JP2003094195A - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

鉛フリーはんだ合金

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良孝 豊田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Sn−Ag系鉛フリーはんだ合金に比べてコスト
面で優位であるが、ぬれ性の悪いSn−Cu系鉛フリーはん
だ合金のぬれ性を改善して、安価ではんだ付け性の良好
なはんだ合金を提供する。 【解決手段】 Sn-0.1〜3 質量％Cuの鉛フリーはんだ合
金に、 0.001〜0.1 質量％のＰを単独で、または 0.001
〜0.1 質量％のGeと一緒に添加する。さらに強度改善元
素として、Agおよび／またはSbを合計で４質量％以下、
またはNi、Co、Fe、Mn、CrおよびMoからなる群から選ん
だ１種以上を合計で0.5 質量％以下、添加してもよい。
また、融点低下元素として、Bi、InおよびZnの少なくと
も１種を合計で５質量％以下添加してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉛を使用しないは
んだ合金に関する。特に、プリント基板に電子部品をは
んだ付けする際に使用されるはんだ合金において、はん
だ付け性に優れたはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】家庭または企業で使用されている、テレ
ビ、ビデオ、冷蔵庫、クーラーなどの家電製品、パソコ
ン、プリンターなどの事務機器の電子機器類には、プリ
ント基板が内蔵されている。プリント基板には多くの電
子部品が使用されるが、プリント基板に電子部品を実装
する際にはんだが使用される。
【０００３】現在使用されているはんだは、電子部品や
プリント基板に対する作業性を考慮して、作業温度が低
く、はんだ付け性も良好で、昔からの実績のあるSn−Pb
はんだが使用されている。特にSn63質量％−Pbのはんだ
は、Sn−Pbはんだの中でも溶融温度域の狭い共晶近傍の
特性を示すため、Sn−Pb共晶はんだとして広く使用され
ている。共晶では、はんだは溶融温度域が存在しないた
め、溶融後瞬時に凝固する。はんだ付け時にはんだが溶
融して凝固するまでの時間が長いと、基板搬送時のコン
ベアの振動を受けたり、取り扱い時の振動を受けること
によりクラックが発生しやすくなるが、共晶近傍のはん
だではこれらの影響が少なく、信頼性の高いはんだ付け
が行われる。
【０００４】一般に電子機器類は、故障したり、古くな
って機能的に充分でなくなったりした場合には廃棄処分
される。これらの電子機器類には、ケースのようなプラ
スチック製のもの、シャーシーのような金属製のもの、
合成樹脂プリント基板のように合成樹脂と金属導体が混
在するものが含まれている。そのうち、プリント基板
は、金属とプラスチックが複雑に結合しており、リサイ
クルに適さないため、裁断処理され、安定型産業廃棄物
として地中に埋め立て処理されることになる。
【０００５】ところが近年、地中に埋め立て処分される
電子機器類、中でもはんだが多用されるプリント基板が
問題になっている。すなわち、化石燃料の多用から大気
中に硫黄酸化物や窒素酸化物が原因で酸性化した酸性雨
が地中に浸透し、埋め立てられたプリント基板から鉛な
どの有害金属を溶出させ、地下水を汚染し、この汚染さ
れた地下水を長年の間飲用したときに鉛中毒を起こす恐
れがあると心配され、鉛を含まないはんだが求められて
いる。
【０００６】今までに開発された鉛フリーはんだは、Sn
を主成分にCu、Ag、Bi、Zn等の金属を添加したものであ
る。鉛フリーはんだの代表的な組成としては、Sn−0.7
％Cu、Sn−3.5 ％Ag、Sn−58％Bi、Sn−９％Znの２元合
金の他、用途に応じてさらに添加金属元素を組み合わせ
て３元合金、またはそれ以上として用途に応じて使用さ
れている。なお、本明細書では、合金組成に関する％は
全て質量％である。
【０００７】これらの鉛フリーはんだは、それぞれの合
金ごとに問題を抱えている。例えば、Sn−９％Znなどの
Sn−Zn系はんだでは、Znが非常に酸化しやすい元素であ
るため厚い酸化膜を形成しやすく、大気中でのはんだ付
けでは、はんだ付け時のぬれ性が悪い。さらに、フロー
はんだ付けの場合は、ドロスが多く発生するので実用性
には大きな困難が伴う。また、Sn−58％BiなどのSn−Bi
系はんだは、フローはんだ付け時に発生するドロスは大
きな問題とはならないものの、鉛フリーはんだにBiを用
いることにより、延性に劣るBiの特徴が反映し、機械強
度的に脆く、はんだ接合部の信頼性低下が懸念される。
特に、Biの量が多いほど、機械的強度が脆くなる傾向は
強まる。
【０００８】現在、鉛フリーはんだで一番実用的と考え
られているのが、Sn−0.7 ％CuなどのSn−Cu系、Sn−3.
5 ％AgなどのSn−Ag系、およびSn−Ag系はんだにCuを少
量添加したSn−Ag−Cu系はんだである。しかしながら、
Sn−0.7 ％CuのようなSn−Cu系は、コスト面で安価であ
るがはんだ付け時のぬれ性が乏しい。一方、Sn−3.5％A
gのようなSn−Ag系、及びSn−Ag系はんだにCuを少量添
加したSn−Ag−Cu系はんだでは、はんだ付け時のぬれ性
は比較的良い。また、Sn−Ag系およびSn−Ag−Cu系はん
だは、機械的強度がSn−Pb系はんだと同等かそれ以上で
あり、鉛フリーはんだの中では特性面の優位を持ってい
るが、高価なAgを含有しているのでコストが高くなり、
コストダウンを狙ってAgの含有量を少なくすると、ぬれ
性、はんだの合金強度が劣ってくる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】電子機器類におけるプ
リント基板に電子部品を実装する際には、電子部品やプ
リント基板に対する作業性を考慮して使用するはんだ合
金を選定する。はんだ付け作業を行う際、はんだのぬれ
性が悪いと、未はんだ、ブリッジ、ボイド等の欠陥が生
じてしまうことがある。
【００１０】前述のように、鉛フリーはんだで実用的な
合金組成と考えられているSn−Cu系は、コスト面では、
Sn−Pb系はんだの単価に近く、優位性を持っているが、
残念なことに、はんだ付け時のぬれ性が乏しい。
【００１１】本発明は、コスト面では優位であるが、一
般的にぬれ性が乏しいSn−Cu系鉛フリーはんだにおい
て、はんだ付け性が改善されたはんだ合金を提供するこ
とにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、Sn−Cu系
鉛フリーはんだのはんだ付け性の向上について鋭意検討
を重ねた結果、Sn−Cu系鉛フリーはんだにＰを添加した
合金が、はんだ付け時のぬれ性が向上していることを見
いだし、本発明を完成させた。このＰ添加によるはんだ
付け時のぬれ性の改善効果は、ＰをGeと一緒に添加する
と、さらに一層高まる。
【００１３】本発明は、(1) Cu 0.1〜３ (質量) ％、Ｐ
0.001〜0.1 ％、残部Snからなることを特徴とする鉛フ
リーはんだ合金、ならびに(2) Cu 0.1〜３％、Ｐ 0.001
〜0.1 ％、Ge 0.001〜0.1 ％、残部Snからなることを特
徴とする鉛フリーはんだ合金、である。
【００１４】
【発明の実施の形態】Sn−Cu系鉛フリーはんだCuの存在
は、はんだの機械的強度の向上に効果がある。本発明の
鉛フリーはんだ合金において、Cuの含有量が0.1 ％より
少ないとはんだの機械的強度向上に効果がなく、３％よ
り多いとはんだの溶融温度を押し上げ、ぬれ性の低下、
およびはんだ溶融時のドロス発生を生じ、はんだ付け作
業に困難をきたす。Cuの含有量は好ましくは 0.3〜1.5
％であり、より好ましくは 0.4〜1.0 ％である。
【００１５】Ｐの添加量は、0.001 ％より少ないとはん
だのぬれ性改善に効果がなく、0.1％より多いと、溶融
はんだ面におけるはんだの粘性を増して、はんだの流動
性を阻害し、はんだ付け作業に困難をきたす。これは、
溶融はんだでのはんだ付け時にブリッジ等の欠陥として
現れる。Ｐの含有量は、好ましくは 0.001〜0.05％であ
り、より好ましくは 0.001〜0.01％である。
【００１６】Ｐに加えGeを添加すると、ぬれ性がさらに
向上する。Geの添加量は、0.001 ％より少ないとはんだ
のぬれ性に効果がなく、0.1 ％より多いとＰと同様に溶
融はんだ面におけるはんだの粘性を増して、はんだの流
動性を阻害してはんだ付け作業に困難をきたす。
【００１７】本発明のはんだ合金を溶融させると、Ｐお
よびGeは、溶融はんだ表面に薄く拡散するので、はんだ
付け時にこれらの酸化物が溶融はんだの表面を覆って、
大気との接触を遮断し、高温で溶融しているはんだの酸
化を防止すると考えられる。このとき、Ｐの酸化物は溶
融はんだの温度で昇華し易いが、Geの酸化物は溶融はん
だの表面に長く留まるので、Geの添加量が多いと、はん
だ付け作業を阻害し、未はんだ等のはんだ付け欠陥にな
り易い。そのためにも、Geの添加量は0.1 ％以下にする
必要がある。Geの含有量は、好ましくは 0.001〜0.05％
であり、より好ましくは 0.002〜0.03％である。
【００１８】本発明のSn−Cu系鉛フリーはんだへのＰ、
またはＰとGeの同時添加は、ぬれ性を向上させる効果が
あるが、はんだ合金としての機械的強度は向上させるも
のではない。Sn−Cu系鉛フリーはんだの機械的強度は、
Sn−Ag、Sn−Ag−Cu系鉛フリーはんだに比較して一段劣
る。この機械的強度は、Ｐ、またはＰとGeの添加によっ
ても改善されるものではない。
【００１９】そこで、本発明のはんだ合金を機械的強度
が要求させる部位に使用する場合には、機械的特性を改
善する元素を添加することができる。Sn−Cu系鉛フリー
はんだの機械的強度を改善する元素として、Ag、Sb、N
i、Co、Fe、Mn、Cr、Mo等が有効であり、それらの１種
または２種以上を添加することができる。これらの強度
改善元素は、いずれもSnに固溶するか、あるいはSnと金
属間化合物を形成し、機械的強度を向上させるが、添加
量が多いと液相線温度が上昇し、はんだの流動性を阻害
する。このため、Ag、Sbはその合計量が４％以下、特に
3.5 ％以下；Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Moは、その合計量が
0.5 ％以下、特に0.3 ％以下となるようにすることが好
ましい。
【００２０】鉛フリーはんだの中で有望視されている、
Sn−Cu系、Sn−Ag系、およびSn−Ag−Cu系はんだは、Sn
−Pb系はんだに比較して溶融温度が高い。現在使用され
ている電子部品は、Sn−Pb系はんだを基準に設計されて
おり、鉛フリーはんだでプリント基板に電子部品を搭載
する場合は、動作不具合が起きる可能性がある。この場
合は、本発明のはんだ合金にBi、In、Zn等の少なくとも
１種の融点低下元素を添加することにより、溶融温度が
下がり、動作不具合を抑制することができる。これらの
元素のうち、Biは延性に劣り、機械強度的が脆い面があ
り、In、あるいはZnは酸化しやすい元素であるため酸化
物を形成しやすく、溶融はんだ表面でのはんだ付けを阻
害する。この点を考慮すると、Bi、In、Znの添加量は、
その合計量が、はんだ全量の５％以下、特に３％以下で
あることが好ましい。
【００２１】本発明の鉛フリーはんだ合金は、棒状、線
状のはんだの他、リボン、ペレット、ディスク、ワッシ
ャー、ボールなどの成形はんだや粉末への製品供給形態
が可能である。粉末状のはんだ合金は、ソルダペースト
の調製に利用できる。本発明の鉛フリーはんだ合金は、
特にフロー法によるプリント基板のはんだ付けに有用で
ある。
【００２２】本発明の鉛フリーはんだ合金をフロー法に
よる連続はんだ付けに長時間使用すると、浴組成が変動
することがある。その場合には、不足する元素を、単独
または他の成分との合金として添加することにより、浴
組成を本発明の範囲内に調整することができる。
【００２３】
【実施例】表１に示す組成の実施例および比較例のはん
だ合金を用意した。これらのはんだ合金のぬれ性と機械
的強度 (バルク強度) を次のようにして調べた。それら
の試験結果も表１に併記する。
【００２４】ぬれ性試験：ウェッティング・バランス法
により、はんだ合金のぬれ性を調べた。使用する試験片
は、Cu板（厚み0.3 ×幅lO×長さ30 mm)に酸化処理を施
したものである。この試験片の表面にはんだ付け用のフ
ラックスを塗布し、250 ℃に加熱保持された溶融はんだ
中に浸漬して、時間軸に対するぬれ曲線を得る。このぬ
れ曲線からゼロ・クロス時間を求め、ぬれ性を評価す
る。判断基準としては、ゼロ・クロス時間が２秒未満の
ものを優、２秒以上３秒未満のものを良、３秒以上のも
のを劣とする。
【００２５】バルク強度試験：はんだの鋳造材に旋盤加
工を施し、JIS Z 2201の４号試験片を得る。万能試験機
を用いて試験片の標点間距離の約20％/min相当のクロス
ヘッド速度にて引張り試験を行い、その最大応力を求
め、バルク強度とした。
【００２６】
【表１】
【００２７】表１からわかるように、本発明に従って、
Sn−Cuはんだ合金に、ＰまたはＰとGeを添加すると、ぬ
れ性が著しく改善される。
【００２８】
【発明の効果】本発明のはんだ合金は、価格的に優位な
Sn−Cu系であるにもかかわらず、はんだ付け性が良好
で、安定したはんだ付け作業を可能とする。また、有害
なPbを含有しない鉛フリーはんだであるため、この合金
ではんだ付けされた電子機器類が故障や古くなって埋め
立て廃棄されても、酸性雨によってPb成分が溶出せず、
近年重要視されている環境問題にも適合したものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 司 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金属 工業株式会社内 (72)発明者 上島 稔 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金属 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E319 AC01 BB01 BB08 GG03

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Cu 0.1〜３質量％、Ｐ 0.001〜0.1 質量
    ％、残部Snからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合
    金。
  2. 【請求項２】 Cu 0.1〜３質量％、Ｐ 0.001〜0.1 質量
    ％、Ge 0.001〜0.1質量％、残部Snからなることを特徴
    とする鉛フリーはんだ合金。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の鉛フリーはん
    だ合金にさらに強度改善元素を含有する鉛フリーはんだ
    合金。
  4. 【請求項４】 前記強度改善元素として、Agおよび／ま
    たはSbを合計で４質量％以下含有する、請求項３に記載
    の鉛フリーはんだ合金。
  5. 【請求項５】 前記強度改善元素として、Ni、Co、Fe、
    Mn、CrおよびMoからなる群から選んだ１種または２種以
    上を合計で0.5 質量％以下含有する、請求項３に記載の
    鉛フリーはんだ合金。
  6. 【請求項６】 請求項１、２または５記載の鉛フリーは
    んだ合金にさらに融点低下元素を含有する鉛フリーはん
    だ合金。
  7. 【請求項７】 前記融点低下元素として、Bi、Inおよび
    Znの１種または２種以上を合計で５質量％以下含有する
    請求項６記載の鉛フリーはんだ合金。
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