DE60217199T2

DE60217199T2 - Bleifreies Weichlot und Weichlotverbindung

Info

Publication number: DE60217199T2
Application number: DE60217199T
Authority: DE
Inventors: Yoshitome Toyota-shi Daisuke; Tanaka Toyota-shi Yasuhisa
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: EP1231015A1; US20020150787A1; KR100499754B1; CN1190294C; DE60217199D1; CN1369351A; US6689488B2; KR20020066215A; EP1231015B1

Description

STAND DER TECHNIK FÜR DIE ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein bleifreies Lot und insbesondere ein solches, das für eine Kugel-Gitter-Anordnung und dergleichen geeignet ist. Zusätzlich ist die Erfindung auf eine Lötverbindung mit verbesserten thermischen Ermüdungseigenschaften gerichtet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die binäre Sn-Ag-Legierung, die als bleifreies Lot verwendet wird, hat einen eutektischen Punkt bei Ag = 3,5 Gew.% und einer Temperatur von 221°C. Die binäre Sn-Ag-Legierung mit eutektischer Zusammensetzung hat ein solches Gefüge, dass das Sn-Ag₃Sn-Eutektikum auf den Korngrenzen der primären Sn-Kristalle dispergiert ist.
Die bekannte auf Sn-Ag basierende Legierung enthält Sn-3,5%Ag-0,7%Cu, d.h., dass 0,7% Cu dem Sn-3,5%Ag-Eutektikum zugesetzt sind. Angeblich beträgt der Schmelzpunkt von Sn-3,5%Ag-0,7%Cu 217 bis 219°C und ist somit niedriger als derjenige der binären Sn-Ag-Legierung.
In USP Nr. 5 527 628 ist beschrieben, dass Sn-4,7%Ag-1,7%Cu der eutektischen Zusammensetzung bei etwa 217°C entspricht. In jenem Patent wird vorgeschlagen, dass der Gehalt an Sn, Ag und Cu von der eutektischen Zusammensetzung in einen derartigen Bereich verschoben wird, dass der Schmelzpunkt nicht um 15°C oder mehr höher als der eutektische Punkt wird. Es ist beschrieben, dass mindestens zwei intermetallische Verbindungen, beispielsweise Cu-reiches Cu₆Sn₅ und Ag-reiches Ag₃Sn, in der β-Sn-Phase fein dispergiert sind und Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit der Legierung erhöhen.
Die Anmelderin und Toyota Central Research Co., Ltd. haben eine sehr zuverlässige Sn-2,5Ag-3,0Bi-1,0In-0,2Cu entwickelt (5. Symposium zu "Microjoining and Assembly Technology in Electronics", 4. bis 5. Februar 1999, Seiten 403 bis 408). Diese Legierung besitzt einen Schmelzpunkt von 202 bis 216°C und verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung.
Da Bi einen außergewöhnlichen Effekt auf die Senkung des Schmelzpunktes einer auf Sn-Ag basierenden Legierung und die Festigkeitserhöhung der Legierung hat, wird Bi häufig Pb-freien auf Sn-Ag basierenden Lotlegierungen zugesetzt (beispielsweise Japanisches Patent Nr. 2 805 595 und ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen [Kokai] Nrn. 8-132277, 8-187590, 8-206874 und 10-34376).
Wenn eine Lötverbindung einer thermischen Ermüdung unterliegt, werden die Verbindungsteile aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der konstruktiven Bestandteile der Lötverbindung wiederholt Spannungen ausgesetzt. In "Materia", Bd. 38, Nr. 12, S. 942-946 (1999) wird über Forschungen zur Bewertung der Wärmeermüdungseigenschaften durch ein Zugprüfverfahren unter variierenden Spannungsgeschwindigkeiten berichtet. Entsprechend diesem Bericht wurde eine Zusammensetzung, die ähnlich der weiter oben genannten Sn-2,5Ag-3,0Bi-1,0In-0,2Cu-Legierung war, geprüft und eine verbesserte Widerstandsfähigkeit dieser Legierung gegen thermische Ermüdung bestätigt.
In der nationalen japanischen Patentveröffentlichung (Tokuhyo) 2001-504760 der PCT/US98/02022 (internationale Patentveröffentlichung WO 98/34755 vom 13. August 1998) ist beschrieben, dass, da bei dem ternären Eutektikum Sn-4,7%Ag-1,7%Cu ein nachteiliges Wachstum der intermetallischen Verbindungsschicht auftritt, Ni, Co, Fe und dergleichen dieser Legierung zugesetzt werden. Wenn ein Cu-Leiter mit dem auf Sn basierenden Lot verlötet wird, ist eine intermetallische Verbindungsschicht wie eine Cu₆Sn₅-Schicht an der Grenzfläche dünn. Entsprechend der Theorie, die in jener nationalen Patentveröffentlichung vorgeschlagen worden ist, ist die erstarrte intermetallische Verbindungsschicht aufgrund des Zusatzes von Ni und dergleichen dünn. Ni und dergleichen modifizieren die Gestalt der intermetallischen Verbindungsschicht auf eine solche Weise, dass deren Wachstum unterdrückt wird.
Zur elektrischen Verbindung elektronischer Bauteile werden kleine Kügelchen mit einer Größe von 0,1 bis 1,2 mm, die als BGA-Kugeln bezeichnet werden, verwendet. Da die BGA-Kugeln für das Multi-Pin-Verbindungsverfahren geeignet sind, werden sie in den letzten Jahren immer mehr verwendet. Ebenfalls wird für die BGA-Kugel-Lötverbindung ein bleifreies auf Sn-Ag basierendes Lot verwendet. Bei diesem BGA-Kugeln einsetzenden Verbindungsverfahren verursacht die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der konstruktiven Bestandteile Spannungen in den Verbindungsbereichen von Lotkugeln und Ni- oder Cu-Grundwerkstoff.
Ein thermischer Ermüdungsbruch der Lötverbindung tritt sowohl in der Lotmasse als auch in der Grenzfläche der Verbindung auf. In "Materia", Bd. 38, Nr. 12, S. 942-946 (1999) wird der bisherige Wärmeermüdungsbruch aufgeklärt. In einer inzwischen veröffentlichten Untersuchung steht, dass, da Sn-3,5Ag-5Bi durch den Bi-Zusatz verfestigt ist, der Ermüdungsbruch auf die intermetallischen Verbindungen in der Verbindungsgrenzfläche zurückzuführen ist (Surface Mounting Pocket Handbook, Lead-Free Solder Technique, herausgegeben von Tadatomo Suga, 28. April 2000, erste Auflage, zweiter Nachdruck, Seiten 90-91). Von den Erfindern ist das thermische Ermüdungsverhalten von BGA-Kugeln untersucht und festgestellt worden, dass die thermische Ermüdung von BGA-Kugeln mit dem Wachstum der intermetallischen Verbindung zusammenhängt, die durch eine Reaktion gebildet wird, die zwischen dem Lot und dem Grundwerkstoff während des Lötvorgangs in den zu verbindenden Bereiche stattfindet. In JP 09 155 586 A ist eine bleifreie Lotlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit beschrieben, die aus 0,5 bis 3,5 Gew.% Ag, 0,3 bis 2,0 Gew.% Cu, 1,0 bis 4,0 Gew.% In und dem Rest Sn besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Beim BGA-Verbinden ist es, da einem schmalen Verbindungsbereich einer Lotkugel auf der Umfangsfläche des Verbindungsbereiches eine horizontale Spannung mitgeteilt wird, sehr wahrscheinlich, dass eine anfängliche thermische Ermüdung auftritt. Insbesondere wird von dieser Spannung die Diffusion von Ni oder Cu in das Lot beschleunigt, wobei Ni oder Cu mit hoher Konzentration in dem während des Lötverbindens gebildeten Verbindungsbereich enthalten ist. Die intermetallische Verbindung wächst somit dicker als diejenige, die an der Verbindungsstelle gebildet wird, mit dem Ergebnis, dass in dem Bildungsbereich der intermetallischen Verbindung ein Ermüdungsbruch auftritt.
Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, die Ni- oder Cu-Diffusion von der Verbindungsgrenzfläche in die Masse des Lots zu unterdrücken und eine bleifreie Weichlotlegierung für BGA-Kugeln mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Ermüdung bereitzustellen.
Weiterhin liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, die Ni- oder Cu-Diffusion von der Verbindungsgrenzfläche in die Masse des Lots der BGA-Kugeln zu verhindern und eine bleifreie Lötverbindung mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Ermüdung bereitzustellen.
Entsprechend den erfindungsgemäßen Aufgaben wird ein bleifreies Weichlot bereitgestellt, das in prozentualen Gewichtsanteilen 1,0 bis 3,5% Ag, 0,1 bis 0,7% Cu, 0,1 bis 2,0% In und mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 0,03 bis 0,15% Ni, 0,01 bis 0,1% Co und 0,01 bis 0,1% Fe besteht, enthält, wobei der Rest aus unvermeidlichen Verunreinigungen und Sn besteht.
Entsprechend den erfindungsgemäßen Aufgaben wird eine Weichlötverbindung bereitgestellt, die einen auf Ni basierenden Leiter, eine Masse aus bleifreiem Weichlot, die in prozentualen Gewichtsanteilen 1,0 bis 3,5% Ag, 0,1 bis 0,7% Cu, 0,1 bis 2,0% In und mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 0,03 bis 0,15% Ni, 0,01 bis 0,1% Co und 0,01 bis 0,1% Fe besteht, enthält, wobei der Rest aus unvermeidlichen Verunreinigungen und Sn besteht, und welche im Wesentlichen aus einer Sn-Matrix mit gelöstem Cu und einem eutektischen Sn-Ag-Gefüge, in welchem eine auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindung und eine intermetallische Ag-Sn-Verbindung dispergiert sind, besteht, und eine auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht, die sich an einer Grenzfläche zwischen dem auf Ni basierenden Leiter und der Masse aus dem bleifreien Weichlot gebildet hat, umfasst.
Weiterhin wird ein auf Cu basierender Leiter, eine Masse aus bleifreiem Lot, das die erfindungsgemäße Zusammensetzung und ein Gefüge besitzt, das im Wesentlichen aus einer Sn-Matrix mit gelöstem Cu und einem eutektischen Sn-Ag-Gefüge besteht, in welchem eine auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindung und eine intermetallische Ag-Sn-Verbindung dispergiert sind, und eine auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht, die an der Grenzfläche zwischen dem auf Cu basierenden Leiter und der Masse aus dem bleifreien Lot gebildet wird, bereitgestellt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erfindungsgemäß ist das Grundsystem Sn-Ag-eutektisch und -hypoeutektisch. Dieses Grundsystem hat bessere thermische Ermüdungseigenschaften als dasjenige des Sn-Pb-Eutektikums. Die zusätzlichen Elemente werden ausgewählt und mit speziellen Anteilen derart zugesetzt, dass die Grenzflächenreaktion unterdrückt wird, während die mechanischen Eigenschaften und die Benetzbarkeit der Lotmasse, verglichen mit dem Sn-Ag-Eutektikum, nicht beeinträchtigt werden. Anschließend werden die Prozentgehalte der Zusammensetzung als Gew.% angegeben.
Erfindungsgemäß wird Ag zur Verbesserung der Benetzbarkeit und Senkung des Schmelzpunktes zugesetzt. Beträgt der Ag-Gehalt weniger als 1,0%, wird der Schmelzpunkt zu hoch. Andererseits wird, wenn der Ag-Gehalt mehr als 3,5% beträgt, nachteiligerweise das primäre Ag₃Sn gebildet. Der Ag-Gehalt beträgt deshalb 1,0 bis 3,5% und vorzugsweise 2,0 bis 3,5%.
Cu wirkt in Richtung Schmelzpunkterniedrigung und ist im Zinn gelöst. Überraschenderweise ist, da die Erstarrungsgeschwindigkeit der BGA-Kugeln zu hoch ist, um Cu mit einem großen Anteil zu lösen, das gelöste Cu wirksam, die gegenseitige Diffusion zwischen ihm und Cu oder Ni im Grundwerkstoff zu unterdrücken. Im Ergebnis wird die Diffusion von Metall aus dem Grundwerkstoff in die Lotmasse verhindert. Beträgt der Cu-Gehalt weniger als 0,1%, sind diese Effekte gering. Andererseits kristallisiert, wenn der Cu-Gehalt mehr als 0,7% beträgt, primäres Cu₆Sn₅ mit dem Ergebnis, dass Festigkeit und Ermüdungseigenschaften verschlechtert werden. Der Cu-Gehalt beträgt deshalb 0,1 bis 0,7% und besonders bevorzugt 0,2 bis 0,5%.
Ag und Cu sowie die weiter unten genannten Ni, Co und Fe verringern die Ausdehnung. In (Indium) verhindert die Verringerung der weiter oben beschriebenen Ausdehnung und Benetzbarkeit. Wie weiter oben beschrieben, ist ein Ermüdungsbruch auf das Wachstum der intermetallischen Verbindungsschicht zurückzuführen. Durch eine starke Ausdehnung der Lotmasse wird die Fortpflanzung von Ermüdungsrissen verhindert und somit zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung beigetragen. Beträgt der Indiumgehalt weniger als 0,1%, werden bei Zusatz von Ag, Cu und dergleichen Ausdehnung und Benetzbarkeit stark beeinträchtigt. Andererseits wird, wenn der In-Gehalt mehr als 2,0% beträgt, In-Oxid mit einem so großen Anteil gebildet, dass die Benetzbarkeit verschlechtert wird. Deshalb beträgt der In-Gehalt 0,1 bis 2,0% und vorzugsweise 0,3 bis 1,0%.
Der Rest zu diesen Komponenten besteht im Wesentlichen aus Sn. Eine Weichlotlegierung mit dieser Zusammensetzung besitzt eine Zugfestigkeit von 42 bis 44 MPa bei Raumtemperatur, eine Dehnung von 38 bis 40% bei Raumtemperatur, ein Ausbreitungsverhältnis von etwa 76 bis 79% und einen Schmelzpunkt von 210 bis 220°C. Die von der Anmelderin und Toyota Central Research Co., Ltd. entwickelte Sn-2,5Ag-3,0Bi-1,0In-0,2Cu-Weichlotlegierung (anschließend als "entwickeltes Erzeugnis" bezeichnet) besitzt eine Zugfestigkeit von etwa 62 MPa bei Raumtemperatur, eine Dehnung von etwa 25% bei Raumtemperatur, ein Ausbreitungsverhältnis von etwa 84% und einen Schmelzpunkt von 202 bis 215°C. Aufgrund des Wegfalls von Bi, verglichen mit dem entwickelten Erzeugnis, hat die Legierung eine niedrige Festigkeit und große Dehnung. In der zyklischen Wärmeprüfung wird bestätigt, dass die Widerstandsfähigkeit des entwickelten Erzeugnisses gegen thermische Ermüdung aufgrund des Bi-Zusatzes verbessert ist. Jedoch zeigte die zyklische Erwärmungsprüfung, die an Kugeln erfindungsgemäß durchgeführt wurde, dass die Ermüdungsfestigkeit an der Grenzfläche von dem Bi-Zusatz verschlechtert wird.
Die erfindungsgemäße Weichlotlegierung enthält zusätzlich Ni, Co und/oder Fe. Dabei sind Ni, Co und Fe teilweise oder vollständig in der Sn-Matrix gelöst und verstärken die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Ermüdung.
Ni: Von dem in der Sn-Matrix gelösten Ni wird die gegenseitige Diffusion von Sn der Lotmasse und Cu oder Ni des Grundwerkstoffs unterdrückt. Deshalb wird die Diffusion dieses Ni oder Cu in die Lotmasse verhindert. Beträgt der Ni-Gehalt weniger als 0,03%, sind diese Effekte gering. Andererseits kristallisiert, wenn der Ni-Gehalt 0,15% übersteigt, Ni₃Sn₄ als Primärkristalle, sodass die mechanischen Eigenschaften der Lotmasse und das Benetzungsvermögen stark beeinträchtigt werden. Deshalb beträgt der Ni-Gehalt 0,03 bis 0,15% und vorzugsweise 0,03 bis 0,1%. Innerhalb dieser Bereiche scheint Ni in der Sn-Matrix teilweise gelöst zu sein.
Co: Von dem in der Sn-Matrix gelösten Co wird die gegenseitige Diffusion von Sn der Lotmasse und Cu oder Ni des Grundwerkstoffs unterdrückt. Deshalb wird die Diffusion dieses Ni oder Cu in die Lotmasse verhindert. Beträgt der Co-Gehalt weniger als 0,01%, sind diese Effekte gering. Andererseits erhöht sich, wenn der Co-Gehalt 0,1% übersteigt, der Schmelzpunkt drastisch. Der Co-Gehalt beträgt deshalb 0,01 bis 0,1%. Innerhalb dieses Bereiches scheint das Co vollständig oder fast vollständig in der Sn-Matrix gelöst zu sein.
Fe: Von dem in der Sn-Matrix gelösten Fe wird die gegenseitige Diffusion von Sn der Lotmasse und Cu oder Ni des Grundwerkstoffs unterdrückt. Deshalb wird die Diffusion dieses Ni oder Cu in die Lotmasse verhindert. Wenn der Fe-Gehalt weniger als 0,01% beträgt, sind diese Effekte gering. Andererseits erhöht sich, wenn der Fe-Gehalt 0,1% übersteigt, der Schmelzpunkt drastisch.
Deshalb beträgt der Fe-Gehalt 0,01 bis 0,1% und vorzugsweise 0,01 bis 0,05%. Innerhalb dieser Bereiche scheint Fe in der Sn-Matrix teilweise gelöst zu sein.
Dieses Weichlot kann nicht nur für BGA-Kugeln, sondern auch an Stellen verwendet werden, an welchen die Verbindungsgrenzflächenspannung beim Oberflächenmontieren hoch ist.
Anschließend wird die erfindungsgemäße Lötverbindung beschrieben.
Die erste Lötverbindung betrifft die Verbindung eines auf Nickel basierenden Leiters und umfasst die auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht und die Lotmasse. Die auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht ist an der Grenzfläche des auf Ni basierenden Leiters mit der Lotmasse vorhanden. Diese Schicht ist in der Umfangsfläche einer Kugel in deren Verbindungsbereich mit dem auf Ni basierenden Leiter vorhanden. Die Lotmasse hat ein eutektisches Sn-Ag-Gefüge, in welchem eine auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindung und eine auf Ag-Sn basierende intermetallische Verbindung dispergiert sind. Die Lotmasse hat die erfindungsgemäße Zusammensetzung.
Der Ni-Grundwerkstoff und das erfindungsgemäße Weichlot werden miteinander in Berührung gebracht und bilden an ihrer Grenzfläche die auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht, die hauptsächlich aus Ni₃Sn₄ und dergleichen zusammengesetzt ist. Diese intermetallische Verbindung wächst während des Erwärmungszyklus.
Die Lotmasse hat die erfindungsgemäße Zusammensetzung. Ihr Gefüge bildet sich während der anschließenden Erstarrung. Als Erstes erstarrt das Sn, wobei sich die Matrix bildet, worin sich Cu, In und dergleichen lösen. Anschließend findet die eutektische Reaktion statt. Das resultierende eutektische Gefüge besteht aus den dispergierten Sn-Kristallen und einer intermetallischen Ag-Sn-Verbindung. Der eutektische Punkt befindet sich bei 3,5% Ag, der Rest besteht aus Sn. Nach oder gleichzeitig mit der eutektischen Reaktion bildet sich die auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindung und dispergiert ebenso. Ein kleiner Anteil von Cu, Fe, Ni, Co und Ag löst sich in der erstarrten Sn-Matrix. Das gelöste Cu, Fe, Ni, Co und Ag verzögert die gegenseitige Diffusion von Sn der Lotmatrix und Ni oder Cu mit dem Ergebnis, dass die Bildung der intermetallischen Verbindung in der Massenschicht verhindert wird. Masse und intermetallische Verbindungsschicht lassen sich voneinander durch ein Lichtmikroskop unterscheiden, da die Morphologie der intermetallischen Verbindungsschicht den zuvor beschriebenen Bildungsvorgang widerspiegelt.
Die zweite Lötverbindung betrifft die Verbindung eines auf Cu basierenden Leiters und umfasst die auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht und die Lotmasse. Die auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht ist in der Grenzfläche zwischen dem auf Cu basierenden Leiter und der Lotmasse vorhanden. Die Lotmasse hat ein eutektisches Sn-Ag-Gefüge und Dispersionsphasen aus der auf Cu-Sn basierenden intermetallischen Verbindung oder der intermetallischen Ag-Sn-Verbindung. Die Lotmasse hat die erfindungsgemäße Zusammensetzung. Cu sowie Fe, Ni oder Co sind in der Sn-Matrix gelöst. In der zweiten Lötverbindung unterdrückt das gelöste Cu, Fe, Ni und Co der Lotmasse die Diffusion von Cu aus dem Grundwerkstoff und somit das Wachstum der intermetallischen Verbindungsschicht. Die anderen Punkte sind dieselben wie bei der ersten Lötverbindung.
Die Erfindung wird anschließend unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.
BEISPIELE
Die Weichlotlegierungen mit der in Tabelle 1 mitgeteilten Zusammensetzung wurden geschmolzen und zu Festigkeitsprüfkörpern gegossen. Die Weichlotlegierungen wurden durch ein übliches Verfahren zu Lotkugeln (BGA-Kugeln) mit einem Durchmesser von 0,3 mm geformt.
Prüfverfahren für das Ausbreitungsverhältnis
Eine Kupferplatte wurde mit Polierpapier (# 1500) poliert, danach mit Isopropylalkohol gereinigt und anschließend 1 Stunde lang bei 150°C oxidiert. Auf die so behandelte Kupferplatte wurde Flussmittel aufgebracht und die bei 250°C geschmolzene Weichlotprobe auf der Kupferplatte ausbreiten gelassen. Die Höhenveränderung der Lotschmelze wurde nach 30 Sekunden Haltezeit gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Festigkeitsprüfverfahren
Die Weichlotlegierung wurde zu zylindrischen Probekörpern gegossen (30 mm Länge des parallelen Teils und 2 mm Durchmesser des parallelen Teils). Zur Stabilisierung des Gefüges wurde eine 24 Stunde lange Wärmebehandlung bei 100°C durchgeführt. Die Zugfestigkeitsprüfung wurde mit 1·10^–3/s Ziehgeschwindigkeit und 25°C Prüftemperatur durchgeführt. Für jede Lotlegierung wurden drei Prüfungen (n = 3) durchgeführt.
Thermische Ermüdungseigenschaften
Die thermischen Ermüdungseigenschaften wurden durch eine Wärmeeinflussprüfung bewertet. Siebenundzwanzig BGA-Kugeln wurden mit Hilfe eines Flussmittels mit einem Chip verbunden, und der Zusammenbau mit einem Bewertungssubstrat (FR-4, Cu-Grundwerkstoff + Ni-Grundwerkstoff) wurde unter Verwendung der eutektischen Sn-Ag-Weichlotpaste durchgeführt. Die Prüfung wurde 1000 Erwärmungszyklen von –40°C (20 Minuten) auf 125°C (5 Minuten) und Abkühlung und zurück durchgeführt. Von fünf Kugeln, deren Spannung unter dem Wärmeeinfluss größer als diejenige der anderen Kugeln war, wurde der Querschnitt betrachtet. Zur Bewertung des Rissfortpflanzungsverhältnisses wurde der Riss relativ zur Länge der Verbindungsfläche gemessen. Weiterhin wurde die Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht an der Grenzfläche der Verbindung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das größte Rissfortpflanzungs-Verhältnis ist in Tabelle 1 aufgeführt. Die mittlere Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht in Bezug auf fünf BGA-Kugeln ist in Tabelle 2 aufgeführt.
In Tabelle 2 zeigen folgende Symbole das Rissfortpflanzungsverhältnis.

⊙:: Keine Risse
O:: Rissfortpflanzungsverhältnis von 10% oder weniger
Δ:: Rissfortpflanzungsverhältnis von 50% oder weniger
X:: Rissfortpflanzungsverhältnis von 100% (Bruch)

Tabelle 1

Claims

Bleifreies Weichlot, das in prozentualen Gewichtsanteilen 1,0 bis 3,5% Ag, 0,1 bis 0,7% Cu, 0,1 bis 2,0% In und mindestens ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 0,03 bis 0,15% Ni, 0,01 bis 0,1% Co und 0,01 bis 0,1% Fe, enthält, wobei der Rest aus unvermeidlichen Verunreinigungen und Sn besteht.
Bleifreies Weichlot nach Anspruch 1 in Form einer Kugel einer Kugel-Gitter-Anordnung.
Bleifreies Weichlot nach Anspruch 2, worin der Durchmesser der Kugel 0,1 bis 1,2 mm beträgt.
Weichlötverbindung, die einen auf Ni basierenden Leiter, eine Masse aus bleifreiem Weichlot, die in prozentualen Gewichtsanteilen 1,0 bis 3,5% Ag, 0,1 bis 0,7% Cu, 0,1 bis 2,0% In und mindestens ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 0,03 bis 0,15% Ni, 0,01 bis 0,1% Co und 0,01 bis 0,1% Fe, enthält, wobei der Rest aus unvermeidlichen Verunreinigungen und Sn besteht, und welche im Wesentlichen aus einer Sn-Matrix mit gelöstem Cu und einem eutektischen Sn-Ag-Gefüge, in welchem eine auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindung und eine intermetallische Ag-Sn-Verbindung dispergiert sind, besteht, und eine auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht, die sich an einer Grenzfläche zwischen dem auf Ni basierenden Leiter und der Masse aus dem bleifreiem Weichlot gebildet hat, umfasst.
Weichlötverbindung nach Anspruch 4, worin wenigstens ein Teil des mindestens einen Elementes in der Sn-Matrix gelöst ist.
Weichlot nach Anspruch 4, worin die Masse aus dem bleifreiem Weichlot in Form einer Kugel einer Kugel-Gitter-Anordnung vorliegt.
Weichlot nach Anspruch 6, worin der Durchmesser der Kugel 0,1 bis 1,2 mm beträgt.
Weichlötverbindung nach Anspruch 7, worin die auf Ni-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht sich an der Umfangsfläche der Kugel an deren mit dem Ni-Leiter verbundenen Ende gebildet hat.
Weichlötverbindung, die einen auf Cu basierenden Leiter, eine Masse aus bleifreiem Weichlot, die in prozentualen Gewichtsanteilen 1,0 bis 3,5% Ag, 0,1 bis 0,7% Cu, 0,1 bis 2,0% In und mindestens ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 0,03 bis 0,15% Ni, 0,01 bis 0,1% Co und 0,01 bis 0,1% Fe enthält, wobei der Rest aus unvermeidlichen Verunreinigungen und Sn besteht, und welche eine Sn-Matrix mit gelöstem Cu, ein eutektisches Sn-Ag-Gefüge und eine Dispersionsphase aus einer auf Cu-Sn basierenden intermetallischen Verbindung und einer intermetallischen Ag-Sn-Verbindung besitzt, und eine auf Cu-Sn basierende intermetallische Verbindungsschicht, die sich an der Grenzfläche zwischen dem auf Cu basierenden Leiter und der Masse aus bleifreiem Weichlot gebildet hat, umfasst.
Weichlötverbindung nach Anspruch 9, worin die Masse aus dem bleifreien Weichlot in Form einer Kugel einer Kugel-Gitter-Anordnung vorliegt.
Weichlötverbindung nach Anspruch 10, worin der Durchmesser der Kugel 0,1 bis 1,2 mm beträgt.