JP3363393B2 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents
鉛フリーはんだ合金Info
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かも耐熱サイクル性や機械的強度に優れたはんだ合金に
関する。
だ合金としては、Sn−Pb合金が一般的であり、古来
より長い間使用されてきていた。Sn−Pb合金は、共
晶組成(63Sn−Pb)の融点が183℃という低い
ものであり、そのはんだ付け温度は230〜240℃と
いう熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることが
ない温度である。しかもSn−Pb合金は、はんだ付け
性が極めて良好であるとともに、液相線温度と固相線温
度間の温度差がなく、はんだ付け時に直ぐに凝固して、
はんだ付け部に振動や衝撃が加わってもヒビ割れや剥離
を起こさないという優れた特長を有している。
レコーダー、コンピューター、複写機のような電子機器
は、故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりし
た場合は、廃棄処分される。これらの電子機器は、外枠
やプリント基板がプラスチックのような合成樹脂であ
り、また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処
分ができず、ほとんどが地中に埋められている。
料の多用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出さ
れ、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸
性雨は地中に埋められた電子機器のはんだを溶出させて
地下に染み込み、地下水を汚染するようになる。このよ
うに鉛を含んだ地下水を長年飲用していると、人体に鉛
分が蓄積され、鉛毒を起こす虞が出てくる。このような
機運から、電子機器業界では鉛を含まないはんだ、所謂
「鉛フリーはんだ合金」の出現が望まれてきている。
成分のSn−Ag、合金Sn−Cu合金、Sn−Sb合
金はあった。Sn−Ag合金は、最も溶融温度の低い組
成がSn−3.5Agの共晶組成で、溶融温度が221
℃である。この組成のはんだ合金のはんだ付け温度は2
60〜280℃というかなり高い温度であり、この温度
ではんだ付けを行うと熱に弱い電子部品は熱損傷を受け
て機能劣化や破壊等を起こしてしまうものである。Sn
−Cu合金は最も溶融温度の低い組成がSn−0.7C
uで、その溶融温度は227℃であり、やはりSn−A
g合金同様はんだ付け温度が高くなって電子部品に熱損
傷を起こさせてしまう。またSn−Sb合金は、最も溶
融温度の低い組成がSn−5Sbであるが、この組成の
溶融温度は、固相線温度が235℃、液相線温度が24
0℃という高い温度であるため、はんだ付け温度は、S
n−3.5Ag合金やSn−Cu合金よりもさらに高い
280〜300℃となり、やはり熱に弱い電子部品を熱
損傷させてしまうものである。
金、Sn−Sb合金は溶融温度が高いため、これらの合
金の溶融温度を下げる手段を講じたはんだ合金が多数提
案されている。(参照:特開平6−15476号公報、
同6−344180号公報、同7−1178号公報、同
7−40079号公報)
用時に電流を通じると、パワートランジスター、抵抗、
コイル等の部品からジュール熱が発生し、電子機器のケ
ース内が高温となる。そして電子機器の使用を止めるた
めに通電を切るとケース内は高温から室温へと降温す
る。このように電子機器の使用・不使用を繰り返すと、
ケース内は高温・室温を繰り返すという熱サイクルに曝
される。この熱サイクルは、はんだ付け部にも及ぶよう
になるが、はんだ付け部の樹脂製のプリント基板と金属
のはんだ合金とは熱膨張係数が大いに相違するため、は
んだ合金はこの熱膨張・収縮により拘束され、長年月の
うちに金属疲労を起こして遂にははんだ合金が破壊して
しまう。はんだ付け部のはんだが破壊すると全く通電し
なくなって電子機器の機能不良とるばかりでなく、はん
だ付け部が接触不良状態であると接触抵抗により発熱し
て火災発生の原因ともなってしまう。そのため、近時で
は、はんだ付け部が熱サイクルで金属疲労を起こしにく
いはんだ合金が求められるようになってきている。
は、従来のSn−Pbはんだ合金よりも耐熱サイクル性
に優れており、鉛を使用しないという環境問題とともに
長寿命化に優れた特性を有している。
g系はんだ合金やSn−Sbはんだ合金は、耐熱サイク
ル性に優れているとはいえ、未だ充分なものではなかっ
た。またSn−Cu系はんだ合金は機械的強度がSn−
Ag系はんだ合金やSn−Sb系はんだ合金と略同等で
あるが、車載基板のように重要保安部品となるもので
は、さらに優れた機械的強度が要求される。本発明は、
耐熱サイクル性に優れているとともに機械的強度に優れ
た鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
系のはんだ合金はSn−Ag系はんだ合金やSn−Sb
系のはんだ合金に比べて耐熱サイクル性を有しているこ
とに着目したもので、Sn−Cu系はんだ合金の融点を
如何にして下げてはんだ付け時の電子部品に対する熱損
傷を少なくし、また如何にしてSn−Cu系はんだ合金
の機械的強度を向上させるかについて鋭意研究を行い本
発明を完成させた。
Snからなる合金中に、1〜15重量%Biと1〜15重量
%Inが添加されていることを特徴とする鉛フリーはんだ
合金であり、また0.1〜2.5重量%Cuと残部Snから
なる合金中に、1〜15重量%Biと1〜15重量%In、
が添加されているとともに、さらに該合金中にNi、Ge、
Pd、Au、Ti、Feからなる群より選ばれた少なくとも1種
が添加されていることを特徴とする鉛フリーはんだ合金
である。である。
分となるはんだ合金では、Cuは必須成分である。本発
明においてCuの添加量が0.1重量%よりも少ないと
耐熱サイクル性に寄与せず、しかるに2.5重量%を越
えて添加すると、他に溶融温度を下げる成分を添加して
も液相線温度を下げることができず、はんだ付け温度も
高くなって電子部品の熱損傷につながってしまう。
下げるためにBi、Inをそれぞれ同時に添加する。これら
の添加量が1重量%よりも少ないとSn-Cu系はんだ合金
の融点を下げる効果が現れない。しかるにこれらの添加
量が15重量%よりも多くなると固相線温度が極端に下
がってしまい、液相線温度と固相線温度間の凝固範囲が
非常に広くなって、はんだ付け後にはんだ合金が完全に
固まるまで時間がかかり、その間に振動や衝撃が加えら
れると、はんだ付け部にヒビ割れや剥離が起こってしま
う。
系はんだ合金にさらにNi、Ge、Pd、Au、Ti、Feからなる
群より選ばれた少なくとも1種を添加してもよい。Niと
Geは、Sn-Cu系はんだ合金の結晶を微細化して機械的強
度向上に効果があり、またPd、Au、Ti、FeはSnやCuと金
属間化合物を生成し、これが結晶粒界での滑りを防止し
てやはり機械的強度を向上させる。
ント基板のランドとを、各組成のはんだ合金で作製した
ソルダペーストではんだ付けを行い、該はんだ付け部を
−55℃から+125℃の間で熱サイクルをかけ、はん
だ付け部にクラックが生じるまでの回数を測定する。 ○機械強度:JIS−Z−2204の「金属材料試験方
法」に準拠。 ○溶融温度:各種のはんだ合金を示差熱分析装置で熱分
析を行い、固相線温度(S.T)と液相線温度(L.
T)を測定する。
はんだ合金は、耐熱サイクル性に優れてはいるが溶融温
度が高く、はんだ付け時に電子部品に対して熱損傷を与
えることが欠点であったSn−Cu系はんだ合金におい
て、該はんだ合金の溶融温度を下げることができるにも
かかわらず、耐熱サイクル性をさらに向上させるととも
に、機械的強度も向上させることができるという従来の
鉛フリーはんだ合金にはない優れた特性を有するもので
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】0.1〜2.5重量%Cuと残部Snからなる
合金中に、1〜15重量%Biと1〜15重量%Inが添加
されていることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。 - 【請求項2】0.1〜2.5重量%Cuと残部Snからなる
合金中に、1〜15重量%Biと1〜15重量%In、が添
加されているとともに、さらに該合金中にNi、Ge、Pd、
Au、Ti、Feからなる群より選ばれた少なくとも1種が添
加されていることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
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