JP2005324257A

JP2005324257A - はんだ付け物品

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Publication number: JP2005324257A
Application number: JP2005208841A
Authority: JP
Inventors: Hidekiyo Takaoka; 英清高岡; Kunihiko Hamada; 邦彦浜田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】本発明の目的は、Ｃｕを主成分とする導体の溶食に関して従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ組成物に近い特性を有する、Ｓｎ基のいわゆるＰｂフリ−はんだ組成物を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のはんだ組成物は、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなり、Ｐｂを含有しないことを特徴とする。本名発明のはんだ付け物品は、Ｃｕを主成分とする導体と、導体に電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた本発明のはんだ組成物と、からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｐｂを含有しないはんだ組成物ならびにはんだ付け物品に関するものであり、特に絶縁樹脂で被覆された金属線の被覆剥離とはんだ付けを同時に実施する場合に好適なはんだ組成物、ならびにはんだ付け物品に関する。

従来、コイル部品等の製造工程において、巻き線コイルを形成する導体が絶縁樹脂によって被覆されているため、この絶縁樹脂で被覆された金属線の被覆剥離とはんだ付けを同時に実施している。この場合、従来のＰｂ含有率の高いＳｎ−Ｐｂ系はんだ組成物を、４００℃以上の高温で使用することが一般的に行われてきた。また近年、環境問題を配慮してＰｂを含まないＳｎ，Ｃｕを主成分とし、残部がＡｇ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｉｎ等からなるはんだ組成物、いわゆるＰｂフリ−はんだ組成物が用いられる場合もある。

しかしながら、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ組成物は、毒性を有するＰｂを含んでいるため、その使用が制限されつつある。また、従来のいわゆるＰｂフリ−はんだ組成物は、Ｓｎが主成分であることから、上述の絶縁樹脂で被覆された金属線の被覆剥離とはんだ付けの両方を同時に行うと、剥き出しになった導体のＣｕ成分がはんだ組成物に溶解する、いわゆる溶食現象が発生し、導体が断線するという問題点がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消すべくなされたもので、Ｃｕを主成分とする導体の溶食に関して従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ組成物に近い特性を有する、Ｓｎ基のいわゆるＰｂフリ−はんだ組成物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のはんだ組成物は、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなり、Ｐｂを含有しないことを特徴とする。

また、上述のはんだ組成物は、さらにＡｇ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｓｂ，ＧｅおよびＰからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有してなることを特徴とする。

また、上述のはんだ組成物は、Ａｇ０．０１〜３．５重量％，Ｓｂ０．０１〜５重量％，Ｚｎ０．０１〜９重量％，Ｉｎ０．０１〜１０重量％，Ｂｉ０．０１〜３重量％，Ｇｅ０．０１〜０．５重量％およびＰ０．０１〜０．５重量％からなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなることを特徴とする。

また、本発明のはんだ付け物品は、Ｃｕを主成分とする導体と、導体に電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた本発明のはんだ組成物と、からなることを特徴とする。

また、本発明のはんだ付け物品は、磁性体材料を主成分とするセラミック素体と、セラミック素体上に設けられた一対の端子電極と、セラミック素体に巻き付けられたＣｕを芯材とする導体と、導体の一方端部が端子電極の一方に、電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた本発明のはんだ組成物と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなり、Ｐｂを含有しないことを特徴とすることで、Ｃｕを主成分とする導体の溶食に関して従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ組成物に近い特性を有する、いわゆるＰｂフリ−はんだ組成物が得られる。

また、上述のはんだ組成物は、さらにＡｇ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｓｂ，ＧｅおよびＰからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有してなることを特徴とすることで、Ｃｕを主成分とする導体の溶食に関して従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ組成物に近い特性を有する同時に、Ａｇ成分やＳｂ成分の含有により、はんだ付き性やはんだの機械的強度が向上する効果が見込まれ、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂｉ成分の含有により、はんだの融点制御が容易になる効果が見込まれ、Ｇｅ成分やＰ成分の含有により、はんだが酸化皮膜を形成することを抑制する効果が見込まれる。

本発明のはんだ付け物品は、Ｃｕを主成分とする導体と、導体に電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた本発明のはんだ組成物と、からなることを特徴とすることで、Ｃｕを主成分とする導体がはんだ組成物によって溶食されることが抑制され、導体が断線する恐れが低減するという効果が得られる。

本発明のはんだ組成物におけるＮｉ成分の構成割合は、はんだ組成物１００重量％のうち０．０１重量％以上０．５重量％以下であることを要する。すなわち、Ｎｉ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｃｕ導体の溶食現象を低減させる本発明の効果が得られない。他方、Ｎｉ成分の構成割合が０．５重量％を上回ると、はんだ組成物の液相線温度が上昇し、同じ温度ではんだ付けした場合にブリッジ不良や外観不良が生じ、これを回避するために高い温度ではんだ付けすると、高熱による電子部品の特性不良が生じる恐れがある。

本発明のはんだ組成物におけるＣｕ成分の構成割合は、はんだ組成物１００重量％のうちＣｕ２重量％を超えて５重量％以下であることを要する。すなわち、Ｃｕ成分の構成割合が２重量％以下であると、Ｃｕ導体の溶食現象を低減させる本発明の効果が得られない。他方、Ｃｕ成分の構成割合が５重量％を上回ると、はんだ組成物の液相線温度が上昇し、同じ温度ではんだ付けした場合にブリッジ不良や外観不良が生じ、これを回避するために高い温度ではんだ付けすると、高熱による電子部品の特性不良が生じる恐れがある。

本発明のはんだ組成物は、さらにＡｇ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｓｂ，ＧｅおよびＰからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有しても構わない。Ａｇ成分やＳｂ成分の含有により、はんだ付き性やはんだの機械的強度が向上する効果が見込まれ、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂｉ成分の含有により、はんだの融点制御が容易になる効果が見込まれ、Ｇｅ成分やＰ成分の含有により、はんだが酸化皮膜を形成することを抑制する効果が見込まれる。

上述の元素の具体的な構成割合としては、はんだ組成物１００重量％のうちＡｇであれば０．０１〜３．５重量％、Ｓｂであれば０．０１〜５重量％、Ｚｎであれば０．０１〜９重量％、Ｉｎであれば０．０１〜１０重量％、Ｂｉであれば０．０１〜３重量％、Ｇｅであれば０．０１〜０．５重量％、Ｐであれば０．０１〜０．５重量％の範囲内であることが好ましい。

Ａｇ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ａｇ成分を含有することによる上述の効果、すなわち半田付き性やはんだの機械的強度が向上するという効果が得られない。他方、Ａｇ成分の構成割合が３．５重量％を上回ると、Ａｇ3Ｓｎ等の金属間化合物が肥大化することにより機械的強度の低下を招く問題や、液相線温度を上昇させる問題から、作業性の低下を招く恐れがある。

Ｓｂ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｓｂ成分を含有することによる上述の効果、すなわち、半田付き性やはんだの機械的強度が向上するという効果が得られない。他方、Ａｇ成分の構成割合が５重量％を上回ると、ＳｎＳｂ等の金属間化合物が肥大化することにより機械的強度の低下を招く問題や、液相線温度を上昇させる問題から、作業性の低下を招く恐れがある。

Ｚｎ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｚｎ成分を含有することによる上述の効果、すなわち、はんだの融点制御が容易になる効果が得られない。他方、Ｚｎ成分の構成割合が５重量％を上回ると、Ｓｎ−Ｚｎ２元低融点共晶（液相線温度１９９℃）が生成することにより、はんだ耐熱性の低下を招く恐れがある。

Ｉｎ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｉｎ成分を含有することによる上述の効果、すなわち、はんだの融点制御が容易になる効果が得られない。他方、Ｉｎ成分の構成割合が１０重量％を上回ると、Ｓｎ−Ｉｎ２元低融点共晶（液相線温度１１７℃）が生成することにより、はんだ耐熱性の低下を招く恐れがある。

Ｂｉ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｂｉ成分を含有することによる上述の効果、すなわち、はんだの融点制御が容易になる効果が得られない。他方、Ｂｉ成分の構成割合が３重量％を上回ると、Ｓｎ−Ｂｉ２元低融点共晶（液相線温度１３９℃）が生成することにより、はんだ耐熱性の低下を招く恐れがある。

Ｇｅ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｇｅ成分を含有することによる上述の効果、すなわち、はんだが酸化皮膜を形成することを抑制する効果が得られない。他方、Ｇｅ成分の構成割合が０．５重量％を上回ると、液相線温度を上昇させる問題から、作業性の低下を招く恐れがある。

Ｐ成分の構成割合が０．０１重量％を下回ると、Ｐ成分を含有することによる上述の効果、すなわち、はんだが酸化皮膜を形成することを抑制する効果が得られない。他方、Ｐ成分の構成割合が０．５重量％を上回ると、液相線温度を上昇させる問題から、作業性の低下を招く恐れがある。

なお、本発明のはんだ組成物に、上述の成分以外に不可避不純物として、例えばＰｂやＮａ等が混入していることを妨げない。

本発明によるはんだ付け物品の一つの実施形態について、図１に基づいて詳細に説明する。

はんだ付け物品１は、セラミック素体２と、端子電極３，３と、導体４と、はんだ組成物５，５と、からなる。セラミック素体２は、例えば磁性体として機能する材料を含み、例えば素体の一方主面の中央部近傍に形成部を備えた凹型形状を備えている。端子電極３，３は、例えばセラミック素体２の長さ方向の端部に形成されており、端子電極形成用の導電性ペーストが塗布され焼付けられてなる。導体４は、例えばＣｕを芯材とした金属線からなり、絶縁樹脂により被覆され、セラミック素体２の長さ方向に対して直行する方向に巻き付けられてコイル状をなしている。金属線４の端部４ａ，４ｂは、それぞれ端子電極３，３の一方に接触するように延びており、本発明のはんだ組成物５によって端部４ａ，４ｂを被覆する絶縁樹脂が溶解され、かつ端子電極３，３と端部４ａ，４ｂは電気的かつ機械的に接合されている。

本発明によるはんだ付け物品の他の実施形態について、図２に基づいて詳細に説明する。

はんだ付け物品１１は、セラミック素体１２と、端子電極１３，１３と、はんだ組成物１４，１４と、導体１５，１５と、外装樹脂１６とからなる。セラミック素体１２は、セラミックグリーンシートを焼成した円板型の焼結体からなる。端子電極１３，１３は、セラミック素体１２の両主面に形成された一対の電極膜からなる。はんだ組成物１４，１４は、端子電極１３，１３と導体１５，１５をそれぞれ電気的かつ機械的に接合するように端子電極１３，１３上に形成されている。外装樹脂１６は、セラミック素体１２と端子電極１３，１３とはんだ組成物１４，１４を覆うように形成されている。セラミック素体１２は、例えば誘電体，絶縁体，半導体，圧電体，磁性体として機能する材料を含むもの等を適宜用いることができる。なお、図１に示したセラミック素体１２の形状は円板型であるが、セラミック素体１２の形状は特に円板型に限定されることなく、端子電極１３，１３を形成するのに十分な面を備えるのであれば、例えば角板型等を適宜用いることができる。

端子電極１３，１３は、セラミック素体１２の両主面に形成された電極膜であり、例えば、無電解Ｎｉメッキにより形成される場合、メッキ浴中の還元剤成分の種類によりＮｉＰあるいはＮｉＢ合金等の層として膜形成され、Ａｇを導電成分とする厚膜電極である場合、Ａｇペーストが印刷または塗布され乾燥された後に焼付けられて膜形成される。なお、端子電極の形状ならびに大きさは、本発明の実施形態に限定されることなく、例えば、セラミック素体１２の両主面の全体に形成、あるいは任意の形状のギャップ幅を取って形成することができ、何れの場合においても本発明の効果が得られる。

また、端子電極の層数は、本発明の実施形態に限定されることなく、例えば、第１層の端子電極上にさらに第２層の端子電極を形成してもよく、また何層形成されていても構わない。

はんだ組成物１４，１４の材質、形状ならびに大きさは、本発明の実施形態に限定されることなく、例えば、端子電極１３，１３の全体に形成、あるいは端子電極１３，１３上の任意の一部分であってもよく、何れの場合であっても構わない。

導体１５，１５の材質、形状ならびに大きさは、本発明の実施形態に限定されることなく、例えば、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金等からなる金属線を芯材として、必要に応じて金属線の表面にＳｎ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｆｅ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕメッキを施した線形状の導体等を適宜用いることができるが、Ｃｕを主成分とする金属線を芯材として、絶縁樹脂によって金属線の表面が被覆された導体の場合、はんだ付け時に絶縁樹脂が溶解され、Ｃｕ芯材が剥き出しとなるためＳｎ基はんだ組成物に溶食されやすいが、本発明のはんだ組成物を用いることによりこの溶食が抑制されるため、本発明の効果が顕著となる。

また、端子電極１３，１３に接合される導体１５の数は、本発明の実施形態に限定されることなく、１つの端子電極１３に２本以上の導体１５を接合しても構わない。

外装樹脂１６は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂等が挙げられるが、特にこれらに限定されることなく、絶縁性，耐湿性，耐衝撃性，耐熱性等に優れるものであれば代表的な樹脂を適宜用いることができる。なお、外装樹脂１６は必ずしも備えている必要はなく、また何層形成されていても構わない。

なお、本発明のはんだ付け物品は、上述の実施形態に限定されることなく、Ｃｕを主成分とする導体と、導体に電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた本発明のはんだ組成物と、からなるはんだ付け物品全般に対して向けられる。

まず、表１に示す構成割合からなるはんだ組成物を準備し、それぞれ実施例１〜１４ならびに比較例１〜７のはんだ組成物とした。次いで、コンデンサとして機能する、８ｍｍφのチタン酸バリウムを主成分とするセラミック素体を準備し、このセラミック素体の両主面全体にＡｇペーストを塗布し乾燥させ焼付けて、端子電極を形成した。次いで、導体として１ｍｍφの９９．９９％軟Ｃｕ金属線を準備し、金属線の端部が上述のセラミック素体の端子電極に接した状態で、それぞれ実施例１〜１４ならびに比較例１〜７のはんだ組成物中に浸漬してはんだ付けして、それぞれ実施例１〜１４ならびに比較例１〜７のはんだ組成物を用いた試料を得た。

なお、はんだ付け条件は、４００℃，４５０℃，５００℃でそれぞれ行ない、浸漬時間は５ｓｅｃ、導体の浸漬深さは１０ｍｍ、浸漬速度は１０ｍｍ／ｓｅｃとした。また、フラックスには、ロジン２５重量％ＩＰＡ溶液を用いた。

そこで、試料１〜１４ならびに比較例１〜７のはんだ組成物を用いた試料について、４００℃，４５０℃，５００℃ではんだ付けした場合の導体のＣｕの溶食速度、４００℃ではんだ付けした場合のはんだ付き性を測定し、評価を加えた。なお、Ｃｕの溶食速度については、はんだ付け後の導体の断面をエメリー紙で面出しして、バフで鏡面研磨した後、金属顕微鏡で導体の直径を測定し、次式によって求めた。

Ｃｕの溶食速度（μｍ／ｓｅｃ）＝（１０００−残留する導体の直径（μｍ））／２／５。

また、はんだ付き性については、はんだ付け後の導体の側面部を画像処理によってはんだ付着面積を求め、浸漬面積に対するはんだの付着している面積の比を算出した。また、評価については、本発明の範囲のうち特に優れる試料については「◎」、次に優れる本発明の範囲の試料については「○」、比較例の試料のうちＣｕの溶食速度あるいははんだ付き性が劣るものについては「×」とした。

表１から明らかであるように、ならびにＳｎ９４．５重量％−Ｃｕ５重量％−Ｎｉ０．５重量％からなる実施例７のはんだ組成物を用いた試料、Ｓｎ９４．８５重量％−Ｃｕ５重量％−Ｎｉ０．１５重量％からなる実施例６のはんだ組成物を用いた試料は、はんだ付き性が９２〜９５％で十分許容できる範囲内であり、かつ５００℃ではんだ付けした場合のＣｕの溶食速度がそれぞれ１．８７μｍ／ｓｅｃ，０．５７μｍ／ｓｅｃであり、比較例として挙げたＳｎ３０重量％−Ｐｂ７０重量％からなる比較例７のはんだ組成物を用いた試料と比較して、Ｃｕの溶食速度については優れる結果が得られた。

また、実施例６および７のはんだ組成物を用いた試料を除いて、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなり、Ｐｂを含有しない実施例１〜５のはんだ組成物を用いた試料も、Ｃｕの溶食速度がＳｎ９７．５重量％−Ｃｕ２．５重量％からなる比較例１のはんだ組成物と比較すると、Ｎｉを含有する効果、すなわち、Ｃｕ導体の溶食現象を低減させる本発明の効果が得られていることが分かる。

また、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、さらにＡｇ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｓｂ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる元素と、残部Ｓｎとからなり、Ｐｂを含有しない実施例８〜１４のはんだ組成物を用いた試料も、５００℃ではんだ付けした場合におけるＣｕの溶食速度が１．４〜３．９μｍ／ｓｅｃで、はんだ付き性も９０〜１００％であり、何れも比較例１のはんだ組成物と比較して、Ｎｉを含有する効果、すなわち、Ｃｕ導体の溶食現象を低減させる本発明の効果が得られていることが分かる。

なお、実施例１１のはんだ組成物を用いた試料は、Ｃｕの溶食速度については、従来例として挙げたＳｎ３０重量％−Ｐｂ７０重量％からなる比較例７のはんだ組成物を用いた試料よりも、優れる結果が得られた。

これに対してまた、Ｃｕ成分の含有量が少なくＮｉを含有しないＳｎ９９．３重量％−Ｃｕ０．７重量％からなる比較例２のはんだ組成物を用いた試料は、５００℃ではんだ付けした場合のＣｕの溶食速度も６．０μｍ／ｓｅｃを上回り、高く劣ることが分かる。

また、Ｃｕ成分の含有量が多くＮｉを含有しないＳｎ９３重量％−Ｃｕ７重量％からなる比較例３のはんだ組成物を用いた試料は、はんだ付き性が６９％で低く劣ることが分かる。

また、Ｎｉ成分を含有せずＡｇ成分を含有するＳｎ９５．７５重量％−Ｃｕ０．７５重量％−Ａｇ３．５重量％からなる比較例４のはんだ組成物を用いた試料は、５００℃ではんだ付けした場合のＣｕの溶食速度が６．３μｍ／ｓｅｃで高く劣ることが分かる。

また、Ｃｕ成分およびＮｉ成分を含有せずＡｇ成分を含有するＳｎ９６．５重量％−Ａｇ３．５重量％からなる比較例５はんだ組成物を用いた試料は、５００℃ではんだ付けした場合のＣｕの溶食速度が８．３μｍ／ｓｅｃで高く劣ることが分かる。

また、Ｎｉ成分を含有せずＡｇ成分およびＢｉ成分を含有するＳｎ９５．５重量％−Ｃｕ０．５重量％−Ａｇ２．０重量％−Ｂｉ２．０重量％からなる比較例６はんだ組成物を用いた試料は、５００℃ではんだ付けした場合のＣｕの溶食速度が６．８μｍ／ｓｅｃで高く劣ることが分かる。

本発明に係る一つの実施形態のはんだ付け物品の斜視図である。本発明に関わる他の実施形態のはんだ付け物品の破断図である。

符号の説明

１はんだ付け物品
２セラミック素体
３端子電極
４導体
５はんだ組成物

Claims

Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなり、Ｐｂを含有しないことを特徴とする、はんだ組成物。
さらにＡｇ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｓｂ，ＧｅおよびＰからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有してなることを特徴とする、請求項１に記載のはんだ組成物。
Ａｇ０．０１〜３．５重量％，Ｓｂ０．０１〜５重量％，Ｚｎ０．０１〜９重量％，Ｉｎ０．０１〜１０重量％，Ｂｉ０．０１〜３重量％，Ｇｅ０．０１〜０．５重量％およびＰ０．０１〜０．５重量％からなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｎｉ０．０１重量％以上０．５重量％以下と、Ｃｕ２重量％を超えて５重量％以下と、残部Ｓｎとからなること特徴とする、はんだ組成物。
Ｃｕを主成分とする導体と、前記導体に電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた請求項１〜３の何れかに記載のはんだ組成物と、からなることを特徴とする、はんだ付け物品。
磁性体として機能する材料を含むセラミック素体と、
前記セラミック素体上に設けられた一対の端子電極と、
前記セラミック素体に巻き付けられたＣｕを芯材とする導体と、
前記導体の一方端部が前記端子電極の一方に、電気的かつ機械的に接合するように取り付けられた請求項１〜３の何れかに記載のはんだ組成物と、からなることを特徴とする、はんだ付け物品。