JP2007313519A

JP2007313519A - 半田付け用無鉛合金

Info

Publication number: JP2007313519A
Application number: JP2006143033A
Authority: JP
Inventors: Joo Dongu Lee; ジョー・ドングリー，; Kii Pyungu Namu; キー・ピュングナム，; Jong Tae Kang; ジョン・タエカン，
Original assignee: Heesung Material Ltd
Current assignee: LT Materials Co Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】電気（電子）製品の生産時に、部品を基板に固定させる役割を果たす半田付け用無鉛合金に関して、鉛を使用しなくても、既存の半田付けよりかなり向上された機械的特性及び半田付けの強度を得ると共に、ドロス量の減少の効果を得る。
【解決手段】銀（Ag）0.2〜2.5重量％と銅（Cu）0.1〜2.0重量％と燐（P）0.001〜0.5重量％とガリウム（Ga）0.001〜0.5重量％及び残りは錫（Sn）から組成された半田付け用無鉛合金として構成した。かかる合金の中は、鉛が含まれてないので、半田付けする時に発生するガス等による人体に及ぼす影響を最小化することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、半田付け用無鉛合金に関し、鉛を含有しない合金によって、半田付けが成されるようにして、鉛の中毒等による被害を防止するようになされた無鉛合金に関する。

一般的に半田付けは半田を溶融して金属を接合させるので、接続する金属より溶融の温度が低い金属が使用されるが、鉛の溶融温度（327℃）より低い温度から溶融される軟鉛と、溶融温度が大体的に450℃以上である硬鉛に大別される。軟鉛の成分は鉛と錫であり、その含有量によって引っ張り強度と専断強度がそれぞれ異なって示されるようになる。一方、硬鉛は粉末、バンド、ワイヤ等の形状で形成され、銅（Cu）、亜鉛（Zn）、鉛（Pb）が周主成分である黄銅鉛と銀（Ag）を添加して流動性を改善した銀鉛などがある。

特許文献１には、従来の無鉛半田の一例についての開示がある。
特開２００３−１４８２号公報

一般的に電子機器類は故障などの理由で廃棄されると焼却処理されなくて、裁断処理され、安定形の産業廃棄物として地中に埋め立てられる。ところが、最近地中に埋め立て処分される電子機器類が問題になっている。
即ち、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多量発生され、酸性状態になった大気を雨が通過することによって酸性雨が発生される。
このような酸性雨が地中に浸透し、埋め立てられた電子機器類から鉛などの有害金属を湧出させて地下水を汚染、この地下水を長期間飲むと、鉛中毒を起こす恐れがあるし、さらに、半田付けの作業時、半田の溶融から発生されるガス等に作業者がさらされると、呼吸器を通じて人体に蓄積され、鉛中毒という人体に致命的な影響を及ぼす問題点がある。

現在まで、開発された鉛なし（Lead Free）の半田は、錫（Sn）を主成分でCu、Ag、Bi、Zn、Ni、Pなどの金属を添加したものである。無鉛の半田の代表組成としては、Sn−0.7重量％Cu、Sn−3.5重量％Ag、Sn−58重量％Bi、Sn−3.0重量％Ag−0.5％重量％Cuの合金外に、用途に応じて、添加金属元素をもっと組み合わせて使用している。
これらの鉛が入っていない半田は、それぞれの合金ごとに問題点を抱えている。

例えば、Sn−9重量％ZnなどのSn−Zn系半田は、Znが非常に酸化しやすい金属であるので、厚い酸化膜を形成しやすく、大気中の半田付けにおいては、濡れ性が悪い。さらに、Sn−58重量％BiなどのSn−Bi系半田はBiの特性に因り機械的な強度が弱いし、半田の接合部の信頼性の低下の恐れがある。

現在、無鉛半田で、一番実用的に思われているものは、Sn−0.7重量％CuなどのSn−Cu系、Sn−3.5重量％AgなどのSn−Ag系及びSn−Ag系半田にCuを添加したSn−Ag−Cu系半田である。しかし、Sn−0.7重量％CuのようなSn−Cu系はコスト面で安価であるが、半田付け時の濡れ性が乏しい。一方、Sn−3.5重量％AgのようなSn−Ag系及びSn−Ag系半田にCuを少量添加したSn−Ag−Cu系は濡れ性が良いが、高価であるAgを含有しているので、コストが高くなり、コストダウンのため、Agの含有量を少なくすると濡れ性と半田の合金強度が劣ってくる。また、既存のSn-37Pb合金の有鉛Solderに比べると融点が50〜100℃程度高まって接合設備及び工程上、変更しなければならないし、既存PCB使用時に耐熱限界を再検討する必要がある。

本発明はこのような従来の問題点を解決することを目的とする。

本発明は、半田の成分中鉛を含めていなくても半田付けが成されるようにして、鉛により人体が被る被害を予防することを特徴にする。無鉛合金は、添加された微量元素及び含有量によって、固有の特性が大きく異なるような傾向を示す。
従って、本発明は錫（Sn）を基本物質として、ここに作業性と硬度を改善して機械的な特性を増加させて、無鉛半田の製造時に発生するドロス（Dross）量を最小化するため、付加金属で銀（Ag）、銅（Cu）、燐（P）、ガリウム（Ga）を添加して組成されるものを特徴にする。

本発明の無鉛合金は従来のSn-Pb系の半田に比して鉛が含有されていないので、作業の環境を改善させるのは勿論、環境汚染を防止するようになる。
ガリウムの追加によって融点の低下及び無鉛合金の機械的の特性を増加させて酸化防止の効果を得ることができる。また、燐を添加することによって、鎔湯時酸素と接触される上層に皮膜を形成して添加元素の酸化を抑えるので、半田時発生されるドロス（Dross）量を最小化することができるし、銀を追加することによって、無鉛合金と母材合金との接合強度を上昇するようにして、濡れ性の向上の効果を得ることができる。また、銅を追加することによって、合金の組織を微細化して接合の強度を向上させると共に電子部品や印刷回路基板の浸食を抑えることができる。また、電気抵抗が低いので、電気の電波速度が高まるので、高周波の特性が向上され従来のSn-Pb系半田より熱衝撃に対する耐久性が優れる。

以下、本発明の一実施の形態を説明する。

本実施の形態においては、銀（Ag）が0.2〜2.5重量％、銅（Cu）が0.1〜2.0重量％、燐（P）が0.001〜0.5重量％、ガリウム（Ga）が0.001〜0.5重量％であって、残りは錫（Sn）に組成されたことを特徴とする半田付け用無鉛合金である。
錫（Sn）は、それ自体の毒性がないし、接合母材に対して濡れ性を提供する役割とする半田器材の必須金属である。

銀（Ag）は、濡れ性の向上効果があり、機械的な性能を向上させて、変態抑制の役割を果たす。しかし、Agの含量が増加することによって、組織は微細化され、強度は上昇し、同時におおざっぱな初晶（Primary crystal）Ag3Snが生成され、欠陥になる可能性が高まる。Ag量のAg₃Sn初晶形成に及ぶ影響を調査した結果、略3.2wt%以上の範囲で発生するということが明らかになった。機械的な強度は3.5wt%まで添加量に比例して増加して、その以上になると、実用範囲のAg量では殆ど変化がない。本例では0.2〜2.5重量％に含有される。2.5重量％を越えると濡れ性の向上及び機械的な性能向上の効果が少ないし、0.2重量％未満の場合、半田（Solder）特性の向上に効果が殆どない。
銅（Cu）はSn中に大部分固溶（Solid Solution）されないことが特徴的であって、Cu₆Sn₅微細分散に転換される。合金の組織を微細化して接合強度を向上させる共に、粘性増大を期待できるし、電子部品や印刷回路基板の浸食を抑える役割を果たすようになる。本発明では0.1〜2.0重量％で含有される。Cu含量が2.0重量％を越えると、融点が急激に上昇して、合金組成上の欠陥を招くことができるし、0.1重量％未満の場合、半田特性の向上にはあまり効果がない。

燐（P）の添加は半田の酸化防止に効果がある。無鉛半田の製造時に溶融状態で燐が上部層へ浮き上がって空気中の酸素と接触する皮膜が形成されるようにして、“かす”の量であるドロス（Dross）量を最小化することができる。本例では0.001重量％〜0.5重量％が含有される。燐の添加量が0.001重量％未満では酸化防止及び濡れ性の向上に効果がないし、0.5重量％以上では半田の粘性を増加させて半田付け時のブリッジ（Bridge）などの欠陥が発生される。

ガリウム（Ga）の添加は、融点を低下させ、作業性を改善して濡れ性の向上に効果がある。溶融半田にガリウムを添加すると、溶融半田の表面に薄く拡散するので、半田付けする時にガリウムの薄い酸化物が溶融半田の表面を覆って大気との接触を遮断して高温で溶融された無鉛半田の酸化の防止に一部効果がある。本例では、0.001〜0.5重量％が含有される。0.001重量％以下では、融点低下及び濡れ性の改善に効果が少ないし、0.5重量％以上では溶融半田の粘性が増加され、作業が困難になる。

以下、本発明の実施例を説明する。
銀が0.5重量％、銅が0.2重量％、燐が0.01重量％、ガリウムが0.01重量％、残りが錫である無鉛合金を製造した。
銀が1.0重量％、銅が0.5重量％、燐が0.05重量％、ガリウムが0.05重量％、残りが錫である無鉛合金を製造した。
銀が2.0重量％、銅が0.8重量％、燐が0.2重量％、ガリウムが0.2重量％、残りが錫である無鉛合金を製造した。
銀が2.5重量％、銅が1.0重量％、燐が0.5重量％、ガリウムが0.5重量％、残りが錫である無鉛合金を製造した。
比較例として錫が63重量％、鉛が37重量％である半田を製造した。
これらを示したのが表１である。

上記表のように本実施の形態の無鉛合金は固相温度が213〜218℃であり、液相温度が215〜225℃である。ガリウムの追加に因って半田付けの強度及びクリープ寿命が増加したし、既存の有鉛半田に比べると機械的な強度が増加したことが分かる。

このように製造された無鉛合金は一般電子部品の配線用で使える融点を有するのみならず、凝固の範囲が狭いので段階的な自動半田付けに非常に有利であって、従来のSn-Pb系と比較してほぼ類似する広がりの特性を有する。

0.001〜0.5重量％の燐（P）と0.001〜0.5重量％のガリウム（Ga）を添加することによって、鎔湯時、酸素と接触される上層に皮膜を形成して添加元素の酸化を抑えるので、半田時発生されるDross量を最小化することができる。
小型の半田付け槽から半田付け10kgを1時間の間攪拌した時のドロスの発生量を表２に示した。

本実施例の結果、従来の無鉛合金にSn、Ag、CuにPとGaを添加した時、固相線と液相線の変化はなく、ドロス量が非常に減少することが分かる。

＜電気抵抗の試し＞
直径0.8mmの線半田の1mを4端子測定法で測定した結果、Sn-Pb半田の抵抗値に近づく0.16Ωの抵抗値を得た。抵抗値が低いと電気の電波速度が高まるので、高周波の特性が向上され音響の特性も変わる。一方、Sn-Pb半田の電気抵抗は0.17Ωであった。

＜熱衝撃の試し＞
-40〜80℃で各1時間の熱衝撃を与える結果、従来のSn-Pb半田の500〜600サイクルよりさらに優秀な1200サイクル以上の耐久性を確認した。

Claims

銀（Ag）が0.2〜2.5重量％、銅（Cu）が0.1〜2.0重量％、燐（P）が0.001〜0.5重量％、ガリウム（Ga）が0.001〜0.5重量％であって、残りは錫（Sn）で組成されたことを特徴とする半田付け用無鉛合金。