JP3199674B2 - ソルダ合金 - Google Patents

ソルダ合金

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は小型電子部品を印刷
回路基板(PCB)に実装するための接合材として使用され
るハンダ付用ソルダ合金(solder alloy)に係り、特にハ
ンダ付部の疲労強度特性の向上されたソルダ合金に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ハンダ付け(soldering）は、例えば半導
体チップや抵抗チップのような小型電子部品を印刷回路
基板(PCB)に実装するために主に利用されている。通
常、印刷回路基板と実装部品及びソルダ合金は各々相異
なる熱膨張係数を有するので、特に部品が高密度で実装
される印刷回路基板におけるハンダ付接合部はハンダ付
時、熱応力を受けて組織が粗大化(Coarsening)される。
このように粗大化された組織を有するハンダ付接合部は
脆性を有するので外部の衝撃や振動による反復応力によ
り易く亀裂され、例えば印刷回路基板に実装された部品
の断線を引起こす。従って、最近の電機電子製品の高機
能化、小型軽量化にともなう部品実装の高密度化に起因
してさらに高い水準のハンダ付部品の実装技術が要求さ
れる。
【０００３】さらに、既存のハンダ付材料はSnとPbを主
成分とする2元系共晶ソルダ合金が主に使われている
が、特に高密度部品実装の場合に印刷回路基板のプリン
トパターン及びハンダ付部ランドが狭くてハンダ付時の
Pbの所要量が減少されるので前記のような問題点がさら
に深刻になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はハンダ
付部、特に部品が高密度に実装される印刷回路基板にお
けるハンダ付部の疲労強度特性の向上されたソルダ合金
を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明によるソルダ合金は、Sn 50乃至80重量%、Sb0.
05乃至10重量%、Ag 0.0001乃至0.05重量%、P 0.0001乃
至0.5重量%、不回避な不純物及び残部のPbよりなること
を特徴とする。また、本発明は0.01乃至1重量%のCu、0.
01乃至5重量%のNi、0.001乃至0.5重量%のGe、0.001乃至
1重量%のTe、0.001乃至1重量%のGa及び0.001乃至1重量%
のInの中から選択された少なくとも１つ以上の元素をさ
らに含むことが望ましい。
【０００６】また、本発明によれば、Sn 55乃至70重量
%、Sb 0.05乃至5.0重量%、Ge 0.001乃至0.1重量%、P 0.
0001乃至0.05重量%、不回避な不純物及び残部のPbより
なることを特徴とするソルダ合金が提供される。ここ
で、ソルダ合金は、0.001乃至0.2重量%のCu、0.001乃至
5.0重量%のBi、0.01乃至0.5重量%のNi、0.001乃至1.0重
量%のTe、0.001乃至1.0重量%のGa及び0.001乃至1.0重量
%のInの中から選択された少なくとも１つ以上の元素を
さらに含むことが望ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明によるソルダ合金に添加さ
れる各元素等の成分及び組成は次のようなソルダ合金の
主要特性を考慮して設定される。第１、ハンダ付時ソル
ダ合金の酸化量は少ないほど良い。即ち、溶融ソルダの
SnとPb等の金属元素が大気中の酸素と反応することによ
り金属酸化物を形成するが、このような金属酸化物はハ
ンダ付時、印刷回路基板と部品の接合力を低下させる。
また、金属酸化物の生成はソルダ合金の損失を引起こす
だけでなく、ハンダ付後にも機械的、熱的ストレスによ
りハンダ付部に亀裂が発生しやすい要因として作用す
る。
【０００８】第2、ソルダ合金はハンダ付品質を高める
ために適切な融点を有するべきである。ソルダ合金の融
点が高すぎるとハンダ付時に高温が要求されるので、高
温の影響に起因した接合部品及び回路基板の耐久性が低
下される。反面に、ソルダ合金の融点が低すぎると外部
熱の影響によりソルダが軟化されて接合強度が低下され
る。また、ソルダ合金の液相線と固相線との温度差が大
きすぎるとハンダ付後の冷却過程でハンダ付部が不均一
に冷却されて接合強度が低下される。
【０００９】第3、ソルダ合金は溶融状態における優秀
な広がり性が要求される。即ち、実際にハンダ付けにか
かる時間は数秒ほどの短い時間なので実装部品が印刷回
路基板に固く接合されるためにはソルダ合金が迅速に広
がるべきである。前記のようなソルダ合金の要求特性に
鑑みて本発明の第1の実施の形態によるソルダ合金に添
加される各元素の成分及び組成を説明すれば次の通りで
ある。Snはソルダ合金の製造費用に大きな影響を及ぼす
元素である。また、その含有量が極端に多いか、または
少なければソルダ合金の融点が高まるので、ハンダ付時
に高温の影響により部品の耐久性に悪影響を及ぼす恐れ
がある。このような特性に鑑みて本実施の形態によるソ
ルダ合金には50乃至80重量%のSnが添加される。
【００１０】Sbはソルダ合金の強度を増加させるための
目的で添加される。その含有量が多いとソルダの流動性
が低下されるのでPbの広がり性と濡れ性が低下される。
特に、Sbの組成が10wt%を超えると溶融ソルダの表面が
不溶性状態となるのでハンダ付品質が低下され、ブリッ
ジ(Bridge)生成などの不良が誘発される。反面、Sbの添
加量が0.05重量%以下となる場合にはSb添加による効果
が期待できない。従って、本実施の形態のソルダ合金に
は0.05乃至10重量%のSbが添加される。Agの場合ソルダ
合金の強度を増加させると同時に軟性を高めるための目
的で添加されるが、高価なのでAg添加による影響を最小
化しない範囲内で微少量添加することが望ましい。従っ
て、本実施の形態のソルダ合金には0.0001乃至0.05重量
%のAgが添加される。
【００１１】微少量のPの添加もソルダ合金の特性に大
きな影響を及ぼす。即ち、Pはソルダ合金の強度を増加
させ、酸化反応を抑制し、ハンダ付部の熱応力及び振動
等に耐えられる耐ストレス性を向上させる。しかし、P
の添加量が0.0001重量%以下の場合にはソルダ合金の特
性変化にほとんど影響を与えない。反面、0.5重量%以上
のPが添加される場合にはソルダ合金の流動性が低下さ
れる等の悪影響を与えるため本実施の形態のソルダ合金
には0.0001乃至0.5重量%範囲のPが添加される。
【００１２】本実施形態のソルダ合金は前記元素外に残
余成分としてPbを含む。また、前記ソルダ合金には製造
過程に応じて不可避に少量の不純物がさらに含まれるこ
とができる。さらに、ハンダ付強度及びPb濡れ性を向上
させるために前記ソルダ合金は0.01乃至1重量%のCu、0.
01乃至5重量%のNi、0.001乃至0.5重量%のGe、0.001乃至
1重量%のTe、0.001乃至1重量%のGa及び0.001乃至1重量%
のInの中から選択された少なくとも１つ以上の元素をさ
らに含める。
【００１３】下記表1は前記本実施の形態によるソルダ
合金と既存のソルダ合金の酸化量、ハンダ付強度、広が
り性及び及びクリープ(CREEP)試験などを比較した結果
を示したものである。下記表1に載せられた比較合金1は
印刷回路基板の部品ハンダ付け用として通常使われてい
る従来のSn 63wt%-Pb37wt%工程ソルダ合金であり、合金
(a)乃至(h)は不活性雰囲気で製造された本実施の形態に
よる合金である。合金(i)はAg添加量を本実施の形態で
示した範囲を超えて0.35重量%とした比較合金である。
比較合金1と合金(a)乃至(i)に対する酸化量試験は約1kg
のソルダ合金を同じ大きさの容器に入れて溶融させ、溶
解初期に発生された酸化物を除去した後、約245℃に保
たせたまま攪拌器を利用して100rpmの速度で1時間攪拌
させた後、発生された酸化物を収去し、その重さを測定
した。
【００１４】Pb広がり性試験は銅板を用いて約245℃で
行ない、ハンダ付強度は9PINのコネクターを使用してハ
ンダ付後10mm/secの速度で測定した。また、クリープは
25×25mm基板に約2.75mmのランドサイズ(land size)が
形成されるように長さ10cm、直径0.8mmを有するCuリー
ドワイヤの一端部をハンダ付け、そのCuリードワイヤの
他端部に1kgの錘を吊り下げて100℃の恒温器に入れてか
ら、前記Cuリードワイヤが基板のハンダ付部から離れる
までの所要時間を測定した。
【表１】 前記表1から分かるように本実施の形態によるソルダ合
金は既存のソルダ合金と同一な水準の広がり性を保ちな
がら、酸化量が少ないと同時にハンダ付強度及びクリー
プ特性がさらに優秀である。
【００１５】以下、本発明に第2の実施の形態によるソ
ルダ合金を詳しく説明する。本発明の第2の実施の形態
によるソルダ合金はAgの代りにGeが添加されることを除
けば前述した第1の実施の形態のソルダ合金に含まれた
元素と同じ元素を含む。前記Geはソルダの強度を増加さ
せると同時に酸化物の発生を抑制して軟性を高めるため
の目的で添加されるが、高価なのでGeの添加による影響
を最小化しない範囲内で少量添加される。Geが0.001重
量%以下に添加されるとその添加による効果がほとんど
ないので、本実施の形態のソルダ合金に添加されるGeの
適正組成は望ましくは0.0001乃至5重量%範囲内である。
【００１６】本実施の形態によるソルダ合金に添加され
るSnとSb及びPbの組成はGeの添加量により適切に調整し
うる。望ましくは、本実施の形態のソルダ合金は55乃至
70重量%のSn、0.05乃至5.0重量%のSb、0.001乃至0.1重
量%のGe、0.0001乃至0.05重量%のP及び残部のPbを含
む。前述した実施の形態と同様に、本実施の形態のソル
ダ合金も製造工程に応じて不回避に添加されたその他の
不純物が含める。さらに、ハンダ付強度を向上させるた
めに前記ソルダ合金は0.001乃至0.2重量%のCu、0.001乃
至5.0重量%のBi、0.01乃至0.5重量%のNi、0.001乃至1.0
重量%のTe、0.001乃至1.0重量%のGa及び0.001乃至1.0重
量%のInの中から選択された少なくとも１つ以上の元素
をさらに含める。
【００１７】下記表2は本発明の第2の実施の形態による
ソルダ合金と既存のソルダ合金との酸化量、ハンダ付強
度、広がり性及びクリープ試験などを比較した結果を示
したものである。下記表2に載せられた比較合金2は印刷
回路基板の部品ハンダ付用として通常使われているSn 6
3wt%-Pb 37wt%の従来の工程ソルダ合金であり、合金(j)
乃至(r）は不活性雰囲気で製造された本実施の形態によ
る合金である。比較合金2と合金(j)乃至(r)に対する酸
化量試験は約1kgのソルダ合金を同じ大きさの容器に入
れて溶融させ、溶融初期に発生された酸化物を除去した
後、約245℃に保たせたまま、撹拌器を用いて100rpmの
速度で1時間撹拌させてから酸化物を収去し、その重さ
を測定した。
【００１８】Pb広がり性試験は銅板を用いて約245℃で
行ない、ハンダ付強度は9PINのコネクターを使用してハ
ンダ付けた後10mm/sec速度で測定した。また、クリープ
は25×25mm基板に約2.75mmのランドサイズが形成される
ように長さ10cm、直径0.8mmを有するCuリードワイヤの
一端部をハンダ付け、そのCuリードワイヤの他端部に1k
gの錘を吊り下げて100℃の恒温器に入れた後、前記Cuリ
ードワイヤが基板のハンダ付部から離れるまでの所要時
間を測定した。
【表２】 前記表2から分かるように本実施の形態によるソルダ合
金は既存のハンダ合金と同一な水準のPb広がり性を保ち
ながら、酸化量が少ないと同時にハンダ付強度及びクリ
ープ特性にさらに優れた特性を有する。
【００１９】本発明のさらに他の側面によれば、前述し
た実施の形態等の成分及び組成よりなるソルダ合金粉末
とロジンなどが含まれた通常のクリームソルダ製造用フ
ラックスを含有するクリームソルダを提供しうる。ま
た、前記ソルダ合金粉末及び樹脂を含んだワイヤソルダ
も提供されうる。
【００２０】
【発明の効果】以上、説明されたように本発明によれ
ば、ハンダ付部の疲労特性が向上され、ハンダ付部品の
耐久性が増大される。また、ハンダ付時に金属酸化物の
発生が抑制されるのでソルダ損失の最小化によるコスト
下げの効果が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−153857（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−255637（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−178587（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 35/26

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Sn 50乃至80重量%、Sb 0.05乃至10重量
    %、Ag 0.0001乃至0.05重量%、P 0.0001乃至0.5重量%、
    不回避な不純物及び残部のPbよりなることを特徴とする
    ソルダ合金。
  2. 【請求項２】 0.01乃至1重量%のCu、0.01乃至5重量%の
    Ni、0.001乃至0.5重量%のGe、0.001乃至1重量%のTe、0.
    001乃至1重量%のGa及び0.001乃至1重量%のInの中から選
    択された少なくとも１つ以上の元素をさらに含むことを
    特徴とする請求項1に記載のソルダ合金。
  3. 【請求項３】 Sn 55乃至70重量%、Sb 0.05乃至5.0重量
    %、Ge 0.001乃至0.1重量%、P 0.0001乃至0.05重量%、不
    回避な不純物及び残部のPbよりなることを特徴とするソ
    ルダ合金。
  4. 【請求項４】 0.001乃至0.2重量%のCu、0.001乃至5.0重
    量%のBi、0.01乃至0.5重量%のNi、0.001乃至1.0重量%の
    Te、0.001乃至1.0重量%のGa及び0.001乃至1.0重量%のIn
    の中から選択された少なくとも１つ以上の元素をさらに
    含むことを特徴とする請求項３に記載のソルダ合金。
  5. 【請求項５】 Sn 50乃至80重量%、Sb 0.05乃至10重量
    %、Ag 0.0001乃至0.05重量%、P 0.0001乃至0.5重量%、
    不回避な不純物及び残部のPbよりなるソルダ合金粉末
    と、 ロジンが含まれたフラックスを含有したことを特徴とす
    るクリームソルダ。
  6. 【請求項６】 前記ソルダ合金粉末は0.01乃至1重量%の
    Cu、0.01乃至5重量%のNi、0.001乃至0.5重量%のGe、0.0
    01乃至1重量%のTe、0.001乃至1重量%のGa及び0.001乃至
    1重量%のInの中から選択された少なくとも１つ以上の元
    素をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のクリ
    ームソルダ。
  7. 【請求項７】 Sn 55乃至70重量%、Sb 0.05乃至5.0重量
    %、Ge 0.001乃至0.1重量%、P 0.0001乃至0.05重量%、不
    回避な不純物及び残部のPbよりなるソルダ合金と、 ロジンが含まれたフラックスを含有したことを特徴とす
    るクリームソルダ。
  8. 【請求項８】 前記ソルダ合金は0.001乃至0.2重量%のC
    u、0.001乃至5.0重量%のBi、0.01乃至0.5重量%のNi、0.
    001乃至1.0重量%のTe、0.001乃至1.0重量%のGa及び0.00
    1乃至1.0重量%のInの中から選択された少なくとも１つ
    以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項７に記
    載のクリームソルダ。
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