特許ウォッチ

公開番号2024150663
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-23
出願番号2024118694,2022513435
出願日2024-07-24,2020-08-28
発明の名称高温超高信頼性合金
出願人アルファ・アセンブリー・ソリューションズ・インコーポレイテッド,ALPHA ASSEMBLY SOLUTIONS INC.
代理人個人,個人,個人
主分類B23K 35/26 20060101AFI20241016BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【解決手段】鉛フリーはんだ合金であって、2.5～5重量%の銀と、0.01～5重量%のビスマスと、1～7重量%のアンチモンと、0.01～2重量%の銅と、最大6重量%のインジウム、最大0.5重量%のチタン、最大0.5重量%のゲルマニウム、最大0.5重量%の希土類、最大0.5重量%のコバルト、最大5.0重量%のアルミニウム、最大5.0重量%のケイ素、最大0.5重量%のマグネシウム、最大0.5重量%のクロム、最大0.5重量%の鉄、最大0.5重量%のリン、最大0.5重量%の金、最大1重量%のガリウム、最大0.5重量%のテルル、最大0.5重量%のセレン、最大0.5重量%のカルシウム、最大0.5重量%のバナジウム、最大0.5重量%のモリブデン、最大0.5重量%の白金、及び最大0.5重量%のマグネシウムのうちの1つ以上と、任意選択的に、最大0.5重量%のニッケルと、任意の不可避不純物と共に残部のスズと、を含む、鉛フリーはんだ合金。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
鉛フリーはんだ合金であって、
２．５～５重量％の銀と、
０．０１～５重量％のビスマスと、
１～７重量％のアンチモンと、
０．０１～２重量％の銅と、
最大６重量％のインジウム、
最大０．５重量％のチタン、
最大０．５重量％のゲルマニウム、
最大０．５重量％の希土類、
最大０．５重量％のコバルト、
最大５．０重量％のアルミニウム、
最大５．０重量％のケイ素、
最大０．５重量％のマンガン、
最大０．５重量％のクロム、
最大０．５重量％の鉄、
最大０．５重量％のリン、
最大０．５重量％の金、
最大１重量％のガリウム、
最大０．５重量％のテルル、
最大０．５重量％のセレン、
最大０．５重量％のカルシウム、
最大０．５重量％のバナジウム、
最大０．５重量％のモリブデン、
最大０．５重量％の白金、及び
最大０．５重量％のマグネシウムのうちの１つ以上と、
任意選択的に、最大０．５重量％のニッケルと、
任意の不可避不純物と共に残部のスズと、を含む、鉛フリーはんだ合金。
続きを表示（約 950 文字）【請求項２】
２．８～４．５重量％の銀、好ましくは３～４重量％の銀を含む、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
１．０～４．０重量％のビスマス、好ましくは２．０～４．０重量％のビスマス、より好ましくは２．５～４重量％のビスマス、更により好ましくは２．８～４重量％のビスマス、なお更により好ましくは３～４重量％のビスマスを含む、請求項１又は請求項２に記載のはんだ合金。
【請求項４】
１．０～６．５重量％のアンチモン、好ましくは２～６重量％のアンチモン、より好ましくは３～６重量％のアンチモン、更により好ましくは３．１～６重量％のアンチモン、なお更により好ましくは３．２～６重量％のアンチモンを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項５】
０．３～１．２重量％の銅、好ましくは０．４～０．８重量％の銅を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項６】
０．００１～０．４重量％のニッケル、好ましくは０．０１～０．３重量％のニッケル、より好ましくは０．０２～０．２重量％のニッケルを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項７】
０．００１～５．５重量％のインジウム、好ましくは０．０２～４重量％のインジウム、より好ましくは０．５～３重量％のインジウムを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項８】
０．００１～０．３重量％のチタン、好ましくは０．００５～０．２重量％のチタン、より好ましくは０．００７～０．０５重量％のチタンを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項９】
０．００１～０．３重量％のゲルマニウム、好ましくは０．００１～０．１重量％のゲルマニウム、より好ましくは０．００１～０．０２重量％のゲルマニウムを含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項１０】
０．００２～０．３重量％の希土類、好ましくは０．００３～０．０５重量％の希土類を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のはんだ合金。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
鉛フリーはんだは、当初、環境及び健康上の懸念のため、かつ従来の軟質はんだ合金の代替物として開発された。多くの従来の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ－０．７重量％のＣｕ共晶組成物に基づいている。スズ－銀－銅系も、はんだ付け材料の鉛フリー代替物として、電子産業に受け入れられている。例えば、近共晶９６．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕは、約２１７～２２０℃の範囲の融点を有しながら、共晶Ｓｎ－Ｐｂはんだと比較して優れた疲労寿命を呈する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
鉛フリーはんだ付け材料の使用が普及すると、環境指令又はエンドユーザからの圧力のいずれかにより、かかる材料の適用範囲も広がる。例えば、ＬＥＤ照明を含む自動車、高出力電子機器、及びエネルギーなどのいくつかの分野では、はんだ合金が、より高い温度、例えば１５０℃以上で、比較的長い時間にわたって機能することが望ましい。しかしながら、９６．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ合金は、かかる温度で十分に機能しない。
【０００４】
９６．５Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕに対するより良好に機能する代替物を見出すためにいくつかの試みがなされている。米国特許出願公開第１０，３７６，９９４（Ｂ２）号は、Ｓｎ、Ａｇ、及びＣｕに基づくはんだ付け材料に関する。米国特許出願公開第２０１６／０３２５３８４（Ａ１）号は、過酷な環境及び電子用途のための高信頼性鉛フリーはんだ合金に関する。欧州特許出願公開第３３２１０２５（Ａ１）号は、鉛フリーはんだ合金、フラックス組成物、はんだペースト組成物、電子回路基板、及び電子制御デバイスに関する。米国特許出願公開第１０，１９５，６９８（Ｂ２）号は、高信頼性鉛フリーはんだ合金に関する。米国特許出願公開第１０，３００，５６２（Ｂ２）号は、はんだ合金、はんだペースト、及び電子回路基板に関する。国際公開第２０１９／０９４２４２（Ａ１）号は、高信頼性用途のための標準ＳＡＣ合金に対する低銀スズ系代替はんだ合金に関する。国際公開第２０１９／０９４２４３（Ａ１）号は、極端な環境における電子用途のための高信頼性鉛フリーはんだ合金に関する。しかしながら、これらの代替物はいずれも、高温信頼性と好ましい機械的特性との好ましい組み合わせを提供しない。
【０００５】
本発明は、先行技術に関連する問題のうちの少なくともいくつかを解決すること、又は商業的に受け入れられる代替物を提供することを目的とする。
【０００６】
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、
２．５～５重量％の銀と、
０．０１～５重量％のビスマスと、
１～７重量％のアンチモンと、
０．０１～２重量％の銅と、
最大６重量％のインジウム、
最大０．５重量％のチタン、
最大０．５重量％のゲルマニウム、
最大０．５重量％の希土類、
最大０．５重量％のコバルト、
最大５．０重量％のアルミニウム、
最大５．０重量％のケイ素、
最大０．５重量％のマンガン、
最大０．５重量％のクロム、
最大０．５重量％の鉄、
最大０．５重量％のリン、
最大０．５重量％の金、
最大１重量％のガリウム、
最大０．５重量％のテルル、
最大０．５重量％のセレン、
最大０．５重量％のカルシウム、
最大０．５重量％のバナジウム、
最大０．５重量％のモリブデン、
最大０．５重量％の白金、及び
最大０．５重量％のマグネシウムのうちの１つ以上と、
任意選択的に、最大０．５重量％のニッケルと、
任意の不可避不純物と共に残部のスズと、を含む、鉛フリーはんだ合金を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
これより、本発明を以下の図面に関して更に記載する：
図１は、本発明によるはんだ合金の顕微鏡写真を示す。
図２は、種々のＳｂ含有量を有する合金についての固相線温度及び液相線温度のプロットを示す。
図３は、種々のＳｂ及びＢｉ含有量を有する合金についての固相線温度及び液相線温度のプロットを示す。
図４は、種々のＳｂ及びＣｕ含有量を有する合金についての硬度値のプロットを示す。
図５は、種々のＳｂ及びＢｉ含有量を有する合金についての硬度値のプロットを示す。
図６は、本発明による多数のはんだ合金の顕微鏡写真を示す。
図７は、本発明による多数のはんだ合金及びＳｎ３Ｃｕ０．５Ａｇの極限引張強度（ultimate tensile strengths、ＵＴＳ）のプロットを示す。
図８は、本発明による多数のはんだ合金及びＳｎ３Ｃｕ０．５Ａｇの降伏強度（yield strengths、ＹＳ）のプロットを示す。
図９は、本発明による多数のはんだ合金並びにＳｎ３Ｃｕ０．５Ａｇの１５０℃及び２００Ｎでのクリープ強度のプロットを示す。
図１０は、本発明による多数のはんだ合金並びにＳｎ３Ｃｕ０．５Ａｇの１５０℃及び２００Ｎでのクリープ伸びのプロットを示す。
図１１は、本発明によるはんだ合金を使用して形成されたＢＧＡの顕微鏡写真を示す。
図１２は、本発明による多数のはんだ合金についてのＢＧＡ２２８のその場で監視された故障のワイブル分布プロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
はんだ合金は、改善された高温信頼性を呈し得、典型的には少なくとも１５０℃の動作温度に耐えることができ得る。はんだ合金は、従来の９６．５ＳｎＡｇ３．０Ｃｕ０．５合金と比較して、改善された機械的特性及び高温クリープ抵抗を呈し得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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