JP4590133B2 - 錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境調和型の錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種機器のはんだ付けには、融点が低く、酸化性雰囲気の中でも濡れ性が良好であること等の点から、錫―鉛系はんだ合金粉末が多用されていた。しかし、鉛は毒性を有していることから、近年、特に環境汚染防止の観点から、鉛を含むはんだ合金粉末を用いた各種機器、中でも電子機器の廃棄処理の弊害が問題になっている。
【０００３】
そこで、このような環境汚染防止の観点から、最近、はんだの鉛フリー化が急速に進んでいる。この鉛フリー化の中でも、電子回路素子の実装工程の１つであるリフローはんだ付けに使用する鉛フリーはんだ合金粉末の実用化が進んでいる。従来、このリフローはんだ付け用の鉛フリーはんだ合金粉末の中に、たとえば亜鉛を９重量％（共晶点組成）前後含有した錫―亜鉛系のものがある。錫―亜鉛合金の共晶温度は１９９℃であり、錫を主成分とした鉛フリーはんだの中では、最も錫―鉛合金の共晶点に近いものであり、原料コストの面でも、他の鉛フリーはんだ合金粉末より安価である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、上記リフローはんだ付けに用いられるクリームはんだは、はんだ粉末とフラックスを混合したものであるが、フラックスには、はんだ溶融時に、はんだ付け対象物の表面を清浄にし、はんだの濡れ性を良くするための活性剤が添加されている。また、錫―鉛系はんだよりも濡れ性の点で劣る鉛フリーはんだにおいては、濡れ性を向上させるために、活性剤を強化せざるを得ないが、この活性剤と、はんだ粉末がクリームはんだの保存中に反応すると、反応生成物によってクリームはんだの粘性が著しく増加し、プリント基板への印刷が不可能になってしまうという問題がある。
【０００５】
しかも、上述した従来の錫―亜鉛系はんだの場合、製造されたはんだ粉末の表面および内部に亜鉛を主成分とする相が存在し、表面には亜鉛が酸化物を形成している。したがって、このはんだ粉末をフラックスと混合してクリームはんだに加工すると、亜鉛が活性な金属元素であるため、保存中に、フラックス中の活性剤と容易に反応し、クリームはんだの粘度上昇が錫―鉛系はんだよりも急速且つ大幅に発生してしまう。この粘度上昇を防止するために活性剤の強さや添加量を抑えると、はんだ加熱時に生成する亜鉛酸化物を還元することができず、はんだの濡れ広がり性が低下してしまう問題があった。
【０００６】
すなわち、従来の錫―亜鉛系鉛フリーはんだ材料は、粉末の状態では酸素との親和力の強い亜鉛が粉末表面で酸化物となることが避けられない。これをフラックスと混合してクリームはんだに加工すると、亜鉛酸化物と活性剤とが反応することによってクリームはんだの濡れ性並びに長期の保存性の点で問題が発生していまう。従来、これら濡れ性と長期保存性の両立が極めて困難で、それが有効な鉛フリーのクリームはんだが普及しない大きな障害となっていた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、クリームはんだの良好な濡れ性を保持しつつ保存性にも優れた錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述した従来の課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、亜鉛が酸化しやすい一方、イオン化傾向が高いことに着目し、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有する錫―亜鉛系はんだ合金粉末を、適宜の種類・濃度の酸溶液に浸漬すると、イオン化傾向の高い亜鉛がイオンとして錫よりも優先的に溶け出し、表層の亜鉛量が減少することを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の発明による錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末は、たとえば以下に示す実施の形態のとおり、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末であって、該はんだ合金粉末を酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施してなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明による錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末は、たとえば以下に示す実施の形態のとおり、請求項１に記載した前記はんだ合金粉末を、錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆ってなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明による錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末の製造方法は、たとえば以下に示す実施の形態のとおり、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施し、次いで洗浄して後に、乾燥させてなることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明による錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末の製造方法は、たとえば以下に示す実施の形態のとおり、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施した後、さらに錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆い、次いで洗浄して後に、乾燥させてなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本発明によるはんだ合金粉末は、化学組成が、たとえば錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末で、これを酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施して構成してなる錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末である。
【００１５】
また、本発明は、化学組成が、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛と０〜４重量％のビスマスを必須に含有するはんだ合金粉末で、これを酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施した錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末であってもよい。使用する酸溶液としては、たとえば酢酸、ギ酸、硫酸、硝酸などが考えられ、それら酸溶液のいずれか１つ若しくは２つ以上を用いる。
【００１６】
上記に例示した化学組成（重量％）のはんだ合金粉末は、上記適宜種類・濃度の酸溶液に浸漬すると、イオン化傾向の高い亜鉛がイオンとして錫よりも優先的に溶け出し、極表層の亜鉛量が減少する。したがって、このはんだ合金粉末を原料として、クリームはんだに加工するとき、室温以下では亜鉛―活性剤間の反応が抑えられるため保存性に優れ、且つ加熱時において、はんだが溶融するまで粉末内部の亜鉛が著しく酸化することがなく、濡れ性も阻害されることがない。加えて、はんだ合金粉末の平均組成は初期の値を維持しているので、低融点という錫―亜鉛系はんだの長所が生かされるのである。
【００１７】
ところで、本発明は、前記酸溶液に浸漬した前記化学組成のはんだ合金粉末を、錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆った構成にすることもできる。この他の例では、酸溶液に浸漬して表面処理した前記化学組成のはんだ合金粉末を、さらに錫金属塩の溶液に浸漬すると、上述したと同様に、イオン化傾向の高い亜鉛がイオンとして溶け出し、溶液中の錫イオンが粉末表面に析出し、極表層の亜鉛量はさらに減少する。この場合、金属塩の種類、濃度、浸漬時間を調整することにより、任意の厚みの錫コーティングを行うことができる。これにより、はんだ粉末表面にて亜鉛量の低減が促進され、クリームはんだの保存性並びに濡れ性が、さらに一層向上する。
【００１８】
さて、本発明は、以下の製造工程を経て、上記した錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末を製造する。まずは、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して表面処理を施し、表層に存在する亜鉛を減少させる。
【００１９】
次いで、この表面処理後のはんだ合金粉末を洗浄する。この洗浄工程の後、最後にはんだ合金粉末を乾燥させる。以上の製造工程を経ることにより、保存性並びに濡れ性の点で優れた上記錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末が作製される。
【００２０】
本発明は、次のような製造工程を経て、上記した錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末を製造することもできる。まず、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して表面処理を施し、表層に存在する亜鉛を適宜量だけ減少させる。しかる後、酸溶液に浸漬した後のはんだ合金粉末を、さらに錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆う錫コーティングを施す。次いで、錫コーティング後のはんだ合金粉末を洗浄する。この洗浄工程の後、最後にはんだ合金粉末を乾燥させる。以上の製造工程を経ることによって保存性並びに濡れ性の点で、より一層優れた上記錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末が作製される。
【００２１】
なお、本発明は、化学組成として、以上に示した錫・亜鉛・ビスマス以外に、他の各種少量元素を含有する錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末を排除するものではないことは、勿論である。
【００２２】
【実施例】
次に、以下に示す実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものでないことは、勿論である。
【００２３】
本発明者らは、本発明の効果を確認するための実験を行った。実験に用いたはんだ合金粉末は、錫―亜鉛系の粒径３２〜４５μｍの真球粉である。実験を行ったはんだ合金粉末（試料Ａ〜Ｍ）の組成（重量％）、表面処理方法、はんだ付け性及び保存性の特性評価結果を、下記の表１に示した。はんだ合金粉末は、表１に示した処理条件で処理を行い、水洗と乾燥を施した後、フラックスと混合してペーストにして各種評価試験に供している。表１中のはんだ付け性については、ＪＩＳ―Ｚ―３２８４に準拠した方法で行ない、濡れ拡がり性を評価した。試験は、より厳しい条件を模擬するため、大気雰囲気中で、プリヒートも１５０℃で２分間行った。試験の結果、濡れ拡がり性が不良のものを「×」、良好なものを「○」、非常に良好なものを「◎」で示した。保存性に関しては、はんだ合金粉末とフラックスを混合した後に、約４℃に保った冷蔵庫中で１週間保存した後の、ペーストの粘度上昇具合および印刷性により判定した。濡れ広がり性と同様に、不良のものを「×」、良好なものを「○」、非常に良好なものを「◎」で示した。
【００２４】
表１に示すように、本発明による錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末を用いたペーストは、比較例（試料Ｌ・Ｍ）に比べ、濡れ性とともに保存性に優れることが確認された。
【００２５】
【表１】

【００２６】
なお、酸溶液は、表１中で使用した酸以外でも、はんだ合金粉末の表面から亜鉛を溶出させるものであれば、必要な効果を得ることが確認されている。
【００２７】
【発明の効果】
上述のように構成した本発明によれば、次のような顕著な効果が得られる。
【００２８】
請求項１および３に記載の発明によれば、錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末として、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有する化学組成のはんだ合金粉末を用い、該はんだ合金粉末を酸溶液に浸漬して表面処理を施した構成とするため、これを適宜種類・濃度の酸溶液に浸漬したとき、イオン化傾向の高い亜鉛がイオンとして錫よりも優先的に溶け出して粉末表面の亜鉛量を減少させることができ、その結果、このはんだ合金粉末を原料として、クリームはんだに加工するとき、室温以下では亜鉛―活性剤間の反応が抑えられるため保存性に優れ、且つ加熱時において、はんだが溶融するまで粉末内部の亜鉛が著しく酸化することがなく、濡れ性が阻害されることがなく、結局、低融点という錫―亜鉛系はんだの長所が生かしつつ、濡れ性並びに保存性に優れた錫―亜鉛系はんだペーストを得ることができる。
【００２９】
請求項２および４に記載の発明によれば、錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末として、錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有する化学組成のはんだ合金粉末を用い、該はんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して粉末表面の表面処理を施した後、さらに錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆った構成とするため、酸溶液に浸漬して表面処理したはんだ合金粉末を、さらに錫金属塩の溶液に浸漬したとき、イオン化傾向の高い亜鉛がイオンとして溶け出し、溶液中の錫イオンが粉末表面に析出して亜鉛量の低減が促進され、クリームはんだの保存性並びに濡れ性を、更に一層向上させることができ、その結果、低融点という錫―亜鉛系はんだの長所が生かしつつ、濡れ性並びに保存性の点で、更に一層優れた錫―亜鉛系はんだペーストを得ることができる。

Claims (4)

1. 錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末であって、該はんだ合金粉末を酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施してなることを特徴とする錫―亜鉛系鉛フリーはんだ粉末。
2. 請求項１に記載した前記はんだ合金粉末を、錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆ってなることを特徴とする錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末。
3. 錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施し、次いで洗浄して後に、乾燥させてなることを特徴とする錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末の製造方法。
4. 錫を主成分とし、少なくとも７〜１０重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金粉末を、酸溶液に浸漬して粉末表面の亜鉛量を低減する表面処理を施した後、さらに錫金属塩の溶液に浸漬して粉末表面を錫で覆い、次いで洗浄して後に、乾燥させてなることを特徴とする錫―亜鉛系鉛フリーはんだ合金粉末の製造方法。