JP2000190090A - 鉛フリ―はんだ合金 - Google Patents

鉛フリ―はんだ合金

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Abstract

(57)【要約】 【課題】電子機器では使用時に高温となり、不使用時に
は室温となるという熱サイクルがはんだ付け部にかか
り、その結果はんだが熱膨張・収縮で金属疲労を起こし
て破壊する。本発明は耐熱サイクル性のあるSn−Cu
系はんだ合金の融点下げるとともに、耐熱サイクル性と
機械的強度に優れた鉛フリーはんだ合金である。 【解決手段】0.1〜2.5重量%Cuと残部がSnか
ら成るはんだ合金中に、Bi、Inの1種以上を1〜1
5重量%添加した鉛フリーはんだ合金であり、さらに該
合金中にNi、Ge、Pd、Au、Ti、Feの1種以
上を0.01〜2重量%添加した鉛フリーはんだ合金で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、鉛を全く含有せず、し
かも耐熱サイクル性や機械的強度に優れたはんだ合金に
関する。
【0002】
【従来の技術】電子機器のはんだ付けに用いられるはん
だ合金としては、Sn−Pb合金が一般的であり、古来
より長い間使用されてきていた。Sn−Pb合金は、共
晶組成(63Sn−Pb)の融点が183℃という低い
ものであり、そのはんだ付け温度は230〜240℃と
いう熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることが
ない温度である。しかもSn−Pb合金は、はんだ付け
性が極めて良好であるとともに、液相線温度と固相線温
度間の温度差がなく、はんだ付け時に直ぐに凝固して、
はんだ付け部に振動や衝撃が加わってもヒビ割れや剥離
を起こさないという優れた特長を有している。
【0003】一般に、テレビ、ビデオ、ラジオ、テープ
レコーダー、コンピューター、複写機のような電子機器
は、故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりし
た場合は、廃棄処分される。これらの電子機器は、外枠
やプリント基板がプラスチックのような合成樹脂であ
り、また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処
分ができず、ほとんどが地中に埋められている。
【0004】ところで近年、ガソリン、重油等の石化燃
料の多用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出さ
れ、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸
性雨は地中に埋められた電子機器のはんだを溶出させて
地下に染み込み、地下水を汚染するようになる。このよ
うに鉛を含んだ地下水を長年飲用していると、人体に鉛
分が蓄積され、鉛毒を起こす虞が出てくる。このような
機運から、電子機器業界では鉛を含まないはんだ、所謂
「鉛フリーはんだ合金」の出現が望まれてきている。
【0005】従来より鉛フリーはんだ合金としてSn主
成分のSn−Ag、合金Sn−Cu合金、Sn−Sb合
金はあった。Sn−Ag合金は、最も溶融温度の低い組
成がSn−3.5Agの共晶組成で、溶融温度が221
℃である。この組成のはんだ合金のはんだ付け温度は2
60〜280℃というかなり高い温度であり、この温度
ではんだ付けを行うと熱に弱い電子部品は熱損傷を受け
て機能劣化や破壊等を起こしてしまうものである。Sn
−Cu合金は最も溶融温度の低い組成がSn−0.7C
uで、その溶融温度は227℃であり、やはりSn−A
g合金同様はんだ付け温度が高くなって電子部品に熱損
傷を起こさせてしまう。またSn−Sb合金は、最も溶
融温度の低い組成がSn−5Sbであるが、この組成の
溶融温度は、固相線温度が235℃、液相線温度が24
0℃という高い温度であるため、はんだ付け温度は、S
n−3.5Ag合金やSn−Cu合金よりもさらに高い
280〜300℃となり、やはり熱に弱い電子部品を熱
損傷させてしまうものである。
【0006】このようにSn−Ag合金、Sn−Cu合
金、Sn−Sb合金は溶融温度が高いため、これらの合
金の溶融温度を下げる手段を講じたはんだ合金が多数提
案されている。(参照:特開平6−15476号公報、
同6−344180号公報、同7−1178号公報、同
7−40079号公報)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで電子機器は使
用時に電流を通じると、パワートランジスター、抵抗、
コイル等の部品からジュール熱が発生し、電子機器のケ
ース内が高温となる。そして電子機器の使用を止めるた
めに通電を切るとケース内は高温から室温へと降温す
る。このように電子機器の使用・不使用を繰り返すと、
ケース内は高温・室温を繰り返すという熱サイクルに曝
される。この熱サイクルは、はんだ付け部にも及ぶよう
になるが、はんだ付け部の樹脂製のプリント基板と金属
のはんだ合金とは熱膨張係数が大いに相違するため、は
んだ合金はこの熱膨張・収縮により拘束され、長年月の
うちに金属疲労を起こして遂にははんだ合金が破壊して
しまう。はんだ付け部のはんだが破壊すると全く通電し
なくなって電子機器の機能不良とるばかりでなく、はん
だ付け部が接触不良状態であると接触抵抗により発熱し
て火災発生の原因ともなってしまう。そのため、近時で
は、はんだ付け部が熱サイクルで金属疲労を起こしにく
いはんだ合金が求められるようになってきている。
【0008】Snを主成分とした鉛フリーはんだ合金
は、従来のSn−Pbはんだ合金よりも耐熱サイクル性
に優れており、鉛を使用しないという環境問題とともに
長寿命化に優れた特性を有している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらSn−A
g系はんだ合金やSn−Sbはんだ合金は、耐熱サイク
ル性に優れているとはいえ、未だ充分なものではなかっ
た。またSn−Cu系はんだ合金は機械的強度がSn−
Ag系はんだ合金やSn−Sb系はんだ合金と略同等で
あるが、車載基板のように重要保安部品となるもので
は、さらに優れた機械的強度が要求される。本発明は、
耐熱サイクル性に優れているとともに機械的強度に優れ
た鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者は、Sn−Cu
系のはんだ合金はSn−Ag系はんだ合金やSn−Sb
系のはんだ合金に比べて耐熱サイクル性を有しているこ
とに着目したもので、Sn−Cu系はんだ合金の融点を
如何にして下げてはんだ付け時の電子部品に対する熱損
傷を少なくし、また如何にしてSn−Cu系はんだ合金
の機械的強度を向上させるかについて鋭意研究を行い本
発明を完成させた。
【0011】本発明は、0.1〜2.5重量%Cuと残
部Snからなる合金中に、1〜15重量%Bi、1〜1
5重量%Inの1種以上が添加されていることを特徴と
する鉛フリーはんだ合金であり、また0.1〜2.5重
量%Cuと残部Snからなる合金中に、1〜15重量%
Bi、1〜15重量%Inの1種以上が添加されている
とともに、さらに該合金中にNi、Ge、Pd、Au、
Ti、Feから選ばれた1種以上が0.01〜2重量%
添加されていることを特徴とする鉛フリーはんだ合金で
ある。
【0012】
【発明の実施の形態】耐熱サイクル性に優れたSn主成
分となるはんだ合金では、Cuは必須成分である。本発
明においてCuの添加量が0.1重量%よりも少ないと
耐熱サイクル性に寄与せず、しかるに2.5重量%を越
えて添加すると、他に溶融温度を下げる成分を添加して
も液相線温度を下げることができず、はんだ付け温度も
高くなって電子部品の熱損傷につながってしまう。
【0013】本発明では、Sn−Cu系はんだ合金の融
点を下げるためにBi、Inをそれぞれ単独、または同
時に添加する。これらの添加量が1重量%よりも少ない
とSn−Cu系はんだ合金の融点を下げる効果が現れな
い。しかるにこれらの添加量が15重量%よりも多くな
ると固相線温度が極端に下がってしまい、液相線温度と
固相線温度間の凝固範囲が非常に広くなって、はんだ付
け後にはんだ合金が完全に固まるまでに時間がかかり、
その間に振動や衝撃が加えられると、はんだ付け部にヒ
ビ割れや剥離が起こってしまう。
【0014】また本発明では、BiやInを添加したS
n−Cu系はんだ合金にさらにNi、Ge、Pd、A
u、Ti、Fe等から選ばれた1種以上を添加してもよ
い。NiとGeは、Sn−Cu系はんだ合金の結晶を微
細化して機械的強度向上に効果があり、またPd、A
u、Ti、FeはSnやCuと金属間化合物を生成し、
これが結晶粒界での滑りを防止してやはり機械的強度を
向上させる。
【0015】
【実施例】本発明の実施例および比較例を表1に示す。
【0016】
【表1】
【0017】表1の説明 ○耐熱サイクル:表面実装部品のQFPのリードとプリ
ント基板のランドとを、各組成のはんだ合金で作製した
ソルダペーストではんだ付けを行い、該はんだ付け部を
−55℃から+125℃の間で熱サイクルをかけ、はん
だ付け部にクラックが生じるまでの回数を測定する。 ○機械強度:JIS−Z−2204の「金属材料試験方
法」に準拠。 ○溶融温度:各種のはんだ合金を示差熱分析装置で熱分
析を行い、固相線温度(S.T)と液相線温度(L.
T)を測定する。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の鉛フリー
はんだ合金は、耐熱サイクル性に優れてはいるが溶融温
度が高く、はんだ付け時に電子部品に対して熱損傷を与
えることが欠点であったSn−Cu系はんだ合金におい
て、該はんだ合金の溶融温度を下げることができるにも
かかわらず、耐熱サイクル性をさらに向上させるととも
に、機械的強度も向上させることができるという従来の
鉛フリーはんだ合金にはない優れた特性を有するもので
ある。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 0.1〜2.5重量%Cuと残部Snか
    らなる合金中に、1〜15重量%Bi、1〜15重量%
    Inの1種以上が添加されていることを特徴とする鉛フ
    リーはんだ合金。
  2. 【請求項2】 0.1〜2.5重量%Cuと残部Snか
    らなる合金中に、1〜15重量%Bi、1〜15重量%
    Inの1種以上が添加されているとともに、さらに該合
    金中にNi、Ge、Pd、Au、Ti、Feから選ばれ
    た1種以上が0.01〜2重量%添加されていることを
    特徴とする鉛フリーはんだ合金。
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