JP4240356B2 - Pbフリーはんだ組成物およびはんだ付け物品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、不可避不純物を除いてPbを含まない高温はんだ組成物、および該はんだ組成物を用いたはんだ付け物品に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、はんだ耐熱性が必要な電子部品の構成部材などのはんだ付けには、Pb比率の高いSn−Pb系はんだを使用することが一般的に行われてきた。しかしながら、従来のSn−Pb系はんだは、Pbを含んでいるため、環境面より使用が制限されつつある。
【0003】
そこで近年、Pbを含まないいわゆるPbフリーはんだが検討されている。そのなかで、耐熱性に優れたいわゆる高温Pbフリーはんだとしては、はんだ合金の固相線温度が比較的高いBi基合金が有力である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の高耐熱性Bi基合金は脆く、はんだとしての接合強度が小さいという問題点を有している。
【0005】
そこで、本発明の目的は、Bi基合金はんだの接合強度を改善して、耐熱性に優れたPbフリーはんだ組成物を提供することにある。また、このはんだ組成物を用いたはんだ付け物品を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のPbフリーはんだ組成物は、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種とBiとからなるBi基合金を99.5〜99.7重量%と、0.3〜0.5重量%のNiとからなり、固相線温度が250℃以上であり、液相線温度が300℃以下であることを特徴とする。
【0007】
すなわち、発明者らは、Bi基合金の強度向上手段として、母相への異相の析出が効果的であると考えた。そして、Bi基合金に異相を析出する元素としては種々の元素があるが、その中でも特定量のNiが特に有効であることを見出した。
【0008】
また、本発明のはんだ付け物品は、物品の導体部をはんだにより接合してなるはんだ付け物品であって、前記はんだは、上述のPbフリーはんだ組成物を用いたことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明のPbフリーはんだ組成物は、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種とBiとからなるBi基合金を99.5〜99.7重量%と、0.3〜0.5重量%のNiとからなり、固相線温度が250℃以上であり、液相線温度が300℃以下のものである。
【0010】
すなわち、本発明のBi基はんだ合金は高耐熱性のPbフリーはんだ合金である。これに対して、同じBi系はんだでも、例えばBi−Sn合金はんだやBi−In合金はんだの場合は、固相線温度が150℃以下と低く、はんだ耐熱性に劣り、高耐熱性という本発明のはんだ組成物の条件を満足し得ない。なお、固相線温度は、はんだ付け物品をリフローなどで再加熱したときの、はんだの再溶融を防ぐ点より、250℃以上に限定されるものである。また、液相線温度は、はんだ付け時の温度を抑えて、はんだ付け作業を容易にすると共に、はんだ付け物品に及ぼす特性劣化などの熱影響を防止する点より、300℃以下に限定されるものである。
【0011】
また、Bi基合金に異相を析出する元素としてのNiの含有量は、0.3〜0.5重量%の範囲内とされる。Niの含有量が0.3重量%未満の場合には、Bi母相への異相の析出量が少なく接合強度向上への効果が小さい。一方、Niの含有量が0.5重量%を超える場合には、液相線温度が上昇し、はんだ付け時にブリッジ不良などのはんだ付き不良、外観不良が生じる。この問題点を解消させるために、より高い温度ではんだ付けをすると、高温により電子部品などのはんだ付け物品の特性が劣化するという問題点が新たに発生する。
【0012】
なお、本発明のPbフリーはんだは、はんだ組成中に上記成分以外に微量の不可避不純物を含むものであってもよい。不可避不純物としては、例えばPb、Naなどが挙げられる。
【0013】
上述した本発明のPbフリーはんだ組成物を用いることによって、実用上十分な接合強度を有し、且つ高いはんだ耐熱性を有するはんだ付け物品を得ることができる。
【0014】
次に、本発明のはんだ付け物品の実施の形態を、はんだ付け物品がセラミックコンデンサである場合を例にして、図1に基づいて説明する。
【0015】
セラミックコンデンサ1は、セラミック素体2と、セラミック素体2の両主面に形成された一対の容量電極3,3と、容量電極3,3にはんだ5,5で電気的・機械的に接合されたリード線4,4と、セラミック素体2と容量電極3,3とはんだ5,5を完全に覆い、リード線4,4の一端を覆うように形成された外装樹脂6とからなる。このセラミックコンデンサ1において、はんだ5,5が本発明のPbフリーはんだ組成物からなる。
【0016】
セラミック素体2は、例えばBaTiO3系の誘電体セラミックからなる。容量電極3は、Ag、Cu、Niなどからなり、セラミック素体2の表面に焼付、めっきなどの方法で形成される。リード線4は、はんだ引きCu線、Sn引き導線などからなる。また、外装樹脂6はエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、シリコン系樹脂などが用いられる。
【0017】
なお、本発明のはんだ付け物品は、上記セラミックコンデンサに限定されるものではない。複数の誘電体層と容量電極が交互に積み重ねられた積層タイプのセラミックコンデンサ、セラミック素体が圧電体材料からなる圧電フィルタなどの圧電体デバイス、セラミック素体が半導体材料からなる正特性サーミスタなどの半導体デバイス、セラミック素体が磁性体材料からなるインダクタなどの磁性体デバイス、さらには、絶縁基板上にL、C、R、半導体チップなどが集積されたハイブリッドICなど、はんだ付け部分を備える種々の物品を対象とするものである。
【0018】
【実施例】
まず、表1に示す組成からなる実施例1〜6、および比較例1〜7のはんだ組成物を作製した。表1には、それぞれのはんだ組成物の溶融特性(固相線温度および液相線温度)を示す。なお、溶融特性は熱流束DSC(示差走査熱量測定法)で測定した。
【0019】
【表1】
【0020】
次に、Ni板を準備し、このNi板をU字型リード線で挟み、表1に示す組成の溶融はんだに浸漬し、はんだ付けして試料を作製した。なお、Ni板には圧延Ni板(8mm×8mm×0.1mm)を用い、U字成形リ−ド線には0.56mmφ溶融SnメッキCu線を用い、そしてフラックスにはH−52(タムラ製作所製)を用いてはんだ付けした。また、はんだ付け温度は330℃、はんだ浸漬時間は5秒とし、はんだ浸漬深さは10mm、浸漬速度は10mm/秒とした。
【0021】
次に、得られた試料について、接合強度を評価した。具体的には、U字型リード線のU字部を切断したあと、リード線を双方向に定速で引張り破断時の強度を求めた。
【0022】
また、はんだ耐熱性を評価した。具体的には、得られた試料をピーク温度260℃でリフロー加熱した後、はんだの流れまたはリード線取れのいずれかの不良が発生していないかどうかを確認した。
【0023】
以上の評価結果を表2に示す。
【0024】
【表2】
【0025】
表1および表2から明らかなように、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種を含有するBi基合金に、0.3〜0.5重量%のNiを含有させ、固相線温度が250℃以上であって、液相線温度が300℃以下のはんだ組成物とすることにより、接合強度が大きく耐熱性に優れたPbフリーはんだ組成物を得ることができる。
【0026】
まず接合強度について、副成分としてAg、またはAgおよびCuを含有するBi基合金に0.3〜0.5重量%のNiを含有させた実施例1〜3は、Agを含有するBi基合金であってNiを含有しない比較例2よりも接合強度が大きい。同様に、副成分としてCuを含有するBi基合金にNiを含有させた実施例4は、Niを含有しない比較例4よりも接合強度が大きい。副成分としてZnを含有するBi基合金にNiを含有させた実施例5は、Niを含有しない比較例5よりも接合強度が大きい。副成分としてSbを含有するBi基合金にNiを含有させた実施例6は、Niを含有しない比較例6よりも接合強度が大きい。また、副成分としてAgを含有するBi基合金に0.1重量%のNiを含有させた比較例3は、Niを含有しない比較例2と同等の接合強度しか得られない。
【0027】
以上のことより、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種を含有するBi基合金の接合強度向上のためには、0.3〜0.5重量%のNiを含有させるのが有効であることが分かる。
【0028】
なお、従来の汎用Sn−Pbはんだである比較例1、汎用Pbフリーはんだである比較例7と比較すると、実施例1〜6ははいずれも相対的に小さい接合強度を示している。しかしながら、実施例1〜6が示す0.23N・mm-2以上の接合強度自体は、実用上問題になることのない十分な強度である。
【0029】
次に、はんだ耐熱性について、実施例1〜4、6のはんだ流れ・端子取れ不良率は0%であり、また実施例5のはんだ流れ・端子取れ不良率は5%であり、いずれも良好なはんだ耐熱性を示す。
【0030】
一方、従来の汎用Sn−Pbはんだである比較例1のはんだ流れ・端子取れ不良率は20%であり、実施例と比較して若干はんだ耐熱性に劣る。また、汎用Pbフリーはんだである比較例7については、はんだ流れ・端子取れ不良率は100%であり、はんだ耐熱性に劣る。これは、これらはんだの固相線温度が182℃または221℃と、はんだ耐熱試験温度の260℃よりも大幅に低く、はんだ耐熱試験時にはんだが完全に再溶融したためであると考えられる。
【0031】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のPbフリーはんだ組成物によれば、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種を含有するBi基合金に、0.3〜0.5重量%のNiを含有させ、固相線温度を250℃以上とし、液相線温度を300℃以下とすることにより、実用上十分な接合強度を有し、かつ優れたはんだ耐熱性を有するはんだ組成物と、このはんだ組成物を用いたはんだ付け物品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のはんだ付け物品の一例を示すセラミックコンデンサの断面図である。
【符号の説明】
1 セラミックコンデンサ
2 セラミック素体
3 容量電極
4 リード線
5 はんだ
6 外装樹脂
Claims (2)
- 副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種とBiとからなるBi基合金を99.5〜99.7重量%と、0.3〜0.5重量%のNiとからなり、固相線温度が250℃以上であり、液相線温度が300℃以下であることを特徴とするPbフリーはんだ組成物。
- 物品の導体部をはんだにより接合してなるはんだ付け物品であって、前記はんだは、請求項1に記載のPbフリーはんだ組成物を用いたことを特徴とする、はんだ付け物品。
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