JP3353686B2 - はんだ合金 - Google Patents
はんだ合金Info
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Description
金属接合において使用される「はんだ合金」に係り、特
に鉛を含有しないで公害のない「はんだ合金」に関す
る。
は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、また延性,熱疲労強度,耐食性に優れていること
が必要である。さらに「はんだ合金」は環境上の配慮か
ら鉛を含有しないことが望まれる。
Sn-Pb 合金、スズ‐銀Sn-Ag 合金,スズ‐アンチモンSn
-Sb 合金、スズ- ビスマスSn-Bi 系合金等があげられ
る。
b 合金である63Sn-37Pb (共晶温度183 ℃)は鉛を含有
するので対環境性の点で望ましくない。装置の構成上、
複数回の「はんだ接合」を行なう場合に接合温度の異な
る複数種類の「はんだ合金」を使用する必要があり、さ
らに半導体部品の信頼性を保証するために半導体部品は
ピーク温度125 ℃付近までのヒートサイクル耐久性が必
要であるために溶融温度が約180℃で鉛フリーの低温
「はんだ合金」が必要となる。
金」でPbを含有しない「はんだ合金」であるスズ‐アン
チモンSn-Sb 合金は溶融温度が232-245 ℃であり、また
スズ‐銀Sn-Ag 合金(3.5 %銀)は共晶点が221 ℃であ
り溶融温度がそれぞれ高い。スズ- ビスマスSn-Bi 系合
金の一つであるSn7.5Bi2Ag0.5Cu は溶融温度が200-220
℃で、接合温度として240-250 を要する。またSn7.5Bi2
Ag0.5Cu のようにビスマスを数%含有するものは延性が
低く、加工性や強度上の問題があり、さらに液相線/固
相線の固液共存領域が広く部品によっては接合時にビス
マスの濃度偏析を生じ、剥離を生じる(リフトオフ現
象)場合もある。
金」としてスズをベースとしてインジウムを添加したSn
-In 合金が検討されている。Sn-In 合金は共晶点が118
℃である。さらに他の鉛フリーの低温「はんだ合金」で
あるBi-In 合金は共晶点が75℃である。上述した鉛フリ
ーの低温「はんだ合金」は耐熱温度が低過ぎる。この発
明は上述の点に鑑みてさなれその目的は、スズ- ビスマ
スSn-Bi 系合金を改良して、延性や熱強度に優れるとと
もに鉛フリーの低温「はんだ合金」を提供することにあ
る。
よれば、ビスマスを30ないし58重量%、ゲルマニウ
ムを0.1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。上述の発明においてアンチモンを5重量
%以下(範囲下限値の零を含まず)含有すること、銀を
2重量%以下(範囲下限値の零を含まず)含有するこ
と、またはアンチモンを5重量%以下(範囲下限値の零
を含まず)と銀を2重量%以下(範囲下限値の零を含ま
ず)含有することが有効である。
58重量%含有するスズ- ビスマスSn-Bi 系合金は溶融
温度が180 ℃近辺にある。スズを主成分とし、ビスマス
を30ないし58重量%含有するスズ- ビスマスSn-Bi
合金に、ゲルマニウムを0.1重量%以下(範囲下限値
の零を含まず)添加するとスズ- ビスマスSn-Bi 合金の
強度が増加する。アンチモンの5重量%以下(範囲下限
値の零を含まず)もしくは銀の2重量%以下(範囲下限
値の零を含まず)または両者を添加すると引っ張り強度
はさらに高まる。
ウムの添加量においてはスズ- ビスマスSn-Bi 系合金の
延性は良好に維持される。
Ge, の各原料を電気炉中で溶解して調製することができ
る。各原料は純度99.99 重量%以上のものを使用した。
Snは主成分である。Biが30ないし58重量%以下、Geが0.
1 重量%以下(範囲下限値の零を含まず)添加される。
Sb5 重量%以下(範囲下限値の零を含まず)もしくはAg
2 重量%以下(範囲下限値の零を含まず)またはSb5 重
量%以下(範囲下限値の零を含まず)とAg2 重量%以下
(範囲下限値の零を含まず)の両者がSnを主成分としBi
が30ないし58重量%以下、Geが0.1 重量%以下(範囲下
限値の零を含まず)のスズ- ビスマスSn-Bi 系合金に添
加される。
合金につき伸び(%)のBi添加量(wt%)依存性を示
す線図である。図中○はSn-Bi 合金の示す特性点、◇は
Sn-Bi-Ag合金の示す特性点、□はSn-Bi-Sb合金の示す特
性点である。伸び測定におけるひずみ速度は0.2 %/s
である。Sn-Bi 合金(○)の延性はBi添加量とともに増
し、ピークを過ぎると共晶組成(Bi58%)に向けて漸減
することがわかる。共晶組成における融点は139 ℃であ
る。Bi30-50 %の範囲ではSn-Bi 合金の伸びは50-90 %
である。Sn-Ag 合金(3.5 %銀)は伸びが20-30 %であ
り、また鉛フリーのスズ- ビスマスSn-Bi 系合金である
Sn7.5Bi2Ag0.5Cu (溶融温度は約200 ℃)が伸び10%を
示すことを考慮すると、Bi30-50 %の範囲でのSn-Bi 合
金の伸びは充分に大きい。これはSn-Pb 「はんだ合金」
と同等レベルの延性である。Sn-Bi-Ag合金(◇)、Sn-B
i-Sb合金(□)の延性はBi30-58 %の範囲でSn-Bi 合金
(○)よりも低下するがまだ充分に大きいことがわか
る。
合金(Bi43重量%)につき引っ張り強度のGe添加量依存
性を示す線図である。引っ張り強度試験は直径3mm の試
験片を用い、引っ張り速度を0.2 %/sにして室温で測
定した。Sn-Bi 合金(Bi43重量%)にSb,Ag,Geを添加す
ると引っ張り強度が増大することがわかる。Geを添加す
るとSnの酸化が防止される。スズに43重量%のビスマス
を添加した合金(Sn43Bi),スズに43重量%のビスマス
と2 重量%のAgを添加した合金(Sn43Bi2Ag ),スズに
43重量%のビスマスと2 重量%のSbを添加した合金(Sn
43Bi2Sb ),スズに43重量%のビスマスと5 重量%のSb
を添加した合金(Sn43Bi5Sb )のそれぞれにGeを0.05重
量%添加すると引っ張り強度が一様に増加する。Geを0.
1 重量%添加するとSbを含む合金の強度はさらに増す
が、Agを含む合金の強度は飽和して減少に転ずる。
合金(Bi43重量%)につき伸び(%)のGe添加量依存性
を示す線図である。Sb,Ag,Geをスズ- ビスマスSn-Bi 合
金(Bi43重量%)に添加すると伸びはSn-Bi 合金(Bi43
重量%)より低下する。Geを0.05重量%より0.1 重量%
に増大するとSbを含む合金はAgを含む合金に比して伸び
(%)が小さくなるがGe0.1 重量%においてなお30%の
伸びを示し充分に使用可能である。
合金(Bi43重量%)につき温度100℃におけるクリープ
速度のGe添加量依存性を示す線図である。スズに43重量
%のビスマスを添加した合金(Sn43Bi),スズに43重量
%のビスマスと2 重量%のAgを添加した合金(Sn43Bi2A
g )はほぼ同程度のクリープ抵抗を示す。Geを0.05重量
%より0.1 重量%に増大するとクリープ速度は小さくな
り、クリープ抵抗が増すからGe添加の効果が認められ
る。スズに43重量%のビスマスと2 重量%のSbを添加し
た合金(Sn43Bi2Sb ),スズに43重量%のビスマスと5
重量%のSbを添加した合金(Sn43Bi5Sb )はGeを0.05重
量%添加するとクリープ抵抗が顕著に増大する。これは
GeとSbの相乗効果による。
合金(Bi43重量%)につき温度100℃と温度120 ℃の範
囲におけるクリープ速度の温度依存性をスス- 鉛Sn-Pb
合金の特性とともに示す線図である。熱強度を調べるた
めに上述と同様の試験片を用い、クリープ試験を行っ
た。スズに43重量%のビスマスを添加した合金(Sn43B
i),スズに43重量%のビスマスと2 重量%のSbを添加
した合金(Sn43Bi2Sb ),スズに43重量%のビスマスと
2 重量%のSbと0.05重量%のGeを添加した合金(Sn43Bi
2Sb0.05 Ge),スズ-鉛Sn-Pb 合金(63Sn-37Pb )はほ
ぼ同程度のクリープ温度特性を示す。特にスズに43重量
%のビスマスを添加した合金(Sn43Bi)にSbを添加する
と温度100-120℃で安定したクリープ抵抗を示し、スズ
に43重量%のビスマスと2 重量%のSbと0.05重量%のGe
を添加した合金(Sn43Bi2Sb0.05 Ge)はスズ- 鉛Sn-Pb
合金(63Sn-37Pb )とほぼ同等なクリープ温度特性を示
す。スズに43重量%のビスマスを添加した合金(Sn43B
i)にSbとGeを添加した際のクリープ特性はスズに30重
量%のビスマスを添加した合金(Sn30Bi)とスズに58重
量%のビスマスを添加した合金(Sn58Bi)においても同
様に認められた。
スマスを30ないし58重量%、ゲルマニウムを0.1
重量%以下(範囲下限値の零を含まず)含有するので、
延性と熱強度に優れ鉛フリーの低温「はんだ合金」が得
られる。このスズ- ビスマスSn-Bi 系合金にアンチモン
もしくは銀またはアンチモンと銀の両者を添加すると熱
強度が同等以上に良好な鉛フリーのスズ- ビスマスSn-B
i 系低温「はんだ合金」が得られる。
伸び(%)のBi添加量(wt%)依存性を示す線図
重量%)につき引っ張り強度のGe添加量依存性を示す線
図
重量%)につき伸び(%)のGe添加量依存性を示す線図
重量%)につき温度100 ℃におけるクリープ速度のGe添
加量依存性を示す線図
重量%)につき温度100 ℃と温度120 ℃の範囲における
クリープ速度の温度依存性をスズ- 鉛Sn-Pb 合金の特性
とともに示す線図
Claims (4)
- 【請求項1】ビスマスを30ないし58重量%、ゲルマ
ニウムを0.1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5重量%以下(範囲下限値の
零を含まず)含有する請求項1に記載のはんだ合金。 - 【請求項3】銀を2重量%以下(範囲下限値の零を含ま
ず)含有する請求項1に記載のはんだ合金。 - 【請求項4】アンチモンを5重量%以下(範囲下限値の
零を含まず)と銀を2重量%以下(範囲下限値の零を含
まず)含有する請求項1に記載のはんだ合金。
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Country Status (1)
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