JP3829475B2

JP3829475B2 - Solder composition for joining a Cu base material

Info

Publication number: JP3829475B2
Application number: JP15072598A
Authority: JP
Inventors: 清隆前川; 正行浜尾
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: JPH11320177A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、電子機器や電子部品用のはんだ組成物に関するものであり、特に、エナメル被覆銅線の被覆剥離とはんだ付けの両方を同時に行う場合に用いるのに適したはんだ組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コイル部品などの製造工程においては、巻線コイルのエナメル線被覆剥離とはんだ付けの両方を同時に実施することが行われており、そのような場合、Ｐｂ含有率の高いＳｎ−Ｐｂ系はんだを、４００℃以上の高温で使用することが一般的に行われてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだは、毒性を有するＰｂを含んでいるため、その使用が制限されつつある。
【０００４】
そのため、近年は、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだに代わる、いわゆるＰｂフリーはんだ（無鉛はんだ）が市場に流通しつつあるが、そのほとんどがＳｎを主成分とするものであり、巻線コイルのエナメル線被覆剥離とはんだ付けの両方を同時に行うと、Ｃｕ線がはんだに溶解する、いわゆるＣｕ線喰われの現象が発生するという問題点がある。
【０００５】
本願発明は、上記問題点を解決するものであり、はんだ付性と、Ｃｕ線喰われ性（耐Ｃｕ線喰われ性）に関し、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだと少なくとも同等の特性を有する、Ｃｕ系母材接合用の無鉛はんだを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物は、
Ｓｎ、Ｂｉ及びＣｕの３成分からなり、前記３成分が下記の割合で配合されていることを特徴としている。
Ｓｎ：５．０〜９０．０重量％
Ｂｉ：５．０〜９２．０重量％
Ｃｕ：０．１重量％以上で、かつ、下記の式(1)及び(2)の要件を満たす範囲
Ｃｕ添加量（重量％）≦（０．０６×Ｓｎ量）−０．０２ ……(1)
Ｃｕ添加量（重量％）≧（０．０６×Ｓｎ量）−３．４ ……(2)
【０００７】
ＳｎとＢｉを主成分とし、これにさらにＣｕを、上記の割合で配合することにより、Ｐｂを含まず、安全性に優れており、かつ、はんだ付性と、Ｃｕ線喰われ性に関し、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだと同等の特性を有する、Ｃｕ系母材接合用のはんだを得ることが可能になる。
【０００８】
なお、Ｓｎの配合割合を５．０〜９０．０重量％の範囲としたのは、Ｓｎの配合割合が５．０重量％未満になるとはんだ付性が低下し、９０重量％を超えるとＣｕ線喰われが発生しやすくなることによる。
【０００９】
また、Ｂｉの配合割合を５．０〜９２．０重量％の範囲としたのは、Ｂｉの配合割合が５．０重量％未満になると、必然的にＳｎの配合割合が増えてＣｕ線喰われが発生しやすくなり、逆に、Ｂｉの配合割合が９２重量％を超えると、必然的にＳｎの配合割合が減少してはんだ付性が低下することによる。
【００１０】
また、Ｃｕを、０．１重量％以上で、上記の式(1)及び(2)の要件を満たす範囲としたのは以下の理由による。すなわち、Ｃｕの添加割合が０．１重量％未満になると、Ｃｕ線喰われを抑制する効果が不十分になり、また、上記の式(1)の要件を満たさない場合には、はんだ融点が４００℃を超え、事実上使用することができなくなり、さらに、上記の式(2)の要件を満たさない場合には、Ｃｕ線喰われを抑制することができなくなることによる。
【００１１】
なお、Ｓｎの配合割合と関連して、式(1)及び式(2)により規定される、本願発明のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物中のＣｕの配合割合を図１に示す。図１の、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれた領域が請求項１のはんだ組成物におけるＣｕの配合割合である。
【００１２】
また、請求項２のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物は、請求項１記載のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物において、Ｓｎ、Ｂｉ及びＣｕが、下記の割合で配合されていることを特徴としている。
Ｓｎ：１４．８〜４２．０重量％
Ｂｉ：５７．０〜８５．０重量％
Ｃｕ：０．１重量％以上であって、かつ、前記請求項１の式(1)及び(2)の要件を満たす範囲
【００１３】
Ｓｎ、Ｂｉ、及びＣｕを、請求項１よりもさらに限定された上記の割合で配合することにより、Ｐｂを含まず、安全性に優れており、かつ、はんだ付性と耐Ｃｕ線喰われ性に関し、優れた特性を有するＣｕ系母材接合用のはんだ組成物を確実に得ることが可能になる。
【００１４】
また、請求項３のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ及びＡｇの４成分からなり、前記４成分が下記の割合で配合されていることを特徴としている。
Ｓｎ：１４．８〜４２．０重量％
Ｂｉ：５７．０〜８５．０重量％
Ｃｕ：０．１重量％以上で、かつ、下記の式 (1) 及び (2) の要件を満たす範囲
Ｃｕ添加量（重量％）≦（０．０６×Ｓｎ量）−０．０２ …… (1)
Ｃｕ添加量（重量％）≧（０．０６×Ｓｎ量）−３．４ …… (2)
Ａｇ：０〜０．５重量％
【００１５】
上記（請求項２）のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物に、さらに、Ａｇを０．５重量％の以下の割合で配合することにより、Ｐｂを含まず、安全性に優れており、かつ、はんだ付性と、Ｃｕ線喰われ性に関し、さらに優れた特性を有する、Ｃｕ系母材接合用のはんだ組成物を得ることが可能になる。
【００１６】
なお、Ａｇは、はんだ付性やはんだの機械的な強度の向上に寄与する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を示して、その特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【００１８】
なお、この実施形態においては、表１に示すような組成のはんだ組成物を作製した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１の、試料番号２，４，５，７，８，１０は、本願発明の範囲内のはんだ組成物（実施例）である。
また、＊を付した試料番号１，３，６，９、及び試料番号１１，１２，１３，１４は、本願発明の範囲外の比較例であって、そのうち、試料番号１，３，６，９は、構成成分が本願発明のはんだ組成物と同じで、配合割合が本願発明の範囲外のものであり、また、試料番号１１，１２，１３，１４は、構成成分のうち、Ｂｉ、又はＣｕを含まないものである。なお、試料番号１１は、Ｐｂを含む従来のＰｂ−Ｓｎ系はんだである。
【００２１】
そして、これらの各試料（はんだ組成物）を用いて、エナメル線をはんだ付けし、Ｃｕ線喰われ性とはんだ付き性を調べた。
なお、Ｃｕ線喰われ性については、直径０．０８mmのエナメル被覆Ｃｕ線を、４００℃のはんだ浴に浸漬したときに、Ｃｕ線が消失するまでに経過した時間（Ｃｕ線喰われ時間）を測定し、評価した
なお、Ｃｕ線喰われ時間が長くなるほど、Ｃｕ線喰われの抑制効果が高いと評価される。
【００２２】
また、はんだ付性については、４００℃における清浄Ｃｕ板に対するはんだ濡れ性をメニスコグラフ法におけるゼロクロスタイムで評価した。
ゼロクロスタイムが短いほどはんだ濡れ性が良好と評価される。
なお、はんだ付けには、ＲＭＡタイプのフラックスを使用した。
【００２３】
Ｃｕ線喰われ性及びはんだ付性についての測定（評価）結果を、表１に併せて示す。
表１に示すように、式(1)の条件を満たしていない試料番号１と６については、融点が４００℃以上で、通常のはんだ付け温度では、はんだが溶融せず、測定が不可能であった。
【００２４】
また、式(2)の条件を満たしていない試料番号３については、Ｃｕ線喰われ時間が１０秒以下となり、Ｃｕ線喰われ性（すなわち、Ｃｕ線喰われの抑制効果）に関し、満足な結果が得られなかった。
【００２５】
また、試料番号９については、Ｓｎの配合割合が本願発明の範囲より小さく、Ｂｉの配合割合が本願発明の範囲を超えているため、Ｃｕ線喰われ性（すなわち、Ｃｕ線喰われの抑制効果）については満足な結果が得られたが、ゼロクロスタイムが１秒以上と長く、十分なはんだ濡れ性を得ることができなかった。
【００２６】
これに対して、Ｓｎ、Ｂｉが本願発明の範囲内にあり、かつ式(1)及び(2)の条件を満たす、試料番号２，４，５，７，８については、Ｃｕ線喰われ性、はんだ付性とも、従来から使用されているＳｎ−Ｐｂ系はんだと同等の性能が得られた。
【００２７】
また、本願発明の範囲にあるＳｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系のはんだ組成物にＡｇを添加した試料番号１０についても、Ｃｕ線喰われ性やはんだ付性が損なわれることはなく、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだと同等の性能が得られた。
【００２８】
また、表１には示していないが、本願発明の範囲にあるＳｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系のはんだ組成物に、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｐの１種以上を添加した場合にも、Ｃｕ線喰われ性やはんだ付性が損なわれることはなく、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだと同等の性能が得られることが確認されている。
【００２９】
なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
上述のように、本願発明（請求項１）のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物は、ＳｎとＢｉを主成分とし、これにさらにＣｕを、所定の割合で配合することにより、Ｐｂを含まず、安全性に優れており、かつ、はんだ付性やＣｕ線喰われ性に関し、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだと同等の特性を有する、Ｃｕ系母材接合用のはんだを得ることができる。
【００３１】
また、請求項２のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物のように、Ｓｎ、Ｂｉ、及びＣｕを、請求項１よりもさらに限定された割合で配合することにより、はんだ付性と耐Ｃｕ線喰われ性に関し、優れた特性を有する、Ｃｕ系母材接合用のはんだ組成物を確実に得ることが可能になり、本願発明をさらに実効あらしめることができる。
【００３２】
また、請求項３のＣｕ系母材接合用のはんだ組成物のように、本願発明（請求項２）のはんだ組成物に、さらに、Ａｇを０．５重量％の以下の割合で配合することにより、機械的な強度の向上、はんだの融点の制御、はんだの酸化被膜の抑制などを図ることが可能になり、さらに特性を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明のはんだ組成物中の、Ｓｎの配合割合に対するＣｕの配合割合の関係を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solder composition for electronic devices and electronic components, and more particularly to a solder composition suitable for use in the case where both coating peeling and soldering of enamel-coated copper wires are performed simultaneously.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the manufacturing process of coil parts and the like, both the enamel wire coating peeling and the soldering of the winding coil have been performed at the same time. In such a case, Sn-Pb solder having a high Pb content is used. Has been generally used at a high temperature of 400 ° C. or higher.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since conventional Sn—Pb solder contains toxic Pb, its use is being limited.
[0004]
Therefore, in recent years, so-called Pb-free solder (lead-free solder), which replaces Sn-Pb solder, has been distributed in the market. When both peeling and soldering are performed simultaneously, there is a problem that a so-called Cu wire erosion phenomenon occurs in which the Cu wire is dissolved in the solder.
[0005]
The present invention is intended to solve the above problems, has a solderability, Cu lines leach resistance relates (resistance Cu wire leach resistance), the conventional Sn-Pb based solder and at least comparable properties, Cu The object is to provide a lead-free solder for joining a base material .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the solder composition for joining a Cu-based base material of the present invention comprises:
It consists of three components of Sn, Bi, and Cu , and the three components are blended in the following proportions .
Sn: 5.0-90.0% by weight
Bi: 5.0-92.0% by weight
Cu: 0.1% by weight or more and a range satisfying the requirements of the following formulas (1) and (2) Cu addition amount (% by weight) ≦ (0.06 × Sn amount) −0.02 1)
Cu addition amount (% by weight) ≧ (0.06 × Sn amount) −3.4 (2)
[0007]
By containing Sn and Bi as main components and further adding Cu in the above proportion, it does not contain Pb, is excellent in safety, and is related to solderability and Cu wire erosion. Thus, it is possible to obtain a solder for joining a Cu-based base material having the same characteristics as those of the Sn—Pb-based solder.
[0008]
In addition, the mixing ratio of Sn was set to a range of 5.0 to 90.0% by weight because when the mixing ratio of Sn is less than 5.0% by weight, the solderability is lowered, and when it exceeds 90% by weight, Cu is Cu. This is because wire erosion tends to occur.
[0009]
Also, the Bi blending ratio is in the range of 5.0 to 92.0% by weight because when the Bi blending ratio is less than 5.0% by weight, the Sn blending ratio inevitably increases and Cu wire erosion occurs. On the contrary, when the Bi content exceeds 92% by weight, the Sn content is inevitably reduced and solderability is lowered.
[0010]
Moreover, Cu was made into the range which satisfy | fills the requirements of said formula (1) and (2) at 0.1 weight% or more for the following reasons. That is, when the addition ratio of Cu is less than 0.1% by weight, the effect of suppressing Cu wire erosion becomes insufficient, and when the requirement of the above formula (1) is not satisfied, the solder melting point is This is because the temperature exceeds 400 ° C. and it cannot practically be used. Further, when the requirement of the above formula (2) is not satisfied, Cu wire erosion cannot be suppressed.
[0011]
In addition, in relation to the mixing ratio of Sn, the mixing ratio of Cu in the solder composition for joining a Cu-based base material of the present invention, defined by the formulas (1) and (2), is shown in FIG. The area surrounded by points A, B, C, and D in FIG. 1 is the Cu mixing ratio in the solder composition of claim 1.
[0012]
Moreover, the solder composition for joining a Cu-based base material according to claim 2 is the solder composition for joining a Cu-based base material according to claim 1, wherein Sn, Bi and Cu are blended in the following proportions . It is characterized by that.
Sn: 14.8 to 42.0% by weight
Bi: 57.0-85.0% by weight
Cu: 0.1% by weight or more and a range satisfying the requirements of the formulas (1) and (2) of claim 1
By blending Sn, Bi, and Cu in the above-mentioned proportions more limited than in claim 1, it does not contain Pb, is excellent in safety, and has solderability and Cu wire erosion resistance. In this regard, it is possible to reliably obtain a solder composition for joining a Cu-based base material having excellent characteristics.
[0014]
The solder composition for joining a Cu-based base material according to claim 3 is composed of four components of Sn, Bi, Cu, and Ag, and the four components are blended in the following proportions.
Sn: 14.8 to 42.0% by weight
Bi: 57.0-85.0% by weight
Cu: 0.1 wt% or more and a range satisfying the requirements of the following formulas (1) and (2)
Cu addition amount (% by weight) ≦ (0.06 × Sn amount) −0.02 (1)
Cu addition amount (% by weight) ≧ (0.06 × Sn amount) −3.4 (2)
Ag: 0 to 0.5% by weight
[0015]
In the solder composition for joining the Cu-based base material of the above (Claim 2) , by further adding Ag in the following proportion of 0.5% by weight , it does not contain Pb and is excellent in safety. And it becomes possible to obtain the solder composition for Cu type | system | group base material joining which has the further outstanding characteristic regarding solderability and Cu wire erosion property.
[0016]
Incidentally, A g contributes to the upper direction of the mechanical strength with resistance and soldering of the solder.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be shown, and the features thereof will be described in more detail.
[0018]
In this embodiment, a solder composition having the composition shown in Table 1 was produced.
[0019]
[Table 1]

[0020]
Sample numbers 2, 4, 5, 7, 8, and 10 in Table 1 are solder compositions (Examples) within the scope of the present invention.
Sample numbers 1, 3, 6, and 9 and sample numbers 11, 12, 13, and 14 marked with * are comparative examples outside the scope of the present invention. No. 9 is the same as the solder composition of the present invention and the blending ratio is outside the scope of the present invention. Sample Nos. 11, 12, 13, and 14 are Bi or It does not contain Cu. Sample number 11 is a conventional Pb—Sn solder including Pb.
[0021]
And using these each sample (solder composition), the enamel wire was soldered and Cu wire erosion property and solderability were investigated.
In addition, about the Cu wire erosion property, the time (Cu wire erosion time) elapsed until the Cu wire disappeared when the enamel-coated Cu wire having a diameter of 0.08 mm was immersed in a 400 ° C. solder bath. It measured and evaluated In addition, it is evaluated that the suppression effect of Cu wire erosion is so high that Cu wire erosion time becomes long.
[0022]
Moreover, about solderability, the solder wettability with respect to the clean Cu board in 400 degreeC was evaluated by the zero cross time in a menisograph method.
The shorter the zero cross time, the better the solder wettability.
For soldering, RMA type flux was used.
[0023]
Table 1 also shows the measurement (evaluation) results for Cu wire erosion and solderability.
As shown in Table 1, for sample numbers 1 and 6 that do not satisfy the condition of formula (1), the melting point is 400 ° C. or higher, and the solder does not melt at the normal soldering temperature, making measurement impossible. there were.
[0024]
Moreover, about the sample number 3 which does not satisfy | fill the conditions of Formula (2), Cu wire erosion time will be 10 second or less, and it is a satisfactory result regarding Cu wire erosion property (namely, suppression effect of Cu wire erosion). Was not obtained.
[0025]
Moreover, about the sample number 9, since the mixture ratio of Sn is smaller than the range of this invention, and the mixture ratio of Bi exceeds the range of this invention, Cu wire erosion property (namely, Cu wire erosion suppression effect) However, satisfactory results were obtained, but the zero cross time was as long as 1 second or more, and sufficient solder wettability could not be obtained.
[0026]
On the other hand, for sample numbers 2, 4, 5, 7, and 8 where Sn and Bi are within the scope of the present invention and satisfy the conditions of formulas (1) and (2), Cu wire erosion As for the solderability, the same performance as that of the Sn-Pb solder used conventionally is obtained.
[0027]
In addition, with respect to Sample No. 10 in which Ag is added to the Sn—Bi—Cu based solder composition within the scope of the present invention, the Cu wire erosion property and the solderability are not impaired, and the Sn—Pb based solder The equivalent performance was obtained.
[0028]
In addition, although not shown in Table 1, even when one or more of In, Zn, Sb, Ge, and P are added to the Sn—Bi—Cu based solder composition within the scope of the present invention, Cu It has been confirmed that the wire erosion property and the solderability are not impaired and the performance equivalent to that of the Sn—Pb solder is obtained.
[0029]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various applications and modifications can be made within the scope of the gist of the invention.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the solder composition for joining a Cu-based base material of the present invention (Claim 1) is composed mainly of Sn and Bi, and further Cu is added at a predetermined ratio to thereby add Pb. Cu-based base material joining solder that is excellent in safety and has the same characteristics as conventional Sn-Pb solder in terms of solderability and Cu wire erosion can be obtained. .
[0031]
Moreover, like the solder composition for joining a Cu-based base material according to claim 2, Sn, Bi, and Cu are blended at a more limited ratio than that of claim 1, so that solderability and Cu resistance are improved. With respect to the wire erosion property, it becomes possible to reliably obtain a solder composition for joining a Cu-based base material , which has excellent characteristics, and the present invention can be further effectively clarified.
[0032]
Further, like the solder composition for joining a Cu-based base material according to claim 3 , Ag is further blended in the solder composition of the present invention (claim 2 ) at a ratio of 0.5% by weight or less. Thus, it is possible to improve the mechanical strength, control the melting point of the solder, suppress the oxide film of the solder, and the like, and further improve the characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the relationship of the proportion of Cu with respect to the proportion of Sn in the solder composition of the present invention.

Claims

A solder composition for joining a Cu-based base material , comprising three components of Sn, Bi and Cu , wherein the three components are blended in the following proportions.
Sn: 5.0-90.0% by weight
Bi: 5.0-92.0% by weight
Cu: 0.1% by weight or more and a range satisfying the requirements of the following formulas (1) and (2) Cu addition amount (% by weight) ≦ (0.06 × Sn amount) −0.02 1)
Cu addition amount (% by weight) ≧ (0.06 × Sn amount) −3.4 (2)

The solder composition for joining a Cu-based base material according to claim 1, wherein Sn, Bi and Cu are blended in the following ratio.
Sn: 14.8 to 42.0% by weight
Bi: 57.0-85.0% by weight
Cu: 0.1% by weight or more and a range satisfying the requirements of the above formulas (1) and (2)

  A solder composition for joining a Cu-based base material, comprising four components of Sn, Bi, Cu and Ag, wherein the four components are blended in the following proportions.
    Sn: 14.8 to 42.0% by weight
    Bi: 57.0-85.0% by weight
    Cu: 0.1% by weight or more and the following formula (1) as well as (2) To meet the requirements of
      Cu addition amount (% by weight) ≦ (0.06 × Sn amount) −0.02 (1)
      Cu addition amount (% by weight) ≧ (0.06 × Sn amount) −3.4 (2)
    Ag: 0 to 0.5% by weight