用于焊接的低温高可靠性锡合金 |
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| 申请号 | CN201580046808.6 | 申请日 | 2015-07-15 | 公开(公告)号 | CN106660153A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 阿尔法装配解决方案公司; | 发明人 | P·乔杜里; M·德阿维拉里巴斯; S·穆克赫尔吉; S·萨卡尔; R·潘德尔; R·巴特卡尔; B·辛格; | ||||
| 摘要 | 无铅无锑的 焊料 合金 ，其包含：(a)从1至4重量％ 银 (b)从0.5至6重量％铋(c)从3.55至15重量％铟(d)3重量％或更少的 铜 (e)任选地下列元素中的一种或多种：0至1重量％镍、0至1重量％的 钛 、0至1重量％锰、0至1重量％的稀土(例如铈)、0至1重量％的铬、0至1重量％锗、0至1重量％的镓、0至1重量％的钴、0至1重量％的 铁 、0至1重量％的 铝 、0至1重量％的磷、0至1重量％的金、0至1重量％的碲、0至1重量％的硒、0至1重量％的 钙 、0至1重量％的 钒 、0至1重量％的钼、0至1重量％的铂、0至1重量％的镁(f)余量为 锡 连同任何不可避免的杂质。 | ||||||
| 权利要求 | 1.无铅无锑的焊料合金，其包含： |
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| 说明书全文 | 用于焊接的低温高可靠性锡合金[0001] 本发明整体上涉及冶金领域并且涉及合金，并且特别是无铅且无锑的焊料合金。该合金特别地但是不唯一地适合用于电子焊接应用例如波峰焊、表面安装技术、热空气平整(leveling)和球栅阵列、平面栅格阵列、底部终端封装、LED和芯片级封装。 [0002] 波峰焊(或流动焊接)是批量焊接电子组件的广泛使用的方法。可以使用它例如用于通孔电路板，其中使该板在熔融焊料波上方通过，该波拍打该板的底部以润湿待接合的金属表面。另一种焊接技术包括在印刷电路板上的焊接区上印刷焊料膏然后放置并使整个组件经过回流炉。在回流工艺过程中，该焊料熔化并且润湿元件以及板上的焊接表面。另一种焊接工艺包括将印刷的接线板浸渍至熔融焊料中以便用可焊接的保护层涂覆铜终端。这种工艺称为热空气平整。典型地用焊料球在两个基材之间组装球栅阵列接头或芯片级封装。使用这些接头的阵列来将芯片安装至电路板上。 [0003] 随着无铅焊接材料的使用变得普遍，由于环境指令或者来自最终使用者的压力，对于这样的材料的应用范围也变得普遍。高Ag焊料合金(例如SnAg3.0Cu0.5)具有优异的机械性质和良好的热可靠性的优势。然而，这样的合金的熔点是约217-221℃。这种较高的熔点要求约240-250℃的回流温度，其在某些情况下对印刷电路板(PCB)和电子元件可为有害的。 [0004] 存在对于具有比常规的高银合金的熔点低的熔点但是有相似的或更有利的机械性质和热性质的无铅焊料合金的需求。 [0005] 本发明旨在解决至少一些与现有技术有关的问题或提供商业可接受的替代。 [0006] 因此，在第一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含： [0007] (a)从1至4重量％银 [0008] (b)从0.5至6重量％铋 [0009] (c)从3.55％至15重量％铟 [0010] (d)3重量％或更少的铜 [0011] (e)任选地下列元素中的一种或多种： [0012] 0至1重量％镍 [0013] 0至1重量％的钛 [0014] 0至1重量％锰 [0015] 0至1重量％的稀土，例如铈 [0016] 0至1重量％的铬 [0017] 0至1重量％锗 [0018] 0至1重量％的镓 [0019] 0至1重量％的钴 [0022] 0至1重量％的磷 [0023] 0至1重量％的金 [0024] 0至1重量％的碲 [0025] 0至1重量％的硒 [0026] 0至1重量％的钙 [0027] 0至1重量％的钒 [0028] 0至1重量％的钼 [0029] 0至1重量％的铂 [0030] 0至1重量％的镁 [0031] (f)余量为锡连同任何不可避免的杂质。 [0032] 现在将进一步描述本发明。在下列段落中更详细地限定本发明的不同方面。除非明确相反地指出，可以将如此限定的每个方面与任何其他一个或多个方面组合。特别地，作为优选的或有利的而指出的任何特征可以与作为优选的或有利的而指出的任何其他一个或多个特征组合。 [0033] 这里使用的术语“焊料合金”涵盖熔点在从90至400℃的范围内的易熔金属合金。 [0034] 这里描述的合金展现改进的高温可靠性并且能够承受住典型地至少125℃的操作温度。 [0035] 该合金具有相对低的熔点，更具体是低液相线温度，典型地215℃或更低、更典型地小于210℃、甚至更典型地小于205℃的液相线温度。这使得能够在低温回流工艺(例如在从210至230℃下的回流工艺)中使用该合金。与常规的回流工艺相比，这样的低温回流工艺可以较少可能导致对焊料元件的损坏。 [0036] 该合金可以有利地在单个板上采用多个回流工艺的焊接方法中使用。例如在第一回流工艺中，使用标准合金(例如SnAg3.0Cu0.5)可将能够忍受较高回流温度的全部电子元件焊接至板。在第二回流工艺中，可使用本发明的合金来加工温度敏感元件。 [0037] 该合金可以展现改进的机械性质和机械可靠性。该机械性质、机械可靠性和热可靠性可以与常规的高银焊料合金例如SnAg3.0Cu0.5的机械性质、机械可靠性和热可靠性相似或更有利。 [0038] 该合金可以展现改进的热冲击性能。例如，该合金经受得住在每个温度下10分钟的停留时间的从-40℃至+125℃的超过2000次循环的IPC-9701热循环试验。 [0039] 该合金是无铅的且无锑的，其意味着没有有意地添加铅或锑。因此，铅和锑的含量为零或处于不大于偶存杂质水平。 [0040] 该合金组合物包含从1至4重量％银。优选地该合金包含从1.2至3.8重量％银，更优选地从2.5至3.5重量％银，甚至更优选地从2.75至3.76重量％银，还甚至更优选地从2.75至3.75重量％银。通过金属间化合物的形成，银以指定量的存在可以起到改进机械性质例如强度的作用。另外，银的存在可以用于改进润湿和扩展。 [0041] 该合金组合物包含从0.5至6重量％铋。优选地，该合金包含从1.5至5.5重量％铋，更优选地从2至5重量％铋，甚至更优选地从2.5至5重量％铋，还甚至更优选地从2.5至4.5重量％铋。通过固溶强化，铋以指定量的存在可以起到改进机械性质的作用。铋还可以用于改进抗蠕变性。铋还可以改进润湿和扩展。 [0042] 该合金组合物包含从3.55至15重量％铟。该合金优选地包含从3.6至12重量％、更优选地从3.65至12重量％、甚至更优选地从3.7至11重量％铟，还甚至更优选地从4至10.5重量％铟，还甚至更优选地从4.50至10重量％铟。该合金可以优选地包含从3.7至10重量％铟。或者，该合金优选地包含从3.6至8重量％铟，更优选地从3.65至7重量％铟，甚至更优选地从3.7至6.7重量％铟，还甚至更优选地从4至6.5重量％铟。通过固溶强化，铟的存在可以用于改进机械性质。铟以所列举的量的存在，连同其它合金元素，还可以起到降低合金的液相线温度的作用。在替代性的方面，该合金可以包含至多25重量％铟。 [0043] 该合金组合物包含3重量％或更少的铜，例如从0.1至3重量％。优选地，该合金包含从0.01至3重量％铜，更优选地从0.1至1重量％铜，甚至更优选地从0.4至0.8重量％铜，还甚至更优选地从0.4至0.75重量％铜。通过金属间化合物的形成，铜以指定量的存在可以起到改进机械性质例如强度的作用。另外，铜的存在降低铜溶解并且还可以改进抗蠕变性。 [0044] 该合金组合物任选地包含从0至1重量％的镍，例如从0.01至1重量％。如果存在镍，则该合金优选地包含从0.01至1重量％镍，更优选地从0.03至0.6重量％镍，甚至更优选地从0.05至0.5重量％镍，还甚至更优选地从0.08至0.25重量％镍。通过能够导致沉淀强化的与锡的金属间化合物的形成，镍以指定量的存在可以起到改进机械性质的作用。通过降低基材/焊料界面处的IMC生长，镍还可以增加耐跌落冲击性。 [0045] 该合金组合物任选地包含0至1重量％的钛，例如从0.005至1重量％。如果存在钛，则该合金优选地包含从0.005至0.5重量％钛，更优选地从0.007至0.1重量％钛，甚至更优选地从0.008至0.06重量％钛，并且最优选地0.01至0.05重量％钛。钛以指定量的存在可以起到改进强度和界面反应的作用。通过控制基材/焊料界面处的铜扩散，钛还可以改进跌落冲击性能。 [0046] 该合金组合物任选地包含0至1重量％的锰，例如从0.005至1重量％。如果存在锰，则该合金优选地包含从0.005至0.5重量％锰，更优选地从0.007至0.1重量％锰，甚至更优选地从0.008至0.06重量％锰并且最优选地0.01至0.05重量％锰。锰以指定量的存在可以起到改进强度和界面反应的作用。锰还可以改进跌落冲击性能。 [0047] 该合金组合物任选地包含0至1重量％的钴，例如从0.01至1重量％。如果存在钴，则该合金优选地包含从0.01至0.6重量％钴，更优选地从0.02至0.5重量％钴，甚至更优选地从0.03至0.4重量％钴，并且最优选地0.04至0.3重量％钴。钴还可以减慢在基材/焊料界面处IMC形成的速率，并且增加耐跌落冲击性。 [0048] 该合金还可以任选地含有以下的一种或多种：0.005至1重量％的铝，0.005至1重量％的钙，0.005至1重量％的锗，0.005至1重量％的镁，0.005至1重量％的磷，0.005至1重量％的钒。这样的元素可以充当脱氧剂。这样的元素的存在可以改进该合金的润湿性。 [0049] 该合金还可以任选地含有以下的一种或多种：0.005至1重量％的金，0.005至1重量％的铬，0.005至1重量％的铁，0.005至1重量％的钼，0.005至1重量％的铂，0.005至1重量％的碲，0.005至1重量％的硒。这样的元素可以充当脱氧剂。这样的元素可以起到改进强度和界面反应的作用。 [0050] 该合金可以任选地含有0.005至1重量％的一种或多种稀土元素。稀土可以用于改进扩展和润湿性。发现铈在这一点上特别地有效。 [0051] 这里使用的术语稀土元素涉及选自以下的一种或多种元素：Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。 [0052] 该合金将典型地包含至少74重量％锡，更典型地至少80重量％锡，还更典型地至少85重量％锡。 [0053] 在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2至4重量％银，从1至6重量％铋，从0.1至1.5重量％铜，从3.65至4.5重量％铟，0.05至0.25重量％的镍并且余量为锡。这样的合金可以展现低液相线温度连同有利的热性质和机械性质的特别有利的组合。例如，该合金可以典型地展现210℃或更低的液相线温度连同大于或等于100MPa的极限拉伸强度。 [0054] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从3至4.5重量％银，从3至4.5重量％铋，从3至4.5％铟，从0.1至1.5重量％的铜，从0.05至0.25重量％的镍。这样的合金具有209.2℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.5重量％银、 4重量％铋、0.7重量％铜、3.7重量％铟、0.2重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0055] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从4至5.5重量％铋，从3至4.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％的镍。这样的合金具有208.1℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、5重量％铋、0.7重量％铜、3.75重量％铟、0.1重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0056] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从1至2重量％银，从4至5.5重量％铋，从3至4.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％镍。这样的合金具有215℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约1.5重量％银、5重量％铋、0.7重量％铜、3.75重量％铟、0.16重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0057] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从1至2重量％铋，从3至4.5％铟和从0.1至1.5重量％铜。这样的合金具有213℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、0.9重量％铋、0.5重量％铜、3.6重量％铟，并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0058] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从1至2重量％铋，从4至5.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％的镍。这样的合金具有210.5℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、1重量％铋、0.5重量％铜、4.6重量％铟、0.11重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0059] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％的银，从2.5至4重量％铋，从3.5至5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％的镍。这样的合金具有210.2℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、4重量％铟、0.2重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0060] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从4至5.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％镍。这样的合金具有207.9℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、2.9重量％铋、0.5重量％铜、4.75重量％铟、0.11重量％镍，并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0061] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从5至6.5％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.05至0.25重量％镍。这样的合金具有206.5℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、6重量％铟、0.1重量％镍，并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0062] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从5至6.5％铟，从0.1至1.5重量％铜，从0.05至0.25重量％镍和从0.001至0.05重量％锰。这样的合金具有207.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、6重量％铟、0.15重量％镍、0.022重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0063] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从10至13％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.001至0.01重量％Ge。这样的合金具有196℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、0.6重量％铜、12重量％铟、0.005重量％锗并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0064] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从1.5至3重量％银，从2.5至4重量％铋，从9至11％铟，从0.1至1.5重量％铜和从0.001至0.05重量％Co。这样的合金具有202℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约2重量％银、3重量％铋、0.7重量％铜、10重量％铟、0.03重量％钴并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0065] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从3至4重量％银，从4至5重量％铋，从3至4％铟，从0.1至1.0重量％铜。这样的合金具有208℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.6重量％银、4重量％铋、0.4重量％铜、4重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0066] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3至4重量％银，从2至3重量％铋，从6至7重量％铟，从0.1至1重量％铜。这样的合金具有208℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.6重量％银、3重量％铋、6重量％铟、0.4重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0067] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3至4重量％银，从2至4重量％铋，从7至8重量％铟，从0.1至1重量％铜。这样的合金具有201℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.5重量％银、4重量％铋、8重量％铟、0.4重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0068] 还在特别优选的实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从5.5至6.5％铟，从0.3至0.7重量％铜，从0.05至0.25重量％镍和从0.005至0.05重量％锰。该合金可以展现低熔点、优异的机械性质和优异的热循环性质的特别有利的组合。 [0069] 还在特别优选的实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从7至9％铟，从0.3至0.8重量％铜和从0.005至0.05重量％钛。该合金可以展现低熔点、优异的机械性质和优异的热循环性质的特别有利的组合。 [0070] 还在特别优选的实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从9至11％铟，从0.3至0.8重量％铜和从0.005至0.05重量％锰。该合金可以展现低熔点、优异的机械性质和优异的热循环性质的特别有利的组合。 [0071] 还在特别优选的实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从11至13％铟和从0.3至0.8重量％铜。该合金可以展现低熔点、优异的机械性质和优异的热循环性质的特别有利的组合。 [0072] 还在特别优选的实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从5.5至6.5％铟，从0.3至0.8重量％铜，从0.05至0.4重量％镍，从0.005至0.05重量％锰和从0.01至0.15重量％磷。该合金可以展现低熔点、优异的机械性质和优异的热循环性质的特别有利的组合。 [0073] 还在特别优选的实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至3.5重量％银，从2.5至3.5重量％铋，从5.5至6.5％铟，从0.3至7重量％铜，从0.05至0.25重量％镍和从0.001至0.03重量％锗。该合金可以展现低熔点、优异的机械性质和优异的热循环性质的特别有利的组合。 [0074] 还在一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含： [0075] (a)10重量％或更少的银 [0076] (b)10重量％或更少的铋 [0077] (c)大于0.5重量％的镓 [0078] (d)12重量％或更少的铟 [0079] (e)任选地下列元素中的一种或多种： [0080] 2重量％或更少的铜 [0081] 0至1重量％镍 [0082] 0至1重量％的钛 [0083] 0至1重量％锰 [0084] 0至1重量％的稀土，例如铈 [0085] 0至1重量％的铬 [0086] 0至1重量％锗 [0087] 0至1重量％的钴 [0088] 0至1重量％的铁 [0089] 0至1重量％的铝 [0090] 0至1重量％的磷 [0091] 0至1重量％的金 [0092] 0至1重量％的碲 [0093] 0至1重量％的硒 [0094] 0至1重量％的钙 [0095] 0至1重量％的钒 [0096] 0至1重量％的钼 [0097] 0至1重量％的铂 [0098] 0至1重量％的镁 [0099] (g)余量为锡连同任何不可避免的杂质。 [0100] 这样的合金具有低液相线温度和令人满意的热性质和机械性质。 [0101] 本发明的第一方面的优选的银、铋、铜和任选元素的含量也应用于此方面。 [0102] 该合金可以包含从1至10重量％银和/或从0.5至10重量％铋和/或从0.5至3重量％的镓和/或从3.55至12重量％铟。 [0103] 该合金包含大于0.5重量％镓，例如从0.5至2.5重量％镓。该合金优选地包含从0.7至2.1重量％镓，更优选地从0.8至2.05重量％镓。在所列举的范围中的镓可以起降低该合金的液相线温度的作用。该合金可以包含10重量％或更少的铟，例如从2至3.5重量％铟，或2.5至5.5重量％铟，或2.5至10重量％铟，或3.5至10重量％铟。在替代的方面，该合金可以包含3重量％或更少的铜。 [0104] 在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从3.5至4.5重量％铋，从2至3.5％铟，从0.1至1.5重量％铜，从0.05至0.25重量％镍和从1至2重量％Ga。这样的合金具有206.9℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、4重量％铋、0.7重量％铜、2.94重量％铟、0.2重量％镍、1.14重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0105] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从1至3重量％铋，从2.5至5.5％铟，从0.1至1.5重量％铜，和从0.5至2重量％Ga。这样的合金具有207.2℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、1重量％铋、0.6重量％铜、5重量％铟、1.55重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0106] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从1至4重量％铋，从2.5至10％铟和从0.5至3重量％Ga。这样的合金具有199.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、7.76重量％铟、2.03重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0107] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含1.5至4重量％银，从1至4重量％铋，从3.5至10％铟，从0.5至3重量％Ga和从0.005至0.1重量％锰。这样的合金具有203℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约2重量％银、3重量％铋、8重量％铟、1重量％镓、0.01重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0108] 还在一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含： [0109] (a)10重量％或更少的银 [0110] (b)10重量％或更少的铋 [0111] (c)3重量％或更少的铜 [0112] (d)10重量％或更少的铟 [0113] (e)大于0.5重量％的镓 [0114] (f)任选地下列元素中的一种或多种： [0115] 0至1重量％镍 [0116] 0至1重量％的钛 [0117] 0至1重量％锰 [0118] 0至1重量％的稀土，例如铈 [0119] 0至1重量％的铬 [0120] 0至1重量％锗 [0121] 0至1重量％的钴 [0122] 0至1重量％的铁 [0123] 0至1重量％的铝 [0124] 0至1重量％的磷 [0125] 0至1重量％的金 [0126] 0至1重量％的碲 [0127] 0至1重量％的硒 [0128] 0至1重量％的钙 [0129] 0至1重量％的钒 [0130] 0至1重量％的钼 [0131] 0至1重量％的铂 [0132] 0至1重量％的镁 [0133] (g)余量为锡连同任何不可避免的杂质。 [0134] 第一方面的优选的元素含量也可以应用于此方面。 [0135] 还在一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含： [0136] (a)10重量％或更少的银 [0137] (b)10重量％或更少的铋 [0138] (c)25重量％或更少的铟 [0139] (d)任选地下列元素中的一种或多种： [0140] 0至3重量％Cu [0141] 0至1重量％镍 [0142] 0至1重量％的钛 [0143] 0至1重量％锰 [0144] 0至1重量％的稀土，例如铈 [0145] 0至1重量％的铬 [0146] 0至1重量％锗 [0147] 0至1重量％的钴 [0148] 0至1重量％的铁 [0149] 0至1重量％的铝 [0150] 0至1重量％的磷 [0151] 0至1重量％的金 [0152] 0至1重量％的碲 [0153] 0至1重量％的硒 [0154] 0至1重量％的钙 [0155] 0至1重量％的钒 [0156] 0至1重量％的钼 [0157] 0至1重量％的铂 [0158] 0至1重量％的镁 [0159] (e)余量为锡连同任何不可避免的杂质。 [0160] 这样的合金具有低液相线温度和有利的热性质和机械性质。 [0161] 本发明的第一方面的优选的银、铋、铟含量也应用于此方面。 [0162] 该合金可以包含从1至10重量％银和/或从0.5至10重量％铋和/或从3.55至25重量％铟。 [0163] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从2至4重量％铋，从16至21重量％铟。这样的合金具有191.9℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、20重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0164] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从2至4重量％铋，从22至25重量％铟。这样的合金具有183℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、25重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0165] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从2至4.5重量％铋，从22至25重量％铟。这样的合金具有181.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、4重量％铋、25重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0166] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从0.5至2重量％铋，从12至15重量％铟。这样的合金具有201.1℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、1重量％铋、13重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0167] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从2至4重量％铋，从12至15重量％铟。这样的合金具有198.9℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、14重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0168] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3.5至6重量％银，从2至4重量％铋，从10至14重量％铟。这样的合金具有203.2℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约5重量％银、3重量％铋、12重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0169] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从7至10重量％铋，从12至16重量％铟。这样的合金具有189.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、10重量％铋、15重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0170] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从7至10重量％铋，从7至10重量％铟和0.1至1重量％铜。这样的合金具有195.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、10重量％铋、10重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0171] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从3至6重量％铋，从15至20重量％铟。这样的合金具有189.9℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、1重量％铋、20重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0172] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从1至4重量％铋，从10至15重量％铟，1至2.5重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。这样的合金具有189.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、15重量％铟、2.0重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0173] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从2至6重量％铋，从10至15重量％铟，0至2重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。这样的合金具有192.7℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、5重量％铋、15重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0174] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3至4重量％银，从8至10重量％铋，从0.5至1.5重量％铟。这样的合金具有207℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.6重量％银、8重量％铋、1.5重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0175] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3至4重量％银，从5至8重量％铋，从2至3重量％铟。这样的合金具有207℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.6重量％银、8重量％铋、2重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0176] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3.5至5重量％银，从7至9重量％铋，从6至7重量％铟。这样的合金具有200℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.5重量％银、7.6重量％铋、6重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0177] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含3至4重量％银，从8至10重量％铋，从5至6重量％铟。这样的合金具有199℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3.5重量％银、10重量％铋、5.6重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0178] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含0.5至2重量％银，从10至12重量％铋，从6至7重量％铟。这样的合金具有203℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约1重量％银、10重量％铋、6重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0179] 还在一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含： [0180] (a)10重量％或更少的银 [0181] (b)30重量％或更少的铟 [0182] (c)3重量％或更少的铜 [0183] (d)任选地下列元素中的一种或多种： [0184] 0至3重量％铋 [0185] 0至1重量％镍 [0186] 0至1重量％的钛 [0187] 0至1重量％锰 [0188] 0至1重量％的稀土，例如铈 [0189] 0至1重量％的铬 [0190] 0至1重量％锗 [0191] 0至1重量％的钴 [0192] 0至1重量％的铁 [0193] 0至1重量％的铝 [0194] 0至1重量％的磷 [0195] 0至1重量％的金 [0196] 0至1重量％的碲 [0197] 0至1重量％的硒 [0198] 0至1重量％的钙 [0199] 0至1重量％的钒 [0200] 0至1重量％的钼 [0201] 0至1重量％的铂 [0202] 0至1重量％的镁 [0203] (e)余量为锡连同任何不可避免的杂质。 [0204] 第一方面的优选的元素含量也可以应用于此方面。 [0205] 该合金可以包含从1至10重量％银和/或从3.55至30重量％铟和/或从0.1至3重量％铜。 [0206] 在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从22至25重量％铟和0.1至1重量％铜。这样的合金具有183.5℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、25重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0207] 还在一个实施方案中，提供一种合金，其包含2.5至4重量％银，从16至21重量％铟，0.1至1重量％铜。这样的合金具有190.6℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、20重量％铟、0.6重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0208] 还在一方面，本发明提供无铅无锑的焊料合金，其包含： [0209] (a)10重量％或更少的银 [0210] (b)10重量％或更少的铋 [0211] (b)8重量％或更少的铟 [0212] (c)3重量％或更少的铜 [0213] (d)1重量％或更少的磷 [0214] (d)任选地下列元素中的一种或多种： [0215] 0至1重量％镍 [0216] 0至1重量％的钛 [0217] 0至1重量％锰 [0218] 0至1重量％的稀土，例如铈 [0219] 0至1重量％的铬 [0220] 0至1重量％锗 [0221] 0至1重量％的钴 [0222] 0至1重量％的铁 [0223] 0至1重量％的铝 [0224] 0至1重量％的金 [0225] 0至1重量％的碲 [0226] 0至1重量％的硒 [0227] 0至1重量％的钙 [0228] 0至1重量％的钒 [0229] 0至1重量％的钼 [0230] 0至1重量％的铂 [0231] 0至1重量％的镁 [0232] (e)余量为锡连同任何不可避免的杂质。 [0233] 第一方面的优选的元素含量也可以应用于此方面。 [0234] 该合金可以包含从1至10重量％银和/或从0.5至10重量％铋和/或从3.55至8重量％铟和/或从0.1至3重量％铜和/或从0.01至1重量％或更少的磷。 [0235] 在一个实施方案中，提供一种合金，其包含从2.5至4重量％银，从2.5至4重量％铋，从5至8重量％铟，0.1至1重量％铜，从0.05至0.3重量％镍，从0.001至0.05重量％锰，从0.001至0.1重量％磷。这样的合金具有183.5℃的液相线温度。在此实施方案的一个具体实施例中，该合金包含大约3重量％银、3重量％铋、0.6重量％铜、6重量％铟、0.19重量％镍、 0.02重量％锰、0.08重量％磷并且余量为锡连同不可避免的杂质。 [0236] 这里描述的合金可以基本上由所列举的元素组成。因此将领会除那些强制性的元素之外其他的非指定的元素(只要它们的存在没有从材料上影响组合物的基本特性)可以存在于组合物中。 [0237] 该合金在有或没有焊剂芯或涂覆药皮的情况下可以处于例如下列形式：棒、杆、固体或焊剂芯线、箔或带、或者粉末或膏(粉末加焊剂混合物)、或者用于球栅阵列接头或芯片级封装的焊料球、或者其他预成型的焊料片。 [0238] 还在一方面，本发明提供包含如这里描述的合金的焊接接头。 [0239] 还在一方面，本发明提供形成焊料接头的方法，其包括： [0240] (i)提供两个或更多个待接合的工件； [0241] (ii)提供如这里描述的焊料合金；和 [0242] (iii)在该待接合的工件附近加热该焊料合金。 [0243] 还在一方面，本发明提供这里描述的合金组合物在焊接方法中的用途，所述焊接方法例如波峰焊、表面安装技术(SMT)焊接、模片固定焊接、热界面焊接、手工焊接、激光和RF感应焊接、太阳能模块的焊接、2级LED封装板的焊接以及再加工焊接。 [0245] 图1显示对于现有技术的合金与根据本发明的合金的维氏硬度(Hv-1)值。 [0246] 图2显示对于现有技术的合金与根据本发明的合金的极限拉伸强度(UTS)。 [0247] 图3显示对于现有技术的合金与根据本发明的合金的屈服强度(YS)。 [0248] 图4显示热循环试验的结果。 [0249] 参考图1，除了合金E的硬度为35Hv，其余合金的硬度在25至30Hv之间变化。即与SnAg3.0Cu0.5相比，合金硬度的增加在从67％至100％内变动。合金E的硬度比SnAg3.0Cu0.5的硬度大133％。 [0250] 分别地在图2和3中显示极限拉伸强度(UTS)和屈服强度(YS)(见用于拉伸测量的试验方法ASTM E8/E8M-09)。UTS在合金F中增加至少53％并且在合金M中增加至多137％。YS在合金D中增加至少41％并且在合金M中增加至多104％。 [0251] 参考下列非限制性实施例，现在将进一步描述本发明。 [0252] 实施例1-合金A [0253] 合金A包含3.5重量％银、4重量％铋、0.7重量％铜、3.7重量％铟、从0.2重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A具有分别为196.4℃和209.2℃的固相线温度和液相线温度，以及31的维氏硬度(Hv-1)。出于对比目的，常规的合金SnAg3.0Cu0.5具有217.3℃至223.5℃的熔化范围，以及15的维氏硬度(Hv-0.5)。 [0254] 实施例2-合金B [0255] 合金B包含大约3重量％银、5重量％铋、0.7重量％铜、3.75重量％铟、0.1重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B具有197.4℃和208.1℃的熔化范围，以及30的维氏硬度(Hv-1)。 [0256] 实施例3-合金C [0257] 合金C包含1.5重量％银、5重量％铋、0.7重量％铜、3.75重量％铟、0.16重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金C具有191℃至215℃的熔化范围，以及29的维氏硬度(Hv-1)。 [0258] 实施例4-合金D [0259] 合金D包含1.02重量％银、3.67重量％铋、0.68重量％铜、3.5重量％铟、0.12重量％镍、0.9重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金D具有190.6℃至212.9℃的熔化范围，以及27的维氏硬度(Hv-1)。 [0260] 实施例5-合金E [0261] 合金E包含3重量％银、4重量％铋、0.7重量％铜、2.94重量％铟、0.2重量％镍、1.14重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金E具有196.7℃至206.9℃的熔化范围，以及36的维氏硬度(Hv-1)。较高镓的存在导致此合金与合金D相比更高的硬度。 [0262] 实施例6-合金F [0263] 合金F包含3重量％银、0.9重量％铋、0.5重量％铜、3.6重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金F具有206.2℃至213℃的熔化范围，以及24的维氏硬度(Hv-1)。在此情况下，较低的铋(固溶硬化)和缺少镍(沉淀硬化)导致该合金较低的硬度。 [0264] 实施例7-合金H [0265] 合金H包含3重量％银、1重量％铋、0.5重量％铜、4.6重量％铟、0.11重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金H具有204℃至210.5℃的熔化范围。 [0266] 实施例8-合金K [0267] 合金K包含3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、4重量％铟、0.2重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金K具有196.4℃至210.2℃的熔化范围。 [0268] 实施例9-合金L [0269] 合金L包含3重量％银、2.9重量％铋、0.5重量％铜、4.75重量％铟、0.11重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金L具有196.6℃至207.9℃的熔化范围。 [0270] 实施例10-合金M [0271] 合金M包含3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、6重量％铟、0.1重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金M具有196.1℃至206.5℃的熔化范围。 [0272] 实施例11-合金N [0273] 合金N包含3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、6重量％铟、0.15重量％镍、0.022重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金N具有195.3℃至207.6℃的熔化范围。 [0274] 实施例12-合金P [0275] 合金P包含3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、6重量％铟、0.2重量％镍、0.02重量％钛并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金P具有196.7℃至206.8℃的熔化范围。 [0276] 实施例13-合金Q [0277] 合金Q包含3重量％银、3重量％铋、0.5重量％铜、6重量％铟、0.2重量％镍、0.04重量％铈并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金Q具有198.8℃至207.2℃的熔化范围。 [0278] 实施例14-合金R [0279] 合金R包含3重量％银、1重量％铋、0.6重量％铜、8重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金R具有从196.5℃至205.8℃的熔化范围。 [0280] 实施例15-合金S [0281] 合金S包含3重量％银、1重量％铋、0.6重量％铜、1.55重量％镓、5重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金S具有从198.3℃至207.2℃的熔化范围。 [0282] 实施例16-合金T [0283] 合金T包含3.8重量％银、3重量％铋、0.6重量％铜、8重量％铟、0.2重量％镍并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金T具有从190.5℃至203.5℃的熔化范围。 [0284] 实施例17-合金U [0285] 合金U包含3重量％银、3重量％铋、0.6重量％铜、8重量％铟、0.02重量％钛并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金U具有从191.9℃至203.2℃的熔化范围。 [0286] 实施例18-合金V [0287] 合金V包含3重量％银、3重量％铋、0.6重量％铜、10重量％铟、0.02重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金V具有从186.8℃至199.5℃的熔化范围。 [0288] 实施例19-合金W [0289] 合金W包含3.8重量％银、3重量％铋、2重量％镓、8重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金W具有从176.8℃至199.6℃的熔化范围。 [0290] 实施例20-合金X [0291] 合金X包含3重量％银、3重量％铋、12重量％铟、0.6重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金X具有从179℃至196℃的熔化范围。 [0292] 实施例21-合金Y [0293] 合金Y包含2重量％银、3重量％铋、10重量％铟、0.7重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金Y具有从178℃至202℃的熔化范围。 [0294] 实施例22-合金Z [0295] 合金Z包含2重量％银、3重量％铋、8重量％铟、1重量％镓并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金Y具有从175℃至203℃的熔化范围。 [0296] 实施例23-合金A1 [0297] 合金A1包含3重量％银、3重量％铋、20重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A1具有从132.5℃至191.9℃的熔化范围。 [0298] 实施例24-合金A2 [0299] 合金A2包含3重量％银、3重量％铋、25重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A2具有从120.9℃至183℃的熔化范围。 [0300] 实施例25-合金A3 [0301] 合金A3包含3重量％银、4重量％铋、25重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A3具有从113.7℃至181.6℃的熔化范围。 [0302] 实施例26-合金A4 [0303] 合金A4包含3重量％银、1重量％铋、13重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A4具有从170℃至201.1℃的熔化范围。 [0304] 实施例27-合金A5 [0305] 合金A5包含3重量％银、3重量％铋、14重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A5具有从152.9℃至198.9℃的熔化范围。 [0306] 实施例28-合金A6 [0307] 合金A6包含5重量％银、3重量％铋、12重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A6具有从157℃至203.2℃的熔化范围。 [0308] 实施例29-合金A7 [0309] 合金A7包含3重量％银、10重量％铋、10重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A7具有从144.9℃至195.6℃的熔化范围。 [0310] 实施例30-合金A8 [0311] 合金A8包含3重量％银、10重量％铋、15重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A8具有从123℃至189.6℃的熔化范围。 [0312] 实施例31-合金A9 [0313] 合金A9包含3重量％银、10重量％铋、15重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A9具有从138.5℃至189.9℃的熔化范围。 [0314] 实施例32-合金A10 [0315] 合金A10包含3重量％银、3重量％铋、2重量％镓、15重量％铟并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A10具有从128.4℃至189.6℃的熔化范围。 [0316] 实施例33-合金A11 [0317] 合金A11包含3重量％银、5重量％铋、15重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A11具有从132.8℃至192.7℃的熔化范围。 [0318] 实施例34-合金A12 [0319] 合金A12包含3重量％银、25重量％铟、0.5重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A12具有从139.7℃至183.5℃的熔化范围。 [0320] 实施例35-合金A13 [0321] 合金A13包含3重量％银、20重量％铟、0.6重量％铜并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金A13具有从144.6℃至190.6℃的熔化范围。 [0322] 实施例36-合金B1 [0323] 合金B1包含3.6重量％银、4重量％铋、4重量％铟、0.4重量％铜、0.01％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B1具有从186℃至208℃的熔化范围。 [0324] 实施例37-合金B2 [0325] 合金B2包含3.6重量％银、3重量％铋、6重量％铟、0.4重量％铜、0.03重量％钴并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B2具有187℃至208℃的熔化范围。 [0326] 实施例38-合金B3 [0327] 合金B3包含3.5重量％银、4重量％铋、8重量％铟、0.4重量％铜、0.01重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B3具有182℃至201℃的熔化范围。 [0328] 实施例39-合金B4 [0329] 合金B4包含3.6重量％银、8重量％铋、1.5重量％铟、0.4重量％铜、0.03重量％钴并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B4具有187℃至207℃的熔化范围。 [0330] 实施例40-合金B5 [0331] 合金B5包含3.6重量％银、8重量％铋、2重量％铟、0.4重量％铜、0.01重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B5具有184℃至207℃的熔化范围。 [0332] 实施例41-合金B6 [0333] 合金B6包含3.5重量％银、7.6重量％铋、6重量％铟、0.4重量％铜、0.01重量％锰并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B6具有176℃至200℃的熔化范围。 [0334] 实施例42-合金B7 [0335] 合金B7包含3.3重量％银、10重量％铋、5.6重量％铟、0.4重量％铜、0.03重量％钴并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B6具有174℃至199℃的熔化范围。 [0336] 实施例43-合金B8 [0337] 合金B8包含1重量％银、10重量％铋、6重量％铟、0.125重量％铜、0.03重量％钴并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B6具有176℃至203℃的熔化范围。 [0338] 实施例44-合金B9 [0339] 合金B9包含3重量％银、3重量％铋、6重量％铟、0.6重量％铜、0.19重量％镍、0.02重量％锰、0.08重量％磷并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B6具有190.6℃至207.1℃的熔化范围。 [0340] 实施例45-合金B10 [0341] 合金B10包含2.9重量％银、3重量％铋、6重量％铟、0.5重量％铜、0.12重量％镍、0.008重量％锗并且余量为锡连同不可避免的杂质。合金B6具有189.9℃至207.1℃的熔化范围。 [0342] 表1显示常规的SnAg3.0Cu0.5合金和合金A-W以及合金A1至A13的固相线温度和液相线温度。全部合金的熔化温度显著低于常规的SnAg3.0Cu0.5合金。 [0343] [0344] [0345] [0346] 表1：全部合金的固相线温度和液相线温度 [0347] 图4显示热循环对芯片电阻器CR1206的剪切强度的影响。在热循环过程中，相比于分别对于合金N和合金M而言的18％和25％损失，常规的SnAg3.0Cu0.5合金经历剪切强度的68％损失。在表2中显示热循环试验的结果。 [0348] [0349] 表2：热循环试验结果 [0350] 通过解释和说明的方式，提供了前述详细说明，并且该说明不意图限制所附权利要求的范围。这里说明的目前优选的实施方案中的许多变化对本领域普通技术人员将是明显的，并且保留在所附权利要求和它们的等效物的范围内。 |
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