JP3698161B2 - Ｐｂフリ―半田 - Google Patents

Description

本発明は、Ｐｂフリー半田および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および機械的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、いわゆるＰｂフリー半田、が用いられている。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いる。

しかしながら、Ｓｎを主成分とする半田、特にＰｂフリー半田は、半田付け時または半田付け後の熱エージングを行った場合に、電気的接合部に電極喰われが起こりやすい。また、半田付けする電極としてＳｎへ拡散しやすい組成を用いる場合や電極厚みが薄い場合に、より一層電極喰われが起こりやすいという問題点があった。

また、従来よりＳｎ，Ａｇを主成分とするＰｂフリー半田があるが、半田付け時における耐電極喰われ性の向上を目的としてＮｉを添加した場合、硬いＳｎＡｇ合金が更に一層硬くなり塑性変形能が著しく低下するという問題点があった。
塑性変形能が低下して半田の絞りが悪くなると耐熱衝撃性が低下し、クラックの発生による抵抗値の増加や回路オープン等の原因となる。

本発明の目的は、半田付け時または半田付け後にエージングを行った時に電極喰われが生じにくく、半田引張り強度、耐熱衝撃性に優れる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。

上記目的を達成するために、本発明の一つの実施形態のＰｂフリー半田は、不可避不純物を除き、Ｎｉ０．１５ないし０．５重量％と、Ｃｕ０．５ないし２．０重量％と、Ａｇ０．５ないし１．０重量％（ただし１．０重量％を除く。）と、Ｓｎ９６．６重量％以上と、からなることを特徴とする。

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と、上述した実施形態のＰｂフリー半田と、からなり、前記Ｐｂフリー半田を前記部品に塗布し接合させ、前記遷移金属導体と電気的および機械的に接合してな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Ｐｂフリー半田によれば、電極喰われしやすい遷移金属導体を含有する部品の接合に用いても、所望する半田付き性、接合強度、半田引張り強度、半田絞りを維持しつつ電極喰われを防ぎ、耐熱衝撃性に優れる。

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と、上述した実施形態のＰｂフリー半田と、からなり、前記Ｐｂフリー半田を前記部品に塗布し接合させ、前記遷移金属導体と電気的に接合してなることを特徴とすることで、溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体に対しても、所望する半田付き性、接合強度、半田引張り強度、半田絞りを維持しつつ電極喰われを防ぎ、耐熱衝撃性に優れる本発明のＰｂフリー半田の上述した効果が存分に発揮される。

また、本発明の半田付け物品において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ことで、溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体に対しても、所望する半田付き性、接合強度、半田引張り強度、半田絞りを維持しつつ電極喰われを防ぎ、耐熱衝撃性に優れる本発明のＰｂフリー半田の上述した効果が存分に発揮される。

また、一般的に半田付け性向上のためにＮ₂雰囲気中で半田付けすることが多いが、本発明のＰｂフリー半田はＮｉの添加量が少ないために大気中で容易に半田付けすることができ、半田付け作業性に優れる。

また、本発明のＰｂフリー半田は、Ａｇ等の高価な電極喰われ抑制元素の添加量が少ないため、従来のＰｂフリー半田に比べて半田コストを削減することが出来る。

本発明のＰｂフリー半田において、Ｎｉの添加量は全体１００重量％のうち０．０１ないし０．５重量％が好ましい。Ｎｉの添加量が０．０１重量％未満であると耐電極喰われ性が劣化し半田付け時の電極残存面積が低下する。他方、Ｎｉの添加量が０．０５重量％を超えると、Ｐｂフリー半田の液相線温度が上昇し、同じ温度で半田付けした場合にブリッジ不良や外観不良が生じ、これを回避するために高い温度で半田付けすると高熱による電子部品の特性不良が生じる。

また、本発明の主にＳｎ−Ｎｉ−Ａｇ−Ｃｕの４元素からなるＰｂフリー半田において、Ｃｕの添加量は全体１００重量％のうち０．５ないし２．０重量％であることが好ましい。Ｃｕの添加量が０．５重量％未満であると、接合強度の改善効果が小さい。他方、Ｃｕの添加量が２．０重量％を超えると、過剰にＣｕ₆Ｓｎ₅，Ｃｕ₃Ｓｎ等の硬くて脆い金属化合物が析出することで接合強度が低下する。また、Ｐｂフリー半田の液相線温度が上昇し、同じ温度で半田付けした場合にブリッジ不良や外観不良が生じ、これを回避するために高い温度で半田付けすると高熱により電子部品が破壊され特性不良が生じる。また、Ｓｎ，Ｎｉ等の添加量が減少することに伴う不具合が生じる。

また、本発明の主にＳｎ−Ｎｉ−Ａｇ−Ｃｕの４元素からなるＰｂフリー半田において、Ａｇの添加量は全体１００重量％のうち０．５ないし１．０重量（ただし１．０重量％を除く。）であることが好ましい。Ａｇの添加量が０．５重量％未満であると、接合強度の改善効果が小さい。他方、Ａｇの添加量が１．０重量％以上になると、Ａｇ＋Ｃｕの添加量が３．５重量％以上に近づくため、Ａｇ₃Ｓｎ，Ｃｕ₆Ｓｎ₅，Ｃｕ₃Ｓｎ等の硬い金属化合物が同時析出することで接合強度が低下する不具合が生じることが多くなる。また、Ｃｕ電極の電極残存面積率が９９．５％以下に低下するため、Ａｇの添加量は全体１００重量％のうち０．５ないし１．０重量％（ただし１．０重量％を除く。）であることが好ましい。

また、本発明の半田付け物品における、溶融したＳｎへ拡散しやすい遷移金属導体の組成は、例えばＣｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎの単体もしく合金等があり、合金としてはＡｇ／Ｐｄ，Ａｇ／Ｐｔ等がある。より好ましくは、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉの単体もしくはその合金である。

なお、本発明のＰｂフリー半田は、半田組成中に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、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、接合される部品と、部品の遷移金属導体と電気的および機械的に接合したＰｂフリー半田とを含めた全体をさす。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および機械的に接続させたもの、電子部品素子と端子とを電気的および機械的に接続させたもの、電子部品素子の電極同士を電気的および機械的に接続させたもの等がある。

本発明の半田付け物品は、例えば本発明のＰｂフリー半田を溶融させボール状に加工し、半田ボールを部品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得られる。また、半田槽中に本発明のＰｂフリー半田を液相温度より高い温度で溶融させ、フラックスを塗布した部品を静止溶融半田中に浸漬する浸漬半田付けにより部品の導体を結合することでも得られる。また、噴流半田槽中に本発明のＰｂフリー半田を液相温度より高い温度で溶融させ、フラックスを塗布した部品を溶融半田に接触させるフロー半田付けにより部品の導体を結合することによっても得られる。また、部品をＰｂフリー半田中に浸漬した時、溶融した半田中で揺動を行ってもよい。なお、部品と溶融した半田との接触回数は特に限定しない。

本発明のＰｂフリー半田を接合させる部品としては、例えばガラスエポキシ製やフェノール製のプリント基板、アルミナやムライト等のセラミック基板、金属の表面にセラミック等の絶縁膜を有する基板等が挙げられる。Ｐｂフリー半田と電気的に接合させる遷移金属からなる導体部分としては、プリント基板等の配線回路、電子部品の端子電極、リード端子等が挙げられる。

本発明のＰｂフリー半田および半田付け物品について、実施例に基づいて具体的に説明する。まず、表１に示す組成割合でＳｎ，Ｐｂ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｂを混合してなる複数の半田を準備し、それぞれ実施例１ないし４と比較例１ないし７の半田とした。

次に、Ｃｕ電極あるいはＡｇ電極を印刷焼成した複数の単板コンデンサを準備し静電容量を測定した。次にあらかじめ２６０℃に溶融しておいた実施例１ないし４と比較例１ないし７の半田にそれぞれ浸漬し、静電容量変化法に基づき半田浸漬前後の単板コンデンサ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て、半田付け時の電極残存面積率の測定を行った。なお、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やすいため３秒間浸漬後の容量変化を測定した。

次に、実施例１ないし４と比較例１ないし７の半田についてＪＩＳＺ３１９７に準拠して半田広がり率を測定した。なお、評価温度は作業性を考慮して液相線温度＋３０℃とした。

次に、表面を溶融したＳｎでめっき処理したＣｕリード線でＣｕ板を挟みこみ、あらかじめ２６０℃に溶融しておいた試料１ないし４および比較例１ないし７の半田に浸漬して半田付けして、試料１ないし４および比較例１ないし７の試験片を得た。これらの試験片を引張り試験機を用いてＣｕリード線を引張り、それぞれ接合強度を測定した。

次に、実施例１ないし４と比較例１ないし７の半田を、それぞれ液相線温度＋１００℃に加熱して溶融し、黒鉛鋳型に流し込んで凝固させた後に１４８時間常温エージングして試料１ないし４および比較例１ないし７の試験片を得た。これらの試験片を引張り速度５ｍｍ／ｓで引張り、それぞれ半田引張り強度を測定した。なお、試験片形状は平板型で試験部分は８×３ｍｍの長方形断面とし、切り欠きは無しとした。

次に、引張り強度試験を実施した後の試料１ないし４および比較例１ないし７の断面積を測定し半田絞りを算出した。なお、評価方法はＪＩＳＺ２２４１（６．１１項）に準拠した。

次に、Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板上にＡｇからなる厚膜電極を形成し、表面を溶融したＳｎでめっき処理したＣｕリード線でこれを挟み込み、あらかじめ２６０℃に溶融しておいた試料１ないし４および比較例１ないし７の半田に浸漬して半田付けした。これらを−３０℃と＋１２５℃３０分保持を１サイクルとするに保持した熱衝撃槽に５００サイクル投入して試料１ないし４および比較例１ないし７のフィレットを外観観察してクラックの有無を判別し、それぞれ耐熱衝撃性を測定した。なお、半田付けはリード線側をガラスエポキシ基板に取り付け、基板側に形成されたフィレットを評価個所とした。耐熱衝撃性の評価はクラックのないものを○とした。

こうして測定した電極残存面積率、広がり率、接合強度、半田引張り強度、半田絞り、耐熱衝撃性を表１にまとめた。なお、本発明の範囲内となるＰｂフリー半田および半田付け物品については総合評価を○とした。

表１から明らかであるように、Ｓｎ−Ｎｉを含有する実施例１ないし４の半田は何れもＣｕ電極における電極残存面積率が９５％以上、広がり率６５％以上、接合強度１７Ｎ以上、半田引張り強度３０以上、半田絞り５５以上、耐熱衝撃性優良となり満足できる結果となった。

他方、比較例３ないし７の半田も、Ｃｕ電極における電極残存面積率が９５％以上となったが、耐熱衝撃性試験においてクラックが発生し、本発明の範囲外となった。その理由としては、比較例４ないし７は半田絞りが４２ないし５１％と低いことが挙げられる。

なお、比較例３はＰｂ４０重量％を含有するため本発明の範囲外である。

また、比較例１および２の半田は、半田絞りならびに耐熱衝撃性ともに優れたが、Ｃｕ電極における電極残存面積率がそれぞれ８９．２％，７．０％、Ａｇ電極における電極残存面積率がそれぞれ３１．７％，０％と劣るため、本発明の範囲外となった。

Claims (3)

1. 不可避不純物を除き、
   Ｎｉ０．１５ないし０．５重量％と、
   Ｃｕ０．５ないし２．０重量％と、
   Ａｇ０．５ないし１．０重量％（ただし１．０重量％を除く。）と、
   Ｓｎ９６．６重量％以上と、
   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と、請求項１に記載のＰｂフリー半田と、からなり、
   前記Ｐｂフリー半田を前記部品に塗布し接合させ、前記遷移金属導体と電気的および機械的に接合してなる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。