Indium-Blei (In/Pb) Lötlegierungen für zuverlässige Zusammenschaltungen aus Gold in der Halbleitermontage

Maria Durham, Indium’s neue technische Spezialistin für Halbleiter und Hochleistungsmontagematerialien hat ein paar Forschungen zu Indium-Blei (In/Pb) Lötlegierungen durchgeführt. Letzte Woche haben wir über ihre Ergebnisse gesprochen.  

 [Andy C. Mackie: ACM] Welche Indium/Blei-Lötlegierungen sind die häufigsten und was sind ihre Eigenschaften?

[Maria Durham: MD] Zuerst ist die Verwendung von bleihaltigen (Pb) Loten in manchen Lötanwendungen auf Grund örtlicher Umweltrechtsvorschriften und RoHS-Richtlinien verboten, aber es gibt dennoch viele Anwendungen in denen es erlaubt ist. Viele Anwendungen im Bereich des Militärs, der Luftfahrt und bei industriellen Geräten, sowie Anwendungen aus dem Automobilbereich sind ausgenommen. Die Tabelle unten zeigt die häufigsten Indium/Blei (In/Pb) Legierungen (Pink) und ihre Eigenschaften, sortiert nach Liquidustemperatur sortiert. der höhere der beiden Schmelzpunkte (Solidus und Liquidus) wird für nicht-eutektische Legierungen angezeigt. In blau sind drei Vergleichsmaterialien.

Indalloy 205 ist die am häufigsten verwendete Legierung, vermutlich weil ihre Liquidustemperatur der Zinn/Blei eutektischen (183°C), 63Sn/37Pb (Indalloy 106) am nächsten ist. Dies bedeutet, dass ein Reflow mit einem standardmäßigen Sn/Pb eutektischen Profil durchgeführt werden kann. Die am zweithäufigsten verwendeten Legierungen sind Indalloy7, 204 und 206.  Neben dem Schmelzbereich, besitzt Indium eine vergleichbare Wärme- und elektrische Leitfähigkeit wie Standardmaterialien.

 [ACM] Weshalb sind Indium-Blei (In/Pb) Lote so attraktiv und warum erleben wir momentan ein Wiederaufleben ihrer Verwendung?

 [MD] Ein Hauptgrund für die Verwendung von Indium/Blei (In/Pb) Lötlegierungen beim Löten auf Edelmetalloberflächen ist der, dass sie - anders als zinnhaltige Lote - Gold nicht auslaugen. Das heißt, Gold löst sich zu keinem nennenswerten Anteil in ihnen auf. Während einer Diskussion auf der Semicon West 2011 berichtete einer unserer Kunden aus Kalifornien, dass er 8 simulierte Reflows mit Indalloy 205 bei Kontakt mit einer Goldoberfläche durchgeführt hat, ohne dabei die Festigkeit der Lötverbindung zu beeinträchtigen und ohne Versprödung der Lötverbindung. Das ist ziemlich beeindruckend. Beachten Sie, dass Versprödung häufig durch Bildung von intermetallischen Goldverbindungen verursacht wird. Es wurde festgestellt, dass selbst bei 250°C, 50In/50Pb Gold mit einer Geschwindigkeit auflöst, die 13 Mal langsamer ist, als bei 63Sn/37Pb, obwohl dies natürlich auf einer kinetischen Studie und nicht auf einer Studie der Löslichkeitsgrenze beruht.

Das höher schmelzende Indalloy 164 (92,5Pb/5In/2,5Ag) hat den niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aller In/Pb Lote und kann den höheren Temperaturen standhalten, die bei Anwendungen mit Stufenlöten erreicht werden (bei denen ein hoch schmelzendes Lot verwendet wird, um die erste Naht zu bilden, gefolgt von einer Legierung mit dem nächst niedrigeren Schmelzpunkt, usw.). Dies kann man bei Anwendungen wie der Leistungselektronikmontage beobachten, bei denen das Lot der ersten Stufe häufig für Chipanschlüsse entweder als Lotpaste, -draht, oder formteil verwendet wird. Dabei hilft der hohe Schmelzpunkt des Lots den Betriebstemperaturen, die bei Elektroniken im Motorraum entstehen können, standzuhalten, z.B. bei Anwendungen wie Steuermodulen von Motoren, bei denen Indalloy 151 (92,5Pb/5Sn/2,5Ag) oder Indalloy 163 (95,5Pb/2Sn/2,5Ag) am häufigsten verwendet wird. In/Pb Lot ist hervorragend auf sehr starren Strukturen wie Keramik-auf-Metall oder Keramik-auf-Keramik. Der gewünschte Solidus- / Liquidustemperaturbereich kann durch Ändern des Indium/Blei-Verhältnisses eingestellt werden, wodurch das “Einstellen“ der Legierung auf ein bestimmtes Reflow-Verfahren vereinfacht wird.

Ein weiterer Grund für das Verwenden des In/Pb Lots ist, dass es zwischen -55°C und 125°C eine gute Ermüdungsfestigkeit bei Temperaturschwankungen aufweist.  Bei Tests ist die Lebensdauer der 50In50Pb Lötverbindung etwa 100 Mal höher als die des 63Sn/37Pb.

 [ACM] Welche Flussmittel werden in diesen Anwendungen verwendet und wie unterscheiden sie sich in ihrer Formel?

 [MD] Die Flussmittel, die am besten mit Indium haltigen Loten mit niedrigem Schmelzpunkt (<200°C) zurechtkommen, sind NC-SMQ-80 (Lötpaste) oder die TacFlux® 012 mit geringerer Klebrigkeit (geeignet für die Verwendung mit Draht, Formteilen und Kugeln). Dies sind No-Clean-Flussmittel, die speziell für niedertemperaturige Reflow-Verfahren hergestellt wurden.  Bei einem ordnungsgemäßen niedertemperaturigen Reflow, hinterlassen diese Flussmittel harmlose Rückstände, die nicht abgewaschen werden müssen ("No-Clean"-Flussmittel), obwohl sie in den meisten praktischen Anwendungen häufig abgewaschen werden, üblicherweise um zuverlässige Drahtverbindungen ohne Flussmittelspritzer zu gewährleisten.

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 Bis bald!  Andy

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