NO333677B1 - Blyfri loddelegering - Google Patents
Blyfri loddelegering Download PDFInfo
- Publication number
- NO333677B1 NO333677B1 NO20032185A NO20032185A NO333677B1 NO 333677 B1 NO333677 B1 NO 333677B1 NO 20032185 A NO20032185 A NO 20032185A NO 20032185 A NO20032185 A NO 20032185A NO 333677 B1 NO333677 B1 NO 333677B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- alloy
- solder
- lead
- fatigue life
- fatigue
- Prior art date
Links
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 61
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims description 96
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims description 96
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 44
- 230000008018 melting Effects 0.000 abstract description 43
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract description 43
- 239000011135 tin Substances 0.000 abstract description 37
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 abstract description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 12
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 11
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229910020220 Pb—Sn Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 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
- 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
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004100 electronic packaging Methods 0.000 description 2
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 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
- 239000006104 solid solution Substances 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
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- -1 2.5 to 4.5 wt% Substances 0.000 description 1
- 229910017692 Ag3Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017944 Ag—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006913 SnSb Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 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
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000007791 dehumidification Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 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
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000005050 thermomechanical fatigue Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Organic Insulating Materials (AREA)
- Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
Det beskrives en blyfri loddelegering med høy styrke, høy tretthetsmotstandsevne og høy fukteevne, omfattende effektive mengder av tinn, kobber, sølv, vismut, indium og antimon og med en smeltetemperatur mellom 175-215°C.
Description
Foreliggende oppfinnelse angår en blyfri loddelegering som kan anvendes ved lodding og for sammenføyninger tilveiebrakt ved hjelp av lodding. Mer spesielt angår oppfinnelsen blyfrie blandinger inneholdende effektive mengder av tinn, kobber, sølv, vismut, antimon og/eller indium og som har en smeltetemperatur på mellom 175-215°C. Legeringen er særlig brukbar i forbindelse med mikroelektroniske og elektroniske anvendelser.
På tross av dagens suksess i elektronikkindustrien går Pb-Sn-loddemiddellegeringer en usikker fremtid i møte på grunn av giftigheten av bly og kontrollen med, eller forbudet mot bruk av denne bestanddelen i et globalt landskap. Som en konsekvens er mange initiativer tatt verden over for å finne egnede, blyfrie alternativer til Pb-Sn-loddelegeringer. Imidlertid er høy styrke og høy utmattingsresistens krevet av blyfrie legeringer for å møte de økende ytelsesnivåer i loddeforbindelser slik de kreves ved den fortsatte utvikling av integrerte kretser (IC) og IC-pakketeknologier.
Innenfor fremstillingen av elektroniske komponenter benyttes en loddelegering for me-tallurgisk å forene de nakne brikker eller pakkede brikker på det neste nivå av et subst-rat ved dannelsen av et ønsket bånd av intermetalliske forbindelser. En umiddelbar flyt og god fukting av loddelegeringen med de vanligvis benyttede metalliseringsputene som Cu, Ag, Au, Pd, Ni og andre metalliske overflater, er et uomgjengelig krav for dannelse av pålitelige loddeskjøter under de automatiserte høyhastighetsfremstillings-prosesser som benytter milde flussmidler som kan aksepteres av de elektroniske syste-mer.
Overflatemonteringsteknologi er blitt en kritisk fremstillingsteknologi ved fremstilling av mindre, lettere og hurtigere trykkede kretskort (PCB), som gjør moderne elektronikk mulig. Det Pb-Sn-eutektiske loddemiddel av 63Sn/37Pb benyttes i svært utstrakt grad i elektronisk montering, særlig overflatemonterte trykte kretskort. Dette loddemiddel tilveiebringer en annen kritisk fysikalsk egenskap, nemlig en moderat smeltetemperatur, særlig under 210°C. Smeltetemperaturen for en legering, bortsett fra en eutektisk blanding, er ofte i et område som spesifiseres av en liquidus- og en solidustemperatur. En legering begynner å bli myk ved sin solidustemperatur og fullfører smeltingen ved sin liquidustemperatur. Lodding må gjennomføres ved en temperatur over liquidustemperaturen for loddelegeringen.
En praktisk loddeprosesstemperatur for overflatemonteirngsfremstilling kan oppnås ved en temperatur rundt minst 25°C over liquidustemperaturen for loddelegeringen, for ek sempel bør loddelegeringen med en liquidustemperatur på 210°C loddes ved minimum 235°C. Smeltetemperaturen for loddelegeringene er kritisk, fordi en for høy smeltetemperatur vil skade elektroniske innretninger og polymerbasert PCB under loddingen, mens en for lav smeltetemperatur vil negativt vil påvirke langtidspåliteligheten for lod-deskjøtene. For kretskortfremstilling som involverer typiske polymerbaserte PCB'er som FR-4, kan prosesstemperaturen i praksis ikke overskride 240°C. Derfor må en blyfri loddelegering som kan erstatte 63Sn/37Pb og virke ved overflatemonteringsfremstil-lingsprosessen ha en liquidustemperatur under 215°C, fortrinnsvis rundt 210°C.
Loddeskjøter virker som elektriske, termiske og mekaniske gjensidige forbindelser i et elektronisk system som telekommunikasjons-, datamaskin-, luftfarts- og bilelektronikk. Under levetiden blir loddede skjøter uunngåelig eksponert mot termiske belastninger som resultatet av temperaturfluktuering, energi på/av, og/eller krevende miljøbetingelser. Dette koblet med en dårlig tilpasset termisk ekspansjon i de gjensidig forbundne materialer av halvleder, keramikk, metall og polymer i systemet, resulterer i en termo-mekanisk tretthet i loddeskjøter. Etterhvert som de elektroniske kretser i økende grad blir tettere og klokkehastigheten for mikroprosessorer fortsetter å nå ennå høyere fre-kvenser, er en av de åpenbare effekter ved konstruksjonen av og materialet som benyttes for et elektronisk system, å behandle den økende varmedissipasjon.
I tillegg fortsetter antallet loddeskjøter på hver PCB å øke. Nærværet av flere tusen eller titusener loddeskjøter på en PCB er ikke uvanlig. Imidlertid kan enhver enkelt lodde-skjøtsvikt resultere i et sviktende system. Som en konsekvens økes kravene til styrke og tretthetsresistens for loddeskjøter. Den senere utvikling i pakker av integrerte kretser (IC) med høyt pintall som ball grid-mønster (BGA), skalerte brikker (CSP) og teknolo-gier for direkte brikkefesting som flip chip, krever i tillegg høyere ydelse i tretthets-eller utmattingsresistens for loddelegeringer.
Et antall blyfrie loddemidler er foreslått i den kjente teknikk. En oppsummering av disse blyfrie legeringer er skissert i kapittel 15 i boken "Modern Solder Technology for Com-petitive Electronics Manufacturing".
US 5328660, Gonya et al, med tittelen Lead-free, High Temperature, Tin Based,Multi-Component Solder, beskriver en sammensetning av 78.4Sn2Ag9.8Bi9.8In. Imidlertid er tretthetsresistensen for denne legering dårlig.
US 5527628, Anderson et al, med tittelen Pb-free Sn-Ag-Cu Ternary Eutectic Solder, beskriver en sammensetning av 93.6Sn4.7Agl.7Cu med en smeltetemperatur på 217°C. Smeltetemperaturen for denne legering er fremdeles relativt høy, og tetthetsresistensen er moderat.
US 5520752 i navnet Lucey et al., med tittelen Composite Solders, beskriver en blyfri loddelegering omfattende 86 til 97% Sn, 0,3 til 4,5% Ag, 0 til 9,3% Bi og 0 til 5% Cu. Tretthetsresistensen for denne legering er moderat eller lav.
US 5538686 i navnet Chen et al., med tittelen Article Comprising a Pb-Free Solder Hå-ving Improved Mechanical Properties, beskriver en blyfri loddelegering med smeltetemperaturer fra 173°C til 193°C, omfattende >70% Sn, 6 til 10% Zn, 3 til 10% In, <10% Bi, >5% Ag og <5% Cu. Legeringene kan ikke fukte typiske substrater under omgivelsene for elektronisk pakking og sammensetningsproduksjon.
US 5580520 i navnet Slattery et al, med tittelen Lead-Free Alloy Containing Tin, Silver and Indium, beskriver en sammensetning av 77.2Sn2.8Ag20In med smeltetemperaturer fra 179°C til 189°C. Tretthetsresistensen for denne legering er lav.
WO-A-9709455 beskriver blyfri, tinnbasert loddelegering omfattende 0,5-2,7% Cu, 3,1-3,5% Ag og eventuelt opp til 20% In, opp til 10% Bi, opp til 2,7% Sb, idet vismut og antimon ikke er til stede.
WO 9709455 Al beskriver en blyfri loddelegering bestående av tinn og sølv. Til denne basisen tilsettes det forskjellige kombinasjoner av indium, antimon, sink og/eller vismut for å danne loddesammensetninger som har de ønskede egenskapene.
WO 9843456 Al beskriver blyfrie loddesammensetninger som har relativt lave smeltetemperaturer, et trangt smelteområde og god fluksrespons. Sammensetningene består av tinn, sølv, indium, vismut og kopper.
Som en oppsummering svikter hver av disse blyfrie loddemidler på minst ett område når det gjelder å virke adekvat ved tildannelse av pålitelige loddeskjøter innenfor den elektroniske pakke- og monteringsindustrien.
OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN
I henhold til dette er en hovedhensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et blyfritt loddemiddel. Det er en fordel ved oppfinnelsen at det tilveiebringes et blyfritt loddemiddel som gir høy styrke og høy tretthetsresistens for å kunne motstå de økende krevende og ugunstige betingelser ved mikroelektroniske og elektroniske anvendelser.
Nok en fordel ved oppfinnelsen er at det tilveiebringes et blyfritt loddemiddel som har et moderat smeltetemperaturområde (175°C-210°C) brukbart for massefremstilling innenfor elektronikk.
Det er nok en fordel ved oppfinnelsen at det tilveiebringes en blyfri loddelegering som lett kan fukte vanlige metalliske substrater som Sn, Cu, Ag, Au, Pd og Ni ved fremstilling av mikroelektronikk og elektronikk for å tildanne gode og pålitelige loddeskjøter uten flussmidler som er uakseptable ved elektronikk-fremstilling.
Nok en fordel ved oppfinnelsen er at det tilveiebringes et blyfritt loddemiddel som kan tilpasses de etablerte produksjonsprosesser for elektronikk og den etablerte infrastruktur uten at det kreves vesentlige endringer i materialer, prosesser og komponenter.
Ytterligere fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den nedenfor følgende del av be-skrivelsen, og vil være åpenbar fra denne, eller kan læres ved å utøve oppfinnelsen. Fordelen ved oppfinnelsen kan realiseres og oppnås ved hjelp av de detaljer og kombinasjoner som særlig påpekes i det vedlagte krav.
Foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig en blyfri loddelegering som er kjennetegnet ved at den består av 76% til 96% Sn, 0,2% til 0,5% Cu, 2,5% til 4,5% Ag, >0% til 12% In, 0,5% til 5,0% Bi og 0,01 til 2% Sb.
Følgelig beskrives det her generelt loddelegeringer ifølge oppfinnelsen med Sn som hovedbestanddel og effektive mengder av Cu, Ag, Bi, In og Sb. Loddemidlene viser kompatibel smeltetemperatur, god fuktbarhet, høy styrke og høy tretthetsresistens.
KORT BESKRIVELSE AV FIGUREN
Figur 1 viser fuktekraften (mN) mot fuktetiden for loddelegeringen: 82.3Sn0,5Cu3Ag2.2Bil2In på et Cu-stykke ved 235°C.
DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN
Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en blyfri loddelegering med høy styrke, høy tretthetsresistens og høy fukteevne og med en smeltetemperatur som er kompatibel med den etablerte infrastruktur for fremstilling av trykkede kretskort. Loddelegeringen ifølge oppfinnelsen omfatter rundt 76 til 96 vekt-% Sn, 0,2 til 0,5 vekt-% Cu, 2,5 til 4,5 vekt-%, Ag, >0 til 12 vekt-% In, 0,5 til 5,0 vekt-% Bi og 0,01% til 2 vekt-% Sb. Fortrinnsvis inkluderer blandingen minst 2,0 vekt-% In.
I en spesielt fordelaktig variant kan legeringen omfatte mellom rundt 81 til 93% Sn, 0,2 til 0,5%, Cu, 2,5 til 4,5% Ag og 6 til 12% In. I en ytterligere fordelaktig variant omfatter blandingen mellom 81 til 90% Sn, 0,2 til 0,5% Cu, 2,5 til 4,5% Ag, 6 til 12% In. En alternativ utførelsesform er en blanding omfattende 81 til 85% Sn, 0,2 til 0,5% Cu, 2,5 til 4,5% Ag, 6% til 12% In og 0,5 til 3,5% Bi. En ytterligere utførelsesform er blandingen omfattende 90 til 96% Sn, 0,2 til 0,5% Cu, 2,5 til 3,5% Ag og 0,5 til 5,0% Bi. Hvis ikke annet er angitt i beskrivelse og krav, er alle deler og prosentandeler på vektbasis.
Det er funnet at Cu og Ag kombinert i egnede doser ikke bare øker tretthetsresistensen men også reduserer smeltetemperaturen. I de foretrukne varianter av oppfinnelsen er 0,5% Cu alene de mest effektive mengder for å redusere smeltetemperaturene for legeringer. For eksempel er smeltetemperaturene (185-195°C) for en legering (83,4Sn/0,5Cu/4,l Ag/12In) ved 0,5% Cu rundt 5°C lavere enn de (190-200°C) for en legering (83,9Sn/4,lAg/12In) uten Cu. Smeltetemperaturene (195-201°C) for en legering (87,4Sn/0,5Cu/4,lAg/8In) ved 0,5% Cu er den samme som de (195-201°C) for en legering (87Sn/2Cu/3Ag/8In) ved 2% Cu. 0,5% Cu alene er altså den mest effektive mengde for å øke tretthetsresistensen. Plastisiteten synker lineært og tretthetslevetiden synker eksponensielt med ytterligere økning av Cu opptil rundt 2%. For eksempel er plastisiteten og tretthetslevetiden for en legering (98,4 Sn/0,5 Cu/4,1 Ag/8 In) ved 0,5% Cu 206%, henholdsvis 146% høyere enn de for en legering (86,1 Sn/1,6 Cu/4,3 Ag/8 In) ved 1,6% Cu. Plastisiteten og tretthetslevetiden for en legering (83,4 Sn/0,5 Cu/4,1 Ag/12 In) ved 0,5% Cu er 250%, henholdsvis 174% høyere enn de for en legering (82,4 Sn/1,5 Cu/4,1 Ag/12 In) ved 1,5% Cu.
Rundt 3% Ag alene er de mest effektive mengder for å redusere smeltetemperaturene for legeringer. Variasjonene av smeltetemperaturer for legeringer ved 34,5% Ag ligger innenfor 1°C. For eksempel er smeltetemperaturene (196-202°C) for en legering (88,5Sn/0,5Cu/3Ag/8In) ved 3% Ag rundt 10°C lavere enn de (208-212°C) for en legering (91,5Sn/0,5Cu/81n) uten Ag, men det samme som de (195-201°C) for en legering (87,4Sn/0,5Cu/4,lAg/8In) ved 4,1% Ag.
Tilsetninger av In reduserer lineært smeltetemperaturene i en mengde på rundt 1,8°C pr. vekt-prosent opptil rundt 12%. Styrkene for legeringene øker lineært og tretthetslevetiden øker eksponensielt med In opp til rundt 8%. 8-10% In er de optimale innhold for en overlegen tretthetsresistens. For eksempel har en legering (87,4Sn/0,5Cu/4,lAg/8In) ved 8% In en 6°C lavere smeltetemperatur, 126% styrke og 175% høyere tretthetslevetid enn en legering (91,4Sn/0,5Cu/4,lAg/4In) ved 4% In. 12% In er et kritisk punkt for den merkbare opptreden av en mykere andre In-fase ved 113°C. For eksempel har en legering (83,4Sn/0,5Cu/4,lAg/12In) ved 12% In en 219% lavere tretthetslevetid og en 118% lavere styrke enn en legering (85,4Sn)0,5 Cu/4,1 Ag/10In) ved 10% In.
Legeringene med de relativt høyere innhold (6-12%) av In kan styrkes ytterligere ved hjelp av Bi for de lavest mulige smeltetemperaturer med en akseptabel tretthetsresistens for visse kritiske anvendelser. For eksempel har en legering (82,3Sn/0,5Cu/3Ag/2,2Bi/- 12In) ved 12% In og 2,2% Bi en 130% høyere styrke og rundt 20°C lavere smeltetemperatur (183-193°C) enn en legering (83-4Sn/0,5Cu/4,lAg/12In) ved 12% In uten Bi. Det maksimalt mulige innhold av Bi bør være mindre enn 5% for en akseptabel plastisitet og tretthetsresistens. For eksempel er plastisiteten og tretthetslevetiden for en legering (79,5Sn/0,5Cu/3Ag/5Bi/12In) signifikant redusert til det nivå der den er dårligere enn verdiene for 63Sn/37Pb.
De In-holdige loddelegeringer kan også styrkes ytterligere ved små tilsetninger av Sb, for eksempel 0,5%, for å oppnå høyere tretthetsresistens uten merkbart å heve smeltetemperaturene. For eksempel har en legering (84Sn/0,5Cu/3Ag/2,2Bi/12In/0,5Sb) ved 12% In og 0,5% Sb en 113% høyere styrke og 160% høyere tretthetslevetid enn en legering (83,4Sn/0,5Cu/4,l Ag/12In) ved 12% In uten Sb. Imidlertid vil et for høyt Sb-innhold i de In-holdige legeringer øke smeltetemperaturene, redusere plastisitet og tretthetslevetid og redusere fuktbarheten på Cu. For eksempel har en legering (84Sn/0,5Cu/- 3Ag/12In/0,5Sb) ved 12% In og 0,5% Sb en 4°C lavere smeltetemperatur, en 212% høyere plastisitet og 125% høyere tretthetslevetid enn en legering (82,5Sn/0,5Cu/3Ag/- 12In/2Sb) ved 2% Sb.
Uttrykt ved de underliggende mekanismer er Cu, Ag og Sb alle intermetalldannende metaller med Sn. Cu danner Su^Snj-partikler, Ag danner Ag3Sn-partikler, og Sb danner kubiske SnSb-partikler. Disse intermetalliske partikler er i seg selv meget sterkere enn Sn-matriks og blokkerer effektivt for tretthetssprekkingspropagering. Indirekte bidrar dannelsen av multi-intermetalliske partikler til en finere Sn-matriks-kornstruktur. De intermetallinduserte finere korn i Sn-matriksen letter korngrenseglidning og utvider tretthetslevetiden.
In går inn i Sn-matrikskrystallgitteret som substitusjonelle oppløste atomer. Det opp-løste In gir en styrking av den faste oppløsning og fremmer en finere slippkarakter for en høyere tretthetsfraktureringsevne.
Bi går inn i Sn-matrikskrystallgitteret som substitusjonelt oppløste atomer opptil 1 vekt-%. Utover 1 vekt-% kan Bi presipitere ut som andrefase partikler. Bi gir derfor både styrking av fast oppløsning og en presipiteringsstyrking. Andelen av oppløst Bi-styrking kan også fremme en finere slippkarakter for en høyere tretthetsfraktureringskapasitet i Sn-matriksen.
Innholdet av 2,5-3,5% Ag er kritisk for loddelegeringer i Sn/Cu/Ag/Bi-systemet i mot-setning til 2,5-4,5% Ag for ethvert annet system inneholdende In. Et innhold av Ag utover 3,5% i Sn/Cu/Ag/Bi-systemet induserer legeringssprøhet. For eksempel er tretthetslevetiden og plastisiteten for en legering (93,3Sn/0,5Cu/3,lAg/3,l Bi) ved 3,1% Ag rundt 152%, henholdsvis 138% høyere enn en legering (90,5Sn/l,7Cu/4,7Ag/3,l Bi) ved 4,7% Ag. Innholdet av 2,5% Ag er et minimum for å gi en overlegen tretthetsresistens. Under 2,5% reduseres tretthetsresistensen. For eksempel er tretthetslevetidene for legeringer 93,3Sn/0,5Cu/3,lAg/3,lBi, og 92,2Sn/l,5Cu/3,2Ag/3,lBi og 91,5Sn/2Cu/- 3,4Ag/3,l Bi rundt 538%, 366%, henholdsvis 281% høyere enn den for en legering (93Sn/2Cu/2Ag/3Bi) ved 2% Ag.
I ethvert annet system inneholdende In, vil imidlertid In reagere med Ag eller absorbere noe Ag under dannelse av Agln2intermetallisk forbindelse eller sogar et ternært AgSnln-intermetall. Derfor kan maksimalinnholdet av Ag i ethvert annet system inneholdende In tillates å være 4,5% for god plastisitet og tretthetslevetid. Enhver høyere dose vil ikke ytterligere redusere smeltetemperaturen, men vil øke sprøheten. Ved samme smeltetemperatur er for eksempel plastisiteten for en legering (84 Sn/.5 Cu/13 Ag/ 12,5Sb) 131% høyere enn en legering (81,1 Sn/1,7 Cu/ 4,7 Ag/12 In/.5 Sb).
For referanseformål antas det at smeltetemperaturen for 63Sn/37Pb loddemiddel ble målt ved rundt 183°C, den ultimate strekkstyrke var 47 MPa og lavsyklus-tretthetslevetiden ved 0,2% belastning var 3650 sykler. Smeltetemperatur, strekkstyrke og tretthetslevetid for den kjente loddelegeringen 99,3SnO,7Cu er 227°C, 24 MPa henholdsvis 1125 sykler. Smeltetemperatur, strekkstyrke og tretthetslevetid for en kjent loddelegering 96,5Sn3,5 Ag er 221°C, 35 MPa, henholdsvis 4186 sykler.
Foreliggende loddelegering viser en strekkstyrke på minst 50 MPa, fortrinnsvis 60 MPa; en lavsyklus tretthetslevetid ved 0,2% belastning av minst rundt 5.000 sykler, fortrinnsvis rundt 10.000; en fast smeltetemperatur på mellom omtrent 175 og 215°C, fortrinnsvis mindre enn 210°C, og en flytende smeltetemperatur på mellom rundt 185 og 215°C, fortrinnsvis mindre enn 210°C.
I en fordelaktig utførelsesform tilveiebringes det en loddelegering inneholdende rundt 87,4% Sn, 0,5% Cu, 4,1% Ag og 8% In. Legeringen har smeltetemperaturer fra rundt 195°C til rundt 201°C. Strekkstyrken og tretthetslevetiden for legeringen er 63 MPa, henholdsvis 17152 sykler. Tretthetslevetiden for oppfinnelsens legering er 470% høyere enn den til 63Sn37Pb, og strekkstyrken er 134% høyere enn den til 63Sn/37Pb.
I en fordelaktig utførelsesform tilveiebringes det en loddelegering inneholdende rundt 85,4% Sn, 0,5% Cu, 4,1% Ag og 10% In. Legeringen har smeltetemperaturer fra rundt 194°C til rundt 199°C. Strekkstyrken og tretthetslevetiden for legeringen er 66 MPa, henholdsvis 17378 sykler. Tretthetslevetiden for oppfinnelsens legering er 476% høyere enn den til 63Sn37Pb, og strekkstyrken er 140% høyere enn den til 63Sn/37Pb.
I en annen fordelaktig utførelsesform tilveiebringes det en loddelegering inneholdende rundt 84% Sn, 0,5% Cu, 3% Ag, 0,5% Sb og 12% In. Legeringen har smeltetemperaturer fra rundt 186°C til rundt 196°C. Strekkstyrken og tretthetslevetiden for legeringen er 58 MPa, henholdsvis 12345 sykler. Tretthetslevetiden for oppfinnelsens legering er 338% høyere enn den til 63Sn37Pb, og strekkstyrken er 123% høyere enn den til 63Sn/37Pb.
I nok en fordelaktig utførelsesform tilveiebringes det en loddelegering inneholdende rundt 82,3% Sn, 0,5% Cu, 3% Ag, 2,2% Bi og 12% In. Legeringen har smeltetemperaturer fra rundt 183°C til rundt 193°C. Strekkstyrken og tretthetslevetiden for legeringen er 77 MPa, henholdsvis 8722 sykler.
Tretthetslevetiden for denne utførelsesformen er 239% høyere enn den til 63Sn37Pb, og strekkstyrken er 164% høyere enn den til 63Sn/37Pb.
I nok en fordelaktig utførelsesform tilveiebringes det en loddelegering inneholdende rundt 83,4% Sn, 0,5% Cu, 4,1% Ag og 12% In. Legeringen har en smeltetemperatur fra rundt 185°C til rundt 195°C, og strekkstyrken og tretthetslevetiden for legeringen er 56 MPa, henholdsvis 7.950 sykler. Tretthetslevetiden for denne utførelsesformen er 218% høyere enn den til 63Sn37Pb, og strekkstyrken er 140% høyere enn den til 63Sn/37Pb.
Den umiddelbare flyt og den faste binding som inntrer for hver av de ovenfor angitte utførelsesformer, påvist ved fuktighetsbalansetestene i figur 1, går ut over kravene til fukteevne slik disse er angitt i industristandarder som "American National Standard Institute", ANSI-STD-002 og ANSI-STD-003. Fukteflussmidlet var en ikke-aktivert kolofonium eller en mildt aktivert kolofonium eller et ikke-rent flussmiddel.
Fukteevnen, under henvisning til ANSI-STD-002 og ANSI-STD-003, skal fuktekraften ved 2,0 sekunder (Fl) og ved 5,0 sekunder (F2) overskride 4,809 mN og fuktetiden (t2/3) for å nå 2/3 maksimal fuktekraft skal ikke være mer enn 1,0 sekunder. Området for av-fukting skal være mindre enn 5%. Som et eksempel som vist i figur 1, viste en loddelegering ifølge oppfinnelsen med sammensetningen 82,3%Sn0,5%Cu3%Ag2,2%Bil2%In
De ovenfor beskrevne blyfrie loddelegeringer ifølge oppfinnelsen, kan fremstilles ved smeltet tilstand for hovedbestanddelen ved generelle oppvarmingsteknikker som er velkjente i teknikken. Legeringene kan også benyttes i forskjellige fysiske former som pastaer, pulvere, stenger og tråder, eller i en hvilken som helst loddeprosess som ved reflow-ovnslodding, bølgemaskinlodding og håndlodding eller i en hvilken som helst materialfabrikasjon som forskjellige avsetnings- og belegningsteknikker.
Claims (1)
1.
Blyfri loddelegering,karakterisert vedat den består av 76% til 96% Sn, 0,2% til 0,5% Cu, 2,5% til 4,5% Ag og >0% til 12% In, 0,5% til 5,0% Bi og 0,01 til 2% Sb.
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 (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20032185D0 NO20032185D0 (no) | 2003-05-14 |
| NO20032185L NO20032185L (no) | 2003-05-14 |
| NO333677B1 true NO333677B1 (no) | 2013-08-05 |
Family
ID=9886311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20032185A NO333677B1 (no) | 2000-11-16 | 2003-05-14 | Blyfri loddelegering |
Country Status (14)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1333957B1 (no) |
| AT (1) | ATE293513T1 (no) |
| AU (1) | AU2001214037A1 (no) |
| CY (1) | CY1105145T1 (no) |
| CZ (1) | CZ297089B6 (no) |
| DE (1) | DE60019651T2 (no) |
| DK (1) | DK1333957T3 (no) |
| ES (1) | ES2241671T3 (no) |
| HU (1) | HU228577B1 (no) |
| NO (1) | NO333677B1 (no) |
| PL (1) | PL195528B1 (no) |
| PT (1) | PT1333957E (no) |
| RU (1) | RU2254971C2 (no) |
| WO (1) | WO2002040213A1 (no) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050199323A1 (en) * | 2004-03-15 | 2005-09-15 | Nielson Daniel B. | Reactive material enhanced munition compositions and projectiles containing same |
| 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 |
| SG139507A1 (en) * | 2001-07-09 | 2008-02-29 | Quantum Chem Tech Singapore | Improvements in or relating to solders |
| EP1465468B1 (en) * | 2003-03-31 | 2007-11-14 | SANYO ELECTRIC Co., Ltd. | Metal mask and method of printing lead-free solder paste using same |
| US7459794B2 (en) | 2003-08-26 | 2008-12-02 | Tokuyama Corporation | Substrate for device bonding, device bonded substrate, and method for producing same |
| 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 |
| WO2009011392A1 (ja) | 2007-07-18 | 2009-01-22 | Senju Metal Industry Co., Ltd. | 車載電子回路用Ｉｎ入り鉛フリーはんだ |
| US7821130B2 (en) * | 2008-03-31 | 2010-10-26 | Infineon Technologies Ag | Module including a rough solder joint |
| WO2010122764A1 (ja) | 2009-04-20 | 2010-10-28 | パナソニック株式会社 | はんだ材料および電子部品接合体 |
| EP2739431B1 (en) * | 2011-08-02 | 2020-06-24 | Alpha Assembly Solutions Inc. | Solder compositions |
| 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 |
| KR20160147996A (ko) | 2014-04-30 | 2016-12-23 | 가부시키가이샤 니혼슈페리어샤 | 무연솔더합금 |
| CN105431253A (zh) | 2014-06-24 | 2016-03-23 | 播磨化成株式会社 | 焊料合金、焊料组合物、钎焊膏以及电子线路基板 |
| WO2016179358A1 (en) * | 2015-05-05 | 2016-11-10 | Indium Corporation | High reliability lead-free solder alloys for harsh environment electronics applications |
| 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 |
| 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 |
| 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 DE DE60019651T patent/DE60019651T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-11-16 AT AT00976153T patent/ATE293513T1/de active
- 2000-11-16 AU AU2001214037A patent/AU2001214037A1/en not_active Abandoned
- 2000-11-16 CZ CZ20031348A patent/CZ297089B6/cs not_active IP Right Cessation
- 2000-11-16 ES ES00976153T patent/ES2241671T3/es not_active Expired - Lifetime
- 2000-11-16 EP EP00976153A patent/EP1333957B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-11-16 RU RU2003114304/02A patent/RU2254971C2/ru active
- 2000-11-16 DK DK00976153T patent/DK1333957T3/da active
- 2000-11-16 HU HU0301858A patent/HU228577B1/hu unknown
- 2000-11-16 WO PCT/GB2000/004365 patent/WO2002040213A1/en active IP Right Grant
- 2000-11-16 PL PL00361336A patent/PL195528B1/pl unknown
- 2000-11-16 PT PT00976153T patent/PT1333957E/pt unknown
-
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 |
|---|---|
| NO20032185D0 (no) | 2003-05-14 |
| DK1333957T3 (da) | 2005-06-20 |
| RU2254971C2 (ru) | 2005-06-27 |
| HUP0301858A2 (hu) | 2003-08-28 |
| DE60019651D1 (de) | 2005-05-25 |
| ATE293513T1 (de) | 2005-05-15 |
| HU228577B1 (en) | 2013-04-29 |
| ES2241671T3 (es) | 2005-11-01 |
| RU2003114304A (ru) | 2005-01-20 |
| CY1105145T1 (el) | 2009-11-04 |
| AU2001214037A1 (en) | 2002-05-27 |
| EP1333957B1 (en) | 2005-04-20 |
| PT1333957E (pt) | 2005-09-30 |
| PL195528B1 (pl) | 2007-09-28 |
| WO2002040213A1 (en) | 2002-05-23 |
| HUP0301858A3 (en) | 2005-05-30 |
| PL361336A1 (en) | 2004-10-04 |
| NO20032185L (no) | 2003-05-14 |
| CZ297089B6 (cs) | 2006-09-13 |
| EP1333957A1 (en) | 2003-08-13 |
| DE60019651T2 (de) | 2005-09-22 |
| CZ20031348A3 (cs) | 2004-04-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO333677B1 (no) | Blyfri loddelegering | |
| US6176947B1 (en) | Lead-free solders | |
| Ren et al. | Alloying influences on low melt temperature SnZn and SnBi solder alloys for electronic interconnections | |
| EP2140963B1 (en) | Pb-free solder-connected electronic article | |
| WO2010122764A1 (ja) | はんだ材料および電子部品接合体 | |
| KR101738841B1 (ko) | Ｂｉ-Ｓｎ계 고온 땜납 합금으로 이루어진 고온 땜납 이음 | |
| TW201702395A (zh) | 低溫高可靠性合金 | |
| WO2011102034A1 (ja) | 鉛フリーはんだ合金と、これを用いたソルダペースト及び実装品 | |
| JP2002120085A (ja) | 鉛無含有はんだ合金 | |
| US20020155024A1 (en) | Lead-free solder compositions | |
| JP2016040051A (ja) | 鉛フリーはんだ、鉛フリーはんだボール、この鉛フリーはんだを使用したはんだ継手およびこのはんだ継手を有する半導体回路 | |
| CN113165122A (zh) | 无铅焊料组合物 | |
| Ren et al. | Board-level drop reliability and fracture behavior of low-temperature soldering Sn–Ag–Cu/Sn–Bi–X hybrid BGA solder joints for consumer electronics | |
| CN1208168C (zh) | 无铅焊料 | |
| US20040241039A1 (en) | High temperature lead-free solder compositions | |
| 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 | |
| JP2004034099A (ja) | はんだおよびそれを用いた実装品 | |
| Schueller et al. | Second generation Pb-free alloys | |
| JP2008221330A (ja) | はんだ合金 | |
| Huang et al. | Microstructures and shear properties of mixed assembly BGA structure SnAgCu/SnBi (Ag)/Cu joints in board-level packaging | |
| Li et al. | The formation and evolution of IMC and its effect on the solder joint properties | |
| US9741676B1 (en) | Tin-indium based low temperature solder alloy | |
| Sundelin et al. | Pull testing of lead-free QFP solder joints | |
| KR101951813B1 (ko) | 저융점 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지 | |
| Samiappan | Alternative Pb-free soldering alloys |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MK1K | Patent expired |