(57)【要約】      （修正有）【課題】引張強度、結合強度および濡れ性能を改善することができ、製造コストを下げることができる無銀無鉛はんだ組成物を提供する。【解決手段】１００重量％の無銀無鉛はんだ組成物に対して、２重量％から８重量％のＢｉ、０．１重量％から１．０重量％のＣｕ、０．０１重量％から０．２重量％のＮｉ、Ｆｅ、およびＣｏの少なくとも１つ、ならびに残部のＳｎを含む、無銀無鉛はんだ組成物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１００重量％の無銀無鉛はんだ組成物に対して、２重量％から８重量％のＢｉ、０．１重量％から１．０重量％のＣｕ、０．０１重量％から０．２重量％のＮｉ、Ｆｅ、およびＣｏの少なくとも１つ、ならびに残部のＳｎを特徴とする、無銀無鉛はんだ組成物。
【請求項２】
１００重量％の無銀無鉛はんだ組成物に対して、０．００３重量％から０．０３重量％のＧｅ、ＧａおよびＰの少なくとも１つをさらに特徴とする、請求項１に記載の無銀無鉛はんだ組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ組成物、とりわけ電子部品のはんだ付けに使用に適合した無銀無鉛はんだ組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、通常、Ｓｎ−Ｐｂ合金が電子部品用のはんだとして使用される。鉛およびその化合物によって引き起こされる深刻な環境汚染、ならびに環境保全意識の高まりのために、鉛はんだの使用は、近年、徐々に禁止されてきている。その結果、鉛はんだは無鉛はんだに徐々に置き換えられている。
【０００３】
無鉛はんだのうち、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（ＳＡＣ３０５）無鉛はんだおよびＳｎ−Ｃｕ無鉛はんだ、特にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ（ＳＡＣ３０５）はんだが最も広く使用されている。銀の価格の上昇により、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金はんだの価格が上昇し、それによってそれを使用する電子部品実装のコストが上昇している。
【０００４】
したがって、電子実装産業において実装コストを下げるために低い銀含量のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだまたは無銀Ｓｎ−Ｃｕはんだが一般に使用されている。しかし、前述の低い銀含量または無銀はんだは引張強度が劣り、はんだの濡れ性能は不十分である。したがって、はんだバンプと基材の間のはんだ接合のはんだ付け強度は比較的弱い。不十分な濡れ性能により、はんだバンプは、容易に割れるかまたは剥がれ、それによって結合強度が低下する可能性がある。したがって、電子製品を再加工または廃棄する必要がある可能性がある。
【０００５】
したがって、当業界においてＰｂおよびＡｇを含まず、先行技術に伴う欠点を克服することができるはんだ組成物を提供する必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、引張強度、結合強度および濡れ性能を改善することができ、製造コストを下げることができる無銀無鉛はんだ組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、１００重量％の無銀無鉛はんだ組成物に対して、２重量％から８重量％のＢｉ、０．１重量％から１．０重量％のＣｕ、０．０１重量％から０．２重量％のＮｉ、Ｆｅ、およびＣｏの少なくとも１つ、ならびに残部のＳｎを含む無銀無鉛はんだ組成物が提供される。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の他の特徴および利点は、好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。
【０００９】
本発明による無銀無鉛はんだ組成物の好ましい実施形態は、１００重量％の無銀無鉛はんだ組成物に対して、２重量％から８重量％のＢｉ、０．１重量％から１．０重量％のＣｕ、０．０１重量％から０．２重量％のＮｉ、Ｆｅ、およびＣｏの少なくとも１つ、ならびに残部のＳｎを含む。本発明において、製造コストが著しく低下するように、銀を置き換えるためにビスマスが使用される。さらに、引張強度および濡れ性能が驚くほど向上し、その結果、本発明のはんだ組成物は、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ組成物のそれと等しいか、またはより優れた性能を提供する。さらに、本発明のはんだ組成物にＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏの少なくとも１つを添加することによって、結合強度を上げることができる。
【００１０】
好ましくは、この実施形態において、無銀無鉛はんだ組成物は、１００重量％の無銀無鉛はんだ組成物に対して、０．００３重量％から０．０３重量％のＧｅ、ＧａおよびＰの少なくとも１つをさらに含む。したがって、ウェーブソルダリングプロセスにおいて、はんだ組成物の耐酸化活性を向上させることができ、ドロスの発生を減らすことができる。
実施例
実施例１〜５２および比較例１〜３９用のはんだ組成物の調製
【００１１】
実施例１〜５２および比較例１〜３９用のはんだ組成物を、表１〜４中に列挙した成分を混合することにより調製した。
【００１２】
濡れ性能（またははんだづけ性）、引張強度、結合強度および耐酸化活性を求めることにより本発明の効果を立証した。
評価手段
【００１３】
１．濡れ性能を、濡れバランス分析法を使用して測定した。各実施例および各比較例のはんだ組成物を２５０℃未満で加熱して溶融ハンダ浴を形成した。幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍおよび厚さ０．３ｍｍを有する銅パッドにはんだフラックスを塗布し、過剰のはんだフラックスは銅パッドを鉛直に立てることにより液切りし、続いて銅パッドを溶融ハンダ浴に浸漬した。溶融ハンダ組成物の濡れ時間、すなわち、濡れ過程の間に溶融ハンダ組成物が銅パッドへの完全な接着を可能にするのにかかる時間を検出し計算した。はんだ組成物の濡れ性能は、標準に従って以下のように求めた。
○：濡れ時間＜２秒；
△：２秒≦濡れ時間＜３秒；および
Ｘ：濡れ時間≧３秒。
【００１４】
２．引張強度を、Ｖｉｃｋｅｒｓ角錐ダイヤモンド圧子を使用し５０ｇ重の荷重を１５秒間印加して測定した。引張強度の測定のために、各実施例および各比較例のはんだ組成物のはんだバンプをリフローはんだ付けによって銅パッド上に形成した。はんだバンプを切削して切断面を形成し、Ｖｉｃｋｅｒｓ角錐ダイヤモンド圧子を使用して、切断面で測定を行った。はんだバンプの切断面に形成された窪みを測定し、微小硬度（Ｈｖ）を計算した。引張強度は、標準に従って以下のように求めた。
○：微小硬度＞２０Ｈｖ；
△：１５Ｈｖ＜微小硬度≦２０Ｈｖ；および
Ｘ：微小硬度≦１５Ｈｖ。
【００１５】
３．結合強度を、はんだバンプの脆性破壊度を検出するためにゾーン剪断結合試験を使用して求めた。各実施例および各比較例のはんだ組成物を銅パッドとともにリフローし、次いで、はんだ組成物から形成されたはんだバンプと銅パッドの間の継ぎ目を高速結合試験器を使用して破壊した。結合強度は、標準に従って以下のように評価した。
○：脆性破壊率＜１０％；
△：１０％≦脆性破壊率＜１５％；および
Ｘ：脆性破壊率≧１５％。
【００１６】
４．耐酸化活性を、オーブン中で大気を換気しながら２００℃で３０分間、実施例３８〜５４それぞれのはんだ組成物を加熱し、はんだ組成物から形成されたはんだ物品の表面の光沢の変化を観察することにより求めた。具体的には、耐酸化活性は、以下の標準に基いて色変化に対する抵抗性によって求めた。
○：はんだ物品の表面は金属光沢を有する；
△：はんだ物品の表面は帯黄色を示す；および
Ｘ：はんだ物品の表面は黄色、青、紫または比較的暗い色を示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１を参照すると、実施例１〜１２の結果は、Ｂｉ含量が２重量％から８重量％の範囲である場合、そのはんだ組成物は、優れた引張強度および結合強度、ならびにより高い濡れ性能を示すことがわかる。比較例１〜８に示すように、はんだ組成物がＢｉを含まないかまたは１．０重量％のＢｉを含む場合、はんだ組成物は劣った引張強度および濡れ性能を示す。比較例９〜１０に示すように、はんだ組成物が１０重量％のＢｉを含む場合、濡れ性能および引張強度は、実施例９〜１２と比較してそれ以上は改善されない。さらに、高いＢｉ含量のために、結合強度は悪影響を受け、はんだ組成物の融点は低下して好ましくなく、その結果、この合金組成物を使用することができない。
【００１９】
他方、比較例１１〜１４に示すように、はんだ組成物がＢｉを含まないが１．０重量％のＡｇを含む場合、引張強度および濡れ性能は極端に劣る。比較例１５〜２０に示すように、はんだ組成物がＢｉを含まないが２．０重量％または３．０重量％のＡｇを含む場合、引張強度および濡れ性能はわずかに改善されるが、まだ不十分である。比較例２１〜２２に示すように、はんだ組成物がＢｉを含まないが８．０重量％のＡｇを含む場合、引張強度は改善されるが、濡れ性能は不十分で、融点が高いので使用に適さない。一方で、結合強度も悪影響を受ける。
【００２０】
さらに、実施例１〜４のはんだ組成物（それぞれ２．０重量％のＢｉを有する）の特性は、８．０重量％のＡｇを有する各比較例２１〜２２のものより良好である。したがって、Ａｇを有するはんだ組成物と比較して、同じ量のＢｉを含有するはんだ組成物は優れた特性を示す。この発明によれば、銀をビスマスへ置き換え、２．０重量％から８．０重量％内にＢｉ含量を制御することにより、引張強度および濡れ性能を改善することができ、製造コストを下げ、その結果、本発明のはんだ組成物の市場競争力を増強することができる。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
表２を参照すると、実施例１３〜１９に示すように、はんだ組成物のＣｕ含量が０．１重量％から１．０重量％の範囲である場合、はんだ組成物は優れた濡れ性能、引張強度および結合強度を有する。
【００２３】
比較例２３〜２５に示すように、はんだ組成物がＣｕを含まないか、または０．０５重量％のＣｕを含む場合、濡れ性能および結合強度は劣る。比較例２６〜２７に示すように、はんだ組成物が１．２重量％のＣｕを含む場合、はんだ組成物の融点は上がり、濡れ性能および結合強度は過剰なＣｕ含量のために低下する。したがって、Ｃｕ含量が０．１重量％から１．０重量％の範囲の場合、所望の効果を達成することができる。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
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【００２６】
表３を参照すると、実施例２０〜２５に示すように、Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏの少なくとも１つの含量が０．０１重量％である場合、はんだ組成物は、優れた引張強度、十分な濡れ性能および結合強度を有する。実施例２６〜３７に示すように、Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏの少なくとも１つの含量が０．１重量％または０．２重量％である場合、結合強度はさらに改善される。Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏ元素の添加は、脆いＣｕ３Ｓｎ金属相の発生を抑制し、脆くないＣｕ６Ｓｎ５金属相の発生を容易にする。したがって、はんだバンプと銅パッドの間の結合強度を著しく増強することができる。
【００２７】
比較例２８〜３３に示すように、Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏの少なくとも１つの含量が０．００５重量％である場合、Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏの含量は、脆いＣｕ３Ｓｎ金属相の発生を抑制するには不十分であり、そのため結合強度が低下する。比較例３４〜３９に示すように、Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏの少なくとも１つの含量が０．３重量％である場合、過剰のＮｉ、ＦｅまたはＣｏに起因する緩い構造により結合強度も低下する。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
表４を参照すると、実施例４２〜５０に示すように、Ｇｅ、ＰまたはＧａの少なくとも１つの含量が０．００３重量％から０．０３重量％の範囲である場合、はんだ組成物は優れた濡れ性能、引張強度、結合強度および耐酸化活性を有する。これは、Ｇｅ、ＰまたはＧａ元素がはんだ物品の表面に耐酸化層を形成することができ、その結果環境の酸素を隔離し、はんだ組成物の耐酸化活性を改善するからである。
【００３０】
実施例３８〜４１に示すように、はんだ組成物がＧｅ、ＰまたはＧａの少なくとも１つを含まないか、または０．００１重量％含む場合、耐酸化活性は不十分になる。実施例５１〜５２に示すように、ＧｅまたはＧａの含量が０．０５重量％である場合、効果は実施例４２〜５０と同じである。すなわち、濡れ性能、引張強度、結合強度および耐酸化活性はそれ以上改善されず、材料消費は増加し、そのため、結果として製造コストの上昇を招く。
【００３１】
したがって、Ｇｅ、ＰまたはＧａの少なくとも１つの含量が０．００３重量％から０．０３重量％の範囲である場合、耐酸化活性効果を達成することができる。
【００３２】
要約すると、本発明において、高価な銀のビスマスへの置き換えで製造コストを下げることができ、それとともに引張強度および濡れ性能を改善して、本発明のはんだ組成物の市場競争力を増強することができる。同時に、０．１ｗｔ％から１．０重量％内に銅の含量を制御することによって、はんだ組成物の結合強度および濡れ性能を改善することができる。Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏの少なくとも１つの含量を０．０１重量％から０．２重量％内になるように制御することにより結合強度を増強することができる。さらに、Ｇｅ、ＰまたはＧａの少なくとも１つを０．００３重量％から０．０３重量％添加することによってはんだ組成物の耐酸化活性を改善することができる。したがって、本発明による無銀無鉛はんだ組成物は、前述の優れた特性を有しコストが下がる。
【００３３】
最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して本発明が記載されたが、本発明が、開示された実施形態に限定されず、最も広い解釈の趣旨および範囲内に含まれる様々な構成、および同等の構成に及ぶよう意図されることは理解される。
【外国語明細書】
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