JP2009142849A

JP2009142849A - Ｍｇ系半田合金

Info

Publication number: JP2009142849A
Application number: JP2007321889A
Authority: JP
Inventors: Koichi Miyake; 行一三宅; Atsushi Hasegawa; 淳長谷川; Hiroyuki Shimamura; 宏之島村
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】融点（液相線温度）が２８０℃以上であって、溶融開始温度（固相線温度）が３５０℃以下である、新たな高融点の無鉛半田合金を提供する。
【解決手段】Ａｌを０〜８質量％、Ｚｎを３７〜４５質量％およびＧａを０．５〜３質量％を含み、且つ、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるＭｇ系半田合金。Ｍｇ系半田合金であれば、融点（液相線温度）が２８０℃以上であって、溶融開始温度（固相線温度）が３５０℃以下であるから、Ｓｎ−９５Ｐｂに代わる高融点の無鉛半田として好ましく用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高融点半田（高温半田とも称される）に分類される無鉛半田合金に関する
。

プリント配線基板に素子を載せて半田付けする際、基板全体温度は約２６０℃まで上昇し、電子部品内部も同様の温度に上昇するため、電子部品内部の接続に用いる半田には、２６０℃前後の温度域でも融けない高融点半田が必要になる。このように共晶半田の半田付けの際に融かされると困る部分や、高温の環境に置かれたり、電気的あるいは熱的原因によって温度が上昇したりする部分の半田付けには、高温に耐えられる高融点半田が使用されている。

この種の高融点半田としては、従来からＳｎ−９５Ｐｂ（融点３００℃）が知られているが、環境問題などから、高融点半田に関しても、通常の半田同様に鉛を含まない無鉛半田の開発が望まれている。

従来開示されている高融点の無鉛半田としては、特許文献１において、Ａｌを１〜７重量％、Ｍｇを０．５〜６重量％、およびＧａを０．１〜２０重量％含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ系半田合金が開示されている。

また、特許文献２には、Ａｌを１〜７質量％、Ｍｇを０．５〜６質量％、Ｇａを０．１〜２０質量％、およびＶを０．００１〜１．０質量％含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＺｎ系半田合金が開示されている。

特開平１１−１７２３５２号公報特開２００６−３２０９１２号公報

高融点半田といえども、融点が高過ぎると、高融点半田自身の半田付けが困難になるため、高融点半田の融点は２８０℃以上であって、それ程高くない温度、具体的には３５０℃以下で溶融開始するものが好ましい。

ところが、特許文献１及び特許文献２に開示されている高融点半田は、Ｚｎ−Ａｌ系共晶組成（３８０℃）をベースとしているため、融点及び溶融開始温度が高過ぎるという課題を抱えていた。

そこで本発明は、融点（液相線温度）が２８０℃以上であって、溶融開始温度（固相線温度）が３５０℃以下である、新たな高融点の無鉛半田合金を提供せんとするものである
。

本発明は、Ａｌを０〜８質量％、Ｚｎを３７〜４５質量％およびＧａを０．５〜３質量％を含み、且つ、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるＭｇ系半田合金を提案する。

本発明のＭｇ系半田合金であれば、融点（液相線温度）が２８０℃以上であって、溶融開始温度（固相線温度）が３５０℃以下であるから、Ｓｎ−９５Ｐｂに代わる高融点の無鉛半田として好ましく用いることができる。

さらに、Ａｌの含有量を４〜８質量％、Ｚｎの含有量を３７〜４５質量％に規制すれば、融点（液相線温度）を３５０℃以下にすることができ、より一層半田付けし易い半田合金として提供することができる。

また、Ｇａの含有量を１質量％以上に規制すれば、溶融開始温度（固相線温度）を３２０℃以下とすることができ、Ｇａの含有量を３質量％以下に規制すれば、Ｇａが濃化してなる化合物の析出を防止することができ、やはりより一層半田付けし易い半田合金として提供することができる。

発明を実施するための形態

以下に本発明の実施形態について詳細に述べるが、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本実施形態として説明する半田合金は、Ａｌ、ＺｎおよびＧａを含み、且つ、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるＭｇ系半田合金（以下「本Ｍｇ系半田合金」と称する。）である。

以下、合金組成が異なる本Ｍｇ系半田合金（Ａ）〜（Ｃ）について説明する。

（Ｍｇ系半田合金（Ａ））
本Ｍｇ系半田合金（Ａ）は、Ａｌを０〜８質量％、Ｚｎを３７〜４５質量％およびＧａを０．５〜３質量％を含み、且つ、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるＭｇ系半田合金である。

Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎからなる３元合金には、ｗｔ％にしてＭｇ−４Ａｌ−４３Ｚｎの組成に共晶組成（３４０℃）が存在する。本Ｍｇ系半田合金（Ａ）におけるＭｇ、Ａｌ及びＺｎの比率は、当該共晶組成付近であり、しかもＧａの添加によってさらに融点を下げることができるから、溶融開始温度を３５０℃以下とすることができる。

Ｍｇ系半田合金（Ａ）において、Ｍｇの含有量は、４７〜６３質量％であるのが好ましい。

Ｍｇ系半田合金（Ａ）において、Ｇａの含有量は０．５〜３質量％であることが重要であり、１〜３質量％であるのが好ましい。

Ｇａは、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ３元合金の融点を下げる効果を有しているが、含有量が３ｗｔ％を超えると、Ｇａが濃化した低温相を生じ、熱サイクルをかけることでＧａが表面に溶出する可能性があり、例えば半田付けでショートによる故障の原因になる可能性がある。他方、Ｇａの含有量が０．５ｗｔ％未満では融点を下げる効果を得られない可能性がある。

さらにＧａの含有量が１ｗｔ％以上であれば、融点をさらに下げることができ、しかもＧａが濃化してなる化合物の析出を抑制することができるため、好ましい。

（Ｍｇ系半田合金（Ｂ））
次に、好ましい本Ｍｇ系半田合金として、Ａｌの含有量を４〜８質量％、Ｚｎの含有量を３７〜４５質量％およびＧａを０．５〜３質量％を含み、且つ、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるＭｇ系半田合金（Ｂ）を挙げることができる。

このような組成のＭｇ系半田合金（Ｂ）であれば、融点（液相線温度）を３５０℃以下にすることができる。

このＭｇ系半田合金（Ｂ）において、Ｍｇの含有量は、４７〜５５質量％であるのが好ましい。

Ｍｇ系半田合金（Ｂ）において、Ｇａの含有量は０．５〜３質量％であることが重要であり、１〜３質量％であるのが好ましい。

Ｇａは、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ３元合金の融点を下げる効果を有しているが、含有量が３ｗｔ％を超えると、Ｇａが濃化した低温相を生じ、熱サイクルをかけることでＧａが表面に溶出する可能性があり、例えば半田付けでショートによる故障の原因になる可能性がある。他方、Ｇａの含有量が０．５ｗｔ％未満では融点を下げる効果が得られない可能性がある。

さらにＧａの含有量が１ｗｔ％以上であれば、溶融開始温度（固相線温度）を３４０℃以下に制御することができ、Ｇａが濃化してなる化合物の析出を抑制することができるため、好ましい。

（Ｍｇ系半田合金（Ｃ））
次に、さらにより好ましい本Ｍｇ系半田合金として、Ａｌ、ＺｎおよびＭｇの含有割合が４：４３：５３であり、且つＧａを１〜３質量％を含み、残部が不可避不純物からなるＭｇ系半田合金（Ｃ）を挙げることができる。この場合、前記のＡｌ、ＺｎおよびＭｇの含有割合の数値には１０％、好ましくは５％、より好ましくは３％上下にずれている場合も包含する。

Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎからなる３元合金には、前記の如くｗｔ％にしてＭｇ−４Ａｌ−４３Ｚｎで共晶組成（３４０℃）が存在する。本Ｍｇ系半田合金（Ｃ）はまさに当該共晶組成の含有比率であり、しかもＧａの添加によってさらに融点を下げることができるため好ましい。

本Ｍｇ系半田合金（Ａ）〜（Ｃ）のいずれも、比重が３．０ｇ／ｃｍ³以下であり、従来のＳｎ９５Ｐｂ（１１/ｃｍ³）に比べると非常に軽量である。よって、例えば携帯電話やコンピュータなど電子機器類、その他材料の軽量化、並びに落した際の衝撃緩和に貢献することができる。

このような比重に着目すると、本Ｍｇ系半田合金は、比重が２．８ｇ／ｃｍ³以下であるものがより一層好ましい。

（製造方法）
本Ｍｇ系半田合金は、例えば所定量のＡｌ、Ｍｇ及びＧａを混合し、例えば６フッ化硫黄などの防燃ガス雰囲気などの保護雰囲気下において６６０〜６８０℃に加熱して溶融させ、所定量のＺｎを添加してさらに溶融させ、３８０〜４５０℃にて鋳型に注湯して鋳造して本Ｍｇ系半田合金を得ることができる。そして、必要に応じてこれを線状或いはシート状に成形することにより、製品としての半田合金を得ることができる。

但し、このような製造方法に限定されるものではない。

（用語の解説）
本発明において「不可避不純物」とは、最終製品を得るまでの製造過程において，意図して導入しなくとも含まれてくる成分の意味であり、微量であって製品の特性に影響を及ぼさないため、存在するままにされている不純物の意味である。本Ｍｇ系半田合金において想定される不可避的不純物としては，例えば鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）等が挙げられる。

また、本明細書において「Ｘ〜Ｙ」（Ｘ、Ｙは任意の数字）と記載した場合、特にことわらない限り「Ｘ以上Ｙ以下」の意と共に、「好ましくはＸより大きい」或いは「好ましくはＹより小さい」の意も包含する。

以下、実施例に基づいて本発明について説明するが、本発明の範囲が下記実施例に限定されるものではない。

（試験１）
表１に示す組成となるように、Ａｌ、Ｍｇ及びＧａを秤量して混合し、６フッ化硫黄雰囲気において６８０℃に加熱して溶融し、Ｚｎを所定量添加して溶融し、４００℃にて鋳型に注湯して鋳造して本Ｍｇ系半田合金を得た。そして得られた合金を適当な大きさにカットして測定サンプルとした（サンプル１−１〜１０−３）。

得られた合金（測定サンプル）の固相線温度及び液相線温度を、示差走査熱量計（ＤＳＣ、１０℃／ｍｉｎ、アルゴンガス雰囲気）で測定すると共に、アルキメデス法で比重を測定し、これらの結果を表１に示した。また、組成と固相線温度及び液相線温度との関係を図１及び図２に示した。

また、測定サンプル９−１〜９−５について、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、得られたＤＳＣチャートを図３に示すと共に、断面についてＳＥＭ・ＥＤＸ分析して検討した（図４参照）。なお、表２は、測定サンプル９−３の断面についてＳＥＭ・ＥＤＸ分析した際の測定箇所（分析番号）と、測定箇所（分析番号）におけるＥＤＸ半定量値（ｗｔ％）の値とを示した表である。

表１、図１及び図２の結果より、Ａｌを０〜８質量％、Ｚｎを２９〜４５質量％およびＧａを０．５〜３質量％を含み、且つ、残部がＭｇからなるＭｇ系半田合金であれば、液相線温度（融点）が３００℃以上で、かつ固相線温度（溶融開始温度）が３５０℃以下とすることができることが分かった。さらに、Ａｌの含有量を４〜８質量％、Ｚｎの含有量を３７〜４５質量％に規制すれば、液相線温度（融点）を３５０℃以下にすることができることが分かった。

また、表１及び図３の結果より、Ｇａを０．５質量％以上添加すれば、液相線温度（融点）を低下させることができ、１質量％以上に規制すれば、溶融開始温度（固相線温度）を３２０℃以下とすることができることが判明した。また、表２及び図４は、Ｇａの含有量が５質量％となると濃化して化合物が析出した結果を示しており、この結果からすると、Ｇａの含有量が３質量％を超えるとＧａが濃化してなる化合物が析出する可能性がある。

試験１で得られた合金（測定サンプル１−１〜１０−３）について、組成毎に液相線温度を示した図である。試験１で得られた合金（測定サンプル１−１〜１０−３）について、組成毎に固相線温度を示した図である。試験１で得られた合金（測定サンプル９−１〜９−５）のＤＳＣチャートを並べて示した図である。試験２で得られた合金（測定サンプル９−３）の断面ＳＥＭ写真である。

Claims

Ａｌを０〜８質量％、Ｚｎを３７〜４５質量％およびＧａを０．５〜３質量％含み、且つ、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるＭｇ系半田合金。
Ａｌを４〜８質量％、Ｚｎを３７〜４５質量％含むことを特徴とする請求項１記載のＭｇ系半田合金。
Ｇａを１〜３質量％含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＭｇ系半田合金。