JP4048288B2 - はんだ - Google Patents

Description

本発明は、はんだ、特に、実質的に鉛無含有の(lead-free)はんだに関する。

従来のはんだの多くは、その主成分として鉛を含んでいる。このようなはんだは大抵望ましい物性を有しており、鉛を含むはんだの使用は、ＰＣボードの生産に関する産業を含むいくつかの産業に普及している。

しかし、例えば、環境問題等を理由に、鉛無含有のはんだの需要が増加しており、数年以内にはいくつかの国において、あらゆる製品を製造するために使用されるはんだが、殆ど鉛を含まないか又は完全に鉛を含まないものでなければならないという法定規制が定められるであろう。

従来の錫−鉛はんだの替わりとして使用されてきた合金の一種は、錫−銅合金であり、９９．３％の錫及び０．７％の銅からなる合金が特定の産業において比較的広く使用されてきた。しかし、この種の錫−銅合金の特性は従来の錫−鉛合金ほど望ましいものではなく、特に、錫−銅合金は従来の錫−鉛合金よりも、低強度、低耐疲労性、及び高共晶温度を示す。

多くの産業機械及び工程は、従来の錫−鉛合金に効果的に作用するように構成されているため、これは特に望ましくなく、替わりの鉛無含有のはんだは、理想的には、その形を大幅に変えずに、同じ機械及び工程において使用可能でなければならない。しかし、多くの製造業者は、既存のはんだ付け工程は、鉛無含有のはんだの使用に大いに対応しなければならないと考えており、この工程及び材料の対応は、特に周知の鉛無含有のはんだを使用して製造された物品の標準が、従来の含を鉛むはんだを使用して得られる物よりも大抵かなり低いため、一般的に資源の無駄使いと考えられている。

本発明の目的は、改良型の鉛無含有はんだを提供することである。

従って、本発明の１つの態様は、約９６．８％から約９９．３％の錫、約０．２％から約３．０％の銅、及び約０．０２％から約０．１２％の珪素からなる実質的に鉛無含有のはんだを提供する。

前記はんだは、さらに、約０．００５％から約０．０１％の燐を含むと効果的である。

前記はんだは、約０．０１％の燐を含むことが好ましい。

前記はんだは、さらに約０．０５％から約０．０１％のゲルマニウムを含むと便利である。

前記はんだは約０．０１％のゲルマニウムを含むと効果的である。

前記はんだは、約０．７％の銅及び約０．０２％の珪素を含むことが好ましい。

本発明のもう１つの態様は、はんだに含まれる錫の割合が約９６．８％から約９９．３％、銅の割合が約０．２％から３．０％、また珪素の割合が約０．０２％から約０．１２％になるように、錫、銅及び珪素を混ぜるステップからなる、実質的に鉛無含有のはんだを調製するための方法を提供する。

前記方法はさらに、はんだ混合物中に約０．００５％から約０．０１％の燐を含むステップを含むと便利である。

前記方法は、はんだ混合物中に約０．０１％の燐を含むステップを含むと効果的である。

前記方法はさらに、はんだ混合物中に約０．００５％から約０．０１％のゲルマニウムを含むステップを含むことが好ましい。

前記方法は、はんだ混合物中に約０．０１％のゲルマニウムを含むステップを含むと便利である。

前記方法は、はんだ混合物中に約０．７％の銅及び約０．０２％の珪素を含むステップを含むと効果的である。

本発明のさらなる態様は、約９６．８％から約９９．３％の錫、約０．２％から約３．０％の銅、及び約０．０２％から約０．１２％の珪素からなる実質的に鉛無含有のはんだを使用するステップからなる、はんだ付けの方法を提供する。

前記方法は、約０．００５％から約０．０１％の燐を含むはんだの使用を含むことが好ましい。

前記方法は、約０．０１％の燐を含むはんだの使用を含むと便利である。

前記方法は、約０．００５％から約０．０１％のゲルマニウムを含むはんだの使用を含むと効果的である。

前記方法は、約０．０１％のゲルマニウムを含むはんだの使用を含むことが好ましい。

前記方法は、約０．７％の銅及び約０．０２％の珪素を含むはんだの使用を含むと便利である。

本発明がより容易に理解されるように、その実施例を、例示として、添付の図面に基づいて、説明する。

上記のとおり、錫−銅はんだ合金に関しては、前記合金に小割合の珪素を加えることにより、合金の特性及び性能が向上されることが分かっている。特に、約０．０２％から約０．１２％の重量の珪素を合金に加えると、合金は強化され、また、その他に、就中、合金上の延性及びひずみ特性を向上させることが分かっている。

これらの望ましい特性は、四面体珪素化合物構造の形成を可能にし、固溶体の重合鎖構造に結果としてなり、故に、向上されたひずみ特性をもたらす珪素の原子価によって生じる可能性があると考えられる。

図１は、特定のはんだ、すなわち、従来の錫６３％／鉛３７％のはんだ、錫９９．３％／銅０．７％のはんだ、周知の錫／銅／ニッケルのはんだ、及び錫基材、０．７％の銅及びそれぞれ０．２％の珪素、０．４％の珪素、０．６％の珪素、０．８％の珪素、０．１０％の珪素及び０．１２％の珪素からなる６つのさらなるはんだの様々な機械的性質を示す表である。

図１において、本発明の錫／銅／珪素はんだにより示される物性は、錫９９．３％／銅０．７％のはんだにより示された値よりも全体的に優れており、また従来の錫６３％／鉛３７％のはんだにより示された物性により近似している。多くの場合において、錫／銅０．７％／珪素０．０２％のはんだは、従来の錫６３％／鉛３７％のはんだの特性に最も近い近似値を示し、このはんだは、この従来のはんだの直接的な、簡易な代替物の有力な候補であると認識される。

図２は、表１から抜粋された数値を示すグラフであり、特に、これらの数値が、本発明のはんだを形成するために錫／銅はんだに加えられる珪素の量によってどのように変化するかを示している。錫／銅はんだ基材中の珪素の割合が約０．０２％である場合、これらの特性の殆どが、それらの最大値であることが分かる。

図１及び図２から、錫／銅合金に０．０２％から０．１２％の珪素を加えることにより合金の引張強さがかなり向上し、結果として従来の錫／銅合金、また、従来の錫／鉛合金よりも高い値が得られることが分かる。この引張強さの増大により、錫／銅／珪素のひずみ率において顕著な落下は全くなく、これは従来の錫／鉛合金と比較した場合、優れた延性を有していることを示す。合金にクラックを起こすのに必要なエネルギーはまた、従来の錫／鉛合金及び従来の錫／銅合金にクラックを起こすのに必要なエネルギーよりもかなり大きい。

前記錫／銅／珪素合金の特性は、少量のゲルマニウム又は燐をそれに加えることにより、さらに強化又は向上される。特に、これらのどの成分でも約０．００５％から０．０１％を加えることにより、強さの増大及び酸化抑制効果を含む望ましい結果が得られる。

次に、図３に移って、この図は合金が９６時間、摂氏１２５度の温度にさらされる時効(ageing)プロセスを受けた後の合金の機械的性質のグラフである。このテストは、合金を使用して製造された物品がこのような高温に長期間さらされた場合、合金の特性がどのように変化するのかを見出すために実施された。錫基材、０．７％の銅、０．０２％の珪素及び０．０１％のゲルマニウムを含む合金、及び錫基材、０．７％の銅、０．０２％の珪素及び０．０１％の燐を含む合金は、従来の錫／銅０．７％／０．０２％珪素合金よりも優れた極限抗張力（ＵＴＳ＝ultimate tensile strength）を示すことが分かる。従って、当業者は、これ らの合金が時間とともに熱疲労やクリープに対して耐性を増していくこと及び上記のゲルマニウム又は燐を含むはんだを使用して製造された製品は、長期間、望ましい物性及び機械的性質を維持することを理解するであろう。

図４は、合金が２４、４８及び９６時間摂氏１２５度の温度にさらされる時効プロセスを受けた後の、様々な合金の引張強さを示す。従来の錫／鉛合金及び従来の錫／銅合金と比べた場合、本発明の合金は、時効後、優れた引張強さを示すことが分かる。

図５は上記の時効プロセスを受けた後の様々な合金の降伏強さを示し、また、先と同じく、本発明の合金は、従来の錫／鉛及び錫／銅合金に比べて、時効後優れた降伏強さを示すことが分かる。また、ゲルマニウム又は燐を含まない本発明のはんだと比較した場合、少量のゲルマニウム又は燐を含む本発明の合金は、かなり長期の時効プロセスを受けた後、優れた降伏強さを示す。

図６は、例えば２４、４８及び９６時間摂氏１２５度の温度にさらされる上記の時効プロセスを受けた後の様々な合金のひずみ率を示す。従来の錫／鉛はんだ、及び従来の錫／銅合金と比較した場合、本発明の合金は、より優れたひずみ率を示すことが分かる。

図７及び図８は、上記時効プロセスを受けた後、様々な合金が降伏及び破断するのに必要なエネルギーをそれぞれ示す。先と同じく、従来の錫／鉛はんだ、及び従来の錫／銅はんだと比較した場合、本発明の合金は、より多量なエネルギーが降伏及び破断するために必要であることが分かる。特に、摂氏１２５度で９６時間時効した後、錫／銅０．７％／珪素０．０２％合金は降伏に０．０５ジュール及び破断に２０．７３５ジュール必要なのに対し、従来の錫／鉛合金は降伏に０．０３８ジュール及び破断に５．６４７ジュール必要である。反対に、従来の錫／銅合金は降伏に０．０１８ジュール、破断に５．３６４ジュール必要である。当業者は、この本発明の合金が、従来の錫／鉛及び錫／銅合金に比べて、長期間にわたってかなり安定していることを認識するであろう。

図９は上記時効プロセス後の様々な合金の強靭性(toughness)を示し、また、 先に同じく、本発明の合金は、時効後、従来の錫／鉛及び錫／銅はんだに比べて、より優れた強靭性を示すことが分かる。

また、錫／銅はんだに珪素を加えることにより、合金が高温にさらされた際の合金の機械的性質が向上されることが分かった。図１０は、従来の錫／鉛合金、従来の錫／銅合金及び本発明の錫／銅０．７％／珪素０．０２％合金が摂氏２３度、７５度及び１２５度の温度にさらされた場合における、それぞれの機械的性質を示す。全ての合金のＵＴＳ、ＹＳ（降伏強さ）ひずみ率、降伏エネルギー、破断エネルギー及び強靭性は高温度の影響下で減少するのに対し、本発明の合金は、これらの条件下における性能により少ない減少を示す。例えば、温度が摂氏２３度から１２５度に上昇された際において、従来の錫／鉛合金のＵＴＳは約７１．２％低下するが、同じ条件下において、本発明の合金のＵＴＳは、僅か約５３．０４％しか低下しない。

次に、図１１に移って、この図は、様々なクロスヘッド速度が引張試験装置に使用され場合における、従来の錫／鉛合金、従来の錫／銅合金及び本発明の錫／銅０．７％／珪素０．０２％珪素合金のＵＴＳ、ＹＳ、ひずみ割合、降伏エネルギー、破断エネルギー及び強靭性の表を示す。この表から、本発明の合金は、従来の合金に比べて、様々なクロスヘッド速度下において、かなり安定した機械的性質を示すことが分かる。

図１２を参照すると、この図は本発明の錫／銅０．７％／珪素０．０２％合金の示差走査カロリメータ・カーブを示し、この合金に珪素を加えることは、その融解温度に殆ど影響を及ぼさないか又は全く影響を及ぼさないことが分かる。従って、この本発明の合金は、錫９９．３％／銅０．７％合金のぬれ時間及びぬれ力等の望ましいぬれ特性を維持する。

図１３及び図１４は、様々な合金の特定の温度における、ぬれ時間及びぬれ力を示しており、本発明の合金は従来の錫／銅合金によく似たぬれ特性を示すことが分かる。

本発明は、従来の鉛無含有のはんだに比べて、かなり向上した特性を有する実質的に鉛無含有の合金をもたらすことが当業者に認識されるであろう。本発明の合金は、従来の鉛を含はんだ、特に、ウェーブはんだ付け適用における使用において、直接的な簡易代替物として使用され得ることが認識される。

前述の明細書、又は特許請求の範囲、又は添付の図面に開示され、特有な形又は開示された作用を実施するための方法、又は開示された結果を達成するための方法又はプロセスで表されている機能は、その発明を異なる形で実施するために、適当に別々又は組合わせて利用されてもよい。

様々な合金の機械的性質の比較表。 様々な合金の機械的性質のチャート。 時効プロセス後の様々な合金の機械的性質を示すチャート。 様々な長さの時効プロセス後の様々な合金の引張強さを示すグラフ。 様々な長さの時効プロセス後の様々な合金の降伏強さを示すグラフ。 様々な長さの時効プロセス後の様々な合金のひずみ値を示すグラフ。 様々な長さの時効プロセス後、様々な合金に降伏をもたらすために必要なエネルギー量を示すグラフ。 様々な長さの時効プロセス後、様々な合金を破壊するために必要なエネルギー量を示すグラフ。 様々な長さの時効プロセス後の様々な合金の靭性を示すグラフ。 様々な合金の機械的性質を示す表。 様々なクロスヘッド速度が引張試験装置に使用される場合における、従来及び本発明の合金のＵＴＳ、ＹＳ、ひずみ率、降伏エネルギー、破断エネルギー及び強靭性の表。 本発明の合金の示差走査カロリメータ・カーブ。 様々な温度における様々な合金のぬれ時間を示すグラフ。 様々な温度における様々な合金のぬれ力を示すグラフ。

Claims (18)

1. 不可避の不純物を除いて、
   ９６．８から９９．３重量％の錫、
   ０．２から３．０重量％の銅、
   ０．０２から０．１２重量％の珪素からなる、
   鉛無含有のはんだ。
2. さらに、０．００５から０．０１重量％の燐を含む、請求項１のはんだ。
3. ０．０１重量％の燐を含む、請求項２のはんだ。
4. さらに、０．００５から０．０１重量％のゲルマニウムを含む、請求項１から３のいずれかのはんだ。
5. ０．０１重量％のゲルマニウムを含む、請求項４のはんだ。
6. ０．７重量％の銅、及び、０．０２重量％の珪素を含む、請求項１から５のいずれかのはんだ。
7. 不可避の不純物を除いて、はんだに含まれる錫の割合が９６．８から９９．３重量％、銅の割合が０．２から３．０重量％、及び珪素の割合が０．０２から０．１２重量％となるように、
   錫、銅及び珪素を混ぜるステップからなる、
   はんだを調製する方法。
8. はんだ混合物に、さらに、０．００５から０．０１重量％の燐を含むためのステップを含む、請求項７の方法。
9. はんだ混合物に、０．０１重量％の燐を含むためのステップを含む、請求項８の方法。
10. はんだ混合物に、さらに、０．００５から０．０１重量％のゲルマニウムを含むためのステップを含む、請求項７から９のいずれかの方法。
11. はんだ混合物に、０．０１重量％のゲルマニウムを含むためのステップを含む、請求項１０の方法。
12. はんだ混合物に、０．７重量％の銅、及び、０．０２重量％の珪素を含むためのステップを含む、請求項７から１１のいずれかの方法。
13. 不可避の不純物を除いて、
    ９６．８から９９．３重量％の錫、
    ０．２から３．０重量％の銅、
    ０．０２から０．１２重量％の珪素からなる、
    鉛無含有のはんだを使用するステップからなる、はんだ付けの方法。
14. ０．００５から０．０１重量％の燐を含むはんだの使用を含む、請求項１３の方法。
15. ０．０１重量％の燐を含むはんだの使用を含む、請求項１４の方法。
16. ０．００５から０．０１重量％のゲルマニウムを含むはんだの使用を含む、請求項１３から１５のいずれかの方法。
17. ０．０１重量％のゲルマニウムを含むはんだの使用を含む、請求項１６の方法。
18. ０．７重量％の銅及び０．０２重量％の珪素を含むはんだの使用を含む、請求項１３から１７のいずれかの方法。

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