JP3685202B2 - 半田および半田付け物品 - Google Patents

Description

本発明は、半田ならびに半田付き物品に関するものである。

従来より、電子機器や電子部品と電気的・機械的な接続を得るために半田が用いられている、この半田は、ＳｎとＰｂを主成分としたもの（以下Ｓｎ−Ｐｂ系半田とする。）が一般的に用いられてきたが、環境問題を考慮してＰｂを含まないＳｎを主成分とし残部がＡｇ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｂ等からなる半田（以下、Ｐｂフリー半田とする。）が用いられるようになってきている。

近年においてはこのＰｂフリー半田を用いることによって、半田付き性が良好な電気的接合部を有する半田付け物品が製造されてきた。

しかしながら、Ｓｎが主成分である半田、特にＰｂフリー半田を用いた半田付け物品では、半田付け時に電極喰われが起こったり、高温放置や熱エージングを行った場合に、Ｓｎの拡散による、電気的、機械的性質の劣化が起こるといった問題点があった。

本発明の目的は、半田付け時または半田付け後熱エージングを行った時に、電極喰われや特性劣化が生じにくいＰｂフリー半田および半田付き物品を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するためにＰｂフリー半田ならびに半田付け物品を完成するに至った。
本発明のＰｂフリー半田は、不可避不純物を除き、Ａｇ３．５〜９重量％およびＳｂ５重量％から選ばれる少なくとも１種類と、Ｐｄ０．０１〜２重量％と、残部がＳｎと、からなることを特徴とする。

また、本発明の半田付け物品は、溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体を含有する部品を半田により接合してなる半田付け物品であって、半田は、上述のＰｂフリー半田を用いることを特徴とする。

また、本発明の半田付け物品においては、前記遷移金属導体は、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎの単体もしくは合金のうち少なくとも１種類を用いることを特徴とする。

本発明の半田付け物品を用いれば、半田接合部において半田付け性が良好であるとともに、優れた耐電極喰われ性を備えることが可能である。また、この耐電極喰われ性は、半田付け時の電極喰われにとどまらず、半田付け後の半田付け物品の高温放置時の電極喰われについても抑制可能である。

また、Ｐｂフリー半田で課題となっている電極喰われを抑制できるため、半田のＰｂフリー化がより現実的となり、環境にやさしい製品を提供することが可能になる。

以下本発明の実施の形態について説明する。本発明のＰｂフリー半田は、ＡｇおよびＳｂから選ばれる少なくとも１種類と、Ｐｄと、Ｓｎと、を含有する組成である。そして、本発明の半田付け物品は、溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体を有する部品を半田により接合してなる半田付け物品であって、半田は、上述したＰｂフリー半田を用いる。このような組成により、半田付け性、接合強度が良好であるとともに、十分な耐電極喰われ性を有する半田付け物品を提供することが可能となる。

すなわち、微少量添加されたＰｄが導体と半田の接合界面に偏析層を形成し、導体の溶融半田中への拡散を防ぎ、電極喰われを防止するためである。

上記Ａｇの添加量を全体重量１００重量％のうち０．５〜９としたのは、Ａｇの添加量が０．５重量％未満の場合には強度改善効果が小さいからである。一方、Ａｇの添加量が９重量％を超える場合には、過剰のＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物が析出することによる接合強度低下と、半田液相線温度が上昇することによる溶融特性が阻害されるからである。

上記Ｓｂの添加量を全体重量１００重量％のうち０．５〜５としたのは、Ｓｂの添加量が０．５重量％未満の場合には強度改善効果が小さいからである。一方、Ａｇの添加量が５重量％を超える場合には、伸びが低下することによって熱衝撃性や加工性が阻害されるからである。

上記Ｐｄの添加量を全体重量１００重量％のうち０．０１〜２としたのは、Ｐｄの添加量が０．０１重量％未満の場合には耐電極喰われ性が劣化するからである。一方、Ｐｄの添加量が２重量％を超える場合には、液相線温度が上昇し、溶融特性を阻害するからである。なお、より好ましいＰｄ添加量は０．０１〜１重量％の範囲内であり、特にＰｄ添加量が０．５重量％のときが望ましい。

本発明でいう溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体の組成としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎの単体などが代表的である。なお、これらの遷移金属の合金、例えばＡｇ／Ｐｄ，Ａｇ／Ｐｔ等でもよい。より好ましくは、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉの単体もしくはその合金である。このような電極喰われしやすい導体を有する物品に用いても、半田付け性、接合強度を維持しつつ電極喰われ抑制が可能となる。

上記遷移金属導体には必要に応じてガラスフリットや種々の添加剤（金属酸化物など）が添加されるが、導電成分である金属成分が上記のような組成であれば同様の効果が得られることは勿論である。また、半田組成として、作業温度を下げる目的でＢｉ，Ｉｎ等の低融点金属を添加した場合も同様の効果が得られる。

ここで、本発明においては、半田組成として上記成分以外に微量の不可避不純物を含むものであってもよい。不可避不純物としては、半田を製造するときに混入する元素もしくは元々入っていた元素、例えばＰｂ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ｎａ等が挙げられる。

本発明の半田付け物品は、例えば、主成分のＳｎに上記添加成分を溶解させたＰｂフリー半田をボール状に加工し、半田ボールを部品上あるいは基板上に載せてフラックスを塗布した後、大気中で所定の温度に加熱して部品の導体を結合することにより容易に作成することが可能である。

なお、一般的には半田付け性向上のためにＮ₂雰囲気で半田付けすることが多いが、本発明ではＰｄの添加量が少ないため、大気中で半田付けすることが可能である。

本発明の半田付け物品は、接合される部品そのものと、部品の導体同士を電気的、機械的に接合した半田接合部とを含めた全体を意味するものであり、さまざまな形態があるが、例えば、部品搭載基板に形成された導体と部品に形成された導体を電気的、機械的に接続させるために半田付けさせたものや、電子部品素子と端子とを電気的、機械的に接続させるために半田付けさせたものや、電子部品素子の電極同士を電気的、機械的に接続させるために半田付けさせたものなどが代表的である。

上記部品搭載基板としては、例えばガラスエポキシ製のプリント基板やフェノール製のプリント基板、アルミナなどのセラミック基板、金属の表面にセラミック等の絶縁膜を有する基板などが挙げられる。さらに、上記導体としては、プリント基板等の配線回路、電子部品の端子電極、リード端子などが挙げられる。

このようにして作製された本発明のＰｂフリー半田ならびに半田付け物品は、半田付け性、接合強度が良好であり、かつ、優れた耐電極喰われ性を有しているため、半田付け温度を自由に設定することが可能で作業性に優れたものとなる。また、Ａｇ等の高価な電極喰われ抑制元素の添加量を少なくすることが可能となる。次に、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。

表１に本実施例で用いる半田組成を示す。なお、比較例の組成も表１に併せて示す。

さらに表１に示したＰｂフリー半田について、半田付け時の耐電極喰われ性、半田付け性の評価結果を表２に示す。

ここで、半田付け時の耐電極喰われ性評価は静電容量変化法で測定をおこなった。Ｃｕ電極（膜厚３μｍ）或いはＡｇ電極（膜厚２０μｍ）を印刷焼成した単板コンデンサを半田に浸漬し、浸漬前後の静電容量の差分値をとり、浸漬前の静電容量に対する前記差分値を求めて電極の残存率を算出した。評価を行った半田付け温度は表２に示す。Ｃｕ電極は１０秒間浸漬後の容量変化、Ａｇ電極は電極喰われし易いので３秒間浸漬後の容量変化を測定した。

Ｃｕ電極において、いずれの場合も比較例と比較すると、本発明の添加元素が電極喰われ抑制に効果があった。実施例２〜５、実施例７〜８は電極残存率が９５％以上であり、いずれも非常に良好な耐電極喰われ性を示した。また、代表的なＰｂフリー半田である比較例１〜２では、電極残存率が９０％以下であり、耐電極喰われ性に問題が見られた。

実施例１と６は８２〜８８％の電極残存率であり他の実施例より電極喰われ抑制効果が小さいが、これは有効元素の添加量が少ないためである。但しいずれの組成も、半田付け条件次第では使用可能なレベルである。

またＡｇ電極においてもＣｕと類似の傾向があり、いずれの場合も比較例と比較すると本発明の添加元素が電極喰われ抑制に効果があった。

半田付け性については、半田広がり率（ＪＩＳＺ３１９７に準拠）を用いて評価をおこなった。実施例１〜２、実施例５〜８については、いずれも半田広がり率が７０％以上であり、非常に良好な半田付け性であった。また、比較例１〜２についても、いずれも半田広がり率が７０％以上であり、非常に良好な半田付け性であった。

実施例３〜４は半田広がり率が低下しているが、これは有効元素の添加量が多いために液相温度が上昇し、半田の流動性が阻害されたためである。但しいずれの組成も、半田付け条件次第では使用可能なレベルである。

また、実施例８に示すように、Ｓｂ、Ａｇの添加量を増加すると半田広がり率が高くなっているが、これは液相温度の上昇に伴い半田付け温度を上昇させた影響がでたものである。

Claims (3)

1. 不可避不純物を除き、
   Ａｇ３．５〜９重量％およびＳｂ５重量％から選ばれる少なくとも１種類と、
   Ｐｄ０．０１〜２重量％と、
   残部がＳｎと、からなることを特徴とする、電子部品接合用のＰｂフリー半田。
2. 溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体を含有する部品を半田により接合してなる半田付け物品であって、
   前記半田は、請求項１に記載のＰｂフリー半田を用いたことを特徴とする、半田付け物品。
3. 前記遷移金属導体は、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎの単体もしくは合金のうち少なくとも１種からなることを特徴とする請求項２に記載の半田付け物品。