JP2009502512A - 一種低融点無鉛はんだ合金 - Google Patents

Abstract

電子材料及び電子製造の技術領域におけるSn-Zn-Bi-In-P系無鉛はんだ合金に関し、はんだ合金の各化学成分の重量％はZn4.0〜12.0、Bi0.5〜2.5、In0.5〜5.0、P0.005〜0.02、残りはSnと不可避的な不純物である。本発明の無鉛はんだ合金の製造プロセスは、金属原料を計って溶かすこと、あるいは、溶かす炉において、大気中に原料を加熱しながら混ぜるものである。本発明で作製したはんだ合金の優れたところは、低融点であり、融点は２００℃以下である。はんだ合金の液相温度と固相温度の差は３℃以下であり、溶接点について剥離ための品質問題を避けることができる。溶接箇所の結合強度を高め、組織を均一化と微細化する。耐熱疲労特性はSn-Pb共晶合金より高い。はんだ合金の広がり率はSn-Pb共晶合金はんだと近い。はんだ合金の加工性は良くなり、ペースト、粉、ブロック、棒や線などの各種物理的形状を得ることが可能である。

Description

本発明は電子材料及び電子製造の技術領域におけるＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金、具体的には電子組立とパッケージ及び電子、電機設備、通信機材、自動車などの領域におけるろう付けはんだの使用に適した無鉛はんだに関するものである。

Ｓｎ−Ｐｂ合金は現代電子工業における主要な実装材料であり、電子部品の組立において主要な地位を占めている。Ｓｎ−Ｐｂ合金は優れた濡れ性及び溶接性、導電性、力学的性能、低コストなどの特徴を備えているが、これに対してＰｂ及びＰｂ化合物は有毒性を持ち、その使用により環境汚染、労働者の健康が損なわれると共に、環境保護法が日々厳格に整備されていくなか、鉛の使用禁止を叫ぶ声が日益しに高まっている。

各国において、鉛はんだの電子産業における使用を禁止した法令が次々に制定されている。２０００年６月、アメリカＩＰＣＬｅａｄ−ＦｒｅｅＲｏａｄｍａｐ第４版は、アメリカ企業界に２００１年より電子商品の無鉛化の推進、２００４年より全面無鉛化実施の提案を発表した。ヨーロッパでは無鉛立法を推進するにあたり、より積極的な態度がとられ、２００３年２月１３日付のＥＣ官報において《電子電機設備におけるいくつかの有害物質の使用禁止指令》を公布、ＷＥＥＥ（Waste Electrical and Electronic Equipment）とＲｏｌｌｓ（Restriction of Hazardous Substances）が正式に批准され、効力が発生したことにより、２００６年７月１日よりヨーロッパ市場において販売される電子商品は無鉛の電子商品でなければならなくなった。アジア方面では、日本政府が２００３年１月より全面的な無鉛化を推進すると共に、“無鉛”表示によりアメリカ、中国、韓国、台湾地区及びヨーロッパからの有鉛電子商品の輸入品を阻止又は制限し始めた。中国政府は２００３年３月に情報産業部が《電子情報商品生産汚染予防治療管理法》を制定し、２００６年７月１日より鉛を含んだ電子商品を禁止した。
アメリカＩＰＣＬｅａｄ−ＦｒｅｅＲｏａｄｍａｐ第４版

現在の無鉛はんだにおいて、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はその応用が比較的良好であるとして、アメリカＮＥＭＩ、イギリスＤＴＩ、Ｓｏｌｄｅｒｔｅｃなどの推薦を得ている。

Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金は、総合応用特性では比較的優れているが、濡れ性が劣り、合金の組成が粗く、分布が不均一であるという欠点がある。一番大きいな問題は融点が２２０℃であり、高いことである。このようなＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金をはんだとして使用すると、現在使われている実装生産設備を改造しなければならない。また、はんだの融点が高いため、電子部品及び実装基板により高い耐熱性が要求される。現在のものを使用すると、実装した系統の信頼性が低下になるなど品質問題が生じる。従って、生産コストも増加する。

本発明の目的は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点の１８３℃に接近できる低い融点を持ち、また、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金の溶接性よりよい、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金の代用ができるような低融点はんだ合金を製造することである。

本発明が提供しているＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、
Ｚｎ ４．０〜１２．０
Ｂｉ ０．５〜２．５
Ｉｎ ０．５〜５．０
Ｐ ０．００５〜０．０２
残りはＳｎと不可避的な不純物である。

本発明が提供しているＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金は、現有技術において公知の従来の製作方法により、ペースト、粉、ブロック、棒、球や線などの各種物理的形状を得ることが可能であり、リフローはんだ付け、ウェーブはんだ付けや手付けはんだ付けなどの多種の溶接方法により多くの需要を満足させるものである。

本発明を利用して製造した低融点Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金は、長所として、１）はんだ合金の融点が下がった。融点は普通のが２００℃以下であり、良いものは約１９５℃以下であり、あるいはもっと低いである。２）はんだ合金の固相温度と液相温度の差が３℃以下になり、はんだを使用する場合の溶接点のところで剥離しやすい欠点が避けた。３）合金の組成を均一化し、組織を微細化になり、合金の強度を強めたため、溶接箇所の結合強度はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだより１〜１．５倍に上昇され、信頼性が挙がれ、溶接箇所の熱疲労により破壊の熱循環回数はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだより３０％高くなった。４）合金はんだの広がり率はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと類似である。５）はんだ合金の加工性が向上し、耐酸化性が良好である。例えば、ペースト、粉、ブロック、棒や線などの各種物理的形状を得ることが可能である。特に粒径が１ミクロ、表面酸化膜の厚さが１０ｎｍである粉末の製造は可能である。

本発明における各添加元素の作用及び最も好ましい含有量を以下に詳細に説明する。本発明を利用して製造したＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金はＳｎ−Ｚｎ共晶合金の融点より低い融点を持ち、また、はんだの機械特性を向上になった。

本発明を利用して製造したＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金において、Ｚｎの量が少なすぎあるいは多すぎると、溶かす温度の範囲は広くなる。そのため、Ｚｎの量は４．０〜１２．０％の範囲とした。大量のＢｉあるいはＩｎを添加すると、合金の融点が低くなるが、他の問題がたくさんある。Ｂｉの添加量が多くなると、合金の硬さは大きくなり、脆化しやすくなるため、合金からの線状はんだの加工ができなくなり、また、この合金のはんだを使うと、溶接点は微小振動により割れる可能性が高くなる。従って、本発明において、Ｂｉの量は０．５〜２．５％の範囲以内に制御された。Ｉｎの購入金額は高いため、大量のＩｎを添加すると、コストが高くなるため、本発明において、Ｉｎの量は０．５〜５．０％とした。ＩｎとＢｉを同時に添加することにより、はんだ合金の液相・固相温度の差は更に低くなる。はんだ合金にＰを有利な添加元素として添加すると、合金の表面および界面の特性を変化する。Ｐは融化した合金表面に薄い膜が形成される。はんだは直接に空気と接触しないため、合金の酸化は抑制される。また、Ｐは界面にあることによって界面の特性を変化させ合金の組織構造に影響を及ぼす。Ｐの量は０．００１より少ないと、上記の効果は小さいが、Ｐの量は１％以上になると、合金の溶接性は非常に悪くなる。従って、Ｐの量は０．００５〜０．０２％とした。

単独の元素添加と比べると、Ｂｉ、ＩｎおよびＰを同時の添加することにより、三種類元素の相互作用により、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだの融点がより低くなる。合金の液相温度と固相温度の差は約３℃である。

以下は本発明の実施例であり、各実施例は、金属原料をるつぼ又は溶解なべに入れ、何回も繰り返して溶かしてから、鋳造して、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系無鉛はんだ合金になる。作製されたこのはんだ合金は現在使用されているＳｎ−Ｐｂ共晶合金の代用品になり、融点はＳｎ−Ｐｂ共晶合金に近く、溶接特性が向上になった。

無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ｚｎ：１０．０，Ｂｉ：１．０，Ｉｎ：０．５，Ｐ：０．０１５，残りはＳｎ。はんだ合金の固相温度は１９５．７℃であり、液相温度は１９７．７℃である。広がり率は違うフラックスの使用より変わり、６０．８％、９２％である。

無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ｚｎ：９．０，Ｂｉ：２．５，Ｉｎ：１．５，Ｐ：０．０１，残りはＳｎ。はんだ合金の固相温度は１９１．６℃、液相温度は１９４．７℃、広がり率は違うフラックスの使用より変わり、６７．６％、９２％である。

Claims (1)

1. はんだ合金における各化学成分の重量％が、Ｚｎが４．０〜１２．０、Ｂｉが０．５〜２．５、Ｉｎが０．５〜５．０、Ｐが０．００５〜０．０２であって、残りがＳｎである
   ことを特徴とするＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｐ系低融点無鉛はんだ合金。