JP2665328B2 - 半田付け性が優れた無鉛半田 - Google Patents

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無鉛半田に関するものであっ
て、より詳しくは、半田付け性が優れた錫−銀−インジ
ュウム−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有するが、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、特定の用途によって選択された半田
は隣接の部品、殊に温度に敏感な部品に損傷を与えない
程に低い溶融温度を有するのみならず、半田付け後には
使用中接合状態が熱的に安定なるように高い溶融温度範
囲を有することが必要である。

【０００４】更に、半田は大部分共晶反応が生じる成分
系から成っているために、共晶組成以外の特定組成を有
するようになる場合、半田付け後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有するが、万一半田の凝固温度範
囲が大きい場合には、半田付け後凝固時間が長くなって
収縮現象が生じるために、可及的に少ない凝固温度範囲
を有することが必要である。凝固温度範囲が少ない半田
の場合には、連続的な自動半田付けの際、段階的な半田
付けに有利な点がある。

【０００５】それ以外にも、半田は半田付けしようとす
る母材表面との湿潤性が優れて、はじめて半田付け性が
優れることになり、また半田付け後の接合強度が優秀に
なる。

【０００６】上記の特性を有する従来の半田の例とし
て、Ｓｎ−Ｐｂ系の合金を挙げることができる。このＳ
ｎ−Ｐｂ系の合金は、いろいろな機械的、物理的特性が
優れて主に配管、熱交換器のような構造用と一般電子産
業用として多様に用いられている。

【０００７】しかしＳｎ−Ｐｂ系合金は鉛を含んでお
り、鉛は分解されない金属で一旦摂取すれば放出されず
体内に蓄積される。実例として、米国の疾病規制センタ
ー（Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｄｉｓｅａｓｅ Ｃｏｎｔ
ｒｏｌ）において明示した鉛の毒性は、血中濃度１０μ
ｇ／ｄｌ以上となれば致命的で、特に幼児には知能の低
下を誘発させる。のみならず、更に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等のような伝統的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
み長い時間後には健康に致命的な害を与えると言う事が
発見され、飲水を運搬するパイプのような配管用半田に
おいても鉛の使用が規制され始めるようになった。

【０００９】鉛と鉛含有組成に対する規制を例えば米国
の場合、１９７８年商用ペンキ分野において鉛使用が全
面規制されて以来、米国環境保護庁（ＥＰＡ）において
は毒劇物取扱法（Ｔｏｘｉｃ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ Ａｃｔ，ＴＳＣＡ）の下において鉛を回
収する義務を有するものと規定しており、米国下院はＰ
ｂークリーンアップ基金の財源として１００〜２００％
の税金を賦課するように提案（ＨＲ２４７９）してお
り、米国上院においても鉛放置規制法（ＬｅａｄＥｘｐ
ｏｓｕｒｅ Ａｃｔ，Ｓ−７２９）を発表、産業用鉛の
全面規制を提案した。更に米国職業安全健康協会（ＯＳ
ＨＡ）においては、大気中におけると作業場において許
可される鉛の濃度を規制する鉛の標準を制定しており、
大気中に鉛を沢山放出する状況において雇用人の鉛に対
する露出を最少化しなければならないと要求している。
このように米国においては、法を以て配管工へ特に５０
Ｓｎ−５０Ｐｂの使用を禁止させ、飲料と係わりのある
全ての部分において、鉛含有の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
ているが、そのような趨勢は国内においても殆ど大同小
異なる実情である。

【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、無鉛半田の開発が始まるようになった
が、例を挙げれば米国特許第５，２５６，３７０号明細
書には、接合、縫合わせ、電子部品等に用いられる半田
付け用無鉛半田が提示されている。上記米国特許第５，
２５６，３７０号明細書に提示の無鉛半田は、Ｓｎ５０
〜９２％，Ａｇ１〜６％，Ｉｎ４〜３５％の組成（重量
％）を有する半田であって、電子部品の接合に用いるた
めにインジュウムを多量含有しているところに特徴があ
る。しかし、インジュウムは値段が高く、特に５％以上
添加する場合には微細組織上にγ−Ｓｎ相が生ずるよう
になり温度変化によって、γ−Ｓｎ相（Ｈｅｘａｇｏｎ
ａｌ）からβ−Ｓｎ相（ｆａｃｅ Ｃｅｎｔｅｒｅｄ
Ｃｕｂｉｃ）への相変異が生じて半田接合部位の信頼性
に問題が生じ得る短所がある。

【００１１】

【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の短所を解決しようと、度重
なる研究と実験をし、その結果に基づいて本発明を提案
するようになったのであって、本発明はインジュウムと
ビスムスを複合添加して微細組織上のγ−Ｓｎ形成を抑
制し、湿潤性を改善することにより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と同時に、凝固温
度範囲が狭く機械的特性が優れるのみならず、特に半田
付け性が優れた無鉛半田を提供することにその目的があ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するためになされたものであり、本発明は重量％
で、Ａｇ：３〜４％，Ｉｎ：２〜５％，Ｂｉ：６〜１４
％および残部Ｓｎからなる組成の半田付け性の優れた無
鉛半田に関するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳しく説明
することにする。

【００１４】先ず、本発明の無鉛半田に含有のＡｇ成分
は、半田の湿潤性および熱疲労特性を改善させる役割を
する成分であって、その含有量を３〜４重量％（以下、
単に％と称する。）とするものである。その理由として
は、Ａｇ成分の含有量が３％未満になれば湿潤性と熱疲
労特性が低下し、Ａｇ成分が４％を超えると溶融温度を
急上昇させ湿潤性改善に大きく寄与することができない
からである。

【００１５】更に、Ｉｎ成分は、湿潤性を改善させる一
方溶融温度を下げる役割をするが、Ｉｎ成分の含有量は
２〜５％の範囲である。その含有量が２％未満ではその
効果が表れず、５％を超えると微細組織上にγ−Ｓｎ相
が形成され温度変化によりγ−Ｓｎがβ−Ｓｎへと相変
移が生じて半田付け性が低下されるからである。

【００１６】更に、Ｉｎと共に添加されるＢｉ成分は、
半田の微細組織上にγ−Ｓｎ相の生成を抑制することに
より湿潤性を改善するものであり、Ｂｉ成分の含有量は
６〜１４％である。Ｂｉ成分が６％未満ではその添加効
果が少なく、１４％を超えると溶融温度範囲を広げるこ
ととなる。

【００１７】上記組成を有する半田は、改良された金属
原材料を大気中においてポットやルツボを用いて加熱、
攪拌しながら溶解するするという、通常の鋳造方法によ
り製造することができる。このとき、大気中において溶
解すると、金属原料中の不純物または非金属介在物と合
金溶湯が大気と反応して、半田合金中に溶存窒素や溶存
酸素のような溶存ガスが残留するようになり、それによ
って半田母材の湿潤性を妨げて半田付け性が低下した
り、半田の接合部に気孔が生じることから、湿潤性のみ
ならず熱伝導も、熱疲労特性および製品信頼性に問題が
生じる素地を有する。

【００１８】本発明においては、大気中において合金製
造時に生ずる不純物または非金属介在物と合金中の溶存
ガスを最少化して、半田付け性を向上させ、熱疲労特性
および製品信頼性を改善するために、本発明の半田製造
時には真空状態または不活性雰囲気において溶解し、原
料中特にＢｉ等の酸化を抑制し、湯あかの発生を最少化
する溶解方法がより望ましい。

【００１９】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、円
形等）に製造可能であり、更に、多様な大きさの球形の
粉末にも製造することができる。更に、粉末形態の半田
の場合は、適当なフラックスと混合してペーストを製造
することも可能である。

【００２０】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に使用可能な融点を
有するのみならず、凝固温度範囲が狭いから段階的な自
動半田に非常に有利であり、従来のＳｎ−Ｐｂ系よりも
機械的強度が増加する一方、従来のＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ系
無鉛半田に比して湿潤性および半田付け性が優れている
という特徴がある。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例によりて具体的に説明
するが、これらは代表的な例であり、本発明はこれらの
実施例に制限されない。

【００２２】（実施例１〜７）（比較例１，２） 下記表１のような組成を有するように高周波誘導炉を用
いて大気中において溶解し鋳造した後、鋳造の半田につ
いて固相線温度と液相線温度を測定し、その結果を下記
表１に示した。

【００２３】

【表１】 上記表１に示したように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ系半田組成
にＢｉが添加された本発明に係る実施例１〜７の場合に
は，液相線温度が２０２〜２１３℃、固相線温度が１８
７〜１９９℃であり、凝固温度範囲が１１〜１７．５℃
の範囲であって、それはＳｎ−Ａｇ−Ｉｎの組成からな
り、液相線温度が１８９．１〜２０７．５℃、固相線温
度が１７８．５〜２０２．４℃であり、凝固温度範囲が
５．１〜１０．６℃の従来品（比較例１，２）の場合と
殆ど同等の水準であることを知ることができた。

【００２４】物性測定 （１）湿潤性 比較例１と実施例７の無鉛半田について母材に対する湿
潤性を測定し、その結果を図１に示した。

【００２５】図１に示したように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎか
らなる組成の比較例１に比して、そこにＢｉが添加され
た実施例７の場合、時間に伴う湿潤性が更に優秀である
ことを知り得る。結局実施例７の場合、比較例１に比し
て、殆ど同等水準の溶融温度および凝固温度範囲を有し
ながらも半田付け性が優秀なることを知ることができ
る。

【００２６】このような原因は、実施例７について微細
組織写真を観察した結果である図２に示したよう、本発
明に係る無鉛半田の場合、Ａｇ₃ Ｓｎ析出状を更に均一
なるようにするため湿潤性を優秀にするものと思われ
る。

【００２７】（２）機械的特性 本発明に係る無鉛半田を従来のＳｎ−Ｐｂ系半田との特
性を比較するためＳｎ−４０Ｐｂ半田合金と実施例２に
よる無鉛半田について機械的特性を比較し、その結果を
図３に表わした。

【００２８】図３に表わしたように、実施例２の場合、
従来のＳｎ−４０Ｐｂ半田に比してかえって引張強度が
優れていることを知ることができるが、それは結局本発
明の無鉛半田を利用する場合、従来のＳｎ−Ｐｂ系半田
よりも最終の適合強度が更に優秀なることを意味する。

【００２９】

【発明の効果】本発明の無鉛半田は、従来のＳｎ−Ｐｂ
系半田に比し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して卓越しており、鉛が
含有されていないことから作業環境等を改善することが
できる。また特に従来のＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ系無鉛半田と
殆ど同等の溶融温度および凝固温度範囲を有しながら
も、湿潤性が優れており、かつ半田付け性が優れている
という効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半田と本発明の半田についての半田特性
を示したグラフである。

【図２】本発明の無鉛半田の微細組織写真である。

【図３】従来の半田と本発明の半田についての機械的特
性を示したグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尹 徳 龍 大韓民国 ソウル カンナム−ク チュ ンダム−ドン 63 ヒョスンヴィラ 33 −203 (56)参考文献 特開 平７−88681（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−344180（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−238479（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−1179（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ａｇ：３〜４％，Ｉｎ：２〜
   ５％，Ｂｉ：６〜１４％および残部Ｓｎの組成からなる
   半田付け性が優れた無鉛半田。
2. 【請求項２】 重量％で、Ａｇ：３〜４％，Ｉｎ：２〜
   ３％，Ｂｉ：６〜７％および残部Ｓｎの組成からなる請
   求項１に記載の無鉛半田。
3. 【請求項３】 重量％で、Ａｇ：３〜４％，Ｉｎ：４〜
   ５％，Ｂｉ：７〜１０％および残部Ｓｎの組成からなる
   請求項１に記載の無鉛半田。