JP2003188529A - 鉛非含有の半田材及び接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鉛などの有害物質を含有しない、実装基板の
半田付けの際でも接合状態を良好に維持できる半田付け
が可能な高温鉛非含有の半田を提供する。 【構成】 ２０〜４０重量％の割合の亜鉛と、アルミニ
ウム、銀、マグネシウム、マンガンからなる群より選択
される１〜３重量％の添加成分（あるいは必要に応じて
更に１重量％以下の燐）と、残重量％の錫を含有する鉛
非含有半田材とし、望ましくは、略３８重量％の割合の
亜鉛と、１重量％の燐と、略２重量％のアルミニウム
と、残重量％の錫を含有する鉛非含有半田材とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉛非含有の半田材及
び接合方法に関し、例えば基板に実装される電気、電子
又は機械部品などを接合するに適した鉛を含有しない鉛
非含有の半田材及び接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品を基板に実装するために、ある
いは基板に実装される電子部品内部の素子などの電気的
接合を行うために広く半田付けが行われている。

【０００３】従来、一般的に用いられてきた半田は、錫
と鉛とによる共晶半田であり、電子部品を基板に実装す
る際には、一般的に融点１８３°Ｃの錫・鉛共晶半田を
用い、最高で２６０°Ｃの温度で半田付けを行ってい
た。

【０００４】このため、この基板に実装される電子部品
内部の素子などの電気的接合を行う半田付けは、実装基
板に対する半田付け温度で安定的な接合状態を保たせる
必要があり、この条件で接合が外れないよう融点が２６
０°Ｃ以上の高温半田を用いなければならない。

【０００５】従来は、この高温半田として、例えば、鉛
が９０重量％、錫が１０重量％の融点固相線温度２６８
°Ｃで液相線温度３０１°Ｃの半田材、あるいは、鉛が
９０．５重量％、錫が８重量％、銀が１．５重量％の融
点固相線温度２７７°Ｃで液相線温度２９０°Ｃの半田
材などが一般的に使用されており、大量の鉛を使用する
ことで融点を高めていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電子機
器の普及は、人々の生活を豊かにしているが、その反
面、使用しなくなった電子機器が多量に廃棄されている
ことも事実であり、廃棄物による環境問題が生じること
が危ぶまれている。このため、廃棄物のリサイクル使用
や有害な物質を用いない製造方法が提唱されている。

【０００７】特に、有害物質の排除は、環境汚染を未然
に防ぐという観点から望ましく、半田による接合技術に
おいても例外ではなく、有害物質である鉛を含まない高
温半田を実現することが求められている。

【０００８】しかしながら、錫合金で鉛以外に融点を高
める金属元素は、カドミウムやアンチモンがあるのみで
あり、これらの金属を含有させれば融点を高めることが
できるが、これらの金属も鉛と同様に有害物質である。

【０００９】例えば特許第３０２７４４１号公報に記載
されている、銀が３超５重量％以下、銅０．５〜３重量
％、残部が錫の半田は、上記有害物質を含まない半田で
あるが、プリント配線板と電子部品との接続用の半田で
あり、プリント配線板の半田付け仕様（融点２１０°Ｃ
〜２３０°Ｃ）を満たすための半田である。このため、
電子部品内部の接合には適用できない。

【００１０】他の鉛を含まない半田として、例えば特開
２０００−１５４７８号公報には、亜鉛が３〜２１重量
％（好ましくは７〜１３重量％）、亜鉛より蒸気圧が高
い材料を１重量％以下（好ましくは０．５重量％以
下）、残部が錫の半田が記載されている。

【００１１】しかし、この半田もソルダーペーストの実
用化のためであり、プリント配線基板の半田付け仕様を
満たすに過ぎず、この仕様の半田付け環境でも良好な接
合状態を維持できるものではなく、電子部品内部の接合
には適用できなかった。

【００１２】この様に、従来は、有害物質を含まないで
電子部品内部の接合にも使用できる高温半田がなく、そ
の実現が待たれていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決することを目的としてなされたもので、廃棄物中
の鉛による環境問題を解決するために、鉛を含有せず、
かつ実装基板の半田付け作業によって溶融することがな
く基板に実装される電子部品内の結合に使用可能な高温
半田を提供することを目的とする。かかる目的を達成す
る一手段として例えば以下の構成を備える鉛非含有の半
田材を提供する。

【００１４】即ち、錫を主とし少なくとも亜鉛を含有さ
せる鉛非含有の半田材であって、錫および少なくとも亜
鉛の含有比を液相温度が２６０°Ｃ以上で固相温度と液
相温度との温度差が６５°Ｃ以上となる割合とする鉛非
含有の半田材であることを特徴とする。

【００１５】そして例えば、具体的に２０〜４０重量％
の亜鉛と、残重量％の錫を含有することを特徴とする鉛
非含有の半田材とする。

【００１６】例えば、より好ましくは、略２５重量％の
割合の亜鉛と、略７５重量％の錫とを含有する鉛非含有
の半田材とすることを特徴とする。

【００１７】又は、具体的に、２０〜４０重量％の割合
の亜鉛と、アルミニウム、銀、マグネシウム、マンガン
からなる群より選択される１〜３重量％の添加成分と、
残重量％の錫を含有する鉛非含有の半田材とすることを
特徴とする。

【００１８】他の具体的な例として、より好ましくは略
３８重量％の割合の亜鉛と、アルミニウム、銀、マグネ
シウム、マンガンからなる群より選択される略２重量％
の添加成分と、残重量％の錫を含有することを特徴とす
る鉛非含有の半田材とする。

【００１９】そして例えば、前記添加成分をアルミニウ
ムとすることを特徴とする。また例えば、更に１重量％
以下の燐を加えることを特徴とする。

【００２０】さらに、例えば、少なくとも２つの接合対
象を接合する接合方法であって、前記少なくとも２つの
接合対象の接合箇所において前記請求項１乃至請求項７
のいずれかに記載の鉛非含有の半田材を溶融させること
により前記接合対象間を接合することを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る一発明の実施
の形態例を詳細に説明する。 ＜着目点＞プリント基板との半田付けを２６０°Ｃ程度
で行う為、基板に実装される電子部品内部の素子等の接
合はこの条件で接合が外れないよう融点が２６０°Ｃ以
上の高温半田を用いる必要がある。

【００２２】ここで問題となるのは、半田性能を維持し
融点が２６０°Ｃ以上になる無害な金属元素は見つかっ
ていない点である。しかし、固相温度から最低２６０°
Ｃまでが固液共存状態となる金属合金を半田に使用すれ
ば、接合を保持することができると考えられる。

【００２３】この点に着目し、金属組成によっては、鉛
及び他の有害物質を使用することなく、液相温度以下の
固液共存状態で継手形状が変わらない状態に維持できる
可能性があり、このような金属組成を利用して固液共存
状態域を含む融点２６０°Ｃ以上の鉛非含有の高温半田
を実現することとした。

【００２４】＜実施の形態例半田完成の過程＞本実施の
形態例ではかかる条件を満たしながら鉛を含有しない金
属組成を発見するために試験を繰り返し、液相温度以下
の固液共存状態で継手形状が変わらない状態に維持でき
る金属組成を発見することとし、高温半田に応用できな
いかを確認した。

【００２５】その結果、以下に示す金属組成の半田を作
った場合、半田付けした継手は錫めっき等の表面処理を
施した金属接合に濡れ広がらず接合が維持出来ることが
確認された。

【００２６】複数種の金属を調製して加熱溶融した半田
材を種々製作し、それぞれの代表金属合金の融点温度特
性を試験した。試験の結果、以下の金属合金例を特定し
た。

【００２７】以下に示す金属合金例では、固相線温度に
達すると軟化するが、固相温度と液相温度の間の固液共
存状態では液体化しない。そして、液相線温度までは形
態はシャーベット状で濡れ性が低い状態に維持されて濡
れ広がらず、継手は形状を保持することができる。温度
が下がれば再固体化し接続に変化を生じない事が確認で
きた。

【００２８】＜錫−亜鉛金属合金＞錫−亜鉛からなる金
属合金について含有比率を変えて試験を行い、図１に示
す範囲で略良好な結果が得られた。図１は亜鉛−錫金属
合金の固相温度と液相温度特性試験結果例を示す図であ
る。

【００２９】図１に示すように、亜鉛−錫金属合金の固
相温度と液相温度特性では、成分が錫６０〜８０重量
％、亜鉛２０〜４０重量％と不可避不純物で構成される
金属合金について液化する温度が２６０°Ｃ以上である
ことが確認できた。従ってこの範囲の金属合金とするこ
とにより、２６０°Ｃ以上の液相温度（融点）とするこ
とができる。

【００３０】しかし好ましくは、２２〜４０重量％の亜
鉛と、残重量％の錫を含有することが望ましい。特に最
適特性の金属合金例として、略２５重量％の割合の亜鉛
と、略７５重量％の錫とを含有する金属合金とすれは、
より確実に２６０°Ｃ以上の液相温度（融点）とするこ
とができ、良好な性能の鉛非含有半田材となる。

【００３１】＜錫−亜鉛＋添加成分金属合金＞以上の例
は錫−亜鉛合金の例であるが、接合後の錫−亜鉛半田の
固液共存状態での濡れ広がりを低下させる添加成分を加
えることにより、より信頼性の高い半田とすることがで
きる。

【００３２】この添加成分の例としては、例えば有害で
ないもので、かつ汎用で入手可能なものとして、アルミ
ニウム、銀、マグネシウム、マンガンがある。

【００３３】なお、添加成分の例は以上の例に限定され
るものではなく、同様の効果を得ることができる添加成
分を適宜選択可能である。

【００３４】＜錫−亜鉛＋アルミニウム金属合金＞上記
の添加成分の中で、容易かつ廉価に入手可能な添加成分
の例としてアルミニウムを添加した場合の試験結果例を
図２乃至図４に示す。図２が亜鉛−錫金属合金にアルミ
ニウムを１重量％添加した場合の固相温度と液相温度特
性試験結果例を示す図、図３が亜鉛−錫金属合金にアル
ミニウムを２重量％添加した場合の固相温度と液相温度
特性試験結果例を示す図、図４が亜鉛−錫金属合金にア
ルミニウムを３重量％添加した場合の固相温度と液相温
度特性試験結果例を示す図である。

【００３５】図２乃至図４に示すように、アルミニウム
の量を増加させると液相温度が僅かに低温化する。しか
し、いずれの場合であっても融点２６０°Ｃ以上という
条件を満たすことが可能である。

【００３６】この中で、半田特性を確保した高温半田と
するためには２重量％程度の場合がより望ましい結果と
なった。 ＜実施の形態例半田の形態＞図１乃至図４に示す試験で
得られた代表金属合金の融点温度特性のデータにおい
て、固相温度と液相温度の間は固液共存状態である。固
液共存状態では金属合金が固相線温度に達すると軟化す
るが液体化はしていない。

【００３７】試験の結果、液相線温度までの形態はほぼ
シャーベット状であり、濡れ性が低く、濡れ広がらない
ことが確認できた。この結果、接合状態継手は形状を保
持する。半田部分の温度が下がれば再固体化し接続に変
化を生じない。

【００３８】＜実施の形態例半田の特性試験結果＞まず
試験に先立ち以上に説明した本実施の形態例の金属合
金の鉛非含有半田材と、前記した特許第３０２７４４
１号に記載された半田材と、従来より広く用いられて
きた１０重量％錫―９０重量％鉛の半田材とを用意す
る。

【００３９】そして、この３種類の半田材により、それ
ぞれ端子付き抵抗器の抵抗素子と錫めっきの表面処理を
施した金属端子を接続した試験試料を製作する。

【００４０】それぞれの試料に対して、プリント基板半
田付けを想定した２６０°Ｃ１０秒間の半田耐熱試験を
行う。

【００４１】試験の結果、特許第３０２７４４１号の半
田接合品は１０〜２０％の抵抗値変動が発生した。

【００４２】これに対して、本実施の形態例の鉛非含有
半田材を用いた場合（上記の範囲のいずれの混合比率の
半田であっても）と、従来の１０重量％錫−９０重量％
鉛の半田を半田材として用いた半田接合品は１％未満の
抵抗値変動が発生したに過ぎなかった。

【００４３】この様に電子部品内部の素子と電極とを本
実施の形態例の鉛非含有半田材で接続しておくと、電子
部品をプリント基板に半田付けしても部品内部接合は変
化せず、鉛を使うことなく従来の例えば１０重量％錫−
９０重量％鉛の半田材と同等の性能が得られる。

【００４４】＜他の実施の形態例＞以上に説明した鉛非
含有半田材は、あらゆる電子部品の接合に適用可能であ
り、適用対象に特定はない。また、鉛非含有半田材の用
途も電子部品に限定されるものではなく、機械部品であ
っても良く、半田付けが必要なあらゆるものの接合に適
用できるのは勿論である。

【００４５】以上説明したように本実施の形態例によれ
ば、鉛をはじめとする有害物質を含有させることなく、
２６０°Ｃを越えるまで半田付けした接合部の接合状態
を維持でき、半田付け電子部品に悪影響を与えることも
ない鉛非含有高温半田が提供できる。

【００４６】更に、以上に説明した鉛非含有半田を、接
合対象同士の接合箇所に必要量配置して溶融させ、接合
対象間を接合する接合方法に使用する場合のみでなく、
鉛非含有半田を長時間溶融状態としておき、この溶融状
態の鉛非含有半田に接合対象を浸して接合する場合にも
適用可能であることは勿論である。

【００４７】このように、鉛非含有半田を長時間溶融状
態としておき、この溶融状態の半田に接合対象を浸して
接合する場合には、上記鉛非含有半田材に１重量％以下
の燐を更に添加した鉛非含有半田材とすることが望まし
い。

【００４８】このように少量の燐を加えることにより、
燐が他元素に比べて比重が軽いため、半田槽内で溶融さ
せると表面に浮き上がり、空気を遮断する。このため、
半田が酸化しにくくなり、スラッシュの発生を抑制する
ことができ、半田の利用効率を高め、廃物を低減するこ
とが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、鉛
などの有害物質を含有しない、実装基板の半田付けの際
でも接合状態を良好に維持できる半田付けが可能な鉛非
含有の高温半田を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】亜鉛−錫金属合金の固相温度と液相温度特性試
験結果例を示す図である。

【図２】亜鉛−錫金属合金にアルミニウムを１重量％添
加した場合の固相温度と液相温度特性試験結果例を示す
図である。

【図３】亜鉛−錫金属合金にアルミニウムを２重量％添
加した場合の固相温度と液相温度特性試験結果例を示す
図である。

【図４】亜鉛−錫金属合金にアルミニウムを３重量％添
加した場合の固相温度と液相温度特性試験結果例を示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 実 長野県伊那市大字伊那3672番地 コーア株 式会社内 (72)発明者 小林 啓 長野県伊那市大字伊那3672番地 コーア株 式会社内 (72)発明者 加藤 和行 長野県伊那市大字伊那3672番地 コーア株 式会社内 (72)発明者 杉浦 正洋 愛知県名古屋市緑区鳴海町字長田75番地の １ ソルダーコート株式会社内 (72)発明者 岡部 三郎 東京都品川区南品川１−２−33 岡部技研 株式会社内 Ｆターム(参考） 5E319 AC01 BB01 GG20

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 錫を主とし少なくとも亜鉛を含有させる
   鉛非含有の半田材であって、 錫および少なくとも亜鉛の含有比を液相温度が２６０°
   Ｃ以上で固相温度と液相温度との温度差が６５°Ｃ以上
   となる割合とすることを特徴とする鉛非含有の半田材。
2. 【請求項２】 ２０〜４０重量％の亜鉛と、 残重量％の錫を含有することを特徴とする請求項１記載
   の鉛非含有の半田材。
3. 【請求項３】 略２５重量％の割合の亜鉛と、 略７５重量％の錫とを含有することを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の鉛非含有の半田材。
4. 【請求項４】 ２０〜４０重量％の割合の亜鉛と、 アルミニウム、銀、マグネシウム、マンガンからなる群
   より選択される１〜３重量％の添加成分と、 残重量％の錫を含有することを特徴とする請求項１記載
   の鉛非含有の半田材。
5. 【請求項５】 略３８重量％の割合の亜鉛と、 アルミニウム、銀、マグネシウム、マンガンからなる群
   より選択される略２重量％の添加成分と、 残重量％の錫を含有することを特徴とする請求項１記載
   の鉛非含有の半田材。
6. 【請求項６】 前記添加成分をアルミニウムとすること
   を特徴とする請求項４又は請求項５記載の鉛非含有の半
   田材。
7. 【請求項７】 更に１重量％以下の燐を加えることを特
   徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の鉛非
   含有の半田材。
8. 【請求項８】 少なくとも２つの接合対象を接合する接
   合方法であって、 前記少なくとも２つの接合対象の接合箇所において前記
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の鉛非含有の半
   田材を溶融させることにより前記接合対象間を接合する
   ことを特徴とする接合方法。