JP3761182B2 - ＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、電気・電子機器の金属接合等に使用されるＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気・電子機器の金属接合等に使用するはんだ合金としては、Ｓｎが６３重量％、Ｐｂが３７重量％等の鉛を含有するはんだ合金が一般的に用いられてきた。
【０００３】
鉛を含有するはんだは、はんだ付けした基板等の廃棄物から溶出した鉛が地下水に浸透した場合、これを飲用することによって神経系統に重大な障害をもたらすことが指摘されている。そのため、鉛を含有しない多くの無鉛はんだ合金が検討されている。
【０００４】
Ｐｂを含有しない無鉛はんだ合金として、ＳｎＣｕ系合金、ＳｎＡｇＣｕ系合金、ＳｎＺｎ系合金やこれらの合金にＢｉ、Ｉｎ等を添加したものが検討されている。
【０００５】
この中でＳｎＡｇＣｕ系の合金は、クリープ強度に代表される優れた機械特性値と濡れ性を有することから、信頼性の高い無鉛はんだ合金として、最も実用化が有望な材料の一つである。
【０００６】
しかしながら、このＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕに代表されるＳｎＡｇＣｕ系の合金は、酸化物発生量が多いことと、銅や鉄系の合金を溶食し易く、基板の銅回路を侵したり、はんだ槽の容器を溶食したりするいわゆる銅喰われ現象が起き易い問題があり、これらが実用化の障害となっている。
【０００７】
銅喰われを抑制するために、Ｃｏ、Ｎｉを添加する方法が提案されている。この方法では、０．０２重量％以上のＣｏを添加することによって、耐銅喰われ性が著しく向上する。しかしながらこの方法の問題点は、微量の金属添加によって、酸化物発生を抑制する手段が効果を発揮しなくなることである。
【０００８】
ＳｎＡｇＣｕ系の合金は、酸化物発生を抑制することが知られているＰ或はＧｅを微量添加することで、酸化物の発生量は約１／２に低下する。しかしながら、Ｃｏ、Ｎｉを含有したＳｎＡｇＣｕ系の合金に、Ｐ又はＧｅを添加すると、酸化抑制効果を発揮しないばかりでなく、Ｃｏ、Ｎｉの持つ耐銅喰われ性も著しく低下させる。
【０００９】
このメカニズムは不明であるが、Ｐ又はＧｅがＣｏ又はＮｉと結合して、はんだ表面へ拡散して濃縮することができないためと推定される。このため、はんだ表面に濃縮してはんだと酸素の接触を妨げる酸化抑制の機構が発揮できなくなると考えられる。
【００１０】
また、Ｐ又はＧｅがＣｏ又はＮｉと結合することによって、銅喰われ抑制の機構も破壊されて、耐銅喰われ性も著しく低下する。要するに、ＰとＣｏ若しくはＮｉが結合することによって、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｃｏ（Ｎｉ）の金属間化合物層が、はんだとＣｕの界面に形成されることが妨げられるため、Ｃｕがはんだ中へ溶出し易くなるからである。
【００１１】
また最近、ＳｎAgＣｕ系はんだ合金の銅喰われ性を改善するため、Ｃｏを０．０２〜０．０６重量％添加する発明が公開された（特許文献１参照）。しかしながら、本発明者等の研究によれば、このものは銅喰われ性は改善されるが、酸化物の発生量が多く、また、微量の金属元素を添加しても酸化物の発生量は減少しないことが判明している。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２４６７４２
【００１３】
上記したように、従来のＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金は、耐銅喰われ性と耐酸化性が両立できなかったため、実用化の要求特性を満たさないと言う観点から未だ全く不満足であった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このことに着目してなされたものであり、耐銅喰われ性と耐酸化性とを併有したＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のはんだ合金は、Ｃｕが０．２〜１．５重量％未満、Ａｇが１．０〜５．０重量％、Ｓｎよりなるはんだ合金に、Ｃｏ０．００５〜０．０３重量％とＧｅ０．００５〜０．０３重量％とを同時に添加し、Ｓｎの含有量を残部となるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明によれば、Ｃｕが０．２〜１．５重量％未満、Ａｇが１．０〜５．０重量％含有するＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金に、Ｃｏを０．００５〜０．０３重量％、Ｇｅを０．００５〜０．０３重量％同時に含有させることによって、耐銅喰われ性と耐酸化性が両立した従来にない性質を有するＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金が得られる。
【００１７】
Ｃｏを含有するＳｎＡｇＣｕ系合金に、Ｇｅを添加した場合、Ｃｏ−Ｇｅ−Ｓｎの金属間化合物を作り易く、ＣｏとＧｅの含有量が多い場合には、金属間化合物が塊状のドロスとなって析出し、酸化物発生量は増大するし、また、耐銅喰われ性も低下する。しかし、ＣｏとＧｅの含有量が少ない所定の範囲内の場合には、塊状のドロスの生成が無いため、酸化物発生量が少なく、また、銅喰われ抑制効果も増進される。
【００１８】
このメカニズムは不明であるが、ＣｏとＧｅの含有量が適度であれば、金属間化合物が塊状となってはんだ中に遊離することが無いため、ドロスは発生せずに酸化物発生量が少なくなり、また、金属間化合物がはんだ中に遊離することが無いため、はんだとＣｕとの界面にＳｎ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｇｅの金属間化合物を作ってＣｕの溶出を抑制するためと推定できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明で使用するＣｕの範囲は０．２〜１．５重量％未満であり、Ａｇの添加量は、１．０〜５．０重量％である。これはこの範囲で、Ｓｎ−Ａｇ―Ｃｕの共晶温度及びその温度近くの組成になるからである。
【００２１】
上記【作用】の項で適度の量と記載したＣｏの量は、０．００５〜０．０３重量％、Ｇｅの量は０．００５〜０．０３重量％である。Ｃｏ及びＧｅの量が、それぞれ０．００５重量％より少ないと耐銅喰われ性の効果を発揮しないし、それぞれ０．０３重量％より多いとはんだ中に塊状のドロスが生成し、酸化物発生量が増大すると共にツノ引き等のはんだ付け欠陥が発生する。
【００２２】
次に実施例を挙げて本発明を更に説明する。
【００２３】
【実施例】
後記表１の組成となる実施例（Ｎｏ１〜Ｎｏ３）及び比較例（Ｎｏ１〜Ｎｏ３）のはんだ５ｋｇを作成した。なお、Sｎ３Ａｇ０．５Cu０．０２Co０．０１Ｇｅ（実施例１）は、Ａｇが３重量％、Cuが０．５重量％．Coが０．０２重量％、Ｇｅが０．０１重量％、残部をＳｎとしたはんだ合金を意味する。
【００２４】
得られたはんだについて、酸化物発生量（ｇ／３０分）および銅喰われ量（２８０℃、１０分）を測定した。結果を後記表１に示した。なお、試験方法は下記のようにして行った。
【００２５】
［酸化物発生量（ｇ／３０分）]
２．５ｋｇのはんだを用い、磁性の皿に入れて２６０℃に加熱して溶解させた。φ６０ｍｍの攪拌子を用いて、はんだ表面を６０ｒｐｍで３０分間攪拌して、表面に生成した酸化物を採取して秤量した。この操作を３回繰り返して平均値を酸化物発生量とした。また、同時に塊状のドロスの発生状況を観察した。
【００２６】
［銅喰われ量（ｇ／１０分）］
２．５ｋｇのはんだを磁性の皿に入れ、加熱溶解して２８０℃とした。このはんだ中に、幅２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの銅板を、φ６０ｍｍの攪拌羽根の先端に取り付けて先端２０ｍｍをはんだ中に浸漬した。続いて、攪拌羽根を３０ｒｐｍで１０分間攪拌した。この場合のはんだ中の銅板の移動速度は、約９４ｃｍ／分である。試験終了前後の銅板の重さを測定し、銅のはんだ中への溶出量を測定した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
上記結果から明らかなように、実施例１〜３の本発明のはんだ合金は、銅喰われ量が０．４２〜０．７５ｇ／１０分と少なく、また、酸化物発生量も４４．８〜４７．８ｇ／３０分と両方共に少ない。これに対して、比較例１〜３のはんだ合金は、例えば比較例２では、銅喰われ量は少ないが、酸化物発生量が多く、両者が同時に少ないものはない。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べた如く、ＳｎＡｇＣｕ合金にＣｏとＧｅとを特定量同時に添加することによって、耐銅喰われ性と耐酸化性とを併用し、実用化の要求特性を満たしたＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金が得られる。このようなＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだは、従来強く求められていたにもかかわらず得られなかったものであるから、極めて画期的な効果である。

Claims (1)

1. Ｃｕが０．２〜１．５重量％未満、Ａｇが１．０〜５．０重量％、Ｓｎよりなるはんだ合金に、Ｃｏ０．００５〜０．０３重量％とＧｅ０．００５〜０．０３重量％とを同時に添加し、Ｓｎの含有量を残部となるようにしたことを特徴とするＳｎＡｇＣｕ系無鉛はんだ合金。