JP3357045B2 - はんだ合金およびはんだ接合部 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、環境に対する安全性の高いはんだ合金およ
びそれを用いた電気・電子機器のはんだ接合部に関す
る。

背景技術 従来、各種の電気・電子機器におけるはんだ接合に
は、融点が低く、大気中等の酸化性雰囲気中でも濡れ性
がよい等の観点から、鉛−錫（Ｐｂ−Ｓｎ）系のはんだ
合金が多用されている。Ｐｂは毒性を有するため、Ｐｂ
やＰｂ含有合金等を扱う業務については従来から規制が
なされており、Ｐｂ中毒等の発生頻度は極めて低く抑え
られてきた。

しかし、最近の環境破壊に対する感心の高まりによっ
て、Ｐｂを含むはんだ合金を用いた各種機器、特に電気
・電子機器の廃棄処理についても問題視され始めてい
る。

これまで、使用済の電子機器は、通常の産業廃棄物や
一般廃棄物と同様に、主として埋め立て処理することが
一般的であった。しかし、Ｐｂを含むはんだ合金を多量
に用いた使用済み電子機器をそのまま埋め立て処理等に
より廃棄し続けていくと、Ｐｂの溶出によって環境や生
物に悪影響を及ぼすことが危惧される。

そのため近い将来には、Ｐｂ含有はんだ合金を多量に
用いた使用済み電子機器は、Ｐｂを回収した後に廃棄す
ることが義務付けられることになるであろう。

しかし、これまでに、使用済み電子機器等から効率的
に且つ有効にＰｂを除去する技術は確立されていない。
また、Ｐｂの回収コストが製品コストの上昇を招く恐れ
がある。

そこで、Ｐｂを含まない無鉛はんだ合金の開発が強く
望まれている。

これまで、無鉛はんだ合金として、例えば錫をベース
とし、これにＺｎ（亜鉛）、Ａｇ（銀）、Ｂｉ（ビスマ
ス）、Ｃｕ（銅）、等を複合添加した合金が一部実用化
されているが、特殊な用途に限定されている。それは、
従来のＰｂ−Ｓｎはんだ合金を用いていた一般的な用途
で必要とされる諸特性、すなわち低融点で濡れ性が良い
こと、リフロー処理が可能であること、母材と反応して
脆い化合物層や脆化層を形成しないこと、等の特性（は
んだ付け性）が得られないからである。

現在、有望な無鉛はんだ合金としてＳｎ−Ｚｎはんだ
合金が提案されている。Ｓｎ−Ｚｎはんだ合金は融点が
２００℃近傍にあり、従来のＳｎ−Ｐｂはんだ合金を代
替できる可能性が極めて高い。

しかし、Ｚｎは酸化が激しく、はんだ濡れ性が劣るた
め、良好なはんだ付け性を確保するためには、窒素ガス
等の非酸化性雰囲気を用いる必要がある。

Ｓｎ−Ｚｎ合金のはんだ濡れ性を改善するために、Ｃ
ｕ（銅）やＧｅ（ゲルマニウム）を添加することが提案
されているが、期待された濡れ性の向上は得られていな
い。むしろＣｕの添加によって、Ｃｕ−Ｚｎ金属間化合
物がはんだ合金中に急速に形成されるため、はんだ合金
の特性が悪化するという欠点がある。

更に、Ｚｎは活性が非常に高く、Ｃｕ母材上にはんだ
付けを行った場合に、少量の入熱でもＣｕ−Ｚｎ金属間
化合物の厚い層が容易に形成してしまい、接合強度が低
下する原因になる。この場合の母材／はんだ界面構造
は、Ｃｕ母材／β′−ＣｕＺｎ層／γ−Ｃｕ_５Ｚｎ_８層
／はんだ層、という構成になると考えられる。Ｃｕ−Ｚ
ｎ金属間化合物層は、はんだとの界面での接合強度が極
めて低く、容易に剥離が発生する。Ｃｕ母材の表面を、
Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）めっき、パラジウムめっ
き、パラジウム／金めっき処理した場合にも、同様な現
象が発生してしまう。そのため、電子機器の信頼性の観
点から、Ｓｎ−Ｚｎはんだ合金の実用は困難であった。

発明の開示 本発明は、環境に対して悪影響を及ぼすことがなく、
従来のＰｂ−Ｓｎはんだ合金に匹敵するはんだ付け性を
有するはんだ合金およびそれを用いたはんだ接合部を提
供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本願第１発明によれ
ば、下記（１）および（２）が提供される。

（１）Ｚｎ：３．０〜１４．０wt％、Ａｌ：０．００２
０〜０．００８０wt％、および残部：Ｓｎおよび不可避
的不純物から成るはんだ合金。

（２）上記（１）記載のはんだ合金から成る、電気・電
子機器のはんだ接合部。

また、本願第２発明によれば、下記（３）および
（４）が提供される。

（３）Ｚｎ：３．０〜１４．０wt％、Ｂｉ：３．０〜
６．０wt％、Ａｌ：０．００２０〜０．０１００wt％、
および残部：Ｓｎおよび不可避的不純物から成るはんだ
合金。

（４）上記（３）のはんだ合金から成る、電気・電子機
器のはんだ接合部。

図面の簡単な説明 図１は、濡れ性を評価するためのメニスカス試験の方法
を示すグラフである。

図２は、ラップジョイント接合強度試験の方法を示す模
式図である。

図３は、Ｘwt％Ｚｎ−０．００６０wt％Ａｌ−Ｓｎはん
だ合金のＺｎ含有量（Ｘ）と融点（液相線温度）との関
係を示すグラフである。

図４は、Ｘwt％Ｚｎ−０．００６０wt％Ａｌ−Ｓｎはん
だ合金のＺｎ含有量（Ｘ）と濡れ時間との関係を示すグ
ラフである。

図５は、４wt％Ｚｎ−Ｘwt％Ａｌ−Ｓｎはんだ合金のＡ
ｌ含有量（Ｘ）と濡れ時間との関係を示すグラフであ
る。

図６は、８wt％Ｚｎ−Ｘwt％Ａｌ−Ｓｎはんだ合金のＡ
ｌ含有量（Ｘ）と濡れ時間との関係を示すグラフであ
る。

図７は、１０wt％Ｚｎ−Ｘwt％Ａｌ−Ｓｎはんだ合金の
Ａｌ含有量（Ｘ）と濡れ時間との関係を示すグラフであ
る。

図８は、Ｘwt％Ｚｎ−３Ｂｉ−０．００６０wt％Ａｌ−
Ｓｎはんだ合金のＺｎ含有量（Ｘ）と融点（液相線温
度）との関係を示すグラフである。

図９は、８Ｚｎ−Ｘwt％Ｂｉ−０．００６０wt％Ａｌ−
Ｓｎはんだ合金のＢｉ含有量（Ｘ）と融点（液相線温
度）との関係を示すグラフである。

図１０は、８wt％Ｚｎ−Ｘwt％Ｂｉ−０．００６０wt％
Ａｌ−Ｓｎはんだ合金のＢｉ含有量（Ｘ）と濡れ時間と
の関係を示すグラフである。

図１１は、８wt％Ｚｎ−３wt％Ｂｉ−Ｘwt％Ａｌ−Ｓｎ
はんだ合金のＡｌ含有量（Ｘ）と濡れ時間との関係を示
すグラフである。

図１２は、種々の組成のはんだ合金について、ラップジ
ョイント接合強度を比較して示すグラフである。

図１３は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌはんだ合金粉末粒子の表面
領域における深さ方向の元素分布を示すグラフである。

図１４は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌはんだ合金粉末によるはん
だ接合部におけるはんだボールの発生状況を示す模式図
である。

図１５は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌはんだ合金粉末およびＳｎ
−Ｚｎ−Ｂｉ−Ａｌはんだ合金粉末によるはんだ接合部
に発生したはんだボールの外観写真である。

図１６は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌはんだ合金粉末のＡｌ含有
量とはんだ接合部におけるはんだボールの発生率との関
係を示すグラフである。

図１７は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ａｌはんだ合金粉末のＡ
ｌ含有量とはんだ接合部におけるはんだボールの発生率
との関係を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態 本発明において、合金成分の含有量を限定した理由は
下記のとおりである。

・Ｚｎ：３〜１４wt％（第１・第２発明共通） Ｚｎは、はんだ合金の融点を下げ、濡れ性を向上させ
る基本的な合金成分である。Ｚｎ含有量が３〜１４wt％
の範囲内であれば、安定して良好な濡れ性が確保でき
る。Ｚｎ含有量が３wt％未満であっても１４wt％を超え
ても濡れ性が低下する。

・Ａｌ：０．００２０〜０．００８０wt％（第１発明：
Ｂｉなし） ・Ａｌ：０．００２０〜０．０１００wt％（第２発明：
Ｂｉ含有） Ａｌは、Ｓｎ−Ｚｎ合金の酸化を抑制し、良好な濡れ
性を確保するために添加する。前述のようにＺｎは酸化
が激しく、はんだ表面に生成する酸化皮膜は、母材とは
んだとの間に介在して、はんだによる母材の濡れを阻害
する。Ａｌによる酸化抑制効果を得るためには、Ａｌ含
有量を０．００２０wt％以上とする必要がある。しか
し、Ａｌ含有量が多すぎるとＡｌの酸化皮膜が厚くなり
濡れ性が劣化することが実験的に確認されている。その
ため、Ａｌ含有量の上限は、Ｂｉを含有しない第１発明
では０．００８０wt％とし、Ｂｉを含有する第２発明で
は０．０１００wt％とする。

・Ｂｉ：３．０〜６．０wt％（第２発明） Ｂｉは、はんだ合金の融点を更に低下させ、濡れ性を
更に向上させる。この効果を得るためには、Ｂｉ含有量
を３．０wt％以上とする必要がある。しかし、Ｂｉ含有
量が多すぎると、はんだが硬くなり過ぎて脆くなり、は
んだ接合部の信頼性を確保できない。そのため、Ｂｉ含
有量の上限は６．０wt％とする。

はんだ合金、特に電気・電子機器のはんだ接合用のは
んだ合金には、下記の特性が要求される。

従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金にできるだけ近い
低温ではんだ付けが可能なこと。すなわち、融点が２０
０℃を大きく超えず、高くても２２０℃程度以下が確保
できること。

母材との濡れ性が良好であること。

母材との反応により脆い金属間化合物や脆化層を形
成しないこと。

合金成分の酸化物が、濡れ不良、ボイド、ブリッジ
等の欠陥の発生原因とならないこと。

量産工程でのはんだ接合に適した加工・供給形態
（はんだペースト、ＢＧＡ用はんだボール等の形態）が
とれること。

本発明のＺｎ−Ａｌ−Ｓｎはんだ合金およびＺｎ−Ｂ
ｉ−Ａｌ−Ｓｎはんだ合金は、Ｐｂを含有しないことに
より高い環境安全性を備えると同時に、上記の要求特性
を備えている。

実施例 表１および表２に示した種々の組成のはんだ合金を溶
製し、下記の各方法により、融点（液相線温度）、濡れ
時間、接合強度を測定した。

〈融点の測定〉 ＤＳＣ融点測定法（示差走査熱量測定）により、融点
の代表値として液相線温度を測定した。

〈濡れ時間の測定〉 レスカ社製メニスカス試験機（Solder Checker Model
SAT-5000）を用い、下記メニスカス試験方法により、
濡れ製の代表値として濡れ時間を測定した。なお、試験
雰囲気は大気中とした。ただし、雰囲気の酸素濃度の影
響を確認するために、表２のサンプルNo.４５および６
１については、各々サンプルNo.４４および６０と同じ
組成のはんだ合金について酸素濃度２０００ｐｐｍの窒
素ガス雰囲気中で試験を行った。

〔メニスカス試験方法〕

塩酸水溶液（約１．２モル／リットル）で洗浄した銅
板（５ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ）に、ＲＭＡタ
イプのフラックス（タムラ化研製 ＵＬＦ−５００Ｖ
Ｓ）を塗布した後、２４０℃、２５０℃または２６０℃
に加熱したはんだ合金溶湯中へ、浸漬速度２０ｍｍ／se
cで浸漬深さ５ｍｍまで浸漬し、濡れ時間を測定した。
測定時間は８秒までとした。メニスカス試験では、図１
に示すような測定チャートが得られ、このチャートから
濡れ時間、濡れ力、ピールバック力等を読み取ることが
できる。これらのうち本実施例では、合金組成を最も敏
感に反映した濡れ時間によって濡れ製を評価した。

〈接合強度の測定〉 ラップジョイント接合強度試験により、接合強度を測
定した。図２に示したように、Ｌ形の銅板試験片をはん
だ接合した後、インストロン社製引張試験機により、引
張速度１ｍｍ／minで試験した。

〈測定結果の評価〉 〔融点および濡れ性の評価〕 （１）Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ合金（第１発明） （１−１）Ｚｎ含有量の影響 図３および図４に、表１のサンプルNo.１〜１２
（１．０〜２０．０wt％Ｚｎ−０．００６０wt％Ａｌ−
Ｓｎ）について、Ｚｎ含有量と融点（液相線温度）との
関係およびＺｎ含有量と濡れ時間との関係をそれぞれ示
す。ここで、０．００６０wt％Ａｌは本発明の範囲内の
Ａｌ含有量である。

Ａｌ含有量が本発明の範囲内の上記値であって、Ｚｎ
含有量が本発明の範囲内（３．０〜１４．０wt％）であ
るサンプルNo.３〜１１は、融点が低下し（図３）、か
つ安定して良好な濡れ性（短時間での濡れ。図４）が得
られた。これに対して、Ａｌ含有量が本発明の範囲内の
上記値であっても、Ｚｎ含有量が本発明の範囲より少な
いサンプルNo.１，２および本発明の範囲より多いサン
プルNo.１２は、濡れ性が低下（濡れ時間が増大）し
た。

（１−２）Ａｌ含有量の影響 図５、６、７に、表１のサンプルNo.１３〜１７
（４．０wt％Ｚｎ−０．０００６〜０．０２０６wt％Ａ
ｌ−Ｓｎ）、サンプルNo.１８〜２９（８．０wt％Ｚｎ
−０．０００６〜０．７９１２wt％Ａｌ−Ｓｎ）、およ
びサンプルNo.３０〜３４（１０．０wt％Ｚｎ−０．０
００６〜０．０２０６wt％Ａｌ−Ｓｎ）について、Ａｌ
含有量と濡れ時間との関係を示す。ここで、４．０wt％
Ｚｎ、８．０wt％Ｚｎ、および１０．０wt％Ｚｎは、い
ずれも本発明の範囲内のＺｎ含有量である。

Ｚｎ含有量が本発明の範囲内の上記各値であって、Ａ
ｌ含有量が本発明（第１発明）の範囲内（０．００２０
〜０．００８０wt％）であるサンプルNo.１５、２０〜
２３、および３２は、安定して良好な濡れ性（短時間で
の濡れ）が得られた。これに対して、Ｚｎ含有量が本発
明の範囲内の上記各値であっても、Ａｌ含有量が本発明
の範囲より少ないサンプルNo.１４、１８〜１９、３０
〜３１、および本発明の範囲より多いサンプルNo.１６
〜１７、２４〜２９、３３〜３４は、濡れ性が低下（濡
れ時間が増大）した。

（２）Ｚｎ−Ｂｉ−Ａｌ−Ｓｎ合金（第２発明） （２−１）Ｚｎ含有量の影響 図８に、表２のサンプルNo.４６〜５０（１．０〜２
０．０wt％Ｚｎ−３．０wt％Ｂｉ−０．００６０wt％Ａ
ｌ−Ｓｎ）について、Ｚｎ含有量と融点との関係を示
す。ここで、３．０wt％Ｂｉおよび０．００６０wt％Ａ
ｌは、本発明の範囲内のＢｉ含有量およびＡｌ含有量で
ある。

Ｂｉ含有量およびＡｌ含有量が本発明の範囲内の上記
値であって、Ｚｎ含有量が本発明の範囲内であるサンプ
ルは融点が低下した。

（２−２）Ｂｉ含有量の影響 図９および図１０に、表２のサンプルNo.５１〜５６
（８．０wt％Ｚｎ−０〜１０．０ｗｔ％Ｂｉ−０．００
６０wt％Ａｌ−Ｓｎ）について、Ｂｉ含有量と融点との
関係およびＢｉ含有量と濡れ時間との関係をそれぞれ示
す。ここで、８．０wt％Ｚｎおよび０．００６０wtＡｌ
は、本発明の範囲内のＺｎ含有量およびＡｌ含有量であ
る。

Ｚｎ含有量およびＡｌ含有量が本発明の範囲内の上記
値であって、Ｂｉ含有量が本発明の範囲内（３．０〜
６．０wt％）であるサンプルNo.５３〜５４は融点が低
下し（図９）、かつ安定して良好な濡れ性（短時間での
濡れ。図１０）が得られた。これに対して、Ｚｎ含有量
およびＡｌ含有量が本発明の範囲内の上記値であって
も、Ｂｉ含有量が本発明の範囲より少ないサンプルNo.
５２は、濡れ性が低下（濡れ時間が増大）した。また、
Ｂｉ含有量が本発明の上限６．０wt％より多いサンプル
No.５５〜５６は、融点が低く、濡れ性も良好である
が、接合部の硬さが高く脆いため実用には適さない。

（２−３）Ａｌ含有量の影響 図１１に、表２のサンプルNo.３５〜４５（８．０wt
％Ｚｎ−３．０wt％Ｂｉ−０〜０．６５００wt％Ａｌ−
Ｓｎ）について、Ａｌ含有量と濡れ時間との関係を示
す。ここで、８．０wt％Ｚｎおよび３．０wt％Ｂｉは本
発明の範囲内のＺｎ含有量およびＡｌ含有量である。

Ｚｎ含有量およびＢｉ含有量が本発明の範囲内の上記
値であって、Ａｌ含有量が本発明（第２発明）の範囲内
（０．００２０〜０．０１００wt％）であるサンプルN
o.３８〜４０は、安定して良好は濡れ性（短時間での濡
れ）が得られた。これに対して、Ｚｎ含有量およびＢｉ
含有量が本発明の範囲内の上記値であっても、Ａｌ含有
量が本発明の範囲より少ないサンプルNo.３５〜３７、
および本発明の範囲より多いサンプルNo.４１〜４２
は、濡れ性が低下（濡れ時間が増大）した。更にＡｌ含
有量の多いサンプルNo.４３〜４４は濡れ性は向上（濡
れ時間が減少）するが、Ａｌ含有量が多いと、はんだ粉
末（φ２０〜４５μｍ）形成時に表面にＡｌが偏析し、
はんだペーストとして使用できない。

表２のサンプルNo.５７〜６５はいずれも比較例であ
り、そのうちNo.５７は従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ合
金である。No.５８は以降は種々のＳｎベース無鉛はん
だ合金であり、No.５８Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ、No.５９はＺ
ｎ−Ｓｎ、No.６０、６１はＺｎ−Ｂｉ−Ｓｎ、No.６
２、６３はＺｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｓｎ、No.６４はＺｎ−
Ｂｉ−Ｇｅ−Ｓｎ、No.６５はＺｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ
−Ｓｎである。

これら比較例のＳｎベース無鉛はんだ合金のうち、N
o.５９，６０，６２，６３，６４，６５は濡れ性が劣
り、No.５８は濡れ性が良好であるが融点が２２１．１
℃と高いという点で実用性がない。サンプルNo.６１
は、サンプルNo.６０と同じ組成ほはんだ合金につい
て、濡れ試験を大気中ではなく、酸素濃度２０００ｐｐ
ｍの窒素ガス雰囲気中で行った結果であり、非酸化性の
雰囲気中でなくては良好は濡れ性が得られない点で、実
用上に劣る。これは、Ｚｎ含有量（８．０wt％）および
Ｂｉ含有量（３．０wt％）は本発明の範囲内であるがＡ
ｌ含有量（０．６５００wt％）が本発明の範囲より多い
サンプルNo.４４、４５についても同様である。

〔接合強度の評価〕

図１２に、本発明の代表例としてサンプルNo.８
（８．０wt％Ｚｎ−０．００６０wt％Ａｌ−Ｓｎ）、サ
ンプルNo.３９（８．０wt％Ｚｎ−３．０wt％Ｂｉ−
０．００６０wt％Ａｌ−Ｓｎ）、サンプルNo.４０
（８．０wt％Ｚｎ−３．０wt％Ｂｉ−０．０１００wt％
Ａｌ−Ｓｎ）の接合強度を、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はん
だ（サンプルNo.５７）および本発明の範囲外の無鉛は
んだ（サンプルNo.と比較して示す。同図に示したよう
に、本発明のはんだ合金は従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ
合金と同等の接合強度が得られた。

〔はんだ粉末の特性とＡｌの効果〕 本発明のはんだ合金を実際にはんだ接合に用いるため
の典型的な一形態であるはんだ粉末としての特性に対す
るＡｌの効果を調べた。

〔１〕Ａｌによる酸化防止効果 一般に、はんだの濡れ性は、はんだの酸化により阻害
される。特に、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだの場合、Ｚｎが酸化
され易く、緻密性が低く厚いＺｎ酸化膜が形成され、そ
れによって濡れ性が劣化する。

Ａｌの添加によりＳｎ−Ｚｎ系はんだの濡れ性が著し
く改善される理由は、大気と接触しているはんだの表面
領域において、Ｚｎに対してＡｌが優先的に酸化される
ためである。これは、Ａｌ原子が、下表に示すように、
Ｚｎ原子に比べて電子を放出し易く、酸素との反応性が
高いことによる。

表：ＺｎおよびＡｌの電子放出性 電子放出パラメータ Ｚｎ Ａｌ イオン化エネルギー(kcal/J) ２１７ １３８ 電気陰性度（ポーリング値） １．６ １．５ Ａｌ酸化膜は緻密性が極めて高いため、一旦形成され
るとそれ以降の酸素の侵入を防ぎ、Ａｌ酸化膜自体も薄
いまま維持されると共にＺｎの酸化を防止する。

Ｓｎ−Ｚｎ合金の表面におけるＡｌ酸化膜の形成に
は、はんだ表面におけるＡｌの偏析が大きな影響を及ぼ
す。実際にはんだペーストとして用いられる形態のはん
だ粉末粒子について、Ａｌの表面編析を調べた。

図１３に、Ｓｎ−6.7wt％Ｚｎ−0.0024wt％Ａｌ合金
からなるはんだ粉末粒子（粒径４０μｍ）の表面から内
部への深さ方向の元素濃度分布を示す。はんだ粉末の製
造条件および元素濃度分布の測定方法は下記のとおりで
ある。はんだ粉末製造条件 目標合金組成に溶解歩留まりを見込んだ配合組成の溶
湯を３００℃で溶製し、こ溶湯を非酸化製雰囲気中で２
２０℃に保持して遠心噴霧法を行い粉末を形成した。

得られた粉末を分級して、φ３８〜４５μｍの粉末粒
度とした。

図１３は粒径φ４０μｍの粉末粒子について測定した
結果である。

また、ＩＣＰ法による分析値として上記組成を得た。元素濃度分布測定方法 下記の装置および条件によりオージェ分析を行い、粉
末粒子表面から深さ方向のＳｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｏの各元
素について濃度分布を測定した。

オージェ分析装置： 日本電子製 マイクロオージェ電子分光装置 JAMP-7
800F 測定条件： 加速電圧 10kＶ 照射電流 3nＡ 計測時間 300ｍｓ×５sweeps エッチング速度 ３０ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ_２換算） 同図に示したように、はんだ粒子表面から深さ数ｎｍ
の表面領域にＡｌが高濃度に偏析していることが分か
る。酸素（Ｏ）は、はんだ粉末製造時に不可避的に生ず
る酸化によるものであり、Ａｌと共に表面領域に高濃度
に偏析していることから、粒子表面に厚さ数ｎｍ程度の
Ａｌ酸化膜が形成されていると考えられる。

このように、Ａｌ添加したＳｎ−Ｚｎ合金において
は、はんだ粉末粒子の表面にＡｌが高濃度で偏析してい
るため、Ｚｎの酸化が防止されて、高い濡れ性が確保で
きる。また、Ａｌ酸化膜は前述のように非常に緻密であ
るため、水分の浸入防止効果も高く、高温高湿環境下で
のはんだ接合部の耐食性を向上させる。

〔２〕はんだボールの発生とＡｌ含有量の関係 上記のようにＡｌの存在はＡｌ酸化膜の形成によりＳ
ｎ−Ｚｎ系はんだの濡れ性向上に高い効果を発揮する。

しかし、Ａｌ含有量があまり高すぎると、はんだ接合
部においてはんだ粉末粒子の未溶融部（はんだボール）
が発生して接合不良の原因になる。

図１４(1)〜(4)に、はんだ接合部におけるはんだボー
ルの発生状況を模式的に示す。同図は、基板Ｐにリード
ＱをはんだＲによって接合した状態を示す。同図(1)は
Ａｌ含有量が本発明の範囲内にある場合であり、はんだ
接合部Ｒは完全に溶融している。これに対して、同図
(2)〜(4)はＡｌ含有量が本発明の範囲を超えて順次多く
なった場合であり、(2)Ａｌ含有量が若干過多で、はん
だ接合部Ｒの表面に散発的にはんだボールＢの発生が認
められる状態、(3)更にＡｌ含有量が増加して、はんだ
接合部Ｒの表面全体ではんだボールＢが発生した状態、
(4)Ａｌ含有量が非常に過多で、はんだ接合部Ｒが全く
溶融せず、はんだ接合部Ｒ全体が単にはんだボールＢの
集合体である状態を示している。各図において、図示の
便宜上はんだボールは実際より拡大して示してある。

図１５(1)および(2)に、それぞれＳｎ−7.0wt％Ｚｎ
−0.04wt％ＡｌおよびＳｎ−7.0wt％％Ｚｎ−3.0wt％Ｂ
ｉ−0.04wt％Alの組成のはんだ粉末を配合したはんだペ
ーストを用いたはんだ接合部の外観写真を示す。いずれ
も、はんだ合金のＡｌ含有量が本発明の上限である0.00
80wt％（Ｂｉなしの場合）または0.0100wt％（Ｂｉあり
の場合）を大きく超えた組成であり、はんだ接合部の表
面全体にはんだボールが発生している。個々のはんだボ
ールＢは、はんだペーストに配合したはんだ合金粉末粒
子に対応した粒径であり、はんだ粉末粒子が溶融せずに
残存した状態であると考えられる。

表３および表４に、Ａｌ含有量を種々に変えたはんだ
合金について、はんだ接合部におけるはんだボールの発
生量を示す。ここで、表３は第１発明に関係するＢｉな
しの合金について、表４は第２発明に関係するＢｉあり
の合金について、それぞれはんだボール発生個数、はん
だボール発生率、接合部良否判定結果を示す。表３およ
び表４に示した結果に基づいて、Ａｌ含有量とはんだボ
ール発生率との関係をそれぞれ図１６および図１７に示
す。

上記の結果から、Ａｌ含有量が本判明の上限を超える
とはんだボール発生率が急激に増加することが分かる。
すなわち、Ｂｉなしのはんだ合金の場合には第１発明に
従ってＡｌ含有量を0.0080wt％以下とし、Ｂｉありのは
んだ合金の場合には第２発明に従ってＡｌ含有量を0.01
00wt％以下とすれば、はんだボールの発生を実質的に防
止できることが分かる。

Ａｌ含有量が多いとはんだボールの発生が顕著になる
のは、以下の理由によると考えられる。

Ａｌ酸化膜を構成する酸化アルミニウム（Ａｌ
_２Ｏ_３）は高融点（２０１５℃）であり、２００℃程度
のはんだ接合温度では全く溶融しない。

Ａｌ含有量が適正範囲内であれば、はんだ粉末粒子表
面のＡｌ酸化膜は非常に薄く機械的に弱いシェルであ
り、はんだ接合温度でそれ自体は溶融しなくても内部の
はんだが溶融すると自立できずに崩壊してしまい、はん
だ粒子同士の溶融・合体により正常な接合部が形成され
る。崩壊したＡｌ酸化膜は、はんだ接合部内に微量の不
純物として含有されるだけであり、はんだ接合品質に対
して実質的な影響は及ぼさない。

これに対して、Ａｌ含有量が適正範囲より多すぎる
と、はんだ粉末粒子表面に形成されたＡｌ酸化膜は厚く
なり、機械的に強固なシェルを形成するため、はんだ接
合時に崩壊せずに自立構造物として維持され、はんだ粉
末粒子同士の溶融・合体を妨げる結果、個々のはんだ粒
子がそれぞれはんだボールとして残存する。

このように、本発明のはんだ合金においてＡｌ含有量
を上限値以下に限定することは、前述した合金特性とし
ての濡れ性確保と同様に、はんだ粉末特性としてのはん
だボール発生防止のためにも、非常に重要である。

以上説明したように、本発明の範囲内の化学組成を有
するはんだ合金は、環境に有害なＰｂを含有することな
く、従来のＰｂ−Ｓｎはんだ合金に近い低融点と良好な
濡れ性を確保できる。

また、本発明のはんだ合金は、主たる合金成分である
Ｚｎが安価であり、典型的には電気・電子機器に従来多
量に用いられていたＰｂ−Ｓｎはんだ合金と同程度に安
価に提供される。

本発明のはんだ合金は、例えば酸素、窒素、水素等の
不可避的不純物を少量含んでいても特に問題はない。た
だし、酸素は多量に存在するとはんだ合金を脆くする恐
れがあるので、酸素含有量は極力微量にすべきである。

産業上の利用可能性 本発明によれば、環境に対して悪影響を及ぼすことが
なく、従来のＰｂ−Ｓｎはんだ合金に匹敵するはんだ付
け性を有するはんだ合金およびそれを用いたはんだ接合
部が提供される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹居 成和 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１ 番１号 富士通株式会社内 (72)発明者 野田 豊 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１ 番１号 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開2000−15478（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−206983（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−42197（ＪＰ，Ａ) 特開2001−150179（ＪＰ，Ａ) 特開2000−326088（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−35876（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭55−36032（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 1/00 - 3/08 B23K 35/26

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｚｎ：３．０〜１４．０wt％、Ａｌ：０．
   ００２０〜０．００８０wt％、および残部：Ｓｎおよび
   不可避的不純物から成るはんだ合金。
2. 【請求項２】請求項１記載のはんだ合金から成る、電気
   ・電子機器のはんだ接合部。
3. 【請求項３】Ｚｎ：３．０〜１４．０wt％、Ｂｉ：３．
   ０〜６．０wt％、Ａｌ：０．００２０〜０．０１００wt
   ％、および残部：Ｓｎおよび不可避的不純物から成るは
   んだ合金。
4. 【請求項４】請求項３記載のはんだ合金から成る、電気
   ・電子機器のはんだ接合部。