DE19538992A1 - Wismut-Zinn-Lötmittel-Verbindungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Legierungszusammenset­ zung, die als Lötmittel brauchbar ist. Insbesondere ist die­ selbe eine bleifreie Legierung mit niedriger Schmelztempera­ tur, die effektive Mengen von Wismut, Zinn und Gold auf­ weist.

Lötmittel werden bei der elektronischen Montage umfassend verwendet. Bleifreie Lötmittel wurden angestrebt, um den giftigen Effekt von Blei (Pb) zu überwinden, indem Blei so­ wohl aus den elektronischen Geräten als auch aus der Her­ stellungsumgebung beseitigt wird. Lötmittel wurden ent­ wickelt, die bleifrei sind und niedrige Schmelztemperaturen aufweisen, was dieselben für viele elektrische Verbindungs­ funktionen geeignet macht. Da jedoch der Abstand auf IC-Bau­ elementen immer feiner wird, sind die mechanischen Eigen­ schaften einiger bleifreier Tieftemperatur-Lötmittel proble­ matisch, obwohl ihre elektrischen Eigenschaften adäquat sind.

Die mechanischen Eigenschaften, die für kommerziell lebens­ fähige Verbrauchsgüter wesentlich sind, schließen eine adä­ quate Verformbarkeit, eine Festigkeit und eine Dauerhaltbar­ keit ein. Bleifreie Lötmittel, wie beispielsweise eutekti­ sches Wismut-Zinn (58Bi-42Sn), weisen für ein Tieftempera­ tur-Löten den geeigneten Schmelzpunkt auf, lassen jedoch die erforderlichen mechanischen Charakteristika vermissen. Bi-Sn besitzt eine schlechte Verformbarkeit und Dauerhaltbarkeit und begrenzt somit die Brauchbarkeit bei der elektronischen Montage. Die schlechte Verformbarkeit und die Anfälligkeit für eine Ermüdung übertragen sich auf einen Geräteausfall als eine Folge physikalisch gebrochener Verbindungen entwe­ der aufgrund der mechanischen Belastung während einer Ver­ frachtung und Handhabung oder eines längeren Betriebs (auf­ grund des Durchlaufens von Temperaturzyklen, die Perioden einer Verwendung und einer Nicht-Verwendung entsprechen, die "thermomechanische Belastungen" erzeugen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bleifrei­ es Tieftemperatur-Lötmittel für die elektronische Montage zu schaffen, daß eine gute Verformbarkeit, eine gute Festigkeit und eine gute Dauerhaltbarkeit zeigt.

Diese Aufgabe wird durch ein bleifreies Lötmittel gemäß Pa­ tentanspruch 1 sowie eine Legierung gemäß Patentanspruch 3 gelöst.

Die Erfindung, die hierin gelehrt wird, liefert eine Legie­ rungszusammensetzung, die im wesentlichen bleifrei ist. Die Erfindung liefert ferner eine Legierungszusammensetzung, die eine tiefe Schmelztemperatur mit einem Schmelzpunkt von nä­ herungsweise 180 Grad C aufweist. Die Erfindung liefert fer­ ner eine Legierungszusammensetzung, die für elektrische Ver­ bindungen geeignet ist und verglichen mit eutektischem Wis­ mut-Zinn eine mehr als 100%-ige Verbesserung der Verformbar­ keit, eine mehr als 10%-ige Zunahme der Festigkeit und eine erwartete vergleichsweise Zunahme der Dauerhaltbarkeit zeigt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zusammensetzun­ gen, die effektive Mengen von Wismut-Zinn und Gold enthal­ ten. Alternativ können die Zusammensetzungen Wismut, Zinn und Silber oder Wismut, Zinn und Platin enthalten. Die be­ vorzugten Legierungen sind diejenigen, die die Korngrößen- Verfeinerung unter einem gegebenen Satz von Verfestigungsbe­ dingungen verbessern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Scherbelastung und die Dehnung von vier Materia­ lien;

Fig. 2 die Scherbelastung und die Dehnung der Materialien von Fig. 1 bei unterschiedlichen Dehnungsraten;

Fig. 3, die die Fig. 3A und 3B einschließt, optische Mikro­ bilder der Erfindung bzw. des Stands der Technik; und

Fig. 4 ein optisches Mikrobild des Stands der Technik.

Eine Korngrößen-Verfeinerung und die darauf bezogenen mecha­ nischen Eigenschaften können verbessert werden, indem gerin­ ge Mengen von Gold, Silber oder Platin zu Wismut-Zinn hinzu­ gefügt werden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist eine Legierung, die einen Masseanteil von etwa 51,1 bis 57,9% Wismut; einen Masseanteil von etwa 41,0 bis 41,9% Zinn und einen Masseanteil von zumindest einem der Materialien Gold, Silber oder Platin von etwa 0,1 bis 0,99% enthält.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Zusam­ mensetzung Wismut eines Masseanteils von 97,9%, Zinn eines Masseanteils von 41,9% und Gold eines Masseanteils von 0,2% auf. Das Hinzufügen von Gold in Bi-Sn-Lötmittel-Verbindungen kann erhalten werden, indem entweder die Lötlegierungen mit einem Goldzusatz verwendet werden, oder indem Gold auf die Lötoberfläche plattiert wird, und indem das plattierte Gold während des Lötprozesses in dem geschmolzenen Bi-Sn aufge­ löst wird, wie in dem folgenden Beispiel gezeigt ist.

Kupferplatten mit Goldplattierungen einer Dicke von 0,127 µm (5 Mikro-Inch) und 1,27 µm (50 Mikro-Inch) wurden vorberei­ tet. Lötmittel-Verbindungsstellen von 254 µm (10 mil) Dicke wurden durch Aufschmelzen von 58Bi-42Sn-Lötmittelpaste zwi­ schen zwei goldplattierten Kupferplatten hergestellt. Nach dem Aufschmelzen bildet Gold, das gleichmäßig in den Lötmit­ tel-Verbindungsstellen verteilt ist, annähernd Zusammenset­ zungen von 57,9Bi-41,9Sn-0,2Au (mit einer Plattierung von 0,127 µm (5 Mikro-Inch)) bzw. 56Bi-41Sn-2Au (mit einer Plat­ tierung von 1,27 µm (50 Mikro-Inch)).

Die Lötmittel-Verbindungsstellen dieser zwei Zusammensetz­ ungen wurden jeweils bei Zimmertemperatur und zwei Dehnungs­ raten (0,01 sec^-1 und 0,001 sec^-1) einem Scherversuch unter­ worfen. Fig. 1 zeigt die Ergebnisse des Scherversuchs bei 0,01 sec^-1 der vier Typen von Lötmittel-Verbindungsstellen- Proben. Die Probe, die mit 58Bi-42Sn/5mIn (mIn = Mikro-Inch) bezeichnet ist und aus 57,9Bi-41,9Sn-0,2Au besteht, besitzt sowohl eine größere Verformbarkeit (Dehnung, die vor einer Auftrennung der Lötmittel-Verbindungsstelle ausgehalten wird) als auch eine größere Festigkeit (maximale Belastung) als sowohl die Probe, die mit 58Bi-42Sn/Cu bezeichnet ist und aus 58Bi-42Sn besteht oder die Probe, die mit 58Bi- 42Sn/mIn bezeichnet ist und aus 56Bi-41Sn-2Au besteht.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse des Scherversuchs bei 0,001 sec^-1. Die Ergebnisse sind ähnlich den Ergebnissen des Tests bei 0,01 sec^-1 mit der Ausnahme, daß die Verformbarkeit von 57,9Bi-51,9Sn-0,2Au nun näherungsweise gleich der von 63Sn- 37Pb ist, dem Lötmittel, das am weit verbreitesten bei der elektronischen Gehäusung und Montage verwendet wird.

Die Fig. 3 und 4 sind die optischen Mikrobilder von 57,9Bi- 41,9Sn-0,2Au und 58Bi-42Sn bei der gleichen Vergrößerung. Es ist offensichtlich, daß die Korn- (oder Phasen-) größe von 57,9Bi-41,9Sn-0,2Au wesentlich kleiner als die von 58Bi-42Sn ist.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Erfin­ dung Wismut, Zinn und Silber in ähnlichen Gewichtsverhält­ nissen auf, wobei Silber einen Masseanteil von 0,99% nicht überschreitet. Die resultierende Zusammensetzung erzeugt eine verfeinerte Mikrostruktur und verbesserte mechanische Eigenschaften. Sowohl Au als auch Ag bilden Nadel-förmige intermetallische Phasen, die sich vor dem Rest des Lötmit­ tels verfestigen werden. Diese können als heterogene Nu­ kleierungsstellen wirken. Es wird erwartet, daß Platin (Pt) einen ähnlichen Effekt in Wismut-Zinn-Platin-Verbindungen aufweist, wobei Platin einen Masseanteil von 0,99% nicht übersteigt.

Die erfindungsgemäßen Legierungen können bei der elektroni­ schen Gehäusung und Montage vielfach Anwendung finden, da die Legierungen bleifrei sind, einen tiefen Schmelzpunkt haben und überlegene mechanische Eigenschaften aufweisen.

Claims (3)

1. Bleifreie Lötmittel-Legierung, die effektive Mengen von Wismut-Zinn und Gold aufweist, wobei die Zusammenset­ zung eine nahezu eutektische Schmelztemperatur von etwa 138 Grad C aufweist.

2. Legierung gemäß Anspruch 1, die aus einem Masseanteil von 42% Zinn, einem Masseanteil von weniger als 1% Gold und einem Masseanteil von mehr als 58% Wismut besteht.

3. Legierung, die einen Masseanteil von etwa 58% Wismut, einen Masseanteil von etwa 42% Zinn und einen Massean­ teil von etwa 0,1% bis 0,99% von Elementen aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Gold, Sil­ ber und Platin besteht.