JP3353640B2

JP3353640B2 - はんだ合金

Info

Publication number: JP3353640B2
Application number: JP09782897A
Authority: JP
Inventors: 満男山下; 慎司多田; 国夫塩川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 2002-12-03
Anticipated expiration: 2017-04-16
Also published as: JPH10286689A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子機器における金
属の接合に使用されるはんだ合金に係り、特に鉛を含有
しないで対環境性の良好なはんだ合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】はんだ接合を行う場合に必要な特性とし
て、所望の接合温度を有し、接合時にぬれ性が良好であ
ること、熱疲労強度や耐食性が優れること、さらに環境
に対する配慮から鉛Pbを含有しないことが望まれる。半
導体装置におけるチップのはんだ合金接合部は、金属導
体との面積接合であり、パワー通電時のチップの熱発生
により大きな熱ひずみを発生するために接合部に使用さ
れるはんだ合金は過酷な使用環境に置かれることとな
り、優れた熱疲労強度が要求される。さらに半導体装置
によっては構造的に複数回のはんだ接合を必要とする場
合があり、このときには接合温度の異なる複数の種類の
はんだ合金が必要で、後工程の温度プロファイルの影響
を受けにくいはんだ合金が必要になる。

【０００３】これらの要求に対する従来のはんだ合金と
しては、Pb-Sn系はんだ合金、及びSn-Sb 系はんだ合金
が知られている。しかしながら従来のはんだ合金には以
下のような問題があった。Pb-Sn 系はんだ合金は、引張
り強度が低くて延性に富むため、発生ひずみ量が大きく
て疲労強度が低く、また下記に記述するように耐熱性が
低い点と合わせ、熱疲労強度が低いという欠点がある。
Pb-Sn系はんだ合金は、183 ℃を共晶温度とする合金で
あり、Pbの増加により溶融点を183 ℃から300 ℃付近ま
で高めることはできるが、液相のみが存在する液相温度
と固相のみが存在する固相温度（183 ℃）の間の固液共
存領域が広くなる。共晶組成（63Pb37Sn）以外の高Pbは
んだ合金であっても、接合時の凝固時間は通常短く、高
Pb―低Snはんだ合金の二元系状態図に基づいて理想的な
凝固過程を辿ることは少なく、鉛、スズ、それぞれの濃
度が高い相や共晶組織など種々形態の金属組織となり、
安定化し難い。また耐熱性の点では、共晶温度が183 ℃
であるために比較的低温域で材質劣化が生じやすいとい
う問題がある。

【０００４】さらにPb-Sn系はんだ合金は、Pbを含有す
るため環境対策の点で望ましくない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Pb-Sn 系はんだ合金に
替わるはんだ合金でPbを含有せず、かつ耐熱性の良好な
はんだ合金としては、溶融点232-245 ℃を有するSn-Sb
系はんだ合金が広く知られている。図３はSn-Sb系はん
だ合金の相平衡を示す状態図である。

【０００６】この状態図は日本金属学会金属データブ
ック（昭和４９年版）に所収のものである。Sn-Sb系は
んだ合金は、Pb-Sn系はんだ合金より強度が比較的高く
優れている。Sn-Sb系はんだ合金は、Sb8.5wt%において
包晶点（包晶温度245℃）を有し、Sbは通常、8 wt% 以
下で使用される。溶融はSnの溶融点232 ℃と包晶温度24
5℃の間で生じるので、固液共存領域が狭くて溶融開始
温度が高く、耐熱性に優れている。Sb量を増加すること
により、強度的にも優れたものが得られる。しかしなが
らSn-Sb系はんだ合金は、はんだ接合時のぬれ性が悪
く、また熱疲労強度も充分に満足できるものではなかっ
た。

【０００７】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、Sn-Sb系はんだ合金に改良を加え、ぬれ性が良
く、熱疲労強度に優れるSn-Sb 系はんだ合金を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば、アンチモンを２．５ないし３．５重量％、銀を
１．０ないし３．５重量％、ニッケルを１．０重量％以
下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はスズおよ
び不可避的不純物からなること、またはアンチモンを
２．５ないし３．５重量％、銀を１．０ないし３．５重
量％、銅を１．０重量％以下（範囲下限値の零を含ま
ず）、ニッケルを１．０重量％以下（範囲下限値の零を
含まず）含有し、残部はスズおよび不可避的不純物から
なることにより達成される。

【０００９】Sn-Sb系はんだ合金では、Sbを添加して溶
融点232 ℃から240 ℃において、熱疲労特性を高めてい
るが、ぬれ性の改善と一層の強度増加をAg,Cu,Niの添加
により達成する。Agの添加は、疲労強度，ぬれ性を向上
する。Agは、結晶粒界に高濃度に存在し、結晶粒界の移
動を抑えるため疲労強度が向上する。しかしながらSn-A
g 合金は、Sn-3.5wt% Agにおいて共晶点( 共晶温度221
℃) を有し、Ag添加により溶融点の低下をもたらすので
Cu,Ni 添加により溶融点を高めて溶融点の低下を補うこ
とができる。Ag添加量としては、３wt％と、６wt％含有
する合金では強度は同レベルである。Ag添加量が3.5wt%
を越すと、溶融点（液相温度）が高くなり、接合温度を
ぬれ性確保のためにも高くする必要があり、さらに固液
共存領域が大きくなる。

【００１０】Cuの添加は、ぬれ性を損なうことなく、Sn
中に固溶して耐熱性と合金強度を向上させる。Cuを３wt
％以上添加すると、溶融点（液相温度）が急激に上昇
し、また特開平5-50286 号公報に指摘されているように
金属間化合物（Cu3Sn など）の形成量が多くなり、疲労
強度が損なわれる。Cuは0.5wt%の添加しても強度の向上
をもたらす。

【００１１】Niの添加は、溶融点が高い（1450℃）ので
合金の熱的安定性をもたらすとともに、結晶組織の微細
化効果、Ni-Sn 化合物の形成による熱疲労特性向上効
果、およびCu基板と接合する際の接合強度を低下させる
金属間化合物（Cu3Sn ）の生成を抑制する。Ni量が多く
なると（5wt%以上）、合金溶製が困難となり、接合時に
粘度が大きくなって広がり性が低下する。Ni量が1.0 wt
% 以下では、強度向上、およびぬれ性が向上する。Ni量
が1wt ％を越すと硬くなり圧延加工性が悪くなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】はんだ合金は、アンチモンを２．
５ないし３．５重量％、銀を１．０ないし３．５重量
％、ニッケルを１．０重量％以下（範囲下限値の零は含
まず）含有し、残部はスズおよび不可避的不純物からな
るSn-Sb 系はんだ合金、アンチモンを２．５ないし３．
５重量％、銀を１．０ないし３．５重量％、銅を１．０
重量％以下（範囲下限値の零は含まず）、ニッケルを
１．０重量％以下（範囲下限値の零は含まず）含有し、
残部はスズおよび不可避的不純物からなるSn-Sb 系はん
だ合金、が用いられる。

【００１３】図１はSn,Sb,Ag,Ni からなる「はんだ合
金」の最適組成領域を示す要部拡大正四面体図である。
図２はSn,Sb,Ag,Ni+Cu からなるはんだ合金の最適組成
領域を示す要部拡大正四面体図である。

【００１４】この図で最適組成領域はf1，f2，f3，f4，
f5，f6，f7，f8，またはf1，f2，f3，f4，f9，f10 ，f1
1 ，f12,で囲まれた領域である。但しf1，f2，f3，f4，
で囲まれる平面は含まれない。ｎを1 ないし12の整数と
するとき fn ( Sb重量％,Ag重量％,Ni重量％または(Cu+
Ni) 重量％,Sn 重量％) は正四面体内のはんだ合金組成
を示す。金属の重量％は正四面体の高さを100 としたと
きに各組成から四つの平面に下した垂線の長さである。
(Cu+Ni) 重量％はCu,Niそれぞれが1.0 重量％以下であ
る。

【００１５】f1(2.5, 1.0, 0, 96.5) 、f2(3.5, 1.0,
0, 95.5) 、f3(3.5, 3.5, 0,93.0) 、f4(2.5, 3.5,
0, 94.0) 、f5(2.5, 1.0, 1.0, 95.5)、f6(3.5, 1.
0,1.0, 94.5) 、f7(3.5, 3.5, 1.0, 92.0)、f8(2.5,
3.5, 1.0, 93.0)、f9(2.5, 1.0, 2.0, 94.5)、f10(3.
5, 1.0, 2.0, 93.5) 、f11(3.5, 3.5, 2.0, 91.0) 、
f12(2.5, 3.5, 2.0, 92.0)はんだ合金は、Sn,Sb,Ag,C
u,Ni各原料金属を電気炉中で溶解することにより作製さ
れる。

【００１６】

【実施例】実験には純度99.99wt%以上の金属を使用し
た。この溶製原料を金型に鋳込み引張り試験片（3 mm
φ）を作製し、また溶製原料の一部を用いてぬれ性を測
定した。引張試験は室温で実施した。ぬれ性はメニスコ
グラフ法で、フラックス（ＲＭＡタイプ）を使用して測
定した。はんだ原料を280 ℃に加熱、溶融させ、2 ｍｍ
φの銅線を使用し、浸漬後、ぬれ力を測定した。

【００１７】合金各組成の溶融点，引張り強さ，破断伸
び，ぬれ力が表１に示される。表中の組成を示す数字は
重量％を表す。

【００１８】

【表１】

【００１９】Sn-Sb 合金中のSb量を増加すると、引張り
強度は増大するが、ぬれ性は低下する傾向を有する。Ag
添加量を増加すると、強度の向上が認められる。しかし
強度レベルの増加はAgを3wt%添加しても6 wt% 添加して
もほぼ同レベルである。Agは溶融点を大きく低下しない
で、ぬれ性を改善するのに有効であるが、3.5wt%を越す
と、溶融温度（液相線）が上昇し、作業温度を高くする
必要が生じ、共晶温度221 ℃（固相線）との固液共存温
度域も広くなる。従って強度を向上させ、ぬれ性を改善
させる適切なAgの添加量は1 〜3.5wt%量である。

【００２０】Sn-3wt% SbにCuやNiを添加すると、強度が
向上するから、強化効果をもたらしていることがわか
る。Sn-3wt%Sb-1wt%Ag-1wt%Cu にNiを0.5wt%, 1.0wt%添
加したものは優れたぬれ性を示しており、複合添加によ
り強度向上とともにぬれ性が向上することがわかる。ま
たSn-3%wtSb-3wt%Agにおいては、Cu,Ni を0.5wt%添加し
たものは、強度が最も高く、ぬれ性もSn−5 wt%Sb はん
だ合金,Sn −8 wt%Sb はんだ合金に比して優れている。
Sn-3wt%Sb はんだ合金に3 wt% Ag，0.5wt%Cu, 0.5wt%Ni
を複合添加することにより強度は３〜５倍になってい
る。Cu,Ni は単独に添加しても強度向上に効果はある
が、複合添加した方が熱疲労強度の向上に役立つ。

【００２１】Sn-Sb 合金は、溶融点が230-245 ℃の範囲
にあり、耐熱強度に優れることが特徴であるが、ぬれ性
に劣ることが欠点であった。以上の実施例で得た測定結
果からわかるようにAg,Cu,Niを添加することにより、4w
t%以上のSbを含有するSn-Sb系はんだ合金に比し、強度
的に格段に優れ、耐熱性を有し、ぬれ性も向上したはん
だ合金が得られる。

【００２２】

【発明の効果】この発明によれば、はんだ合金が、スズ
を主成分とし、アンチモンを２．５ないし３．５重量
％、銀を１．０ないし３．５重量％、ニッケルを１．０
重量％以下（範囲下限値の零は含まず）の量含むとし、
またスズを主成分とし、アンチモンを２．５ないし３．
５重量％、銀を１．０ないし３．５重量％、銅を１．０
重量％以下（範囲下限値の零は含まず）、ニッケルを
１．０重量％以下（範囲下限値の零は含まず）の量含む
とするので、4wt%以上のSbを含有するSn-Sb 系はんだ合
金に比し、強度的に格段に優れ、耐熱性を有し、ぬれ性
も向上したはんだ合金が得られた。また本合金は鉛を含
まないので環境的にも望ましい「はんだ合金」が得られ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】Sn,Sb,Ag,Ni からなるはんだ合金の最適組成領
域を示す要部拡大正四面体図

【図２】Sn,Sb,Ag,Ni+Cuからなるはんだ合金の最適組成
領域を示す要部拡大正四面体図

【図３】Sn-Sb 系はんだ合金の相平衡を示す状態図

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−50286（ＪＰ，Ａ) 特表平８−509661（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/26 C22C 13/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アンチモンを２．５ないし３．５重量％、
銀を１．０ないし３．５重量％、ニッケルを１．０重量
％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はスズ
および不可避的不純物からなることを特徴とする電子機
器の金属接合用のはんだ合金。
【請求項２】アンチモンを２．５ないし３．５重量％、
銀を１．０ないし３．５重量％、銅を１．０重量％以下
（範囲下限値の零を含まず）、ニッケルを１．０重量％
以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はスズお
よび不可避的不純物からなることを特徴とする電子機器
の金属接合用のはんだ合金。