(57)【要約】本発明は、ビスマスを基礎とする合金から成る無鉛ろう材に関する。この無鉛ろう材は、ビスマス含有量少なくとも８０重量％を有しかつ固相温度少なくとも２６０℃を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビスマス含有量少なくとも８０重量％を有しかつ固相温度少なくとも２６０℃を有するビスマスを基礎とする合金から成る無鉛ろう材。
【請求項２】
前記ろう材がさらなる成分として銀を含有することを特徴とする、請求項１記載のろう材。
【請求項３】
前記ろう材が銀を０.５〜１５重量％含有することを特徴とする、請求項２記載のろう材。
【請求項４】
前記銀の含有量が少なくとも１.５重量％であることを特徴とする、請求項２または３記載のろう材。
【請求項５】
前記ろう材がさらなる成分として５重量％までの含有量の銅を含有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項６】
前記ろう材がさらなる成分として３重量％までの含有量のアンチモンを含有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項７】
前記ろう材がさらなる成分として３重量％までの含有量の亜鉛を含有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項８】
前記ろう材がさらなる成分として３重量％までの含有量のインジウムを含有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項９】
前記ろう材がさらなる成分として３重量％までの含有量のマグネシウムを含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項１０】
前記ろう材がさらなる成分として１重量％までの含有量のヒ素を含有することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項１１】
前記ろう材がさらなる成分として１重量％までの含有量のリンを含有することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項１２】
前記ろう材がさらなる成分として３重量％までの含有量のスズを含有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項１３】
前記ろう材の液相温度が４５０℃未満であることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のろう材。
【請求項１４】
半製品、特にペースト、ワイヤーおよびリボンの製造への、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のろう材の使用。
【請求項１５】
基板（２）上への電子部品のろう付けへの、請求項１から１４までのいずれか１項に記
載のろう材の使用。
【請求項１６】
前記電子部品が集積回路および／または電力半導体回路で構成されていることを特徴とする、請求項１５記載のろう材の使用。
【請求項１７】
前記基板が銅、ニッケル、銀または金の層（３）で覆われていることを特徴とする、請求項１５または１６記載のろう材の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無鉛ろう材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろう材は、電気部品および電子部品、特にプリント基板の組立における種々の実施で使用される。このような電気部品は散在しているモジュール、特に抵抗、コンデンサー、ダイオードとトランジスタによって構成されている。
【０００３】
電子製品の小型化の間に、関係する電子回路は集積回路(IC)に集積されていく。このような集積回路は電気回路と接点の高い集積密度を示す。さらに個々の集積回路は高い実装密度でプリント基板あるいは類似物上に施与され、その際、プリント基板自体は多数の回路平面から成る。
【０００４】
このようなプリント基板上に集積回路をろう付けするには、ろう材が正確に置かれなくてはならない極めてわずかな領域がただ残っているだけである。
【０００５】
この場合、さらにろう材にはかなり大きな機械的要求が課せられる。ろう材は、せん断力と圧力に対して特に耐性がなくてはならない。さらにそのろう材は良好な熱疲労強度を示さなくてはならない、すなわち、そのろう材は強い温度変動での量変化に対して抵抗力がなくてはならない。
【０００６】
これらの要求は、主成分として鉛を含んでいるろう材によって満たされる。特にプリント基板上への電子部品の電気的なボンディングには、ろう材としてＰｂＳｎ（ｘ）Ａｇ（ｙ）のタイプの合金が使用される。このようなろう材は、２６０℃を上回る固相温度を示す。したがってこのようなろう材は、特にその運転とともにかなりの発熱が生じる電力半導体のボンディングにも適している。
【０００７】
このようなろう材の本質的な欠点は、これらのろう材の中の鉛が著しく有毒な性質を示し、ひいては人間の健康を危険にさらすことである。したがって有鉛ろう材を含む構成部品の廃棄処分においては厳密な安全措置が講じられなければならない。法律の発展はこの場合には、このような物質の廃棄処分に対する要件を高く設定する趣旨で行われている。
【０００８】
したがって、このような有鉛ろう材を無鉛ろう材に置き換えることが試みられた。このような無鉛ろう材は一般的に、スズを基礎とする合金からできている。
【０００９】
しかしながら、この場合には、このようなスズを基礎とするろう材が低い固相温度を示すことが問題である。
【００１０】
さらに、このようなろう材は不満足な機械的性質を示す。特にこのようなろう材は、熱負荷の場合に不十分な成形性、強度および耐久性を示す。
【００１１】
独国特許出願公開第１９５３８９９２Ａ１号明細書には、これらの機械的性質に関して改善された無鉛ろう材が提案されている。このろう材は、ビスマス−錫および金の有効量を示す合金から成る。この場合にはその合金は約１３８℃の融点を示す。その合金は好ましくは、スズ４２％の質量百分率、金１％未満の質量百分率およびビスマス約５８％の質量百分率から成る。
【００１２】
しかしながら、このろう材の場合には、低い融点のために電子回路と特に電力半導体のボンディングへの使用が不可能であるかまたは著しく制限されてのみ可能であることが欠点である。特に、電力半導体による強い発熱はこのようなろう材の使用を妨げる。
【００１３】
国際公開第９７４７４２５号パンフレットからは、スズ、ビスマスと銀の合金から成る無鉛ろう材が公知である。該合金のスズ含有量は７０％〜９３％である。さらに該ろう材は、ビスマス５％〜２７.５％および銀２％〜７.５％を含有する。粉末状である合金は、特にソルダペーストの製造に使用される。
【００１４】
欧州特許第８２６４５８号明細書には、スズを基礎とする無鉛ろう材が記載されている。該ろう材はさらなる成分として銀３％〜４％、ビスマス２％〜６％とインジウム２％〜６％を含有する。このろう材合金の固相温度は、最大２１１℃である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の課題は、高温で耐負荷能力および機械的耐負荷能力を有する無鉛ろう材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この課題の解決のために、請求項１の特徴部が用意されている。ろう材の本発明による使用は、請求項１４および１５に記載されている。本発明の有利な実施態様と有用なさらなる構成は、下位請求項に記載されている。
【００１７】
本発明による無鉛ろう材は、ビスマス含有量少なくとも８０重量％を有しかつ固相温度少なくとも２６０℃を有するビスマスを基礎とする合金から成る。
【００１８】
本発明によるろう材は鉛を含有しないので、極めて環境保護的である。
【００１９】
この場合には本発明によるろう材は、集積回路のボンディングへの該ろう材の使用を可能にする高い固相温度を示す。
【００２０】
少なくとも２６０℃である固相温度は、通常有鉛ろう材の固相温度のみがとる範囲にある。本発明によるろう材の液相温度は、好ましくは４５０℃未満である。これらの熱的性質のために本発明によるろう材は、電子部品、特に高集積回路のボンディングの際に極めて大きい帯域幅で使用可能である。
【００２１】
特に、本発明によるろう材は、その運転とともにかなりの熱量が放出される電力半導体のボンディングに適している。
【００２２】
本発明によるろう材は、高集積回路のボンディングに用いられる最新のろう付け技術に特に使用することができる。これには、チップ等がろう材を用いて基板上に機械的ボンディングのために載せられるフリップチップボンディング法といわゆるダイ接着法は特に属する。
【００２３】
このようなろう付け技術の場合には、ろう材にその熱的および機械的性質に関して高い要求が示される。
【００２４】
これには、ろう材の熱疲労強度が特に属する。ろう材の疲労強度がより大きければ、それだけ、強い温度変動によって惹起される機械的変形に対する該ろう材の抵抗はより大きくなる。
【００２５】
もう１つの本質的なパラメータは、ろう材のぬれ性である。ろう材のぬれ性がより良好であると、それだけ、該ろう材はより良好に基板の表面に載せられることができる。このパラメータは高集積回路の電気的ボンディングにおいて特に重要であり、それというのも、このような使用ケースでは極めて小さいろう付け量が正確な位置で基板の上に載せられなければならないからである。この場合には、この低いろう付け量が基板上での大きい保持強度を示すことが保証されなくてはならない。これのために、ろう材の大きいぬれ性が特に重要である。
【００２６】
ろう材のさらなる機械的パラメータは、そのせん断強度と曲げ強度である。これは、基板の上にろう材を用いて固定された電子部品に対する力の影響において該ろう材が曲げ力あるいはせん断力によって損なわれることができないことを意味する。最終的に、ろう材の強度が本質的な機械的パラメータを形成する。
【００２７】
本発明によるろう材はこれらの熱的および機械的性質に関して良好な値を示し、その結果、該ろう材は熱的および機械的負荷に対して高い抵抗を示す。
【００２８】
この熱的および機械的性質は、さらなるろう材成分の選択によって柔軟かつ再現可能に設定可能である。
【００２９】
特に、本発明の有利な実施態様の場合には銀の添加によって、ろう材の熱的および機械的性質を変えることができる。
【００３０】
この場合には増加する銀含有量とともに本発明によるろう材の機械的性質が改善されるということが分かった。特に、銀含有量の増加によってろう材のぬれ性が高められる。同じくろう材の成形性は銀の添加によって高められる。
【００３１】
本発明によるろう材は、特に例えばペースト、ワイヤーおよびリボンのような半製品の製造に使用される。
【００３２】
本発明によるろう材の良好な成形性を通して、特にビスマスを基礎とする銀含有の合金の場合には、高い品質を有するこれら半製品を簡単に製造可能である。特に、このような半製品の良好な機械的加工性が保証される。例えば、良好な巻取り可能性が本発明によるろう材で製造されるワイヤーで得られる。さらに本発明によるろう材の高い破断伸びによって半製品、特にワイヤーおよびリボンの良好な取り扱いが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に本発明を実施例および図面をもとに詳説する。ただ１つの図１は、本発明によるろう材を用いて基板上にボンディングされた半導体チップの概略図を示す。
【００３４】
この図１は、基板２、好ましくは金属製の基板、いわゆるリードフレームの上に、あるいはセラミックス基板上にろう付けされている半導体チップ１を概略的に示す。
【００３５】
このリードフレームのための材料としてしばしば銅が使用される。該金属基板はさらに金属層３で覆われいてもよいが、そうでなくともよい。これに対してセラミックス基板の場合には、金属層３は必要である。これは好ましくは銅、ニッケル、銀あるいは金から成る。
【００３６】
基板２として１つないしはいくつかの回路平面を有する単層もしくは多層のプリント基板を使用することもできる。プリント基板が少なくともこの無鉛ろう材の固相温度に加熱されることができることが重要であり、それは本発明によるろう材の場合には少なくとも２６０℃である。
【００３７】
半導体チップ１の裏側は同じく１つの金属層４あるいは一連のいくつかの層で覆われている。材料としてこの場合には金、銀、ニッケルおよびチタンが使用され、その際、最外層は通常、金から成る。
【００３８】
基板２上への半導体チップｌの機械的および熱によるボンディングのために、本発明による無鉛ろう材でできているろう材層５が備えられている。半導体チップ１はろう材層５を用いて基板２ないしは基板２の層３の上に固定されている。
【００３９】
本発明によるろう材の使用は、図１による配列に限定されない。本発明によるろう材は一般的に電気部品および電子部品、特に、ダイオード、トランジスタおよび抵抗などのような散在した部品のボンディングにも適している。
【００４０】
特に有利に、本発明によるろう材は、その運転時に高い発熱が生じる電力半導体のボンディングに使用される。さらに本発明によるろう材は高集積回路のボンディングに使用される。この場合には、例えばフリップチップボンディング法あるいはダイ接着法などを用いた基板上へのこのような回路のボンディングが行われる。
【００４１】
本発明による無鉛ろう材はビスマスを基礎とする合金から成り、その際、ビスマスの含有量は少なくとも８０重量％である。
【００４２】
本発明によるろう材は少なくとも２６０℃の固相温度および好ましくは、４５０℃未満である液相温度を有する。
【００４３】
これらの熱的性質によって、本発明によるろう材を用いて、大きい熱量が放出される電力半導体のような部品をボンディングすることもできる。この場合には該ろう材は高い長時間安定性をもって高い実装密度の部品の配列に使用することもできる。特に、多数の電気接点を有する集積回路は同様に確実にボンディングされる。
【００４４】
本発明によるろう材はさらに良好な機械的性質を示す。特に、ビスマスを基礎とする合金は高い強度を示す。
【００４５】
同じく熱疲労強度に関して、本発明によるろう材は良好な性質を示す。さらに本発明によるろう材は、特に、図１の実施例による基板層３上での良好なぬれ性を示す。
【００４６】
本発明によるろう材は主成分としてのビスマスのほかに銀を含有する。好ましくは合金の銀の含有量は０.５〜１５重量％である。
【００４７】
銀含有量の変化によって本発明によるろう材の機械的性質を意図的に変化させることができる。
【００４８】
特に、ろう材の成形性は、増加する銀含有量とともに増大する。この場合にはろう材の延性も増大し、このことによって結局ろう材のせん断強度、曲げ強度と破断伸びが同じく高められる。
【００４９】
前記の機械的性質の著しい改善が、銀含有量が少なくとも１.５重量％で得られる。
【００５０】
本発明によるろう材の性質、特に機械的パラメータの最適化のために、ビスマスを基礎とする合金に前記の銀含有量に対して付加的にかもしくは代替的に別の成分が添加される。
【００５１】
第１のこのような成分は、好ましくは５重量％までの含有量で本発明によるろう材に含まれる銅である。
【００５２】
同じくスズが、本発明によるろう材中の成分として含まれていてもよい。
【００５３】
公知の無鉛ろう材とは対照的に、このスズは合金の主成分ではなく、最大３％の含有量に限定されている。合金におけるスズ含有量のこの限定によって、ろう材の固相温度が２６０℃を上回ることが保証される。
【００５４】
さらなる成分としてろう材にはアンチモンおよび／または亜鉛および／またはインジウムおよび／またはマグネシウムが含有されている。これらの成分の含有量は、それぞれ最大３重量％に限定されている。
【００５５】
ろう材のさらなる成分としてさらにヒ素および／またはリンを考慮の対象としてもよい。それらの含有量は、それぞれ最大１重量％に限定されている。
【００５６】
本発明によるろう材は例えばペースト、ワイヤーとリボンのような半製品の製造に使用される。
【００５７】
特に、主成分としてのビスマスのほかに銀の著しい含有量も有する実施態様の場合の、本発明によるろう材の本質的な利点は、良好な成形性である。
【００５８】
この成形性は、半製品の製造のための本質的な必要条件である。
【００５９】
ソルダペーストの製造のために、特定の粒度を示しかつできるだけわずかに酸素で負荷されている前記ろう材から成る粉末が必要とされる。これについても、本発明によるろう材が好適である。
【００６０】
リボンの製造の場合には、ビスマスを基礎とする合金の各成分の含有量は、良好な成形性と同時にろう材の高い強度が得られるように選択される。これにより本発明によるろう材から成るリボンは、機械的に十分に負荷可能である。特にこのリボンは、リボンに破損箇所が生じることなく良好に巻いたり、曲げたりすることができる。
【００６１】
ワイヤーの製造の場合には、ろう材の各成分の含有量は、ワイヤーが良好に巻取り可能であるように選択される。
【００６２】
一般に、ろう材の成分の適当な選択によって、該ろう材で製造された半製品の良好な取り扱いが達成される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明によるろう材を用いて基板上にボンティングされた半導体チップ１を示す概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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