten Hochgeschwindigkeitsproduktionsverfahren,
die milde Flußmittel
verwenden, die für
elektronische Systeme annehmbar sind.
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Oberflächenmontagetechnologie
ist eine kritische Produktionstechnologie für die Produktion kleinerer,
dichterer und schnellerer gedruckter Schaltungen (PCB) gewesen,
die moderne Elektronik möglich machen.
Das eutektische Pb-Sn-Weichlot aus 63Sn/37Pb wird am häufigsten
bei elektronischen Baugruppen verwendet, insbesondere bei oberflächenmontierten
gedruckten Schaltungen. Dieses Weichlot liefert eine weitere kritische
physikalische Eigenschaft, d.h. einen moderaten Schmelzpunkt, insbesondere
unterhalb 210°C.
Die Schmelztemperatur einer Legierung, mit Ausnahme einer eutektischen
Zusammensetzung, liegt oft in einem Bereich, der spezifiziert wird
durch eine Liquidus- und eine Solidus-Temperatur. Die Legierung beginnt bei
ihrer Solidus-Temperatur zu erweichen und schließt das Schmelzen bei ihrer
Liquidus-Temperatur ab. Löten muß bei einer
Temperatur oberhalb der Liquidus-Temperatur der Lötlegierung
durchgeführt
werden.
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Eine
praktische Löttemperatur
für die
Produktionsumgebung für
Oberflächenmontage
kann bei einer Temperatur um wenigstens 25°C oberhalb der Liquidus-Temperatur
der Lötlegierung
erreicht werden, zum Beispiel sollte eine Lötlegierung mit einer Liquidus-Temperatur von 210°C bei wenigstens 235°C gelötet werden.
Die Schmelztemperatur der Lötlegierung
ist kritisch, weil eine zu hohe Schmelztemperatur elektronische
Einheiten und Polymer-basierte PCB während des Lötens beschädigen wird, während eine
zu niedrige Schmelztemperatur die Langzeitverläßlichkeit der Lötverbindungen
opfert. Für
die Herstellung von Schaltungen, die typische Polymer-basierte PCB
wie etwa FR-4 einschließen, soll
die Verfahrenstemperatur praktischerweise 240°C nicht übersteigen. Daher muß eine bleifreie Lötlegierung,
die 63Sn/37Pb ersetzen kann und die im Oberflächenmontageproduktionsverfahren
funktionieren kann, eine Liquidus-Temperatur unter 215°C, vorzugsweise
bei etwa 210°C
haben.
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Lötverbindungen
dienen in einem elektronischen System, wie etwa Telekommunikations-,
Computer-, Luftfahrt- und Automobilelektronik, als elektrische,
thermische und mechanische Verbindungsleitungen. Während der
Gebrauchsdauer sind Lötverbindungen
als dem Ergebnis von Temperaturfluktuation, An-/Ausschalten der
Energie und/oder scharfen Umweltbedingungen unabweisbar thermischen
Beanspruchungen ausgesetzt. Dies, gekoppelt mit der schlecht zusammenpassenden
thermischen Ausdehnung in den miteinander verbundenen Materialien des
Halbleiters, Keramikwerkstoffs, Metalls und Polymers im System führt zu thermomechanischer
Ermüdung
in Lötverbindungen.
Da die elektronischen Schaltkreise zunehmend dichter werden und
die Taktgeschwindigkeit von Mikroprozessoren immer höhere Frequenzen
erreicht, ist einer der offensichtlichen Effekte auf die Konstruktion
eines elektronischen Systems und die dafür verwendeten Materialien,
die steigende Wärmedissipation
in den Griff zu bekommen.
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Zusätzlich steigt
die Anzahl von Lötverbindungen
auf jeder PCB weiter an. Das Vorhandensein mehrerer tausend oder
zehntausend Lötverbindungen
auf einer PCB ist nicht unüblich.
Das Versagen irgendeiner einzelnen Lötverbindung führt jedoch
zu einem Systemversagen. Folglich sind die Anforderungen an die
Festigkeit und Ermüdigungsbeständigkeit
von Lötverbindungen
erhöht.
Die letzten Entwicklungen in integrierten Schaltungs(IC)-Gehäusen mit hoher
Pinzahl, wie etwa Ball Grid Array (BGA), Chip Seale Package (CSP)
und Direct-Chip-Attach-Technologien, wie etwa Flip-Chip, fordern
weiter eine höhere
Leistung in der Ermüdungsbeständigkeit
von Weichlotlegierungen.
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Eine
Reihe von bleifreien Weichloten sind im Stand der Technik vorgeschlagen
worden. Eine Zusammenfassung dieser bleifreien Legierungen ist umrissen
in Kapitel 15 des Buches "Modern
Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing".
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U.S.-Patent
Nr. 5328660 (Gonya et al.) für LEAD-FREE,
HIGH TEMPERATURE, TIN BASED, MULTI-COMPONENT SOLDER beschreibt eine
Zusammensetzung aus 78,4Sn2Ag9,8Bi9,8In. Die Ermüdungsbeständigkeit dieser Legierung ist
jedoch schlecht.
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U.S.-Patent
Nr. 5527628 (Anderson et al.) für PB-FREE
SN-AG-CUTERNARY EUTECTIC SOLDER beschreibt eine Zusammensetzung
aus 93,6Sn4,7Ag1,7Cu mit einem Schmelzpunkt von 217°C. Die Schmelztemperatur
dieser Legierung ist noch relativ hoch und ihre Ermüdungsbeständigkeit ist
mäßig.
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U.S.-Patent
Nr. 5520752 (Lucey et al.) für COMPOSITE
SOLDERS beschreibt eine bleifreie Weichlotlegierung, die 86 bis
97% Sn, 0,3 bis 4,5% Ag, 0 bis 9,3% Bi und 0 bis 5% Cu umfaßt. Die
Ermüdungsbeständigkeit
der Legierung ist mäßig oder
gering.
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U.S.-Patent
Nr. 5538686 (Chen et al.) für
ARTICLE COMPRISING a PB-FREE SOLDER HAVING IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES
beschreibt eine bleifreie Weichlotlegierung mit Schmelztemperaturen
von 173 bis 193°C,
die >70% Sn, 6 bis
10% Zn, 3 bis 10% In, <10%
Bi, >5% Ag und <5% Cu umfaßt. Die
Legierungen können
typische Substrate in einer Produktionsumgebung für elektronische
Gehäuse
und Baugruppen nicht benetzen.
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U.S.-Patent
Nr. 5580520 (Slattery et al.) für LEAD-FREE
ALLOY CONTAINING TIN, SILVER AND INDIUM beschreibt eine Zusammensetzung aus
77,2Sn2,8Ag20In mit Schmelztemperaturen von 179 bis 189°C. Die Ermüdungsbeständigkeit
dieser Legierung ist gering.
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WO-A-9709455
offenbart eine bleifreie Zinn-basierte Weichlotlegierung, die 0,5–2,7% Cu, 3,1–3,5% Ag
und fakultativ bis zu 20% In, bis zu 10% Bi, bis zu 2,7% Sb umfaßt, wobei
Bismuth und Antimon nicht zusammen vorhanden sind.
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Zusammenfassend
versagen alle diese frühen
bleifreien Weichlote in wenigstens einem Bereich darin, bei der
Erstellung verläßlicher
Lötverbindungen
in der Industrie der elektronischen Gehäuse und Baugruppen angemessen
zu funktionieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es
eine primäre
Aufgabe dieser Erfindung, zu versuchen, ein bleifreies Weichlot bereitzustellen.
Es ist ein Vorteil dieser Erfindung, ein bleifreies Weichlot bereitzustellen,
das hohe Festigkeit und hohe Ermüdungsbeständigkeit
bietet, um den zunehmend ungünstigen
und scharfen Bedingungen in mikroelektronischen oder elektronischen Anwendungen
zu widerstehen.
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Es
ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung zu versuchen, ein bleifreies
Weichlot bereitzustellen, das einen mäßigen Schmelztemperaturbereich (175–210°C) besitzt,
der nützlich
ist für
die wichtigsten Bereiche der Herstellung von Elektronik.
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Es
ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung zu versuchen, eine bleifreie
Weichlotlegierung bereitzustellen, die metallische Substrate, wie
Sn, Cu, Ag, Au, Pd und Ni, bei der Herstellung von Mikroelektronik
und Elektronik leicht benetzen kann, um gute und verläßliche Lötverbindungen
ohne Flußmittel
zu bilden, die bei der Herstellung von Elektronik unannehmbar sind.
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Es
ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung zu versuchen, ein bleifreies
Weichlot bereitzustellen, das an die etablierten Herstellungsverfahren
und Infrastruktur in der Elektronikindustrie angepaßt werden
kann, ohne wesentliche Veränderungen,
in Materialien, Verfahren und Komponenten zu erfordern.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden teilweise in der Beschreibung,
die folgt, dargelegt werden und werden teilweise aus der Beschreibung
offensichtlich sein oder können
durch die praktische Umsetzung der Erfindung erlernt werden. Die
Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der Instrumentalitäten und
Kombinationen, auf die besonders in dem beigefügten Anspruch hingewiesen ist,
verwirklicht und erreicht werden.
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Um
die vorstehenden Aufgaben zu erreichen und in Übereinstimmung mit den Zwecken
dieser Erfindung, wie hierin verkörpert und breit beschrieben, besitzen
die Weichlotlegierungen dieser Erfindung Sn als einen Hauptbestandteil
und wirksame Mengen an Cu, Ag, Bi, In und Sb. Das Weichlot zeigt
kompatible Schmelztemperatur, gute Benetzbarkeit, hohe Festigkeit
und hohe Ermüdungsbeständigkeit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
die Benetzungskraft (mN) gegenüber
der Benetzungszeit der Weichlotlegierung: 82,3Sn0,5Cu3Ag2,2Bi12In
auf einem Cu-Prüfstück bei 235°C.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Obgleich
die Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben werden wird, wird man verstehen, daß nicht daran gedacht ist,
die Erfindung auf diese Ausführungsform
zu beschränken.
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Die
Erfindung versucht, eine bleifreie Weichlotlegierung mit hoher Festigkeit,
hoher Ermüdungsbeständigkeit,
hoher Benetzungsfähigkeit
und mit einer mit der etablierten Produktionsinfrastruktur für gedruckte
Schaltungen kompatiblen Schmelztemperatur bereitzustellen. Die Weichlotlegierung
dieser Erfindung besteht im wesentlichen aus 76% bis 96% Sn, 0,2%
bis 0,5% Cu, 2,5% bis 4,5% Ag, >0%
bis 12% In, 0,5% bis 5,0% Bi und 0,01% bis 2% Sb.
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Es
ist entdeckt worden, daß Cu
und Ag, in richtigen Dosierungen kombiniert, nicht nur die Ermüdungsbeständigkeit
erhöhen,
sondern auch die Schmelztemperatur senken. In den bevorzugten Formen
der Erfindung sind 0,5% Cu allein die wirksamsten Mengen, um die
Schmelztemperatur von Legierungen zu senken. Die Variationen der
Schmelztemperaturen von Legierungen bei 0,5–2,5% Cu liegen innerhalb von
1°C. Cu
bei mehr als 2,5% verzögert die
Schmelzfließfähigkeit,
um Gießdefekte
zu verursachen. Die Schmelztemperaturen (185-195°C)
einer Legierung (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In) mit 0,5% Cu sind um Beispiel
etwa 5°C niedriger
als diejenigen (190–200°C) einer
Legierung (83,9Sn/4,1Ag/12In) ohne Cu. Die Schmelztemperaturen (195–201°C) einer
Legierung (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In) mit 0,5% Cu sind dieselben wie
diejenigen (195–201°C) einer
Legierung (87Sn/2Cu/3Ag/8In) mit 2% Cu. 0,5% Cu allein sind auch
die wirksamste Menge, um Ermüdungsbeständigkeit
zu verbessern. Die Plastizität nimmt
linear ab und die Grenzlastspielzahl nimmt mit weiter ansteigendem
Cu bis zu etwa 2% exponentiell ab. Die Plastizität und Grenzlastspielzahl einer
Legierung (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In) mit 0,5% Cu sind zum Beispiel
206% und 146% höher
als diejenigen einer Legierung (86,1Sn/1,6Cu/4,3Ag/8In) mit 1,6% Cu.
Die Plastizität
und Grenzlastspielzahl einer Legierung (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In)
mit 0,5% Cu sind 250% und 174% höher
als diejenigen einer Legierung (82,4Sn/1,5Cu/4,1Ag/12In) mit 1,5%
Cu.
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Ungefähr 3% Ag
allein sind die wirksamsten Mengen, um die Schmelztemperaturen von
Legierungen zu senken. Die Variationen der Schmelztemperaturen von
Legierungen mit 3-4,5%
Ag liegen innerhalb von 1°C.
Die Schmelztemperaturen (196–202°C) einer
Legierung (8,5Sn/0,5Cu/3Ag/8In) mit 3% Ag sind zum Beispiel etwa
10°C niedriger
als diejenigen (208–212°C) einer
Legierung (91,5S/0,5Cu/8In) ohne Ag, aber etwa dieselben wie diejenigen
(195–201°C) einer
Legierung (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In) mit 4,1% Ag.
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Die
Zugaben von In senken die Schmelztemperaturen linear in einer Rate
von etwa 1,8°C
pro Gewichtsprozent bis etwa 12%. Die Festigkeiten von Legierungen
nehmen linear zu und die Grenzlastspielzahlen nehmen exponentiell
zu mit In bis etwa 8%. 8–10%
In sind die optimalen Gehalte für
eine überlegene
Grenzlastspielzahl. Eine Legierung (87,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/8In) mit
8% In hat zum Beispiel eine 6°C
niedrigere Schmelztemperatur, 126% höhere Festigkeit und 175% höhere Grenzlastspielzahl
als eine Legierung (91,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/4In) mit 4% In. 12% In ist
ein kritischer Punkt für
das merkbare Auftreten einer weicheren zweiten In-Phase bei 113°C. Eine Legierung
(83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In) mit 12% In hat zum Beispiel eine 219%
niedrigere Grenzlastspielzahl und 118% niedrigere Festigkeit als
eine Legierung (85,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/10In) mit 10% In.
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Die
Legierungen mit den relativ höheren
Gehalten (6–12%)
an In können
durch Bi für
die niedrigstmöglichen
Schmelztemperaturen mit einer annehmbaren Ermüdungsbeständigkeit für einige kritische Anwendungen
weiter verbessert werden. Eine Legierung (82,3Sn/0,5Cu/3Ag/2,2Bi/12In)
mit 12% In und 2,2% Bi hat zum Beispiel eine 130% höhere Festigkeit
und etwa 20°C
niedrigere Schmelztemperatur (183–193°C) als eine Legierung (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In)
mit 12% In ohne Bi. Der maximal mögliche Gehalt an Bi sollte
für eine
annehmbare Plastizität
und Ermüdungsbeständigkeit weniger
als 5% betragen. Die Plastizität
und Grenzlastspielzahl einer Legierung (79,5Sn/0,5Cu/3Ag/SBi/12In)
sind zum Beispiel signifikant verschlechtert bis zu einem Niveau,
das demjenigen von 63Sn/37Pb unterlegen ist.
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Die
In-haltigen Weichlotlegierungen können auch durch eine kleine
Menge Sb, z.B. 0,5% weiter verbessert werden, um höhere Ermüdungsbeständigkeit
ohne merkbar ansteigende Schmelztemperaturen zu erreichen. Eine
Legierung (84Sn/0,5Cu/3Ag/2,2Bi/12In/0,5Sb) mit 12% In und 0,5%
Sb hat zum Beispiel eine 113% höhere
Festigkeit und 160% höhere
Grenzlastspielzahl als eine Legierung (83,4Sn/0,5Cu/4,1Ag/12In)
mit 12% In ohne Sb. Zuviel Sb für
die In-haltigen Legierungen wird jedoch die Schmelztemperaturen
erhöhen,
die Plastizität
und Grenzlastspielzahl verringern und die Benetzbarkeit auf Cu verschlechtern.
Eine Legierung (84Sn/0,5Cu/3Ag/12In/0,5Sb) mit 12% In und 0,5% Sb
hat zum Beispiel eine 4°C
niedrigere Schmelztemperatur, 212% höhere Plastizität und 125%
höhere
Grenzlastspielzahl als eine Legierung (82,5Sn/0,5Cu/3Ag/12In/2Sb)
mit 2% Sb.
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Was
die zugrundeliegenden Mechanismen angeht sind Cu, Ag und Sb alle
intermetallische Verbindungen mit Sn bildende Metalle. Cu bildet Cu6Sn5-Teilchen, Ag
bildet Ag3Sn-Teilchen und Sb bildet kubische
SnSb-Teilchen. Diese intermetallischen Teilchen selbst sind sehr
viel stärker
als die Sn-Matrix und blockieren effektiv das Fortschreiten von
Ermüdungsrissen.
Indirekt verleiht die Bildung der mehrfach intermetallischen Teilchen
eine feinere Sn-Matrix-Kornstruktur.
Die durch intermetallische Verbindungen induzierten feineren Körner in
der Sn-Matrix erleichtern das Gleiten an den Korngrenzen und verlängern die
Ermüdungslebenszeit.
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In
tritt in das Sn-Matrix-Kristallgitter als Ersatz-Beimengungsatome
ein. Die In-Beimengung ergibt eine Stärkung der festen Lösung und
fördert
eine feinere Gleiteigenschaft für
eine höhere
Ermüdungsbruchkapazität.
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Bi
tritt in das Sn-Matrix-Kristallgitter als Ersatz-Beimengungsatome
bis zu etwa 1 Gew.-% ein. Über
1 Gew.-% hinaus kann Bi als Teilchen einer zweiten Phase ausfallen.
Daher liefert Bi sowohl eine Verstärkung der festen Lösung als
auch eine Verstärkung
der Ausfällung.
Der Anteil der Bi-Beimengungs-Verstärkung sollte auch einen feineren Gleitcharakter
für eine
höhere
Ermüdungsbruchkapazität in der
Sn-Matrix fördern.
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Der
Gehalt von 2,5–3,5%
Ag ist kritisch für Weichlotlegierungen
im Sn/Cu/Ag/Bi-System im Gegensatz zu 2,5–4,5% Ag für alle anderen Systeme, die
In enthalten. Ein Gehalt an Ag über
3,5 hinaus im Sn/Cu/AgBi-System induziert Legierungsbrüchigkeit. Die
Grenzlastspielzahl und Plastizität
einer Legierung (93,3Sn/0,5Cu/3,1Ag/3,1Bi) mit 3,1% Ag sind zum
Beispiel etwa 152% und 138% höher
als bei einer Legierung (90,5Sn/1,7Cu/4,7Ag/3,1Bi) mit 4,7% Ag.
Der Gehalt von 2,5% Ag ist ein Minimum, um eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit
zu liefern. Unterhalb von 2,5% wird die Ermüdungsbeständigkeit verringert. Die Grenzlastspielzahlen
der Legierungen 93,3Sn/0,5Cu/3,1Ag/3,1Bi und 92,2Sn/1,5Cu/3,2Ag/3,1Bi
und 91,5Sn/2Cu/3,4Ag/3,1Bi sind zum Beispiel etwa 538%, 366% und
281% höher
als diejenige einer Legierung (93Sn/2Cu/2Ag/3Bi) mit 2% Ag.
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In
allen anderen Systemen, die In enthalten, wird jedoch In mit Ag
reagieren oder etwas Ag absorbieren, um eine intermetallische AgIn2-Verbindung oder sogar ternäre intermetallische
AgSnIn-Verbindung zu bilden. Daher kann behauptet werden, daß der maximale
Gehalt an Ag in allen anderen Systemen, die In enthalten, 4,5% beträgt, für eine gute Plastizität und Grenzlastspielzahl.
Jegliche höhere Dosierung
wird die Schmelztemperatur nicht weiter verringern, wird aber die
Brüchigkeit
erhöhen.
Bei derselben Schmelztemperatur ist die Plastizität einer Legierung
(84Sn/0,5Cu/13Ag/12,5Sb) zum Beispiel 131% höher als bei einer Legierung (81,1Sn/1,7Cu/4,7Ag/12In/0,5Sb).
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Für Vergleichszwecke
glaubt man, daß die Schmelztemperatur
von 63Sn/37Pb-Weichlot bei etwa 183°C gemessen wurde, wobei die
Zugfestigkeit 47 MPa betrug und die Niedrigzyklus-Grenzlastspielzahl
bei 0,2% Belastung 3650 Zyklen betrug. Die Schmelztemperatur, Zugfestigkeit
und Grenzlastspielzahl der bekannten Weichlotlegierung 99,3Sn0,7Cu
betragen 227°C,
24 MPa bzw. 1125 Zyklen. Die Schmelztemperatur, Zugfestigkeit und Grenzlastspielzahl
der bekannten Weichlotlegierung 96,5Sn/3,SAg betragen 221°C, 35 MPa
bzw. 4186 Zyklen.
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Die
vorliegende erfinderische Weichlotlegierung zeigt eine Zugfestigkeit
von wenigstens 50 MPa, vorzugsweise 60 MPa; eine Niederzyklus-Grenzlastspielzahl
bei 0,2% Belastung von wenigstens etwa 5000 Zyklen, vorzugsweise
etwa 10000 Zyklen; eine Solidus-Schmelztemperatur
von zwischen 175 und 215°C,
vorzugsweise weniger als 210°C,
und eine Liquidus-Schmelztemperatur von zwischen etwa 185 und 215°C, vorzugsweise
weniger als 210°C.
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In
einer vorteilhaften Legierung, die die Erfindung nicht verkörpert, wird
eine Weichlotlegierung bereitgestellt, die etwa 87,4% Sn, 0,5% Cu,
4,1% Ag und 8% In enthält.
Die Legierung hat eine Schmelztemperatur von etwa 195°C bis 201°C. Die Zugfestigkeit
und Grenzlastspielzahl der Legierung betragen 63 MPa bzw. 17152
Zyklen. Die Grenzlastspielzahl dieser Erfindung ist 470% höher als
diejenige von 63Sn/37Pb und die Zugfestigkeit ist 134% höher als diejenige
von 63Sn/37Pb.
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In
einer vorteilhaften Legierung, die die Erfindung nicht verkörpert, wird
eine Weichlotlegierung bereitgestellt, die etwa 85,4% Sn, 0,5% Cu,
4,1% Ag und 10% In enthält.
Die Legierung hat Schmelztemperaturen von etwa 194°C bis 199°C. Die Zugfestigkeit
und Grenzlastspielzahl der Legierung betragen 66 MPa bzw. 17378
Zyklen. Die Grenzlastspielzahl dieser Erfindung ist 476% höher als
diejenige von 63Sn37Pb und die Zugfestigkeit ist 140% höher als diejenige
von 63Sn/37Pb.
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In
einer weiteren vorteilhaften Legierung, die die Erfindung nicht
verkörpert,
wird eine Weichlotlegierung bereitgestellt, die etwa 84% Sn, 0,5%
Cu, 3% Ag, 0,5% Sb und 12% In enthält. Die Legierung hat Schmelztemperaturen
von etwa 186°C
bis 196°C. Die
Zugfestigkeit und Grenzlastspielzahl der Legierung betragen 58 MPa
bzw. 12345 Zyklen. Die Grenzlastspielzahl dieser Erfindung ist 338%
höher als
diejenige von 63Sn37Pb und die Zugfestigkeit ist 123% höher als
diejenige von 63Sn/37Pb.
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In
einer weiteren vorteilhaften Legierung, die die Erfindung nicht
verkörpert,
wird eine Weichlotlegierung bereitgestellt, die etwa 82,3% Sn, 0,5%
Cu, 3% Ag, 2,2% Bi und 12% In enthält. Die Legierung hat Schmelztemperaturen
von etwa 183°C
bis 193°C.
Die Zugfestigkeit und Grenzlastspielzahl der Legierung betragen
77 MPa bzw. 8722 Zyklen.
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Die
Grenzlastspielzahl dieser Erfindung ist 239% höher als diejenige von 63Sn37Pb
und die Zugfestigkeit ist 164% höher
als diejenigen von 63Sn/37Pb.
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In
einer weiteren vorteilhaften Legierung, die die Erfindung nicht
verkörpert,
wird eine Weichlotlegierung bereitgestellt, die etwa 92% Sn, 2%
Cu, 3% Ag und 3% Bi enthält.
Die Legierung hat Schmelztemperaturen von 209°C bis 212°C. Die Zugfestigkeit und Grenzlastspielzahl
der Legierung betragen 89 MPa bzw. 8135 Zyklen. Die Grenzlastspielzahl
dieser Erfindung ist 223% höher
als diejenige von 63Sn37Pb und die Zugfestigkeit ist 189% höher als diejenige
von 63Sn/37Pb.
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In
einer weiteren vorteilhaften Legierung, die die Erfindung nicht
verkörpert,
wird eine Weichlotlegierung bereitgestellt, die etwa 83,4% Sn, 0,5%
Cu, 4,1% Ag und 12% In enthält.
Die Legierung hat eine Schmelztemperatur von etwa 185°C bis 195°C und die
Zugfestigkeit und Grenzlastspielzahl der Legierung betragen 56 MPa
bzw. 7950 Zyklen. Die Grenzlastspielzahl dieser Erfindung ist 218%
höher als
diejenige von 63Sn37Pb und die Zugfestigkeit ist 140% höher als
diejenige von 63Sn/37Pb.
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Sofortiger
Fluß und
gute Bindung traten in jeder der obigen Ausführungsformen auf, wie belegt durch
Benetzungsgleichgewichtstests (1), die die
Anforderungen an die Benetzungsfähigkeit
in Bezug auf die Industriestandards, wie etwa American National
Standard Institute, ANSI-STD-002 und ANSI-STD-003, erfüllten. Das
Vernetzungsflußmittel
war ein nicht-aktiviertes Kolofonium oder ein mild aktiviertes Kolofonium
oder ein No-Clean-Flußmittel.
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Benetzungsfähigkeit
in bezug auf ANSI-STD-002 und ANSI-STD-003 bedeutet, daß die Benetzungskraft
bei 2,0 Sekunden (F1) und bei 5,0 Sekunden (F2) 4809 mN übersteigen
soll und die Benetzungszeit (t2/3), um 2/3
der maximalen Benetzungskraft zu erreichen, nicht mehr als 1,0 Sekunde betragen
soll. Die Nicht-Benetzungsfläche
soll kleiner als 5% sein. Als ein Beispiel, das in 1 dargestellt
ist, zeigte eine Weichlotlegierungszusammensetzung 82,3%/Sn0,5%Cu3%Ag2,2%/Bi12%In
F1
= 5,98 mN
F2=6,10mN
t2/3 = 0,72
Sekunden
Nicht-Benetzung = 0%
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Die
obigen bleifreien Weichlotlegierungen können in den geschmolzenen Zuständen der
Hauptbestandteile mit allgemeinen Erhitzungstechniken, die im Stand
der Technik bekannt sind, hergestellt werden. Die Legierungen können auch
in verschiedenen physikalischen Formen verwendet werden, wie etwa
Pasten, Pulver, Stangen und Drähte,
oder in allen Lötverfahren,
wie etwa Aufschmelzlöten, Schwalllöten und
Handlöten,
oder bei der Herstellung jeglicher Materialien, wie etwa bei verschiedenen
Abscheidungs- und Beschichtungs-techniken.
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Obgleich
die Erfindung in bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist,
sollte man verstehen, daß Variationen
und Modifikationen derselben den Fachleuten deutlich sein werden.
Die vorstehende Offenbarung ist nicht dazu gedacht oder soll nicht
so aufgefaßt
werden, daß sie den
Schutzumfang der Erfindung hierdurch beschränkt.