JP2017170521A - 高展延性を有する鉛フリーはんだ組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた展延性及び安定性を有する鉛フリーはんだ組成物を提供する。【解決手段】鉛フリーはんだ組成物が開示されており、0.02重量％〜６重量％のアンチモン、0.03重量％〜３重量％の銅、0.03重量％〜８重量％のビスマス、42重量％〜70重量％のインジウム、0.3 重量％〜８重量％の銀、５重量％〜11重量％のマグネシウム、0.8 重量％〜1.6 重量％のスカンジウム、0.7 重量％〜2.0 重量％のイットリウム、及び10重量％〜45重量％のスズを含んでいる。本発明の鉛フリーはんだ組成物は、120 ℃以上の固相線温度を有して、優れた展延性及び安定性を有するため、電気コネクタをガラス上の金属化面にはんだ付けするために適している。【選択図】なし

Description

本発明は、鉛フリーはんだ組成物、特に高展延性を有する鉛フリーはんだ組成物に関する。

自動車のリアウィンドウは、ガラスに設けられた電気デバイス、例えばデフロスタを典型的に含んでいる。電気デバイスへの電気接続部分を設けるために、小面積の金属被覆層をガラスに一般的に適用して、電気デバイスに電気的に接続されるように構成された金属化面を得て、その後、電気デバイスの電気コネクタを金属化面にはんだ付けすることができる。

先行技術では、電気コネクタが、ガラス上の金属化面に、鉛（Pb）を含有するはんだを用いてはんだ付けされている。しかしながら、鉛によって引き起こされる環境汚染のため、鉛の使用がますます制限されており、そこで、鉛フリーはんだがはんだ付けの用途で使用され始めている。例えば、80％を超えるような高含有量でスズ（Sn）を含有している一般的な鉛フリーはんだが一部の産業で採用されている。

特開２００１−２５８９１号公報

しかしながら、ガラスは壊れ易いため、スズを高含有量で含有している一般的な鉛フリーはんだは、電気デバイスをガラスにはんだ付けしている間にガラスにクラックを生じさせる傾向がある。更に、熱膨張係数（CTE ）が実質的に異なる２つの材料（例えばガラス及び銅）のはんだ付けは、はんだ接合箇所の冷却中、又はその後の温度の変動中にはんだに応力を与える。従って、一方では、より高い融点、ひいてはより高い処理温度がCTE の不一致による悪影響を増大させて、冷却中により高い応力をはんだに与えるので、電気デバイスをガラスにはんだ付けするために適したはんだ組成物は、はんだ付け処理中に自動車のガラスにクラックを生じさせないように十分低い融点（つまり、液相線温度）を有する必要がある。その結果、優れた展延性を有するはんだが更に必要とされる。他方では、自動車の通常の使用中、例えば車が窓を閉じて日差しの中にあるとき、又は他の極端に厳しい環境条件下にあるとき、はんだが溶けないように、はんだ組成物の融点は十分高い必要がある。

従来、64.35 重量％〜65.65 重量％のインジウム（In）、29.7重量％〜30.3重量％のスズ（Sn）、4.05重量％〜4.95重量％の銀（Ag）及び0.25重量％〜0.75重量％の銅（Cu）を含んでいる鉛フリーはんだ組成物（以下、「65インジウムはんだ（65 Indium Solder）」と称する）が、既に開示されている。

しかしながら、インジウムを含有するはんだの融点は通常、他のはんだの融点よりはるかに低い。例えば、65インジウムはんだの固相線温度は、鉛はんだの160 ℃と比較して109 ℃であり、65インジウムはんだの液相線温度は、鉛はんだの224 ℃と比較して127 ℃である。一般に、はんだのインジウム含有量が高くなるほど、はんだの固相線温度は低くなる。ある車両製造業者は、はんだ接合箇所が高温に耐え得るべきであり、従ってあるインジウム含有量のはんだが120 ℃以上の固相線温度を有すべきであり、−40℃〜120 ℃の範囲内の温度で性能を少しも低下させることなく優れた展延性を有すべきであることを求めている。

更に、接近して配置された複数の電気コネクタをはんだ付けする際に、電気コネクタのはんだ付けは隣り合ってはんだ付けされた電気コネクタに影響を及ぼすため、はんだは高い安定性及び展延性を有しなければならず、そうしなければ隣り合う電気コネクタの再融解及びクラックが生じることが多い。

従って、本発明は、0.02重量％〜６重量％のアンチモン、0.03重量％〜３重量％の銅、0.03重量％〜８重量％のビスマス、42重量％〜70重量％のインジウム、0.3 重量％〜８重量％の銀、５重量％〜11重量％のマグネシウム、0.8 重量％〜1.6 重量％のスカンジウム、0.7 重量％〜2.0 重量％のイットリウム、及び10重量％〜45重量％のスズを含んでいる鉛フリーはんだ組成物を提供する。

好ましくは、鉛フリーはんだ組成物は、1.2 重量％〜1.4 重量％のスカンジウムを含んでもよい。

好ましくは、鉛フリーはんだ組成物は、1.4 重量％〜1.8 重量％のイットリウムを含んでもよい。

鉛フリーはんだ組成物は、120 ℃〜135 ℃の範囲内の固相線温度を有してもよい。

更に、鉛フリーはんだ組成物は、130 ℃〜145 ℃の範囲内の液相線温度を有してもよい。

好ましくは、鉛フリーはんだ組成物は、３重量％〜４重量％のアンチモンを含んでもよい。

好ましくは、鉛フリーはんだ組成物は、４重量％〜５重量％のビスマスを含んでもよい。

本発明の鉛フリーはんだ組成物は、120 ℃以上の固相線温度を有して、優れた展延性及び安定性を有するため、電気コネクタをガラス上の金属化面にはんだ付けするために適している。

本開示を、ある実施形態と共に以下に詳細に更に説明する。本明細書に記載されている具体的な実施形態は、本開示を制限するものではなく、単に本開示を説明するためのものであることが理解され得る。

本開示は鉛フリーはんだ組成物を提供し、該鉛フリーはんだ組成物は、電気素子をガラスにはんだ付けするために適している。実例として、このようなはんだ付けは自動車のリアウィンドウの製造に必要であり、自動車のリアウィンドウは、リアウィンドウの内部に埋め込まれているか又はリアウィンドウの内面に成膜されている、電気抵抗性のデフロストラインから構成されたウィンドウデフロスタを有している。デフロストラインは、リアウィンドウの内面に設けられた一対の電気接触片（つまり、バスバーとも称される電気接触面）に電気的に接続されている。電気接触片は、リアウィンドウの内面に成膜された導電層から構成されてもよい。典型的には、電気接触片は、銀を含有している材料から形成されている。

先行技術の問題を克服するために、本発明の実施形態は、0.02重量％〜６重量％のアンチモン、0.03重量％〜３重量％の銅、0.03重量％〜８重量％のビスマス、42重量％〜70重量％のインジウム、0.3 重量％〜８重量％の銀、５重量％〜11重量％のマグネシウム、0.8 重量％〜1.6 重量％のスカンジウム、0.7 重量％〜2.0 重量％のイットリウム、及び10重量％〜45重量％のスズを含んでいる鉛フリーはんだ組成物を提供する。

本実施形態では、鉛フリーはんだ組成物はスカンジウム及びイットリウムを含んでおり、スカンジウムは、粒径を減少させる作用及び再結晶温度を上昇させる特徴を有し、はんだの展延性及び安定性を高めることができる一方、イットリウムは、高融点、高強度及び高耐食性によって特徴付けられ、はんだの強度、高温耐熱性及び耐食性を高めることができ、はんだ接合箇所のクラックを防ぐことができ、はんだ組成物の固相線温度を高めて120 ℃〜135 ℃の範囲内にし、はんだ組成物の液相線温度を高めて130 ℃〜145 ℃の範囲内にする。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、1.2 重量％〜1.4 重量％、更に好ましくは1.3 重量％のスカンジウムを含んでもよい。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、1.4 重量％〜1.8 重量％、更に好ましくは1.6 重量％のイットリウムを含んでもよい。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、３重量％〜４重量％のアンチモン及び４重量％〜５重量％のビスマスを含んでもよい。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、６重量％〜10重量％、好ましくは７重量％〜９重量％、更に好ましくは８重量％のマグネシウムを含んでもよい。ある他の実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、８重量％〜９重量％のマグネシウムを含んでもよい。

上述したように、本発明の鉛フリーはんだ組成物は、120 ℃〜135 ℃の範囲内の固相線温度、及び130 ℃〜145 ℃の範囲内の液相線温度を有する。固相線温度は、実際には合金が溶け始める温度として定められる。固相線温度未満では、物質は、融解相なしで完全に固体である。液相線温度は、結晶（未融解金属又は合金）が融解物と共存することができる最高温度である。液相線温度を超えると、材料は均質であり、融解物のみから構成される。はんだ付け処理温度は、はんだ付け技術により決定される度数分、液相線温度より高い。

本発明のはんだ組成物は鉛を含んでおらず、典型的には約105 ℃である同一タイプの他のはんだの作業温度より高い作業温度を有する。更に、本発明のはんだ組成物は、先行技術における既存の鉛フリーはんだ組成物と比較して、はるかに優れた展延性及び安定性を有する。

ビスマス及び銅を他の元素と結合することにより、はんだの作業温度の求められる上昇、及び特定の条件下におけるはんだの機械的性能の向上を含む、はんだ組成物の性能全体が高まる。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、120 ℃〜135 ℃の範囲内の固相線温度を有してもよい。

更にある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、130 ℃〜145 ℃の範囲内の液相線温度を有してもよい。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、３重量％〜４重量％のアンチモンを含んでもよい。

ある実施形態では、鉛フリーはんだ組成物は、４重量％〜５重量％のビスマスを含んでもよい。

本発明の鉛フリーはんだ組成物は、120 ℃以上の固相線温度を有して、優れた展延性及び安定性を有するため、電気コネクタをガラス上の金属化面にはんだ付けするために適している。

以下の表１に示されているように、本発明の鉛フリーはんだ組成物によって形成されたはんだ接合箇所のクラック防止性能を、本発明の実施形態とある比較例との比較を用いて以下に記載する。

上記の表から分かるように、スカンジウムがはんだ組成物中に0.8 重量％〜1.6 重量％の範囲内の量で含有されているとき、本発明の鉛フリーはんだ組成物によって形成されているはんだ接合箇所のクラックが、その後の処理で生じることが防止され得る。しかしながら、スカンジウムがはんだ組成物中に0.8 重量％未満又は1.6 重量％を超える量で含有されているとき、はんだのクラック防止性能が低下する。更に、イットリウムがはんだ組成物中に0.7 重量％〜2.0 重量％の範囲内の量で含有されているとき、本発明の鉛フリーはんだ組成物によって形成されているはんだ接合箇所は優れた展延性を有する。しかしながら、イットリウムがはんだ組成物中に0.7 重量％未満又は2.0 重量％を超える量で含有されているとき、はんだの展延性の性能が低下する。

高温保存試験
本発明の実施形態における鉛フリーはんだの展延性の性能を、高温保存試験によって試験した。この試験では、環境制御されたチャンバの温度を一定の120 ℃に維持し、電気コネクタ、及び電気コネクタが本発明のはんだによってはんだ付けされた金属化面を、環境制御されたチャンバに置き、電気コネクタから６ニュートンのおもりを24時間吊るした。24時間後、電気コネクタを、デジタルフォースゲージによって50Ｎの力で３秒間（周囲温度で）引っ張った。この試験中、電気コネクタの切断又はクラックが生じなかった。

本開示の望ましい実施形態及び適用される技術原理が、上述したように単に記載されているに過ぎないことに留意すべきである。本開示は、本明細書に記載されている特定の実施形態に制限されないことを、当業者は理解すべきである。当業者は、様々な明らかな変更、再調整及び選択を本開示の保護範囲を逸脱することなくなし得る。従って、本開示は上記の実施形態によって詳細に説明されているが、本開示は、単に上記の実施形態に制限されず、本開示の概念を逸脱することなくより多くの他の等価な実施形態を更に含むことができる。本開示の範囲は添付の特許請求の範囲に従う。

Claims (5)

1. 0.02重量％〜６重量％のアンチモン、
   0.03重量％〜３重量％の銅、
   0.03重量％〜８重量％のビスマス、
   42重量％〜70重量％のインジウム、
   0.3 重量％〜８重量％の銀、
   ５重量％〜11重量％のマグネシウム、
   0.8 重量％〜1.6 重量％のスカンジウム、
   0.7 重量％〜2.0 重量％のイットリウム、及び
   10重量％〜45重量％のスズ
   を含んでいることを特徴とする鉛フリーはんだ組成物。
2. 1.2 重量％〜1.4 重量％のスカンジウムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ組成物。
3. 1.4 重量％〜1.8 重量％のイットリウムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ組成物。
4. 120 ℃〜135 ℃の範囲内の固相線温度を有することを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ組成物。
5. 130 ℃〜145 ℃の範囲内の液相線温度を有することを特徴とする請求項３に記載の鉛フリーはんだ組成物。