JP2024009991A

JP2024009991A - 鉛フリーはんだ組成物

Info

Publication number: JP2024009991A
Application number: JP2023178693A
Authority: JP
Inventors: パンダー、ランジット; Pandher Ranjit; ナガラジャン、ニヴィディータ; Nagarajan Niveditha; クマール、アニル; Kumar Anil; ドアヴェリアリバス、モルガナ; De Avila Ribas Morgana; ダット、ギャン; Dutt Gyan; サルカル、スイリ; Sarkar Siuli; ビルグリエン、カール; Bilgrien Carl
Original assignee: Alpha Assembly Solutions Inc
Current assignee: Alpha Assembly Solutions Inc
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2023-10-17
Publication date: 2024-01-23
Also published as: TWI820277B; EP3902654A1; CN113165122A; JP2022515254A; WO2020135932A1; US20220072664A1; KR20230153507A; TW202403062A; TW202031908A; US12115602B2; KR20210104144A

Abstract

【課題】マルチレベル相互接続のための鉛フリーはんだ合金を提供する。
【解決手段】１～９重量％のＣｕ、以下のうちの少なくとも１つ：０超～１重量％のＮｉ、０超～１０重量％のＧｅ、０超～１重量％のＭｎ、０超～１０重量％のＡｌ、０超～１０重量％のＳｉ、０超～９重量％のＢｉ、０超～５重量％のＩｎ、０超～１重量％のＴｉ、０超～２重量％のＬａ、０超～２重量％のＮｄ、任意選択的に以下のうちの１つ以上：最大１重量％のＣｒ、最大１重量％のＧａ、最大１重量％のＣｏ、最大１重量％のＦｅ、最大１重量％のＰ、最大１重量％のＡｕ、最大１重量％のＴｅ、最大１重量％のＳｅ、最大１重量％のＣａ、最大１重量％のＶ、最大１重量％のＭｏ、最大１重量％のＰｔ、最大１重量％のＭｇ、最大５重量％のＡｇ、最大１重量％のＺｎ、Ｌａ及びＮｄを除く最大２重量％の希土類金属、並びに任意の不可避不純物と共に残部のＳｎを含む、はんだ合金。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して、冶金の分野に関し、より具体的には、はんだ合金に関する。はんだ合金は、特に限定されるものではないが、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、底部終端パッケージ、ＬＥＤ及びチップスケールパッケージなどの電子はんだ付け用途での使用に好適である。

ＬＥＤ又は任意の他の半導体デバイスの典型的なパッケージング／アセンブリプロセスは、一連のいくつかの工程を伴う。これらの工程の各々において、いくつかの種類の電気的／熱的相互接続材料が使用される。相互接続に使用される最も一般的な材料は、導電性接着剤、焼結材料、はんだ付け合金、エポキシ、及びポリマーである。これらの中でも、導電性接着剤、焼結材料、エポキシ、及びポリマーは、接触形成プロセス中に不可逆的プロセス相転移を経る。しかしながら、はんだは、処理中に準物理的で主に可逆的相転移を経る。はんだは、エレクトロニクスアセンブリに使用される最も一般的な材料である。はんだの固定及び再現可能な融点は、相互接続の形成に関する限り利点である。しかしながら、アセンブリプロセスが、同じはんだを使用する複数の工程を伴う場合、はんだの同じ特性は、不利になる。第１のアセンブリプロセスで使用されるはんだは、二次、三元などのプロセス工程中、繰り返し溶融及び凝固サイクルを経る。複数の溶融／凝固サイクルを経る相互接続の品質は劣化し、最終製品の低減された寿命、又は損なわれた信頼性を有する製品をもたらす。したがって、異なる溶融／凝固温度を有するはんだ付け材料の必要性が存在する。

エレクトロニクス業界がＰｂフリーはんだに移行する前に、ＳｎＰｂはんだの異なる組成物を使用して、はんだ付け温度階層を作成した。例えば、１０Ｓｎ９０Ｐｂ若しくは０５Ｓｎ９５Ｐｂ、又はいくらかのＡｇ添加を有する一部のそれらの変形物を、それらの高い溶融温度（１０Ｓｎ９０Ｐｂについては２９９℃、０５Ｓｎ９５Ｐｂについては３１０℃）のため、ダイアタッチ材料（ＬＥＤパッケージング及びアセンブリ用語においてレベルＩ相互接続とも称される）として使用した。
６３Ｓｎ３７Ｐｂ又は約１８３℃の溶融温度を有する一部のその変形物を、回路基板アセンブリ（ＬＥＤ業界においてレベルＩＩ～Ｖとも称される）に使用した。はんだ中のＰｂの制限後、最も一般的に使用されたＰｂフリーはんだは、２１７～２２８℃の範囲内の溶融温度を有するＳｎＡｇ又はＳｎＡｇＣｕ（ＳＡＣ）はんだであった。高Ｐｂはんだを置き換えるための高温Ｐｂフリーはんだの唯一の実行可能な選択肢は、８０Ａｕ２０Ｓｎであった。８０％の金を有する、Ａｕ２０Ｓｎは、最も高価なはんだのうちの１つである。加えて、ＡｕＳｎは、高応力を有する相互接続をもたらす、高弾性で、比較的脆性の材料である。その上、同様の材料のセットが、他の半導体パッケージング及び電子アセンブリにおいても使用されている。高熱伝導率及び高信頼性などの特性の一部は、パワーダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、及びＩＧＢＴなどの高電力電子部品のパッケージング及びアセンブリにとって、更により重要である。

マルチレベル相互接続のためのエレクトロニクス業界において現在使用されている鉛フリー合金の組み合わせのうちの１つは、共晶Ｓｎ－Ｃｕ合金（Ｓｎ－０．７Ｃｕ）及びＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金（ＳＡＣ３０５）系である。しかしながら、いくつかの欠点は、上記の合金の組み合わせと本質的に関連する。典型的な第２のリフロー温度は、約２４０～２５０℃であり、これは、Ｓｎ－０．７Ｃｕ系の溶融ピーク、すなわち、２３２℃よりも高い。Ｓｎ－０．７Ｃｕはんだ接合部は、第２のリフロー中に液相線状態にあるため、第１のレベルの相互接続の信頼性に伴う信頼性の問題をもたらし得る。また、この場合、二次リフロー中、又ははんだ接合部のリワーク処理中にも、ダイ傾斜又は移動が起こり得る。したがって、上記の全ての欠点を潜在的に克服し、信頼性リスクを部分的又は完全に軽減し得る合金の必要性が存在する。

本発明は、先行技術に関連する問題の少なくとも一部を解決すること、又は商業的に許容可能な代替策を提供することを目的とする。

したがって、第１の態様では、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
１～９重量％の銅、
以下のうちの少なくとも１つ：
０超～１重量％のニッケル、
０超～１０重量％のゲルマニウム、
０超～１重量％のマンガン、
０超～１０重量％のアルミニウム、
０超～１０重量％のケイ素、
０超～９重量％のビスマス、
０超～５重量％のインジウム、
０超～１重量％のチタン、
０超～２重量％のランタン、
０超～２重量％のネオジム、
任意選択的に以下のうちの１つ以上：
最大１重量％のクロム、
最大１重量％のガリウム、
最大１重量％のコバルト、
最大１重量％の鉄、
最大１重量％のリン、
最大１重量％の金、
最大１重量％のテルル、
最大１重量％のセレン、
最大１重量％のカルシウム、
最大１重量％のバナジウム、
最大１重量％のモリブデン、
最大１重量％の白金、
最大１重量％のマグネシウム、
最大５重量％の銀、
最大１重量％の亜鉛、
ランタン及びネオジムを除く最大２重量％の希土類金属、並びに
任意の不可避不純物と共に残部のスズ、を含む、はんだ合金を提供する。

ここで、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が、より詳細に定義される。そのように定義される各態様は、別途明確に示されない限り、任意の他の態様又は複数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は、好ましい又は有利であると示される任意の他の特徴又は複数の特徴と組み合わされてもよい。

本明細書で使用される用語「はんだ合金」は、９０～４００℃の範囲の融点を有する可融性金属合金を包含する。合金は、鉛フリーであり、これは、鉛が意図的に添加されていないことを意味する。したがって、鉛の含有量は、ゼロであるか、又は偶発的不純物レベル以下である。合金はまた、典型的には、アンチモンフリーであり、これは、アンチモンが意図的に添加されていないことを意味する。したがって、アンチモンの含有量は、典型的には、ゼロであるか、又は偶発的不純物レベル以下である。

はんだ合金は、２３２℃以上の溶融ピークを有し得、堅牢な第１のレベルの相互接続（ダイアタッチ）を形成し得る可能性があり、二次リフロー中のダイ傾斜又は移動のリスクを低減し得る。

はんだ合金は、マルチレベル、マルチ工程エレクトロニクスアセンブリのＰｂフリーはんだ付け階層において好適に使用され得る。合金は、第１のリフロー合金又はＩレベルの相互接続合金としてリフローするのに好適であり得、Ｓｎ－Ｃｕ、ＳＡＣ、又はＳｎＡｇ共晶合金のより良好な代替であり得る。ダイアタッチプロセスでは、二次リフロー処理温度における流動性の低下に起因して、はんだ合金は、半導体ダイアタッチ層に安定性を提供し得る。

理論に束縛されるものではないが、異なるタイプの金属間化合物及び他の合金添加の最適体積分率の存在は、レベルＩダイアタッチプロセス中のはんだ付け性を損なうことなく、プリント回路基板（printed circuit board，ＰＣＢ）のレベルＩＩリフロー処理中のはんだ溶融物の粘度を向上させると考えられる。結果として、ダイ傾斜が低減され得る。

有利なことには、はんだ合金は、２２５℃～２６０℃の温度範囲内で溶融し得、それによって、典型的な電子アセンブリプロセスにおけるリフローに好適になる。

はんだ合金は、例えば、ＳｎＣｕ、ＳＡＣ、及びＳｎＡｇなどの従来の鉛フリーはんだ合金と比較して、同様又は改善された熱機械的信頼性を示し得る。はんだ合金は、例えば、ＳｎＣｕ、ＳＡＣ、及びＳｎＡｇなどの従来の鉛フリーはんだ合金と比較して、同様又は改善された機械的特性を示し得る。

はんだ合金は、有利な湿潤特性、例えば、ＳＡＣはんだ合金及びＳｎ０．７Ｃｕはんだ合金などの、例えば、従来のはんだ合金の湿潤特性と実質的に同様、又はそれよりも良好な湿潤特性を示し得る。

はんだは、１～９重量％の銅を含む。好ましくは、はんだ合金は、１．２～７重量％の銅、より好ましくは１．５～３．５重量％の銅、更により好ましくは２～３重量％の銅を含む。特に好ましい実施形態では、はんだ合金は、約２．５重量％の銅を含む。スズ中の銅の溶解度は、限定される。Ｓｎ－０．７重量％Ｃｕは、共晶相を形成する。０．７重量％を超える銅のいかなる更なる添加も、例えばＣｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５などの金属間化合物の体積分率を増加させる。これらの金属間化合物は、所与の温度における合金の粘度を増加させるのに役立ち得る。これらの金属間化合物はまた、合金の機械的及び熱的信頼性を向上させ得る。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～１重量％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、はんだ合金は、０．００１～０．２重量％のニッケル、より好ましくは０．００５～０．０２重量％のニッケル、更により好ましくは０．０１～０．０２重量％未満のニッケルを含む。ニッケルは、スズを有する固溶体を形成しない。しかしながら、それは、合金の改善された機械的特性をもたらし得る金属間化合物を形成し、所与の温度における合金の粘度を増加させ得る。ニッケルは、銅溶解を低減するのに役立ち得る。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～１０重量％のゲルマニウム（例えば、０．０００５～１０重量％のゲルマニウム）を含む。好ましくは、合金は、０．０００５～５重量％のゲルマニウム、より好ましくは０．００１～４．５重量％のゲルマニウム、更により好ましくは０．００１～０．００５重量％のゲルマニウム、なお更により好ましくは０．００２～０．００５重量％未満のゲルマニウムを含む。好ましい実施形態では、合金は、０．０２～０．０８重量％のゲルマニウムを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、３．５～４．５重量％のゲルマニウムを含む。ゲルマニウムは、脱酸素剤として機能し得、湿潤性も改善し得る。ゲルマニウムはまた、半導体ダイとの良好な接着特性を有する。好ましい実施形態では、合金は、ニッケル及びゲルマニウムの両方を含む。そのような合金は、高粘度、低銅溶解性、及び良好な湿潤性の有利な組み合わせを提供し得る。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～１重量％のマンガン（例えば、０．００１～１重量％のマンガン）を含む。好ましくは、合金は、０．００５～０．５重量％のマンガン、より好ましくは０．０１～０．３重量％のマンガン、更により好ましくは０．０５～０．１重量％のマンガンを含む。マンガンは、スズ及び銅中で限定された溶解度を有する。マンガンは、スズのみの存在下で、例えばＭｎ３Ｓｎ、Ｍｎ２Ｓｎ、及びＭｎＳｎ２などの金属間化合物を形成する。銅及びスズの両方の存在下で、マンガンはまた、例えば、ＭｎＣｕ５Ｓｎ２、ＭｎＣｕ２Ｓｎ、及びＭｎＣｕ４Ｓｎなどの金属間化合物を形成し得る。これらの金属間化合物は、所与の温度におけるＳｎ－Ｃｕ合金の粘度を増加させ得る。これらの金属間化合物はまた、合金の機械的及び熱的信頼性を向上させ得る。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～１０重量％のアルミニウム（例えば、０．００５～１０重量％のアルミニウム）を含む。好ましくは、はんだ合金は、０．０１～５重量％のアルミニウム、より好ましくは０．０５～２重量％のアルミニウムを含む。好ましい実施形態では、合金は、０．００５～０．０１５重量％のアルミニウムを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、０．０２～０．０８重量％のアルミニウムを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、０．８～１．２重量％のアルミニウムを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、３．５～４．５湿潤％のアルミニウムを含む。アルミニウムは、脱酸素剤として機能し得、湿潤性も改善し得る。アルミニウムはまた、半導体ダイとの良好な接着特性を有する。合金は、好ましくは、ゲルマニウム及びアルミニウムの両方を含有する。アルミニウム及びゲルマニウムは両方とも、スズ中に非常に限定された溶解度を有するが、アルミニウム及びゲルマニウムは、良好な相互溶解度を有し、２８．４原子％（約５１．６重量％）のゲルマニウムで共晶混合物を形成する。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～１０重量％のケイ素（例えば、０．００５～１０重量％のケイ素）を含む。好ましくは、はんだ合金は、０．０１～８重量％のケイ素、より好ましくは０．０２～６重量％のケイ素を含む。好ましい実施形態では、合金は、０．０２～０．０８重量％のケイ素を含む。別の好ましい実施形態では、合金は、３．５～４．５重量％のケイ素を含む。ケイ素は、脱酸素剤として機能し得、湿潤性も改善し得る。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～９重量％のビスマス（例えば、０．００５～９重量％のビスマス）を含む。好ましくは、はんだ合金は、０．０１～７重量％のビスマス、より好ましくは０．０５～６重量％のビスマスを含む。好ましい実施形態では、はんだ合金は、０．０７～０．１３重量％のビスマスを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、２～５重量％のビスマス、好ましくは３．５～４．５重量％のビスマスを含む。ビスマスは、スズ中でいくらかの溶解度を有し、これは、固溶体強化を介して機械的特性の改善を提供し得る。ビスマスはまた、クリープ抵抗を改善するように作用し得る。ビスマスはまた、湿潤及び拡散を改善することができる。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～５重量％のインジウムを含む。好ましくは、はんだ合金は、０．２～３重量％のインジウム、より好ましくは１．５～２．５重量％のインジウム、更により好ましくは１．８～２．２重量％のインジウムを含む。インジウムは、スズ中でいくらかの溶解度を有し、これは、固溶体強化を介して改善された機械的特性の機会を提供し得る。加えて、インジウムは、はんだ合金の液相線温度を低減するのに役立ち得、それによって、合金がベース合金よりも低い温度でリフローすることを可能にする。しかしながら、インジウムの量が多いほど、その機械的強度、はんだ付け性、及び長期熱機械的安定性などの、はんだ合金の有利な特性を低下させる場合がある。加えて、インジウムの量が多いほど、はんだ合金は、不利に酸化され易くなる可能性がある。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～１重量％のチタン（例えば、０．０１～１重量％のチタン）を含む。好ましくは、はんだ合金は、０．０１５～０．５重量％のチタン、より好ましくは０．０２～０．０８重量％のチタンを含む。チタンは、スズ中で限定された溶解度を有し、金属間化合物を形成し得、これは、リフロー処理中のはんだ溶融物の流動性を更に低減し得る。チタンは、強度及び界面反応を改善し得る。チタンはまた、基板／はんだ界面における銅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。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～２重量％のランタン（例えば、０．０１～２重量％のランタン）を含む。好ましくは、はんだ合金は、０．０５～１重量％のランタン、より好ましくは０．１～０．５重量％のランタンを含む。ランタンは、拡散及び湿潤性を改善するように作用し得る。

はんだ合金は、任意選択的に（及び好ましくは）、０超～２重量％のネオジム（例えば、０．０１～２重量％のネオジム）を含む。好ましくは、はんだ合金は、０．０５～１重量％のネオジム、より好ましくは０．１～０．５重量％のネオジムを含む。ネオジムは、拡散及び湿潤性を改善するように作用し得る。

はんだ合金は、ニッケル、ゲルマニウム、マンガン、アルミニウム、ケイ素、ビスマス、インジウム、チタン、ランタン、ネオジムのうちの少なくとも１つを含む。好ましくは、はんだ合金は、これらの元素のうちの少なくとも２つを含む。好ましい実施形態では、はんだ合金は、これらの元素のうちの２つを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、これらの元素のうちの３つを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、これらの元素のうちの４つを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、ニッケル及びゲルマニウムを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、ニッケル、マンガン、及びリンを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、アルミニウム、ゲルマニウム、ニッケル、及びビスマスを含む。別の好ましい実施形態では、はんだ合金は、インジウム、チタン、ランタン、及びニッケルを含む。

はんだ合金は、任意選択的に以下のうちの１つ以上：最大１重量％のクロム（例えば、０．０１～１重量％のクロム）、最大１重量％のガリウム（例えば、０．０１～１重量％のガリウム）、最大１重量％のコバルト（例えば、０．０１～１重量％のコバルト）、最大１重量％の鉄（例えば、０．０１～１重量％の鉄）、最大１重量％のリン（例えば、０．０１～１重量％のリン）、最大１重量％の金（例えば、０．０１～１重量％の金）、最大１重量％のテルル（例えば、０．０１～１重量％のテルル）、最大１重量％のセレン（例えば、０．０１～１重量％のセレン）、最大１重量％のカルシウム（例えば、０．０１～１重量％のカルシウム）、最大１重量％のバナジウム（例えば、０．０１～１重量％のバナジウム）、最大１重量％のモリブデン（例えば、０．０１～１重量％のモリブデン）、最大１重量％の白金（例えば、０．０１～１重量％の白金）、最大１重量％のマグネシウム（例えば、０．０１～１重量％のマグネシウム）、最大５重量％の銀（例えば、０．０１～５重量％の銀）、最大１重量％の亜鉛（例えば、０．０１～１重量％の亜鉛）、ランタン及びネオジムを除く最大２重量％の希土類金属（例えば、０．０１～２重量％の希土類金属）を含む。ガリウム及び亜鉛は、スズ中でいくらかの溶解度を有し、これは、固溶体強化の機会を提供し得る。しかしながら、亜鉛のレベルが高いほど、はんだ合金のはんだ付け性を低下させ得る。コバルトは、銅溶解を低減するために使用され得る。カルシウム、マグネシウム、リン、及びバナジウムは、湿潤性を改善するためにも使用され得る可能性のある脱酸素剤である。金、クロム、鉄、モリブデン、白金、セレン、及びテルルは、改善された強度及び界面反応に使用され得る。銀及び希土類は、拡散及び湿潤性を改善し得る。本明細書で使用するとき、用語、希土類元素は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選択される１つ以上の元素を指す。銀は、より有利な機械的特性を提供するのに役立ち得、金属間化合物の形成を介して、所与の温度におけるはんだ合金の粘度を増加させ得る。

合金は、典型的には少なくとも８０重量％のスズ、より典型的には少なくとも８５重量％のスズ、更により典型的には少なくとも９０重量％のスズ、更により典型的には少なくとも９５重量％のスズを含む。合金は、典型的には最大９８重量％のスズ、より典型的には最大９７重量％のスズを含む。

本明細書に記載される合金は不可避不純物を含有し得るが、合計で、これらは組成物の１重量％を超える可能性は低いことが理解されるであろう。好ましくは、はんだ合金は、組成物の０．５重量％以下、より好ましくは組成物の０．３重量％以下、更により好ましくは組成物の０．１重量％以下、更により好ましくは組成物の０．０５重量％以下、最も好ましくは組成物の０．０２重量％以下の量の不可避不純物を含有する。

本明細書に記載されるはんだ合金は、列挙された元素からなり得る。あるいは、本明細書に記載されるはんだ合金は、列挙された元素から本質的になり得る。したがって、必須であるこれらの元素（すなわち、スズ、銅、及びニッケル、ゲルマニウム、マンガン、アルミニウム、ケイ素、ビスマス、インジウム、チタン、ランタン、及びネオジムのうちの少なくとも１つ）に加えて、他の非指定元素が、組成物の本質的な特性が他の非指定元素の存在によって実質的に影響を受けないという条件で、組成物中に存在し得ることが理解されるであろう。

特に好ましい実施形態では、はんだ合金は、２～３重量％の銅、０．００５～０．０２重量％のニッケル、０．００１～０．００５重量％のゲルマニウム、及び任意の不可避不純物と共に残部のスズからなる。従来のＳＡＣ３０５及びＳｎ０．７Ｃｕはんだ合金と比較すると、そのようなはんだ合金は、第１のリフローと第４のリフローとの間の最小ダイ傾斜、第１のリフローと第４のリフローとの間の空隙パーセントの低減、増加したダイ剪断強度、及び改善された熱サイクル挙動を示す。

特に好ましい実施形態では、はんだ合金は、１～７重量％の銅、０．１～１重量％のニッケル、０．０５～０．５重量％のマンガン、及び０．０５～０．１重量％のリン、及び不可避不純物と共に残部のスズからなる。そのようなはんだ合金は、有利に、２３２℃で溶融ピークを有する。従来のＳＡＣ３０５及びＳｎ０．７Ｃｕはんだ合金と比較すると、そのようなはんだ合金は、第１のリフローと第４のリフローとの間の最小ダイ傾斜、第１のリフローと第４のリフローとの間の空隙パーセントの低減、増加したダイ剪断強度、及び改善されたサーモス－サイクル挙動を示す。

特に好ましい実施形態では、はんだ合金は、３～７重量％の銅、０．１～１重量％のアルミニウム、０．１～１のゲルマニウム、０．０５～０．１重量％のニッケル、２～５重量％のビスマス、及び不可避不純物と共に残部のスズからなる。そのようなはんだ合金は、有利に、２３２℃で溶融ピークを有する。従来のＳＡＣ３０５及びＳｎ０．７Ｃｕはんだ合金と比較すると、そのようなはんだ合金は、第１のリフローと第４のリフローとの間の最小ダイ傾斜、第１のリフローと第４のリフローとの間の空隙パーセントの低減、増加したダイ剪断強度、及び改善されたサーモス－サイクル挙動を示す。

特に好ましい実施形態では、はんだ合金は、４～７重量％の銅、０．１～２重量％のインジウム、０．１～０．５重量％のチタン、０．１～０．５重量％のランタン、０．１～０．２重量％のニッケル、及び不可避不純物と共に残部のスズからなる。そのようなはんだ合金は、有利に、２３２℃で溶融ピークを有する。従来のＳＡＣ３０５及びＳｎ０．７Ｃｕはんだ合金と比較すると、そのようなはんだ合金は、第１のリフローと第４のリフローとの間の最小ダイ傾斜、第１のリフローと第４のリフローとの間の空隙パーセントの低減、増加したダイ剪断強度、及び改善されたサーモス－サイクル挙動を示す。

はんだ合金は、バー、ロッド、フラックスを有するか若しくは有さない固体ワイヤ、箔若しくはストリップ、フィルム、プリフォーム、又は粉末若しくはペースト（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に使用するためのはんだ球体、又は予備形成されたはんだピース若しくはリフローされた若しくは固化したはんだ接合部、又は光起電用途のための銅リボンなどの任意のはんだ付け可能な材料に予め適用される形態であり得る。

更なる態様では、本発明は、本明細書に記載されるはんだ合金を含むはんだ接合部を提供する。

更なる態様では、本発明は、
本明細書に記載されるはんだ合金、及び
はんだフラックス、を含む、はんだペーストを提供する。

更なる態様では、本発明は、はんだ接合の形成方法を提供し、この方法は、
（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）本明細書に記載されるようなはんだ合金を提供することと、
（ｉｉｉ）接合されるワークピースの近傍ではんだ合金を加熱することと、を含む。

ワークピースは、基板及びダイなどのプリント回路基板の構成要素であってもよい。

更なる態様では、本発明は、はんだ付け方法において、本明細書に記載されるようなはんだ合金の使用を提供する。好ましくは、はんだ付け方法は、表面実装技術（Surface Mount Technology，ＳＭＴ）はんだ付け、ダイアタッチはんだ付け、熱的インターフェースはんだ付け、手はんだ付け、レーザ及びＲＦ誘導はんだ付け、並びにリワークはんだ付けから選択される。

更なる態様では、本発明は、以下のものを含む、はんだ合金又ははんだ接合部を提供する：
（ａ）１～９重量％の銅
（ｂ）以下のうちの１つ以上
０～１重量％のニッケル
０～１重量％のマンガン
（ｃ）任意選択的に以下の元素のうちの１つ以上
最大１重量％のチタン
最大２重量％の１つ以上の希土類、セリウム、ランタン、
ネオジム
最大１重量％のクロム
最大１０重量％のゲルマニウム
最大１重量％のガリウム
最大１重量％のコバルト
最大１重量％の鉄
最大１０重量％のアルミニウム
最大１重量％のリン
最大１重量％の金
最大１重量％のテルル
最大１重量％のセレン
最大１重量％のカルシウム
最大１重量％のバナジウム
最大１重量％のモリブデン
最大１重量％の白金
最大１重量％のマグネシウム
最大１０重量％のケイ素
最大９重量％のビスマス
最大５重量％の銀
最大５重量％のインジウム
（ｄ）不可避不純物と共に、残部スズ。

第１の態様の利点及び好ましい特徴は、この態様に等しく当てはまる。

更なる態様では、本発明は、以下のものを含む、はんだ合金又ははんだ接合部を提供する：
（ａ）１～９重量％の銅
（ｂ）以下のうちの１つ以上
０～１０重量％のアルミニウム
０～１０重量％のゲルマニウム
０～１０重量％のケイ素
０～９重量％のビスマス
（ｃ）任意選択的に以下の元素のうちの１つ以上
最大１重量％のニッケル
最大１重量％のチタン
セリウム、ランタン、ネオジムを除く最大２重量％の希土類
最大１重量％のクロム
最大１重量％のマンガン
最大１重量％のガリウム
最大１重量％のコバルト
最大１重量％の鉄
最大１重量％のリン
最大１重量％の金
最大１重量％のテルル
最大１重量％のセレン
最大１重量％のカルシウム
最大１重量％のバナジウム
最大１重量％のモリブデン
最大１重量％の白金
最大１重量％のマグネシウム
最大５重量％の銀
最大５重量％のインジウム
（ｄ）不可避不純物と共に、残部スズ。

更なる態様では、本発明は、以下のものを含む、はんだ合金又ははんだ接合部を提供する：
（ａ）１～９重量％以下の銅
（ｂ）以下のうちの１つ以上
０～１重量％のニッケル
０～５重量％のインジウム
０～１重量％のチタン
０～２重量％のランタン
０～２重量％のネオジム
（ｃ）任意選択的に以下の元素のうちの１つ以上
最大２重量％の希土類、セリウム
最大１重量％のクロム
最大１重量％のマンガン
最大１重量％のガリウム
最大１重量％のコバルト
最大１重量％の鉄
最大１重量％のリン
最大１重量％の金
最大１重量％のテルル
最大１重量％のセレン
最大１重量％のカルシウム
最大１重量％のバナジウム
最大１重量％のモリブデン
最大１重量％の白金
最大１重量％のマグネシウム
最大１０重量％のケイ素
最大１０重量％のゲルマニウム
最大９重量％のビスマス
最大５重量％の銀
最大１０重量％のアルミニウム
（ｄ）不可避不純物と共に、残部スズ。

以下の図面を参照して、これらの合金のいくつかの非限定的な例及びそれらの性能の概要により、ここで、本発明を更に説明する。
従来のはんだであるＳＡＣ３０５のリフローにおける、ダイ傾斜（μｍ）対デバイス＃のプロットである。実施例３のＳｎＣｕＮｉＧｅのはんだ合金のリフローにおける、ダイ傾斜（μｍ）対デバイス＃のプロットである。従来のはんだであるＳＡＣ３０５のリフローにおける、ＢＬＴ（μｍ）対デバイス＃のプロットである。実施例３のＳｎＣｕＮｉＧｅのはんだ合金のリフローにおける、ＢＬＴ（μｍ）対デバイス＃のプロットである。従来のはんだであるＳＡＣ３０５（左）及び実施例３のＳｎＣｕＮｉＧｅのはんだ合金（右）の第１のリフローと第４のリフローとの間の空隙（％）の変化のプロットである。ＦＲ４基板上の、従来のはんだ合金ＳＡＣ３０５（左）、従来のはんだ合金ＳｎＣｕ０．７（中央）、及び実施例３のＳｎＣｕＮｉＧｅのはんだ合金（右）に対する剪断力（ｋｇｆ）対サイクルのボックスプロットである。金属基板上の、従来のはんだ合金ＳＡＣ３０５（左）、従来のはんだ合金ＳｎＣｕ０．７（中央）、及び実施例３のＳｎＣｕＮｉＧｅのはんだ合金（右）に対する剪断力（ｋｇｆ）対サイクルのボックスプロットである。

実施例１
以下の組成を有する合金を調製した：
合金ＩＤ－ＨＣ１：
Ｃｕ：１～７重量％、
Ｎｉ：０．１～１重量％、
Ｍｎ：０．０５～０．５重量％、
Ｐ：０．０５～０．１重量％、
不可避不純物と共に、残部：Ｓｎ。

そのようなはんだ合金は、有利に、２３２℃で溶融ピークを有する。

合金ＩＤ－ＨＣ２：
Ｃｕ：３～７重量％、
Ａｌ：０．１～１重量％、
Ｇｅ：０．１～１重量％、
Ｎｉ：０．０５～０．１重量％、
Ｂｉ：２～５重量％、
不可避不純物と共に、残部：Ｓｎ。

合金ＩＤ－ＨＣ３：
Ｃｕ：４～７重量％、
Ｉｎ：０．１～２重量％、
Ｔｉ：０．１～０．５重量％、
Ｌａ：０．１～０．５重量％、
Ｎｉ：０．１～０．２重量％、
不可避不純物と共に、残部：Ｓｎ。

実施例２
以下の表１に記載される組成を有する合金を調製した。

２２５～２８０℃の間で、表１の合金は、５０％以上の液体分率を有する。液体分率は、理論上、液体分率（％）＝１００－固体分率（％）として計算される。

実施例３
以下の組成を有する合金を調製した。
Ｃｕ：２．５重量％
Ｎｉ：＜０．０５重量％
Ｇｅ：＜０．００５重量％
不可避不純物と共に、残部：Ｓｎ。

ダイ傾斜分析：
合金を従来のＳＡＣ３０５はんだ合金と比較して、ダイ傾斜分析を実施した。結果を、図１及び図２に示す。ＳｎＣｕＮｉＧｅは、第１のリフロー（円形）と第４のリフロー（三角形）との間で、ダイ傾斜の最小変化を実証し、一方では、ＳＡＣ３０５は、相当な変動を示す。

空隙分析：
合金を従来のＳＡＣ３０５はんだ合金と比較して、空隙分析を実施した。結果を、図３、図４、及び図５に示す。図３及び図４に示されるように、ＳＡＣ３０５とは対照的に、ＳｎＣｕＮｉＧｅは、第１のリフローと第４のリフローとの間で、空隙％の最小変化を実証する。図５は、ＳｎＣｕＮｉＧｅで、第１のリフローと第４のリフローとの間での空隙パーセントの変化が、ＳＡＣ３０５よりも有意ではないことを示す。

剪断及び熱的試験：
以下の試験及び条件を用いた。
・はんだペーストの光学的、熱的、及び剪断性能を直接比較するために、選択された中電力Ｌｕｍｉｌｅｄｓ３５３５ＬＬＥＤ
・ＥＮＩＧ仕上げを有する接触パッドを有する、選択されたＬＥＤ用に設計された同一のＡｌ－ＭＣＰＣＢ及びＦＲ４－ＰＣＢ基板
・剪断試験：１８３３熱的サイクル

図６及び図７に見られるように、ＳｎＣｕＮｉＧｅは、ＭＣＰＣＢ及びＦＲ４アセンブリの両方において、熱的サイクルの増加に伴い、最も安定した剪断強度値を示した。

前述の詳細な記載は、説明及び図解によって提供されたものであり、添付の特許請求の範囲の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書に示される現時点で好ましい実施形態の多くの変形例は、当業者に明らかであり、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内に留まる。

Claims

鉛フリーはんだ合金であって、
１～９重量％の銅、
以下のうちの少なくとも１つ：
０超～１重量％のニッケル、
０超～１０重量％のゲルマニウム、
０超～１重量％のマンガン、
０超～１０重量％のアルミニウム、
０超～１０重量％のケイ素、
０超～９重量％のビスマス、
０超～５重量％のインジウム、
０超～１重量％のチタン、
０超～２重量％のランタン、
０超～２重量％のネオジム、
任意選択的に以下のうちの１つ以上：
最大１重量％のクロム、
最大１重量％のガリウム、
最大１重量％のコバルト、
最大１重量％の鉄、
最大１重量％のリン、
最大１重量％の金、
最大１重量％のテルル、
最大１重量％のセレン、
最大１重量％のカルシウム、
最大１重量％のバナジウム、
最大１重量％のモリブデン、
最大１重量％の白金、
最大１重量％のマグネシウム、
最大５重量％の銀、
最大１重量％の亜鉛、
ランタン及びネオジムを除く最大２重量％の希土類金属、並びに
任意の不可避不純物と共に残部のスズ、を含む、はんだ合金。
１．２～７重量％の銅、好ましくは１．５～３．５重量％の銅、より好ましくは２～３重量％の銅を含む、請求項１に記載のはんだ合金。
０．００１～０．２重量％のニッケル、好ましくは０．００５～０．０２重量％のニッケル、より好ましくは０．０１～０．０２重量％未満のニッケルを含む、請求項１又は２に記載のはんだ合金。
０．０００５～５重量％のゲルマニウム、好ましくは０．００１～４．５重量％のゲルマニウム、より好ましくは０．００１～０．００５重量％のゲルマニウム、更により好ましくは０．００２～０．００５重量％未満のゲルマニウムを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．００５～０．５重量％のマンガン、好ましくは０．０１～０．３重量％のマンガン、より好ましくは０．０５～０．１重量％のマンガンを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．０１～５重量％のアルミニウム、好ましくは０．０５～２重量％のアルミニウムを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．０１～８重量％のケイ素、好ましくは０．０２～６重量％のケイ素を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．０１～７重量％のビスマス、好ましくは０．０５～６重量％のビスマスを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．２～３重量％のインジウム、好ましくは１．５～２．５重量％のインジウム、更により好ましくは１．８～２．２重量％のインジウムを含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．０１５～０．５重量％のチタン、好ましくは０．０２～０．０８重量％のチタンを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．０５～１重量％のランタン、好ましくは０．１～０．５重量％のランタンを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のはんだ合金。
０．０５～１重量％のネオジム、好ましくは０．１～０．５重量％のネオジムを含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のはんだ合金。
２～３重量％の銅、０．００５～０．０２重量％のニッケル、０．００１～０．００５重量％のゲルマニウム、及び任意の不可避不純物と共に残部のスズからなる、請求項１～１２のいずれか一項に記載のはんだ合金。
１～７重量％の銅、０．１～１重量％のニッケル、０．０５～０．５重量％のマンガン、及び０．０５～０．１重量％のリン、及び不可避不純物と共に残部のスズからなる、請求項１～１２のいずれか一項に記載のはんだ合金。
３～７重量％の銅、０．１～１重量％のアルミニウム、０．１～１重量％のゲルマニウム、０．０５～０．１重量％のニッケル、２～５重量％のビスマス、及び不可避不純物と共に残部のスズからなる、請求項１～１２のいずれか一項に記載のはんだ合金。
４～７重量％の銅、０．１～２重量％のインジウム、０．１～０．５重量％のチタン、及び０．１～０．５重量％のランタン、０．１～０．２重量％のニッケル、及び不可避不純物と共に残部のスズからなる、請求項１～１２のいずれか一項に記載のはんだ合金。
バー、ロッド、フラックスを有するか若しくは有さない固体ワイヤ、箔若しくはストリップ、フィルム、プリフォーム、又は粉末若しくはペースト（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に使用するためのはんだ球体、又は予備形成されたはんだピース若しくはリフローされた若しくは固化したはんだ接合部、又は光起電用途のための銅リボンなどの任意のはんだ付け可能な材料に予め適用される形態である、請求項１～１６のいずれか一項に記載のはんだ合金。
請求項１～１７のいずれか一項に記載のはんだ合金を含むはんだ接合部。
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１～１７のいずれか一項で定義されたはんだ合金を提供することと、
（ｉｉｉ）接合される前記ワークピースの近傍で前記はんだ合金を加熱することと、を含む、方法。
はんだ付け方法における請求項１～１７のいずれか一項に記載のはんだ合金の使用であって、好ましくは、前記はんだ付け方法が、表面実装技術（ＳＭＴ）はんだ付け、ダイアタッチはんだ付け、熱的インターフェースはんだ付け、手はんだ付け、レーザ及びＲＦ誘導はんだ付け、並びにリワークはんだ付けから選択される、使用。