JP2016019992A - 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０．７〜７．０質量％、Ａｇを２．０〜７．０質量％、残部をＳｎからなるアルミニウム材接合用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。また、前記はんだ合金に、更にＳｂを添加することにより、Ｃｕの含有量を減少させて、はんだ付け温度を低下させることも可能となるアルミニウム材接合用鉛フリーはんだ合金。【選択図】なし

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。
更に、特許文献６にはＬＥＤ部品とアルミ基板を接合したモジュールの接合に適したはんだ合金として、Ｓｎ-(１〜１０％)Ｓｂ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り、特許文献６もＬＥＤ部品との接合という用途が限定され、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汎用的な用途に使用でき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 特開２０１４−５７９７４号公報 特開２０１２−１２５７８３号公報 特願２０１３−００４３１５号

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０．７〜７．０質量％、Ａｇを２．０〜７．０質量％、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、上記成分に、更にＳｂを１．０〜２．０質量％添加することにより、Ｃｕの含有量を低くして、はんだ付け温度を低下させ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の断面観察図写真１（実施例１）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真２（実施例２）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真３（実施例３）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真４（実施例４）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真５（実施例５）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真６（実施例６）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真７（実施例７）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真８（実施例１３）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真９（比較例９）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真１０（比較例１０）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真１１（比較例１３）。 せん断試験試料接合部の断面観察図写真１２（比較例１７）。

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。
そして、出願人は特許文献７でＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉを基本組成としてＳｂを１．５重量％以上添加することでアルミニウム部材にも直接接合可能な鉛フリーはんだ合金を開示している。
更に出願人は、特許文献８に於いて、Ｃｕが２重量%以上、Ａｇを１．５重量%以上、残部がＳｎからなるアルミニウム材接合用鉛フリーはんだを既に発明しているが、出願人は、更なる鋭意検討を重ね、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇを基本組成としてＣｕ及びＡｇの特定量を組合せて配合することにより、耐腐食性に極めて優れた効果を有する鉛フリーはんだ合金を開発した。

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更に検討した結果、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｇを基本組成として、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０．７〜７．０質量％であれば本発明の効果を有し、好ましくは２．０〜６．０質量％であり、１５．０質量％以上配合しても効果は低下する。
また、Ａｇの含有量は２．０質量％〜７．０質量％であれば本発明の効果を有し、好ましくは３．０質量％〜５．０量％であり、７.０質量％を超えて配合しても効果の向上はなく、コスト面からも７．０質量％を超えた配合は好ましくない。
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、Ｃｕの配合量を減少させてはんだ付け温度を低下させることが可能となり、好ましい配合量は１．０質量％〜２．０質量％で、その範囲外では耐腐食性が低下する。

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。
特許文献７と本発明の違いは、Ｎｉを基本組成としているか否かであり、本願のＣｕ及びＡｇ配合量の組合せ範囲に於いて、Ｎｉは耐腐食性に於いて影響は認められなかった。

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。

（耐腐食性試験）
〔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。
〔試験方法〕
上記作製した試料各３個を、３％ＮａＣｌ水溶液にはんだ接合部が完全に浸漬させて、室温で６０日間放置し、腐食及び剥離の状態変化を評価した。

評価基準を、表２に示し、試験結果を表３に示す。

図３より、実施例１〜１５に示すＣｕ及びＡｇ、並びにＳｂの配合量の組合せに於いて、耐腐食性試験結果に合格し、優れていることは明らかである。
これに対して、比較例１〜２１に示すＣｕ及びＡｇ、並びにＳｂの配合量では、耐腐食性試験結果は全て不合格（×）となっており、Ｃｕ及びＡｇ、並びにＳｂの特定配合量の組合せに於いてのみ、耐腐食性が向上することがわかる。
また、Ｎｉに関しては、実施例９及び実施例１０より、本発明の効果の有する範囲に於いては、腐食性に対しての影響はないことがわかる。

（せん断力測定試験）
表１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、耐腐食試験終了後、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。その際の試料数は３、その平均値を図３に示す。図３より、比較例２２に比べ、本発明の実施例２〜実施例５及び実施例１１は、何れも最大せん断力が高いことがわかる。
なお、比較例２２は、アルミニウム材接合はんだとして市販されている鉛含有はんだ（組成：鉛８０．１質量％、銀１．９質量％、錫１８.０質量％）である。

（断面観察）
せん断力測定試験が終了した試の断面をＳＥＭにて観察した結果を図４〜図１５に示す。
本発明の実施例である図４〜図１１から、はんだ接合部の上下部（３ａ及び３ｂ）のはんだ合金ならびに接合界面には腐食等の変質は全く見られないが、比較例である図１２〜図１５のはんだ接合部の上下部（３ａ及び３ｂ）のはんだ合金ならびに接合界面には腐食によると考えられる変質がはっきりと見られる。
この断面観察の結果からも明らかなように、アルミニウム材の接合に於いて、本発明の鉛フリーはんだは、耐腐食性に極めて優れていることを示している。

また、本発明のアルミニウム材接合用鉛フリーはんだを用いて接合した電子機器た車載等に搭載の部品を始め、その他当該発明の鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部等のはんだ継手も本発明の対象である。

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 (4)

1. Ｃｕを０．７〜７．０質量％、Ａｇを２．０〜７．０質量％、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２．０〜６．０質量％、Ａｇが３．０〜７．０質量％、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. 更に、Ｓｂを１．０〜２．０質量％を請求項１記載の鉛フリーはんだに添加す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。
4. 請求項１乃至請求項３記載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。