JP2001058287A

JP2001058287A - 無鉛ハンダ

Info

Publication number: JP2001058287A
Application number: JP2000168477A
Authority: JP
Inventors: Shinjiro Doken; 新二郎堂見; Koichi Sakaguchi; 浩一坂口; Shigeki Nakagaki; 茂樹中垣; Katsuaki Suganuma; 克昭菅沼
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】有害物質の鉛を含まず、ガラス、セラミック
ス等の酸化物材料に対して十分な接合強度を有する無鉛
ハンダを提供する。【解決手段】実質的にＳｎおよびＴｉを含有するハン
ダにＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌを含有する組成とし、含有
する酸素を規定したものである。さらに、又、Ｂｉ、Ｓ
ｉまたはＳｂのうちから選択される１種類以上を含有
し、液相線温度が４００℃以下である無鉛ハンダ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低温で作業可能な
セラミックス、ガラス等の酸化物材料接合用の無鉛ハン
ダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックス、ガラス等の酸化物
材料のハンダ付けのために、予め金メッキ、銅メッキ、
ニッケルメッキ等の電気メッキおよび無電解メッキを行
う方法は周知であるが、メッキ面に対するハンダ付けは
高価、複雑であり、より経済的にハンダ付けを行うこと
が要望されている。

【０００３】この要望に応えるべく、例えば特公昭４９
−２２２９９号公報や特公昭５２−２１９８０号公報に
は、ガラス、セラミックスに直接ハンダ付けできるＰｂ
−Ｓｎ系ハンダについて開示されている。

【０００４】しかし、鉛は毒性の強い金属であり、近
年、鉛の健康・環境への影響が懸念され、生態系への悪
影響や汚染が問題視されつつあり、ハンダを無鉛化する
動きが急速に広まりつつある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した特公昭４９−
２２２９９号公報に開示されているハンダは、ガラス、
セラミックス等の酸化物膜材料へ直接ハンダ付け可能な
Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ−Ｓｂハンダであるが、このハンダは
有害物質の鉛を含有しているため、これらのハンダを用
いた製品の廃棄物が酸性雨にさらされると鉛が大量に溶
出し、その毒性は非常に深刻な問題となる。

【０００６】また、上記した特公昭５２−２１９８０号
公報に開示されたハンダは、ガラス、セラミックス等の
酸化物材料の接合に使用可能な稀土類金属含有ハンダで
あるが、このハンダも主成分は鉛であり、同様の問題を
有している。

【０００７】一方、無鉛ハンダとしては、主に電子部品
実装用として盛んに研究がなされている。例えば、特開
平９−３２６５５４号公報にはＳｎ−Ａｇ−Ｉｎハンダ
について開示されており、また特開平８−１６４４９５
号公報にはＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダについて開示されて
いるが、いずれもガラス、セラミックス等の酸化物材料
に対するハンダ付けにおいては、ハンダの接合強度が十
分ではないという問題点を有している。

【０００８】さらに、金属酸化物に対してハンダ付け可
能な無鉛ハンダとして、例えば特公昭５５−３６０３２
号公報にはＳｎ−Ａｇ−Ａｌ−Ｚｎハンダについて開示
されているが、被接合体として金属を選択しているた
め、熱膨張係数の大きく異なるガラス、セラミックス等
の酸化物材料に対して使用した場合に、剥離し易いとい
う問題点を有している。

【０００９】本発明は上記従来の実状に鑑みてなされた
ものであって、有害物質の鉛を含まず、ガラス、セラミ
ックス等の酸化物材料に対して十分な接合強度を有する
無鉛ハンダを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス、セラ
ミックス等の酸化物を接合するためになされたものであ
って、実質的にＳｎおよびＴｉを含有するハンダにＡ
ｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌを含有する組成とし、さらに含有
するＯを規定したものである。ただし本発明の無鉛ハン
ダはＺｎ、Ｔｉ、Ａｌなど非常に酸化され易く、ハンダ
の表面に偏析し易い成分を含有するため、以下に表され
る組成は、すべての成分においてハンダ中の平均組成と
する。

【００１１】すなわち、本発明の無鉛ハンダは、実質的
にＳｎおよびＴｉを含有する液相線温度が４００℃以下
である無鉛ハンダであることを特徴とする。また、本発
明の無鉛ハンダにおいては、ハンダ付け部位が高温にさ
らされるような条件下での長期の安定性を考慮すると、
その液相線温度が２００℃以上であることが好ましい。
ここで、液相線温度とは本発明の無鉛ハンダが完全に溶
解する温度を示し、例えば示差走査熱量測定（ＤＳＣ）
を実施することによりその値を得ることができる。

【００１２】ここで、本発明の無鉛ハンダは、その成分
として０．０００１％以上のＯを含有することが好まし
い。また、さらに０．０１％以上のＯを含有することが
より好ましい。

【００１３】また、本発明の無鉛ハンダは、その成分と
して０．１〜６．０％のＡｇを含有することが好まし
い。

【００１４】また、本発明の無鉛ハンダは、その成分と
して０．００１〜６．０％のＣｕを含有することが好ま
しい。

【００１５】また、本発明の無鉛ハンダは、その成分と
して０．００１〜１．０％のＴｉを含有することが好ま
しい。

【００１６】また、本発明の無鉛ハンダは、その成分と
して０．００１〜３．０％のＺｎを含有することが好ま
しい。

【００１７】また、本発明の無鉛ハンダは、その成分と
して０．００１〜３．０％のＡｌを含有することが好ま
しい。

【００１８】また、本発明の無鉛ハンダは、その成分と
してＢｉ、ＳｉまたはＳｂのうちから選択される１種類
以上の元素を合計１０％以下の範囲で含有することが好
ましい。

【００１９】さらに、本発明の無鉛ハンダは、その成分
として０．００１〜１．０％のＳｉを含有することが好
ましい。

【００２０】以下に、本発明の無鉛ハンダの組成限定理
由について説明する。但し、以下の組成は重量％で表示
したものである。

【００２１】Ｓｎは毒性がなく、被接合体に対する濡れ
を得るという作用を有するため、ハンダには必須の成分
である。Ｓｎの含有量は、９０．０％以上であることが
好ましい。

【００２２】Ｔｉは、非常に酸化され易い元素である
が、酸化物との接合においては結合をつくり易いという
利点がある。しかし、Ｔｉを添加することにより、ハン
ダの液相温度は上昇し、４００℃を越えると非常に作業
性が悪くなるため、それを超えない範囲でＴｉを添加す
ることが好ましい。また、Ｓｎ単体では、温度変化によ
って相変異が生じてハンダ付け部位の長期安定性に問題
が生じる可能性がある。しかしながら、Ｔｉを適量添加
することによってこれが抑制されるという利点がある。
より好ましい添加量は、０．００１〜１．０％の範囲で
ある。

【００２３】Ｏは、セラミックス、ガラス等の酸化物材
料接合用の無鉛ハンダには必須の成分である。ハンダ中
にＯを適量含有させることにより、酸化物材料とハンダ
との界面において、Ｏを介した結合が生成し、その接合
強度を高めることが可能になる。この場合の好ましいＯ
の含有量の範囲は０．０００１％以上である。さらに好
ましい含有量の範囲は０．０１％以上である。しかしな
がら、ハンダ中のＯの含有量が過剰である場合には、接
合時にハンダ中に酸化物を生じる等の不具合が発生する
おそれがあるため、Ｏの含有量の範囲は１．５％以下で
あることが好ましい。このように、ハンダ中のＯの含有
量を調整することは、所定の原料を溶融しハンダを作製
する場合の雰囲気の酸素濃度、溶融時間などを適切に選
択することで実施可能である。

【００２４】Ａｇは、添加することによりハンダの機械
的強度の向上に優れた効果を発揮する。Ａｇ添加量が
０．１％未満ではその効果が低く、機械的強度の向上が
得られず、６．０％を超えると融点が高くなるとともに
Ｓｎとの金属間化合物が多量に発生し、機械的強度が逆
に低下することが問題となる。より好ましい添加量の範
囲は、０．１〜３．５％である。

【００２５】Ｃｕは、添加することによりＡｇ同様にハ
ンダの機械的強度の向上に優れた効果を発揮する。Ｃｕ
添加量が６．０％超えると融点が高くなるとともにＳｎ
との金属間化合物が多量に発生し、機械的強度が逆に低
下することが問題となる。より好ましい添加量の範囲
は、０．０１〜３．０％である。

【００２６】Ｚｎは、ガラス、セラミックス等の酸化物
材料に対する接着力を付与するためにハンダに添加され
る。Ｚｎ添加量が３．０％を超えるとハンダが脆くなる
傾向があり、実用上好ましくない。

【００２７】Ａｌは、Ｔｉと同様に非常に酸化され易い
元素であるが、酸化物との接合においては結合をつくり
易いという利点がある。その添加量が０．００１％未満
ではその効果が低く、３．０％を超えるとハンダ自身の
硬さが増し、耐ヒートサイクル性を確保するのが難しい
とともに融点が高く、作業性が悪化する。より好ましい
添加量は、０．０１〜１．０％の範囲である。

【００２８】本発明の無鉛ハンダにおいては、Ｂｉ、Ｓ
ｉまたはＳｂのうち１種類以上の元素を１０％以下の範
囲で適宜添加することができる。Ｂｉ、Ｓｉは、ハンダ
の濡れ性を改善させることができる。Ｓｂはハンダ付け
外観を良好にし、クリープ抵抗を増大させる。また、そ
の他Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐなどの元素を微
量添加してもハンダとしての特性、すなわち無鉛の他、
ハンダ付け性および機械的強度を高めることできる。

【００２９】また、Ｓｉはその添加量が０．００１％未
満では効果が低く、１．０％を越えると融点が高くなり
作業性が悪化する。より好ましい添加量の範囲は０．０
１〜０．１％である。

【００３０】また、本発明の無鉛ハンダにおいては、Ｉ
ｎを適宜添加することも可能である。Ｉｎはハンダの融
点を低下させるばかりでなく、濡れ性を向上させ、ハン
ダ自身を柔らかくするため、酸化物材料にハンダ付けし
た場合に界面の応力を緩和させるという作用を有する。

【００３１】さらに、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇａ、Ｇｅ、
Ｐの微量添加成分を適切に添加することにより、ガラス
との接着強度を増大させるだけでなく、ハンダ自身の機
械的強度、冷却時のガラス−ハンダ界面の歪み緩和など
ハンダとガラスを強固に接着させるために必要な種々の
特性を有するため、ガラス同士をハンダで強固に接合す
ることができ、ハンダ付け後の衝撃などによる剥離の問
題を解消することができる。この場合、これらの微量成
分の含有量は１．０％以下であることが好ましい。

【００３２】なお、本発明の無鉛ハンダは、ガラス、セ
ラミックス等の酸化物材料の他、アルミニウム、チタ
ン、ジルコニウム等の酸化被膜を有する難ハンダ付け金
属に直接ハンダ付け可能である。また、難ハンダ付け材
料にハンダ付けする場合、ハンダ付けの際に、ハンダに
超音波振動を付加できるような装置を用いることが好ま
しい。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を具体
的な実施例を挙げて説明する。

【００３４】（実施例１〜１０）被接合材としてソーダ
石灰ガラス（５０×５０×３ｍｍ）を用い、その板ガラ
ス上に、表１に示した組成からなる無鉛ハンダを、６０
ｋＨｚの周波数でこて先が振動する超音波ハンダごてを
使用して溶解接着し、本実施例のサンプルおよび比較例
のサンプルを作成した。表中の組成は、いずれも重量％
表示である。

【００３５】板ガラスと無鉛ハンダの接着性の評価は、
板ガラス表面に接着された無鉛ハンダ層をナイフで削っ
た際の無鉛ハンダの剥離度合いにより行った。表１中の
接着性の欄において、○印はハンダ層の半分以上が剥離
せずに板ガラス上に残留したもの、×印はハンダ層がす
べて剥離してしまったものである。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】表１から明らかなように、本実施例のサン
プルは、請求項１に示されるよう液相線温度が４００℃
以下であるため、各種酸化物材料に対して容易にハンダ
付けが可能であり、請求項１ないし８に示される成分を
適切に含有させることにより、ガラスとの接着強度を増
大させるだけでなく、ハンダ自身の機械的強度、冷却時
のガラス−ハンダ界面の歪み緩和などハンダとガラスを
強固に接着させるために必要な種々の特性を有するた
め、ガラス同士をハンダで強固に接合することができ、
ハンダ付け後の衝撃等による剥離の問題は何ら生じな
い。

【００３９】（比較例１および２）被接合材としてソー
ダ石灰ガラス（５０×５０×３ｍｍ）を用い、その板ガ
ラス上に、表２に示した組成からなる無鉛ハンダを、６
０ｋＨｚの周波数でこて先が振動する超音波ハンダごて
を使用して溶解接着し、比較例のサンプルを作成した。
表中の組成は、いずれも重量％表示である。

【００４０】板ガラスとハンダの接着性の評価は、前記
実施例１〜１０の場合と同様に、板ガラス表面に接着さ
れたハンダ層をナイフで削った際の無鉛ハンダの剥離度
合いにより行った。表２中の接着性の欄において、○印
はハンダ層の半分以上が剥離せずに板ガラス上に残留し
たもの、×印はハンダ層がすべて剥離してしまったもの
である。

【００４１】表２に示した比較例１および比較例２は、
いずれもＴｉの添加量が本発明の範囲外である。このた
め、比較例の無鉛ハンダにおいては板ガラスとの接着強
度が低く、ハンダ層がすべて剥離してしまった。

【００４２】（実施例１１〜２０）被接合材としてソー
ダ石灰ガラス（５０×５０×３ｍｍ）を用い、その板ガ
ラス上に、表３に示した組成からなる無鉛ハンダを、６
０ｋＨｚの周波数でこて先が振動する超音波ハンダごて
を使用して溶解接着し、本実施例のサンプルを作成し
た。表中の組成は、いずれも重量％表示である。

【００４３】板ガラスとハンダの接着性の評価は、前記
実施例１〜１０の場合と同様に、板ガラス表面に接着さ
れたハンダ層をナイフで削った際の無鉛ハンダの剥離度
合いにより行った。表３中の接着性の欄において、○印
はハンダ層の半分以上が剥離せずに板ガラス上に残留し
たもの、×印はハンダ層がすべて剥離してしまったもの
である。

【００４４】

【表３】

【００４５】表３から明らかなように、本実施例のサン
プルは、請求項１ないし８に示される成分の他、請求項
９，１０に示されるような成分およびＦｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの微量添加成分を適切に添加するこ
とにより、ガラスとの接着強度を増大させるだけでな
く、ハンダ自身の機械的強度、冷却時のガラス−ハンダ
界面の歪み緩和などハンダとガラスを強固に接着させる
ために必要な種々の特性を有するため、ガラス同士をハ
ンダで強固に接合することができ、ハンダ付け後の衝撃
等による剥離の問題は何ら生じない。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の無鉛ハン
ダは有害物質の鉛を含まず、請求項１に示されるよう液
相線温度が４００℃以下であるため、各種酸化物材料に
対して容易にハンダ付けが可能である。さらに請求項１
ないし８に示される成分を適切に含有し、また請求項
９、１０に示されるような成分およびＦｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの微量添加成分を適切に添加するこ
とにより、ガラスとの接着強度を増大させるだけでな
く、ハンダ自身の機械的強度、冷却時のガラス−ハンダ
界面の歪み緩和などハンダとガラスなどの酸化物材料を
強固に接着させるために必要な種々の特性を有するた
め、ガラス、セラミックス等の酸化物材料同士をハンダ
で強固に接合することができ、しかもハンダ付け後に剥
離を生じ難いという優れた効果を有するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中垣茂樹大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内 (72)発明者菅沼克昭大阪府茨木市美穂ヶ丘８番１号大阪大学産業科学研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的にＳｎおよびＴｉを含有する液相
線温度が４００℃以下である無鉛ハンダ。
【請求項２】重量％で表示して、０．０００１％以上
のＯを含有する請求項１に記載の無鉛ハンダ。
【請求項３】重量％で表示して、０．０１％以上のＯ
を含有する請求項１ないし２に記載の無鉛ハンダ。
【請求項４】重量％で表示して、０．１〜６．０％の
Ａｇを含有する請求項１ないし３に記載の無鉛ハンダ。
【請求項５】重量％で表示して、０．００１〜６．０
％のＣｕを含有する請求項１ないし４のいずれかに記載
の無鉛ハンダ。
【請求項６】重量％で表示して、０．００１〜１．０
％のＴｉを含有する請求項１ないし５に記載の無鉛ハン
ダ。
【請求項７】重量％で表示して、０．００１〜３．０
％のＺｎを含有する請求項１ないし６のいずれかに記載
の無鉛ハンダ。
【請求項８】重量％で表示して、０．００１〜３．０
％のＡｌを含有する請求項１ないし７のいずれかに記載
の無鉛ハンダ。
【請求項９】重量％で表示して、Ｂｉ、ＳｉまたはＳ
ｂのうちから選択される１種類以上の元素を合計１０％
以下の範囲で含有する請求項１ないし８のいずれかに記
載の無鉛ハンダ。
【請求項１０】重量％で表示して、０．００１〜１．
０％のＳｉを含有する請求項１ないし９のいずれかに記
載の無鉛ハンダ。