JP2019118953A

JP2019118953A - 鉛フリーはんだ合金

Info

Publication number: JP2019118953A
Application number: JP2018002512A
Authority: JP
Inventors: 西村　哲郎; Tetsuro Nishimura; 哲郎西村
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】低温でのはんだ接合が可能で、しかも、低い体積抵抗率を有し、高い信頼性をも併せ持つ汎用性のある鉛フリーはんだ合金及びはんだ接合部の提供。【解決手段】本発明は、Ｂｉを４５〜５５質量％含有し、Ｓｂが０．１〜１１質量％及びＣｕが０．１〜２．０質量％及びＮｉが０，０１〜０．５質量％の群より選ばれる少なくとも１種又は２種以上を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる鉛フリーはんだ合金であり、１９０℃以下の低温でのはんだ接合が可能で、しかも、１００℃での体積抵抗率が５０μΩｃｍ以下である省電力化並びに、高い接合信頼性を有するはんだ合金。更に、上記組成にＧａを０．０１〜０．１質量％を含有することにより高い接合信頼性に加え濡れ性等のはんだ接合特性が向上し、Ｉｎを０．０００１〜１．０質量％を含有することにより機械的強度やヒートサイクル特性の向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、長期信頼性に優れ、且つ体積抵抗率が低い鉛フリーはんだ合金、及び当該合金を用いたはんだ接合部に関する。

地球環境負荷軽減のため、電子部品の接合材料として鉛フリーはんだが広く普及しており、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金はその代表的な組成である。
近年、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金及びＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金に加え、ＢｉやＩｎ、Ｓｂ等を含有したはんだ合金やＳｎ-Ｚｎ系はんだ合金等の接合用途や特性に対応した各種鉛フリーはんだ合金が用いられている。
また、耐熱温度が低い電子部品の接合には、ＢｉやＩｎを多く含有する低融点はんだ合金も用いられている。

また、近年のノートＰＣやスマートフォン、特にウェアブル機器では、その特性から小型化が進み、消費電力の少ないＣＰＵや長時間動作可能な電源などが必要とされている。
そして、それら電子部品の接合に用いられるはんだ合金も低融点特性に加え、低い体積抵抗が求められている。
低融点はんだ合金の例として、特許文献１では、Ｂｉ２０〜５７重量％、Ｓｂ０．２〜５重量％、Ｇａ０．０１〜１重量％、残部Ｓｎからなる融点が２００℃以下の鉛フリーはんだ合金が開示されている。
また、特許文献２では、Ｓｎを主成分とし，Ｂｉを３０ないし５８重量％、Ｇｅを０，１重量％以下含有する融点が１８０℃〜１５０℃付近の鉛フリーはんだ合金が開示されている。
そして、特許文献３では、Ｂｉが２５重量％以上５５重量％以下、残部Ｓｎに適宜ＣｕやＩｎを含有する融点が２００℃以下の鉛フリーはんだ合金が開示されている。
更に、特許文献４では、それぞれＳｎ−Ｂｉ-Ｓｂ−Ｃｕ−Ｐ組成の低融点鉛フリーはんだ合金が開示されている。

しかし、特許文献１〜特許文献４で開示されているはんだ合金並びにそれを用いた技術には、低融点に関する技術の開示はあるものの、体積抵抗率についてのデータはおろか示唆も全く見当たらない。

一方、ウェアブル機器の発展により、低融点でありながら高信頼性を有するはんだ接合が可能で、且つ低い体積抵抗率を有する汎用性のある鉛フリー合金が求められている。

特開平７−４００７９号公報特開平１１−２２１６９３号公報特開２０００−１４１０７９号公報特許第５６７９０９４号公報

本発明は、低温でのはんだ接合が可能で、しかも、低い体積抵抗率を有し、高い信頼性をも併せ持つ汎用性のある鉛フリーはんだ合金及びはんだ接合部の提供を目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、低融点のＳｎ−Ｂｉ共晶鉛フリーはんだ合金組成に着目して鋭意検討を重ねた結果、共晶組成よりもＢｉ含有量を約５〜１１質量％少なくしたＳｎ並びにＢｉの含有量を５０質量％付近とすることにより、融点が１９０℃以下の低融点でありながら、体積抵抗率を低くなることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、Ｂｉを４５質量％超〜５５質量％含有し、Ｓｂが０．１質量％〜１１質量％、Ｃｕが０．１質量％〜２．０質量％及びＮｉが０，０１質量％〜０．５質量％の群より選らばれる少なくとも１種又は２種以上を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる組成にすることにより、融点を約１９０℃以下、体積抵抗率を５０μΩｃｍ以下にすることが可能となった。
更に、Ｓｎ及び／又はＢｉに置換えて、Ｓｂを０．１質量％〜１１．０質量％、Ｃｕを０．１〜２．０重量％、Ｎｉを０．０１〜０．５質量％させることにより、１９０℃以下の低温でのはんだ接合が可能となり、しかも、機械的特性に優れ高い接合信頼性を有することを可能とした。
更に、上記組成にＧａを０．０００１質量％〜０．１質量％を含有することにより高い接合信頼性に加え濡れ性等のはんだ接合特性が向上することも可能とした。
また、上記組成にＩｎを０．０１質量％〜１．０質量％含有することにより、凝固時の体積変化が最小になる効果や体積抵抗率を低下させる効果に大きな影響を及ぼすことなく、はんだ合金並びにはんだ接合部の機械的強度やヒートサイクル特性の向上を可能とした。

本発明は、はんだ製品の形態に限定されることのない汎用性のある鉛フリーはんだ合金であり、電子部品の接合時に発生する熱応力が少なく、更に耐疲労特性に優れる高信頼性を有する低融点鉛フリーはんだ合金であるため、ＰＣ等の電子機器等に広く応用が可能となる。

Ｓｎ−Ｂｉの２組成状態図。

以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ及びＢｉの含有量が５０質量％付近を基本組成としており、これにＳｂ、Ｃｕ、及びＮｉの群より選ばれる１種又は２種以上を特定量含有させることにより、耐疲労特性に優れしかも高信頼性という特徴を有する。
ここで、特許文献１との相違を説明する。
特許文献１に開示の無鉛はんだ合金は、出願人の発明であり、平成５年７月２８日に出願されている。当該発明の構成元素並びにその含有量は以下の通りである。
請求項１には、Ｂｉ２０〜５７重量％、Ｇａ０．０１〜１重量％、Ｓｂ０．２〜５重量％、残部Ｓｎからなる無鉛はんだ合金で、請求項２では、更に前記組成にＣｕを０，３重量％以下含有する合金組成が開示されている。
また、当該無鉛はんだ合金の効果として、請求項１の組成では融点を１３９℃〜約２００℃となる低融点効果、請求項２の組成では低融点に加え母材の銅喰われを抑制する効果、請求項３の組成ではＳｂ含有によりＳｎのβ→α変態を防止してＳｎ＝Ｂｉ合金の脆さを改善する効果を、夫々開示している。

しかし、特許文献１では、本願の主要な効果であるはんだ合金融点については記載があるものの、はんだ合金及びはんだ接合部の体積抵抗率が低下する省電力化についての記載と示唆はない。
本願は、はんだ合金の低融点化はもとより、はんだ接合部の体積抵抗率低減による省電力化されたはんだ接合を提供することを目的としており、特許文献１が出願された時期に於いてはウェアブル機器等の近年発展した電子機器が必要とする省電力化に対応するはんだ接合部の発想はなく、発明の発想並びに目的を異にしている。

本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉを４５質量％超〜５５質量％含有し、Ｓｂが０．１質量％〜１１質量％及びＣｕが０．１質量％〜２．０質量％及びＮｉが０，０１質量％〜０．５質量％の群より選らばれる少なくとも１種又は２種以上を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる鉛フリーはんだ合金であり、好ましくはＳｎ及び／又はＢｉの含有量が５０質量％付近ではんだ合金が凝固する際の体積変化が最も小さくなり、しかも、はんだ合金並びにはんだ接合部が有する体積抵抗率が５０μΩｃｍ以下に低減させることによって、省電力化を図ることが可能となる。
また、凝固時の体積変化が小さいということは、はんだ接合時に発生するはんだ接合部に残存する残存応力が少なく、はんだ接合部が耐熱疲労特性に優れているということであり、引け巣等の不具合も少ない。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、このような特性を応用し、且つ体積抵抗率がＢｉよりも低い元素を含有して、機械的特性や耐熱疲労特性に優れた効果を有することも可能とした。
例えば、Ｓｂを０．１質量％〜１０質量％、Ｃｕを０．１質量％〜２．０質量％、Ｎｉを０，０１質量％〜０．５質量％の範囲で、夫々１種又は２種以上を含有することにより、低融点、且つ省電力効果を有していながら機械的特性や耐熱疲労特性に優れたはんだ接合を可能にするものである。
また、従来の鉛フリーはんだ合金であるＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金に比べ低温でのはんだ付けが可能となることにより、はんだ付け時に発生するエネルギーを減少させる省エネ効果も併せて有する。

上記本発明の鉛フリーはんだ合金に更にＧａを０．０００１質量％〜０．１質量％含有することにより、凝固時の体積変化が最小になる効果や体積抵抗率を低下させる効果に加え、接合時の濡れ性を向上させて、はんだ付け特性が向上する。
また、上記本発明の鉛フリーはんだ合金に更にＩｎを０．０１質量％〜１．０質量％含有することにより、凝固時の体積変化が最小になる効果や体積抵抗率を低下させる効果に大きな影響を及ぼすことなく、はんだ合金並びにはんだ接合部の機械的強度やヒートサイクル特性を向上させることができる。
そして、上記本発明の鉛フリーはんだ合金に酸化防止効果を有するＧｅ、Ｐ、Ｓｉ、及びＴｉ、Ｃａ、Ｍｎからなる群より選ばれる少なくとも１種又は２種以上の成分を０．０００１質量％〜１．０質量％を含有することにより、本発明の効果を有したまま相乗的に酸化防止効果を向上させることも可能である。
更に、上記本発明の鉛フリーはんだ合金の組成に、Ａｇを０．１〜４．０質量％を含有することにより機械的特性を相乗的に向上させることができる。更に、不可避不純物が含有された場合に於いても、本発明の効果は変わらない。
なお、不可避不純物とは、はんだの原料中に存在したり、製造工程に於いて不可避的に混入するものをいう。

本発明の鉛フリーはんだ合金は、用途に応じて任意に形状を加工することができる。例えば、ディップはんだ付け方法によるはんだ接合を行う場合は棒状のはんだ形状に、リフローはんだ付け方法によりはんだ接合を行う場合はペースト状やボール状、及びプリフォーム形状に、はんだ鏝を用いたはんだ接合の場合にはやに入りはんだ等の線状にそれぞれ加工して用いることが可能である。

本発明は、低温でのはんだ接合が可能で、はんだ製品の形態に限定されることのない汎用性のある鉛フリーはんだ合金並びに当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部であるため、省電力化並びに低耐熱性電子部品の接合が必要となるウェアブル機器等の電子機器等に広く応用が期待できる。

Claims

Ｂｉを４５質量％超〜５５質量％含有し、Ｓｂが０．１質量％〜１１質量％、Ｃｕが０．１質量％〜２．０質量％及びＮｉが０．０１質量％〜０．５質量％の群より選ばれる少なくとも１種又は２種以上を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる、融点が１９０℃以下、１００℃での体積抵抗率が５０μΩｃｍ以下であることを特徴とする鉛フリーはんだ接合合金。
更に、Ｇａを０．０００１質量％〜０．１質量％を含有したことを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ合金。
更に、Ｉｎを０．０１質量％〜１．０質量％を含有したことを特徴とする請求項１及び請求項２記載の鉛フリーはんだ合金。
請求項１〜請求項３記載の鉛フリーはんだ合金に、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃａ、及びＭｎからなる群より選ばれる少なくとも一種又は２種以上の成分を０．０００１質量％〜１．０質量％を含有することを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
請求項１〜請求項４記載の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合を行ったことを特徴とするはんだ接合部。