JP3784430B2 - 鉛無含有半田合金 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は従来の鉛−錫からなる半田合金並みの強度特性を有する鉛無含有の半田合金に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半田合金としては、Pb−Snの共晶組成付近の合金が代表的なものとして周知である。あるいはまた、Pb−Snの共晶半田よりも強度を高めたZn−Cdからなる合金等も知られている。しかしながら、前者の半田は鉛の有害性が問題となっており、また後者の半田はカドミウム蒸気の作業者への悪影響等が問題となっており、近年の環境問題を解消し得ないものであった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、半田合金として有害なPbあるいはCd等を含まない亜鉛、錫系半田合金が提案されている。例えば3.5Ag−Sn半田合金があるが、この半田合金は伸びはあるものの、引張強度が低いという問題点を有するものであった。このように従来の鉛無含有半田合金ではPb−Sn半田合金並みの機械的特性が出ず、有害なPbあるいはCd等を含まずに機械的特性、特に引張強度及び伸び値が共に実際の半田作業に際して十分満足し得る程度、より具体的には引張強度が4.0kgf/mm2以上で伸び値が30%以上の半田合金が望まれている。
【0004】
本発明は、上記現状に鑑み、有害な鉛等を含まず、しかも引張強度、伸びが共に前述したような実際の半田作業に際して支障が生じない程度に優れたPb−Sn半田合金並みに優れた半田合金を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の半田合金は、Zn:6〜10wt%、Bi及びIn:3wt%未満を含有し、これらZn,Bi,Inを下記判別式(1)のAの値が21.00以上、判別式(2)のBの値が34.05以下となる量で含有し、残部Snからなる鉛無含有半田合金により前記課題を達成したものである。
A=〔Znwt%〕+5.00〔Biwt%〕+2.14〔Inwt%〕…(1)
B=〔Znwt%〕+5.89〔Biwt%〕+2.51〔Inwt%〕…(2)
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明では、Snをベースとし、Zn、Bi、Inの添加含有量を判別式(1)及び(2)のA、Bの値がそれぞれ21.00以上、及び34.05以下となるような量で添加含有せしめたため、引張強度が4.0kgf/mm以上、伸びが30%以上となり、従来のPb−Sn半田合金並みに優れた特性が得られる。
【0007】
本発明おいて、亜鉛を含有させることにより、耐熱性を向上させる効果が有り、さらには溶融点が下がり、強度が高くなる。そのためには6wt%以上の含有が適当であるが、錫−亜鉛二元状態図からも明らかなように亜鉛含有量が8.8wt%を超えるようになると溶融点が逆に高くなり半田付け温度が高くなり、電子部品等に損傷を及ぼす危険性があることから、亜鉛の上限は10wt%とする。また本発明におけるBi及びInは前記Zn含有量のもとにおいて、本発明で目的とするPb−Sn半田合金並の優れた特性である引張強度が4.0kgf/mm以上で伸び値が30%以上を満足するためには6〜10wt%の亜鉛添加量範囲内のうち6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%におけるBi及びInの含有量が図1〜図5の斜線内に入るように調整する(但し、In=0は除く)。これら図1〜図5の関係を判別式(1)及び(2)のように表した場合、式(1)のAの値が21.00以上、判別式(2)の値が34.05以下として示すことができる。すなわち、判別式(1)の値が21.00未満あるいは判別式(2)の値が34.05を超える場合には本発明で目的とする引張強度が4.0kgf/mm以上で伸びが30%以上の値が得られなくなる。これら判別式(1)は図1〜5の下方境界領域を示す直線、そして判別式(2)は図1〜5の上方境界領域を示す直線を式で表したものである。
【0008】
本発明合金において、Inは前述したように3wt%未満の量で添加する必須の添加元素である。すなわちInはBiと同様に合金の融点を低下させるものであるが、本発明におけるように引張強度、伸びを向上させるためにはBiに比べてInの方が添加効果が大きいことからInの添加は本発明合金の初期の目的を達成するためには不可欠の元素であるが、Inは特に高価なため多量の添加は避けるべきであり、この意味からInは3wt%未満とする。
【0009】
本発明に係るSn−Zn−Bi−In系の四元合金において、6wt%≦Zn≦10wt%、0<In≦3wt%の条件下において、判別式(1)及び(2)を解くと、Bi含有量は0.9〜4.8wt%となる。
【0010】
本発明に係る半田合金には、前述したZn、Bi及びInの他に、公知の半田合金に添加されるAg、Au、Cu、Sb等の元素を合計で2.0wt%以下の添加量となるように含有させることができる。これら元素は、例えばAgは半田の拡がり性を増大させ、半田付け後の光沢を増す。Cuは接合強度を増しクリープ抵抗を若干増加させ、さらには銅チップの侵食を抑える作用を有する。Sbは半田付け外観を良好にし接合強度を増し、クリープ抵抗をも増大させる。また、Auは不純物ではあるが、2.5wt%以下であれば半田付け性を損なわない。
【0011】
以下に実施例を示す。
【0012】
【実施例】
Sn,Zn,Bi,In,Pbを表1(本発明の実施例)および表2(比較例)の組成表に示した組成となるように総重量で10kgひょう量し、黒鉛ルツボを使用して大気中で電気炉にて溶解した。溶解温度は300℃とし、完全に各金属が溶解した後、重力偏析をなくすために、十分に撹拌し、150×60mm、高さ150mmの内寸法、鋳型厚み10mmの金型に鋳造した。得られた鋳物の下部より、JIS 4号試験片を機械加工により採取し、JIS Z 2241に準じた試験方法により、引張強度及び伸び値を測定した。それらの結果を表1および表2に示す。なお、比較のため、Pb−Sn共晶半田合金と3.5Ag−Sn半田合金の特性も併せて表2に示した。
【0013】
【表1】
Figure 0003784430
【表2】
Figure 0003784430
【0014】
表1より、本発明組成範囲の半田合金はそれらの機械的強度が4.0kgf/mm以上、伸び値が30%以上の値が得られ、初期の課題を達成し得るものであった。
【0015】
【発明の効果】
以上のような本発明によれば、環境汚染を惹起する鉛あるいはカドミウム等を含有せずして従来のPb−Sn半田合金並みの機械的特性、すなわち引張強度が4.0kgf/mm以上、伸び値が30%以上の値を示し得る半田合金が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半田合金におけるZn:6wt%のとき(残部Sn)のIn及びBiの添加量の関係図である。
【図2】本発明に係る半田合金におけるZn:7wt%のとき(残部Sn)のIn及びBiの添加量の関係図である。
【図3】本発明に係る半田合金におけるZn:8wt%のとき(残部Sn)のIn及びBiの添加量の関係図である。
【図4】本発明に係る半田合金におけるZn:9wt%のとき(残部Sn)のIn及びBiの添加量の関係図である。
【図5】本発明に係る半田合金におけるZn:10wt%のとき(残部Sn)のIn及びBiの添加量の関係図である。
【表1】
Figure 0003784430
【表1】
Figure 0003784430

Claims (1)

  1. Zn:6〜10wt%、Bi:0.9wt%以上4.8wt%未満及び3wt%以下のInを下記判別式(1)のAの値が21.00以上、判別式(2)のBの値が34.05以下となる量で含有し、残部Snからなる鉛無含有半田合金。
    A=〔Znwt%〕+5.00〔Biwt%〕+2.14〔Inwt%〕・・・(1)
    B=〔Znwt%〕+5.89〔Biwt%〕+2.51〔Inwt%〕・・・(2)
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