JP2638759B2 - 無鉛半田 - Google Patents

無鉛半田

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JP2638759B2 JP7339644A JP33964495A JP2638759B2 JP 2638759 B2 JP2638759 B2 JP 2638759B2 JP 7339644 A JP7339644 A JP 7339644A JP 33964495 A JP33964495 A JP 33964495A JP 2638759 B2 JP2638759 B2 JP 2638759B2
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K35/00Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262Sn as the principal constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C13/00Alloys based on tin
    • C22C13/02Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電子部品の電子機器
配線用として用いられる汎用の無鉛半田に関するもので
あって、より詳しくは錫−銀−ビスマス系無鉛半田に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】半田付けに用いられる半田はその使用用
途に適合するように固有の特性を持つが、通常の半田で
はその溶融温度および凝固温度範囲が重要である。
【0003】即ち、特定の用途に選択された半田は隣接
の部品、特に温度に敏感な部品に損傷を与えない程度に
低い溶融温度を有すべきものであるが、半田付け後には
使用中に接合状態が熱的に安定するように高い溶融温度
範囲を持つことが必要である。
【0004】更に、半田は大部分共晶反応が生じる成分
系から構成されるため、共晶組成以外の特定組成を有す
るようになる場合には、半田付け後に溶融状態から凝固
が始まる液相線を通過するようになって、液相と固相と
が共存するようになり、次いで、完全に凝固が終了する
固相線に至る凝固温度範囲を持つようになるが、万一、
この半田の凝固温度範囲が広い場合には、半田付け後に
凝固時間が長引き収縮現象を生じることがあるので、で
きるだけ狭い凝固温度範囲を持つことが必要となる。
【0005】凝固温度範囲が狭い範囲を持つ半田の場合
には、連続的な自動半田付けを行う時、段階的な半田付
けができる点でより有利となる。
【0006】上記特性を有する従来の半田の例を挙げれ
ばSn−Pb系合金を挙げることができる。このSn−
Pb系合金はいろいろな機械的、物理的特性が優れてお
り、主に配管、熱交換器のような構造用および一般電子
産業用として多用されている。
【0007】しかし、鉛は分解されない金属であって、
一旦摂取されると排泄されずに体内に蓄積される。実例
として米国の疾病管理センター(CDC)において明示
した鉛の毒性は血中濃度10μg/dl以上となれば致
命的であり、特に幼児には知能の低下を誘発させ、ま
た、鉛の廃棄物は土壌を汚染させる問題がある。
【0008】特に、50Sn−50Pbや70Sn−3
0Pb等のような従来の配管用の半田は広い温度範囲に
おいて使用が可能であり、強い機械的連結部位を形成
し、銅パイプ溶接に大変有用であるが、鉛が水に溶け込
んで長い時間が経過した後には健康に致命的な障害を与
えるという事が発見され、飲料水を供給するパイプのよ
うな配管用半田でも鉛の使用が規制されることとなっ
た。
【0009】鉛と鉛含有組成物に対する規制の例を挙げ
れば米国の場合、1987年に商用ペイント(cons
umer paint)分野において、鉛使用が全面的
に規制されて以来、米国環境保護庁(EPA)において
は毒性物質規制法(Toxic substance
Control Act,TSCA)の下において鉛を
含む中間生成物の製造業者は最終生成物の廃棄と回収に
対する義務があるものと規定し、米国の下院はPb除去
(Pb−Cleanup)基金の財源として100〜2
00%の税金を賦課するように提案(HR2479)し
ており、また、米国の上院においても鉛暴露規制法(L
ead Exposure Act,S−729)を発
表、産業用鉛の全面規制を提案した。更に、米国職業安
全衛生管理局(OSHA)においては大気中および作業
場において許容される鉛の濃度を規制した鉛の基準を制
定しており、大気中に多くの鉛が放出されている状況に
おいて従事者の鉛に対する暴露を最少化すべきであると
要求している。このように米国においては法を以て配管
工に対して、特に50Sn−50Pbの使用を禁止し、
飲料に係わる全ての分野において鉛含有半田の使用を禁
止しており、配管以外の他の鉛含有半田に対しても使用
を規制している。このような趨勢は韓国内に於いても殆
ど大同小異となっているのが実情である。
【0010】一方、このような鉛に対する規制措置が抬
頭するに伴い無鉛半田が開発され始めた。米国特許第
1,778,733号に開示されたところによれば、S
n−Ag(0.05〜3%)−Cu(0.7〜6%)か
らなる組成を有する無鉛半田が提案されており、更に、
米国特許第4,929,423号にはSn−Bi(0.
08〜20%)−Ag(0.01〜1.5%)−Cu
(0.02〜1.5%)−P(0.01%)−稀土類元
素混合物からなる組成を有する無鉛半田が提案されてい
る。
【0011】この他にも米国特許第499,452A1
に開示されたところによれば、Sn(87〜97%),
Ag(0.1〜3%),Bi(3〜7%)からなる組成
を有する無鉛半田が提案されており、更に日本特開平5
−228685号公報にはSn(92〜95.8%),
Ag(3〜5%),Bi(1.2〜3%)を含有する無
鉛半田が提案されている。しかし、上記の無鉛半田は溶
融温度が高い高温用無鉛半田となるため、特殊用途には
適合するが一般部品の半田付けには使用し難いという欠
点がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明者
等は上記の従来の無鉛半田が有する欠点を解決するた
め、度重なる研究と実験を行い、その結果に基づいて本
発明をなすに至ったものであり、本発明はSn−Ag−
Bi系無鉛半田の組成を適切に制御することによって、
既存のSn−40Pb半田よりも機械的強度が増加し、
特に、一般電子部品の電子機器配線用として好適なSn
−Ag−Bi系無鉛半田を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の目的達成のため、
本発明の無鉛半田は、重量%でAg:3.1〜7%,B
i:6〜30%および残部Snからなる組成を有するも
のであることを特徴とする。また、本発明の無鉛半田
は、Ag,BiおよびSnを含み、固相線温度が138
〜200℃であり、液相線温度が144〜220℃であ
ることも特徴とする。以下、本発明について詳しく説明
する。
【0014】先ず、本発明のSn−Ag−Bi系半田中
に含有されるAgは、半田の低い溶融温度を考慮すると
3%近くの共晶組成を保つようにするのが良いが、熱疲
労特性改善のため3.1%以上添加することが好まし
い。
【0015】しかし、添加量が余りにも多い量となる
と、半田の溶融温度を急上昇させることになるため、7
%以下の量で含有させることが好ましい。
【0016】上記BiはSn−Ag合金系、例えば、S
n−3%Ag合金系(溶融温度221℃)に添加した場
合、溶融温度を下げ、湿潤性を向上させる役割をする。
しかし、上記Biの添加量が6%以下では、その効果が
少なく、一方、30%以上では、低温の溶融温度を有
し、湿潤性は更に向上することになるが、半田自体が脆
弱となり溶融温度範囲を広げるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】上記の組成を有する半田は、金属
原料を秤量し、大気中においてポット(pot)やルツ
ボを用いて加熱、攪拌しながら溶融する通常の方法によ
り鋳造し、製造することができる。空気中において溶融
する場合、金属原料中の不純物、非金属性物質または合
金溶湯が空気と反応して半田合金中に溶存窒素や溶存酸
素のような溶存ガスを形成し、これによって基材材料表
面に対する湿潤性が妨げられて半田適性が低下したり、
半田付け接合部に空隙(void)が生ずるため熱伝
導、熱疲労特性および製品信頼性に問題が生じる場合が
ある。したがって、不純物または非金属性物質や空気中
において合金製造時に生ずる合金中の溶存ガスを最少化
し、半田適性を向上させ熱疲労特性および製品信頼性を
改善するため、本発明の半田製造時には真空状態または
不活性ガス雰囲気において溶融し、原料金属中、特にB
iの酸化を抑制し、ドロス(dross)の発生を最少
化する溶融方法がより好ましい。
【0018】このような方法により製造される本発明の
無鉛半田はいろいろな形態(インゴット、長方形状の断
面を有するような形態、円形状の断面を有するような形
態など)に製造可能であり、更に、種々の大きさの球形
の粉体にも製造することができる。更に、粉体形態の半
田の場合には、適当なフラックスと混合して半田ペース
トも製造可能である。
【0019】このように製造された本発明の無鉛半田
は、一般電子部品の電子機器配線用として使用可能な融
点を有するのみならず、凝固範囲が狭く段階的な自動半
田付けに大変有効であり、従来のSn−Pb系よりも機
械的強度が増加するという特徴を有している。
【0020】以下、本発明を実施例により具体的に説明
するが、本発明はこれら代表的な実施例によって限定さ
れることはない。
【0021】
【実施例】
実施例1 下記表1のような組成となるようにSn,Ag,Bi金
属原料を秤量した後、高周波誘導炉を用いて10-3to
rr以下の真空状態において溶融し、鋳造した。製造し
た合金について凝固時の固相線温度と液相線温度とを測
定し、その結果を下記表1に示した。
【0022】
【表1】 上記表1に示したように、実施例1の無鉛半田は液相線
温度が220℃、固相線温度が200℃であり、凝固温
度範囲は20℃となり汎用の無鉛半田として非常に好適
なものであることがわかる。
【0023】実施例2 下記表2のような組成の無鉛半田を空気中において、高
周波誘導炉を用いて金属原料を溶融し、鋳造した。鋳造
した合金について固相線および液相線凝固温度を測定
し、その結果を下記表2に示した。
【0024】
【表2】 上記表2に示したように、実施例2の無鉛半田は液相線
温度が218℃、固相線温度が195℃であり、凝固温
度範囲は23℃となり、汎用の無鉛半田として非常に好
適なものであることがわかる。
【0025】実施例3 下記表3のような組成の無鉛半田を、高周波誘導炉で不
活性ガス(N2 )を250〜300mbarに保ち金属
原料を溶融し、鋳造した。鋳造した合金について固相線
および液相線温度を測定し、その結果を下記表3に示し
た。
【0026】
【表3】 上記表3に示したように、実施例3の無鉛半田は液相線
温度が206℃、固相線温度が180℃であり、凝固温
度範囲は26℃となり、汎用の無鉛半田として使用可能
なものであることがわかる。
【0027】実施例4 下記表4のような組成を有する無鉛半田を、実施例3の
同様な方法で製造し、製造した無鉛半田に対する凝固温
度測定結果を下記表4に示した。
【0028】
【表4】 上記表4に示すように、実施例4の無鉛半田は、液相線
温度が144℃、固相線温度が138℃であり、凝固温
度範囲は6℃となり、低温用として特に好適なものであ
ることがわかる。
【0029】比較例1 下記表5のような組成を有する従来の無鉛半田を製造
し、製造した無鉛半田の凝固温度を測定し、その結果を
下記表5に示した。
【0030】
【表5】 上記表5のような組成を有する無鉛半田は、液相線温度
が220℃、固相線温度が215℃であり、凝固温度範
囲が5℃である高温用無鉛半田となることがわかる。
【0031】比較例2 下記表6のような組成を有する無鉛半田を、比較例1と
同様な方法で製造し、その結果を下記表6に示した。
【0032】
【表6】 上記表6に示した無鉛半田は、液相線温度が223〜2
36℃、固相線温度が約211℃であり、凝固温度範囲
が12〜25℃となり、高温用無鉛半田となることがわ
かる。
【0033】実験例1 高周波誘導炉を用い、空気中においてSn−3.1%,
Ag−6.9%,Biからなる組成の実施例2とSn−
3.5%,Ag−4.5%,Biから組成の比較例3を
溶融し、鋳造した。鋳造した夫々の合金について湿潤性
を測定した結果を図1に示した。
【0034】図1に示したように、実施例2の場合、比
較例3の場合に比べ潤滑性が優れ、半田適性が優れるて
いることがわかる。
【0035】実験例2 本発明による無鉛半田と従来の半田に対する機械的性質
を調べるため、実施例2とSn−40Pb半田とについ
て機械的性質を測定し、その結果を図2に示した。
【0036】図2に示したように、実施例2の場合、従
来例に比べて引張強度が極めて優れていることがわかる
が、これは、結局、半田付け後の最終接合強度が本発明
の無鉛半田を用いることにより、一層優れたものになる
ことを意味している。
【0037】
【発明の効果】以上の実施例からわかるように、本発明
による無鉛半田は、従来のSn−Pb系半田に比べて機
械的性質が優れており、半田付け後の最終接合強度が既
存の半田に比べて卓越しているばかりでなく、鉛が含ま
れていないため作業環境等が改善され、特に溶融温度が
低く凝固温度範囲が狭いことから従来の高温用Sn−A
g−Bi系無鉛半田に比べて一般電子部品の配線用等に
用いることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の無鉛半田に対する半田適性を示すグラ
フである。
【図2】従来の半田と本発明の無鉛半田に対する機械的
性質を比較したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李 道 宰 大韓民国 クァンジュ ヨンボン−ドン 1104−4 ヒュンダイアパートメント 203−301 (56)参考文献 特開 平8−132277(JP,A) 特開 平8−187590(JP,A) 特開 平5−228685(JP,A) 特開 平7−88680(JP,A) 特公 昭58−29198(JP,B2) WELDING JOURNAL V OL.71 NO.10(1992)P.47−49 「HOST OF NEW LEAD− FREE SOLDERS INTRO DUCED」

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、Ag:3.1〜7%,Bi:
    6〜30%および残部Snからなる組成を有する無鉛半
    田。
  2. 【請求項2】 上記組成が重量%で、Ag:6〜7%,
    Bi:29〜30%および残部Snである請求項1に記
    載の無鉛半田。
  3. 【請求項3】 上記組成が重量%で、Ag:3.1〜4
    %,Bi:6〜7%および残部Snである請求項1に記
    載の無鉛半田。
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KR1019950019012A KR970000429A (ko) 1995-06-30 1995-06-30 범용 무연땜납
KR1995-19012 1995-06-30

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CN105215569A (zh) * 2015-10-30 2016-01-06 苏州优诺电子材料科技有限公司 一种无铅焊料合金

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