JP2543941B2 - はんだ材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、はんだ材に関するものであり、さらに詳し
く述べるならば、疲労が起こり易い環境で使用される部
品のはんだ付け、特に電子部品を印刷基板に接合する用
途に適したはんだ材に関するものである。

（従来の技術） 一般に、はんだ材はSn−Pb二元系を基本成分としてお
り、またその性質を改善するため各種成分を添加するこ
とが知られている。

特公昭40−25885号公報は、はんだ用電気鏝先の銅が
はんだに溶け込んで、はんだが損耗することを防止する
ために、はんだ材に銅、銀、ニッケル等を添加すること
を開示する。その損耗防止作用は銀、ニッケルにより銅
をはんだ中に微細均一に分布させることにあると説明さ
れている。

特公昭45−2093号公報は、アルミニウム合金とのろう
接部でのはんだの耐食性がAgまたはSbの添加により改善
され、またはんだ材の流動性および作業性がCdの添加に
より改善されることを開示する。

特に集積回路、印刷基板等に使用されるはんだ材の改
良を意図した従来技術には次のものがある。

特公昭52−30377号公報は、ろう接される銅細線がは
んだにより溶解され、溶損し、あるいは強度低下をきた
すことを防止するために、CuとAgの同時添加を開示す
る。Cuにより被ろう接材料がはんだにより食われること
を抑制し、一方Cu添加によりはんだの融点が上昇して被
ろう接材料が溶解され易くなることをAgのもつ融点低下
作用により防止するところにCuとAgの同時添加の作用が
あると説明されている。

特開昭56−144893号公報は、セラミックコンデンサの
銀リード線の銀がはんだに拡散してコンデンサーの特性
を悪くしたりあるいは銀面を剥離させる欠点を解消する
とともに、高速はんだ付けを可能にすることを目的と
し、Sn−Sb−Ag−Pb系はんだ材を提案する。

特開昭59−70490号公報は、半導体メモリにおける部
材接合に使用されているAuろう材に匹敵する特性を有す
る安価なろう材としてSb（１〜15％）−Sn（In）（１〜
65％）−Pb系およびSb−Ag−Sn（In）−Pb系成分を提案
する。

（発明が解決しようとする課題） 集積回路、印刷基板に搭載された電子部品のはんだ付
けに使用されるはんだ材の特性に関して、近年、リード
線を基板のランド部に接合した印刷基板のはんだ内部に
クラックが発生して通電不良を起こす問題が注目されて
いる。この原因は、使用温度の周期的変化により基板お
よび実装部品に応力が発生し、それを接合部材であるは
んだが受け持つことになるため、はんだは常に応力がか
かった状態に置かれ、長期間の使用においては疲労破壊
に至るものと推察される。さらに、通電によるはんだ付
部の温度上昇、電子部品の発熱などの熱影響、さらには
印刷基板が振動されることなどによる機械的影響も長期
間の使用中には疲労破壊を加速する原因であると考えら
れる。

基本的組成からなるSn−Pb二元系はんだ材は上述のよ
うな長期間熱的および機械的応力にさらされる環境に使
用すると、耐疲労性の点で問題があることが明らかにな
った。ところが、従来、一般的構造材料である鋼材およ
びアルミニウム合金については素材あるいは溶接継手の
耐疲労性の研究がかなり行なわれているものの、はんだ
材については耐疲労性改良の観点からなされた研究は見
られない。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、はんだ材の耐疲労性改善の方法を鋭意
研究した結果、InとSbの同時添加が有効であることを見
出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、重量％で、Pb35〜50％、Sb0.05
〜１重量％未満、In0.1〜５重量％およびSn残部から実
質的になる組成、およびこの組成に、Ag0.05〜５重量％
および／またはCu0.05〜２重量％添加したはんだ材を提
案する。

本発明において、Pb35〜50％、Sn残部の組成範囲とし
たのは、この組成範囲においてはSn−Pb二元系のほぼ共
晶組成となり、共晶組成範囲においては比較的低温での
はんだ付けが可能となるからである。また、SbとInの下
限をそれぞれ0.05％と0.1％としたのは、これ未満で
は、詳しくは後述するSbとInの作用による耐疲労性の向
上が図れないからである。また、Sbの含有量が１％以上
となり、Inの含有量が５％を超えると、耐疲労性が低下
する傾向が現われるため、これらの含有量を上限とし
た。Sn−Pb−Sb−In系で好ましい組成は、Sn−40〜45％
Pb−0.5〜0.9％Sb−0.5〜５％Inである。上記Sn−Pb−S
b−In系組成に加えられるAgとCuはさらに耐疲労性を改
善させる効果がある。その含有量の上限をそれぞれ５％
と２％としたのは、この含有量を越えるとAgは耐疲労性
を低下させ、Cuははんだ付性を低下させるからである。
また好ましい含有量はそれぞれ0.1％以上である。

Sn−Pb二元系合金の添加元素の影響を本発明の実験結
果を基にさらに詳しく説明する。

下記表に示された量の成分を添加した合金につき、静
的強度および延性と耐疲労性の関係を調べるため、引張
試験と疲労試験を行なった。

鋳造したままの状態および160℃×110時間の熱処理状
態のこれらの合金を加工して引張試験片とした。引張試
験は5mm/minの引張速度で行なった。この試験結果を第
２図に示す。

疲労試験は、第３図に示すフェノール樹脂基板１と、
その一面に形成された銅箔よりなるランド部２を貫通す
るリード線３とを、はんだ付けした試験片を用いて行な
った。試験方法は、リード線に疲労試験機で、繰返周波
数20Hz（片振り）、温度（80℃、一定）の条件で引張荷
重をかけ、クラックが発生したときの繰返し数を疲労寿
命として求める方法で行なった。この結果を第１図に示
す。なお、クラックは第４図に５で示すようにはんだ内
に発生していた。

疲労寿命を示す第１図において、Sn−Pb二元系はんだ
材では疲労寿命はAA′線とBB′の間にある。これに対し
て、SbとInを同時添加すると疲労寿命の大幅な改善が見
られる。一方、静的機械的性質（第２図）と耐疲労性
（第１図）との対応関係に関しては、引張強さが高いは
んだ材（4,5,6）の耐疲労性が高い傾向が認められる。
一方、伸びが特に低いはんだ材（４）は耐疲労性が優れ
ているから、伸びと耐疲労性の対応関係は少ないと思わ
れる。

上記実験結果の物性的根拠を説明するために幾つかの
補足実験を行なった。

本発明の組成系であるPb−Sn−Sb−In系合金（後述の
実施例の試料５）の顕微鏡組織（倍率1000倍）を第５図
に示す。図中、白色部が鉛粒子であり、粗粒の鉛粒子が
初晶鉛、微粒の鉛粒子が共晶鉛である。灰色部が錫マト
リックスである。EPMAによりSbとInの分布を調べたとこ
ろ、SbとInは比較的Sn粒子中に優先的に固溶しており、
またSb、Inともにこれらを主体とする析出物あるいは晶
出物として局部的偏析していないことが明らかとなっ
た。本発明における任意添加成分であるAgの分布をEPMA
で調べたところAgは比較的Sn地に多く、網目状で高濃度
で分布していることが認められた。

合金組成ならびに顕微鏡組織と耐疲労性の対応関係を
検討するためにSbとInを本発明の上限以上で多量に添加
したところ、引張強さの向上、伸びの低下、角ばった金
属間化合物の生成、Sn−Pb合金を下回る対疲労性などの
結果がもたらされた。

（作用） 以上の実験および補足実験の結果より、SbとInの同時
添加による強化（すなわち引張強さの向上）がすぐれた
耐疲労性をもたらす原因であると推察される。

SbとInの添加によりもたらされる伸びの低下は一般に
は耐疲労性を劣化させるが、電子部品使用条件下のはん
だの変形は弾性限度以内でなされていると推定され、こ
の場合は低い伸びは欠点にならない。一方、Sb、Inの添
加量が多く、角ばった析出あるいは晶出物が生じると、
これらの角部が切欠となって疲労寿命を低減させると推
察される。またSbあるいはInを単独添加する場合、比較
的多量に添加すれば本発明の複合添加の場合と同等の引
張強さを得ることは可能であるが、多量添加により析出
あるいは晶出物を発生し所望の耐疲労性を得ることはで
きない。

SbとInを同時添加すると比較的低含有量で所望の引張
強さを得ることができるため、このことが耐疲労性の大
幅な改善をもたらしていると考えられる。この引張強さ
の改善は、SbとInがSnマトリックスに優先的に固溶する
ことによりはんだ材の組織全体の強化に起因すると推察
される。

また熱処理は静的機械的性質を向上するので対疲労性
を改善し得るが、電子部品を実装した印刷基板のはんだ
のみを熱処理の温度にさらすことは実際上は困難であ
り、電子部品の熱影響が懸念されるため、熱処理により
印刷基板のはんだの耐疲労性を改善することは実用的で
はない。

（実施例） 以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

荷重を300g/mm²と一定にした他は第１図と関連して説
明したところと同一条件で耐疲労性試験を行なった。供
試したはんだ材の組成は第２表で示すとおりである。

試験結果を第２表に疲労寿命（サイクル）と して示す。

Sn−40％Pb二元系はんだ材の比較例（No26）と同一成
分系（Sn−40％Pb）の本発明のはんだ材は少なくとも2.
3倍（No.3）で、最大33倍（No.19）の疲労寿命を達成す
る。

このように、本発明によればはんだ材の耐疲労性が大
幅に向上する。

（発明の効果） 本発明によれば、はんだ材が例えば自動車に搭載され
る印刷基板のようにマイナス数十℃からプラス百数十℃
の低温から高温までの過酷な条件で使用される場合にお
いても、従来のはんだ材のようにクラックが発生するこ
となく、長期間安定して使用で、はんだろう接部の信頼
性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種はんだ材の疲労寿命とせん断応力の関係を
示すグラフ、 第２図は各種はんだ材の引張強さと伸びを示すグラフ、 第３図は耐疲労性試験に供した試験片の図面、 第４図は耐疲労性試験におけるクラック発生部を示す試
験片の図面、 第５図は本発明のはんだ材の金属顕微鏡写真である。 １……基板、２……ランド部、３……リード線、 ４……はんだ、５……クラック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 彰 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 二村 憲一朗 愛知県豊田市緑ケ丘３丁目65番地 大豊 工業株式会社内 (72)発明者 浅田 栄治 愛知県豊田市緑ケ丘３丁目65番地 大豊 工業株式会社内 (72)発明者 福岡 辰彦 愛知県豊田市緑ケ丘３丁目65番地 大豊 工業株式会社内 (56)参考文献 特公 昭57−30598（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Pb35〜50重量％、Sb0.05〜１重量％未満、
   In0.1〜５重量％およびSn残部から実質的になり、すぐ
   れた耐疲労性を有することを特徴とするはんだ材。
2. 【請求項２】Ag0.05〜５重量％および／またはCu0.05〜
   ２重量％をさらに含有することを特徴とする請求項１記
   載のはんだ材。