JP3386009B2 - はんだ合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は電子機器の金属接
合において使用される「はんだ合金」に係り、特に鉛を
含有しないで公害がなく環境に優しい「はんだ合金」に
関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器等においてはんだ接合を行う際
には「はんだ合金」は所望の接合温度を有するとともに
接合時の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要求される。また「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。従来の「はんだ合金」としては、スズ- 鉛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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】代表的なスズ- 鉛Sn-P
b 合金である63Sn-37Pb （共晶温度183 ℃）は鉛を含有
するので鉛公害を引き起こし環境に優しいものではな
い。電子装置の「はんだ接合」を行なう場合には装置の
構成上、接合温度の異なる複数種類の「はんだ合金」を
複数回にわたり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は半導体部品はピーク温度12
5 ℃付近までのヒートサイクル耐久性が必要である。

【０００４】63Sn-37Pb 合金（共晶温度183 ℃）に替わ
る代表的な鉛フリーはんだであるSn-Ag 合金は共晶温度
が 221℃（3.5 重量％銀）であり、またSn-Sb 合金につ
いては溶融温度が 232- 245 ℃である。これは鉛フリー
合金では溶融温度が高く、はんだづけ作業時に電子部品
を過度に加熱し、損傷を与える場合がある。従って鉛フ
リーはんだとして溶融点がSn-Ag 合金やSn-Sb 合金より
低く、且つ組み立て工程において接合温度の異なるはん
だ付けを必要とするときにこれらの合金が溶融しないで
はんだ付けできる低溶融温度のはんだ合金が必要とな
る。

【０００５】鉛フリーで且つ溶融温度の低い「はんだ合
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。スズ-
ビスマスSn-Bi 系合金の一つであるSn7.5Bi2Ag0.5Cu 合
金は溶融温度が200-220 ℃で、接合温度として240-250
℃を要し、このために電子部品を過度に加熱し損傷を与
える場合か生じる。またSn7.5Bi2Ag0.5Cu 合金のように
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、剥離を生じる場合（リフトオフ現象）もある。

【０００６】図１は従来のスズ- ビスマスSn-Bi 系合金
につき伸び（％）のBi添加量（重量％）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-B
i-Ag合金の示す特性点、口は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 重量％）に向けて漸減
する。共晶組成における融点は 139℃である。Bi30-50
重量％の範囲ではSn-Bi 合金の伸びは50-90 ％である。
Sn-Ag 合金（3.5 重量％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（◇）の延性はBi
30-58重量％の範囲でSn-Bi 合金（○）よりも低下する
傾向があるがまだ充分に大きいことがわかる。

【０００７】SnにBiを30ないし58重量％添加したSn-Bi
合金は上述のように延性が良好であるがさらに溶融温度
が低いことも知られている。このようなBiを30ないし58
重量％含むSn−Bi合金にさらにSb,Ag またはGeを加える
と、得られたSn-Bi 系合金の耐熱性（なかでもクリープ
特性）が向上する。しかしながらSb，AgまたはGeのうち
SbとGeを添加する場合は濡れ性が悪く、AgとGeを添加す
る場合は耐熱性は改善されるが濡れ性は明確ではないと
いう問題があった。

【０００８】この発明は上述の点に鑑みてさなれその目
的は、低融点で延性の良好なスズ-ビスマスSn-Bi 合金
を改良して、融点が低く延性が良好である上に耐熱性と
濡れ性にも優れる鉛フリーの低融点「はんだ合金」を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によれば、ビスマスを３０ないし５８重量％、銀を５重
量％以下（範囲下限値の零を含まず）、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、
残部はスズ及び不可避的不純物とすることにより達成さ
れる。第二の発明によれば、ビスマスを３０ないし５８
重量％、銀を５重量％以下（範囲下限値の零を含ま
ず）、ニッケルを０．２重量％以下（範囲下限値の零を
含まず）、銅を１重量％以下（範囲下限値の零を含ま
ず）含有し、残部はスズ及び不可避的不純物とすること
により達成される。

【００１０】第三の発明によれば、ビスマスを３０ない
し５８重量％、銀を５重量％以下（範囲下限値の零を含
まず）、ゲルマニウムを０．１重量％以下（範囲下限値
の零を含まず）、ニッケルを０．２重量％以下（範囲下
限値の零を含まず）、銅を１重量％以下（範囲下限値の
零を含まず）含有し、残部はスズ及び不可避的不純物と
することにより達成される。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-B
i 合金は溶融温度が 140ないし 180℃近辺にあり、他の
金属元素を添加したSn-Bi 系合金は低融点の「はんだ合
金」となる。

【００１１】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 系合金の延性
はSn-Pb 「はんだ合金」と同等レベルである。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- ピ
スマスSn-Bi合金にAgとGe、AgとNiとCu、またはAgとGe
とNiとCuを所定の割合で添加すると、溶融温度特性や延
性に加えてさらに耐熱性と濡れ性の良好な「はんだ合
金」が得られる。 ．

【００１２】

【発明の実施の形態】「はんだ合金」は、Sn,Bi,Ag,Ge,
Ni,Cu 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。「はんだ合金」成分のうちSnは主成分である。BIは
30ないし58重量％以下、Agは5 重量％以下、Geは0.3 重
量％以下、Niは0.2 重量％以下、Cuは1 重量％以下が添
加される。合金組成はSnを主成分としてBi30ないし58重
量％以下とAg5 重量％以下とGe0.3 重量％以下を含むも
の、Snを主成分としてBi30ないし58重量％以下とAg5 重
量％以下とNi0.2 重量％以下とCu1 重量％以下を含むも
の、さらにSnを主成分としてBi30ないし58重量％以下と
Ag5 重量％以下とGe0.3 重量％以下とNi0.2 重量％以下
とCu1 重量％以下を含むものである。

【００１３】実施例 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0.2 ％／s で室温において実施した。また耐熱性を
調べるために同形状の試験片を用い、負荷応力0.2kg/mm
² でクリープの変形抵抗を測定した。濡れ性はメニスコ
グラフ法で評価した。一例としてSn22Bi合金系やSn43Bi
合金系につき引っ張り強度，伸び，クリープ変形抵抗，
濡れ力を測定した結果が表1 に示される。

【００１４】

【表１】 Sn43Bi合金に2 重量％のAgを添加したSn43Bi2Ag 合金は
Sn43Bi合金に比し引っ張り強度，耐熱性（クリープ変形
抵抗），濡れ性が改善されることがわかる。耐熱性の改
善はクリープ変形抵抗が小さくなっていることからわか
る。Sn43Bi2Ag 合金にさらに0.05重量％Geを添加したSn
43Bi2Ag0.05Ge 合金は、Sn43Bi2Ag 合金に比し、濡れ性
が顕著に向上し、引っ張り強度，耐熱性（クリープ変形
抵抗）はともにさらに改善される。

【００１５】Sn43Bi2Ag 合金にさらに0.5 重量％Cuと0.
1 重量％Niを添加したSn43Bi2Ag0.5Cu0.1Ni 合金は、Sn
43Bi2Ag 合金に比し、濡れ性は若干低下するが引っ張り
強度，耐熱性（クリープ変形抵抗）はともにさらに改善
される。Niを添加すると、Niが高融点で耐酸化性を有す
るために合金の耐熱性は高まると期待されるが、NiがBi
と金属間化合物を形成すると考えられるために延性が激
減する。Sn43Bi2Ag0.5Cu0.1Ni 合金においてはNiと固溶
体を形成するCuをNiとともに添加して延性の低下を抑制
している。

【００１６】Sn43Bi2Ag 合金にさらに0.05重量％Geと0.
5 重量％Cuと0.1 重量％Niを添加したSn43Bi2Ag0.05Ge
0.5Cu0.1Ni 合金は、Sn43Bi2Ag 合金に比し、濡れ性が
頓著に改善され、引っ張り強度，耐熱性（クリープ変形
抵抗）はともにさらに改善される。Sn43Bi2Ag0.05Ge0.5
Cu0.1Ni 合金の濡れ性はSn43Bi2Ag0.05Ge 合金と殆ど同
等である。

【００１７】次に、Sn58Bi2Ag0.5Cu0.1Ni にGeを添加し
た場合の濡れ性について調べた結果を、図２に示す。メ
ニスコグラフ法により、210 ℃にて、1mm φの銅を用
い、評価した。濡れ力は、Ge添加量として、0.3 ％まで
明瞭に改善効果が認められ、0.3 ％を超えると、濡れ力
は初期値よりむしろ低下した。これは、Geによる酸化膜
が形成され過ぎ、銅との接合性が低下していることによ
ると考えられる。

【００１８】

【発明の効果】第一の発明によれば新規なSn-Bi 系合金
が、ビスマスを３０ないし５８重量％、銀を５重量％以
下（範囲下限値の零を含まず）、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
スズ及び不可避的不純物からなるので、延性に加えてさ
らに引っ張り強度，耐熱性，濡れ性に優れる鉛フリーの
低融点はんだ合金が得られる。

【００１９】また第二の発明によれば新規なSn-Bi 系合
金が、ビスマスを３０ないし５８重量％、銀を５重量％
以下（範囲下限値の零を含まず）、ニッケルを０．２重
量％以下（範囲下限値の零を含まず）、銅を１重量％以
下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はスズ及び
不可避的不純物からなるので、延性に加えてさらに引っ
張り強度，耐熱性，濡れ性に優れる鉛フリーの低融点は
んだ合金が得られる。さらに第三の発明によれば新規な
Sn一Bi系合金が、ビスマスを３０ないし５８重量％、銀
を５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、ゲルマニ
ウムを０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、
ニッケルを０．２重量％以下（範囲下限値の零を含ま
ず）、銅を１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含
有し、残部はスズ及び不可避的不純物からなるので、延
性に加えてさらに引っ張り強度，耐熱性，濡れ性に優れ
る鉛フリーの低融点はんだ合金が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のスズービスマスSn-Bi 系合金につき伸び
（％）のBi添加量（重量％）依存性を示す線図

【図２】Sn-Bi 系合金の濡れ性に対するGe添加量（重量
％）の効果を示す線図

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−221693（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−252688（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−58066（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−286689（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−230493（ＪＰ，Ａ) 特公 昭39−10877（ＪＰ，Ｂ１) 国際公開97／12719（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/26 C22C 12/00 - 13/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビスマスを３０ないし５８重量％、銀を５
   重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、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、残部はスズ及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。
2. 【請求項２】ビスマスを３０ないし５８重量％、銀を５
   重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、ニッケルを
   ０．２重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、銅を１
   重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部は
   スズ及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。
3. 【請求項３】ビスマスを３０ないし５８重量％、銀を５
   重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、ゲルマニウム
   を０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、ニッ
   ケルを０．２重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、
   銅を１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、
   残部はスズ及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。