JP2014136219A - アルミニウム用はんだ及びはんだ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】塩水等の耐食性に優れ、高い信頼性を有する鉛フリー組成のはんだ接合材及び、当該鉛フリーはんだを用いたはんだ継手の提供を目的とする。
【解決手段】Ｃｕを２重量％以上、Ａｇを１．５重量％以上、残部をＳｎからなる鉛フリーはんだ合金を用いることにより、水等の耐食性に優れ、接合強度に優れた効果を有するはんだ接合及びはんだ継手を実現させたのである。
また、本発明の主成分に、更にＳｂを添加することにより、Ｃｕの含有量を低下させることが可能となる。

【選択図】
無

Description

本発明は、優れた接合信頼性を有するアルミニウム用はんだ及びはんだ継手に関する。

アルミニウムは、他の金属と比較して、高い熱伝導率を有し、熱応力の発生が少ないために、電子機器等の放熱部材に多く用いられている。
近年、アルミニウムの特性である比重の軽さや強度が着目され、モータ等の軽量化に寄与する素材として検討がなされている。

しかし、アルミニウムからなる放熱部材やアルミニウムをモータのコイル等に用いる場合、はんだを用いて接合するのが一般的であるが、十分な接合強度や信頼性が得られないという問題点が存在している。

アルミニウム用はんだとして、特許文献１にはSn-(3〜40%)Zn-(1〜10%)Ag-(0.5〜4%)Cu組成のはんだ合金が、特許文献２にはSn-(0.5〜7%)Mg-(1.5〜20%)Zn-(0.5〜15%)Ag組成のはんだ合金がそれぞれ開示されている。
また、特許文献３にはSn-(10〜15%)Zn-(0.1〜1.5%)Cu-(0.0001〜0.1%)Al-(0.0001〜0.03%)Si-(0.0001〜0.02%)Ti-(0.0001〜0.01%)B組成のはんだ合金が、特許文献４にはSn-(10%以下)Ag-(15%以下)Al組成のアルミニウム部材直接接合用はんだ合金がそれぞれ開示されている。
そして、特許文献５にはアルミニウム材同士、又はアルミニウム材と異種材との接合に関する接合方法として、Cu、Ag、In、Bi、Co、Tiの群より選択される金属元素と残部SnからなるSn系ハンダを用いた接合が開示されている。

しかしながら、特許文献１及び２は、Sn-Zn系はんだの課題である耐食性が改善されているが、塩水等の耐食性に関しては満足には至っていない。特許文献３の組成は元素数が多く管理コストが増えることやSn-Zn系はんだの耐食性の課題が残されている。特許文献４も塩水等の耐食性に関しては満足には至っていない。特許文献５は接合に際してフラックスを必要としない点に於いて魅力的ではあるが、２種の接合部を準備する必要があることなど工程が複雑であるという課題が残っており、簡単な組成で、塩水等の耐食性にも優れた高い信頼性を得るはんだ接合材が求められている。

特開昭５０−５０２５０号公報 特開昭５０−５６３４７号公報 特開２００６−１６７８００号公報 特開２００８−１４２７２９号公報 特開２０１１−１６７７１４号公報

本発明は、塩水等の耐食性に優れ、高い信頼性を有する鉛フリー組成のはんだ接合材及び、当該鉛フリーはんだを用いたはんだ継手の提供を目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｇを主成分とするはんだを用いることにより、アルミニウム材同士、又はアルミニウム材と異種金属材のはんだ接合に於いて、塩水等の耐食性に優れ、接合強度に優れた効果を有することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、Ｃｕを２重量％以上、Ａｇを１．５重量％以上、残部をＳｎからなる鉛フリーはんだ合金を用いることにより、水等の耐食性に優れ、接合強度に優れた効果を有するはんだ接合及びはんだ継手を実現させたのである。
また、本発明の主成分に、更にＳｂを添加することにより、Ｃｕの含有量を低くすることが可能となる。

本発明によれば、アルミニウム材同士、又はアルミニウム材と異種金属材の接合に於いて、耐食性、信頼性に優れたはんだ接合が可能となるため、モータや車載部品等の軽量化に広く応用が可能となる。

せん断試験試料の模式図。 せん断試験試料拡大図。 せん断試験結果。 せん断試験試料接合部（３ａ）の断面観察図写真１。 せん断試験試料接合部（３ｂ）の断面観察図写真２。

以下に、本発明について詳細に説明する。
従来、アルミニウムはその金属特性から、電子部品やモータ、車載部品等の有力な素材であることは知られているが、はんだ接合に於いて、接合強度や電解腐食（ガルバニック腐食）等の課題を克服することが困難であるため、実際には殆ど用いられていない状況であった。
特に、電子部品等に於いては、接合部に銅や銀組成が広く用いられているため、アルミニウム材を用いてはんだ接合した場合、接合部にガルバニック電池を形成して腐食が進むことが知られているため、特許文献にあるような電位差の少ない元素を含有させる等の対応を行っていた。
しかも、海水等の塩水に接触する過酷な環境下に於いては、電解腐食が驚くほどのスピードで進展し、短時間ではんだ剥離することも知られている。
そこで、過酷な環境下においても高い接合強度が持続する高信頼性のはんだ接合が求められていた。

Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇからなるはんだ組成は鉛フリーはんだ組成として知られているが、アルミニウム材の接合には適さないことも知られている。
また、出願人の発明したＳｎ、Ｃｕ、Ｎｉを主成分とする鉛フリーはんだ組成であっても、アルミニウム材の接合に於いて、海水等の塩水に接触する過酷な環境下では十分な接合信頼性を得られていない。

本発明では、先ず、鉛フリーはんだ組成に着目して、塩水が接触する環境を想定して、塩水浸漬試験に耐えうる元素の組み合わせを検討した結果、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｇを基本組成として、Ｓｂを添加することにより塩水浸漬試験に耐えうる鉛フリーはんだ組成と当該元素の配合量を特定したことが特徴である。

次に、本発明の内容を具体的に説明する。
先ず、本発明の鉛フリーはんだの基本組成は、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｇからなり、Ｃｕの含有量は２重量％以上であれば本発明の効果を有し、好ましくは３重量％以上であり、更に好ましいのは５重量％以上である。
また、Ａｇの含有量は１．５重量％以上であれば本発明の効果を有し、好ましくは３重量％以上である。
Ｓｎは、Ｃｕ及びＡｇを配合した残部であり、その他不可避不純物を含有しても本発明の効果を損なうものではない。

そして、本発明の鉛フリーはんだの基本組成であるＳｎ、Ｃｕ及びＡｇに、Ｓｂを含有させた場合の本発明の効果を有する各元素の含有量は、次のとおりである。
Ｃｕは０．７重量付近、Ａｇは３重量％付近、Ｓｂは１重量％が好ましい。

本発明のアルミニウム接合用鉛フリーはんだに、本発明の効果を損なわない範囲に於いてＮｉ等の元素を配合しても構わない。

また、本発明のアルミニウム接合用鉛フリーはんだを用いてはんだ接合したはんだ継手が、本発明の効果を有することは勿論である。

（せん断力測定試験）
〔試料〕
２５×３×１ｍｍアルミニウム材、表１に示す組成のはんだ合金、フラックスとして日本スペリア社製No.１２６１を準備した。
〔試料の製作〕
先ず、図１に示すようにアルミニウム材１の端部にフラックスを約０．０１ｇ塗布後、アルミニウム材１端部の５ｍｍに、表１に示すはんだ合金とはんだ付け温度にてはんだ付けしたものを２個準備した。
次に、上記はんだ付けしたアルミニウム材の端部を重ね、表１に記載のはんだ付け温度にて加熱し２個のアルミニウム材を接合した後、室温に冷却して、図１に示す試験試料を作製した。
〔予備試験〕
上記試料を、３％ＮａＣｌ水溶液にはんだ接合部が完全に浸漬させて、室温で１週間放置し、剥離等の状態変化を確認した。

評価は、目視により、はんだ接合部に変化のないものを○、剥離等の変化が認められるものを×として判断した。
その結果を表１に示す。

表１の予備試験結果をもとに、本発明の効果に関して詳細に説明する。
表２記載のはんだ合金組成とはんだ付け条件にて作製した試料を、３％ＮａＣｌ水溶液にはんだ接合部が完全に浸漬するようにして、室温で６０日間放置後、取り出して純粋にて洗浄、乾燥後に、島津製作所製万能試験機AG-10klSにて、引張速度１ｍｍ/分の条件にて最大せん断力を測定した。

従来からアルミニウム材のはんだ接合に用いられているＡｌｕｓｏｉ４５Ｄを比較対象として評価し、試験結果を図３に示す。
図３より、本発明のＣｕを２重量％以上、Ａｇを１．５重量％以上、残部をＳｎからなる鉛フリーはんだと、Ｃｕが０．７重量％、Ａｇが３重量％、Ｓｂが１重量％、及び残部がＳｎからなる鉛フリーはんだは、最大せん断力が１００Ｎ以上となり、塩水浸漬試験に耐え、且つ高い接合強度を示すことが確認された。
また、ＳＮ１００Ｃ５＋３Ａｇ組成での接合状態について、接合断面写真及び元素マッピング写真を図４（３ａ箇所）及び図５（３ｂ箇所）に示す。

本発明の鉛フリーはんだは、アルミニウム材同士、又はアルミニウム材と異種金属材の接合に於いても、耐食性、信頼性に優れたはんだ接合が可能となるため、モータや車載部品等の軽量化に広く応用が期待できる。

１：アルミニウム試験材
２：はんだ
３ａ：はんだ接合部上部
３ｂ：はんだ接合部下部

Claims (3)

1. Ｃｕを２重量％以上、Ａｇを１．５重量％以上、残部をＳｎからなることを特徴とするアルミニウム材接合用鉛フリーはんだ。
2. Ｃｕが０．７重量％、Ａｇが３重量％、Ｓｂが１重量％、及び残部をＳｎからなることを特徴とするアルミニウム材接合用鉛フリーはんだ。
3. 請求項１及び請求項２のアルミニウム材接合用鉛フリーはんだを用いて接合することを特徴とするはんだ継手。