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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine bleifreie Sn-Zn Lotlegierung,
ihre Mixtur und eine gelötete
Verbindung, die gegenüber
anderen Lötwerkstoffen
eine verbesserte Umweltverträglichkeit
aufweisen.
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Hintergrund
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Für das Löten verschiedener
Vorrichtungen ist bisher oftmals eine Sn-Pb Lotlegierung verwendet worden,
da sie vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. So ist ein Schmelzpunkt
gering, die Benetzbarkeit ist selbst in einer oxidierenden Atmosphäre gut und
dergleichen. Da Blei jedoch toxisch ist, ist im Hinblick auf die
Prävention
von Umweltverschmutzung in Verbindung mit einem Verfahren zur Entsorgung
oder dergleichen von elektronischen Geräten in den letzten Jahren die
Verwirklichung eines bleifreien Lots zügig vorangetrieben worden.
Da eine bleifreie Lotlegierung jedoch der konventionellen Sn-Pb
Lotlegierung hinsichtlich der Benetzbarkeit, des Schmelzpunktes, der
Kosten und dergleichen unterlegen ist, ist bisher noch kein perfekter
Ersatz entwickelt worden.
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In
einem derartigen Zusammenhang, in dem auf Wert die Umwelt gelegt
wird, stellt die Verwirklichung eines bleifreien Lots einen Dringlichkeitsgegenstand
auch im Reflow-Löten
als einen der Montageschritte elektronischer Schaltkreiseinrichtungen dar.
Hierfür
ist bisher eine Sn-Zn Lotlegierung, die etwa 9 Gewichts-% Zink (eutektische
Zusammensetzung) enthält,
als ein bleifreier Lötwerkstoff
vorgeschlagen worden, von dem angenommen wird, dass er für das Reflow-Löten praktisch
angewendet wird. Weiterhin ist auch eine Sn-Zn Lotlegierung, welche etwa
8 Gewichts-% Zink und 1 bis 3 Gewichts-% Wismut enthält, vorgeschlagen
worden. Diese Sn-Zn Lotlegierungen weisen Vorteile auf. So ist unter Sn-basierten
bleifreien Lotlegierungen eine eutektische Temperatur einer Zinn-Zink
Legierung von 199°C
einem eutektischen Punkt einer Zinn-Blei Legierung am nächsten und
die Kosten für
deren Rohmaterialien sind geringer als die der anderen bleifreien
Lotlegierungen.
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Im
Allgemeinen wird Lötpaste,
welche für das
Reflow-Löten
verwendet wird, aus einer Mixtur von Lötpartikeln und Flussmittel
hergestellt. Ein Aktivator zur Reinigung der Oberfläche einer
Lötstelle und
zur Verbesserung der Benetzbarkeit des Lots während des Lötens ist dem Flussmittel zugesetzt worden.
Somit kann es bei der Sn-Zn Lotlegierung, die der konventionellen
Sn-Pb Lotlegierung im Hinblick auf die Benetzbarkeit unterlegen
ist, nicht hilfreich sein, den Aktivator zu erhöhen, um insbesondere die Benetzbarkeit
des Lots zu verbessern. Darüber hinaus
existieren bei der Sn-Zn Lotlegierung Zink-angereicherte Phasen
auf der Oberfläche
und im Inneren der erzeugten Lötpartikel.
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Folglich
treten bei der konventionellen bleifreien Sn-Zn Lotlegierung Probleme
auf. So ist Zink ein aktives Element, während die Lötpaste, die durch Mischen des
Lötpulvers
mit dem Flussmittel hergestellt wird, erhalten wird. Zink auf der
Oberfläche
des Lötpartikels
wirkt leicht auf den Aktivator in dem Flussmittel, so dass die Viskosität der Lötpaste durch ihr
reaktives Produkt schneller und merklicher als bei der konventionellen
Sn-Pb Lotlegierung erhöht
wird. Wenn eine derartige Lötpaste
verwendet wird, ist es beispielsweise unmöglich, auf eine gedruckte Leiterplatte
zu drucken.
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Ein
weiteres Problem ist, dass wenn eine Aktivität oder eine Menge des Aktivators
supprimiert wird, um ein Ansteigen der Viskosität der Lötpaste zu verhindern, ein Zinkoxid,
das während
des Lötens produziert
wird, nicht reduziert werden kann, so dass sich die Benetzbarkeit
des Lots verschlechtert. Wie vorstehend erwähnt ist es bisher extrem schwierig, die
Benetzbarkeit und Erhaltungsstabilität des Lots für eine lange
Zeit abzugleichen, was ein Nichtausbreiten der bleifreien Lötpaste bewirkt,
was die Umwelt effektiv schützt.
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Daher
ist als Mittel zur Lösung
obigen Problems bisher ein Verfahren des Hinzufügens eines anderen Elements,
wie zum Beispiel Aluminium offenbart worden (Internationale Veröffentlichungs-Nr.
WO 02/34969 A1 ).
Da jedoch bei dem Verfahren des Hinzufügens von Aluminium das Auftreten
von nicht-geschmolzenem Lot, wie nachstehend erklärt werden
wird, problematisch ist, ist es bei einer gegebenen Situation nicht
hilfreich, die Menge an hinzugefügtem
Aluminium auf einen engen Bereich zu beschränken.
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Wie
vorstehend erwähnt,
gibt es als konventionelle bleifreie Lotlegierungen eine Wismut-enthaltende
Sn-Zn Lotlegierung. Bei einer derartigen Lotlegierung besteht die
Tendenz, dass der metallische Glanz auf der Oberfläche des
Lots nach der Verfestigung dumpf wird. Daher ist es neben dem Abgleich von
Benetzbarkeit und Erhaltungsstabilität auch erwünscht, das Problem der äußeren Erscheinung
zu lösen.
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Es
ist daher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine bleifreie
Sn-Zn Lotlegierung, ihre Zusammensetzung und eine gelötete Verbindung,
welche selbige nutzt bereitzustellen, bei der die Benetzbarkeit
des Lots verbessert ist und ebenso die Erhaltungsstabilität der Lötpaste für eine lange
Zeit ausgezeichnet ist und um zudem den Oberflächenglanz nach der Verfestigung
zu verbessern für
den Fall, dass ein Sn-Zn Lot Wismut enthält.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfinder haben sorgfältige
Studien durchgeführt,
um die vorstehend erwähnten
konventionellen Probleme zu lösen,
wobei sie heraus fanden, dass wenn dem Sn-Zn Lot eine vorbestimmte winzige
Menge an Magnesium zugesetzt wird, dessen Oxidationsbestreben höher ist
als das von Zink, eine Reaktion zwischen Zink und Flussmittel in
der Lötpaste
unterdrückt
wird, wodurch sich die Erhaltungsstabilität verbessert, eine gute Benetzbarkeit während des
Lötens
aufrechterhalten wird und die vorliegende Erfindung mit der folgenden
Ausführungsform
vervollständigt
worden ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird daher eine bleifreie Sn-Zn Lotlegierung bereitgestellt, bei
der es sich um eine Sn-basierte Lotlegierung handelt, welche unabdingbar
mindestens 6 bis 10 Gewichts-% Zink enthält und 0,0015 bis 0,1 Gewichts-% Magnesium,
optional 0,5 bis 6 Gewichts-% Wismut, wobei die Differenz durch
Zinn ausgeglichen wird, enthält.
Bei dem Magnesiumgehalt handelt es sich um eine wirksame Menge zur
Bildung eines protektiven Magnesiumoxidfilms auf der Oberfläche des
Lots und zur Zerstörung
des Oxidfilms während
des Lötens.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wenn die Lötpaste
erhalten bleibt, das Innere eines Lötpartikels durch den protektiven
Magnesiumoxidfilm, welcher auf der Oberfläche des Lötpartikels gebildet wird, geschützt und
eine Reaktion zwischen Zink und einem Aktivator wird unterdrückt, so
dass die Erhaltungsstabilität
verbessert wird. Andererseits wird bei der erhöhten Temperatur während des
Lötens
ein Zustand erhalten, bei dem der protektive Oxidfilm leicht zerstört wird,
so dass eine gute Benetzbarkeit aufrecht erhalten wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine bleifreie Sn-Zn Lotlegierung bereitgestellt,
bei der es sich um eine Sn-basierte Lotlegierung handelt, welche
unabdingbar mindestens 6 bis 10 Gewichts-% Zink und 0,5 bis 6 Gewichts-%
Wismut enthält
und 0,0015 bis 0,1 Gewichts-% Magnesium enthält, wobei die Differenz durch
Zinn ausgeglichen wird. Bei dem Magnesiumgehalt handelt es sich
um eine wirksame Menge zur Bildung eines protektiven Magnesiumoxidfilms
auf der Oberfläche
des Lots und zur Zerstörung
des Oxidfilms während
des Lötens.
Daher wird gemäß der vorliegenden
Erfindung für
den vorstehend beschriebenen Fall des bleifreien Wismut-enthaltenden
Sn-Zn Lots sowohl eine gute Benetzbarkeit als auch eine gute Erhaltungsstabilität des Lots
realisiert. Weiterhin wird die Rauigkeit der Lotoberfläche nach
der Verfestigung reduziert, so dass der Oberflächenglanz weiter verbessert
werden kann.
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Weiterhin
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Mixtur einer bleifreien Sn-Zn Lotlegierung bereitgestellt,
bei der es sich um eine Mixtur von zwei oder mehreren Arten von
Sn-basierten Lotlegierungen handelt, die unterschiedliche Zusammensetzungen
aufweisen und unabdingbar 0,0015 bis 0,1 Gewichts-% Magnesium enthalten,
wobei die durchschnittliche Zusammensetzung der Mixtur innerhalb des
Zusammensetzungsbereichs der Lotlegierung gemäß Anspruch 1 liegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bei 1 handelt
es sich um eine Tabelle, die chemische Zusammensetzungen der Lötpartikel und
experimentelle Ergebnisse zur Beurteilung von Eigenschaften einer
erfindungsgemäßen bleifreien Sn-Zn
Lotlegierung zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im
Detail beschrieben werden.
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Bekannterweise
werden in einem bleifreien Sn-Zn Lot zum Beispiel Lötpartikel
und ein Flussmittel, welches zuvor zubereitet worden ist, verrührt und gemischt,
so dass ein pastenartiges Lot erhalten wird. In diesem Fall jedoch
kann Zink, das eine große Affinität zu Sauerstoff
aufweist, an der Oberfläche des
Lötpartikels
nicht oxidiert werden. Wenn die Lötpartikel mit dem Flussmittel
gemischt werden, um eine Lötpaste
zu erhalten, erhöht
sich aufgrund einer Reaktion zwischen Zink und einem Aktivator in
dem Flussmittel folglich die Viskosität der Lötpaste, wodurch die Erhaltungsstabilität problematisch
wird. Andererseits kann ein während
des Lötens
gebildetes Zinkoxid nicht reduziert werden, selbst wenn die Aktivität oder die
Menge des Aktivators gering gehalten wird, um eine Viskositätserhöhung zu
verhindern, so dass eine Verschlechterung der Benetzbarkeit des Lots
auftritt.
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Daher
wird bei der vorliegenden Erfindung nur eine winzige Menge eines
Elements, dessen Oxidationsbestreben höher als dass von Zink ist,
dem Sn-Zn Lot zugesetzt, so dass ein protektiver Film des Oxids
des zugesetzten Elements auf der Oberfläche des Lötpartikels gebildet wird, da
das zugesetzte Element gegenüber
Zink bevorzugt oxidiert wird. Durch den protektiven Oxidfilm wird
die Reaktion zwischen Zink und dem Flussmittel unterdrückt. Es
ist beabsichtigt, mittels dieses Verfahrens die Lötpartikel
für die
Lötpaste
zu erhalten, die sowohl hinsichtlich der Benetzbarkeit als auch
der Erhaltungsstabilität überragend
ist. Es zeigte sich jedoch, dass der protektive Oxidfilm, wie zum
Beispiel ein auf der Oberfläche
gebildeter Aluminiumoxidfilm zu stark ist, um von dem Flussmittel
reduziert zu werden, so dass während des
Lötens
große
Mengen an ungeschmolzenem Lot auftreten.
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Basierend
auf der vorstehend erwähnten Überlegung
zu obigem Punkt wird gemäß der vorliegenden
Erfindung Magnesium als ein essenzielles zusätzliches Element unter einer
Vielzahl verschiedener Elemente, deren Oxidationsbestreben größer als das
von Zink ist, ausgewählt
und verwendet. Der Zusatz von Magnesium bewirkt folgendes: es ist möglich, die
Partikel für
die Sn-Zn Lötpaste
zu erhalten, in der wie vorstehend erwähnt sowohl die Benetzbarkeit
als auch die Erhaltungsstabilität überragend
ist; und die Menge an ungeschmolzenem Lot ist im Unterschied zu
anderen zusätzlichen
Elementen, wie zum Beispiel Aluminium oder dergleichen, klein. Nachfolgend
ist ein Grund dafür
ausgeführt,
warum bei der vorliegenden Erfindung die Reaktion zwischen Zink
und dem Flussmittel bei der Konservierung der Lötpaste unterdrückt wird
und die Menge an ungeschmolzenem Lot klein ist. Während der
protektive Magnesiumoxidfilm, der auf der Oberfläche des Lötpartikels gebildet wird, das
Innere des Lots während
seiner Konservierung unter Kühlung
schützt,
ist der protektive Oxidfilm bei erhöhter Temperatur während des
Lötens
in einem Zustand, in dem er leicht zerstört wird, um die gute Benetzbarkeit
beizubehalten.
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Um
die Reaktion zwischen Zink und dem Aktivator in dem Flussmittel
zu unterdrücken
und die Erhaltungsstabilität
während
der Konservierung der Lötpaste
zu verbessern und um andererseits die gute Benetzbarkeit während des
Lötens
zu erhalten, wird daher gemäß der vorliegenden
Erfindung die bleifreie Sn-Zn Lotlegierung bereitgestellt, wobei
es sich um eine Sn-basierte Lotlegierung handelt, die derart gestaltet
ist, dass sie unabdingbar mindestens 6 bis 10 Gewichts-% Zink enthält und 0,0015
bis 0,1 Gewichts-% Magnesium enthält, wobei es sich bei dem Magnesiumgehalt
um eine wirksame Menge zur Bildung eines protektiven Magnesiumoxidfilms
auf der Oberfläche
des Lots und auch zur Zerstörung
des Oxidfilms während
des Lötens
handelt.
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Magnesium
weist folgende andere Wirkungen auf. Im Falle, dass die Sn-Zn basierte
Lotlegierung Wismut enthält,
tritt die Tendenz auf, dass der metallische Glanz auf der Oberfläche des
Lots dumpf wird. Jedoch ist bestätigt
worden, dass der Oberflächenglanz
verbessert wird, wenn der Wismut-enthaltenden Sn-Zn Lotlegierung
eine kleine Magnesiummenge zugesetzt wird. Grund dafür ist, dass
nach der Verfestigung eine feine Rauigkeit auf der Oberfläche gebildet
wird, wenn Wismut zugesetzt wird. Bei Zugabe von Magnesium jedoch
wird die Rauigkeit auf der Lotoberfläche nach der Verfestigung reduziert.
Daher kann eine Oberfläche
mit gutem Glanz, ähnlich
dem des konventionellen Sn-Pb Lots erhalten werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann daher eine bleifreie Sn-Zn Lotlegierung derart gestaltet werden,
dass es sich um eine Sn-basierte Lotlegierung handelt, die unabdingbar
mindestens 6 bis 10 Gewichts-% Zink enthält und 0,0015 bis 0,1 Gewichts-%
Magnesium enthält,
wobei es sich bei dem Magnesiumgehalt um eine wirksame Menge zur
Bildung eines protektiven Magnesiumoxidfilms auf der Oberfläche des
Lots und auch zur Zerstörung
des Oxidfilms während
des Lötens
handelt.
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Nachfolgend
werden Gründe
dafür beschrieben,
warum der Bereich des Magnesiumgehalts in der erfindungsgemäßen bleifreien
Sn-Zn Lotlegierung wie vorstehend erwähnt spezifiziert wird. Für ein Gehalt,
der notwendig ist, um die Wirkung von Magnesium auf Basis der experimentellen
Ergebnisse zu erzielen, wird zunächst
die untere Grenze des Magnesiumgehalts auf 0,0015 Gewichts-% gesetzt,
denn bei weniger als 0,0015 Gewichts-% wird der Oxidfilm, der hinreichend
ist, um die Reaktion zwischen Zink und Flussmittel zu reduzieren,
auf der Partikeloberfläche
nicht gebildet.
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Eine
Obergrenze für
den Magnesiumgehalt wird in Anbetracht der Verschlechterung der
Lötbarkeit
und Herstellungseigenschaften der Lötpartikel auf 0,1 Gewichts-%
festgesetzt. Grund dafür
ist, dass das Magnesiumoxid während
des Lötens
nicht zerstört
wird sondern erhalten bleibt, wenn 0,1 Gewichts-% überschritten
werden. Ein weiterer Grund dafür
ist, dass die Viskosität
des geschmolzenen Metalls, welches bei der Herstellung der Lötpartikel
verwendet wird, ansteigt. Wie vorstehend erwähnt, wird einzig durch das
Spezifizieren der Ober- und Untergrenzen für den Magnesiumgehalt die Reaktion
zwischen Zink und dem Flussmittel unterdrückt und die Erhaltungsstabilität durch
den protektiven Oxidfilm verbessert, wobei der protektive Oxidfilm
während des
Lötens
zerstört
wird und eine gute Benetzbarkeit gewährleistet wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können beispielsweise
im Falle der Herstellung der Lötpaste durch
Mischen von zwei oder mehreren Arten von Lötpartikeln, welche unterschiedliche
Zusammensetzungen aufweisen, die vorstehend aufgeführten Wirkungen
erzielt werden, da jedes Lötpartikel
vor dem Mischen 0,0015 bis 0,1 Gewichts-% Magnesium enthält. Es ist
jedoch nicht immer notwendig, dass der Gehalt eines anderen Elements
wie zum Beispiel Zink oder dergleichen in jedem Lötpartikel
vor dem Mischen innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs von Anspruch 1
oder 2 liegt. Es ist hinreichend, dass die durchschnittliche Zusammensetzung
der gesamten Lötpartikel
nach dem Mischen innerhalb eines solchen Bereichs legt.
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Daher
kann die bleifreie Sn-Zn Lotlegierungsmixtur der vorliegenden Erfindung
auch mittels der Mixtur von zwei oder mehreren Arten von Sn-basierten
Lotlegierungen, welche unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen
und unabdingbar 0,0015 bis 0,1 Gewichts-% Magnesium enthalten, gestaltet
werden, worin die durchschnittliche Zusammensetzung der Mixtur innerhalb
des Zusammensetzungsbereichs der Lotlegierung gemäß Anspruch
1 liegt. Die bleifreie Sn-Zn Lotlegierungsmixtur der vorliegenden
Erfindung kann auch mittels der Mixtur von zwei oder mehreren Arten
von Sn-basierten Lotlegierungen, welche unterschiedliche Zusammensetzungen
aufweisen und unabdingbar 0,0015 bis 0,1 Gewichts-% Magnesium enthalten,
gestaltet werden, worin die durchschnittliche Zusammensetzung der Mixtur
innerhalb des Zusammensetzungsbereichs der Lotlegierung gemäß Anspruch
2 liegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die gelötete
Verbindung des bleifreien Sn-Zn
Lots unter Verwendung der Lotlegierung oder ihrer Mixtur, welche
wie vorstehend erwähnt
hergestellt wird, gebildet.
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Obwohl
die Lotlegierung und die Lotlegierungsmixtur, welche durch die vorhergehenden
chemischen Zusammensetzungen abgestimmt wurden, im Hinblick auf
die Beispiele in der vorstehend genannten Ausführungsform, in denen sie zu
den Lötpartikeln
verarbeitet worden sind, beschrieben worden sind, können sie
natürlich
zu Drahtloten verarbeitet und nach Bedarf verwendet werden.
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[Ausführungsform]
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Obwohl
die vorliegende Erfindung auf Basis der folgenden Ausführungsform
im Detail weiter erläutert
werden wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung führten Experimente durch, um
die Effekte der vorliegenden Erfindung zu bestätigen. In den Experimenten dieser
Ausführungsform
wurden Lötpartikel
verwendet, welche einen Zinkgehalt zwischen 6~9%, einen Wismutgehalt
zwischen 0~3% und einen Magnesiumgehalt zwischen 0~0,1090% aufweisen.
Bei den in den Experimenten verwendeten Lötpartikeln handelt es sich
um Pulver einer Sn-Zn basierten Legierung, welches sphärische Partikel
aufweist, deren Größe 32 bis
45 μm im
Durchmesser beträgt.
Chemische Zusammensetzungen dieser Partikel und ihre charakteristischen
Bewertungsergebnisse sind in der Tabelle von 1 gezeigt.
Die Lötpartikel
werden mit dem Flussmittel vermischt, so dass eine Paste erhalten
wird und für
verschiedene Bewertungsexperimente verwendet. Die Lötbarkeit
in 1 wurde mittels eines Verfahrens gemäß JIS-Z-3284
gemessen und die Benetzbarkeit wurde bewertet. Die Experimente wurden
unter Vorerhitzen bei 150°C
für 0 bis 3,5
Minuten in der Atmosphäre
durchgeführt,
um Bedingungen in einem breiteren Bereich zu simulieren. Als Ergebnisse
der Experimente ist eine Paste, deren Benetzbarkeit fehlerhaft ist,
durch ein "x", eine Paste, deren
Benetzbarkeit gut ist, durch ein "o" und
eine Paste, deren Benetzbarkeit sehr gut ist, durch ein " " dargestellt. Bezüglich der Erhaltungsstabilität werden die
Lötpartikel
und das Flussmittel gemischt, danach wird die Mixtur für eine Woche
in einem Kühlschrank bei
etwa 4°C
aufbewahrt und die Proben werden auf Basis des graduellen Anstiegs
der Viskosität
und der Druckeigenschaften der resultierenden Pasten bewertet. In
einer zur Benetzbarkeit ähnlichen
Art und Weise ist eine fehlerhafte Paste durch ein "x", eine gute Paste durch ein "o" und eine sehr gute Paste durch ein " " dargestellt. Wie in 1 gezeigt,
ist bestätigt
worden, dass sowohl die Benetzbarkeit als auch die Erhaltungsstabilität der Pasten
bei Verwendung der Lötpartikel
gemäß der vorliegenden
Erfindung überragend
ist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
vorstehend erwähnt,
sind die Lötmaterialien
gemäß der vorliegenden
Erfindung neben verschiedenen Lötmaterialien
zur Verwendung bei Montageschritten bei elektronischen Schaltkreiseinrichtungen
oder dergleichen geeignet und insbesondere verwendbar in Form einer
bleifreien Sn-Zn Lotlegierung, ihrer Mixtur und in Form einer gelöteten Verbindung,
welche eine verbesserte Umweltverträglichkeit aufweist.