DE69512898T2

DE69512898T2 - Hochfeste lötlegierung

Info

Publication number: DE69512898T2
Application number: DE69512898T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Nihon Almit Co. Hayashi; Toranosuke Nihon Almit Co. Kawaguchi
Original assignee: Nihon Almit Co Ltd
Current assignee: Nihon Almit Co Ltd
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2015-03-24
Also published as: TW315339B; EP0748666A4; EP0748666A1; JPH10235491A; WO1995034401A1; CN1124471A; DE69512898D1; JP3045453B2; KR0175079B1; KR960702784A; EP0748666B1; AU679631B2; AU2082595A; FI960630A; CA2162263A1; RU2132265C1; FI960630A0

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochfeste Lötlegierung, deren mechanische Festigkeit hoch ist.

Allgemeiner Stand der Technik

Wir, die Anmelder, haben vor kurzem in unserer Japanischen Patentanmeldung, Nr. 67552/1993 eine hochfeste Lötlegierung vorgeschlagen, die eine hohe mechanische Festigkeit aufgewiesen hat.
Was die Bestandteile der in der oben genannten Japanischen Patentanmeldung, Nr. 67552/1993 vorgeschlagenen hochfesten Lötlegierung anbelangt, beträgt der prozentuale Anteil des Gesamtgewichtes von Ag und Ge 0,8 bis 7,0 Gew.-% (jedes von Ag und Ge ist größer als 0 Gew.-%), was eine bedeutende Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Lötlegierung zur Folge hat.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist also, eine hochfeste Lötlegierung vorzuschlagen, deren mechanische Festigkeit höher und deren Benetzungseigenschaft hervorragender ist.

Offenbarung der Erfindung

Die hochfeste Lötlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus
0,0005 bis 0,35 Gew.-% Si,
0 bis 5,0 Gew.-% Ag,
0 bis 10,0 Gew.-% Sb,
0 bis 10,0 Gew.-% Bi,
0 bis 70 Gew.-% Pb,
0 bis 0,5 Gew.-% Ca,
Rest von 20 bis 95 Gew.-% Sn.
Uns, den Erfindern, ist es gelungen, die Festigkeitseigenschaft der Lötlegierung durch Hinzugeben von Ge zu verbessern wie es in der obengenannten Japanischen Patentanmeldung Nr. 67552/1993, "Hochfeste Lötlegierung" betreffend, offenbart wurde. Es wurde jedoch klargestellt, daß, wenn das Lötwerkzeug, dessen aus Cu hergestellter Stab mit Fe plattiert ist, während des Lötens durch Nutzung dieses gegenwärtigen Lötwerkzeuges verwendet wird, das der Lötlegierung hinzugegebene Ge und das Fe, mit dem die Oberfläche · des Lötwerkzeuges plattiert ist, zur Reaktion kommen, was zur leichten Bildung einer nicht entfernbaren Schicht der Verbindung auf der Oberfläche des Lötwerkzeuges führt. Deshalb haben wir, um das Problem zu lösen, nach dem Zusatzwerkstoff gesucht, der notwendig ist, um die mechanische Festigkeit der Lötlegierung zu erhöhen, und fanden infolgedessen heraus, daß die Zugabe von Si effektiv ist.
Neuartig dürfte es sein, einer Lötlegierung aus Pb-Sn (eutektischer Schmelzpunkt: 183ºC) ein Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Si (1414ºC) hinzuzugeben. Durch viele Untersuchungen ist jedoch klargeworden, daß die Zugabe einer sehr kleinen Menge von Si zu der Lötlegierung zu einem großen Einfluß auf ihre Eigenschaften führt.
Die Zugabe von Si mit 0,0005 bis 0,35 Gew.-% bringt die folgenden Wirkungen mit sich.
(1) Die Festigkeit der Lötverbindung, die aus einer Si enthaltenden Lötlegierung besteht, ist mindestens zweimal höher als die der herkömmlichen.
(2) Si bewirkt insbesondere die Steigerung der Benetzungseigenschaft der Lötlegierung, was für das Löten sehr wichtig ist. In dem Fall, wenn die Lötlegierung weiter eine sehr kleine Menge von Pb enthält, wird die bewirkte Steigerung der Benetzungseigenschaft bemerkenswerter.
(3) Wenn eine Lötung unter Verwendung eines herkömmlichen Lötwerkzeuges mit einem aus Kupfer hergestellten und mit Fe metallisierten Stab und einer Si enthaltenden Lötlegierung nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, bildet sich auf der Oberfläche des Lötstabes keine Schicht aus einer chemischen Verbindung, obwohl die Lötarbeit eine lange Zeit fortgesetzt wurde.
(4) Wegen der Wirkung der starken Reduzierbarkeit von Si, das die Lötlegierung enthält, befindet sich in der Lötverbindung keine Gasblase, was eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Lötverbindung zur Folge hat.
So führt die Zugabe von Si zu einem Aufsehen erregenden Effekt hinsichtlich der Lötlegierung, der sich aus der Reduzierbarkeit vosn Si ergibt. Es ist bekannt, daß als reduzierbare Elemente, die auf die Lötlegierung einen Reduktionseffekt bewirken können, normalerweise Al, Mn, Si, P usw. verwendet werden, wobei aber klargeworden ist, daß Al und Mn diesen Effekt auf sie nicht bewirken und die Bildung einer nicht entfernbaren Oxidschicht auf der Oberfläche des gelöteten Teils verursachen, und daß sie praktisch nicht als reduzierbares Element verwendet werden können.
Als Zusatzelement für eine Lötlegierung wird P bereits praktisch verwendet, wobei dessen reduzierbare Wirkung aber geringer ist als die von Si.
Während der Schmelzpunkt einer Lötlegierung bei 183ºC liegt, beträgt der von Si 1414ºC. Folglich wird zur Zugabe von Si zu einer Lötlegierung aus Sn-Pb vorzugsweise eine Ca-Si-Legierung wie eine Verbindung von CaSi&sub2; verwendet, deren Schmelzpunkt mit 1012ºC niedriger als der von Si ist. In diesem Verfahren bleibt Ca zusammen mit Si in der Lötlegierung und wirkt zusammen, um die Festigkeit der Lötlegierung zu erhöhen, was im Fall der Pb enthaltenden Lötlegierung bemerkenswert ist.
Es ist bekannt, daß zu der Pb-Ausgangslegierung (Bahn-Metall), die als ebene Lagerlegierung bekannt ist, zum Zweck der Erhöhung ihrer Festigkeit Ca hinzugegeben wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann zum Zweck der Zugabe von Si zu der Lötlegierung auch eine eutektische Legierung aus Ag-Si (Si 4,5 Gew.-%, Ag 95,5 Gew.-%; eutektische Temperatur 830ºC) als Ausgangslegierung verwendet werden. In diesem Verfahren, bei dem das Zugabeverhältnis von Si 0,001% beträgt, ist Ag mit 0,21% durch die Lötlegierung einbezogen und trägt zu deren feiner Kristallisierung bei.
In dem oben beschriebenen Verfahren für die Zugabe von Si ist es notwendig, den Schmelzpunkt in großem Maße zu erhöhen, um die Legierung herzustellen. Deshalb ist ihre zusätzliche Wirkung in dem Fall größer, wo die Lötlegierung eine größere Menge von Sn enthält, dessen Siedepunkt verhältnismäßig hoch ist. Die hochfeste Lötlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung, die dieser Untersuchung zugrundeliegt, ist vor allem dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,0005 bis 0,35 Gew.-% Si enthält und als nächstes dadurch gekennzeichnet, daß sie andere Elemente wie 0 bis 5,0 Gew.-% Ag, 0 bis 10,0 Gew.-% Sb, 0 bis 10,0 Gew.-% Bi, 20 bis 95 Gew.-% Sn, 0 bis 70 Gew.-% Pb und 0 bis 0,5 Gew.-% Ca aufweist.
Die aus der obigen Beschreibung als Auszug gemachten Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
(1) Die Festigkeit der die Lötlegierung mit Si enthaltenden Lötverbindung ist mindestens etwa zweimal höher als die, welche die herkömmliche Lötlegierung enthält.
(2) Si verbessert die Benetzungseigenschaft der Lötlegierung, was für das Löten sehr wichtig ist. Das Vorhandensein einer sehr kleinen Menge von Pb macht diesen Effekt bemerkenswert.
(3) Wenn eine Lötung durch Verwendung eines herkömmlichen Lötwerkzeuges durchgeführt wird, das einen mit Fe plattierten Cu-Lötstab enthält, wird auf der Oberfläche des Lötstabes keine Verbindungsschicht erzeugt, was es möglich macht, ihn lange Zeit in einem sauberen Zustand zu verwenden.
(4) Da das hinzuzugebende Si von sich aus die Eigenschaft einer starken Reduzierbarkeit aufweist, kann bei Durchführung der Lötung unter Verwendung der Si enthaltenden Lötlegierung die Erzeugung der Gasblase, die sich ansonsten an der Lötverbindung zu bilden neigt, vollständig vermieden werden. Selbst wenn der Si-Gehalt einen sehr kleinen betrag beispielsweise 0,0005 Gew.-% beträgt, kann dessen zusätzliche Wirkung eindeutig erkannt werden.
(5) Was den Umweltstandpunkt anbelangt, wird zur Zeit eine von Pb freie Lötlegierung benötigt, wobei die neue, Si enthaltende Lötlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Entwicklung einer an Sn armen Pb-Lötlegierung beiträgt.
Die beste Bedingung zur Ausführung der Erfindung Nachstehend erläutern wir die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einige Ausführungsbeispiele davon.
In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Si enthaltende CaSi&sub2;-Legierung der Lötlegierung hinzugegeben, die 10 Gew.-% Pb und 90 Gew.-% Sn aufweist, so daß der Gehalt an Si 0,003 Gew.-% betragen könnte.
Wir führten eine Fett enthaltende Lötnaht aus, indem eine Si enthaltende Lötlegierung verwendet wurde und führten daran einen Spannungsversuch (JIS Z-3197-1986) durch. Wir legten das Teststück auf eine Versuchsplatte, erwärmten es bei einer Temperatur, die 40 bis 50ºC höher ist als dessen Temperatur an der Flüssigphasenlinie, versetzten es etwa 30 Sekunden lang in den Schmelzzustand und breiteten es anschließend auf der Versuchsplatte aus. Nach dem Versuch haben wir die Fläche der ausgebreiteten Lötlegierung mit einem Planimeter gemessen.
Entsprechend diesem Versuchsergebnis liegt die Ausbreitungsfläche, während sie für die Sn-Pb-Legierung ohne irgendwelche andere Elemente (90 Gew.-% Sn, 10 Gew.-% Pb) 1,8 cm² beträgt, für die Lötlegierung nach diesem Ausführungsbeispiel bei 2,2 cm² was etwa 20% höher ist als das frühere Ergebnis bei der Steigerung der Ausbreitungseigenschaft.
Als nächstes haben wir unter Verwendung der beiden obengenannten Legierungsarten versuchsweise zwei Legierungsnähte von 1 mm Durchmesser hergestellt und führten Spannungsversuche damit durch. Entsprechend dem Versuchsergebnis betrug die Zugfestigkeit der Lötlegierung gegenüber der der Sn-Pb-Legierung (90 Gew.-% Sn, 10 Gew.-% Pb) von 52 N/mm² gemäß der vorliegenden Erfindung 76,5 N/mm², die etwa 43% höher als die frühere ist.
Als nächstes haben wir ein weiteres Ausführungsbeispiel geprüft, das auf die Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Si enthaltenden Lötverbindung bezogen ist. Zu der 63 Gew.-% Sn und 37 Gew.-% Pb enthaltenden Lötlegierung haben wir Si und Ag hinzugegeben, so daß Si und Ag zu 0,008 Gew.-% bzw. 1,68 Gew.-% Anteil werden. Das ist der Fall, wenn zur Lötlegierung bei vorhandener eutektischer Ag-Si-Legierung (Schmelzpunkt: 830ºC) Si hinzugegeben wird. Wir haben auch ein Teststück einer herkömmlichen Sn-Pb- Lötlegierung (60 Gew.-% Sn, 40 Gew.-% Pb) unter vergleichsweise gleicher Bedingung hergestellt. Für jede Legierung haben wir eine Legierungsnaht von 1 mm Durchmesser hergestellt.
Nach dem Ergebnis des Spannungsversuches für diese Legierungen betrug die Zugfestigkeit der Si enthaltenden Lötlegierung gegenüber der der herkömmlichen Lötlegierung ohne Si von 41,2 N/mm² gemäß der vorliegenden Erfindung 66,7 N/mm², die etwa 62% höher als die frühere ist.

Claims

1. Hochfeste Lötlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus:

0,0005 bis 0,35 Gew.-% Si,

0 bis 5,0 Gew.-% Ag,

0 bis 10,0 Gew.-% Sb,

0 bis 10,0 Gew.-% Bi,

0 bis 70 Gew.-% Pb,

0 bis 0,5 Gew.-% Ca,

20 bis 95 Gew.-% Restzinn

besteht.