JP4673860B2 - Ｐｂ・Ｓｂフリーはんだ合金、プリント配線基板および電子機器製品 - Google Patents

Description

本発明は、ＰｂもＳｂも含有しないはんだ合金（Ｐｂ・Ｓｂフリーはんだ合金）、プリント配線基板および電子機器製品に関する。

従来より、電子機器製品のプリント配線基板等にははんだが多用されている。はんだには、はんだ付け後において、はんだにシワやクラックが発生しない等の高い接合信頼性が求められている。

近年、環境保全の目的でＥＵにおいては２００６年７月１日からＲｏＨＳ指令が施行され、Ｐｂを始め６種類の有害物質の使用が禁止されている。特に、Ｓｂについてはその発癌性が示唆されており、はんだ材として使用することは好ましくない。

現在、Ｐｂ・Ｓｂフリーはんだ合金としてはＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの組成が主流となっているが、希少価値の高いＡｇを３重量％含有しているため、コスト面が課題となっている。

そこで、Ｐｂ・Ｓｂフリーはんだ合金において、Ａｇの含有量を低減する試みがなされている。
例えば、Ｓｎを主成分とし、残余の組成にＣｕ ０．３〜１．０質量％，Ｇａ ０．００１〜０．１００質量％，Ｐ ０．００１〜０．０１０質量％，Ａｇ ０．０１〜１．００質量％，Ｎｉ ０．００１〜０．０１０質量％，を含む無鉛はんだが報告されている（特許文献１）。
また例えば、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕを１ 重量％以下、Ｎｉを０．２ 重量％以下、Ｇｅを０．１ 重量％以下含有するはんだ合金が報告されている（特許文献２）。
特開２００１−７１１７３号公報 特開２００１−２８７０８２号公報

しかしながら、いずれのＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金においても、十分な接合信頼性を得ることはできなかった。特に、高電圧・大電流が適用される電子機器製品で使用される場合、十分な接合信頼性が得られないことは深刻な問題となっていた。

本発明は、Ａｇの含有量を抑えながらも、シワやクラックに関する高い接合信頼性を発揮するＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金を提供することを目的とする。

本発明はまた、はんだ接合部における接合信頼性が高いプリント配線基板および電子機器製品を提供することを目的とする。

本発明は、ＳｎをベースとしてＡｇを含有した、液相線温度が２３０℃以下のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金であって、はんだ合金全量に対してＧｅを０．１０重量％より多く０．３０重量％以下、所望によりさらにＮｉを０．００２〜０．０３０重量％含有することを特徴とするＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金に関する。

本発明はまた、上記Ｐｂ・Ｓｂフリーはんだ合金を用いて金属端子が基板に接合されてなるプリント配線基板、および該プリント配線基板を備えた電子機器製品に関する。

本発明はまた、上記Ｐｂ・Ｓｂフリーはんだ合金を含むクリームはんだおよびヤニ入りはんだに関する。

本発明に係るＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金は、はんだ付け後において、過酷な環境下であっても、シワやクラックの発生を抑制できるので、接合信頼性に優れている。しかも、Ａｇ含有量を有効に低減できるので、低コストと高い接合信頼性とを同時に達成する。

本発明のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金（以下、単に「はんだ合金」という）は、ＳｎをベースとしてＡｇを含有した、液相線温度が２３０℃以下のはんだ合金であって、はんだ合金全量に対してＧｅを０．１０重量％より多く０．３０重量％以下、所望によりさらにＮｉを０．００２〜０．０３０重量％含有することを特徴とする。上記組成に加えて、はんだ合金の製造工程または各成分の精製工程で混入される不可避なる不純物が含まれるはんだ合金も、本発明の範囲に含まれる。
なお、「Ｓｎをベースとして」とあるが、本発明のはんだ合金はＳｎを主成分として含有することを意味するものである。詳しくは、Ｓｎは、Ｓｎ以外の全成分を所定量で含有させるとき、Ｓｎも含む全成分の合計量が１００重量％になるような量で含有される「残部」としての成分である。

Ａｇは接合後のシワやクラックに関する接合信頼性を改善する効果を発揮するものであり、従来では、含有量を少なくすると、上記特性が悪化し、実装時及び実装後の製品使用時にはんだが原因の特性不良を発生する可能性がある。特に、高電圧・大電流が掛かるような製品に用いる場合、含有量が少ないと、接合信頼性確保が問題となる。本発明においては、そのようなＡｇの含有量を比較的少なくしても、良好な接合信頼性を確保できるので、結果として低コストと高い接合信頼性とを同時に達成できる。本発明のはんだ合金におけるＡｇの含有量は通常は、０．１〜１．０重量％であり、はんだ合金コストと接合信頼性とのバランスの観点から好ましくは０．２〜０．５重量％である。

液相線温度とははんだ合金が完全に溶融する温度であり、冷却法によって測定された値を用いている。はんだ合金の液相線温度が高すぎると、はんだ付け作業の作業性が低下する。液相線温度は通常２２０〜２４０℃である。

Ｇｅは従来より酸化抑制を目的として添加されるものであるが、本発明においてははんだ付け後におけるシワやクラックに関する接合信頼性向上を目的として添加される。Ｇｅの含有量が少なすぎたり、または多すぎたりすると、シワやクラックが発生し易くなり、所望の接合信頼性が得られない。特に、多すぎると、はんだ合金の液相線温度の上昇を招き、またフローはんだ付時にはんだ付不良が発生する危険性が高くなるので好ましくない。はんだ合金コストと接合信頼性とのバランスの観点から、好ましいＧｅの含有量は０．１０重量％より多く０．２０重量％以下、より好ましくは０．１１重量％以上０．１５重量％以下である。

本発明においては、上記成分ＡｇおよびＧｅならびに残部としてのＳｎからなるはんだ合金によって本発明の目的を達成できるが、そのようなはんだ合金に、さらにＮｉを含有させることによって、接合信頼性をより一層向上させることができる。そのため、比較的高価なＧｅの含有量を有効に低減できる。

Ｎｉは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｇｅ系のはんだに添加されると、Ｓｎとの固溶体またはＳｎとの金属間化合物を形成し、凝固時にＳｎの結晶粒界に析出する。そのため、はんだ付後に基板や部品から発生する歪みにより生じる応力によってはんだが変形する際にＳｎ粒界の滑りが抑制され、はんだフィレットの変形が抑制される。その結果、接合信頼性の向上効果が認められるものと考えられる。Ｎｉの含有量が少なすぎると、そのような効果が認められない。Ｎｉの含有量が多すぎると、はんだが硬くなり、クラックが発生するので、接合信頼性が低下すると共に、はんだ合金の液相線温度の上昇を招き、フローはんだ付時にはんだ付不良を発生する危険性が高くなるので、好ましいＮｉの含有量は０．００５〜０．０１５重量％である。

ＮｉおよびＧｅの含有量について、好ましい組み合わせは以下の組み合わせ（１）であり、より好ましくは組み合わせ（２）である；
組み合わせ（１）；
Ｎｉ；０．００５〜０．０１５重量％−Ｇｅ；０．１０重量％より多く０．２０重量％以下；
組み合わせ（２）
Ｎｉ；０．００５〜０．０１５重量％−Ｇｅ；０．１１重量％以上０．１５重量％以下。

本発明のはんだ合金にはＣｕが含有されてもよい。Ｃｕははんだのぬれ性を向上させたり、フローはんだ付時において基板の配線パターンに用いられているＣｕ箔の溶融はんだへの溶出を防止する目的で使用される。Ｃｕの含有量は通常、１．２重量％以下であり、好ましくは０．３〜１．０重量％である。

本発明のはんだ合金には、液相線温度以上での酸化を防止または遅延させるために、ＰおよびＧａからなる群から選択される１種または２種を合計で０．１重量％以下の範囲で含有させることができる。さらに、本発明のはんだ合金には、本発明の効果を損なわない範囲で当業者に公知の添加物を添加してもよい。

本発明は前記した成分以外の他の金属を含有することを妨げるものではない。

本発明のはんだ合金は、クリームはんだ、ヤニ入りはんだ等の態様で使用してもよい。

クリームはんだは上記はんだ合金の粉末と、公知のフラックス、例えば樹脂類、活性剤、粘度調整剤、溶剤類などとを混合して得ることができる。混合方法およびはんだ合金とフラックスとの割合はそれぞれ、クリームはんだの分野で公知の混合方法および割合を採用すればよい。

ヤニ入りはんだは上記はんだ合金中に、公知のフラックスを含芯させて得ることができる。含芯方法およびはんだ合金とフラックスとの割合はそれぞれ、ヤニ入りはんだの分野で公知の含芯方法および割合を採用すればよい。

本発明のはんだまたははんだ合金（以下、単に「はんだ等」という）の使用方法としては、はんだ槽によるフローはんだ付、ヤニ入りはんだによるコテ付及びロボットはんだ付、クリームはんだによるリフローはんだ付等が例示される。

またはんだ付けは、はんだ付け製品のさまざまな製造工法に従い変化に富むので、工法を限定するものでなく、本発明のはんだ等は様々に使用できる。各はんだ製品には、使用用途に適したはんだ付方法を採用すればよい。

本発明は、上記はんだ等を用いて、各種はんだ製品を提供でき、例えば、金属端子が基板に接合されてなるプリント配線基板および当該プリント配線基板を備えたジャー（ポット）、炊飯器、冷蔵庫等の電子機器製品が挙げられる。そのようなはんだ製品は、はんだ接合部における接合信頼性が高く、特に高電圧・大電流が適用されても、十分な接合信頼性を発揮する。

（実験例）
表１または表２に示す割合で各金属成分を用いてはんだ合金を製造した。詳しくは、Ｓｎを４００℃で溶融し、この中にその他の金属を添加し、十分に混合した後、徐冷して、はんだ合金を製造した。なお、表中、「ｂａｌ」は残部を意味し、合計量が１００重量％になるように調整された値である。

（評価）
・接合信頼性
得られたはんだ合金を、ディップはんだ付装置へ投入し、２５５℃に加熱した。図１に示すように、紙フェノール基板１およびコネクター本体２にナイロン製コネクターピン３を９本刺した。これにフラックスを塗布し、定法に基づきディップはんだ付を行い、試験片を作製した。このとき、はんだ量による差が発生しないように、はんだフィレット４の高さを全て０．４５〜０．５ｍｍに統一した。１種類のはんだ合金に対して１０個の試験片を作成した。図１（Ａ）は試験片の上面見取り図を示し、図１（Ｂ）は試験片の概略断面見取り図を示す。なお、図１（Ａ）および（Ｂ）に示す試験片においてはんだフィレット４は２個しか示されていないが、実際は全てのコネクターピン３に対してはんだフィレットが存在する。また隣接するはんだフィレットは互いに接触するものではない。

得られた試験片を熱衝撃試験に供した。熱衝撃試験では、−４０℃で１０分間の保持および８５℃で１０分間の保持を１サイクルとして、２００サイクル行い、その後のはんだフィレットを観察し、評価した。
評価は、はんだフィレット上にできる「シワ」および「クラック（き裂・割れ）」の進行度合いに基づいて行った。具体的には、「シワ」および「クラック」の発生・進行度について表３のような点数付けを行い、１０個の試験片の合計点を持って評価した。合計点が少ないほど、接合信頼性に優れていることを意味する。
○；合計点が３５点以下であった；
△；合計点が３６〜４０点であり、実用上問題があった；
×；合計点が４１点以上であった。

得られた結果を、各はんだ合金の液相線温度とともに表４に示す。液相線温度は前記した方法によって測定した。なお、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの評価点は２９点、Ｓｎ−Ｐｂ系高強度はんだ６２Ｓｎ−０．３５Ａｇ−０．５５Ｓｂ−Ｐｂの評価点は５７点であった。

本発明のはんだ等は、各種はんだ製品に適用できる。はんだ製品として、例えば、金属端子が基板に接合されてなるプリント配線基板および当該プリント配線基板を備えたジャー（ポット）、炊飯器、冷蔵庫等の電子機器製品が挙げられる。

（Ａ）は実験例で作成した試験片の上面見取り図を示し、（Ｂ）は当該試験片の概略断面見取り図を示す。

符号の説明

１：基板、２：コネクター本体、３：コネクターピン、４：はんだフィレット。

Claims (10)

1. ＳｎをベースとしてＡｇを含有した、液相線温度が２３０℃以下のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金であって、Ａｇを０．２〜０．５質量％、Ｃｕを０．３〜１．０質量％、Ｇｅを０．１０質量％より多く０．３０質量％以下含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とするＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金。
2. さらに、Ｎｉを０．００２〜０．０３０質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金。
3. Ｎｉ含有量が、０．００５〜０．０１５質量％である請求項２に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金。
4. さらに、Ｎｉを０．０００〜０．０２０質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金。
5. Ｇｅ含有量が、０．１０質量％より多く０．２０質量％以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金。
6. さらに、ＰおよびＧａからなる群から選択される１種または２種を合計で０．１質量％以下含有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金を用いて金属端子が基板に接合されてなるプリント配線基板。
8. 請求項７に記載のプリント配線基板を備えた電子機器製品。
9. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金の粉末と、フラックスとを混合して得られるクリームはんだ。
10. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のＰｂ・Ｓｂフリーはんだ合金に、フラックスを含芯させて得られるヤニ入りはんだ。

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