DE69632866T2

DE69632866T2 - Bleifreies lot

Info

Publication number: DE69632866T2
Application number: DE69632866T
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Murata; Hiroji Noguchi; Sadao Kishida; Toshihiko Taguchi; Shozo Asano; Ryo Oishi; Takashi Hori
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: EP0855242B1; EP0855242A1; US6488888B2; CN1087994C; CN1198117A; US6241942B1; EP0855242A4; DE69632866D1; US20020015660A1; MY114565A; WO1997012719A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Lotlegierungen, die vollständig bleifrei sind und für die Verwendung beim Löten von elektronischen Schaltungen geeignet sind, ohne thermische Schäden zu überzeugen.
Technischer Hintergrund
Sn-Pb-Legierungen sind zum Löten seit dem Altertum verwendet worden, und sie sind immer noch sehr gebräuchlich, um elektronische Schaltungen auf Leiterplatten oder andere Substrate zu löten.
Wenn sie ausrangiert werden sollen, können elektronische Geräte wie beispielsweise Fernseher, Radio, Audio- und Videorecorder, Computer, Kopierer oder Drucker, usw. auf Deponien entsorgt werden, da sie aus vielen Materialien wie beispielsweise synthetischen Harzen, die für Gehäuse und Leiterplatten verwendet werden, Metallen, die für Drähte und andere elektrische Verbindungen verwendet werden, und Rahmen zusammengesetzt sind und nicht für eine Entsorgung durch Verbrennung geeignet sind.
In früheren Jahren wurde das Phänomen des sauren Regens problematisch, da die Sauerkeit des Regens hauptsächlich wegen der Entsorgung von Schwefeloxid in die Atmosphäre durch den ausgiebigen Gebrauch von fossilen Brennstoffen, wie beispielsweise Benzin und Schweröle, angestiegen ist. Saurer Regen lässt die Lote, die in den entsorgten elektronischen Geräten verwendet wurden und auf den Deponien lagern, sich auflösen und den Boden durchdringen. Wenn ein solches kontaminiertes Grundwasser von einer Person über mehrere Jahre eingenommen wird, kann die Ansammlung von Blei in dem Körper der Person zu einer Bleivergiftung führen. Von diesem Standpunkt gibt es einen Bedarf für eine bleifreie Lotlegierung in der Elektronikindustrie.
Herkömmliche bleifreie Lotlegierungen (siehe EP-A-0 612 578 oder GB-A-131299) sind Sn-basierte Legierungen wie beispielsweise An-Ag- und Sn-Sb-Legierungen. In Sn-Ag-Legierungen ist eine Sn-3,5Ag-Legierung die eutektische Verbindung mit einer Schmelztemperatur von 221°C. Sogar wenn diese Verbindung mit der niedrigsten Schmelztemperatur unter den Sn-Ag-Legierungen als Lotlegierung verwendet wird, liegt die Löttemperatur im Bereich 260°C bis 280°C, die thermische Schäden an hitzeempfindlichen elektronischen Bauelementen während dem Löten verursachen kann und dadurch ihre Funktionen verschlechtern oder das Bauelement zerstören. Von Sn-Sb-Legierungen hat eine Sn-5Sb-Legierung die niedrigste Schmelztemperatur, jedoch liegt ihre Schmelztemperatur bei 235°C auf der Soliduslinie und bei 240°C in der Liquiduslinie. Daher liegt die Löttemperatur in dem Bereich von 280°C bis 300°C, die immer noch höher ist als die der Sn-3,5Ag-Legierung und thermische Schäden an hitzempfindlichen elektronischen Bauelementen können nicht vermieden werden.
Im Hinblick auf die relativ hohen Schmelztemperaturen von Sn-Ag- und Sn-Sb-Legierungen als Lotlegierungen sind viele Versuche, ihre Schmelztemperaturen zu verringern, vorgeschlagen worden. Z. B. wird auf die japanische Offenlegungsschriften JP 6-15476 A1 (1994), JP 6-344180 (1994), JP 7-1178 A1 (1995), JP 7-40079 (1995) und JP 7-51883 A1 (1995) verwiesen.
Die Lotlegierungen, die in diesen japanischen Patentanmeldungen offenbart sind, enthalten Bi und/oder In (Indium) zu einem großen Anteil, um die Schmelztemperaturen zu verringern. Obwohl sowohl Bi als In effektiv sind, um die Schmelztemperaturen von Sn-Ag- und Sn-Sb-Lotlegierungen zu verringern, ist der Zusatz von Bi und/oder In in einer großen Menge von den folgenden Problemen begleitet. Der Zusatz von Bi in einem großen Anteil macht die Lotlegierungen sehr hart und brüchig. Als Folge ist es unmöglich oder schwierig, die Lotlegierung einer plastischen Verarbeitung zum Formen eines Drahtes zu unterziehen, oder wenn sie für das Löten von elektronischen Bauelementen verwendet werden, können sich die Lötverbindungen leicht lösen, wenn auf diese ein nur geringer Stoß ausgeübt wird. Der Zusatz von Indium in einem großen Anteil zu Lotlegierungen ist aufgrund seiner sehr hohen Kosten nicht wünschenswert.
Um thermischen Schaden an den elektronischen Bauelementen während des Lötens zu vermeiden, sollte die Löttemperatur 250°C oder niedriger sein, und um das Löten bei einer solchen Temperatur durchzuführen, ist es wünschenswert, dass die Liquidus-Temperatur der Lotlegierung 210°C oder niedriger und vorzugsweise 200°C oder niedriger ist.
Jedoch ist es bei den oben beschriebenen Versuchen die Schmelztemperaturen von Sn-Ag- und Sn-Sb-Lotlegierungen durch den Zusatz von Bi und/oder In zu erniedrigen, schwierig, die Liquidus-Temperatur der Legierungen auf 200°C oder niedriger zu vermindern, wenn Bi und/oder In nicht in einem großen Anteil hinzugefügt werden. Auch wenn es weiterhin möglich ist, eine Lotlegierung durch solche Mittel mit einer Liquidus-Temperatur zur Verfügung zu stellen, die auf 200°C oder niedriger erniedrigt wurde, kann die Solidus-Temperatur, bei der die Verfestigung der Legierung vollständig ist, sogar weiter erniedrigt werden, so dass es eine längere Zeitdauer benötigt, um die Lotlegierung bei Lötverbindungen vollständig zu verfestigen. Als Folge können die Lötverbindungen brechen, wenn sie Vibrationen oder Stößen ausgesetzt sind, bevor sie vollständig verfestigt sind.
Ein weiteres Problem der herkömmlichen bleifreien Lotlegierungen ist es, dass die bleifreien Lotlegierungen mit ausreichend niedrigen Liquidus-Temperaturen, die nahe an ihren Solidus-Temperaturen liegen, keine befriedigenden mechanischen Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise Zugfestigkeit und Dehnung, wodurch Lötverbindungen gebildet werden, die schlechte Verbindungsstärken aufweisen oder die zum Lösen bei einem Stoß führen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bleifreie Lotlegierung zur Verfügung zu stellen, die eine Liquidus-Temperatur von weniger als 210°C und vorzugsweise unter 200°C sowie eine Solidus-Temperatur oder Spitzentemperatur aufweist, bei der die Verfestigung der Legierung vollständig oder im wesentlichen vollständig ist, und die relativ nahe an der Liquidus-Temperatur liegt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bleifreie Lotlegierung zur Verfügung zu stellen, die eine gute Verbindungsstärke aufweist, wenn diese für das Löten verwendet wird.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bleifreie Lotlegierung mit den folgenden Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.

1. Sie kann bei einer Löttemperatur unter 250°C und vorzugsweise bei einer Temperatur von 230°C bis 240°C verwendet werden, um so thermische Schäden an hitzeempfindlichen elektronischen Bauelementen während des Lötens zu verhindern.
2. Sie hat eine ziemlich gute Lötbarkeit.
3. Sie hat einen engen (Verfestigungs-)Temperaturbereich zwischen der Liquidus- und Solidus-Temperatur (oder Spitzentemperatur bei der die Verfestigung im wesentlichen vollständig ist), so dass die Legierung nach dem Löten sich schnell verfestigt, um zu verhindern, dass die resultierenden Lötverbindungen brechen, wenn Vibrationen oder ein Stoß unmittelbar nach dem Löten einwirkt, wobei der Temperaturbereich nahe an der eutektischen Temperatur der Sn-Pb-Legierung liegt.
4. Sie erzeugt Lötverbindungen mit einer Verbindungsstärke, die hoch genug ist, um zu verhindern, dass sich die Verbindungen bei Einwirken eines Stoßes lösen.
5. Sie kann leicht durch plastische Verarbeitung in einen Draht verformt werden, so dass sie zum Löten mit einem Lötkolben verwendet werden kann.

Offenbarung der Erfindung
Eine Sn-basierte Legierung mit einer eutektischen Temperatur nahe der einer Sn-Pb-eutektischen Legierung (183°C) ist eine Sn-9Zn-Legierung (eutektische Temperatur: 199°C). Jedoch ist die mechanische Stärke, insbesondere die Zugfestigkeit der Sn-9Zn-Legierung nicht so hoch, dass sie nicht Lötverbindungen mit einer guten Verbindungsstärke bilden kann. Wir haben herausgefunden, dass der Zusatz von Ni, Ag und/oder Cu ziemlich effektiv ist, um die Zugfestigkeit und damit Verbindungsstärke der Sn-Cn-Legierungen auf ein solches Maß zu verbessern, dass sie in gleicher Weise verwendet werden kann, um elektronische Bauelemente zu löten.
Die Schmelztemperaturen der resultierenden Legierungen mit einer verbesserten Zugfestigkeit können auf ein solches Maß er höht werden, dass elektronische Bauelemente während dem Löten thermisch beschädigt werden können, insbesondere wenn Ag beigemengt ist. In solchen Fällen wird der Zusatz von Bi in einer relativ großen Menge gemeinsam mit Ag zu einer Verbesserung der Zugfestigkeit der Sn-Zn-Legierungen führen, ohne die Schmelztemperaturen erheblich zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine bleifreie Lotlegierung zur Verfügung, die im Wesentlichen besteht aus:

(1) Bleifreie Lotlegierung, die im Wesentlichen besteht aus 7 bis 10 Gewichts-% Zn.
(2) Bleifreie Lotlegierung entsprechend (1), die weiterhin 0,1 bis 3,5 Gewichts-% Ag und/oder 0,1 bis 3 Gewichts-% Cu enthält.
(3) Bleifreie Lotlegierung gemäß (1), die entweder 0,2 bis 6 Gewichts-% Bi oder 0,5 bis 3 Gewichts-% In oder beides enthält.
(4) Bleifreie Lotlegierung von (1), (2) oder (3), die 0,001 bis 1 Gewichts-% von P enthält.
(5) Bleifreie Lotlegierung von (1), (2), (3) oder (4), die eine Zugfestigkeit von mindestens 5 kgf/mm² und zumindest 10% Dehnung aufweist;
(6) Bleifreie Lotlegierung gemäß (1), (2), (3), (4), oder (5), die eine Liquidus-Temperatur von 210°C oder niedriger und eine Solidus-Temperatur von 180°C oder höher aufweist.

Bevorzugteste Ausführungsform zum Ausführen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben. In der folgenden Beschreibung betreffen alle Prozente bei Legierungszusammensetzungen Gewichtsprozente.
Die bleifreien Lotlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind als ein Ersatz für herkömmliche Sn-Pb-Legierungen ge dacht. Daher ist es wünschenswert, dass die Schmelztemperaturen, das sind die Liquidus- und Solidus-Temperaturen dieser Legierungen nahe an der eutektischen Temperatur der Sn-Pb (183°C) liegen. Die Schmelztemperaturen der bleifreien Lotlegierungen liegen vorzugsweise im Bereich von 183°C +/– 30°C. Die Liquidus-Temperaturen liegen vorzugsweise bei 210°C oder niedriger und insbesondere bei 200°C oder niedriger. Solange eine Lotlegierung eine Liquidus-Temperatur unter 210°C aufweist, kann das Löten bei einer Temperatur unter 250°C durchgeführt werden, wodurch ein thermischer Schaden an hitzeempfindlichen elektronischen Bauelementen vermieden oder minimiert wird. Die Solidus-Temperaturen (oder Spitzentemperaturen) der Lotlegierungen liegen vorzugsweise über 150°C, insbesondere über 170°C und besonders bevorzugt über 180°C. Wenn die Solidus-Temperatur auf weniger als 150°C erniedrigt ist, benötigt die Legierung eine längere Zeit, um sich nach dem Löten zu verfestigen, und wenn die Lötverbindungen einer Vibration oder einem Stoß ausgesetzt sind, bevor sie vollständig verfestigt sind, brechen sie.
Die Verbindungsstärke einer Lötverbindung korreliert mit der Zugfestigkeit der verwendeten Lotlegierung und der Grad der Zugfestigkeit, die für Lotlegierungen benötigt wird, variiert abhängig von den Zwecken des Lötens. Die Zugfestigkeit (beim Brechen), die für Lotlegierungen benötigt wird, die zum Löten von elektronischen Bauelementen verwendet werden, beträgt mindestens 5 kgf/mm². Eine Lotlegierung mit einer Zugfestigkeit von weniger als 5 kgf/mm² ist nicht zuverlässig, da die Lötverbindungen, die daraus gebildet werden, sich beim Einwirken eines Stoßes lösen können.
Es ist für Lotlegierungen im Allgemeinen notwendig, eine prozentuale Dehnung zu haben, die hoch genug ist, dass die Legierungen durch eine plastische Verarbeitung in einen Draht umgeformt werden können, so dass die Legierungen in der Form eines Drahtes benutzt werden können, wenn ein Löten mit Hilfe eines Lötkolbens durchgeführt wird. Diesbezüglich ist normalerweise eine mindestens 10%ige Dehnung für die Lotlegierungen notwendig, um eine reibungslose plastische Verarbeitung durchzuführen.
Die Lotlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung genügen diesen Anforderungen für die mechanischen Eigenschaften, d. h., eine Zugfestigkeit beim Brechen von mindestens 5 kgf/mm² und eine Dehnung von mindestens 10%. Vorzugsweise weisen sie eine Zugfestigkeit von mindestens 10 kgf/mm² und/oder eine Dehnung von mindestens 20% auf.
Wenn eine geschmolzene binäre Legierung abgekühlt wird, um diese zu verfestigen, tritt eine erhebliche Wärmeentwicklung um die Liquidus-Temperatur auf, bei der die geschmolzene Legierung beginnt, sich zu verfestigen und um die Solidus-Temperatur, bei der die Verfestigung vollständig ist. Somit werden, wenn der Abkühlprozeß durch eine differentielle thermische Analyse überwacht wird, zwei exothermische Veränderungen um die Liquidus- bzw. Solidus-Temperatur auf dem resultierenden Thermogramm beobachtet.
In einer ternären oder Mehrstofflegierung kann eine zusätzliche exothermische Veränderung bei einer Temperatur zwischen der Liquidus- und Solidus-Temperatur der Legierung beobachtet werden und die Exothermie oder Wärmeabgabe bei diesen Temperaturen ist größer als die bei der Solidus-Temperatur. In einem solchen Fall ist der größte Teil der geschmolzenen Legierung bei der Temperatur verfestigt, bevor die Temperatur auf die Solidus-Temperatur abfällt. Wenn der Abkühlprozeß einer solchen Legierung durch eine differentielle thermische Analyse überwacht wird, weist das resultierende Thermogramm eine dritte exothermische Veränderung zwischen der Liquidus- und der Solidus-Temperatur auf, die zeigt, dass die Wärmeabgabe größer ist als die bei der Solidus-Temperatur. Aus diesem Grund wird die Temperatur, bei der die dritte exothermische Variation auftritt, als Spitzentemperatur bezeichnet. In einer Lotlegierung mit einer solchen Spitzentemperatur zwischen der Liquidus- und der Solidus-Temperatur kann die Spitzentemperatur im Wesentlichen als eine Solidus-Temperatur betrachtet werden, da die Verfestigung der Legierung bei der Spitzentemperatur zum größten Teil vollständig ist, bevor die Temperatur die wirkliche Solidus-Temperatur erreicht. Eine Legierung mit einer Spitzentemperatur über 170°C kann erfolgreich als ein Lot für elektronische Bauelemente verwendet werden, selbst wenn seine wirkliche Solidus-Temperatur weniger als 150°C beträgt.
Diese Umstände treffen teilweise auch für die bleifreie Lotlegierung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu, die einen großen Anteil von Bi enthält. Bei dieser Ausführungsform ist die Liquidus-Temperatur der Legierung erheblich durch die Zugabe eines großen Anteils von Bi zu einer Sn-Zn-Legierung erniedrigt, was auch einen noch größeren Abfall der Solidus-Temperatur in Richtung 150°C nach sich ziehen kann, das ist die Sn-Bi-eutektische Temperatur. Jedoch kann eine solche Sn-Zn-Bi-Lotlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung zufriedenstellend als ein Ersatz für das Sn-Pb-eutektische Lot verwendet werden, in dem die Verbindung so gewählt ist, dass die Spitzentemperatur der Legierung über 170°C liegt, selbst wenn die Solidus-Temperatur der Legierung bei 135°C liegt.
Eine Lotlegierung gemäß der Erfindung besteht im Wesentlichen aus Zn: 7 bis 10%, Ni: 0,01% bis 1%, sowie eines oder mehreren der folgenden Elemente: Ag: 0,1% bis 3,5% und Cu 0,1% bis 3%; und optional mindestens eines der folgenden Elemente Bi: 0,2% bis 6%, In: 0,5% bis 3% und P: 0,001% bis 1% nd der Rest Sn. Die Verbindung der Lotlegierung wurde aus folgenden Gründen festgelegt:
Zn: 7% bis 10%
In einer Sn-Zn-Legierung gemäß der Erfindung, die keine oder einen kleinen Anteil von Bi und/oder Indium (In) enthält, wird die Legierung keine Liquidus-Temperatur im Bereich von 183°C +/– 30°C und vorzugsweise unter 210°C aufweisen, wenn der Zn-Anteil weniger als 7% oder mehr als 10% beträgt. Der Zn-Anteil liegt bei vorzugsweise 8% bis 10% und besonders bevorzugt bei 8,5% bis 9,5%.
Ni: 0,01% bis 1%
Ni ist effektiv, um die mechanischen Eigenschaften einer Sn-Zn-Legierung zu verbessern, indem die Kristallkörner in der Verfestigungsstruktur der Legierung verkleinert werden. Dieser Effekt ist nicht merklich, wenn der Ni-Anteil geringer als 0,01% ist. Der Zusatz von mehr als 1% Ni erhöht die Liquidus-Temperatur der Legierung abrupt, was zu einem Anstieg der Löttemperatur führt, so dass das elektronische Bauelement thermisch geschädigt werden kann. Der Ni-Anteil liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05% bis 0,5%, bevorzugter im Bereich von 0,1% bis 0,3% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1% bis 0,2%.
Ag: 0,1% bis 3,5%, Cu: 0,1% bis 3%
In ähnlicher Weise ist Ag effektiv, um die mechanische Stärke einer Sn-Zn-Legierung zu verbessern und auch, um die Korrosionsbeständigkeit der Legierung zu verbessern. Diese Effekte sind nicht merklich, wenn Ag in einem Anteil von weniger als 0,1% hinzugefügt wird. Der Zusatz von mehr als 3,5% Ag erhöht die Liquidus-Temperatur der Legierung abrupt, was zu einem Anstieg der Löttemperatur führt, so dass elektronische Bauelemente thermisch geschädigt werden können. Der Ag-Anteil liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1% bis 2%, bevorzugter im Bereich von 0,1% bis 1% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1% bis 0,5%.
In vergleichbarer Weise hat Kupfer einen erheblichen Effekt bei der Verbesserung der mechanischen Stärke einer Sn-Zn-Legierung. In den Fällen, bei denen elektronische Bauelemente auf eine Leiterplatte mit Hilfe von Tauchlöten durch Eintauchen in ein Bad aus geschmolzenem Lot auf eine Leiterplatte gelötet werden, die einen darauf aufgebrachten Kupferfolienleiter aufweist, hat die Anwesenheit von Kupfer in dem Bad der geschmolzenen Lotlegierung den zusätzlichen Effekt, die Diffusion von Kupfer aus dem Kupferfolienleiter in das Bad aus geschmolzenem Lot zu verhindern. Diese Effekte sind nicht merklich, wenn das Cu in einer Menge von weniger als 0,1% hinzugefügt ist. Der Zusatz von mehr als 3% Cu führt zu einem Ausfällen einer intermetallischen Sn-Cu-Verbindung, wodurch die Liquidus-Temperatur der Legierung abrupt erhöht wird und ihre Lötbarkeit zerstört wird. Der Cu-Anteil liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1% bis 2%, bevorzugter im Bereich von 0,1% bis 1% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1% bis 0,5%.
Bi: 0,2% bis 6%, In: 0,5% bis 3%
Der Zusatz von Bi oder In zu einer Sn-Zn-Legierung, die Ni und eines oder mehrere der Elemente Ag und Cu enthält, ist wirksam, um die Schmelztemperatur der Legierung zu erniedrigen. Daher können eines der Elemente Bi und In oder beide optional in relativ kleinen Anteilen hinzugefügt werden, zusätzlich zu Ni und eines oder mehrere der Elemente Ag und Cu. Jedoch wird der Schmelzpunkt der Legierung nicht merklich erniedrigt, wenn Bi in einer Größe von weniger als 0,2% oder In in einer Höhe von weniger als 0,5% hinzugefügt werden.
Der Zusatz von mehr als 6% Bi zu einer Sn-Zn-Legierung, die Ni und eines oder mehrere der Elemente Ag und Cu enthält, macht die Legierung so hart und brüchig, dass es schwierig ist, diese in einer plastischen Verarbeitung so zu verarbeiten, um die Lotlegierung in einen Draht umzuformen.
Weiterhin können, nachdem das Löten beendet ist, die resultierenden Lötverbindungen leicht gelöst werden, wenn diese einem Stoß ausgesetzt sind. Beim Hinzufügen liegt Bi vorzugsweise in einer Höhe von 1% bis 6% vor, und bevorzugter im Bereich von 2% bis 5% in der Legierung vor.
Indium (In) ist ein sehr teueres Metall, und der Zusatz einer großen Menge von Indium erniedrigt die Schmelztemperatur der Legierung erheblich auf ein solches Maß, dass die Schmelztemperatur unterhalb des gewünschten Bereichs von 138°C +/– 30°C liegt. Aus diesen Gründen ist der Anteil von In auf bis zu 3 begrenzt. Beim Hinzufügen liegt Indium vorzugsweise in einer Höhe von 1% bis 3% und mehr bevorzugt im Bereich von 2% bis 3% in der Legierung vor.
P: 0,001% bis 1%
Zn ist ein stark oxidierbares Metall. Während eine Zn-enthaltende Lotlegierung in einem geschmolzenen Zustand bei Tauchlöten gehalten wird, wird Zn vorzugsweise zu Zinkoxid oxidiert, das das Löten beeinträchtigen kann, was zur Bildung von defekten Lötverbindungen führt. Der Zusatz von P zu einer Zn-enthaltenden Lotlegierung dient dazu, effektiv die Oxidation der Lotlegierung zu verhindern, da P einen dünnen Film auf der Oberfläche der geschmolzenen Lotlegierung bildet und dadurch verhindert, dass die Lotlegierung direkt mit der umgebenden Luft in Kontakt kommt. Ein solcher oxidationsverhindernder Effekt ist nicht merklich, wenn der Anteil an P geringer als 0,01% ist. Der Zusatz von mehr als 1% P verschlechtert die Lötbarkeit der Lotlegierung. Beim Hinzufügen liegt P vorzugsweise in einer Höhe von 0,05% bis 0,5% vor, bevorzugter im Bereich von 0,05% bis 0,1% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,005% bis 0,5%.
In dem nachfolgenden Beispiel wird die vorliegende Erfindung weiter dargestellt. Dieses Beispiel soll in jeder Hinsicht als darstellend und nicht als einschränkend angesehen werden.
Beispiel
Dieses Beispiel zeigt eine Sn-Zn-Lotlegierung, die zusätzlich Ni mit oder ohne Ag, Cu, Bi, In und/oder P gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält.
Die Legierungsverbindungen der Lotlegierungen, die versuchsweise hergestellt worden sind, sind in Tabelle 1 zusammen mit den Werten für die Zugfestigkeit, die Dehnung und die Schmelztemperaturen (Solidus- und Liquidus-Temperatur) gezeigt.
Die geschmolzene Legierung Nr. 1, die in Tabelle 1 gezeigt ist, ist in ein Lotbad einer automatischen Tauchlötvorrichtung eingefüllt worden und wurde verwendet, um elektronische Bauelemente auf Leiterplatten zu löten, während die Temperatur der Lotlegierung bei 240°C gehalten wurde. Die Sichtbarkeitsprüfung der gelöteten elektronischen Bauelemente auf den Leiterplatten zeigten keine Zeichen von thermischen Schäden oder Verschlechterung.
Wie aus Tabelle 1 entnommen werden kann, kann, da alle Lotlegierungen, die in dieser Tabelle mit Liquidus-Temperaturen bei 210°C oder niedriger gezeigt sind, ein Tauchlöten bei einer Temperatur der geschmolzenen Lotlegierung (Löttemperatur) von 250°C oder niedriger durchgeführt werden. Daher können thermische Schäden an den elektronischen Bauelementen verhindert oder minimiert werden. Es wird auch angemerkt, dass die Solidus-Temperaturen dieser Legierungen bei mindestens 180°C liegen, wodurch ein enger Temperaturbereich zur Verfestigung gegeben ist, wodurch sichergestellt wird, dass die geschmolzene Lotlegierung in Lötverbindungen sich schnell in einer kurzen Zeitdauer nach dem Löten verfestigt und ein Brechen minimiert wird. Tabelle 1

M. T.: Schmelztemperatur;
ST.: Solidus-Temperatur;
LT.: Liquidus-Temperatur.

Die Legierungen Nr. 3, 11 und 13 enthalten zusätzlich P, und wenn diese Legierungen in einem geschmolzenen Zustand für das Tauchlöten verwendet werden, kann die Oxidation von Zink in dem Lotbad verhindert werden, wodurch die Anzahl von Malen, die Oxidationsprodukten aus dem Bad entfernt werden müssen, minimiert wird.
Alle Lotlegierungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, haben eine Zugfestigkeit von mindestens 5 kgf/mm² und mindestens 20% Dehnung. Somit können diese Lotlegierungen Lötverbindungen mit einer ausreichenden Verbindungsstärke bilden und können in befriedigendem Maße in einer plastischen Verarbeitung in einen Draht umgeformt werden, und die Lötverbindungen lösen sich nicht, wenn sie einem Stoß ausgesetzt sind.
Industrielle Anwendbarkeit
Obwohl die Lotlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung bleifreie Sn-basierte Legierungen sind, haben sie entweder eine Liquidus-Temperatur unter 210°C und eine Solidus-Temperatur über 180°C wie in den Beispielen dargestellt ist, oder eine Liquidus-Temperatur unter 200°C und eine Spitzentemperatur über 170°C wie in dem Beispiel 3 dargestellt ist, wodurch ein relativ enger Verfestigungstemperaturbereich zwischen der Liquidus-Temperatur und entweder der Solidus- oder Spitzentemperatur gegeben ist. Daher kann ein thermischer Schaden an elektronischen Bauelementen verhindert oder minimiert werden und das Brechen von Lötverbindungen, die durch diese Lotlegierungen gebildet sind, kann auch minimiert werden.
Weiterhin haben diese Lotlegierungen eine Zugfestigkeit von mindestens 5 kgf/mm² und mindestens eine Dehnung von 10%, die ausreichend ist, um eine gute Verbindungsstärke zur Verfügung zu stellen, um das Lösen der Lötverbindungen beim Einwirken eines Stoßes zu verhindern und zu ermöglichen, dass die Legierungen in einer plastischen Verarbeitung in einen Draht geformt werden.
Somit können die bleifreien Lotlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung in befriedigendem Maße anstelle der Sn-Pb-Legierungen verwendet werden, die herkömmliche Lotlegierungen sind, die aktuell verwendet werden, um elektronische Bauelemente zu löten, wodurch die Kontamination von Grundwasser verhindert wird.

Claims

Bleifreie Lotlegierung, die Zn enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Wesentlichen aus folgenden Elementen besteht: 7 bis 10 Gewichts-% Zn 0,01 bis 1 Gewichts-% Ni 0 bis 3 Gewichts-% In 0 bis 6 Gewichts-% Bi 0 bis 1 Gewichts-% P und der Rest Sn
Bleifreie Lotlegierung nach Anspruch 1, die weiterhin 0,1 bis 3,5 Gewichts-% Ag und/oder 0,1 bis 3 Gewichts-% Cu enthält.
Bleifreie Lotlegierung nach Anspruch 1, die mindestens eines der Anteile 0,2 bis 6 Gewichts-% Bi und/oder 0,5 bis 3 Gewichts-% In enthält.
Bleifreie Lotlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die 0,001 bis 1 Gewichts-% P enthält.
Bleifreie Lotlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine Zugfestigkeit von mindestens 5 kgf/mm² und eine Dehnung von mindestens 10% aufweist.
Bleifreie Lotlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Liquidus-Temperatur von 210°C oder niedriger und eine Solidus-Temperatur von 180°C oder höher aufweist.
Verwendung eines bleifreien Lots nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Löten von elektronischen Bauelementen.