JP2020025982A - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents
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Abstract
Description
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等を添加した鉛フリーはんだ合金やSn-Zn系はんだ合金等の接合用途や特性に対応した鉛フリーはんだ合金が提案されている。
また、特許文献2では、Sn-Cu-Ni-Bi-Geを基本組成とし、Cu3Snの生成を抑制し高温エージング処理後に於いても高いクリープ特性を有する効果を奏する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、10重量%以下のAg、10重量%以下のBi、及び3重量%以下のCuに、Ni、Ti、Co、In、Zn、及びAsより選択される元素を少なくとも1つを添加し、Mn、Cr、Ge、Fe、Al、P、Au、Ga、Te、Se、Ca、V、Mo、Pt、Mg、及び希土類元素より1つ以上を必要に応じて選択して添加可能な高温信頼性を改善した効果を有する鉛フリーはんだ合金が開示されている。
しかし、はんだ付けによる接合の良否が電子機器そのものの信頼性を左右している現状において、例えば、携帯電話、スマートフォン、自動車、航空機などの、多様で厳しい使用環境(電子部品にとっての過酷な使用環境)に晒される電子機器内の電子部品等の接合に於いても、はんだ部分の電気的な接合状態の信頼性を高めるために、更なる高温で高い接合特性を有する鉛フリーはんだ合金が求められている。
しかし、例えば、携帯電話、スマートフォン、自動車、航空機などの、多様で厳しい使用環境に晒される電子機器内の電子部品等の接合に於いても、はんだ部分の電気的な接合状態の信頼性を高めるために、更なる高いクリープ特性を有する鉛フリーはんだ合金が求められている。
しかし、この鉛フリーはんだ合金では、Ag3〜5重量%が好ましい配合量となっているが、このようなAg配合量ではコストが高くなるため、より安価でAgを含まない鉛フリーはんだ合金が求められている。
特許文献4は、Cuが0.1〜2.0重量%、Niが0.002〜1重量%、Geが0.001〜1重量%、及び残部がSnからなる鉛フリーはんだであり、その効果として、Ni添加によって噴流はんだ付けに適した流動性を得ることで、金属間化合物の発生を抑制してはんだ付け時のブリッジを回避させてはんだ付けの不具合を防止する技術を開示している。
また、Geの添加効果として、Geは融点が936℃であり、Sn−Cu合金中には微量しか溶解せず、凝固するときに結晶を微細化する機能を有すること、また、結晶粒界に出現して結晶の粗大化を防止し、合金溶解時の酸化物生成を抑える機能も有することが記載されているが、クリープ特性や接合強度を向上させることについては、開示はなされていない。
このような組成とすることで、過酷な使用環境下、例えば150℃以上の高温条件下に長時間晒された場合でも、接合強度の低下が少なく、クリープ特性に優れるという接合特性を保持することができる。
このような組成とすることで、前記接合特性の中でも、接合強度が相乗的に向上した高い信頼性を有するはんだ接合を可能とすることができる。
前記Cu、NiおよびGeの含有量の範囲において、Ge/Cuを0.005〜0.5に調整した鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部では、150℃で100時間のエージング処理後でも、処理前に比べてシェア強度の低下がないか僅かであるという顕著な効果が奏される。
図1に示すように、GeはSnに対して僅かの量しか固溶せず、凝固時には固溶限以上の元素が析出していると予想され、合金の強化と接合強度の向上に寄与していると考えられる。
凝固の際に析出する成分としては、Sn−Cu系の鉛フリーはんだ組成の場合、Ag3SnやCu6Sn5のような金属間化合物やBi、Sbも結晶内に析出して合金の強化と、接合強度を向上する効果を有すると考えられる。
この場合、Bi0.1〜8.0質量%及び/又はSb0.1〜6.5質量%を含有することが好ましい。
このような組成とすることで、前記接合特性の中でも、接合強度が相乗的に向上した高い信頼性を有するはんだ接合を可能とすることができる。
また、前記Biの含有量は0.1〜5.0質量%がより好ましい。Sbの含有量は0.1〜5.0質量%がより好ましい。
前記Cu、Ni、Geの含有量の範囲において、Bi/Sbを0.02〜50に調整した鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部では、150℃で100時間のエージング処理後でも、処理前に比べてシェア強度の低下がないか僅かであるという顕著な効果が奏される。前記Bi/Sbを0.02〜50に調整した場合に、シェア強度の低下がないか僅かとなるメカニズムについては不明ではあるが、前記範囲外とした場合と比べて、はんだ合金中のGeの状態に変化があることが予想される。
前記はんだ接合部は、前記鉛フリーはんだ合金を用いて、一般的なはんだ付けの手法により、例えば、基板などの所望の位置で所望の形状に形成することができる。
フォロー用のバータイプの他、使用用途に応じた形状、例えばはんだペースト、やに入りはんだ、粉末状、プリフォーム状、及びボール状等の種々の形態に加工して使用することが出来る。
そして、種々の形状に加工された本発明の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合したはんだ接合部も本発明の効果を有し、本発明の対象である。
表1に示す組成となるように、常法を用いて各金属成分を混合して鉛フリーはんだ合金を調製した。
得られた鉛フリーはんだ合金は、以下に説明する方法にて試験を行い評価した。
(方法)
1)実施例1〜10または比較例1で得られた鉛フリーはんだ合金を溶解させた後、10mm×10mmの断面を有するdog−bone形状の鋳型に鋳込み、室温まで冷却して測定用サンプルを作製した。
2)引張試験機(島津製作所製試験機「AG-IS」)のチャンバー内に測定用サンプルをセットし、サンプルの温度が125℃に達したことを確認後、120kgf(1177N)の引張応力をサンプルに加え続け、サンプルが破断するまでの所要時間を測定した。
(評価方法)
サンプルが破断するまでの所要時間で評価。(長時間の方が優れている。)
(結果)
結果を表2に示す。
そして、実施例9は比較例1の約4倍以上、更に実施例10は10倍以上の効果を有しており、Geの添加量が0.1質量%以上では極めて優れた耐クリープ特性を有することがわかる。
(方法)
1)実施例1〜10および比較例1で得られた鉛フリーはんだ合金からなる直径0.5mmの球状はんだボールを準備する。
2)銅箔基板を準備し、実装箇所に「フラックスRM−5」(日本スぺリア社製)を0.01g塗布した後、はんだボールを搭載する。
3)昇温温度1.5℃/秒、最高温度250℃で50秒間の条件でリフロー加熱し、接合させた後、冷却し、IPAにて洗浄して、フラックスを除去後、測定用サンプルとする。
4)上記の手順で作製した測定用サンプルの一部を175℃に保持した電気炉内に100時間放置し、エージング処理をする。
5)測定用サンプル並びにエージング処理した測定用サンプルをインパクトシェア試験機(DAGE社製 4000HS)にセットする。
6)測定条件は、10mm/秒、1000mm/秒、2000mm/秒の3種の速度で夫々実施し、せん断負荷応力を測定した。
また、せん断負荷応力のうち、最大値(Max force)を接合強度として評価した。
(評価方法)
エージング処理をしない状態での測定値が7N以上、且つエージング処理後の変化率が60%以上を合格(○)とし、60%未満を不合格(×)とした。
(結果)
結果を表3に示す。
特に、落下衝撃試験に類似した1000mm/秒の速度に於いて、エージング処理を行っていない状態では12.2N以上、エージング処理後に於いても8.4N以上の測定値となっており、本発明の本発明の実施例1〜10は高い接合強度を有していることがわかる。
また、BiやSbを添加した実施例6〜10は、実施例1〜5に比べ、Geを同量添加した場合に比べ、更なる接合強度の上昇が見られ、相乗効果が表れていることがわかる。
これは、本発明の鉛フリーはんだ合金(実施例10)に於いて、接合時に当該鉛フリーはんだ合金の主成分であるSnに対して固溶限の小さいGeがはんだ合金の凝固時に固溶限以上の元素が析出し、合金の強化と接合強度の向上に寄与し、高温でのエージング処理を経てもその状態が保持され、接合強度の低下が少なく、強く維持されていることを想定させた。
(方法)
1)試験例1と同様の手順で、実施例1〜10で得られた鉛フリーはんだ合金からなる直径0.5mmの球状はんだボールを用いて作製した測定用サンプルの一部を150℃に保持した電気炉内に100時間放置し、エージング処理をする。
2)測定用サンプル並びにエージング処理した測定用サンプルをインパクトシェア試験機(DAGE社製 4000HS)にセットする。
3)測定条件は、10mm/秒、1000mm/秒、2000mm/秒の3種の速度で夫々実施し、せん断負荷応力を測定した。
また、せん断負荷応力のうち、最大値(Max force)を接合強度として評価した。
(評価方法)
エージング処理後の最大値が10N以上、且つエージング処理前に比べてエージング処理後の最大値の維持率が88%以上を「非常に優れる(◎)」とし、88%〜75%を「優れる(○)」、75%未満を「劣る(△)」とした。
(結果)
結果を表4に示す。
表5に示す組成となるように、常法を用いて各金属成分を混合して鉛フリーはんだ合金を調製した。
得られた鉛フリーはんだ合金については、前記試験例3と同様にして行い下記の基準にて評価した。
(評価方法)
エージング処理をしない状態での測定値が7N以上、且つエージング処理後の変化率が60%以上を合格(○)とし、60%未満を不合格(×)とした。
また、エージング処理をしない状態での測定値が7N未満またはエージング処理後の変化率が60%未満を標準(△)とした。
(結果)
結果を表6に示す。
Claims (5)
- Cu0.1〜2.0質量%、Ni0.01〜1.0質量%、Ge0.001〜2.0質量%、及び残部としてSn及び不可避不純物を含有することを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- Bi0.1〜8.0質量%及び/又はSb0.1〜6.5質量%を含有する請求項1記載の鉛フリーはんだ合金。
- Cuに対するGeの含有量の比率(Ge/Cu)が0.005〜0.5である請求項1または2に記載の鉛フリーはんだ合金。
- Bi0.1〜8.0質量%及びSb0.1〜6.5質量%を含有し、かつSbに対するBiの含有量の比率(Bi/Sb)が0.02〜50である請求項2または3に記載の鉛フリーはんだ合金。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金を用いることを特徴とするはんだ接合部。
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