JP2013081995A - Znを主成分とするPbフリーはんだ合金 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 Znを主成分とするPbフリーはんだ合金であって、Alを1.0質量%以上9.0質量%以下含有し、Geを0.001質量%以上0.050質量%未満含有し、Mgは4.0質量%を超えて含有しておらず、Agは4.0質量%を超えて含有しておらず、Pは0.500質量%を超えて含有しておらず、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きZnから成る。このPbフリーはんだ合金は、更にMg及びAgのうちの少なくとも一方を、Mgの場合は0.01質量%以上、Agの場合は0.1質量%以上含有してもよい。
【選択図】 なし
Description
Alは本発明のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金において重要な役割を果たす必須元素であり、その含有量は、1.0質量%以上9.0質量%以下である。Alの含有量が1.0質量%未満では、他の元素を添加したとしても融点の低下が不十分となるため、接合性が低下してしまう。一方、Alの含有量が9.0質量%を超えると、Zn−Al合金の液相線温度が高くなりすぎ、電子部品等の実際の接合温度では十分に溶融せず、ボイド率が高くなりすぎたり接合部の合金化が不十分となったりするため、実用に耐えうる接合ができなくなる。
Geは本発明のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金において、濡れ性に加え、加工性や応力緩和性を向上させるために重要な役割を果たす必須元素である。GeはZnやAlに比べて融点が高く(Znの融点:419℃、Alの融点:660℃、Geの融点:938℃)、本発明のはんだ合金が溶融後、冷却過程で固化する際、この融点の高いGeがまず析出し、これが核となって結晶が形成されるため、はんだ合金が微結晶化する。
Pは本発明のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金の諸特性を目的に合わせて調整する際に適宜添加される元素であり、その効果は濡れ性の向上にある。Pが濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。Pは還元性が強く、自ら酸化されることによりはんだ合金表面の酸化を抑制する。特に本発明では酸化されやすいZnが主成分であり、更にZnより酸化されやすいAlが含有されているため、濡れ性が不足する場合においてPの含有による濡れ性向上の役割は大きい。
Mgは本発明のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金の諸特性を目的に合わせて調整する際に適宜添加される元素である。Mgを含有することよって得られる効果は以下のとおりである。MgはZnとの共晶合金を2つの組成で作り、それらの共晶温度は341℃と364℃である。このようにZn−Al合金よりも低い共晶温度を2点有するため、はんだ合金の融点を更に下げたい場合に添加する。
AgもMgと同様に本発明のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金の諸特性を目的に合わせて調整する際に適宜添加される元素である。Agの含有量は0.1質量%以上4.0質量%以下とするのが好ましい。Agの含有量が0.1質量%未満では、濡れ性や接合性の向上効果が得られない。逆に4.0質量%を超えると、融点が高くなりすぎるため好ましくない。
表1に示す試料1〜23の各はんだ母合金(厚さ5mmの板状インゴット)を、圧延機を用いて厚さ0.05mmまで圧延した。その際、インゴットの送り速度を調整しながら圧延していき、その後スリッター加工により25mmの幅に裁断した。このようにして各試料について長さ約120mのシート状に加工した後、得られたシート状のZn系はんだ合金を観察し、傷やクラックが全くなかった場合を「◎」、シート長さ50m当たり割れやクラックが1〜2箇所あった場合を「○」、3〜9箇所あった場合を「△」、10箇所以上ある場合を「×」とした。
上記のごとくシート状に加工した各はんだ合金を、濡れ性試験機(装置名:雰囲気制御式濡れ性試験機)を用いて評価した。即ち、濡れ性試験機のヒーター部に2重のカバーをして、ヒーター部の周囲4箇所から窒素を12リットル/分の流量で流しながら、ヒーター設定温度を各試料の融点より約10℃高い温度に設定して加熱した。設定したヒーター温度が安定した後、Cu基板(板厚:約0.70mm)をヒーター部にセッティングして25秒間加熱した。
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記した濡れ性の評価においてはんだ合金がCu基板に接合できた試料(濡れ性の評価が「◎」、「○」又は「△」の試料)を各々2個ずつ用いて行った。即ち、各試料のはんだ合金が接合されたCu基板2個のうちの1個に対しては、−40℃の冷却と+150℃の加熱を1サイクルとするヒートサイクル試験を途中確認のため300サイクルまで繰り返し、残る1個に対しては同様のヒートサイクル試験を500サイクルまで繰り返した。
Claims (3)
- Alを1.0質量%以上9.0質量%以下含有し、Geを0.001質量%以上0.050質量%未満含有し、Mgは4.0質量%を超えて含有しておらず、Agは4.0質量%を超えて含有しておらず、Pは0.500質量%を超えて含有しておらず、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きZnから成ることを特徴とするZnを主成分とするPbフリーはんだ合金。
- Mg及びAgのうちの少なくとも一方を、Mgの場合は0.01質量%以上、Agの場合は0.1質量%以上含有していることを特徴とする、請求項1に記載のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金。
- Alを3.0質量%以上7.0質量%以下含有し、Geを0.003質量%以上含有し、Agは3.0質量%を超えて含有しておらず、Pは0.300質量%を超えて含有していないことを特徴とする、請求項1又は2に記載のZnを主成分とするPbフリーはんだ合金。
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