JP3992107B2

JP3992107B2 - 無鉛はんだ合金

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Publication number: JP3992107B2
Application number: JP2004257539A
Authority: JP
Inventors: 克彦五十嵐
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: JP2006068792A

Description

本発明は、Ｓｎ、Ａｇ及びＣｕを含有する無鉛はんだ合金に関し、例えば３４０℃〜３６０℃の高融点を有する無鉛はんだ合金に関する。

電子機器のはんだ付けに用いられるはんだ合金には様々な種類のものがあり、用途に応じて使い分けられている。例えば、Ｓｎを６３重量％含有し残部がＰｂであるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ又は共晶はんだに近い組成のＳｎ−Ｐｂはんだが知られており、一般的なはんだ付けの際に広く使用されている。

近年、環境保全の立場から鉛等の有害物質を電子部品から排除する取り組みが進められており、鉛の使用量の削減、さらには使用禁止が求められている。この流れを受けて、電子部品に使用されるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだも鉛フリー化のはんだ合金に移行しつつある。例えば２２０℃〜２３０℃程度ではんだ付けされるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替品については、主成分であるＳｎに１種以上の元素を添加したもの、具体的には、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系等、様々な種類のものについて活発に検討が行われている。

ところで、高温とされる箇所の接合等に用いられ、例えば３００℃近辺に融点を持つ高温はんだについては、鉛を多量に含有する組成のものが一般的であり、この高温はんだについても鉛フリーの要求が強まっており、各方面で研究開発が行われている。例えば、鉛フリーの高温はんだとしては、Ｓｎ−Ｃｕの２元系であり、３５０℃〜５００℃での使用が可能なはんだ合金が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、本願出願人は、鉛フリーで高温での再熱処理に耐え得るはんだ付け組成物を提案しており、例えばＳｎ４０〜６０質量％とＣｕ４０〜６０質量％とからなるＳｎ−Ｃｕ系合金組成を開示している（例えば特許文献２参照。）。この特許文献２記載のはんだ付け用組成物は、リフローソルダリング温度で溶融する金属成分と溶融しない金属成分とからなり、リフローソルダリング時に合金化してその組成物よりも融点の上昇した合金を形成し、その結果として、はんだ付け済みの基板等にさらにはんだ付けを実施する際にもほぼ同一条件下ではんだ付けが可能となるとされる。
特開２００３−８８９９０号公報特開２００２−２５４１９５号公報

ところで、高温はんだとしては、前述のように３００℃近辺に融点を持つものが一般的であるが、電子機器や接続箇所に応じて様々な特性のはんだを使い分けることを想定すると、３００℃程度以外にも様々な融点、例えば３４０℃〜３６０℃程度の融点を有する高温はんだの開発も必要である。

また、はんだには、適度な融点を有する他、はんだの本来の目的である部品間の接続信頼性の確保も極めて重要である。しかしながら、特許文献２は、リフロー温度の低温化、例えば２６０℃〜３２０℃でのリフローソルダリングを趣旨とし、融点の異なる２種の粉末を別々に組成物中に含ませ、リフローソルダリング操作中に一方の低融点粉末を溶融させ、ここに高融点粉末を拡散させて合金化しはんだ付けする技術であるが、前述のような低温のリフローはんだ付けで確実な合金化を進め、しかもはんだ付け後に充分な接続信頼性を得ることは極めて難しい。また、前述の特許文献１は、Ｓｎ及びＣｕからなる合金組成を持つものであり、特定の第３元素を添加することについては記載も示唆もされていない。

そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、充分な信頼性を有し、例えば３４０℃〜３６０℃の適度な高融点を持つ無鉛はんだ合金を提供することを目的とする。

本発明者らは、Ｓｎ−Ｃｕ系合金において銅の含有量を大幅に増やすとともに、特定量のＡｇを添加した３元系の合金をはんだ付け前に予め合金化しておいたものが、前記目的の達成に有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係る無鉛はんだ合金は、Ｓｎ３８重量％以上６０重量％以下、Ａｇ０．１重量％以上２重量％以下、及び残部Ｃｕからなることを特徴とする。

以上のような無鉛はんだ合金は、Ｓｎ−Ｃｕ系でＳｎの含有量を３８重量％以上６０重量％以下とするとともにＡｇを０．１重量％以上２重量％以下添加し、さらに、Ｃｕ含有量を相対的に高めているため、例えば３４０℃〜３６０℃の高融点が実現され、適度な高温でのはんだ付けが実現される。また、本発明の無鉛はんだ合金は、はんだ付け前に予め合金化されているため、例えばはんだ付けの際に合金化を進めるはんだ組成物とは異なり、強度が高く充分な信頼性が確保される。

なお、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系のはんだ合金組成としては、例えば特許３０２７４４１号公報等に開示されているが、９０重量％程度の多量のＳｎにＡｇ及びＣｕを微量添加したものであり、本発明のはんだ合金とは各成分の含有量、特にＣｕ含有量の点で大きく異なる。また、従来型Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金は、比較的低い融点（２２０℃程度）を示すものであり、３４０℃〜３６０℃といった高融点を持つ高温はんだとしての使用を想定したものではない。

本発明によれば、充分な信頼性を有するとともに、例えば３４０℃〜３６０℃の適度な高融点を持ち、例えば４００℃程度ではんだ付け可能な無鉛はんだを提供することが可能である。また、本発明の無鉛はんだ合金は、鉛を含有しないことから環境や人体への悪影響がなく、環境保全上も優れたものである。

以下、本発明を適用した無鉛はんだ合金について説明する。
本発明を適用した無鉛はんだ合金は、Ｓｎを３０重量％以上６０重量％以下、Ａｇを１０重量％以下（ただし０を含まず。）、及び残部としてＣｕを含有するものである。本発明の無鉛はんだ合金は、特定成分の金属がはんだ付け前に合金化されているものであって、例えばはんだ付けの際に合金化を進めるものとは異なり、はんだ接続部の強度が高く、高い接続信頼性が実現される。また、本発明の無鉛はんだ合金は、２２０℃以上、好ましくは３４０℃以上３６０℃以下の融点を持ち、高温はんだとして利用される。はんだ合金の融点は、示差走査熱量分析装置（ＤＳＣ）により測定される。

本発明で対象とする無鉛はんだ合金は、環境保全上、鉛を実質的に含まない鉛フリーのはんだ合金である。なお、本発明において、「鉛を実質的に含まない」とは、不純物レベルとは言えない量を越える鉛を含まないことを意味し、不純物レベルの量であれば含有されていてもよい趣旨である。鉛は、不可避不純物として極微量程度に含有されることがある。

Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇの各成分の含有量を前記特定の範囲内とすることにより、無鉛はんだ合金は、３４０℃〜３６０℃の高い融点を示すようになる。各成分の含有量が前記特定範囲を外れる場合、例えば、無鉛はんだ合金中のＳｎの含有量が３０重量％未満であると、良好な接合状態が維持されなくなり、逆にＳｎの含有量が６０重量％を超えると、２２０℃近辺又はそれ以下の低い融点を持ち、高温はんだとして不適当となる。

また、Ａｇの含有量が０であると、Ｓｎ及びＣｕからなる従来の合金組成となり、３４０℃〜３６０℃程度の所望の高融点が得られず、適度な高温でのはんだ付けが不可能となり、逆に１０重量％を超えると融点の低下を招き高温はんだとして不適当となる。

また、Ｃｕの含有量は６５重量％未満であることが好ましい。Ｃｕの含有量を６５重量％未満とすることにより、例えば４００℃程度の適度な高温に加熱されたときに、はんだ合金が完全に溶融して良好な融液状態を呈し、当該温度でのはんだ付けを良好に行なうことができる。Ｃｕの含有量が６５重量％以上であると、例えば４００℃程度の高温での溶融が不完全となるおそれがある。

以上のように、本発明を適用した無鉛はんだ合金は、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｇを特定量含むことにより、３４０℃〜３６０℃の高融点が実現され、例えば４００℃程度の適度な高温ではんだ付けが可能である。また、本発明の無鉛はんだ合金は、特定成分の金属を予め合金化しておき、これを用いてはんだ付けするため、高い接続信頼性を実現することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施例の記載に限定されるものではない。

Ｓｎ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末を表１に示す組成となるように所定量秤量し、混合した後、混合物をアーク溶解炉にて溶解することにより試料１〜１１のはんだ合金を作製した。得られたはんだ合金の融点を示差走査熱量分析（ＤＳＣ）装置を用いて測定した。ＤＳＣ測定条件は次の通りである。すなわち、昇温速度を１０℃／分とし、Ｎ_２雰囲気下、７０〜４５０℃の温度範囲で測定を行った。

各試料のＤＳＣ曲線において、２２０℃以下又は２２０℃近辺に吸熱ピークが認められた試料は、２２０℃以下又は２２０℃近辺に融点が存在し、高温はんだとして不適当であると評価される。２２０℃以下又は２２０℃近辺に吸熱ピークが認められなかった試料は、この温度付近に融点が存在せず、高温はんだとして利用し得ると評価される。

さらに、３５０℃近辺に吸熱ピークが認められた試料は、この温度付近に融点を有し、高温はんだとして利用し得ると評価される。また、３５０℃近辺に吸熱ピークが認められなかった試料は、この温度付近に融点を持たず、高温はんだとして不適当であると評価される。

また、はんだ合金の実際の使用を考慮すると、はんだ付け温度（例えば４００℃）においてはんだ合金全体が完全に溶融していることが好ましい。そこで、得られたはんだ合金を所定のはんだ付け温度に加熱し、そのときの融液状態について実際に調べた。融液状態の評価は、４００℃に熱したプレート上にはんだ合金を置いたときの状態を目視で確認することにより行った。はんだ合金全体が溶融し融液となっていた場合、表１中○で表した。はんだ合金の融液中に未溶融部分が存在していた場合、表１中×で表した。

また、高温はんだとしての総合評価として、２２０℃以下又は２２０℃近辺にピークが認められず、３５０℃近辺にピークを認め、且つ４００℃での融液状態が良好であった試料を、高温はんだとして非常に好ましいと評価し、◎として表した。また、２２０℃以下又は２２０℃近辺にピークが認められず、３５０℃近辺にピークを認めたが、４００℃での融液状態が不良であった試料を○として表した。さらに、２２０℃以下又は２２０℃近辺にピークが認められたか、又は３５０℃近辺にピークが認められなかったものを×として表した。各試料の組成及び融液状態の評価結果を、表１に示す。なお、表中、本発明で規定する範囲を外れる組成には、＊印を付してある。

表１から明らかなように、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ系はんだの各成分の含有量が適当な値とされた試料２〜試料４、試料７〜試料１０は、３５０℃近辺の高温領域のみに融点が存在し、且つ４００℃加熱時の融液状態も良好であることから、高温はんだとして有用であることがわかる。これに対し、Ａｇを含有しないＳｎ−Ｃｕ系のはんだ（試料１１）は、３５０℃近辺に融点を持たず、且つ融液状態が不良であることから高温はんだとして不適当であった。また、試料６は、Ａｇ含有量が過剰のため、融点が低く高温はんだとして不適当であった。さらに、試料５については、３５０℃近辺に融点を持つものの、４００℃近辺では完全に溶融しなかった。このことから、Ｃｕ含有量は６５重量％未満が好ましいとわかる。

Claims

Ｓｎ３８重量％以上６０重量％以下、Ａｇ０．１重量％以上２重量％以下、及び残部Ｃｕからなることを特徴とする無鉛はんだ合金。