JP2004082199A

JP2004082199A - 無鉛ハンダ

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Publication number: JP2004082199A
Application number: JP2002250392A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Saoyama; 佐尾山　芳仁; Tadaharu Tachibana; 橘　忠晴; Makoto Gonda; 権田　誠
Original assignee: Kuroda Techno Co Ltd
Current assignee: Kuroda Techno Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP3664308B2

Abstract

【課題】ガラスやセラミック等の無機非金属の被接合物に接合する組成に鉛を含まない無鉛ハンダを提供することを課題としている。
【解決手段】錫又は錫とインジウムの合金を主成分とし、亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加成分とし、無機非金属の被接合物に対して酸素を媒介とした化学結合によって、金属の被接合物に対して拡散結合又は酸素を媒介とした化学結合によって接合する無鉛ハンダ。
【選択図】　　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガラスやセラミック等の無機非金属からなる被接合物と金属の被接合物に直接接合することが可能な無鉛ハンダに関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）を主成分とする従来のハンダや、近年開発された一般的な無鉛ハンダ（鉛フリーハンダ）は、金属の被接合物に対してお互いの分子が拡散して結合する拡散結合によって接合が行われる。このため無機非金属であるガラスやセラミックに直接接合することは容易ではなく、ガラスやセラミック同士のハンダによる接合や金属とセラミックのハンダによる接合は容易ではなかった。
【０００３】
一方ガラスやセラミック等の無機非金属に直接接合することが可能なハンダとして、インジウム（Ｉｎ）が知られているが、インジウムがガラスやセラミックスと接触した場合、特に湿度に対して極めて不安点な性状を示し、また溶融温度が低く、さらに極めて高価な材料であるということにより、当該ハンダの一般的な使用は困難であり、特殊な用途に限られていた。
【０００４】
このためガラスやセラミック等の無機非金属に直接接合する安価であり、且つ組成として鉛を含まないハンダが望まれており、本発明はガラスやセラミック等の無機非金属と金属に直接接合する安価で、且つ鉛を含まない組成を有する無鉛ハンダ（鉛フリーハンダ）を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の無鉛ハンダは、錫を主成分とし、亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加成分としたハンダであり、無機非金属の被接合物に対して酸素を媒介とした化学結合によって接合し、且つ金属の被接合物に対して拡散結合又は酸素を媒介とした化学結合によって接合する組成に鉛を含まない第１の特徴としている。
【０００６】
第２に、亜鉛をハンダの重量に対して２．０％以上４．０％以下の重量割合で添加し、アンチモンをハンダの重量に対して０．５％以上３．０％以下の重量割合で添加し、アルミニウムをハンダの重量に対して０．０２％以上０．１％以下の重量割合で添加したことを特徴としている。
【０００７】
第３に、錫とインジウムの合金を主成分として、亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加成分としたハンダであり、無機非金属の被接合物に対して酸素を媒介とした化学結合によって接合し、且つ金属の被接合物に対して拡散結合又は酸素を媒介とした化学結合によって接合する組成に鉛を含まないことを特徴としている。
【０００８】
第４に、インジウムの重量がハンダの重量に対して５．０％以上８０％以下の重量割合であることを特徴としている。
【０００９】
第５に、亜鉛をハンダの重量に対して１．５％以上５．０％以下の重量割合で添加し、アンチモンをハンダの重量に対して１．０％以上７．５％以下の重量割合で添加し、アルミニウムをハンダの重量に対して０．０２％以上０．１％以下の重量割合で添加したことを特徴としている。
【００１０】
第６に、無機非金属の被接合物がガラス又はセラミックであることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の無鉛ハンダは、ガラスやセラミック等の無機非金属からなる被接合物に直接接合することができるハンダであり、その組成は主成分として、錫、あるいは錫とインジウムの合金を使用し、添加成分として亜鉛，アンチモン，アルミニウムを使用したものとなっている。
【００１２】
すなわち錫（主成分）に対して亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加した組成、あるいは錫とインジウムの合金（主成分）に対して亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加した組成の無鉛ハンダである。なお亜鉛は接合性を向上させるための添加物であり、アンチモンは耐候性及び耐湿度性を向上させるための添加物であり、アルミニウムはハンダ自身の急激な酸化を防止するための添加物である。これにより接合強度が高く、且つ耐候性及び耐湿度性の高い酸素を媒介とした化学結合による接合可能なハンダを形成させることができる。
【００１３】
そして超音波振動を印加する半田ごてによって、上記無鉛ハンダをガラスやセラミック等の無機非金属からなる被接合物の所定の個所に擦り付け、被接合物とハンダとの間に介在する気泡を除去し、ハンダと被接合物とを直接接触させることによって、ほぼ瞬間的にハンダが被接合物の表面と酸素を媒介とした化学結合し、被接合物（ガラスやセラミック等の無機非金属）にハンダが直接接合される。
【００１４】
また被接合物が金属の場合は溶融した本酸素を媒介とした化学結合による接合可能な無鉛ハンダの分子と金属の分子とがお互いに拡散して拡散結合し、同一組成として接合される。ただし難ハンダ付け性の金属の場合は、当該金属の表面が酸化物である場合においては、無機非金属と同様に酸素を媒介とした化学結合によって直接接合される。
【００１５】
これによりガラスやセラミック同士の接合や、ガラスやセラミックと金属との接合等を容易に行うことができ、例えばアモルファスタイプの太陽電池のガラス上のＩＴＯにリード線を接合することによって、太陽電池のリードを容易に取り出すことや、モニターディスプレイの帯電防止膜や電磁波防止膜の接地を目的とした電極部の形成等が容易に可能となる。
【００１６】
さらに高価なインジウムを含まない、あるいはインジウムの量が少ないため、当該無鉛ハンダのコストは低く、また組成に鉛を含まないため、環境に対する悪影響が少ない。
【００１７】
なお被接合物が酸化物である場合は、被接合物の表面とハンダとは、酸素を媒介とした化学結合により接合が成立するため、ガラスやセラミックだけでなく、プラスティックフィルムにコーティングされた酸化物の皮膜や、前述のように難ハンダ付け性金属等、本発明のハンダと酸素を媒介とした化学結合が可能な材料であればいかなる材料であっても接合（ハンダ付け）することができる。
【００１８】
また被接合物中に酸化物がわずかでも含まれていれば接合が可能であるため、酸化物が完全に０％の非酸化セラミック等を除き、一般的に酸化物の量が少なく非酸化物と称されている材料の接合も可能である。ただし上記のように、酸化物との結合は酸素を媒介とした化学結合によるため、同一組成での接合は行われない。
【００１９】
また錫とインジウムを主成分とする上記無鉛ハンダにおいてはインジウムの配合割合を変更することによって、錫を主成分とする上記無鉛ハンダにおいてはインジウムを添加することによって、ハンダ自体の溶融温度を調節することができる。
【００２０】
これはインジウムが溶融温度の低い金属であるため、インジウムの溶融温度に依存させてハンダ自体の溶融温度を変化させることができるためである。特に錫とインジウムを主成分とするハンダの場合、インジウムの配合量をハンダ全体の重量に対して５．０〜８０Ｗｔ％の重量割合とすることによって、ハンダ自体の溶融温度を調節することができる。
【００２１】
なお上記ガラスやセラミックへの接合においては、通常の金属同士のハンダ付けとは異なり、活性用のフラックスは使用できない。このためアルミニウムを添加することによって、アルミニウムが上記組成の無鉛ハンダ自体の酸化を抑制し、フラックスを用いることなくハンダ付けを行うことを可能としている。
【００２２】
また錫とインジウムとビスマスの合金に対して亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加して、あるいは錫とアンチモンの合金に対して亜鉛とアルミニウムを添加して上記のように酸素を媒介とした化学結合による接合が可能な無鉛ハンダを構成しても上記同様にガラスやセラミックと直接接合することが可能となる。
【００２３】
ただし錫とインジウムとビスマスを主成分とする場合は、ビスマスが脆性材料であるため、脆いビスマスが接合に与える悪影響をインジウムにより補うためにインジウムはビスマスの２．５倍以上の重量割合を添加する必要がある。そしてハンダ全体の重量に対してアンチモンを１．０Ｗｔ％以上５．０Ｗｔ％以下，ビスマスを５．０Ｗｔ％以上２０．０Ｗｔ％以下，アルミニウムを０．０２Ｗｔ％以上０．１Ｗｔ％以下，亜鉛を０．５Ｗｔ％以上７．５Ｗｔ％以下の重量割合で添加することが望ましい。このとき亜鉛を１．０Ｗｔ％以上〜７．５Ｗｔ％以下程度添加して接合力をさらに向上させることもできる。
【００２４】
一方錫とアンチモンを主成分とする場合は、添加元素であるアンチモンが既に主成分中に含まれているため、亜鉛を１．０Ｗｔ％以上７．５Ｗｔ％以下，アルミニウムを０．０２Ｗｔ％以上０．１Ｗｔ％以下の重量割合で添加することが望ましい。なおインジウムを、０〜５．０Ｗｔ％程度添加してハンダ自体の融点を調節するようにしてもよい。
【００２５】
また従来のインジウムを主成分とするハンダに、亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加して上記のような酸素を媒介とした化学結合による接合が可能な無鉛ハンダを構成してもよい。この場合はインジウムが主成分であるため、高価ではあるが、亜鉛の添加によって接合性が向上し、アンチモンの添加により耐候性及び耐湿度性が向上し、アルミニウムの添加によってハンダ自体の急激な酸化を防止するため、湿度に対する不安点な性状等を解消することができる。
【００２６】
【実施例】
表１に強度及び耐湿性試験に使用した本発明の無鉛ハンダの組成を示し、表２に各ハンダの液相温度と固相温度を示し、表３に各ハンダの試験結果について示す。なおＷｔ％はハンダ全体の重量に対する重量割合を示す。
【００２７】
【表１】
ハンダの成分表

【００２８】
【表２】
各ハンダの液相温度及び固相温度表

【００２９】
【表３】
各ハンダの評価試験結果表

【００３０】
なお接合強度をゴバン目試験と接合強度試験により、耐湿性を煮沸試験により実験した。ただしゴバン目試験は、各ハンダをガラス上に薄く均一に塗るとともに、１ｍｍ間隔で縦横１１本の線をカミソリで入れ、形成される縦横１ｍｍのサイズの１００個のハンダの小片上にテープを貼り、テープを剥がして、剥離強度を試験するものである。このとき剥がれた小片が０個であれば◎，１個以上５個未満であれば○とした。
【００３１】
また接合強度試験は、ガラス上に約４平方ミリメートルの面積を有するポイントを形成せしめ、該ポイントに４平方ミリメートルの面積を有するリボンを各ハンダで接合し、リボンを外すための力（荷重）を強度値として計測する。このとき強度値が２．５ｋｇ以上であれば◎，２．０ｋｇ以上２．５ｋｇ未満であれば○とした。さらに外れた箇所（破壊形態）を界面又は接合面の剥がれ（層面）又はリボンのちぎれ）のいずれであるかも記録する。
【００３２】
さらに煮沸試験は、ガラス上に各ハンダを薄く塗り、水道水で５時間煮沸し、ガラスの裏面側から黙視して鏡面を保つか否かをチェックする。鏡面を保持していれば◎，縁に曇りが発生している場合は○とした。
【００３３】
錫を主成分とするハンダの場合、亜鉛を２．０Ｗｔ％以上４．０Ｗｔ％以下，アンチモンを０．５Ｗｔ％以上３．０Ｗｔ％以下，アルミニウムを０．０２Ｗｔ％以上０．１Ｗｔ％以下の重量割合で添加することが望ましく、特にＮＯ．１の組成のように、亜鉛を３．５０Ｗｔ％，アンチモンを１．２５Ｗｔ％，アルミニウムを０．０５Ｗｔ％添加することによって、実用上十分な強度と耐湿性を得ることができた。
【００３４】
なおインジウムは前述のように溶融温度が低いため、インジウムの添加量によってハンダ自体の溶融温度を調節するようにしてもよい。ただしインジウムは、前述のように高価であるため、必要以上に増加させることは望ましく無く、０〜５．０Ｗｔ％程度が望ましい。
【００３５】
また錫とインジウムを主成分とするハンダの場合は、アンチモンの添加量を１．０Ｗｔ％以上７．５Ｗｔ％以下として、インジウムによる耐候性の低下を抑制し、亜鉛を１．０Ｗｔ％以上５．０Ｗｔ％以下，アルミニウムを０．０２Ｗｔ％以上０．１Ｗｔ％以下の重量割合で添加することが望ましく、特にＮＯ．２の組成のように錫６２．４５Ｗｔ％とインジウム３０．００Ｗｔ％の主成分に対して、亜鉛を３．５０Ｗｔ％，アンチモンを４．００Ｗｔ％，アルミニウムを０．０５Ｗｔ％添加することによって、実用上十分な強度と耐湿性を得ることができた。
【００３６】
またＮＯ．３の組成のように錫７２．９５Ｗｔ％とインジウム２０．００Ｗｔ％の主成分に対して、亜鉛を３．５０Ｗｔ％，アンチモンを３．５０Ｗｔ％，アルミニウムを０．０５Ｗｔ％添加することによっても実用上十分な強度と耐湿性を得ることができた。なお主成分におけるインジウムの配合量は５Ｗｔ％以上８０Ｗｔ％以下が望ましい。
【００３７】
このときインジウムの重量割合が５０Ｗｔ％程度となると溶融温度が最も低くなり、５０Ｗｔ％を超えると再度溶融温度は上昇する。このため上記のようにインジウムの重量比率が５０Ｗｔ％を超えてもよいが、この場合はハンダ自体が軟性となり、ハンダ自体の強度が低下し、荷重がかかる部分への接合は不向きである。またコストも上昇するためインジウムの添加量は、用途とコストに基づき決定する必要がある。
【００３８】
なお以上に示されるハンダのいずれの場合も、亜鉛の添加量が上記重量割合の範囲を超えると接合性が悪化し、場合によっては接合が不可能となり、アンチモンの添加量が上記重量割合の範囲を下回ると耐候性（耐湿性）が低下し、湿度に対する安定性が低下し、場合によっては接合が外れ、アルミニウムの添加量が上記重量割合の範囲を上回ると、アルミニウムが接合時の酸化反応を妨げ、接合が困難となり、アルミニウムの添加量が上記重量割合の範囲を下回ると、接合時にハンダが急激に酸化し、いずれの場合も接合に悪影響を及ぼす。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように構成される本発明の無鉛ハンダは、組成に鉛が含まれていないため、環境に対する悪影響が少ないという効果の他、ガラスやセラミック等の無機非金属の被接合物や難ハンダ付け性金属とは酸素を媒介とした化学結合によって接合し、金属の被接合物とは互いの分子が拡散して結合する拡散結合によって接合するため、ガラスやセラミックや難ハンダ付け性金属同士だけでなく、ガラスやセラミックに金属を接合することもできる。
【００４０】
そして導電性を備えるため、例えばアモルファスタイプの太陽電池のガラス上のＩＴＯにリード線を接合することによって、太陽電池のリードを容易に取り出すことや、モニターディスプレイの帯電防止膜や電磁波防止膜の接地を目的とした電極部の形成等が可能となる。なお高価な金属であるインジウムの添加量が少ないため、低コストであるという利点もある。

Claims

錫を主成分とし、亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加成分としたハンダであり、無機非金属の被接合物に対して酸素を媒介とした化学結合によって接合し、且つ金属の被接合物に対して拡散結合又は酸素を媒介とした化学結合によって接合する組成に鉛を含まない無鉛ハンダ。
亜鉛をハンダの重量に対して２．０％以上４．０％以下の重量割合で添加し、アンチモンをハンダの重量に対して０．５％以上３．０％以下の重量割合で添加し、アルミニウムをハンダの重量に対して０．０２％以上０．１％以下の重量割合で添加した請求項１の無鉛ハンダ。
錫とインジウムの合金を主成分として、亜鉛とアンチモンとアルミニウムを添加成分としたハンダであり、無機非金属の被接合物に対して酸素を媒介とした化学結合によって接合し、且つ金属の被接合物に対して拡散結合又は酸素を媒介とした化学結合によって接合する組成に鉛を含まない無鉛ハンダ。
インジウムの重量がハンダの重量に対して５．０％以上８０％以下の重量割合である請求項３の無鉛ハンダ。
亜鉛をハンダの重量に対して１．５％以上５．０％以下の重量割合で添加し、アンチモンをハンダの重量に対して１．０％以上７．５％以下の重量割合で添加し、アルミニウムをハンダの重量に対して０．０２％以上０．１％以下の重量割合で添加した請求項３又は４の無鉛ハンダ。
無機非金属の被接合物がガラス又はセラミックである請求項１又は２又は３又は４又は５の無鉛ハンダ。