JP3795797B2 - はんだ材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、はんだ材に、特に、実質的に鉛無含有のはんだ材に関する。多くの従来のはんだ材は、その主要な成分として鉛を含む。そのようなはんだ材は、しばしば、望ましい物理的性質を有し、鉛を含んだはんだ材の使用はプリント回路基板の生産に関するものを含む、いくつかの産業中で広まった。例えば、63%の 錫と37%の鉛を含んだはんだ材は、ウェーブはんだ付けの工程で一般的に使用さ れる。
【０００２】
【従来技術及びその課題】
しかしながら、例えば環境問題への配慮のため、鉛無含有はんだ材に対する要求が増加し、次の数年以内にいくつかの国において多くの品目の製造で使用されるはんだ材が殆ど又は全く鉛を含まないことが法的要件となることはあり得る。
【０００３】
鉛無含有はんだ材を製造する先の試みの成功は限られたものであった。従来の鉛無含有はんだ材は、貧しいぬれ特性、低流動性、既存のコンポーネント（構成要素）コーティングとの不十分なコンパチビリティ及び過度の不純物(drossing)を含む、全体として、望ましくない物理的性質を有する。鉛無含有はんだ材の使用において認識されている特定の問題は、プリント回路基板における貫通してメッキされた（through-plated）穴の縁のはんだ材の隅肉（fillet）が、例えば、ニッケル／金のコーティング等の基礎をなす材料から離されようとする、隅肉剥離（fillet lifting）の問題である。別の問題は、鉛無含有はんだ材は銅に対する高い溶解率を有する傾向があるという事実のために、はんだ材と接触するコンポーネント及び回路基板から、銅が鉛無含有はんだ材に吸い出されるという問題である。
【０００４】
その結果、いくつかの製造業は、何年も有効に機能して来た既存のはんだ付け工程が、これから鉛無含有はんだ材の使用に適応できるように大幅に変更しなければならないことを懸念している。さらに、プリント回路基板の生産で使われる既存の材料は、鉛無含有はんだ材の使用とコンパチビリティがあるように取替えられる必要もあり得る。この工程と材料の適合は、資源を十分に使用しないものと広く評価されるものであり、特に、公知の鉛無含有はんだ材を使用して製造された製品の規格は、上述のように、しばしば、従来の鉛を含んだはんだ材を使用した場合の規格よりかなり劣っている。
【０００５】
【発明の目的】
従来の鉛を含んだはんだ材の直接的代替として有用な鉛無含有はんだ材を提供することが本発明の目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の１つの観点では、88.5%から93.2%までの錫、3.5%から4.5%までの銀、2.0%から6.0%までのインジウム、及び0.3%から1.0%までの銅からなる、実質的に鉛無含有のはんだ材が提供される。
また、本発明を具体化するはんだ材は、リン、又は別の非金属の化合物や元素等の抗酸化剤(anti-oxidant)又はスキン形成遅延(anti-skinning)の添加物を0.5%まで含んでもよい。「スキン形成遅延」とは、はんだの表面にスキンが形成さ れるのを遅らせ、スキン形成の前に、はんだが基質を十分にぬらして基質に接合するようにすることである。
好適実施形態では、はんだ材は、91.3%の錫、4.2%の銀、4.0%のインジウム、及び0.5%の銅を含む。
別の好適実施形態では、はんだ材は、91.39%の錫、4.1%の銀、4.0%のインジウム、0.5%の銅、及び0.01%のリンを含む。
【０００７】
本発明の別の観点では、はんだ材中の錫の割合が88.5%から93.2%で、はんだ材中の銀の割合が3.5%から4.5%で、はんだ材中のインジウムの割合が2.0%から6.0%で、はんだ材中の銅の割合が0.3%から1.0%であるように、錫、銀、インジウム、及び銅を混合することからなる、実質的に鉛無含有のはんだ材を調製する方法が提供される。
本発明のはんだ材を調製する方法は、はんだ材混合物中、抗酸化剤又はスキン形成遅のための添加物を最大0.5%含むことを含んでもよい。
本発明のはんだ材を調製する好適な方法は、はんだ材中の錫の割合が9l.3%で、はんだ材中の銀の割合が4.2%で、はんだ材中のインジウムの割合が4.0%で、はんだ材中の銅の割合が0.5%であるように、錫、銀、インジウム、及び銅を混合することからなる。
本発明のはんだ材を調製する別の好適な方法は、はんだ材中の錫の割合が91.39%で、はんだ材中の銀の割合が4.l%で、はんだ材中のインジウムの割合が4.0%で、はんだ材中の銅の割合は0.5%で、はんだ材中のリンの割合が0.01%であるように、錫、銀、インジウム、銅、及びリンを混合することからなる。
【０００８】
本発明のさらなる観点は、88.5%から93.5%までの錫、3.5%から4.5%までの銀、2.0%から6.0%までのインジウム、及び0.3%から1.0%の銅からなる、実質的に鉛無含有のはんだ材を使用することからなるはんだ付け方法を提供する。
前記方法は、91.3%の錫、4.2%の銀、4.0%のインジウム、及び0.5%の銅からなるはんだ材を使用することからなるのが好適である。
前記方法は、91.39%の錫、4.1%の銀、4.0%のインジウム、0.5%の銅、及び0.01%のリンからなるはんだ材を使用することからなると都合がよい。
前記方法は、実質的に鉛無含有であるはんだ材を使用するウェーブはんだ付けからなると有利である。
【０００９】
本発明がより容易に理解されるように、その具体例が、添付図面を参照して、説明される。
【００１０】
上述のように、鉛を含んだ従来のはんだ材と比べると、従来の鉛無含有はんだ材は、貧しいぬれ特性、低流動性、既存のコンポーネントコーティングとの不十分なコンパチビリティ、隅肉剥離、高い銅溶解率、及び過剰な不純物を含むといういくつかの不利益を有する。
【００１１】
しかしながら、公知の鉛無含有はんだ材と比べると、本発明を具体化し、88.5%から93.2%までの錫、3.5%から4.5%までの銀、2.0%から6.0%までのインジウム、0.3%から1.0%までの銅、及び0.5%までのリン又は非金属の化合物又は元素等の抗酸化剤又はスキン形成遅延のための添加物からなる鉛無含有合金で構成されるはんだ材は、十分に改良された特性を有する。実際に、本発明を具体化するはんだ材の特性は、ぬれ性、流動性、既存のコンポーネントコーティングとのコンパチビリティ、隅肉剥離、銅溶解率、及び不純物に関して、従来の鉛を含んだはんだ材に匹敵している。
【００１２】
本発明を具体化するはんだ材の有利な特性を示すために、５つのテストが、以下で説明されるように実施された。これらのテストは、ここでは合金349と呼ばれ、91.39%の錫、4.2%の銀、4.0%のインジウム、0.5%の銅、及び0.01%のリンからなる、本発明のはんだ材の好適実施形態に関して実施された。
【００１３】
テスト１:ぬれ性第１のテストは、公知のはんだ材から選ばれたもの、すなわち、８つの既存の鉛無含有はんだ材と従来の鉛を含んだはんだ材の試料と比べる、本発明を具体化するはんだ材の試料のぬれ性に関するものであった。
９つの公知のはんだ材は、以下のとおりであった。
1. 63%の錫、37%の鉛の構成の鉛を含んだはんだ材。
2. 99.3%の錫、0.7%の銅の構成の第１の鉛無含有はんだ材。
3. 96.5%の錫、3.5の銀の構成の第２の鉛無含有はんだ材。
4. 88.3%の錫、3.2%の銀、4.5%の蒼鉛、4.0%のインジウムの構成の第３の鉛無含有はんだ材(ここではバイロメット(Viromet) 217と呼ばれる)。
5. 92%の錫、2%の銅、3%の銀、3%の蒼鉛の構成の第４の鉛無含有はんだ材(ここでは、バイロメット(Viromet) 411と呼ばれる)。
6. 92.8%の錫、0.7%の銅、0.5%のガリウム、6%のインジウムの構成の第５の鉛無含有はんだ材(ここではバイロメット(Viromet) 513と呼ばれる)。
7. 93.5%の錫、3.5%の銀、3.0%の蒼鉛の構成の第６の鉛無含有はんだ材。
8. 95.5%の錫、4.0%の銀、0.5%の銅の構成の第７の鉛無含有はんだ材。
9. 96.0%の錫、2.5%の銀、1.0%の蒼鉛、0.5%の銅の構成の第８の鉛無含有はんだ材。
なお、上記の番号４、５、６の公知のはんだ材「バイロメット（ Viromet ）」は登録商標である。以下のテスト２〜５で用いた公知のはんだ材「バイロメット (Viromet) 」も同様である。
【００１４】
第１のテストの第１の観点は、ANSI/J Std-OO3規格に基づいて、235℃から265℃までの様々な温度におけるぬれ時間の測定からなる。このテストにおいて、銅の試料が、或る量の各溶融状態のはんだ材に浸された。力計測装置が銅の試料に接続され、試料に作用する垂直な力が測定され記録されるように配置された。
【００１５】
溶融状態のはんだ材へ浸されている間、銅の試料への垂直な力の変化は、２つの主な要素による。これらの１番目である浮力は、試料によって排除されたはんだ材の重さと等しい、はんだ材の排除によって試料に及ぼされる上向きの力から生じた。はんだ材に浸された試料の部分の容積、及び、はんだ材の密度は既知であるから、この上向きの力は、計算によって求めることができる。
【００１６】
第２の要素は、はんだ材の表面と試料の表面との間の接触角の変化によって試料に作用する力である。各特定の場合における「ぬれ時間」は、試料に作用するぬれ力（wetting force）がゼロに等しくなるために要する時間、として定義された。
【００１７】
第１のテストの第１の観点の結果は、図１に示されている。要するに、本発明を具体化するはんだ材は、各温度において、従来の鉛を含んだはんだ材によっ て示されたものに匹敵する、ぬれ時間を示した。さらに、本発明を具体化するはんだ材は、その他の鉛無含有はんだ材のいずれもによって示されたものより全体的に低いぬれ時間を示した。前記ぬれ時間は、はんだ材が基質に付着する速度の測定であり、そして、低ぬれ時間は、はんだ材にとって明確に望ましい特性である。従って、本発明を具体化するはんだ材は、全体的に見て、第１のテストの第１の観点において既存の鉛無含有はんだ材のいずれのものよりも良く機能することがわかる。
【００１８】
第１のテストの第１の観点の結果は、図２に、グラフの形で示されている。このグラフから、その他の鉛無含有はんだ材の能力を表すものと比べると、従来の鉛を含んだはんだ材と本発明を具体化するはんだ材の能力を表す結果が、互いに非常に密接に追従していることがわかるであろう。
【００１９】
第１のテストの第２の観点は、各はんだ材の試料が浸された後2.0秒における最大ぬれ力の測定からなる。ぬれ力は、上記で説明されたように、はんだ材と試料の間の粘着力である。このぬれ力は、はんだ材が基質に固着する強度の役立つ示度を明確に提供するものであり、高いぬれ力は、はんだ材にとって望ましい特性である。
【００２０】
第１のテストの第２の観点の結果は、図３に示されている。これらの結果を要約すると、本発明を具体化するはんだ材は、各考慮された温度において、いくらか低いけれども、従来の鉛を含んだはんだ材によって示されるものに匹敵する、試料が浸された後2.0秒での最大ぬれ力を示した。既存の鉛無含有はんだ材のいくつかが、いくつかの温度において、従来の鉛を含んだはんだ材のものに近いぬれ力を示したが、バイロメット（Viromet)217は、僅かにより良好な全体的な結 果を示し、本発明のはんだ材は、考慮された温度のすべてにおいて、従来の鉛を含んだはんだ材のものと近いぬれ力を示した。本発明を具体化するはんだ材の特性は、本発明のはんだ材に、様々な温度条件の下で、又は、変化する温度条件の下ではんだ付けが行なわれる場合に、従来の鉛を含んだはんだ材と同様の挙動をさせることになる。
【００２１】
第１のテストの第２の観点の結果は、本発明を具体化するはんだ材に対する結果が、その他の鉛無含有はんだ材を示すものの少なくとも最良のものと同じくらい密接に従来の鉛を含んだはんだ材に近く、図４にグラフの形で示されている。
【００２２】
第１のテストの結果から、本発明を具体化するはんだ材が、ぬれ性に関して、従来の鉛を含んだはんだ材と非常に似た特性を示すのが理解される。物理的性質におけるこの類似性のために、従来の鉛を含んだはんだ材の代替としての使用に適したものになることは明らかである。
【００２３】
テスト２:機械的性質
第２のテストは、従来の鉛を含んだはんだ材の機械的性質と本発明のはんだ材の機械的性質を比較した。この第２のテストでは、様々な機械的なテストが、合金349である、本発明を具体化するはんだ材と、構成が63％の錫/37%鉛の従来の鉛を含んだはんだ材及び以下の構成の７つのその他の既存の鉛無含有はんだ材と比較して、ASTM規格に従って実施された。
1. 第１の鉛無含有はんだ材:99.3%の錫;0.7%の銅
2. 第２の鉛無含有はんだ材:96.5%の錫;3.5の銀
3. 第３の鉛無含有はんだ材（ここではViromet 217と呼ばれる。）:88.3％の錫;3.2%の銀;4.5%の蒼鉛;4.0%のインジウム
4. 第４の鉛無含有はんだ材（ここではViromet HFと呼ばれる。）:92.8%の錫;0.7%
の銅;0.5%のガリウム;6%のインジウム
5. 第５の鉛無含有はんだ材:93.5%の錫;3.5%の銀;3.0%の蒼鉛
6. 第６の鉛無含有はんだ材:95.5%の錫;4.0%の銀;0.5%の銅
7. 第７の鉛無含有はんだ材:96%の錫;2.5%の銀;0.5%の銅;1.0%の蒼鉛
【００２４】
第２のテストの第１の観点は、テストの下ではんだ材の溶融温度、熱膨張率(CTE)、及び比重(SG)を決定することを含んだ。第２のテストのこの第１の観点の結果は、図５に表にされ、図６にグラフの形で示されている。
表とグラフから理解されるように、本発明の合金 349のはんだ材は、従来の鉛を含んだはんだ材の非常に近い熱膨張係数を有するので、既存のコンポーネント及び基板との間のインコンパチビリティの如何なる可能性も顕著に減少させることが立証された。
【００２６】
第２のテストの第２の観点は、様々なはんだ材の引張強度、最大負荷での負荷、降伏強度、及びヤング率を測定することであった。これらのテストの結果は図７の表にすべて表され、図８はグラフ的に各合金の引張強度と降伏強度を示す。
【００２７】
図７と８からわかるように、このテストの結果は、本発明を具体化する合金 349のはんだ材が、従来の鉛を含んだはんだ材と比べると、より良い強度と、より良いヤング率を有し、その結果、この発明の合金で作られた隅肉接合(filletjoints)が、従来の鉛を含んだはんだ材から作られた接合よりもはるかに強くな り得ることを示している。
【００２８】
テスト３:隅肉剥離
様々な産業における増加している鉛無含有はんだ材の使用は、鉛無含有はんだ材が、OSPとニッケル／金のコーティングの両方を使用している、貫通してメッ キされた穴を具えたプリント回路基板において使用されると、隅肉剥離が起こる傾向があることを示している。
【００２９】
第３のテストでは、そのような隅肉剥離の発生は、鉛無含有はんだ材から選ばれたもの、すなわち、本発明を具体化する合金 349のはんだ材と、以下の６つの既存の鉛無含有はんだ材に対してテストされた。
1. 第１の鉛無含有はんだ材:Viromet 217
2. 第２の鉛無含有はんだ材:92.3%の錫;3.2％の銀;0.5％の蒼鉛;4.0%
3. 第３の鉛無含有はんだ材:89.8％の錫;3.2％の銀;1.0％の蒼鉛;6.0％のインジウム
4. 第４の鉛無含有はんだ材:88.8％の錫;3.2％の銀;2.0％の蒼鉛;6.0％のインジウム
5. 第５の鉛無含有はんだ材:94.5％の錫;4.0％の銀;0.5%の銅;1.0％の蒼鉛
6. 第６の鉛無含有はんだ材:96.5％の錫;3.5％の銀。
【００３０】
この第３のテストの結果は、図９、１０Ａ、及び１０Ｂで図示され、図９は、表の形でその結果を示している。図１０Ａと１０Ｂは、それぞれ、ニッケル／金とOSP コーティングで、本発明を具体化する合金 349のはんだ材を使用して形成された隅肉接合の、２つの異なった縮尺の顕微鏡写真を示す。これらの結果は、本発明を具体化するはんだ材の使用が、プリント回路基板のOSPとニッケル／金 でコーティングされた貫通穴において、隅肉剥離の欠陥をなくすことを可能にすることを明確に示している。
【００３１】
テスト４:銅の溶解率
第４のテストは、本発明を具体化する鉛無含有はんだ材と従来の鉛を含んだはんだ材(63％の錫/37%の鉛)と以下の３つの既存の鉛無含有はんだ材における銅の溶解率を比較するために実施された。
1. 第１の鉛無含有はんだ材:Viromet 217
2. 第２の鉛無含有はんだ材:99.3％の錫;0.7%の銅
3. 第３の鉛無含有はんだ材:95.5％の錫;4.0％の銀;0.5%の銅
【００３２】
テストは、既知の重さのフラックスされた銅プレートを、溶けたはんだ材に浸すことによって実施され、その後、はんだ材での銅の濃度が、電磁誘導式高周波プラズマ設備を使用して測定された。それから、銅の溶解率が、はんだ材に浸される銅の重さに対して、はんだ材中で見られた銅の濃度に基づいて計算された。
【００３３】
この第４のテストの結果は、それぞれ、表の形とグラフの形で結果を示す、図１１と１２に表されている。図１１と１２からわかるように、本発明の合金は、従来の鉛を含んだはんだ材より僅かに高い銅の溶解率であるが、テストされた鉛無含有はんだ材の中では、最も低いほうに属する溶解率である。
【００３４】
テスト５:不純物
第５のテストは、ウェーブはんだ付け装置における使用への本発明のはんだ材の適性に関するものであった。ウェーブはんだ付けに関する例では、回路基板がポット内の或る量の溶融状態のはんだ材の直上で保持される。それから、波が、波の頂きが回路基板の表面と接触するのに十分な振幅であり、溶融状態のはんだ材の表面を横切って伝達されるように惹起される。波は、回路基板（又は、はんだ材付けを必要とする部分）と同じくらい広く、そして、波が溶融状態のはんだ材の表面を横切って伝達されると、回路基板の下向きの面の表面のすべての部分が溶融状態のはんだ材と接触する。
【００３５】
既存の鉛無含有はんだ材を使用すると、数回の使用後のポットに存在する不純物のレベルは、いくつかの場合において、容認できない程高いことが判明した。
【００３６】
第５のテストは、従来の63％の錫／37%の鉛のはんだ材と以下の３つのその他の既存の鉛無含有はんだ材を比較して、本発明を具体化する合金 349のはんだ材を使用する際、不純物の程度を決定するために実施された。
1. 第１の鉛無含有はんだ材:Viromet 217
2. 第２の鉛無含有はんだ材:99.3％の錫;0.7%の銅
3. 第３の鉛無含有はんだ材:95.5％の錫;4.0％の銀;0.5%の銅
【００３７】
このテストにおいて、テストされるはんだ材は、従来のウェーブはんだ付け装置をシミュレートした装置で、溶融状態のはんだ材のポットの中で使用された。はんだ材の使用を可能にするために、その装置に如何なる変更も加えられず、ウェーブはんだ付け装置は、従来の錫／鉛はんだ材と同様に、回路基板をはんだ付けするために使用された。ウェーブはんだ付け装置は、基板が1.4〜1.8m/minの 速度でポットの表面まで運ばれる状態で、245℃のポット温度で通常の空気環境 において操作された。操作の各４つの連続する１５分の区切りの最後に、ポット内の不純物は、各区切りのウェーブはんだ付け工程によって作り出された不純物の量を決定するために取除かれ、重さが計られた。それから、その重さは、毎時の不純物産出率を測定するために合計された。この第５のテストの結果は、本発明を具体化するはんだ材が、その他の鉛無含有はんだ材の１つ以外のすべてより低く、従来の鉛を含んだはんだ材で見られた不純物よりも低い程度の不純物を作り出すことを明確に示す、図１３の表に示されている。
【００３８】
上記の結果かわかるように、本発明のはんだ材によって示された、ぬれ性、流動性、既存のコンポーネントコーティングとのコンパチビリティ、隅肉剥離、不純物の匹敵する特性のために、本発明は、従来の鉛を含んだはんだ材の直接的代替としての使用に非常に適した鉛無含有はんだ材を提供する。
【００３９】
従って、本発明のはんだ材を使うことによって，製造業者が鉛無含有はんだ材の使用に適応させるように、既存の装置、工程、又は、コンポーネントコーティングを取替える必要性をなくするか、又は実質的に少なくさせることができる。その結果、製造業者の設備を鉛無含有はんだ材の使用に変える工程が、遥かに簡単で、より経済的に実施可能になる。
【００４０】
特定の形式や開示された機能を実施するための手段によって表された、上記の説明や特許請求の範囲や添付の図面において開示された特徴、又は、開示された結果に達するための方法や工程は、別々に、又は、そのような特徴の如何なる組合わせにおいても、その様々な形式で本発明を実現するために利用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を具体化するはんだ材を含む、異なったはんだ材から選ばれたものの、様々な温度における秒単位のぬれ時間を示す表。
【図２】 図１の表で示されたデータのグラフ表示。
【図３】 本発明を具体化するはんだ材を含む、異なったはんだ材から選ばれたものの、様々な温度における、最大のぬれ力の表。
【図４】 図３の表で示されたデータのグラフ表示。
【図５】 本発明を具体化するはんだ材を含む、はんだ材から選ばれたものの熱膨張率を含む物理的性質を示す表。
【図６】 図５の表で示された熱膨張データのグラフ表示。
【図７】 本発明を具体化するはんだ材を含む、異なったはんだ材から選ばれたものの、引張強度と降伏強度を含む機械的性質の表。
【図８】 図７の表で示された引張強度と降伏強度データのグラフ表示。
【図９】 本発明を具体化するはんだ材を含む、異なった鉛無含有はんだ材から選ばれたものについて行われた隅肉剥離テストで得られた結果の表。
【図１０】 ２つの異なった縮尺での顕微鏡写真で、（Ａ）はニッケル／金コーティングに、（Ｂ）はOSPコーティング（銅基質上へのポリマーコーティング ）に、それぞれ付着した、本発明のはんだ材の隅肉(fillet)を示す顕微鏡写真。
【図１１】 本発明の鉛無含有はんだ材を含む、様々なタイプのはんだ材への銅の溶解率を示す表。
【図１２】 図１１の表で示されたデータのグラフ表示。
【図１３】 本発明を具体化する鉛無含有はんだ材を含む、様々なはんだ材によって表された不純物のレベルを示す表。

Claims (7)

1. ９１．３％の錫、４．２％の銀、４．０％のインジウム、及び０．５％の銅からなる、鉛無含有のはんだ材。
2. はんだ材中の錫の割合が９１．３％で、前記はんだ材中の銀の割合が４．２％で、前記はんだ材中のインジウムの割合が４．０％で、且つ前記はんだ材中の銅の割合が０．５％であるように、錫、銀、インジウム、及び銅を混合する工程からなる、鉛無含有のはんだ材を調製する方法。
3. ９１．３％の錫、４．２％の銀、４．０％のインジウム、及び０．５％の銅からなる、鉛無含有のはんだ材を使用することからなる、はんだ付け方法。
4. ９１．３９％の錫、４．１％の銀、４．０％のインジウム、０．５％の銅、及び０．０１％のリンからなる、鉛無含有のはんだ材。
5. はんだ材中の錫の割合が９１．３９％で、前記はんだ材中の銀の割合が４．１％で、前記はんだ材中のインジウムの割合が４．０％で、前記はんだ材中の銅の割合が０．５％で、且つ前記はんだ材中のリンの割合が０．０１％であるように、錫、銀、インジウム、銅、及びリンを混合する工程からなる、鉛無含用のはんだ材を調製する方法。
6. ９１．３９％の錫、４．１％の銀、４．０％のインジウム、０．５％の銅、及び０．０１％のリンからなる、鉛無含用のはんだ材を使用することからなる、はんだ付け方法。
7. 鉛無含有のはんだ材を使用するウェーブはんだ付けからなる、請求項３又は６の方法。

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