JP2012121047A - 無鉛ハンダ合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラスおよびセラミックスなどの非金属を接合するのに好適であり、かつ、酸化物の生成を抑えた無鉛ハンダ合金を提供する。
【解決手段】Ｓｎ−０．１〜４．０ｗｔ％Ｚｎ−０．１〜２．０ｗｔ％Ｇｅの合金組成で無鉛ハンダ合金を作製する。
【選択図】なし
【解決手段】Ｓｎ−０．１〜４．０ｗｔ％Ｚｎ−０．１〜２．０ｗｔ％Ｇｅの合金組成で無鉛ハンダ合金を作製する。
【選択図】なし
Description
本発明は、ガラスやセラミックスなどの固形状の酸化物を接合するのに適した無鉛ハンダ合金に関し、さらに詳しく言えば、酸化物の生成を抑えた無鉛ハンダ合金に関する。
ガラスやセラミックスなどの部材をそのままの状態でＰｂ−Ｓｎ系のハンダ合金を用いて接合することは非常に困難であるため、通常は洗浄以外の前処理を必要とする。ガラスやセラミックの接合に用いられるハンダ合金としては、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｓｂ系やＰｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｓｂ系のハンダ合金にさらに微量成分を添加したものが知られている。
しかしながら、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｚｎ系やＰｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系のハンダ合金は、鉛を含有するため、接合時に生じる鉛蒸気を作業者が吸引して健康を損ねるおそれがある。また、鉛ハンダを使用した製品が廃棄後に水や土壌汚染などを引き起こすおそれもある。
そこで、最近では、各特許文献１〜６に示すように、環境問題に配慮してＳｎ−Ｚｎ系やＳｎ−Ｚｎ−Ｉｎ系などの鉛を含まない、いわゆる無鉛ハンダ合金が開発され、ほぼ主流になりつつある。しかしながら、無鉛ハンダには、次のような問題があった。
すなわち、無鉛ハンダ合金は、従来の有鉛ハンダ合金に比べて融点が高いため、有鉛ハンダ並みにハンダの融点を下げる必要がある。低融点の無鉛ハンダ合金としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系が主流であるが、最近では融点温度が２００℃以下のＳｎ−Ｚｎ系が注目されており、さらにその合金の濡れ性や接着強度を改善するために、Ｂｉ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等を添加した無鉛はんだ合金も提案されている。
しかしながら、亜鉛（Ｚｎ）を多く含むと、はんだ表面に酸化物が生成されやすくなるため好ましくない。はんだ表面で発生する酸化物は、はんだ付不良、はんだの浪費を引き起こすため、マス・ソルダリング、特に噴流式自動はんだ付機の重要な課題となっている。また、接合部の外観を損なう。
そこで、本発明は、上述した課題を解決するため、ガラスおよびセラミックスなどの非金属への接合性を損なうことなく、酸化物の生成を抑えた無鉛ハンダ合金を提供することにある。
上述した課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。請求項１に記載の発明は、Ｓｎ−０．１〜４．０ｗｔ％Ｚｎ−０．１〜２．０ｗｔ％Ｇｅの合金組成からなることを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、５．０〜３５．０ｗｔ％Ｉｎをさらに含有することを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、０．０１〜１．５ｗｔ％Ｃｒをさらに含有することを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、上記請求項１，２または３において、０．００１〜０．０５ｗｔ％Ｔｉをさらに含有することを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、上記請求項１ないし４のいずれか１項において、０．００１〜０．０５ｗｔ％Ｃｕをさらに含有することを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、上記請求項１ないし５のいずれか１項において、０．００１〜０．５ｗｔ％Ａｌをさらに含有することを特徴としている。
請求項７に記載の発明は、上記請求項１ないし６のいずれか１項において、０．００１〜０．０２ｗｔ％Ｂをさらに含有することを特徴としている。
請求項８に記載の発明は、上記請求項１ないし７のいずれか１項において、０．５〜３．５ｗｔ％Ａｇをさらに含有することを特徴としている。
請求項９に記載の発明は、上記請求項１ないし８のいずれか１項において、０．０５〜１．０ｗｔ％Ｓｂをさらに含有することを特徴としている。
請求項１に記載の発明によれば、Ｓｎ−０．１〜４．０ｗｔ％Ｚｎ−０．１〜２．０ｗｔ％Ｇｅの合金組成としたことにより、亜鉛の含有量を抑えて酸化物の生成を抑えることができ、耐熱疲労性、耐水性、耐候性等が大きく、また、接合強度の高いガラスおよびセラミックを接合する無鉛はんだ合金が得られる。
請求項２に記載の発明によれば、５．０〜３５．０ｗｔ％Ｉｎをさらに含有することにより、無鉛ハンダ合金の熔融温度を低くでき、かつ、ハンダとしての使用温度範囲を広くすることができる。
請求項３に記載の発明によれば、０.０１~１.５ｗｔ％Ｃｒをさらに含有することにより、はんだ接合の強度を増すことできる。
請求項４に記載の発明によれば、０．００１〜０．１ｗｔ％Ｔｉをさらに含有することにより、無鉛はんだの熔融状態で酸化が進むのを防ぐことができる。またはんだ合金の靭性及び耐食性を増すことができる。
請求項５に記載の発明によれば、０．００１〜０．１ｗｔ％Ｃｕをさらに含有することにより、液相温度を高くすることができる。またはんだ合金の導電率を高めることができる。
請求項６に記載の発明によれば、０．００１〜０．５ｗｔ％Ａｌをさらに含有することにより、はんだ合金の作成時に原料元素金属あるいは化合物から熔融する際、組成中の元素の分布を均一化を促進することができる。
請求項７に記載の発明によれば、０．００１〜０．０２ｗｔ％Ｂをさらに含有することにより、はんだ合金の耐食性を増す。
請求項８に記載の発明によれば、０．５〜３．５ｗｔ％Ａｇをさらに含有することにより、はんだ合金の作成時に原料元素金属あるいは化合物から熔融する際、組成中の難熔元素あるいは化合物の析出を抑制する。
請求項９に記載の発明によれば、０．０５〜１．０ｗｔ％Ｓｂをさらに含有することにより、無鉛はんだの耐候性を増すことができる。
次に、本発明の具体的な実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の無鉛はんだ合金は、錫（Ｓｎ：６２．０〜９８．０ｗｔ％）を主成分とし、亜鉛（Ｚｎ：０．１〜４．０ｗｔ％）、インジウム（Ｉｎ：５．０〜３５．０ｗｔ％）およびゲルマニウム（ＧＥ：０．１〜２．０ｗｔ％）を所定の範囲内で混合した合金組成から成る。
より好ましい態様としては、クロム（Ｃｒ）を０．０１〜１．５ｗｔ％の範囲内でさらに添加することにより、はんだ接合の強度を増すことできる。
また、チタン（Ｔｉ）を０．００１〜０．１ｗｔ％の範囲内でさらに添加することにより、無鉛はんだの熔融状態で酸化が進むのを防ぐことができる。また、はんだ合金の靭性及び耐食性を増すことができる。
さらに銅（Ｃｕ）を０．０５〜５．０ｗｔ％の範囲内で添加することにより、液相温度を調整出来る。
さらに、アルミニウム（Ａｌ）を０．００１〜０．５ｗｔ％の範囲内で添加することにより、成分の均一化を図る。
さらに、ホウ素（Ｂ）を０．００１〜０．０２ｗｔ％添加することにより、はんだ合金の耐食性を増す。
さらに、銀（Ａｇ）を０．５〜３．５ｗｔ％添加することにより、はんだ合金を作成時、原料元素金属あるいは化合物から熔融する際、組成中の難熔元素あるいは化合物の析出を抑制する。
さらに、アンチモン（Ｓｂ）を０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内で添加することにより、はんだの耐候性を増すことができる。
本発明に係るセラミック、ガラス等用はんだを作製するに当たっては各成分割合になるように混合し、大気中、真空中、不活性雰囲気中または還元性雰囲気中で溶融し合金にする。しかる後に棒、線などの形にする。
本発明のセラミック、ガラス等用はんだは、接合対象は、金属、セラミック、ガラス、酸化皮膜を有する金属等であって、これらの同一対象間の接合、異種対象間の接合も可能である。本発明のセラミックスには、狭義の金属の酸化物以外に、広義の炭素の同素体及び、炭化物も含み得る。
次に、本発明の具体的な実施例について比較例とともに説明する。まず、以下に示す方法で試料を作成した。
〔試料作製〕
各実施例１〜７および比較例１，２の各試料を所定の配合比で配合し、黒鉛るつぼあるいは鋳鉄製容器に入れて溶解したのち、直径２ｍｍの糸状に成形する。併せて、各試料の一部を取り出し、示差走査熱量分析して、固相−液相温度範囲を測定した。
各実施例１〜７および比較例１，２の各試料を所定の配合比で配合し、黒鉛るつぼあるいは鋳鉄製容器に入れて溶解したのち、直径２ｍｍの糸状に成形する。併せて、各試料の一部を取り出し、示差走査熱量分析して、固相−液相温度範囲を測定した。
〔各種物性測定〕
〔電気比抵抗の測定〕
上記糸状に形成された各試料を１ｍの長さに裁断したのち、ホイートストンブリッジ法を用いて、各試料の電気抵抗値を測定し、電気抵抗値を元に電気比抵抗を算出した。
〔電気比抵抗の測定〕
上記糸状に形成された各試料を１ｍの長さに裁断したのち、ホイートストンブリッジ法を用いて、各試料の電気抵抗値を測定し、電気抵抗値を元に電気比抵抗を算出した。
〔硬度測定〕
ビッカース硬度計を用いて、各試料のビッカース硬度を測定した。
ビッカース硬度計を用いて、各試料のビッカース硬度を測定した。
〔引張試験〕
ソーダライム系ガラス板に超音波ハンダゴテを用いて、各試料をそれぞれ接合させると同時に銅線をハンダ付けする。その接合面はφ４ｍｍの大きさである。これを引張試験機（日本電産シンポ製ＦＧＸ−１００Ｒ）を用いて銅線を一定速度で引っ張り、接合部の破壊強度を測定した。
ソーダライム系ガラス板に超音波ハンダゴテを用いて、各試料をそれぞれ接合させると同時に銅線をハンダ付けする。その接合面はφ４ｍｍの大きさである。これを引張試験機（日本電産シンポ製ＦＧＸ−１００Ｒ）を用いて銅線を一定速度で引っ張り、接合部の破壊強度を測定した。
〔煮沸テスト〕
ソーダライム系ガラス板の上に超音波はんだゴテを用いて、各試料をφ１５ｍｍの円盤状にハンダ付けして、テスト体を作製する、なお、この時点ではガラスとハンダとの接合面は鏡面となっている。このテスト体を沸騰している水に投入して、経過時間と外観変化、特にハンダとガラスの接合面の変化を観察する。
ソーダライム系ガラス板の上に超音波はんだゴテを用いて、各試料をφ１５ｍｍの円盤状にハンダ付けして、テスト体を作製する、なお、この時点ではガラスとハンダとの接合面は鏡面となっている。このテスト体を沸騰している水に投入して、経過時間と外観変化、特にハンダとガラスの接合面の変化を観察する。
評価基準は、２４時間煮沸後の外観変化を観察し、接合面に変化がなく、鏡面を維持している場合は○、円盤状のハンダの周囲が剥離によって鏡面が中心に向かって後退しかけている場合は△、円盤状のハンダの周囲が０．５ｍｍ以上鏡面が中心に向かって後退するか、あるいは中心部にスポット的に鏡面が無くなって部分が存在する場合は×として、それぞれ評価した。
以下に、その測定結果を示す。
以下に、その測定結果を示す。
《実施例１》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−０．５Ｚｎ−６．０Ｉｎ−０．５Ｇｅ
〔温度範囲：℃〕 １９０〜２１０
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４２
〔伸び：％〕 １９．８
〔硬度：Ｈｖ〕 １０．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １３．１
〔煮沸テスト結果〕 ○
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−０．５Ｚｎ−６．０Ｉｎ−０．５Ｇｅ
〔温度範囲：℃〕 １９０〜２１０
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４２
〔伸び：％〕 １９．８
〔硬度：Ｈｖ〕 １０．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １３．１
〔煮沸テスト結果〕 ○
《実施例２》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１．０Ｚｎ−０．１Ｃｒ−２０．０Ｉｎ−０．８Ｇｅ
〔温度範囲：℃〕 １４６〜１８８
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４５
〔伸び：％〕 １９．６
〔硬度：Ｈｖ〕 １０．６
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．３
〔煮沸テスト結果〕 ○
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１．０Ｚｎ−０．１Ｃｒ−２０．０Ｉｎ−０．８Ｇｅ
〔温度範囲：℃〕 １４６〜１８８
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４５
〔伸び：％〕 １９．６
〔硬度：Ｈｖ〕 １０．６
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．３
〔煮沸テスト結果〕 ○
《実施例３》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１．０Ｚｎ−６．０Ｉｎ−０．８Ｇｅ−０．５Ｃｒ−０．０７Ｃｕ−０．００８Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕 １９９〜２２１
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４１
〔伸び：％〕 １９．３
〔硬度：Ｈｖ〕 １０．４
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．５
〔煮沸テスト結果〕 ○
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１．０Ｚｎ−６．０Ｉｎ−０．８Ｇｅ−０．５Ｃｒ−０．０７Ｃｕ−０．００８Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕 １９９〜２２１
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４１
〔伸び：％〕 １９．３
〔硬度：Ｈｖ〕 １０．４
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．５
〔煮沸テスト結果〕 ○
《実施例４》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−０．６Ｚｎ−０．６Ｇｅ−６．０Ｉｎ−０．０１Ａｌ−０．００２Ｂ−０．０２Ｔｉ−０．０２Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕 １９０〜２１０
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４５
〔伸び：％〕 １５．７
〔硬度：Ｈｖ〕 １４．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．８
〔煮沸テスト結果〕 ○
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−０．６Ｚｎ−０．６Ｇｅ−６．０Ｉｎ−０．０１Ａｌ−０．００２Ｂ−０．０２Ｔｉ−０．０２Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕 １９０〜２１０
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４５
〔伸び：％〕 １５．７
〔硬度：Ｈｖ〕 １４．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．８
〔煮沸テスト結果〕 ○
《実施例５》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１．５Ｚｎ−１．５Ｇｅ−３０．０Ｉｎ−１．５Ａｇ−０．０５Ａｌ−０．０５Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕 １５５〜２０１
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４０
〔伸び：％〕 ２４．１
〔硬度：Ｈｖ〕 １８．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １０．８
〔煮沸テスト結果〕 △
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１．５Ｚｎ−１．５Ｇｅ−３０．０Ｉｎ−１．５Ａｇ−０．０５Ａｌ−０．０５Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕 １５５〜２０１
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４０
〔伸び：％〕 ２４．１
〔硬度：Ｈｖ〕 １８．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １０．８
〔煮沸テスト結果〕 △
《実施例６》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−０．６Ｚｎ−０．６Ｇｅ−６．０Ｉｎ−１０．０５Ａｌ−０．０５Ｔｉ−０．８Ａｇ−０．００２Ｂ−０．０２Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕 １９１〜２１３
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４５
〔伸び：％〕 １５．７
〔硬度：Ｈｖ〕 １４．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．８
〔伝導率：％〕 １３．４
〔煮沸テスト結果〕 ○
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−０．６Ｚｎ−０．６Ｇｅ−６．０Ｉｎ−１０．０５Ａｌ−０．０５Ｔｉ−０．８Ａｇ−０．００２Ｂ−０．０２Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕 １９１〜２１３
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４５
〔伸び：％〕 １５．７
〔硬度：Ｈｖ〕 １４．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １２．８
〔伝導率：％〕 １３．４
〔煮沸テスト結果〕 ○
《実施例７》
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−３．０Ｚｎ−０．８Ｇｅ
〔温度範囲：℃〕 １９１〜２２２
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４３
〔伸び：％〕 １８．９
〔硬度：Ｈｖ〕 １１．１
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １３．２
〔煮沸テスト結果〕 ○
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−３．０Ｚｎ−０．８Ｇｅ
〔温度範囲：℃〕 １９１〜２２２
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ４３
〔伸び：％〕 １８．９
〔硬度：Ｈｖ〕 １１．１
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １３．２
〔煮沸テスト結果〕 ○
〈比較例１〉
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−４．０Ｚｎ−５６．９Ｐｂ−１．０Ｓｂ−０．１Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕 １７０〜２２４
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ２７
〔伸び：％〕 ２４．０
〔硬度：Ｈｖ〕 １３．７
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １３．７
〔煮沸テスト結果〕 △
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−４．０Ｚｎ−５６．９Ｐｂ−１．０Ｓｂ−０．１Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕 １７０〜２２４
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ２７
〔伸び：％〕 ２４．０
〔硬度：Ｈｖ〕 １３．７
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １３．７
〔煮沸テスト結果〕 △
〈比較例２〉
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１０．０Ｚｎ
〔温度範囲：℃〕 １９９
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ３９
〔伸び：％〕 ４１
〔硬度：Ｈｖ〕 １９．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １０．８
〔煮沸テスト結果〕 △
〔合金組成：ｗｔ％〕 Ｓｎ−１０．０Ｚｎ
〔温度範囲：℃〕 １９９
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ２〕 ３９
〔伸び：％〕 ４１
〔硬度：Ｈｖ〕 １９．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕 １０．８
〔煮沸テスト結果〕 △
参考までに、各実施例１〜７および比較例１，２の仕様および評価結果を表１に示す。
以上のように、本発明の無鉛ハンダ合金によれば、亜鉛の含有量を抑えて酸化物の生成を抑えることができ、耐熱疲労性、耐水性、耐候性等が大きく、また、接合強度の高いガラスおよびセラミックを接合する無鉛はんだ合金が得られる。
Claims (9)
- Ｓｎ−０．１〜４．０ｗｔ％Ｚｎ−０．１〜２．０ｗｔ％Ｇｅの合金組成からなることを特徴とする無鉛ハンダ合金。
- ５．０〜３５．０ｗｔ％Ｉｎをさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．０１〜１．５ｗｔ％Ｃｒをさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．００１〜０．０５ｗｔ％Ｔｉをさらに含有することを特徴とする請求項１，２または３に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．００１〜０．０５ｗｔ％Ｃｕをさらに含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．００１〜０．５ｗｔ％Ａｌをさらに含有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．００１〜０．０２ｗｔ％Ｂをさらに含有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．５〜３．５ｗｔ％Ａｇをさらに含有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
- ０．０５〜１．０ｗｔ％Ｓｂをさらに含有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2891538A4 (en) * | 2012-08-31 | 2016-05-04 | Senju Metal Industry Co | ELECTRICALLY CONDUCTIVE BINDING MATERIAL |
| CN106041353A (zh) * | 2016-06-17 | 2016-10-26 | 天津大学 | 一种Sn‑Zn‑Bi系无铅焊料合金及其制备方法 |
| JP2017064781A (ja) * | 2015-10-01 | 2017-04-06 | 株式会社Ｊｏｙ・ｚｕ−ｃｏｍｐａｎｙ | 無鉛はんだ合金 |
| JP2017136629A (ja) * | 2016-02-05 | 2017-08-10 | 株式会社リソー技研 | 無鉛はんだ |
-
2010
- 2010-12-08 JP JP2010273592A patent/JP2012121047A/ja not_active Withdrawn
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