(57)【要約】  良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示し、典型的には少なくとも１５０℃、例えば１７５℃までの動作温度に耐えることができる鉛フリーはんだ合金が記載される。この合金は、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ及びＰｂ５Ｓｎ２．５Ａｇと比較して改善された高温機械的特性を示すことができる。はんだは、バー、スティック、固体又はフラックス入りワイヤ、ホイル又はストリップ、フィルム、プリフォーム、又は粉末又はペースト（即ち、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又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用されることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛フリーはんだ合金であって、
８〜１５重量％のアンチモンと、
０．０５〜５重量％のビスマスと、
０．１〜１０重量％の銀と、
０．１〜４重量％の銅と、
以下のうちの１つ以上と：
１重量％までのニッケル、
１重量％までのコバルト、
１重量％までのチタン、
１重量％までのマンガン、
１重量％までのゲルマニウム、
１０重量％までのアルミニウム、
１０重量％までのケイ素、
任意に以下のうちの１つ以上と：
５重量％までのインジウム、
１重量％までのクロム、
１重量％までの亜鉛、
１重量％までの砒素、
１重量％までの鉄、
１重量％までのリン、
１重量％までの金、
１重量％までのガリウム、
１重量％までのテルル、
１重量％までのセレン、
１重量％までのカルシウム、
１重量％までのバナジウム、
１重量％までのモリブデン、
１重量％までの白金、
１重量％までの希土類元素、
残部であるスズ及び不可避の不純物と、
を含むことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
前記合金が、８．５〜１３重量％のアンチモン、好ましくは９〜１１重量％のアンチモン、より好ましくは９．５〜１０．５重量％のアンチモンを含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
前記合金が、０．０８〜３重量％のビスマス、好ましくは０．１〜２重量％のビスマス、より好ましくは０．５〜１．５重量％のビスマスを含む請求項１から２のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項４】
前記合金が、１．５〜５．０重量％の銀、好ましくは２．０〜４．０重量％の銀、より好ましくは２．５〜４．２重量％の銀を含む請求項１から３のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項５】
前記合金が、０．１〜４．０重量％の銅、好ましくは０．３〜３．５重量％の銅、より好ましくは０．４〜２．５重量％の銅を含む請求項１から４のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項６】
前記合金が、０．００１〜１重量％のニッケル、好ましくは０．００８〜０．５重量％のニッケル、より好ましくは０．０１５〜０．１重量％のニッケル、更により好ましくは０．０１８〜０．０２２重量％のニッケルを含む請求項１から５のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項７】
前記合金が、０．００１〜１重量％のコバルト、好ましくは０．００８〜０．５重量％のコバルト、より好ましくは０．０１５〜０．１重量％のコバルトを含む請求項１から６のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項８】
前記合金が、０．００１〜１．０重量％のチタン、好ましくは０．００３〜０．５重量％のチタン、より好ましくは０．００５〜０．０１重量％のチタンを含む請求項１から７のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項９】
前記合金が、０．００１〜１．０重量％のマンガン、好ましくは０．００３〜０．５重量％のマンガン、より好ましくは０．００５〜０．０１重量％のマンガンを含む請求項１から８のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項１０】
前記合金が、０．００１〜１．０重量％のゲルマニウム、好ましくは０．００５〜０．１重量％のゲルマニウム、より好ましくは０．００５〜０．０１重量％のゲルマニウムを含む請求項１から９のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項１１】
前記合金が、０．００１〜１．０重量％のアルミニウム、好ましくは０．００５〜５重量％のアルミニウム、より好ましくは０．０１〜１重量％のアルミニウム、更により好ましくは０．１〜０．５重量％のアルミニウムを含む請求項１から１０のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項１２】
前記合金が、０．００１〜１０重量％のケイ素、好ましくは０．００５〜５重量％のケイ素、より好ましくは０．０１〜１重量％のケイ素、更により好ましくは０．１〜０．５重量％のケイ素を含む請求項１から１１のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項１３】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．５〜１．５重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項１４】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．５〜１．５重量％のビスマス、３．５〜４．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項１５】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．２〜０．８重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項１６】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．２〜０．８重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０７重量％のゲルマニウム、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項１７】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項１８】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のゲルマニウム、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項１９】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項２０】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のチタン、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項２１】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．０１〜０．０８重量％のコバルト、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項２２】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、３．５〜４．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項２３】
前記合金が、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のチタン、残部であるスズ、及び不可避の不純物を含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項２４】
前記合金が、２１５℃以上の固相線温度を有する請求項１から２３のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項２５】
バー、スティック、固体又はフラックス入りワイヤ、ホイル又はストリップ、フィルム、プリフォーム、又は粉末又はペースト、又はボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用される請求項１から２４のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項２６】
ペーストの形態である請求項２５に記載のはんだ合金。
【請求項２７】
プリフォームの形態である請求項２５に記載のはんだ合金。
【請求項２８】
請求項１から２７のいずれかに記載の合金を含むことを特徴とするはんだ接合部。
【請求項２９】
請求項２８に記載のはんだ接合部を含むことを特徴とする高輝度ＬＥＤ（ＨＢＬＥＤ）、モータ制御、太陽集光装置セル、ＲＦ回路、又はマイクロ波回路。
【請求項３０】
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から２７のいずれかに記載のはんだ合金を提供することと、
（ｉｉｉ）前記はんだ合金を、前記接合すべきワークピースの近傍で加熱することとを含む方法。
【請求項３１】
ダイ取付けはんだ付け、ウェーブはんだ付け、表面実装技術はんだ付け、熱界面はんだ付け、手はんだ付け、レーザ及びＲＦ誘導はんだ付け、ソーラーモジュールに対するはんだ付け、ＬＥＤパッケージ基板のはんだ付け、及び再加工はんだ付けにおける、請求項１から２７のいずれかに記載の合金の使用。
【請求項３２】
電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、モータ駆動装置、電力インバーター、風力タービン、又はレール牽引システムを含む用途（これらに限定されない）のための電力モジュールに対するはんだ付けにおける、請求項１から２７のいずれかに記載の合金の使用。
【請求項３３】
２２０℃以上の温度に合金を加熱することを含むはんだ付け方法における、請求項１から２７のいずれかに記載の合金の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、冶金の分野、及び合金、特に鉛フリーはんだ合金に関する。この合金は、特に（他を排除するものではないが）、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、ボトム終端パッケージ、ＬＥＤ、及びチップスケールパッケージなどの電子はんだ用途における使用に適している。
【背景技術】
【０００２】
高い動作温度の鉛フリーはんだ合金は、中／高出力半導体の現在及び将来における要求に必要である。中／高出力半導体デバイスの最大の課題の１つは、過酷な環境（動作温度が１７５℃まで上昇することがある）においても信頼性を損なわないことである。更に、デバイス当たり数百ワットに達することがある高粉末負荷は、温度勾配を引き起こすことがある。換言すれば、装置の周囲温度は、前記装置のスイッチがオンになると急速に上昇し、装置のスイッチがオフになると急速に低下する。繰り返される電源のオン／オフサイクル時のこれらの急激な温度変化は、深刻な信頼性に対する懸念を引き起こすことがある。例えば、半導体と絶縁材料との間のＣＴＥの差によってのみ駆動される、半導体部品には甚だしい応力が発生する。
【０００３】
冶金的観点からは、２８０〜３００℃以下のピークリフロー温度、良好な電気及び熱伝導性、及び良好な高温の機械的及び熱的性質を必要とする、高融点のはんだ材料が、これらの用途に不可欠な合金に対する要求である。更に重要なことには、これらの合金は、耐用年数及び設計に対する高い要求に対応するために高い疲労寿命を有するべきである。はんだ合金の他の一般的要求は、（ｉ）原料の入手が容易であること、（ｉｉ）既存の製造プロセスに適応可能であること、（ｉｉｉ）組立プロセスで使用される他の材料との適合性があること、である。
【０００４】
既存の鉛ベースの高融点及び高動作温度合金（例えば、９２．５Ｐｂ５Ｓｎ２．５Ａｇ）は、ＲｏＨＳなどの法律によって規制される用途には使用できず、一方、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金は、信頼性の高い性能要求に合格していない。高い動作温度用途のための別の既存の解決策は、８０Ａｕ２０Ｓｎ合金である。しかしながら、その高いコストは大きな懸念事項である。
【０００５】
従来技術に関連する問題を解決するこれまでの試みは成功しなかった。例えば、混合合金はんだペーストを記載しているＺｈａｎｇの特許文献１、及び一過性の液相はんだ付けを記載しているＭｃＣｌｕｓｋｅｙの特許文献２（それぞれの主題の全体を参照により本明細書に援用する）はいずれも、高温はんだ付け用途用に提案されている。しかし、これらのアプローチは、工業的製造のためのスケールアップを妨げる、及び／又ははんだペースト以外のはんだ形態での使用を妨げる厳しい技術的制限を有する。文献に報告されている他のＳｎ−Ｓｂ合金は、疲労及び熱機械的性質が低い。例えば、特許文献３には、固相線温度が２４６℃、液相線温度が２９０℃のＳｎ−１５Ｓｂ合金が開示されている。Ｓｎ中にＳｂが固溶しているために期待されるこのような合金の高い引張強さの他に、このような合金は、周期的な応力に付されたときに強度を欠く。
【０００６】
Ｓｂ：Ｂｉが（１：１．５〜３）であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕと他の合金添加剤の組成物が、特許文献４に開示された。本発明に開示された組成物とは異なり、そこに開示された合金組成物は、約２２０℃の液相線温度を有し、最高動作温度は１５０℃であると主張する。
【０００７】
５８重量％のＢｉは、１３８℃の温度でＳｎとの共融反応を形成する。一方、Ｓｂは、Ｓｎへの溶解度が制限され、Ｓｎリッチな領域が包晶反応を示す。Ｂｉ−Ｓｂは、１８０℃未満の温度で混和性ギャップを有する同形系である。したがって、ＳｎにＳｂ及び／又はＢｉを添加することにより、合金の強度を大幅に高めることができる。Ｓｂの添加は、Ｂｉ添加に比べて比較的大きな伸びを付与することができる。しかし、疲労寿命は塑性変形に必ずしも依存しないことがよく知られおり、これは、塑性変形が大きく局在化し、成分の巨視的評価によっては識別できないからである。疲労寿命は、印加された応力に応答して変化する微細構造レベルでの合金挙動により大きく依存する。
【０００８】
良好な微細構造安定性のために、包晶Ｓｎ−Ｓｂ組成（〜１０．２重量％Ｓｂ）に近いことが理想的である。更に、包晶組成に近いほど、２７０℃以下の液相線温度を有する合金の形成に有利である。Ｓｂ及びＢｉの最適化された添加は、所望レベルの疲労寿命及び強度を達成するために非常に有用である。
【０００９】
これら全ての特定の一般的な要求を満たす合金を開発することは、困難なタスクである。本発明は、従来技術に関連する問題の少なくとも幾つかを解決すること、又は商業的に許容可能な代替物を提供することを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許公開第２０１５／０２４６４１７号
【特許文献２】米国特許公開第２０１０／００９６０４３号
【特許文献３】日本特許公開２００９−０７０８６３Ａ号
【特許文献４】ＷＯ２００４／０９６４８４
【００１１】
したがって、第１の態様において、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
８〜１５重量％のアンチモンと、
０．０５〜５重量％のビスマスと、
０．１〜１０重量％の銀と、
０．１〜４重量％の銅と、
以下のうちの１つ以上と：
１重量％までのニッケル、
１重量％までのコバルト、
１重量％までのチタン、
１重量％までのマンガン、
１重量％までのゲルマニウム、
１０重量％までのアルミニウム、
１０重量％までのケイ素、
任意に以下のうちの１つ以上と：
５重量％までのインジウム、
１重量％までのクロム、
１重量％までの亜鉛、
１重量％までの砒素、
１重量％までの鉄、
１重量％までのリン、
１重量％までの金、
１重量％までのガリウム、
１重量％までのテルル、
１重量％までのセレン、
１重量％までのカルシウム、
１重量％までのバナジウム、
１重量％までのモリブデン、
１重量％までの白金、
１重量％までの希土類元素、
残部であるスズ及び不可避の不純物とを含む鉛フリーはんだ合金を提供する。
前記合金は、高融点、良好な高温機械的信頼性及び良好な耐熱疲労性の組合せを示すことができ、例えば、中及び高出力半導体デバイスなどの高動作温度用途に有利に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
以下、本発明をよりよく理解するために、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係る実施例Ａ１、Ａ２、及びＡ３の微細構造の電子顕微鏡像を示す。
【００１４】
【図２】図２は、Ｂｉを変化させたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ−Ｂｉ合金の固相線温度と液相線温度を示す。
【００１５】
【図３】図３は、Ｓｂを変化させたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ−Ｂｉ合金の固相線温度と液相線温度を示す。
【００１６】
【図４】図４は、本発明に係る選択された合金の１７５℃でのクリープ特性のプロットを示す。
【００１７】
【図５】図５は、本発明に係る選択された合金の室温引張特性のプロットを示す。
【００１８】
【図６】図６は、本発明に係る選択された合金の高温（１５０℃）引張特性のプロットを示す。
【００１９】
【図７】図７は、本発明に係る合金の室温引張強度に対するＢｉの効果を示す。
【００２０】
【図８】図８は、本発明に係る合金の高温引張強度に対するＢｉの効果を示す。
【００２１】
【図９】図９は、本発明に係る選択された合金の１５０℃でのクリープ特性のプロットを示す。
【００２２】
【図１０】図１０は、本発明に係る選択された合金の疲労寿命のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、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をより詳細に定義する。そのように定義された各態様は、明らかに逆のことが示されない限り、任意の他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を、好ましい又は有利であると示される任意の他の特徴と組み合わせることができる。
【００２４】
本明細書で使用される「はんだ合金」という用語は、８０〜４００℃の範囲の融点を有する可融性金属合金を包含する。
【００２５】
本明細書で使用される「希土類元素」という用語は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕからなる群から選択される元素を包含する。
【００２６】
本明細書で使用される「フラックス」という用語は、金属の溶融を促進するために、特に金属酸化物の形成を除去及び防止するために使用される物質、しばしば酸又は塩基を包含する。
【００２７】
本明細書で使用される「固相線」という用語は、その温度未満で、所定の物質が完全に固体である（結晶化される）温度を包含する。固相線は、物質の融解が始まる温度を定量するが、必ずしも完全に融解する必要はない。即ち、固相線は必ずしも融点ではない。
【００２８】
本明細書で使用される「液相線」という用語は、結晶が溶融物質と共存できる最大温度を包含する。液相線温度よりも上では、材料は均質であり、平衡状態である液体である。液相線温度未満では、ますます多くの結晶が生成することがある。固相線と液相線の温度は、全ての場合に一致する又は重複するとは限らない。固相線温度と液相線温度との間にギャップがある場合、それは「凍結範囲」又は「マッシュ・レンジ（ｍｕｓｈ  ｒａｎｇｅ）」と呼ばれ、そのギャップ内においては、物質は固相と液相の混合物からなる。
【００２９】
本明細書に記載の鉛フリーはんだ合金は、比較的高い融点、例えば少なくとも２２０℃の固相線温度を示し得る。固相線と液相線との間の温度範囲は、典型的には６０℃以下である。
【００３０】
本明細書に記載の鉛フリーはんだ合金は、良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示し、典型的には少なくとも１５０℃、例えば１７５℃までの動作温度に耐えることができる。合金は、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ及びＰｂ５Ｓｎ２．５Ａｇ合金と比較して、改善された高温機械的特性を示すことができる。合金はまた、高い電気伝導率及び熱伝導率を示すことができる。
【００３１】
前記合金は、例えば、高輝度ＬＥＤ（ＨＢＬＥＤ）、モータ制御、太陽集光装置セル、ＲＦ回路、及びマイクロ波回路などの高出力半導体用途などの高動作温度用途に有利に使用することができる。
【００３２】
前記合金は、鉛フリーであり、これは意図的に鉛が添加されないことを意味する。したがって、鉛の含量は、ゼロ又は偶発的な不純物レベル以下である。
【００３３】
前記合金は、８〜１５重量％のアンチモンを含む。好ましくは、合金は、８．５〜１３重量％のアンチモン、より好ましくは９〜１１重量％のアンチモン、更により好ましくは９．５〜１０．５重量％のアンチモン、更により好ましくは約１０重量％のアンチモンを含む。記載された量のアンチモンの存在は、スズとの固溶体の形成により、高温での合金の強度を改善するのに役立ち得る。
【００３４】
前記合金は、０．０５〜５重量％のビスマスを含む。好ましくは、合金は、０．０８〜３重量％、より好ましくは０．１〜２重量％のビスマス、更により好ましくは０．５〜１．５重量％のビスマス含む。好ましい実施形態では、合金は、０．８〜１．２重量％のビスマスを含む。代替的な好ましい実施形態では、合金は、０．３〜０．７重量％のビスマスを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、０．２〜０．３重量％のビスマスを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、０．０５〜０．２重量％のビスマスを含む。記載された量のビスマスの存在は、スズとの固溶体の形成により、高温での合金の強度を改善するのに役立ち得る。ビスマスは、高温機械的性質を改善するように作用し得る。ビスマスはまた、濡れ広がり性を改善することができる。
【００３５】
前記合金は、０．１〜１０重量％の銀を含む。好ましくは、合金は、１〜５重量％の銀、より好ましくは２〜４重量％の銀、更により好ましくは２．５〜４．２重量％の銀を含む。好ましい実施形態では、合金は、２．８〜３．２重量％の銀を含む。別の好ましい実施形態では、合金は、３．８〜４．２重量％の銀を含む。記載された量の銀の存在は、より高い熱疲労寿命に寄与し得る。更に、銀は、より良好な機械的特性に寄与する銀−スズ金属間化合物を形成し得る。銀はまた、濡れ広がり性を改善することができる。
【００３６】
前記合金は、０．１〜４重量％の銅を含む。好ましくは、合金は、０．３〜３．５重量％の銅、より好ましくは０．４〜２．５重量％の銅、更により好ましくは０．５〜１．５重量％の銅、更により好ましくは約１重量％の銅を含む。銅は、銅−スズ金属間化合物を形成し、金属間化合物の形成により機械的特性、例えば強度の向上に寄与し得る。更に、銅の存在は、銅の溶解を減少させることがあり、耐クリープ性を改善することもできる。
【００３７】
前記合金は、任意に以下のうちの１つ以上を含む。
１重量％までのニッケル、
１重量％までのコバルト、
１重量％までのチタン、
１重量％までのマンガン、
１重量％までのゲルマニウム、
１０重量％までのアルミニウム、
１０重量％までのケイ素。
【００３８】
好ましい実施形態では、前記合金は、これらの元素のうちの１つを含む。別の好ましい実施形態では、合金は、これらの元素のうちの２つを含む。好ましい実施形態では、合金は、ニッケルと、元素のうちの１つ以上、好ましくはこれらの元素のうちの１つとを含む。合金は、好ましくは、ニッケル及びコバルト、又はニッケル及びチタン、又はニッケル及びマンガン、又はニッケル及びゲルマニウム、又はニッケル及びアルミニウム、又はニッケル及びケイ素を含む。
【００３９】
前記合金は、任意に、１重量％までのニッケル、例えば０．００１〜１重量％のニッケルを含む。好ましくは、合金は、０．００５〜１重量％のニッケル、より好ましくは０．００８〜０．５重量％のニッケル、更により好ましくは０．０１５〜０．１重量％のニッケル、更により好ましくは０．０１８〜０．０２２重量％のニッケル、更により好ましくは約０．０２重量％のニッケルを含む。記載された量のニッケルの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。例えば、ニッケルの存在は、複雑な金属間化合物の形成及び微細構造修飾を容易にし、機械的特性を改善することができる。ニッケルはまた、基板／はんだ界面でのＩＭＣ成長を減少させることによって落下衝撃抵抗を上昇させることができる。
【００４０】
前記合金は、任意に、１重量％までのコバルト、例えば０．００１〜１重量％のコバルトを含む。好ましくは、合金は、０．００５〜１重量％のコバルト、より好ましくは０．００８〜０．５重量％のコバルト、更により好ましくは０．０１５〜０．１重量％のコバルトを含む。好ましい実施形態では、合金は、０．０１８〜０．０２２重量％のコバルト、例えば約０．０２重量％のコバルトを含む。別の実施形態では、合金は、０．００８〜０．０１２重量％のコバルト、例えば約０．０１重量％のコバルトを含む。記載された量のコバルトの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。例えば、コバルトの存在は、複雑な金属間化合物の形成及び微細構造修飾を容易にし、高温クリープ及び高温引張特性などの機械的特性を改善することができる。コバルトは、基板／はんだ界面でのＩＭＣ成長を遅らせることができ、落下衝撃抵抗を上昇させることができる。
【００４１】
前記合金は、任意に、１重量％までのチタン、例えば０．００１〜１重量％のチタンを含む。好ましくは、合金は、０．００３〜０．５重量％のチタン、より好ましくは０．００５〜０．１重量％のチタン、更により好ましくは０．００５〜０．０１５重量％のチタンを含む。記載された量のチタンの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。例えば、チタンの存在は、高温クリープ及び高温引張特性などの機械的特性を改善し得る複雑な金属間化合物及び微細構造改質の形成を促進することができる。チタンは、強度、界面反応、及び耐クリープ性を改善するのに役立ち得る。チタンはまた、基板／はんだ界面での銅の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。
【００４２】
前記合金は、任意に、１重量％までのマンガン、例えば０．００１〜１重量％のマンガンを任意に含む。好ましくは、合金は、０．００３〜０．５重量％までのマンガン、より好ましくは０．００５〜０．１重量％までのマンガン、より好ましくは０．００５〜０．０１５重量％までのマンガン含む。記載された量のマンガンの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させことがある。例えば、マンガンの存在は、高温クリープ及び高温引張特性などの機械的特性を改善し得る複雑な金属間化合物の形成及び微細構造修飾を促進することができる。マンガンはまた、落下衝撃及び熱サイクル信頼性を改善することができる。
【００４３】
前記合金は、任意に、１重量％までのゲルマニウム、例えば０．００１〜１重量％のゲルマニウムを含む。好ましくは、合金は、０．００３〜０．５重量％のゲルマニウム、より好ましくは０．００５〜０．１重量％のゲルマニウム、更により好ましくは０．００５〜０．０１５重量％のゲルマニウムを含む。好ましい実施形態では、合金は、０．００８〜０．０１２重量％のゲルマニウム、例えば約０．０１重量％のゲルマニウムを含む。記載された量のゲルマニウムの存在は、高温機械的特性を改善し得る合金の微細構造を変化させることがある。ゲルマニウムは、強度及び界面反応を改善するのに役立ち得る。ゲルマニウムは、脱酸剤としての役割も果たすことができる。ゲルマニウムは、濡れ性及び広がり性を改善することができる。
【００４４】
前記合金は、任意に、１０重量％までのアルミニウム、例えば０．００１〜１０重量％のアルミニウムを含む。好ましくは、合金は、０．００５〜５重量％のアルミニウム、より好ましくは０．０１〜１重量％のアルミニウム、更により好ましくは０．１〜０．５重量％のアルミニウムを含む。記載された量のアルミニウムの存在は、合金の熱伝導率及び電気伝導率を改善することができる。アルミニウムは、合金に添加される個々の元素の熱伝導率及び電気伝導率を上昇させ、より低い熱伝導率及び電気伝導率をもたらすより低い伝導率の金属間化合物の形成を妨げることができる。アルミニウムは、脱酸剤として役立ち得る。アルミニウムはまた、合金の濡れ性を改善することができる。
【００４５】
前記合金は、任意に、１０重量％までのケイ素、例えば０．００１〜１０重量％のケイ素を含む。好ましくは、合金は０．００５〜５重量％のケイ素、より好ましくは０．０１〜１重量％のケイ素、更により好ましくは０．１〜０．５重量％のケイ素を含む。記載された量のケイ素の存在は、合金の熱伝導率及び電気伝導率を改善することができる。ケイ素は、合金に添加される個々の元素の熱伝導率及び電気伝導率を上昇させ、より低い熱伝導率及び電気伝導率をもたらすより低い伝導率の金属間化合物の形成を妨げることができる。
【００４６】
前記合金は、任意に、１重量％までの金（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までのクロム（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までの亜鉛（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までの鉄（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までのテルル（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までのセレン（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までのモリブデン（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までのモリブデン（例えば０．０１〜０．１重量％）、及び１重量％までの白金（例えば０．０１〜０．１重量％）を含むことができる。このような元素は、脱酸剤として役立ち得る。このような元素は、強度及び界面反応を改善するのに役立ち得る。亜鉛の存在は、固溶体強化によって機械的特性を改善するように作用することができる。
【００４７】
前記合金は、任意に、１重量％までのリン（例えば０．０１〜０．１重量％）、１重量％までのカルシウム（例えば０．０１〜０．１重量％）、及び１重量％までのバナジウム（例えば０．０１〜０．１重量％）を含むことができる。このような元素は、脱酸剤として役立ち得る。そのような元素の存在は、合金の濡れ性を改善することができる。
【００４８】
前記合金は、任意に、５重量％までのインジウム（例えば０．０１〜１重量％のインジウム）を含むことができる。インジウムの存在は、固溶体強化により機械的特性を改善するように作用することができる。
【００４９】
前記合金は、任意に、１重量％までの砒素（例えば０．０１〜０．１重量％の砒素）を含むことができる。砒素は、酸化剤として作用することができ、また、広がり性及び濡れ性も改善することができる。砒素はまた、合金強度及び界面反応を改善するように作用することができる。
【００５０】
前記合金は、任意に、１重量％までのガリウム（例えば０．０１〜０．１重量％のガリウム）を含むことができる。ガリウムの存在は、固溶体強化により機械的特性を改善するように作用することができる。ガリウムは、脱酸剤としても役立つことができる。ガリウムは、濡れ性及び広がり性を改善することができる
【００５１】
前記合金は、任意に、１重量％までの希土類元素（例えば０．０１〜０．１重量％）を含むことができる。希土類は、広がり性及び濡れ性を改善するように作用することができる。セリウムは、この点で特に効果的であることが分かっている。
【００５２】
前記合金は、典型的には、少なくとも７０重量％のスズ、より典型的には少なくとも７５重量％のスズ、更により典型的には少なくとも８０重量％のスズを含む。
【００５３】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．５〜１．５重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、及び残部であるスズと不可避的な不純物を含む。
【００５４】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．５〜１．５重量％のビスマス、３．５〜４．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量のニッケル、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００５５】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．２〜０．８重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、任意に、０．００５〜０．０７重量％のゲルマニウム、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００５６】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、任意に、０．００５〜０．０１５重量％のゲルマニウム、及び残部であるスズ及び不可避の不純物を含む。
【００５７】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．１〜０．４重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、以下のうちの少なくとも１つ：（ｉ）０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、（ｉｉ）０．００５〜０．０１５重量％のチタン、又は（ｉｉｉ）０．０１〜０．０８重量％のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００５８】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、３．５〜４．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００５９】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のチタン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６０】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のゲルマニウム、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６１】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のゲルマニウム、０．００５〜０．０１５重量％のチタン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６２】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のゲルマニウム、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６３】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のチタン、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６４】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６５】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のチタン、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、及び残部であるスズと任意の不可避の不純物を含む。
【００６６】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、０．０１〜０．０５重量％のアルミニウム、０．０１〜０．０５重量％のケイ素、及び残部であるスズと任意の不可避の不純物を含む。
【００６７】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、０．０５〜０．５重量％のアルミニウム、０．０５〜０．５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６８】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、１〜３重量％のアルミニウム、１〜３重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００６９】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、０．０１〜０．０５重量％のアルミニウム、０．０１〜０．０５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７０】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、０．０５〜０．５重量％のアルミニウム、０．０５〜０．５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７１】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、１〜３重量％のアルミニウム、１〜３重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７２】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．０１〜０．０５重量％のニッケル、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、０．０５〜０．５重量％のアルミニウム、０．０５〜０．５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７３】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、０．０１〜０．０５重量％のアルミニウム、０．０１〜０．０５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７４】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、０．０５〜０．５重量％のアルミニウム、０．０５〜０．５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７５】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、１〜３重量％のアルミニウム、１〜３重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７６】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、０．０１〜０．０５重量％のアルミニウム、０．０１〜０．０５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７７】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、０．０５〜０．５重量％のアルミニウム、０．０５〜０．５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７８】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、１〜３重量％のアルミニウム、１〜３重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００７９】
好ましい実施形態では、前記合金は、９〜１１重量％のアンチモン、０．０５〜０．２重量％のビスマス、２．５〜３．５重量％の銀、０．５〜１．５重量％の銅、０．００５〜０．０１５重量％のマンガン、０．００５〜０．０５重量％のコバルト、０．０５〜０．５重量％のアルミニウム、０．０５〜０．５重量％のケイ素、及び残部であるスズと不可避の不純物を含む。
【００８０】
合金は、２１５℃以上の固相線温度を有することが好ましい。これにより、合金を高い動作温度の用途に有利に使用することが可能になる。
【００８１】
本明細書に記載の合金は不可避の不純物を含むことができるが、これらは合計で組成の１重量％を超える可能性は低いことが理解されよう。好ましくは、前記合金は、組成の０．５重量％以下、より好ましくは組成の０．３重量％以下、更により好ましくは組成の０．１重量％以下、更により好ましくは組成の０．０５重量％以下、最も好ましくは組成の０．０２重量％以下の量で不可避の不純物を含む。
【００８２】
本明細書に記載の合金は、記載された元素から本質的になるものであってもよい。したがって、組成の本質的な特徴がそれらの存在によって実質的に影響を受けなければ、必須であるこれらの要素に加えて、他の特定されていない要素が組成物中に存在してもよい。
【００８３】
好ましい実施形態では、はんだは、バー、スティック、固体又はフラックス入りワイヤ、ホイル又はストリップ、フィルム、プリフォーム、又は粉末又はペースト（即ち、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又はチップスケールパッケージにおける使用のためのはんだ球、又は他のプリフォームされたはんだ片、又はリフロー又は固化されたはんだ接合部の形態であるか、又は銅リボンなどのはんだ付け可能な材料に予め適用される。
【００８４】
好ましい実施形態では、合金はペーストの形態である。ペーストは、典型的には、はんだ合金の粒子（典型的には粉末の形態である）及びフラックスを含む。
【００８５】
好ましい実施形態では、はんだ合金はプリフォームの形態である。プリフォームは、それが使用される用途に特別に設計されたはんだの予め作られた形状である。はんだプリフォームを製造するために、例えばスタンピングのような多くの方法を使用することができる。プリフォームはフラックスを含むことができる。フラックスは、はんだプリフォームの内部の内部フラックス又ははんだプリフォームを被覆する外部フラックスであってもよい。
【００８６】
更なる態様において、本発明は、本明細書に記載の合金を含むはんだ接合部を提供する。
【００８７】
更なる態様では、本発明は、本明細書に記載のはんだ接合部を含む高輝度ＬＥＤ（ＨＢＬＥＤ）、モーター制御、太陽集光装置セル、ＲＦ回路、又はマイクロ波回路を提供する。
【００８８】
更なる態様では、本発明は、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）本明細書に記載のはんだ合金を提供することと、
（ｉｉｉ）前記はんだ合金を、前記接合すべきワークピースの近傍で加熱することとを含む。
【００８９】
加熱は、例えば、１２５℃を超える温度、例えば１５０℃を超える温度、又は２００℃を超える温度、又は２２０℃を超える温度で行うことができる。
【００９０】
更なる態様では、本発明は、ウェーブはんだ付け、表面実装技術（ＳＭＴ）はんだ付け、ダイ取付けはんだ付け、熱界面はんだ付け、手はんだ付け、レーザ及びＲＦ誘導はんだ付け、ソーラーモジュールに対するはんだ付け、ＬＥＤパッケージ基板のはんだ付け、及び再加工はんだ付けなどのはんだ付け方法における、本明細書に記載の合金の使用を提供する。
【００９１】
更なる態様では、本発明は、限定されるものではないが、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、モータ駆動装置、電力インバーター、風力タービン、又はレール牽引システムを含む用途のための電力モジュールに対するはんだ付けにおける、本明細書に記載の合金の使用を提供する。
【００９２】
更なる態様では、本発明は、ダイ取付はんだ付け、真空はんだ付け、ウェーブはんだ付け、選択的はんだ付け、表面実装技術はんだ付け、熱界面はんだ付け、手はんだ付け、レーザー及びＲＦ誘導はんだ付け、ソーラーモジュールに対するはんだ付け、ＬＥＤパッケージ基板のはんだ付け、及び再加工はんだ付けにおける、本明細書に記載の合金の使用を提供する。
【００９３】
更なる態様では、本発明は、２２０℃以上の温度に合金を加熱することを含むはんだ付け方法における、本明細書に記載のはんだの使用を提供する。
【００９４】
更なる態様では、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
４〜１７重量％のアンチモン、好ましくは８〜１５重量％のアンチモンと、
０．０５〜５重量％のビスマスと、
０．１〜１０重量％の銀と、
０．１〜４重量％の銅と、
任意に以下のうちの１つ以上と：
１重量％までのニッケル、
１重量％までのコバルト、
１重量％までのチタン、
１重量％までのマンガン、
１重量％までのゲルマニウム、
１０重量％までのアルミニウム、
１０重量％までのケイ素、
５重量％までのインジウム、
１重量％までのクロム、
１重量％までの亜鉛、
１重量％までの砒素、
１重量％までの鉄、
１重量％までのリン、
１重量％までの金、
１重量％までのガリウム、
１重量％までのテルル、
１重量％までのセレン、
１重量％までのカルシウム、
１重量％までのバナジウム、
１重量％までのモリブデン、
１重量％までの白金、
１重量％までの希土類元素、
残部であるスズ及び不可避の不純物とを含む鉛フリーはんだ合金を提供する。
【００９５】
本発明の他の態様の有利且つ選択的な特徴及び好ましい特徴は、この態様にも等しく適用される。１つの実施形態では、前記合金は、ビスマスを含まなくてもよい。
【００９６】
更なる態様では、本発明は、鉛フリーはんだ合金であって、
８〜１５重量％のアンチモンと、
任意に以下のうちの１つ以上と：
０．０５〜５重量％のビスマス、
０．５〜５重量％の銀、
０．１〜２重量％の銅、
１重量％までのニッケル、
１重量％までのコバルト、
１重量％までのチタン、
１重量％までのマンガン、
１重量％までのゲルマニウム、
５重量％までのアルミニウム、
５重量％までのケイ素、
５重量％までのインジウム、
１重量％までのクロム、
１重量％までの亜鉛、
１重量％までの砒素、
１重量％までの鉄、
１重量％までのリン、
１重量％までの金、
１重量％までのガリウム、
１重量％までのテルル、
１重量％までのセレン、
１重量％までのカルシウム、
１重量％までのバナジウム、
１重量％までのモリブデン、
１重量％までの白金、
１重量％までの希土類元素、
残部であるスズ及び不可避の不純物とを含む鉛フリーはんだ合金を提供する。
【００９７】
本発明の他の態様の有利且つ選択的な特徴及び好ましい特徴は、この態様にも等しく適用される。
【００９８】
以下、本発明は、これらの合金の幾つかの非限定的な例及びそれらの性能についてまとめることによって、更に説明される。
【００９９】
表１は、本発明に係る選択された合金の固相線温度及び液相線温度を示す。
【表１】
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実施例１−Ａ１
【０１００】
Ａ１は、１０重量％のアンチモン、１重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ１の固相線温度及び液相線温度はそれぞれ２２０及び２６４℃（表１）であり、平均クリープ破断時間は３１．１時間である（図９）。なお、合金の固相線温度及び液相線温度は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）試験を用いて１０℃／分の加熱速度で測定した。クリープ破断時間は、特に断りのない限り、１５０℃及び負荷２００Ｎで測定した。
実施例２−Ａ２
【０１０１】
Ａ２は、約１０重量％のアンチモン、１重量％のビスマス、４重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ２は、２２０〜２６２℃の融解範囲を有し（表１）、平均クリープ破断時間は、１９．５時間である（図９）。
実施例３−Ａ３
【０１０２】
Ａ３は、約１０重量％のアンチモン、０．５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ３は、２２０〜２６６℃の融解範囲を有し（表１）、平均クリープ破断時間は、３３．３時間である（図９）。
実施例４−Ａ４
【０１０３】
Ａ４は、約１０重量％のアンチモン、０．５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０４重量％のゲルマニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ４のクリープ破断時間は、２７．２時間である（図９）。
実施例５−Ａ５
【０１０４】
Ａ５は、約１０重量％のアンチモン、０．２５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ５のクリープ破断時間は、３１．４時間である（図９）。
実施例６−Ａ６
【０１０５】
Ａ６は、約１０重量％のアンチモン、０．２５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０１重量％のゲルマニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ６のクリープ破断時間は、３３時間である（図９）。
実施例７−Ａ７
【０１０６】
Ａ７は、約１０重量％のアンチモン、０．２５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０１重量％のマンガン、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ７のクリープ破断時間は、２８．３時間である（図９）。
実施例８−Ａ８
【０１０７】
Ａ８は、約１０重量％のアンチモン、０．２５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０１重量％のチタン、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ８のクリープ破断時間は、３６．９時間である（図９）。
実施例９−Ａ９
【０１０８】
Ａ９は、約１０重量％のアンチモン、０．２５重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０２重量％のコバルト、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ９のクリープ破断時間は、３８時間である（図９）。
実施例１０−Ａ１０
【０１０９】
Ａ１０は、約１０重量％のアンチモン、０．１重量％のビスマス、４重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０１重量％のコバルト、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ１０のクリープ破断時間は、３１．６時間である（図９）。
実施例１１−Ａ１１
【０１１０】
Ａ１１は、約１０重量％のアンチモン、０．１重量％のビスマス、３重量％の銀、１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０２重量％のチタン、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ１１のクリープ破断時間は、３６．２時間である（図９）。
実施例１２−Ａ１２
【０１１１】
Ａ１２は、約１０重量％のアンチモン、０．１重量％のビスマス、３重量％の銀、０．１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．０１重量％のコバルト、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ１２は、２２０〜２７２℃の融解範囲を有し（表１）、平均クリープ破断時間が６３．３時間であり（図９）、室温引張強さが９７．３ＭＰａである（図５）。なお、ここでは、１０−３のひずみ速度（引張測定の試験方法のためのＡＳＴＭ  Ｅ８／Ｅ８Ｍ−０９を参照されたい）を用いて、室温又は１５０℃で極限引張強度（ＵＴＳ）及び降伏強度（ＹＳ）を測定した（詳細については対応する図を参照のこと）。
実施例１３−Ａ１３
【０１１２】
Ａ１３は、１０重量％のアンチモン、０．１重量％のビスマス、３重量％の銀、０．１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．５重量％のアルミニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ１３は、２２３〜２５１℃の融解範囲を有し（表１）、平均クリープ破断時間が４１．５時間であり（図９）、室温引張強さが８３．９ＭＰａである（図５）。
実施例１４−Ａ１４
【０１１３】
Ａ１４は、１０重量％のアンチモン、０．１重量％のビスマス、３重量％の銀、０．１重量％の銅、０．０２重量％のニッケル、０．５重量％のアルミニウム、及び残部であるスズを、不可避の不純物と共に含む。Ａ１４は、２２２〜２３８℃の融解範囲を有し（表１）、平均クリープ破断時間が５７．５時間であり（図９）、室温引張強さが９１．１ＭＰａである（図５）。
実施例１５〜１００
【０１１４】
表２に示す組成を有する多くの更なる実施例合金を製造した。これらの合金はいずれも、少なくとも２２０℃の固相線温度及び良好な高温機械的信頼性及び耐熱疲労性を示した。
【０１１５】
表２は、本発明に係る実施例Ａ１５〜Ａ１００の合金組成を示す。
【表２−１】
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【表２−２】
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【表２−３】
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【表２−４】
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【０１１６】
図１は、合金Ａ１〜Ａ３の微細構造を示す。以下の４種類の相成分がＳＥＭ−ＥＤＳを用いて同定される：即ち、（１）Ｓｎリッチ固溶体（９０％超のＳｎ）、（２）ＳｎＳｂ相（Ｓｎを最大５５重量％、Ｓｂを最大４５重量％含む）、（３）Ａｇ３Ｓｎ、及び（４）Ｃｕ６Ｓｎ５。
【０１１７】
図２及び３は、Ｂｉ及びＳｂ含量をそれぞれ変化させたときの、本発明の合金の固相線温度及び液相線温度を示す。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂに２重量％を超えるＢｉを添加すると、固相線温度が大幅に低下し、高い動作温度の用途で提案の合金の使用が更に妨げられる。一方、高い動作温度を有する合金を得るために７．５％超のＳｂが必要であり、２８０〜３００℃のピーク温度でリフローする。更に、Ａｇ及びＣｕの効果を理解するために、選択されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ−Ｂｉ合金の溶融温度（最適化されたＢｉ及びＳｂ）を表１に示した。これらの結果から、液相線温度は、銅の含量によって若干の影響を受けることが明らかである。例えば、Ａ１２は、より少ない銅を有する合金であり、より高い液相線温度を示している。一方、Ａｇ含量を増加させても、液相線温度は変化しない。例えば、Ａ１９〜Ａ２１は、様々なレベルでＡｇを添加した合金であるが、融解温度範囲は殆ど変化しない。本発明に包含される実際的な用途では、理想的な合金は、２８０〜３００℃のピークリフローでリフローすることができるように、２６５℃未満の液相線温度を有する。それに加えて、所望の固相線温度は２２０℃超となり、その所望の液相線温度は２４０℃超となり、図４に例示されるように、得られたはんだ接合部は、１５０℃超の動作温度で高い疲労寿命を有する。
【０１１８】
室温及び高温（１５０℃）の引張特性を測定した。選択した結果を図５〜８に示す。本合金の強度は、従来の高鉛合金（例えば９２．５Ｐｂ５Ｓｎ２．５Ａｇ（図中、ＰｂＳｎＡｇと称する））に比べて遥かに優れていることが明らかである。更に、合金の強度は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ−Ｂｉにより多くのビスマスを添加することによって上昇させることができる（図７及び図８）。例えば、Ａ１〜Ａ３は、他の例と比較してビスマス含量の高い合金であり、Ａ１〜Ａ３は、室温と高温の両方でより高い強度を有する（図５及び図６）。
【０１１９】
合金のクリープ破断時間を測定した。選択された結果を図９に示す。ビスマスが最適化され、少なくとも２つの副合金添加剤（ｍｉｎｏｒ  ａｌｌｏｙｉｎｇ  ａｄｄｉｔｉｏｎｓ）を有する合金が、より長いクリープ破断時間を付与するために必須であることが明らかである。例えば、Ａ９は、最適化されたＢｉ含量と、２つの副添加剤を有する合金であるが、他の全ての合金と比較して最も長いクリープ破断時間を示している。Ａ９のクリープ破断時間は、既存の９２．５Ｐｂ５Ｓｎ２．５Ａｇ（図中、ＰｂＳｎＡｇと称する）の約１８倍である。
【０１２０】
合金の疲労寿命を、高サイクル（試料を弾性限度内で交番応力／歪みに付す）と低サイクル疲労レジーム（試料をプラスチック領域内で交番応力／歪みに付す）の両方で、応力比０．１を用いて測定した。本発明に記載の合金の優れた疲労寿命を示す選択された合金の実験結果を図１０に示す。実施例Ａ０は、意図的にビスマスが添加されていない合金であり、実施例Ａ９及びＡ１０は、ビスマスが最適化された、２つの副合金添加剤によるものである。結果は、ビスマスを含まない合金に比べてビスマスを含む合金の疲労寿命が高いことを示す。
【０１２１】
クリープ試験及び疲労試験が同じ傾向にしたがうこと、即ち、両方の試験において、ビスマスが最適化され、少なくとも２つの副合金添加剤を有する合金のより良好な特性が示されることは興味深い。
【０１２２】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ−ＢｉへのＡｌの添加は、融解温度及びクリープ破断時間に著しく影響する。例えば、Ａ１３及びＡ１４は、アルミニウムを含む合金であるが、Ａ９と比較して低い液相線温度（表１）及び５０％長いクリープ破断時間を示している。
【０１２３】
前述の詳細な説明は、説明及び例示のために与えられたものであり、添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書に示された好ましい実施形態における多くの変形は、当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内にある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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