JP3533017B2 - 半田付け接合用の鉛なし合金 - Google Patents
半田付け接合用の鉛なし合金Info
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- C22C—ALLOYS
- C22C13/00—Alloys based on tin
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
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Description
む物品に関し、より詳しくは、銀の添加物を含む錫−亜
鉛システムにおける鉛なし合金に関するものである。
プロセスにおいて重要な工程である。光学およびマイク
ロエレクトロニクス装置技術においては、製造歩留まり
およびサービス寿命はしばしば小さな半田付け接続の完
全性に依存している。現在の半田の組成は典型的には、
鉛を含んでおり、最も一般的なものは共晶の63重量%
錫−37重量%鉛合金をベースとした組成物である。し
かしながら、鉛の毒性により鉛をベースとした半田が健
康および環境の点から好ましくないものとなっている。
半田接合の機械的な特性が考慮されている。強度が高い
ことが好ましいが、強度が弱いことに起因する破壊は半
田接合を不成功にするだけではない。延性に乏しい合金
をベースとした半田組成物は、破砕し易く、また疲労特
性に乏しい傾向にある。
金に焦点を当てた研究がなされている。例えば、それら
の開示内容が本明細書中に参考として組み入れられる、
1993年7月発行のJournal of Meta
lsのVol.45、並びに1994年8月発行のJ.
Elect.MaterのVol.23,No.8にお
ける一連の記事を参照。他の鉛なし半田合金は、それら
の開示内容が本明細書中に参考として組み入れられる、
米国特許出願第08/201,603、08/255,
687、08/284,028および08/ (代
理人認証番号Jin85−19)などに記載されてい
る。共晶の91.2重量%錫−8.8重量%亜鉛合金
は、共晶の錫−鉛合金の183℃の溶融温度を比較し
て、溶融温度が1995.5℃である、公知の鉛なし半
田である。しかしながら、共晶の錫−亜鉛合金は多くの
半田用途に必要とされる延性が不足している。よって、
共晶の錫−亜鉛合金の所望の溶融特性を保持しつつ、改
良された延性を有する、錫−亜鉛をベースとした合金に
対する要求が当業技術分野にある。
組成物を含む少なくとも1つの領域を有する製品が提供
される。鉛なし組成は、少なくとも50重量%の錫と7
−30重量%の亜鉛の合金から構成される。有効な量の
銀が、得られた合金の延性を2元共晶の錫−亜鉛合金の
延性の少なくとも25%を越えて増大するために加えら
れる。
し組成からなる物品に有用である合金を提供する。この
合金は少なくとも50重量%の錫と(8+y)重量%の
亜鉛を含んでいる。銀が0.25yから0.5y重量%
の量が加えられ、yは0.2から22である。
量%の錫、2−11重量%の銀および16−30重量%
の亜鉛からなる鉛なし合金が提供される。
な有用性を有した錫−亜鉛システムにおける改良された
鉛なし合金を提供するものである。驚くべきことに、錫
−亜鉛合金に特定量の銀を添加することで、共晶の錫−
亜鉛合金の望ましい溶融特性を維持しつつ、機械的特
性、特に延性が著しく改良されることが見出だされた。
の亜鉛の2元(binary)合金は199.5℃にお
いて溶融する。さらに、221℃で溶融する、96.5
重量%の錫−3.5重量%の銀の組成を有する共晶の錫
−銀の2元合金がある。錫内に銀の固体溶解度が殆ど無
いことが知られていることから、銀を錫−亜鉛の2元共
晶に加えることはAg3 Sn析出物が生成し、Sn−A
g共晶組成の測定可能な小容量が生成する結果となる。
このような状態は合金の溶融特性を変えるため合金容量
のいくらかの部分がSn−Ag共晶の221℃の溶融点
ないしその近傍で望ましくなく溶融する。予期しないこ
とには、正しい割合で加えることで、錫に代えて、亜鉛
リッチの、亜鉛−銀析出物を形成するために、銀が選択
的に亜鉛と結合することが見出だされた。これらの析出
物は亜鉛−銀合金システムのε相(epsilon p
hase)であると考えられ、相は約55−80重量%
の亜鉛の広い組成を有している。
鉛を涸渇させることから、加えられる銀の量は、共晶の
錫−亜鉛組成の溶融特性を保持するために、合金内の亜
鉛の量に依存する。約9重量%よりも少ない亜鉛を有す
る錫−亜鉛組成に対しては、約0.1−1.0重量%の
銀が加えられる。9重量%より少ない亜鉛を有する合金
への約1−1.5より多い銀の添加は、好ましくない錫
−銀共晶組成の測定可能な小容量とAg3 Snの析出物
を生じ、このために上記したように共晶の錫−亜鉛相に
比べて溶融温度が上昇してしまう。
合金組成に対しては、銀は亜鉛−銀析出物の形成により
過剰の亜鉛を涸渇させるのに十分な量が加えられる。9
重量%より多くの亜鉛の錫−亜鉛組成に最適な量の銀を
添加することで銀が過剰の亜鉛と結合し、これにより2
元錫−亜鉛の共晶組成におけるように、液相温度が19
9.5℃の固相の温度の付近になる。亜鉛の含有量が9
重量%を越えて増大した場合には、粒子−精製された亜
鉛−銀析出物を形成し、またより共晶状の溶融特性を生
じるべく液相温度を低減するために、すべての余剰の亜
鉛と結合するためにより多くの量の銀が必要になる。不
十分ないし過剰の銀が加えられた場合には、溶融温度
(つまり、液相温度)が共晶の錫−亜鉛の温度よりも高
くなり、好ましくない。さらに、非常に細かくまた均一
な共晶のミクロ構造中における非共晶の、大きな粒子の
初期相(錫リッチまたは亜鉛リッチ)の過剰な存在によ
り、機械的な特性に不利益となる。
を決定するため、亜鉛の過剰の重量%が、亜鉛−銀析出
物における亜鉛に対する銀の重量%比と乗算される。亜
鉛−銀析出物組成が公称70重量%の亜鉛−30重量%
の銀である、10重量%の亜鉛合金に対しては、過剰の
亜鉛は10%−8%=2%(近共晶3元の錫−亜鉛−銀
組成に対する略開始点)である。析出物における亜鉛に
対する銀の比、30%/70%、つまり3/7に2%を
乗算することで、2%の過剰の亜鉛に結合するために必
要とされる0.86重量%の銀が算出される。しかしな
がら、この計算は概算であり、共晶3元合金に対する亜
鉛組成および亜鉛−銀析出物組成の各評価をベースとし
ているので、算出された銀の含有量には約±0.5重量
%の銀の誤差がある。より一般的には、本発明の合金は
次の範囲の組成を有している。 亜鉛:(8.0+y)重量% 銀:0.25yから0.5y重量% 但し、yは0.2から22 錫:残余 典型的な実施の形態では、yは0.2から5の範囲であ
る。他の典型的な実施の形態においては、yは8−22
の範囲である。別の典型的な実施の形態では、銀は0.
35yから0.45yの範囲であり、yは0.2から5
の範囲である。yの値は、有益な、つまりより共晶状
の、液相温度を作るために、銀が好ましく亜鉛と結合す
る相を表した組成から派生するものである。この相は
約、銀:20−45%で亜鉛:55−80%である。
量%の亜鉛、少なくとも85重量%の錫、並びに得られ
た合金の延性を2元共晶の錫−亜鉛合金の延性を少なく
とも25%越えて増大させるために有効な量の銀を含ん
でいる。別の典型的な合金は、yの8から22の範囲に
したがって、59−82重量%の錫、16−30重量%
の亜鉛、並びに2−11重量%の銀である。
ることは得られた合金の延性を劇的に増大させる。全体
の不良部分(failure)までの延長による測定に
よれば、本発明の合金の延性は、2元の錫−亜鉛合金の
ものの少なくとも25%から約100%までを越えて増
大する。特定の理論ないし機構により境界付けされたも
のではないが、このような非常に大きな予期しない延性
の増大は、亜鉛−銀析出物により結合された合金の小さ
な有効粒子サイズによるものと考えられる。典型的に
は、粒子サイズは、2元の錫−亜鉛合金のものの20−
50%である。この小さな有効粒子サイズが合金の与え
られた少量における初期の容易な変形の進行を許容す
る。有害な効果なしに、少量の銅、金、あるいはパラジ
ウムを銀とともに、添加することができる。
た合金を強くするのではなくて、その代わりに最大引張
り強さ(ultimate tensile stre
ngth;UTS)を近共晶組成に低下させる。このよ
うな合金の軟化効果は金属合金においてはまれにしか見
られない。強度低下は半田接合のストレス軽減に好まし
く、また半田/金属化インターフェースのクラック発生
を最小限とすることができる。本発明によれば、最大引
張り強さは2元共晶の錫−亜鉛合金の少なくとも25%
低下する。
表現は、199.5℃の2元共晶の錫−亜鉛の液相温度
の、10℃、好ましくは5℃以内の液相温度を有する合
金に対して参照した。特定の機構により境界付けられる
ものではないが、強度の低下は、本発明の錫−亜鉛−銀
合金の固化の際の有効粒子サイズの減少によるものと考
えられる。このようなミクロ構造が高いホモローグ温
度、T/Tm(例えば、25℃、これらの低溶融点合金
に対する比較的高いホモローグ温度における比較的低い
温度の結果:T/Tmは298K/472.5K=0.
63)においてより容易に変形が進行することができ
る。このような高いホモローグ温度においては、粒子境
界すべりや回転、マトリックスや粒子境界拡散クリープ
および回復、並びにより容易なディスロケーションすべ
りや昇りのようなクリープに関連した機構によって、よ
り小さな粒子サイズでより大きな延性が生じるようにな
る。
分を有効に混合するいずれかの技術により準備すること
ができる。このような技術は、制限されることなく、好
ましくは不活性雰囲気において、元素ないし部分的に合
金化された元素の混合物を溶融することを含んでいる。
合金はまた電気メッキ、非電気メッキ、電気泳動、化学
的気相堆積、蒸着、並びにスパッタリングによる薄いな
いし厚いフィルムの堆積の間に準備することもできる。
これらの技術は,種々の基体上に形成された合金のフィ
ルムを堆積するためにも使用される。
成するために使用される。このような半田組成物は半田
フラックスのような添加物とともに合金を使用し得る。
半田組成物は、適当な技術により、ワイヤ、リボン、予
備成形物、ペーストあるいはクリームとして成形され
る。半田は典型的には種々の物品に使用され、特に印刷
された配線板に半田接続される電子部品、モジュール、
並びにパッケージのような電気物品に使用される。半田
が接触する物品の表面は最適には、本明細書に参考とし
て組み入れられる米国特許出願第08/299,471
号に記載されているように、接合を高めるために亜鉛含
有面となっている。半田パターンは物品上の所望のパタ
ーン内に半田付け処理の前または半田付けプロセスの間
において印刷される。いずれかの半田付け技術を、本発
明の合金を含む半田組成物とともに採用することができ
る。このような半田付け技術は、限定されることなし
に、ウェーブ半田付け、デイップ半田付け、レーザ半田
付け、並びにリフロー半田付けなどの技術を含むもので
ある。
合金の形成および機械的な特性が説明されている。
純粋な元素(99.99%純度)から準備された。成分
元素は、14mmの内径を有する水晶チューブ内でアル
ゴン雰囲気下で溶融された。溶融された合金は800℃
で8時間で均質化され、時間毎に撹拌を繰り返され、次
いで空冷された。得られたインゴットは、3.7mmの
ロッドを形成するために型鉄で曲げられた。10−20
mgのサンプル断片がロッドの中央部からカットされ
た。合金の溶融特性を決定するために、差動走査熱量測
定(DSC)が、窒素雰囲気下において試料について行
われた。加熱および冷却速度は、それぞれ10℃/分お
よび5℃/分であった。液相温度と固相温度、±1℃、
が表1にリストされたように決定された(%および重量
%)。
を維持するために必要な銀の量(約0.5重量%以内の
銀)は次のように与えられる。 0.25yから0.5y重量% 但し、yは0.2から22 8%、8.5%、9%、10%、11%並びに12%の
亜鉛に対する計算された近共晶の組成はそれぞれ0.5
%、0.21%、0.43%、0.86%、1.29%
並びに1.71%の銀(±0.5%)それぞれ必要であ
った。
る銀の量を例示したものである。実線の曲線は30重量
%の銀、つまり銀含有量が0.43yの銀−亜鉛析出物
組成とみなされる。実線の曲線から逸脱は、仮定された
亜鉛−銀析出物の70重量%の亜鉛−30重量%の銀の
組成からの予期された軽い逸脱によるものと考えられ
る。
同様に決定された。型鉄で曲げられた炉っどは4インチ
の部分に切断され、また4mm直径の水晶チューブ内で
再溶融され強制空冷された。得られた試料は、0.5イ
ンチのゲージ長さと0.120インチのゲージ直径の張
力試料に機械加工された。1.0×10-3秒-1のひずみ
速度で室温での張力試験がなされた。
が、0%、0.25%、0.5%、並びに1.0%の銀
を添加した錫8重量%−亜鉛合金に対して行われた。強
度と延性の結果は図2の組成プロットにおいて示した。
合金の強度は、0.5重量%の銀において10.5ks
iから7ksiに、33%の減少で次第に減少してい
る。延性は対応して約0.5重量%の銀においてピーク
値である75%に増大し、銀添加のない合金に対応した
40%延長部に対して88%増大している。0.5重量
%から1.0重量%を越える銀の添加に対しては、強度
は変化せず、延性の値が減少して銀なしの合金の値に接
近する。
%、1%、2%、並びに3%の銀を添加した錫8.5重
量%の亜鉛合金に対する元素張力(UTS)および不良
部分までの全体の延長部を図3に示した。合金の強度は
図示したように、1.0重量%の銀において10.25
ksiから7ksiに、32%の減少で次第に減少して
いる。延性は対応して約0.5重量%の銀において80
%延長部まで40%延長部からピーク値に増大し、10
0%増加している。1−3重量%を越えて銀を添加した
場合には、強度は変化せず、延性の値が減少して銀なし
の合金の値に接近する。
金に対する元素張力(UTS)および不良部分までの全
体の延長部を図4に示した。合金の強度と延性は、亜鉛
含有量が12%を越えた2元錫−亜鉛の近共晶合金のも
のに接近している。
が、種々の変更や変形ができることは明らかである。し
たがって、上記で示唆されたこのような制限されない変
更は、本発明の範囲内である。
するために必要な銀の量をプロットしたグラフである。
強度に関する効果を示したグラフである。
性と強度に関する効果を示したグラフである。
延性と強度に関する効果を示したグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 (8.0+y)重量%の亜鉛、0.25
yから0.5y重量%の銀、及び少なくとも50重量%
の錫及び不可避的不純からなるものであってyが0.2
から22である合金を含む鉛なし半田組成物。 - 【請求項2】 銀が0.35yから0.45yの量であ
り、yが0.2から5である請求項1記載の半田組成
物。 - 【請求項3】 前記合金が、59−82重量%の錫、1
6−30重量%の亜鉛、及び2−11重量%の銀及び不
可避的不純からなる請求項1記載の半田組成物。 - 【請求項4】 少なくとも85重量%の錫、7−13重
量%の亜鉛、並びに得られた合金の溶融温度を2元共晶
の錫−亜鉛合金の溶融温度の±5℃以内に維持するのに
有効な量の銀及び不可避的不純からなる合金を含む鉛な
し半田組成物。
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