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技術 高信頼性鉛フリーはんだ合金

出願人 アルファ・アセンブリー・ソリューションズ・インコーポレイテッド
発明者 モルガナ・デ・アビラ・リバススレシュ・テルプリシャ・チョードリーアニールクマール・ケー・エヌシウリ・サルカール
出願日 2017年5月2日 (2年7ヶ月経過) 出願番号 2018-556486
公開日 2019年7月25日 (4ヶ月経過) 公開番号 2019-520985
状態 未査定
技術分野 はんだ付・ろう付材料 溶融はんだ付 ダイボンディング
主要キーワード 混和性ギャップ プラスチック領域 交番応力 ビスマス含量 高温はんだ付け 最高動作温度 混合合金 落下衝撃性能
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年7月25日)のものです。
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図面 (10)

課題・解決手段

良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示し、典型的には少なくとも150℃、例えば175℃までの動作温度に耐えることができる鉛フリーはんだ合金が記載される。この合金は、従来のSn−Ag−Cu及びPb5Sn2.5Agと比較して改善された高温機械的特性を示すことができる。はんだは、バー、スティック固体又はフラックス入りワイヤホイル又はストリップフィルムプリフォーム、又は粉末又はペースト(即ち、粉末とフラックスとのブレンド)、又はボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用されることができる。

概要

背景

高い動作温度鉛フリーはんだ合金は、中/高出力半導体の現在及び将来における要求に必要である。中/高出力半導体デバイスの最大の課題の1つは、過酷な環境(動作温度が175℃まで上昇することがある)においても信頼性を損なわないことである。更に、デバイス当たり数ワットに達することがある高粉末負荷は、温度勾配を引き起こすことがある。換言すれば、装置の周囲温度は、前記装置のスイッチがオンになると急速に上昇し、装置のスイッチがオフになると急速に低下する。繰り返される電源のオン/オフサイクル時のこれらの急激な温度変化は、深刻な信頼性に対する懸念を引き起こすことがある。例えば、半導体絶縁材料との間のCTEの差によってのみ駆動される、半導体部品には甚だしい応力が発生する。

冶金的観点からは、280〜300℃以下のピークリフロー温度、良好な電気及び熱伝導性、及び良好な高温機械的及び熱的性質を必要とする、高融点はんだ材料が、これらの用途に不可欠な合金に対する要求である。更に重要なことには、これらの合金は、耐用年数及び設計に対する高い要求に対応するために高い疲労寿命を有するべきである。はんだ合金の他の一般的要求は、(i)原料入手が容易であること、(ii)既存の製造プロセスに適応可能であること、(iii)組立プロセスで使用される他の材料との適合性があること、である。

既存の鉛ベースの高融点及び高動作温度合金(例えば、92.5Pb5Sn2.5Ag)は、RoHSなどの法律によって規制される用途には使用できず、一方、従来のSn−Ag−Cu合金は、信頼性の高い性能要求合格していない。高い動作温度用途のための別の既存の解決策は、80Au20Sn合金である。しかしながら、その高いコストは大きな懸念事項である。

従来技術に関連する問題を解決するこれまでの試みは成功しなかった。例えば、混合合金はんだペーストを記載しているZhangの特許文献1、及び一過性の液相はんだ付けを記載しているMcCluskeyの特許文献2(それぞれの主題の全体を参照により本明細書に援用する)はいずれも、高温はんだ付け用途用に提案されている。しかし、これらのアプローチは、工業的製造のためのスケールアップを妨げる、及び/又ははんだペースト以外のはんだ形態での使用を妨げる厳しい技術的制限を有する。文献に報告されている他のSn−Sb合金は、疲労及び熱機械的性質が低い。例えば、特許文献3には、固相線温度が246℃、液相線温度が290℃のSn−15Sb合金が開示されている。Sn中にSbが固溶しているために期待されるこのような合金の高い引張強さの他に、このような合金は、周期的な応力に付されたときに強度を欠く

Sb:Biが(1:1.5〜3)であるSn−Ag−Cuと他の合金添加剤組成物が、特許文献4に開示された。本発明に開示された組成物とは異なり、そこに開示された合金組成物は、約220℃の液相線温度を有し、最高動作温度は150℃であると主張する。

58重量%のBiは、138℃の温度でSnとの共融反応を形成する。一方、Sbは、Snへの溶解度が制限され、Snリッチな領域が包晶反応を示す。Bi−Sbは、180℃未満の温度で混和性ギャップを有する同形系である。したがって、SnにSb及び/又はBiを添加することにより、合金の強度を大幅に高めることができる。Sbの添加は、Bi添加に比べて比較的大きな伸びを付与することができる。しかし、疲労寿命は塑性変形に必ずしも依存しないことがよく知られおり、これは、塑性変形が大きく局在化し、成分の巨視的評価によっては識別できないからである。疲労寿命は、印加された応力に応答して変化する微細構造ベルでの合金挙動により大きく依存する。

良好な微細構造安定性のために、包晶Sn−Sb組成(〜10.2重量%Sb)に近いことが理想的である。更に、包晶組成に近いほど、270℃以下の液相線温度を有する合金の形成に有利である。Sb及びBiの最適化された添加は、所望レベルの疲労寿命及び強度を達成するために非常に有用である。

これら全ての特定の一般的な要求を満たす合金を開発することは、困難なタスクである。本発明は、従来技術に関連する問題の少なくとも幾つかを解決すること、又は商業的に許容可能な代替物を提供することを目的とする。

概要

良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示し、典型的には少なくとも150℃、例えば175℃までの動作温度に耐えることができる鉛フリーはんだ合金が記載される。この合金は、従来のSn−Ag−Cu及びPb5Sn2.5Agと比較して改善された高温機械的特性を示すことができる。はんだは、バー、スティック固体又はフラックス入りワイヤホイル又はストリップフィルムプリフォーム、又は粉末又はペースト(即ち、粉末とフラックスとのブレンド)、又はボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用されることができる。なし

目的

本発明は、従来技術に関連する問題の少なくとも幾つかを解決すること、又は商業的に許容可能な代替物を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

鉛フリーはんだ合金であって、8〜15重量%のアンチモンと、0.05〜5重量%のビスマスと、0.1〜10重量%の銀と、0.1〜4重量%の銅と、以下のうちの1つ以上と:1重量%までのニッケル、1重量%までのコバルト、1重量%までのチタン、1重量%までのマンガン、1重量%までのゲルマニウム、10重量%までのアルミニウム、10重量%までのケイ素、任意に以下のうちの1つ以上と:5重量%までのインジウム、1重量%までのクロム、1重量%までの亜鉛、1重量%までの砒素、1重量%までの鉄、1重量%までのリン、1重量%までの金、1重量%までのガリウム、1重量%までのテルル、1重量%までのセレン、1重量%までのカルシウム、1重量%までのバナジウム、1重量%までのモリブデン、1重量%までの白金、1重量%までの希土類元素、残部であるスズ及び不可避不純物と、を含むことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。

請求項2

前記合金が、8.5〜13重量%のアンチモン、好ましくは9〜11重量%のアンチモン、より好ましくは9.5〜10.5重量%のアンチモンを含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項3

前記合金が、0.08〜3重量%のビスマス、好ましくは0.1〜2重量%のビスマス、より好ましくは0.5〜1.5重量%のビスマスを含む請求項1から2のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項4

前記合金が、1.5〜5.0重量%の銀、好ましくは2.0〜4.0重量%の銀、より好ましくは2.5〜4.2重量%の銀を含む請求項1から3のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項5

前記合金が、0.1〜4.0重量%の銅、好ましくは0.3〜3.5重量%の銅、より好ましくは0.4〜2.5重量%の銅を含む請求項1から4のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項6

前記合金が、0.001〜1重量%のニッケル、好ましくは0.008〜0.5重量%のニッケル、より好ましくは0.015〜0.1重量%のニッケル、更により好ましくは0.018〜0.022重量%のニッケルを含む請求項1から5のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項7

前記合金が、0.001〜1重量%のコバルト、好ましくは0.008〜0.5重量%のコバルト、より好ましくは0.015〜0.1重量%のコバルトを含む請求項1から6のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項8

前記合金が、0.001〜1.0重量%のチタン、好ましくは0.003〜0.5重量%のチタン、より好ましくは0.005〜0.01重量%のチタンを含む請求項1から7のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項9

前記合金が、0.001〜1.0重量%のマンガン、好ましくは0.003〜0.5重量%のマンガン、より好ましくは0.005〜0.01重量%のマンガンを含む請求項1から8のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項10

前記合金が、0.001〜1.0重量%のゲルマニウム、好ましくは0.005〜0.1重量%のゲルマニウム、より好ましくは0.005〜0.01重量%のゲルマニウムを含む請求項1から9のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項11

前記合金が、0.001〜1.0重量%のアルミニウム、好ましくは0.005〜5重量%のアルミニウム、より好ましくは0.01〜1重量%のアルミニウム、更により好ましくは0.1〜0.5重量%のアルミニウムを含む請求項1から10のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項12

前記合金が、0.001〜10重量%のケイ素、好ましくは0.005〜5重量%のケイ素、より好ましくは0.01〜1重量%のケイ素、更により好ましくは0.1〜0.5重量%のケイ素を含む請求項1から11のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項13

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.5〜1.5重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項14

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.5〜1.5重量%のビスマス、3.5〜4.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項15

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.2〜0.8重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項16

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.2〜0.8重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.07重量%のゲルマニウム、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項17

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項18

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のゲルマニウム、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項19

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のマンガン、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項20

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のチタン、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項21

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.01〜0.08重量%のコバルト、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項22

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、3.5〜4.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のコバルト、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項23

前記合金が、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.1〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のチタン、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項1に記載のはんだ合金。

請求項24

前記合金が、215℃以上の固相線温度を有する請求項1から23のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項25

バー、スティック固体又はフラックス入りワイヤホイル又はストリップフィルムプリフォーム、又は粉末又はペースト、又はボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用される請求項1から24のいずれかに記載のはんだ合金。

請求項26

ペーストの形態である請求項25に記載のはんだ合金。

請求項27

プリフォームの形態である請求項25に記載のはんだ合金。

請求項28

請求項1から27のいずれかに記載の合金を含むことを特徴とするはんだ接合部。

請求項29

請求項28に記載のはんだ接合部を含むことを特徴とする高輝度LED(HBLED)、モータ制御、太陽集光装置セルRF回路、又はマイクロ波回路

請求項30

はんだ接合部を形成する方法であって、(i)接合される2つ以上のワークピースを提供することと、(ii)請求項1から27のいずれかに記載のはんだ合金を提供することと、(iii)前記はんだ合金を、前記接合すべきワークピースの近傍で加熱することとを含む方法。

請求項31

ダイ取付けはんだ付け、ウェーブはんだ付け表面実装技術はんだ付け、熱界面はんだ付け、手はんだ付け、レーザ及びRF誘導はんだ付けソーラーモジュールに対するはんだ付け、LEDパッケージ基板のはんだ付け、及び再加工はんだ付けにおける、請求項1から27のいずれかに記載の合金の使用。

請求項32

電気自動車EV)、ハイブリッド電気自動車HEV)、モータ駆動装置電力インバーター、風力タービン、又はレール牽引システムを含む用途(これらに限定されない)のための電力モジュールに対するはんだ付けにおける、請求項1から27のいずれかに記載の合金の使用。

請求項33

220℃以上の温度に合金を加熱することを含むはんだ付け方法における、請求項1から27のいずれかに記載の合金の使用。

技術分野

0001

本発明は、一般に、冶金の分野、及び合金、特に鉛フリーはんだ合金に関する。この合金は、特に(他を排除するものではないが)、ウェーブはんだ付け表面実装技術熱風レベリング、及びボールグリッドアレイランドグリッドアレイボトム終端パッケージLED、及びチップスケールパッケージなどの電子はんだ用途における使用に適している。

背景技術

0002

高い動作温度の鉛フリーはんだ合金は、中/高出力半導体の現在及び将来における要求に必要である。中/高出力半導体デバイスの最大の課題の1つは、過酷な環境(動作温度が175℃まで上昇することがある)においても信頼性を損なわないことである。更に、デバイス当たり数ワットに達することがある高粉末負荷は、温度勾配を引き起こすことがある。換言すれば、装置の周囲温度は、前記装置のスイッチがオンになると急速に上昇し、装置のスイッチがオフになると急速に低下する。繰り返される電源のオン/オフサイクル時のこれらの急激な温度変化は、深刻な信頼性に対する懸念を引き起こすことがある。例えば、半導体絶縁材料との間のCTEの差によってのみ駆動される、半導体部品には甚だしい応力が発生する。

0003

冶金的観点からは、280〜300℃以下のピークリフロー温度、良好な電気及び熱伝導性、及び良好な高温機械的及び熱的性質を必要とする、高融点のはんだ材料が、これらの用途に不可欠な合金に対する要求である。更に重要なことには、これらの合金は、耐用年数及び設計に対する高い要求に対応するために高い疲労寿命を有するべきである。はんだ合金の他の一般的要求は、(i)原料入手が容易であること、(ii)既存の製造プロセスに適応可能であること、(iii)組立プロセスで使用される他の材料との適合性があること、である。

0004

既存の鉛ベースの高融点及び高動作温度合金(例えば、92.5Pb5Sn2.5Ag)は、RoHSなどの法律によって規制される用途には使用できず、一方、従来のSn−Ag−Cu合金は、信頼性の高い性能要求合格していない。高い動作温度用途のための別の既存の解決策は、80Au20Sn合金である。しかしながら、その高いコストは大きな懸念事項である。

0005

従来技術に関連する問題を解決するこれまでの試みは成功しなかった。例えば、混合合金はんだペーストを記載しているZhangの特許文献1、及び一過性の液相はんだ付けを記載しているMcCluskeyの特許文献2(それぞれの主題の全体を参照により本明細書に援用する)はいずれも、高温はんだ付け用途用に提案されている。しかし、これらのアプローチは、工業的製造のためのスケールアップを妨げる、及び/又ははんだペースト以外のはんだ形態での使用を妨げる厳しい技術的制限を有する。文献に報告されている他のSn−Sb合金は、疲労及び熱機械的性質が低い。例えば、特許文献3には、固相線温度が246℃、液相線温度が290℃のSn−15Sb合金が開示されている。Sn中にSbが固溶しているために期待されるこのような合金の高い引張強さの他に、このような合金は、周期的な応力に付されたときに強度を欠く

0006

Sb:Biが(1:1.5〜3)であるSn−Ag−Cuと他の合金添加剤組成物が、特許文献4に開示された。本発明に開示された組成物とは異なり、そこに開示された合金組成物は、約220℃の液相線温度を有し、最高動作温度は150℃であると主張する。

0007

58重量%のBiは、138℃の温度でSnとの共融反応を形成する。一方、Sbは、Snへの溶解度が制限され、Snリッチな領域が包晶反応を示す。Bi−Sbは、180℃未満の温度で混和性ギャップを有する同形系である。したがって、SnにSb及び/又はBiを添加することにより、合金の強度を大幅に高めることができる。Sbの添加は、Bi添加に比べて比較的大きな伸びを付与することができる。しかし、疲労寿命は塑性変形に必ずしも依存しないことがよく知られおり、これは、塑性変形が大きく局在化し、成分の巨視的評価によっては識別できないからである。疲労寿命は、印加された応力に応答して変化する微細構造ベルでの合金挙動により大きく依存する。

0008

良好な微細構造安定性のために、包晶Sn−Sb組成(〜10.2重量%Sb)に近いことが理想的である。更に、包晶組成に近いほど、270℃以下の液相線温度を有する合金の形成に有利である。Sb及びBiの最適化された添加は、所望レベルの疲労寿命及び強度を達成するために非常に有用である。

0009

これら全ての特定の一般的な要求を満たす合金を開発することは、困難なタスクである。本発明は、従来技術に関連する問題の少なくとも幾つかを解決すること、又は商業的に許容可能な代替物を提供することを目的とする。

0010

米国特許公開第2015/0246417号
米国特許公開第2010/0096043号
日本特許公開2009−070863A号
WO2004/096484

先行技術

0011

したがって、第1の態様において、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
8〜15重量%のアンチモンと、
0.05〜5重量%のビスマスと、
0.1〜10重量%の銀と、
0.1〜4重量%の銅と、
以下のうちの1つ以上と:
1重量%までのニッケル
1重量%までのコバルト
1重量%までのチタン
1重量%までのマンガン
1重量%までのゲルマニウム
10重量%までのアルミニウム
10重量%までのケイ素
任意に以下のうちの1つ以上と:
5重量%までのインジウム
1重量%までのクロム
1重量%までの亜鉛
1重量%までの砒素
1重量%までの鉄、
1重量%までのリン
1重量%までの金、
1重量%までのガリウム
1重量%までのテルル
1重量%までのセレン
1重量%までのカルシウム
1重量%までのバナジウム
1重量%までのモリブデン
1重量%までの白金
1重量%までの希土類元素
残部であるスズ及び不可避不純物とを含む鉛フリーはんだ合金を提供する。
前記合金は、高融点、良好な高温機械的信頼性及び良好な耐熱疲労性組合せを示すことができ、例えば、中及び高出力半導体デバイスなどの高動作温度用途に有利に使用することができる。

図面の簡単な説明

0012

以下、本発明をよりよく理解するために、添付図面を参照して説明する。

0013

図1は、本発明に係る実施例A1、A2、及びA3の微細構造の電子顕微鏡像を示す。

0014

図2は、Biを変化させたSn−Ag−Cu−Sb−Bi合金の固相線温度と液相線温度を示す。

0015

図3は、Sbを変化させたSn−Ag−Cu−Sb−Bi合金の固相線温度と液相線温度を示す。

0016

図4は、本発明に係る選択された合金の175℃でのクリープ特性プロットを示す。

0017

図5は、本発明に係る選択された合金の室温引張特性のプロットを示す。

0018

図6は、本発明に係る選択された合金の高温(150℃)引張特性のプロットを示す。

0019

図7は、本発明に係る合金の室温引張強度に対するBiの効果を示す。

0020

図8は、本発明に係る合金の高温引張強度に対するBiの効果を示す。

0021

図9は、本発明に係る選択された合金の150℃でのクリープ特性のプロットを示す。

0022

図10は、本発明に係る選択された合金の疲労寿命のプロットを示す。

実施例

0023

以下、本発明を更に説明する。以下の節では、本発明の異なる態様をより詳細に定義する。そのように定義された各態様は、明らかに逆のことが示されない限り、任意の他の態様と組み合わせることができる。特に、好ましい又は有利であると示される任意の特徴を、好ましい又は有利であると示される任意の他の特徴と組み合わせることができる。

0024

本明細書で使用される「はんだ合金」という用語は、80〜400℃の範囲の融点を有する可融性金属合金包含する。

0025

本明細書で使用される「希土類元素」という用語は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群から選択される元素を包含する。

0026

本明細書で使用される「フラックス」という用語は、金属の溶融を促進するために、特に金属酸化物の形成を除去及び防止するために使用される物質、しばしば酸又は塩基を包含する。

0027

本明細書で使用される「固相線」という用語は、その温度未満で、所定の物質が完全に固体である(結晶化される)温度を包含する。固相線は、物質の融解が始まる温度を定量するが、必ずしも完全に融解する必要はない。即ち、固相線は必ずしも融点ではない。

0028

本明細書で使用される「液相線」という用語は、結晶が溶融物質共存できる最大温度を包含する。液相線温度よりも上では、材料は均質であり、平衡状態である液体である。液相線温度未満では、ますます多くの結晶が生成することがある。固相線と液相線の温度は、全ての場合に一致する又は重複するとは限らない。固相線温度と液相線温度との間にギャップがある場合、それは「凍結範囲」又は「マッシュレンジ(mush range)」と呼ばれ、そのギャップ内においては、物質は固相と液相の混合物からなる。

0029

本明細書に記載の鉛フリーはんだ合金は、比較的高い融点、例えば少なくとも220℃の固相線温度を示し得る。固相線と液相線との間の温度範囲は、典型的には60℃以下である。

0030

本明細書に記載の鉛フリーはんだ合金は、良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示し、典型的には少なくとも150℃、例えば175℃までの動作温度に耐えることができる。合金は、従来のSn−Ag−Cu及びPb5Sn2.5Ag合金と比較して、改善された高温機械的特性を示すことができる。合金はまた、高い電気伝導率及び熱伝導率を示すことができる。

0031

前記合金は、例えば、高輝度LED(HBLED)、モータ制御、太陽集光装置セルRF回路、及びマイクロ波回路などの高出力半導体用途などの高動作温度用途に有利に使用することができる。

0032

前記合金は、鉛フリーであり、これは意図的に鉛が添加されないことを意味する。したがって、鉛の含量は、ゼロ又は偶発的な不純物レベル以下である。

0033

前記合金は、8〜15重量%のアンチモンを含む。好ましくは、合金は、8.5〜13重量%のアンチモン、より好ましくは9〜11重量%のアンチモン、更により好ましくは9.5〜10.5重量%のアンチモン、更により好ましくは約10重量%のアンチモンを含む。記載された量のアンチモンの存在は、スズとの固溶体の形成により、高温での合金の強度を改善するのに役立ち得る。

0034

前記合金は、0.05〜5重量%のビスマスを含む。好ましくは、合金は、0.08〜3重量%、より好ましくは0.1〜2重量%のビスマス、更により好ましくは0.5〜1.5重量%のビスマス含む。好ましい実施形態では、合金は、0.8〜1.2重量%のビスマスを含む。代替的な好ましい実施形態では、合金は、0.3〜0.7重量%のビスマスを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、0.2〜0.3重量%のビスマスを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、0.05〜0.2重量%のビスマスを含む。記載された量のビスマスの存在は、スズとの固溶体の形成により、高温での合金の強度を改善するのに役立ち得る。ビスマスは、高温機械的性質を改善するように作用し得る。ビスマスはまた、濡れ広がり性を改善することができる。

0035

前記合金は、0.1〜10重量%の銀を含む。好ましくは、合金は、1〜5重量%の銀、より好ましくは2〜4重量%の銀、更により好ましくは2.5〜4.2重量%の銀を含む。好ましい実施形態では、合金は、2.8〜3.2重量%の銀を含む。別の好ましい実施形態では、合金は、3.8〜4.2重量%の銀を含む。記載された量の銀の存在は、より高い熱疲労寿命に寄与し得る。更に、銀は、より良好な機械的特性に寄与する銀−スズ金属間化合物を形成し得る。銀はまた、濡れ広がり性を改善することができる。

0036

前記合金は、0.1〜4重量%の銅を含む。好ましくは、合金は、0.3〜3.5重量%の銅、より好ましくは0.4〜2.5重量%の銅、更により好ましくは0.5〜1.5重量%の銅、更により好ましくは約1重量%の銅を含む。銅は、銅−スズ金属間化合物を形成し、金属間化合物の形成により機械的特性、例えば強度の向上に寄与し得る。更に、銅の存在は、銅の溶解を減少させることがあり、耐クリープ性を改善することもできる。

0037

前記合金は、任意に以下のうちの1つ以上を含む。
1重量%までのニッケル、
1重量%までのコバルト、
1重量%までのチタン、
1重量%までのマンガン、
1重量%までのゲルマニウム、
10重量%までのアルミニウム、
10重量%までのケイ素。

0038

好ましい実施形態では、前記合金は、これらの元素のうちの1つを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、これらの元素のうちの2つを含む。好ましい実施形態では、合金は、ニッケルと、元素のうちの1つ以上、好ましくはこれらの元素のうちの1つとを含む。合金は、好ましくは、ニッケル及びコバルト、又はニッケル及びチタン、又はニッケル及びマンガン、又はニッケル及びゲルマニウム、又はニッケル及びアルミニウム、又はニッケル及びケイ素を含む。

0039

前記合金は、任意に、1重量%までのニッケル、例えば0.001〜1重量%のニッケルを含む。好ましくは、合金は、0.005〜1重量%のニッケル、より好ましくは0.008〜0.5重量%のニッケル、更により好ましくは0.015〜0.1重量%のニッケル、更により好ましくは0.018〜0.022重量%のニッケル、更により好ましくは約0.02重量%のニッケルを含む。記載された量のニッケルの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。例えば、ニッケルの存在は、複雑な金属間化合物の形成及び微細構造修飾を容易にし、機械的特性を改善することができる。ニッケルはまた、基板/はんだ界面でのIM成長を減少させることによって落下衝撃抵抗を上昇させることができる。

0040

前記合金は、任意に、1重量%までのコバルト、例えば0.001〜1重量%のコバルトを含む。好ましくは、合金は、0.005〜1重量%のコバルト、より好ましくは0.008〜0.5重量%のコバルト、更により好ましくは0.015〜0.1重量%のコバルトを含む。好ましい実施形態では、合金は、0.018〜0.022重量%のコバルト、例えば約0.02重量%のコバルトを含む。別の実施形態では、合金は、0.008〜0.012重量%のコバルト、例えば約0.01重量%のコバルトを含む。記載された量のコバルトの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。例えば、コバルトの存在は、複雑な金属間化合物の形成及び微細構造修飾を容易にし、高温クリープ及び高温引張特性などの機械的特性を改善することができる。コバルトは、基板/はんだ界面でのIMC成長を遅らせることができ、落下衝撃抵抗を上昇させることができる。

0041

前記合金は、任意に、1重量%までのチタン、例えば0.001〜1重量%のチタンを含む。好ましくは、合金は、0.003〜0.5重量%のチタン、より好ましくは0.005〜0.1重量%のチタン、更により好ましくは0.005〜0.015重量%のチタンを含む。記載された量のチタンの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。例えば、チタンの存在は、高温クリープ及び高温引張特性などの機械的特性を改善し得る複雑な金属間化合物及び微細構造改質の形成を促進することができる。チタンは、強度、界面反応、及び耐クリープ性を改善するのに役立ち得る。チタンはまた、基板/はんだ界面での銅の拡散を制御することによって落下衝撃性能を改善することができる。

0042

前記合金は、任意に、1重量%までのマンガン、例えば0.001〜1重量%のマンガンを任意に含む。好ましくは、合金は、0.003〜0.5重量%までのマンガン、より好ましくは0.005〜0.1重量%までのマンガン、より好ましくは0.005〜0.015重量%までのマンガン含む。記載された量のマンガンの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させことがある。例えば、マンガンの存在は、高温クリープ及び高温引張特性などの機械的特性を改善し得る複雑な金属間化合物の形成及び微細構造修飾を促進することができる。マンガンはまた、落下衝撃及び熱サイクル信頼性を改善することができる。

0043

前記合金は、任意に、1重量%までのゲルマニウム、例えば0.001〜1重量%のゲルマニウムを含む。好ましくは、合金は、0.003〜0.5重量%のゲルマニウム、より好ましくは0.005〜0.1重量%のゲルマニウム、更により好ましくは0.005〜0.015重量%のゲルマニウムを含む。好ましい実施形態では、合金は、0.008〜0.012重量%のゲルマニウム、例えば約0.01重量%のゲルマニウムを含む。記載された量のゲルマニウムの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。ゲルマニウムは、強度及び界面反応を改善するのに役立ち得る。ゲルマニウムは、脱酸剤としての役割も果たすことができる。ゲルマニウムは、濡れ性及び広がり性を改善することができる。

0044

前記合金は、任意に、10重量%までのアルミニウム、例えば0.001〜10重量%のアルミニウムを含む。好ましくは、合金は、0.005〜5重量%のアルミニウム、より好ましくは0.01〜1重量%のアルミニウム、更により好ましくは0.1〜0.5重量%のアルミニウムを含む。記載された量のアルミニウムの存在は、合金の熱伝導率及び電気伝導率を改善することができる。アルミニウムは、合金に添加される個々の元素の熱伝導率及び電気伝導率を上昇させ、より低い熱伝導率及び電気伝導率をもたらすより低い伝導率の金属間化合物の形成を妨げることができる。アルミニウムは、脱酸剤として役立ち得る。アルミニウムはまた、合金の濡れ性を改善することができる。

0045

前記合金は、任意に、10重量%までのケイ素、例えば0.001〜10重量%のケイ素を含む。好ましくは、合金は0.005〜5重量%のケイ素、より好ましくは0.01〜1重量%のケイ素、更により好ましくは0.1〜0.5重量%のケイ素を含む。記載された量のケイ素の存在は、合金の熱伝導率及び電気伝導率を改善することができる。ケイ素は、合金に添加される個々の元素の熱伝導率及び電気伝導率を上昇させ、より低い熱伝導率及び電気伝導率をもたらすより低い伝導率の金属間化合物の形成を妨げることができる。

0046

前記合金は、任意に、1重量%までの金(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までのクロム(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までの亜鉛(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までの鉄(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までのテルル(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までのセレン(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までのモリブデン(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までのモリブデン(例えば0.01〜0.1重量%)、及び1重量%までの白金(例えば0.01〜0.1重量%)を含むことができる。このような元素は、脱酸剤として役立ち得る。このような元素は、強度及び界面反応を改善するのに役立ち得る。亜鉛の存在は、固溶体強化によって機械的特性を改善するように作用することができる。

0047

前記合金は、任意に、1重量%までのリン(例えば0.01〜0.1重量%)、1重量%までのカルシウム(例えば0.01〜0.1重量%)、及び1重量%までのバナジウム(例えば0.01〜0.1重量%)を含むことができる。このような元素は、脱酸剤として役立ち得る。そのような元素の存在は、合金の濡れ性を改善することができる。

0048

前記合金は、任意に、5重量%までのインジウム(例えば0.01〜1重量%のインジウム)を含むことができる。インジウムの存在は、固溶体強化により機械的特性を改善するように作用することができる。

0049

前記合金は、任意に、1重量%までの砒素(例えば0.01〜0.1重量%の砒素)を含むことができる。砒素は、酸化剤として作用することができ、また、広がり性及び濡れ性も改善することができる。砒素はまた、合金強度及び界面反応を改善するように作用することができる。

0050

前記合金は、任意に、1重量%までのガリウム(例えば0.01〜0.1重量%のガリウム)を含むことができる。ガリウムの存在は、固溶体強化により機械的特性を改善するように作用することができる。ガリウムは、脱酸剤としても役立つことができる。ガリウムは、濡れ性及び広がり性を改善することができる

0051

前記合金は、任意に、1重量%までの希土類元素(例えば0.01〜0.1重量%)を含むことができる。希土類は、広がり性及び濡れ性を改善するように作用することができる。セリウムは、この点で特に効果的であることが分かっている。

0052

前記合金は、典型的には、少なくとも70重量%のスズ、より典型的には少なくとも75重量%のスズ、更により典型的には少なくとも80重量%のスズを含む。

0053

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.5〜1.5重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、及び残部であるスズと不可避的な不純物を含む。

0054

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.5〜1.5重量%のビスマス、3.5〜4.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量のニッケル、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0055

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.2〜0.8重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、任意に、0.005〜0.07重量%のゲルマニウム、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0056

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、任意に、0.005〜0.015重量%のゲルマニウム、及び残部であるスズ及び不可避の不純物を含む。

0057

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.1〜0.4重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、以下のうちの少なくとも1つ:(i)0.005〜0.015重量%のマンガン、(ii)0.005〜0.015重量%のチタン、又は(iii)0.01〜0.08重量%のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0058

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、3.5〜4.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0059

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のチタン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0060

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のゲルマニウム、0.005〜0.015重量%のマンガン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0061

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のゲルマニウム、0.005〜0.015重量%のチタン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0062

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のゲルマニウム、0.005〜0.05重量%のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0063

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のチタン、0.005〜0.015重量%のマンガン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0064

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.05重量%のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0065

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のチタン、0.005〜0.05重量%のコバルト、及び残部であるスズと任意の不可避の不純物を含む。

0066

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のマンガン、0.01〜0.05重量%のアルミニウム、0.01〜0.05重量%のケイ素、及び残部であるスズと任意の不可避の不純物を含む。

0067

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のマンガン、0.05〜0.5重量%のアルミニウム、0.05〜0.5重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0068

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のマンガン、1〜3重量%のアルミニウム、1〜3重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0069

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のコバルト、0.01〜0.05重量%のアルミニウム、0.01〜0.05重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0070

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のコバルト、0.05〜0.5重量%のアルミニウム、0.05〜0.5重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0071

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.05重量%のコバルト、1〜3重量%のアルミニウム、1〜3重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0072

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.01〜0.05重量%のニッケル、0.005〜0.015重量%のマンガン、0.005〜0.05重量%のコバルト、0.05〜0.5重量%のアルミニウム、0.05〜0.5重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0073

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のマンガン、0.01〜0.05重量%のアルミニウム、0.01〜0.05重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0074

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のマンガン、0.05〜0.5重量%のアルミニウム、0.05〜0.5重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0075

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のマンガン、1〜3重量%のアルミニウム、1〜3重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0076

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.05重量%のコバルト、0.01〜0.05重量%のアルミニウム、0.01〜0.05重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0077

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.05重量%のコバルト、0.05〜0.5重量%のアルミニウム、0.05〜0.5重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0078

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.05重量%のコバルト、1〜3重量%のアルミニウム、1〜3重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0079

好ましい実施形態では、前記合金は、9〜11重量%のアンチモン、0.05〜0.2重量%のビスマス、2.5〜3.5重量%の銀、0.5〜1.5重量%の銅、0.005〜0.015重量%のマンガン、0.005〜0.05重量%のコバルト、0.05〜0.5重量%のアルミニウム、0.05〜0.5重量%のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。

0080

合金は、215℃以上の固相線温度を有することが好ましい。これにより、合金を高い動作温度の用途に有利に使用することが可能になる。

0081

本明細書に記載の合金は不可避の不純物を含むことができるが、これらは合計で組成の1重量%を超える可能性は低いことが理解されよう。好ましくは、前記合金は、組成の0.5重量%以下、より好ましくは組成の0.3重量%以下、更により好ましくは組成の0.1重量%以下、更により好ましくは組成の0.05重量%以下、最も好ましくは組成の0.02重量%以下の量で不可避の不純物を含む。

0082

本明細書に記載の合金は、記載された元素から本質的になるものであってもよい。したがって、組成の本質的な特徴がそれらの存在によって実質的に影響を受けなければ、必須であるこれらの要素に加えて、他の特定されていない要素が組成物中に存在してもよい。

0083

好ましい実施形態では、はんだは、バー、スティック、固体又はフラックス入りワイヤホイル又はストリップフィルムプリフォーム、又は粉末又はペースト(即ち、粉末とフラックスとのブレンド)、又はボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用される。

0084

好ましい実施形態では、合金はペーストの形態である。ペーストは、典型的には、はんだ合金の粒子(典型的には粉末の形態である)及びフラックスを含む。

0085

好ましい実施形態では、はんだ合金はプリフォームの形態である。プリフォームは、それが使用される用途に特別に設計されたはんだの予め作られた形状である。はんだプリフォームを製造するために、例えばスタンピングのような多くの方法を使用することができる。プリフォームはフラックスを含むことができる。フラックスは、はんだプリフォームの内部の内部フラックス又ははんだプリフォームを被覆する外部フラックスであってもよい。

0086

更なる態様において、本発明は、本明細書に記載の合金を含むはんだ接合部を提供する。

0087

更なる態様では、本発明は、本明細書に記載のはんだ接合部を含む高輝度LED(HBLED)、モーター制御、太陽集光装置セル、RF回路、又はマイクロ波回路を提供する。

0088

更なる態様では、本発明は、はんだ接合部を形成する方法であって、
(i)接合される2つ以上のワークピースを提供することと、
(ii)本明細書に記載のはんだ合金を提供することと、
(iii)前記はんだ合金を、前記接合すべきワークピースの近傍で加熱することとを含む。

0089

加熱は、例えば、125℃を超える温度、例えば150℃を超える温度、又は200℃を超える温度、又は220℃を超える温度で行うことができる。

0090

更なる態様では、本発明は、ウェーブはんだ付け、表面実装技術(SMT)はんだ付け、ダイ取付けはんだ付け、熱界面はんだ付け、手はんだ付け、レーザ及びRF誘導はんだ付けソーラーモジュールに対するはんだ付け、LEDパッケージ基板のはんだ付け、及び再加工はんだ付けなどのはんだ付け方法における、本明細書に記載の合金の使用を提供する。

0091

更なる態様では、本発明は、限定されるものではないが、電気自動車EV)、ハイブリッド電気自動車HEV)、モータ駆動装置電力インバーター、風力タービン、又はレール牽引システムを含む用途のための電力モジュールに対するはんだ付けにおける、本明細書に記載の合金の使用を提供する。

0092

更なる態様では、本発明は、ダイ取付はんだ付け、真空はんだ付け、ウェーブはんだ付け、選択的はんだ付け、表面実装技術はんだ付け、熱界面はんだ付け、手はんだ付け、レーザー及びRF誘導はんだ付け、ソーラーモジュールに対するはんだ付け、LEDパッケージ基板のはんだ付け、及び再加工はんだ付けにおける、本明細書に記載の合金の使用を提供する。

0093

更なる態様では、本発明は、220℃以上の温度に合金を加熱することを含むはんだ付け方法における、本明細書に記載のはんだの使用を提供する。

0094

更なる態様では、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
4〜17重量%のアンチモン、好ましくは8〜15重量%のアンチモンと、
0.05〜5重量%のビスマスと、
0.1〜10重量%の銀と、
0.1〜4重量%の銅と、
任意に以下のうちの1つ以上と:
1重量%までのニッケル、
1重量%までのコバルト、
1重量%までのチタン、
1重量%までのマンガン、
1重量%までのゲルマニウム、
10重量%までのアルミニウム、
10重量%までのケイ素、
5重量%までのインジウム、
1重量%までのクロム、
1重量%までの亜鉛、
1重量%までの砒素、
1重量%までの鉄、
1重量%までのリン、
1重量%までの金、
1重量%までのガリウム、
1重量%までのテルル、
1重量%までのセレン、
1重量%までのカルシウム、
1重量%までのバナジウム、
1重量%までのモリブデン、
1重量%までの白金、
1重量%までの希土類元素、
残部であるスズ及び不可避の不純物とを含む鉛フリーはんだ合金を提供する。

0095

本発明の他の態様の有利且つ選択的な特徴及び好ましい特徴は、この態様にも等しく適用される。1つの実施形態では、前記合金は、ビスマスを含まなくてもよい。

0096

更なる態様では、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
8〜15重量%のアンチモンと、
任意に以下のうちの1つ以上と:
0.05〜5重量%のビスマス、
0.5〜5重量%の銀、
0.1〜2重量%の銅、
1重量%までのニッケル、
1重量%までのコバルト、
1重量%までのチタン、
1重量%までのマンガン、
1重量%までのゲルマニウム、
5重量%までのアルミニウム、
5重量%までのケイ素、
5重量%までのインジウム、
1重量%までのクロム、
1重量%までの亜鉛、
1重量%までの砒素、
1重量%までの鉄、
1重量%までのリン、
1重量%までの金、
1重量%までのガリウム、
1重量%までのテルル、
1重量%までのセレン、
1重量%までのカルシウム、
1重量%までのバナジウム、
1重量%までのモリブデン、
1重量%までの白金、
1重量%までの希土類元素、
残部であるスズ及び不可避の不純物とを含む鉛フリーはんだ合金を提供する。

0097

本発明の他の態様の有利且つ選択的な特徴及び好ましい特徴は、この態様にも等しく適用される。

0098

以下、本発明は、これらの合金の幾つかの非限定的な例及びそれらの性能についてまとめることによって、更に説明される。

0099

表1は、本発明に係る選択された合金の固相線温度及び液相線温度を示す。



実施例1−A1

0100

A1は、10重量%のアンチモン、1重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A1の固相線温度及び液相線温度はそれぞれ220及び264℃(表1)であり、平均クリープ破断時間は31.1時間である(図9)。なお、合金の固相線温度及び液相線温度は、示差走査熱量測定DSC試験を用いて10℃/分の加熱速度で測定した。クリープ破断時間は、特に断りのない限り、150℃及び負荷200Nで測定した。
実施例2−A2

0101

A2は、約10重量%のアンチモン、1重量%のビスマス、4重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A2は、220〜262℃の融解範囲を有し(表1)、平均クリープ破断時間は、19.5時間である(図9)。
実施例3−A3

0102

A3は、約10重量%のアンチモン、0.5重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A3は、220〜266℃の融解範囲を有し(表1)、平均クリープ破断時間は、33.3時間である(図9)。
実施例4−A4

0103

A4は、約10重量%のアンチモン、0.5重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.04重量%のゲルマニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A4のクリープ破断時間は、27.2時間である(図9)。
実施例5−A5

0104

A5は、約10重量%のアンチモン、0.25重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A5のクリープ破断時間は、31.4時間である(図9)。
実施例6−A6

0105

A6は、約10重量%のアンチモン、0.25重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.01重量%のゲルマニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A6のクリープ破断時間は、33時間である(図9)。
実施例7−A7

0106

A7は、約10重量%のアンチモン、0.25重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.01重量%のマンガン、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A7のクリープ破断時間は、28.3時間である(図9)。
実施例8−A8

0107

A8は、約10重量%のアンチモン、0.25重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.01重量%のチタン、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A8のクリープ破断時間は、36.9時間である(図9)。
実施例9−A9

0108

A9は、約10重量%のアンチモン、0.25重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.02重量%のコバルト、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A9のクリープ破断時間は、38時間である(図9)。
実施例10−A10

0109

A10は、約10重量%のアンチモン、0.1重量%のビスマス、4重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.01重量%のコバルト、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A10のクリープ破断時間は、31.6時間である(図9)。
実施例11−A11

0110

A11は、約10重量%のアンチモン、0.1重量%のビスマス、3重量%の銀、1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.02重量%のチタン、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A11のクリープ破断時間は、36.2時間である(図9)。
実施例12−A12

0111

A12は、約10重量%のアンチモン、0.1重量%のビスマス、3重量%の銀、0.1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.01重量%のコバルト、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A12は、220〜272℃の融解範囲を有し(表1)、平均クリープ破断時間が63.3時間であり(図9)、室温引張強さが97.3MPaである(図5)。なお、ここでは、10−3のひずみ速度(引張測定の試験方法のためのASTME8/E8M−09を参照されたい)を用いて、室温又は150℃で極限引張強度(UTS)及び降伏強度(YS)を測定した(詳細については対応する図を参照のこと)。
実施例13−A13

0112

A13は、10重量%のアンチモン、0.1重量%のビスマス、3重量%の銀、0.1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.5重量%のアルミニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A13は、223〜251℃の融解範囲を有し(表1)、平均クリープ破断時間が41.5時間であり(図9)、室温引張強さが83.9MPaである(図5)。
実施例14−A14

0113

A14は、10重量%のアンチモン、0.1重量%のビスマス、3重量%の銀、0.1重量%の銅、0.02重量%のニッケル、0.5重量%のアルミニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。A14は、222〜238℃の融解範囲を有し(表1)、平均クリープ破断時間が57.5時間であり(図9)、室温引張強さが91.1MPaである(図5)。
実施例15〜100

0114

表2に示す組成を有する多くの更なる実施例合金を製造した。これらの合金はいずれも、少なくとも220℃の固相線温度及び良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示した。

0115

表2は、本発明に係る実施例A15〜A100の合金組成を示す。

0116

図1は、合金A1〜A3の微細構造を示す。以下の4種類の相成分がSEM−EDSを用いて同定される:即ち、(1)Snリッチ固溶体(90%超のSn)、(2)SnSb相(Snを最大55重量%、Sbを最大45重量%含む)、(3)Ag3Sn、及び(4)Cu6Sn5。

0117

図2及び3は、Bi及びSb含量をそれぞれ変化させたときの、本発明の合金の固相線温度及び液相線温度を示す。Sn−Ag−Cu−Sbに2重量%を超えるBiを添加すると、固相線温度が大幅に低下し、高い動作温度の用途で提案の合金の使用が更に妨げられる。一方、高い動作温度を有する合金を得るために7.5%超のSbが必要であり、280〜300℃のピーク温度でリフローする。更に、Ag及びCuの効果を理解するために、選択されたSn−Ag−Cu−Sb−Bi合金の溶融温度(最適化されたBi及びSb)を表1に示した。これらの結果から、液相線温度は、銅の含量によって若干の影響を受けることが明らかである。例えば、A12は、より少ない銅を有する合金であり、より高い液相線温度を示している。一方、Ag含量を増加させても、液相線温度は変化しない。例えば、A19〜A21は、様々なレベルでAgを添加した合金であるが、融解温度範囲は殆ど変化しない。本発明に包含される実際的な用途では、理想的な合金は、280〜300℃のピークリフローでリフローすることができるように、265℃未満の液相線温度を有する。それに加えて、所望の固相線温度は220℃超となり、その所望の液相線温度は240℃超となり、図4に例示されるように、得られたはんだ接合部は、150℃超の動作温度で高い疲労寿命を有する。

0118

室温及び高温(150℃)の引張特性を測定した。選択した結果を図5〜8に示す。本合金の強度は、従来の高鉛合金(例えば92.5Pb5Sn2.5Ag(図中、PbSnAgと称する))に比べて遥かに優れていることが明らかである。更に、合金の強度は、Sn−Ag−Cu−Sb−Biにより多くのビスマスを添加することによって上昇させることができる(図7及び図8)。例えば、A1〜A3は、他の例と比較してビスマス含量の高い合金であり、A1〜A3は、室温と高温の両方でより高い強度を有する(図5及び図6)。

0119

合金のクリープ破断時間を測定した。選択された結果を図9に示す。ビスマスが最適化され、少なくとも2つの副合金添加剤(minor alloying additions)を有する合金が、より長いクリープ破断時間を付与するために必須であることが明らかである。例えば、A9は、最適化されたBi含量と、2つの副添加剤を有する合金であるが、他の全ての合金と比較して最も長いクリープ破断時間を示している。A9のクリープ破断時間は、既存の92.5Pb5Sn2.5Ag(図中、PbSnAgと称する)の約18倍である。

0120

合金の疲労寿命を、高サイクル試料弾性限度内で交番応力/歪みに付す)と低サイクル疲労レジーム(試料をプラスチック領域内で交番応力/歪みに付す)の両方で、応力比0.1を用いて測定した。本発明に記載の合金の優れた疲労寿命を示す選択された合金の実験結果を図10に示す。実施例A0は、意図的にビスマスが添加されていない合金であり、実施例A9及びA10は、ビスマスが最適化された、2つの副合金添加剤によるものである。結果は、ビスマスを含まない合金に比べてビスマスを含む合金の疲労寿命が高いことを示す。

0121

クリープ試験及び疲労試験が同じ傾向にしたがうこと、即ち、両方の試験において、ビスマスが最適化され、少なくとも2つの副合金添加剤を有する合金のより良好な特性が示されることは興味深い。

0122

Sn−Ag−Cu−Sb−BiへのAlの添加は、融解温度及びクリープ破断時間に著しく影響する。例えば、A13及びA14は、アルミニウムを含む合金であるが、A9と比較して低い液相線温度(表1)及び50%長いクリープ破断時間を示している。

0123

前述の詳細な説明は、説明及び例示のために与えられたものであり、添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書に示された好ましい実施形態における多くの変形は、当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内にある。

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