JP2017136629A - Lead-free solder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、無鉛はんだに関する。 Embodiments of the invention relate to lead-free solder.
通常、錫や鉛を主成分とするはんだ、あるいは、環境に配慮した無鉛はんだ（鉛フリーはんだ）は、易はんだ付け性金属同士を接合するものであり、ガラスやセラミックス、難はんだ付け性金属などを接合することは難しい。ガラスやセラミックスの接合に用いる無鉛はんだとしては、亜鉛を主成分とする無鉛はんだが提案されているが、その接着強度は６００ｇｆ／ｍｍ２（＝５．８８Ｎ／ｍｍ２）程度である。また、ビスマス及びガリウムを主成分とする無鉛はんだも提案されているが、その融点は低温（例えば１２０℃〜２００℃）であり、環境温度が２００℃を超えるところでは用いることができない。 Usually, solder composed mainly of tin or lead, or lead-free solder that is environmentally friendly (lead-free solder) is used to join easily solderable metals together, such as glass, ceramics, and hardly solderable metals. It is difficult to join. As a lead-free solder used for joining glass or ceramics, a lead-free solder mainly composed of zinc has been proposed, but its adhesive strength is about 600 gf / mm 2 (= 5.88 N / mm 2 ). In addition, lead-free solder mainly composed of bismuth and gallium has been proposed, but its melting point is low (for example, 120 ° C. to 200 ° C.) and cannot be used where the environmental temperature exceeds 200 ° C.
本発明が解決しようとする課題は、接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる無鉛はんだを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a lead-free solder capable of improving adhesive strength and being used in a high temperature environment.
本発明の請求項１に係る無鉛はんだは、錫と、ゲルマニウムとを含有することを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 1 of the present invention is characterized by containing tin and germanium.
本発明の請求項２に係る無鉛はんだは、請求項１に記載の無鉛はんだにおいて、ニッケルをさらに含有することを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 2 of the present invention is characterized in that the lead-free solder according to claim 1 further contains nickel.
本発明の請求項３に係る無鉛はんだは、請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 3 of the present invention is the lead-free solder according to claim 2, wherein the germanium content is 0.010 wt% or more and 0.100 wt% or less based on the weight of the solder, The nickel content is 0.030 wt% or more and 0.080 wt% or less based on the weight of the solder.
本発明の請求項４に係る無鉛はんだは、請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 4 of the present invention is the lead-free solder according to claim 2, wherein the germanium content is 0.005 wt% or more and 0.100 wt% or less based on the weight of the solder, The nickel content is 0.050 wt% or more and 0.080 wt% or less based on the weight of the solder.
本発明の請求項５に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、亜鉛と、アンチモンとをさらに含有することを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 5 of the present invention is the lead-free solder according to any one of claims 1 to 4, further comprising zinc and antimony.
本発明の請求項６に係る無鉛はんだは、請求項５に記載の無鉛はんだにおいて、前記亜鉛の含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であり、前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 6 of the present invention is the lead-free solder according to claim 5, wherein the zinc content is 0.500% by weight with respect to the weight of the solder, and the antimony content is It is characterized by being 0.500% by weight with respect to the weight of the solder.
本発明によれば、無鉛はんだの接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the adhesion strength of lead-free solder and to use it in a high temperature environment.
本発明の実施の一形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described.
本発明の実施の一形態に係る無鉛はんだは、錫（Ｓｎ）を主成分とし、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有するはんだ組成物（はんだ合金）である。この無鉛はんだは、ガラスやセラミックス及び難はんだ付け性金属において、異なる材料の接合や同じ材料同士の接合に用いられる。例えば、超音波はんだ付け装置を使用し、本実施形態に係る無鉛はんだを用いて、ガラスやセラミックスに金属を接合したり、ガラス同士やセラミックス同士を接合したりすることが可能である。このとき、超音波振動によるキャビテーションが確実に発生するため、ガラスやセラミックスと金属との接合、あるいは、ガラス同士の接合やセラミックス同士の接合を行うことができる。 The lead-free solder according to one embodiment of the present invention is a solder composition (solder alloy) containing tin (Sn) as a main component and germanium (Ge). This lead-free solder is used for joining different materials or joining the same materials in glass, ceramics, and hardly solderable metals. For example, using an ultrasonic soldering apparatus, it is possible to join a metal to glass or ceramics, or join glasses or ceramics using lead-free solder according to the present embodiment. At this time, since cavitation due to ultrasonic vibration is reliably generated, it is possible to bond glass or ceramics to metal, or to bond glass or ceramics.
本実施形態に係る無鉛はんだは、ゲルマニウムを含むことから、ガラスやセラミックス、難はんだ付け性金属に固着することが可能であり、従来の亜鉛系のはんだと同等、あるいは、それ以上の接着強度を得ることができる。例えば、無鉛はんだが一度ガラスに接合されると、その無鉛はんだとガラスとの界面を溶かさなければ、無鉛はんだがガラスから剥がれることはない。さらに、本実施形態に係る無鉛はんだの融点は、例えば２００℃よりも高く、環境温度が２００℃を超えるところでも、無鉛はんだを用いることができる。このようにして、無鉛はんだの接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる。 Since the lead-free solder according to the present embodiment contains germanium, it can be fixed to glass, ceramics, and difficult-to-solder metal, and has an adhesive strength equivalent to or higher than that of conventional zinc-based solder. Can be obtained. For example, once lead-free solder is joined to glass, the lead-free solder will not peel off from the glass unless the interface between the lead-free solder and glass is melted. Furthermore, the melting point of the lead-free solder according to the present embodiment is higher than, for example, 200 ° C., and the lead-free solder can be used even when the environmental temperature exceeds 200 ° C. In this way, it is possible to improve the adhesive strength of lead-free solder and to use it in a high temperature environment.
また、本実施形態に係る無鉛はんだは、錫を主成分とするはんだであるため、無鉛はんだをガラスやセラミックス以外の金属の接合、例えば銅線や銅箔の接合にも用いることができる。さらに、無鉛はんだは鉛を含有していないため、環境や人体への悪影響を抑えることができる。加えて、無鉛はんだは、湿気に弱い亜鉛も含有していないため、無鉛はんだの耐湿性を向上させることができる。 In addition, since the lead-free solder according to the present embodiment is a solder containing tin as a main component, the lead-free solder can be used for joining metals other than glass and ceramics, for example, joining copper wires and copper foils. Furthermore, since lead-free solder does not contain lead, adverse effects on the environment and the human body can be suppressed. In addition, since the lead-free solder does not contain zinc that is sensitive to moisture, the moisture resistance of the lead-free solder can be improved.
ここで、前述の無鉛はんだの粘度を向上させるためには、錫及びゲルマニウムに加え、ニッケル（Ｎｉ）を添加することが望ましい。この場合、無鉛はんだは、錫及びゲルマニウムに加え、ニッケルを含有することになる。ニッケルは、無鉛はんだの粘度を向上させることが可能な材料である。 Here, in order to improve the viscosity of the above lead-free solder, it is desirable to add nickel (Ni) in addition to tin and germanium. In this case, the lead-free solder contains nickel in addition to tin and germanium. Nickel is a material that can improve the viscosity of lead-free solder.
さらに、錫、ゲルマニウム及びニッケルに加え、亜鉛（Ｚｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を添加するようにしても良い。この場合、無鉛はんだは、錫、ゲルマニウム及びニッケルに加え、亜鉛及びアンチモンを含有することになる。亜鉛は、超音波振動によるキャビテーションの発生効率を向上させることが可能な材料である。また、アンチモンは、湿気に弱い亜鉛の耐湿性を向上させることが可能な材料である。ただし、亜鉛含有量は非常に少なくて良く、それに応じてアンチモン含有量も少なくなる。このため、アンチモンの含有量増加によって無鉛はんだが脆くなることを抑えることができる。 Further, zinc (Zn) and antimony (Sb) may be added in addition to tin, germanium, and nickel. In this case, the lead-free solder contains zinc and antimony in addition to tin, germanium and nickel. Zinc is a material that can improve the generation efficiency of cavitation by ultrasonic vibration. Antimony is a material that can improve the moisture resistance of zinc, which is vulnerable to moisture. However, the zinc content may be very low and the antimony content will be reduced accordingly. For this reason, it can suppress that lead-free solder becomes weak by content increase of antimony.
無鉛はんだの接着強度の評価結果を下記の表１に示す。評価方法としては、超音波はんだゴテにより、錫を主成分とする無鉛はんだを種類ごとにスライドガラスに塗布する。スライドガラスに塗布された無鉛はんだに幅２ｍｍの銅線（平角線）を接合し、その銅線にフォースゲージを取り付けて垂直に引っ張る。このときのフォースゲージの数値を測定し、単位体積当たりの力を接着強度（接合強度）として記録する。この評価結果が下記の表１に示されている。 Table 1 below shows the evaluation results of the adhesive strength of the lead-free solder. As an evaluation method, a lead-free solder containing tin as a main component is applied to the slide glass for each type using an ultrasonic soldering iron. A copper wire (flat wire) with a width of 2 mm is joined to the lead-free solder applied to the slide glass, and a force gauge is attached to the copper wire and pulled vertically. The value of the force gauge at this time is measured, and the force per unit volume is recorded as the adhesive strength (bonding strength). The evaluation results are shown in Table 1 below.
この表１では、錫を主成分とする無鉛はんだにおいて、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量（ｗｔ％）やニッケル（Ｎｉ）の含有量（ｗｔ％）が変えられ、Ｇｅ及びＮｉの含有量が異なる数種の無鉛はんだごとに接着強度（ｇｆ／ｍｍ２）が示されている。なお、ｗｔ％は、無鉛はんだの総重量（はんだの重量）に対する重量割合を示す重量％である。 In Table 1, in the lead-free solder mainly composed of tin, the content of germanium (Ge) (wt%) and the content of nickel (Ni) (wt%) are changed, and the contents of Ge and Ni are different. The adhesion strength (gf / mm 2 ) is shown for several lead-free solders. In addition, wt% is weight% which shows the weight ratio with respect to the total weight of lead-free solder (weight of solder).
表１に示すように、ニッケルを含まず、ゲルマニウムを０．１００ｗｔ％含む無鉛はんだの接着強度は、６４９ｇｆ／ｍｍ２となる。これにより、亜鉛系のはんだと同等の接着強度が得られる。この無鉛はんだにニッケルが０．０５ｗｔ％添加されると、無鉛はんだの接着強度は１０２１ｇｆ／ｍｍ２となり、前述の６４９ｇｆ／ｍｍ２に比べて約５７％向上する。 As shown in Table 1, the adhesive strength of the lead-free solder containing no nickel and 0.100 wt% germanium is 649 gf / mm 2 . Thereby, adhesive strength equivalent to that of zinc-based solder can be obtained. When nickel this lead-free solder is added 0.05 wt%, the adhesive strength of the lead-free solder 1021gf / mm 2, and the improved about 57% compared to 649gf / mm 2 described above.
次に、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％であるとき、ゲルマニウム含有量が０．００１〜０．５００の範囲内で調整されると、０．０１０ｗｔ％で接着強度が１１５１ｇｆ／ｍｍ２となり、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％である場合において最大となる。 Next, when the nickel content is 0.05 wt%, when the germanium content is adjusted within the range of 0.001 to 0.500, the adhesive strength becomes 1151 gf / mm 2 at 0.010 wt%. The maximum is obtained when the content is 0.05 wt%.
また、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０１〜０．１０の範囲内で調整されると、０．０３ｗｔ％で接着強度が１２１２ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％である場合において最大となる。 Moreover, when the germanium content is 0.010 wt%, when the nickel content is adjusted within the range of 0.01 to 0.10, the adhesive strength becomes 1212 gf / mm 2 at 0.03 wt%, and the germanium content The maximum is obtained when the amount is 0.010 wt%.
また、ゲルマニウム含有量が０．００５ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０３〜０．０８の範囲内で調整されると、０．０８ｗｔ％で接着強度が１２２０ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．００５ｗｔ％である場合において最大となる。 Further, when the germanium content is 0.005 wt%, when the nickel content is adjusted within the range of 0.03 to 0.08, the adhesive strength becomes 1220 gf / mm 2 at 0.08 wt%, and the germanium content The maximum is obtained when the amount is 0.005 wt%.
また、ゲルマニウム含有量が０．１００ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０３〜０．０８の範囲内で調整されると、０．０３ｗｔ％で接着強度が１２１９ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．１００ｗｔ％である場合において最大となる。 Further, when the germanium content is 0.100 wt%, when the nickel content is adjusted within the range of 0.03 to 0.08, the adhesive strength becomes 1219 gf / mm 2 at 0.03 wt%, and the germanium content The maximum is obtained when the amount is 0.100 wt%.
このような結果を示す表１から、例えば、接着強度を１０００ｇｆ／ｍｍ２以上とするためには、ゲルマニウム含有量が０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、ニッケル含有量が０．０３重量％以上０．０８重量％以下であることが望ましい。あるいは、ゲルマニウム含有量が０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、ニッケル含有量が０．０５重量％以上０．０８重量％以下であることが望ましい。
From Table 1 showing such results, for example, in order to make the
また、前述の表１に基づいて、図１には、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％である場合のゲルマニウム含有量と接着強度との関係が示されており、図２には、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％である場合のニッケル含有量と接着強度との関係が示されている。これらの図１及び図２に示されるグラフからも、必要とする接着強度以上の接着強度を得るため、ゲルマニウムやニッケルの含有量の範囲を決定することが可能である。 Further, based on Table 1 described above, FIG. 1 shows the relationship between the germanium content and the adhesive strength when the nickel content is 0.05 wt%, and FIG. 2 shows the germanium content. The relationship between the nickel content and the adhesive strength in the case of 0.010 wt% is shown. From these graphs shown in FIG. 1 and FIG. 2, it is possible to determine the range of the content of germanium or nickel in order to obtain an adhesive strength higher than the required adhesive strength.
ここで、亜鉛及びアンチモンが同量、例えば０．５０ｗｔ％程度、前述の無鉛はんだに添加されると、亜鉛及びアンチモンが無い場合に比べ、接着強度は約１０％向上する。したがって、接着強度の向上のためには、亜鉛の含有量が０．５０ｗｔ％であり、アンチモンの含有量が０．５０ｗｔ％であることが望ましい。 Here, when zinc and antimony are added in the same amount, for example, about 0.50 wt%, to the above lead-free solder, the adhesive strength is improved by about 10% compared to the case where zinc and antimony are absent. Therefore, in order to improve the adhesive strength, it is desirable that the zinc content is 0.50 wt% and the antimony content is 0.50 wt%.
なお、接合に直接的に寄与する主材料はゲルマニウムであるが、粘性やキャビテーションの条件を最適化するため、前述のように、ニッケル、亜鉛及びアンチモンを添加することが可能である。ただし、無鉛はんだの成分は、主成分の錫とゲルマニウムのみであっても良い。 Although the main material that directly contributes to bonding is germanium, nickel, zinc, and antimony can be added as described above in order to optimize viscosity and cavitation conditions. However, the lead-free solder component may be only tin and germanium as main components.
以上、本発明は、前述の実施形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, some components may be deleted from all the components shown in the above-described embodiment. Furthermore, you may combine the component covering different embodiment suitably.
本発明の請求項１に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、錫と、ゲルマニウムと、ニッケルとを含有し、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 1 of the present invention is a lead-free solder used by an ultrasonic soldering device that generates cavitation due to ultrasonic vibration, and contains tin, germanium, and nickel, and contains germanium. The amount is 0.010 wt% or more and 0.100 wt% or less with respect to the weight of the solder, and the nickel content is 0.030 wt% or more and 0.080 wt% or less with respect to the weight of the solder. characterized in that there.
本発明の請求項２に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、錫と、ゲルマニウムと、ニッケルとを含有し、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 2 of the present invention is a lead-free solder used by an ultrasonic soldering apparatus that generates cavitation due to ultrasonic vibration, and contains tin, germanium, and nickel, and contains germanium. The amount is 0.005 wt% or more and 0.100 wt% or less with respect to the weight of the solder, and the nickel content is 0.050 wt% or more and 0.080 wt% or less with respect to the weight of the solder. characterized in that there.
本発明の請求項３に係る無鉛はんだは、請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、前記ニッケルの含有量よりも多く、はんだの重量に対して０．１００重量％であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 3 of the present invention is the lead-free solder according to claim 1 or 2, wherein the germanium content is greater than the nickel content and is less than 0. 0 relative to the weight of the solder. It is characterized by 100% by weight .
本発明の請求項４に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、亜鉛と、アンチモンとをさらに含有し、前記亜鉛の含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であり、前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 4 of the present invention is the lead-free solder according to any one of claims 1 to 3, further comprising zinc and antimony, wherein the content of zinc is The antimony content is 0.500% by weight with respect to the weight of the solder .
本発明の請求項５に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、前記超音波はんだ付け装置による、ガラス又はセラミックスと金属との接合、ガラス同士の接合、又は、セラミックス同士の接合に用いられることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 5 of the present invention is the lead-free solder according to any one of claims 1 to 4, wherein the ultrasonic soldering apparatus is used to join glass or ceramics to a metal, and to glass-to-glass. It is used for bonding of ceramics or ceramics .
本発明の請求項６に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、前記超音波はんだ付け装置によってガラス、セラミックス又は難はんだ付け性金属に固着可能に生成されていることを特徴とする。 The lead-free solder according to claim 6 of the present invention is the lead-free solder according to any one of claims 1 to 5, and can be fixed to glass, ceramics, or a difficult-to-solder metal by the ultrasonic soldering apparatus. It is characterized by being generated .
Claims (6)
前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の無鉛はんだ。 The germanium content is 0.010 wt% or more and 0.100 wt% or less based on the weight of the solder,
The lead-free solder according to claim 2, wherein the nickel content is 0.030 wt% or more and 0.080 wt% or less with respect to the weight of the solder.
前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の無鉛はんだ。 The germanium content is 0.005 wt% or more and 0.100 wt% or less based on the weight of the solder,
The lead-free solder according to claim 2, wherein the nickel content is 0.050 wt% or more and 0.080 wt% or less with respect to the weight of the solder.
前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする請求項５に記載の無鉛はんだ。 The zinc content is 0.500% by weight based on the weight of the solder,
The lead-free solder according to claim 5, wherein the content of the antimony is 0.500% by weight with respect to the weight of the solder.
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