JP2002153991A

JP2002153991A - はんだ材

Info

Publication number: JP2002153991A
Application number: JP2001199220A
Authority: JP
Inventors: Kai Fua Chuu; チュー・カイ・ファ; Wei Chih Pan; チ・パン・ウェイ
Original assignee: Quantum Chemical Technologies Singapore Pte Ltd
Current assignee: Quantum Chemical Technologies Singapore Pte Ltd
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-05-28
Also published as: US20020057986A1; MY134159A; HK1045824A1; CN1354065A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】環境への配慮から、プリント回路基板の生産で
使われるはんだ材が無鉛であること、との強い要求があ
り、従来の無鉛はんだ材の問題点であるぬれ特性や流動
性等を改善する。【解決手段】８７．２％と８９．５％の間の錫、４．
Ｏ％と４．８％の間の蒼鉛、３．５％と４．５％の間の
インジウム、及び、３．０％と３．５％の間の銀からな
るはんだ材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ材に、特
に、実質的に鉛無含有であるはんだ材に関する。多くの
従来のはんだ材は、その主要な成分として鉛を含む。そ
のようなはんだ材は、しばしば望ましい物理的性質を有
し、鉛を含んだはんだ材の使用はプリント回路基板の生
産に関するものを含む、いくつかの産業の間で広まっ
た。

【０００２】

【従来技術及びその課題】しかしながら、例えば、環境
への配慮のため、はんだ材が無鉛であることに対する要
求が増加し、次の数年以内にいくつかの国において、多
くの品目の製造で使用されるはんだ材が殆ど又は全く鉛
を含まないことが法的要件となることはあり得る。

【０００３】鉛無含有はんだ材を調製する先の試みの成
功は限られたものであった。従来のはんだ材は、貧しい
ぬれ特性、低流動性、既存の構成要素コーティングとの
不十分な互換性（相溶性）、及び過度の不純物(drossin
g)を含む、全体として、望ましくない物理的性質を有す
る。

【０００４】その結果、いくつかの製造業は、何年も有
効に機能する既存のはんだ付け工程が鉛無含有はんだ材
の使用に適応するようにしなければならないことを悟っ
ている。さらに、プリント回路基板の生産で使われる既
存の材料は、鉛無含有はんだ材の使用と互換性があるよ
うに取替えられる必要もあり得る。この工程と材料の適
合は、資源を十分に使用しないものと広く評価されるも
のであり、特に、従来の鉛無含有はんだ材を使用して製
造された製品の規格は、上述のように、しばしば、その
達成可能な鉛を含んだはんだ材を使用した場合の規格よ
り劣っている。

【０００５】

【発明の目的】従って、鉛無含有はんだ材の上記不利益
のいくつか又はすべてを軽減する鉛無含有はんだ材を提
供することが本発明の目的である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従って、本発明の１つの
観点では、８７．２％と８９．５％の間の錫、４．０％
と４．８％の間の蒼鉛（ビスマス）、３．５％と４．５
％の間のインジウム、及び３．０％と３．５％の間の銀
を含むはんだ材を提供する。このはんだ材は、実質的に
鉛無含有はんだ材であると有利である。このはんだ材
は、鉛無含有はんだ材であることが好ましい。このはん
だ材は、８８．３％の錫、４．５％の蒼鉛、４．０％の
インジウム、及び３．２％の銀を含むと都合がよい。

【０００７】本発明の別の観点では、はんだ材中の錫の
割合が８７．２％と８９．５％の間で、はんだ材中の蒼
鉛の割合が４．０％と４．８％の間で、はんだ材中のイ
ンジウムの割合が３．５％と４．５％の間で、且つ、は
んだ材中の銀の割合が３．０％と３．５％の間であるよ
うに、錫、蒼鉛、インジウム、及び銀を混合する工程か
らなる、はんだ材を調製する方法を提供する。前記方法
は、はんだ材への実質的な鉛の添加を含まないのが有利
である。前記方法は、はんだ材への鉛の添加を含まない
のが好適である。前記方法は、はんだ材中の錫の割が８
８．３％で、はんだ材中の蒼鉛の割合が４．５％であ
り、はんだ材中のインジウムの割合が４．０％で、且
つ、はんだ材中の銀の割合が３．２％であるように、
錫、蒼鉛、インジウム、及び銀を混合する工程からなる
と都合がよい。

【０００８】本発明のさらなる観点では、８７．２％と
８９．５％の間の錫、４．０％と４．８％の間の蒼鉛、
３．５％と４．５％の間のインジウム、及び３．０％と
３．５％の間の銀からなるはんだ材を使用することから
なるはんだ付けの方法を提供する。前記方法は、８８．
３％の錫、４．５％の蒼鉛、４．０％のインジウム、及
び３．２％の銀からなるはんだ材を使用することからな
ると都合がよい。前記方法は、ウェーブソルダリングの
工程からなるのが好ましい。

【０００９】本発明がより容易に理解されるように、そ
の例が、添付図面を参照して、説明される。

【００１０】

【発明の実施の形態】上述のように、一般的に使用され
た鉛を含んだはんだ材と比べると、従来の鉛無含有はん
だ材は、貧しいぬれ特性、低流動性、既存の構成要素コ
ーティングとの不十分な互換性（相溶性）、及び、過剰
な不純物を含むといういくつかの不利益を有する。

【００１１】しかしながら、従来の鉛無含有はんだ材と
比べる、８７．２％と８９．５％の間の錫、４．０と
４．８の間の蒼鉛、３．５％と４．５％の間のインジウ
ム、及び３．０％と３．５％の間の銀からなる鉛無含有
合金で構成されるはんだ材は、十分に改良された特性を
有する。そのようなはんだ材は、本発明を具体化するも
のである。実際に、本発明を具体化するはんだ材の特性
は、ぬれ性、流動性、既存の構成要素コーティングとの
互換性（相溶性）、及び不純物に関して、従来の鉛を含
んだはんだ材に匹敵している。

【００１２】本発明を具体化するはんだ材の有利な物理
的特性を示すために、多くのテストが、以下で説明され
るように実施された。第１のテストは、多くの既存の鉛
無含有はんだ材と従来の鉛を含んだはんだ材（６３％の
錫と３７％の鉛からなる）と比べる、本発明を具体化す
るはんだ材のぬれ性に関するものであった。第１のテス
トで使われた本発明のはんだ材は、８８．３％の錫、
４．５％の蒼鉛、４．０％のインジウム、及び３．２％
の銀からなる。

【００１３】第１のテストの第１の観点は、ＡＮＳＩ／
ＪＳｔｄ−００３規格に基づいて、２３５℃から２６
５℃までの様々な温度におけるぬれ時間の測定からな
る。このテストにおいて、銅の見本が、或る量の各溶融
状態のはんだ材に浸された。力計測装置が銅の見本に接
続され、見本に作用する垂直な力が測定され記録される
ように配置された。

【００１４】溶融状態のはんだ材へ浸されている間、見
本への垂直な力の変化は、２つの主な要素による。これ
らの１番目である浮力は、見本によって排除されたはん
だ材の重さと等しい、はんだ材の排除によって見本に及
ぼされる上向きの力から生じた。はんだ材に浸された見
本の部分の容積、及び、はんだ材の密度は既知であるか
ら、この上向きの力は、計算によって求めることができ
る。

【００１５】第２の要素は、はんだ材の表面と見本の表
面との間の接触角の変化によって見本に作用する力であ
る。各特定の場合における「ぬれ時間」は、見本に作用
するぬれ力(wetting force)がゼロに等しくなるために
要する時間、として定義された。

【００１６】第１のテストの第１の観点の結果は、図１
に示されている。要するに、本発明を具体化するはんだ
材は、各温度において、従来の鉛を含んだはんだ材によ
って示されたものに匹敵する、ぬれ時間を示した。さら
に、本発明を具体化するはんだ材は、考慮された温度の
１つ以外はすべて、既存の鉛無含有はんだ材のいずれも
によって示されたものより低い、ぬれ時間を示した。前
記ぬれ時間は、はんだ材が基質に付着する速度の測定で
あり、そして、低ぬれ時間は、はんだ材にとって明確に
望ましい特性である。従って、本発明を具体化するはん
だ材は、全体的に見て、第１のテストの第１の観点にお
いて既存の鉛無含有はんだ材のいずれのものよりも良く
機能することが分かる。

【００１７】第１のテスト第１の観点の結果は、図２
に、グラフの形で示されている。このグラフから、既存
の鉛無含有はんだ材の能力を表すものと比べると、従来
の鉛を含んだはんだ材と本発明を具体化するはんだ材の
能力を表す結果が、互いに密接に追従していることが分
かるであろう。

【００１８】第１のテストの第２の観点は、各はんだ材
の見本が浸された後２．０秒における最大ぬれ力の測定
からなる。ぬれ力は、上記で説明されたように、はんだ
材と見本の間の粘着力である。このぬれ力は、はんだ材
が基質に固着する強度の役立つ示度を、明確に提供する
ものであり、高いぬれ力は、はんだ材にとって望ましい
特性である。

【００１９】第１のテストの第２の観点の結果は、図３
に示されている。これらの結果を要約すると、本発明を
具体化するはんだ材は、各考慮された温度において、従
来の鉛を含んだはんだ材によって示されるものに匹敵す
る、見本が浸された後２．０秒での、最大ぬれ力を示し
た。既存の鉛無含有はんだ材のいくつかが、温度のいく
つかにおいて、従来の鉛を含んだはんだ材のものに近い
ぬれ力を示したが、本発明のはんだ材は、考慮された温
度のすべてにおいて、従来の鉛を含んだはんだ材のもの
と近いぬれ力を示した。そのような特性は、本発明のは
んだ材に、様々な温度条件の下で、或いは、変化する温
度条件の下ではんだ付けが行なわれる場合に、従来の鉛
を含んだはんだ材と同様の挙動をさせるであろうことが
理解されるであろう。

【００２０】第２のテストの第２の観点の結果は、図４
にグラフの形で示され、そして、このグラフから、本発
明を具体化するはんだ材を表す結果が既存の鉛無含有は
んだ材のいずれもを示すものよりはるかに密接に従来の
鉛を含んだはんだ材に近いことが明確であろう。

【００２１】第１のテストの結果から、本発明を具体化
するはんだ材が、ぬれ性に関して、検討された既存の鉛
無含有はんだ材よりも非常に似た特性を示すのが理解さ
れる。物理的性質におけるこの類似性のために、本発明
を具体化するはんだ材は、既存の鉛無含有はんだ材のい
ずれよりも、従来の鉛を含んだはんだ材の代替としての
使用にはるかに適したものになることは明らかである。

【００２２】第２のテストは既存の構成要素コーティン
グとの本発明のはんだ材の互換性（相溶性）に関するも
のであった。例えば、プリント回路基板の構成要素（コ
ンポーネント）は、様々な材料のコーティングを有して
いることがあり、そのような構成要素と関連して使用さ
れるべきはんだ材が容易にそのコーティングに付着する
ことは重要なことである。

【００２３】第２のテストにおいて、６つの共通のタイ
プのコンポーネントが、錫、金、銀、錫／鉛合金、及
び、銅／リン合金の金属被覆でメッキされた。次に、比
較テストが、ぬれ力の測定と関連して上記で説明された
ものと極めて似ているが、より小さなスケールで行われ
る溶滴テスト方法を使用して、様々な温度で各コーティ
ングされた構成要素に適用されるように、８８．３％の
錫、４．５％の蒼鉛、４．０％のインジウム、及び、
３．２％の銀の組成物を有する、本発明を具体化するは
んだ材と、６０％の錫と４０％の鉛からなる従来の鉛を
含んだはんだ材が示すぬれ時間について行われた。第２
のテストで使われた溶剤（フラックス）は、ノンクリー
ンの４％固体含有の溶剤であった。

【００２４】第２のテストの結果は図５に示されてい
る。これらの結果から、本発明を具体化するはんだ材
が、（２３５℃から２６５℃までの）考慮された温度の
殆どにおいて、コーティングの大部分に対して、従来の
鉛を含んだはんだ材によって表されたものと同様のぬれ
時間を示すことが分かるであろう。大多数の場合におい
て、本発明を具体化するはんだ材と従来の鉛を含んだは
んだ材は、お互いに１秒の半分もない程の差のぬれ時間
を示した。

【００２５】第２のテストの結果から、本発明を具体化
するはんだ材が、従来の鉛を含んだはんだ材のための直
接の代替として、既存の構成要素コーティングとの互換
性（相溶性）に関して、使用に適していることは明確で
あろう。

【００２６】３番目のテストは、ウェーブソルダリング
装置における本発明のはんだ材の使用への適性に関する
ものであった。ウェーブソルダリングに関する例では、
回路基板が或る量の溶融状態のはんだ材の直上で保持さ
れる。それから、波が、波の頂きが回路基板の表面と接
触するのに十分な振幅であり、溶融状態のはんだ材の表
面の向こう側へ伝達されるように惹起される。波は、回
路基板（又は、はんだ材付けを必要とする部分）と同じ
くらい広く、そして、波が溶融状態のはんだ材の表面の
向こう側に伝達されると、回路基板の下向きの面の表面
のすべての部分が溶融状態のはんだ材と接触する。

【００２７】回路基板が直接溶融状態のはんだ材に浸さ
れる方法と比べて、回路基板へのはんだ材のこの適用方
法は、回路基板の上向きに面している表面とはんだ材が
接触する危険を大いに減少させる。

【００２８】ウェーブソルダリング装置において溶融状
態のはんだ材のポットで使用される場合、既存の鉛無含
有はんだ材は、ウェーブソルダリングの数多くの使用後
に、はんだ材ポットにおいて高いレベルで汚染されるこ
とが知られている。ウェーブソルダリング装置では、２
つのポット部があることが普通である。回路基板がその
ようなウェーブソルダリング装置を使用してはんだ付け
されると、それらは、まず、第１ポット部上で操作さ
れ、そこでは、予備的「チップ」波がこの表面を洗浄す
るために回路基板の下向きに面している表面に流れる。
次に、回路基板は第２のポット部上の位置に進み、必要
なはんだ材付けを実施するように、さらに「ラミナ―」
波がそれらの下向きに面している表面に流れる。チップ
波がはんだ付けの前に回路基板の表面の洗浄に関係があ
るので、望ましくない汚染物質の積層のリスクが第１ポ
ット部にあり、この問題は、既存の鉛無含有はんだ材の
使用によって悪化させられることが判明していること
は、明からであろう。

【００２９】さらに、既存の鉛無含有はんだ材が使用さ
れていると、数回の使用後、ポットの中に存在している
不純物のレベルは、容認できないくらい高いことが判明
した。

【００３０】第３のテストにおいて、８８．３％の錫、
４．５％の蒼鉛、４．０％のインジウム、及び３．２％
の銀の組成物を有する本発明を具体化するはんだ材が、
従来のウェーブソルダリング装置で使用するために置か
れた。はんだ材の使用に適応するための装置の変更は、
なされなかった。そして、ウェーブソルダリング装置
は、錫／鉛合金からなる従来のはんだ材に関するものと
同じ方法ではんだ回路基板に使用された。

【００３１】ウェーブソルダリング装置は、４つの異な
ったポットの温度、すなわち、２３５℃、２４５℃、２
５５℃、及び２６５℃で使用された。これらの温度は、
すべて、従来の鉛を含んだはんだ材とともにウェーブソ
ルダリング装置を使用するとき、通常使用される温度の
範囲内である。さらに、搬送（コンベア）速度（すなわ
ち、回路基板がポットの表面で動かされる速度）が、３
つの異なった速度（１ｍ／分、１．４ｍ／分、及び１．
８ｍ／分）で使用されるように変えられた。これらの搬
送速度は、それぞれ、従来の鉛を含んだはんだ材ととも
にウェーブソルダリング装置を使用するとき、通常使用
される搬送速度の範囲内であった。第３のテストは、通
常の空気環境で実施された。

【００３２】全く鉛無含有の工程を使用するために、鉛
無含有溶剤は、工程における使用のために開発された、
ＲＭＡ１３％の固体含有溶剤である。テストの各日の最
後には、ポットの汚染とポットの合金組成物のレベルが
測定され、記録された。さらに、ポットの中の不純物
は、ウェーブはんだ付け工程によって作り出される不純
物の量を決定するために取除かれ、重さが計られた。

【００３３】第３のテストの実験条件は、図６に示され
ている。各日の最後のポットの中に残された不純物の量
が図７に示されている。（チップ波とラミナ―波の両方
のために）ポットの中のはんだ材の汚染のレベルが図８
に示されている。

【００３４】当業における普通の技術を有する人は、こ
れらの結果を考慮することから、ポットの中の汚染のレ
ベル、そして、生み出された不純物の量とが、既存の鉛
無含有はんだ材を使用する、変更されていない従来のウ
ェーブソルダリング装置で遭遇するものよりも、かなり
低いことを認識するであろう。

【００３５】本発明のはんだ材によって示された、ぬれ
性、流動性、既存の構成要素コーティングとの互換性
（相溶性）、不純物の匹敵する特性のために、本発明
は、以前に提案された鉛無含有はんだ材よりも従来の鉛
を含んだはんだ材の直接的代替としての使用により適し
た鉛無含有はんだ材を提供することが明からであろう。

【００３６】このことの利点は、本発明のはんだ材を使
うことによって製造業者が鉛無含有はんだ材の使用に適
応させるように、既存の装置、工程、又は、構成要素コ
ーティングを取替える必要性を少なくさせるか、又は排
除することができるということである。その結果、鉛無
含有はんだ材の使用に変える工程が、遥かに簡単で多く
の製造業者にとって、より経済的に実施可能になること
は、明らかであろう。

【００３７】特定の形式や開示された機能を実施するた
めの手段によって表された、上記の説明や特許請求の範
囲や添付の図面において開示された特徴、又は、開示さ
れた結果に達するための方法や工程は、別々に、又は、
そのような特徴の如何なる組合わせにおいても、その様
々な形式で本発明を実現するために利用されることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】様々な温度において、多くの異なったはんだ
材の、秒単位のぬれ時間を示す表。

【図２】図１の表で示されたデータを表すグラフ。

【図３】様々な温度において、多くの異なったはんだ
材の最大ぬれ力を示す表。

【図４】図３の表で示されたデータを表すグラフ。

【図５】はんだ材が様々なコーティングに適用される
場合の、本発明を具体化したはんだ材と従来技術のはん
だ材のぬれ時間を示す表。

【図６】ウェーブソルダリング装置において、本発明
を具体化するはんだ材の使用に関する実験の条件を示す
図。

【図７】図６の実験の結果を示す図。

【図８】図６の実験の結果を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チ・パン・ウェイシンガポール国270015、ギム・モン・ロード、ブロック15、ナンバー05−33 Ｆターム(参考） 5E319 BB01 BB08 BB10 CC24 GG03 GG15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】８７．２％と８９．５％の間の錫、４．
０％と４．８％の間の蒼鉛、３．５％と４．５％の間の
インジウム、及び、３．０％と３．５％の間の銀からな
る、はんだ材。
【請求項２】前記はんだ材が実質的に鉛無含有はんだ
材である、請求項１のはんだ材。
【請求項３】前記はんだ材が鉛無含有はんだ材であ
る、請求項２のはんだ材。
【請求項４】前記はんだ材が８８．３％の錫、４．５
％の蒼鉛、４．０％のインジウム、及び、３．２％の銀
からなる、請求項１から３のいずれかのはんだ材。
【請求項５】前記はんだ材中の錫の割合が８７．２％
と８９．５％の間で、前記はんだ材中の蒼鉛の割合が
４．０％と４．８％の間で、前記はんだ材中のインジウ
ムの割合が３．５％と４．５％の間で、且つ、前記はん
だ材中の銀の割合が３．０％と３．５％の間にあるよう
に、錫、蒼鉛、インジウム、及び銀を混合する工程から
なる、はんだ材を調製する方法。
【請求項６】前記方法が実質的にはんだ材に鉛を添加
しない、請求項５の方法。
【請求項７】前記方法がはんだ材に鉛を添加しない、
請求項６の方法。
【請求項８】前記方法が、前記はんだ材中の錫の割合
が８８．３％、前記はんだ材中の蒼鉛の割合が４．５％
で、前記はんだ材中のインジウムの割合が４．０％で、
且つ、前記はんだ材中の銀の割合が３．２％であるよう
に、錫、蒼鉛、インジウム、及び銀を混合する工程から
なる、請求項５から７のいずれかの方法。
【請求項９】８７．２％と８９．５％の間の錫と、
４．０％と４．８％の間の蒼鉛と、３．５％と４．５％
の間のインジウムと、及び、３．０％と３．５％の間の
銀からなるはんだ材を使用することからなる、はんだ付
け方法。
【請求項１０】８８．３％の錫、４．５％の蒼鉛、
４．０％のインジウム、及び３．２％の銀からなるはん
だ材を使用することからなる、請求項９の方法。
【請求項１１】前記方法がウェーブソルダリングの工
程からなる、請求項９又は１０の方法。