JP5279714B2 - 接合用組成物 - Google Patents
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Description
Sn−Cu系では、例えばSn−0.75Cu等のSn合金が使用される。この0.75CuでSnとSn−Cu金属間化合物の共晶(共晶温度227℃)となる。このSn合金は、例えば、高融点の接合用組成物を構成する際に用いられる。
Sn−Ag系では、例えばSn−3.5Ag等のSn合金が使用される。この3.5AgでSnとSn(Ag)金属間化合物の共晶(共晶温度221℃)となる。このSn合金は、例えば、高融点の接合用組成物を構成する際に用いられ、機械的強度も優れている。
Sn−Ag−Cu系のうちの低Ag系では、高価なAgの含有量が少なく構成され、例えば、Agを1重量%前後含有する。この低Ag系のSn合金として、例えば、Sn−0.7Ag−0.3Cu(融点217〜227℃)、Sn−1.2Ag−0.8Cu(融点218〜222℃)等が挙げられる。
このSn−Ag−Cu−Bi系では、ぬれ性を向上させるためやリフロー温度を低下させるために、Sn−Ag−Cu系にBiを3重量%以下の範囲で添加している。このSn−Ag−Cu−Bi系のSn合金として、例えば、Sn−2.5Ag−0.5Cu−1Bi(融点214〜221℃)、Sn−2Ag−0.5Cu−2Bi(融点211〜221℃)等が挙げられる。
In添加は、融点を下げ、ぬれ性を向上させるため、Sn−Ag−Bi−In系のSn合金では、Bi添加量よりも比較的多量のInが添加され、脆いBi偏析相の形成を少なくしている。このSn−Ag−Bi−In系のSn合金として、例えば、Sn−3.5Ag−2.5Bi−2.5In(融点190〜210℃)、Sn−3.5Ag−3Bi−6In(融点165〜206℃)、Sn−3.5Ag−0.5Bi−8In(融点170〜206℃)等が挙げられる。
Sn−Zn系として、Sn−9Zn共晶(共晶温度199℃)が挙げられる。このSn−Zn系の合金は、融点が低く、機械的性質も良好で、経済的である。Znの含有率は、1〜10重量%であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、共晶組成を超え、Znの含有率が10重量%よりも大きい場合には、粗大なZnの初晶が晶出して接合強度が低下するからである。また、Znは活性であるため酸化し易く、含有量が多くなるとぬれ性が低下する。一方、Znの含有率が1重量%よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られないからである。
Sn−Bi系のSn合金は融点が低く、Sn−Bi系のSn合金として、共晶組成Sn−58Bi(共晶温度139℃)が良好な機械的性質を呈している。Biの含有率は、1〜60重量%であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、共晶組成を超え、Biの含有率が60重量%よりも大きい場合には、粗大で脆いBiの初晶が晶出し、脆化するからである。一方、Biの含有率が1重量%よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られないからである。
Sn−Sb系のSn合金は機械的強度に優れ、Sn−Sb系のSn合金として、例えば、Sn−5Sb(融点236〜240℃)、Sn−9Sb(融点246℃)等が挙げられる。このSn−Sb系のSn合金において、Sbの含有率を1〜10重量%の範囲で組成することが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Sbの含有率が1重量%よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られず、10重量%よりも大きい場合には、粗大なZnの初晶が晶出し、接合強度が低下するからである。
Sn−In系のSn合金は融点が低く、Sn−In系のSn合金として、低融点で、良好な機械的性質を呈する共晶組成Sn−52In(融点117℃)が挙げられる。Inは、活性であるため酸化し易く、含有量が多くなると大気中での接合、実装が困難となる。Inの含有率が、共晶組成52重量%よりも大きい場合には、粗大な晶出相が出現し、接合強度が低下する。一方、経済的な観点から、Inの含有量は少なく抑えれている。また、例えば、Inの含有率1〜10重量%のSn−In系のSn合金に、接合強度を向上させるために、Znを1〜10重量%含有してもよい。また、接合強度を向上させるために、Sn−In系のSn合金に、Agを0.5〜3.5重量%、Cuを0.5〜0.75重量%を含有してもよい。
Sn−Pb系のSn合金として、良好な機械的性質とぬれ性を呈する共晶組成Sn−37Pb(共晶温度183℃)が一般に用いられている。高融点はんだとして、Sn−98Pb(316〜322℃)、Sn−90Pb(268〜301℃)などが挙げられる。このSn−Pb系のSn合金において、Pbの含有率を5〜98重量%の範囲で組成することが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Pbの含有率が5重量%よりも小さい場合には、十分な接合強度およびぬれ性が得られず、98重量%よりも大きい場合には、硬度が低下するとともに、十分なぬれ性が得られないからである。
日本工業規格「JIS Z 3198−5」の鉛フリーはんだ試験方法に基づき、図1に示すように、鉄系材料(SS400)からなる2枚の被接合部材10、11の継手部に厚さが100μmのSn−0.1重量%Ge−0.1重量%Siからなる接合用組成物12を挿入し、フラックスを滴下した後、温度が250℃の窒素雰囲気中で90秒間加熱し、被接合部材10、11を接合した。この接合用組成物12によって接合された被接合部材10、11を用いて、「JIS Z 3198−5」の1号せん断試験片を作製した。
比較例1で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−0.2重量%Geを用いた以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例1と比較例1における結果から、実施例1のように、GeとSiを含有した接合用組成物を使用した場合、GeとSiがともに、被接合部材10、11と接合用組成物12の接合界面へ拡散し、被接合部材10の表面全体に亘って、Sn(Fe,Ge,Si)の金属間化合物からなる第1反応層20が形成された。これによって、被接合部材10、11を構成するFeの接合用組成物12側への拡散が阻止され、第1反応層20上に積層して形成される第2反応層21の成長が抑制されることがわかった。
実施例2で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−0.7重量%Cu−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用いた以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例3で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−3.5量%Ag−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用いた以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例4で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−3重量%Ag−0.5重量%Cu−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11をFe−42重量%Niで形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例5で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−3重量%Ag−0.5重量%Cu−1.0重量%Bi−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11を日本工業規格(JIS)S45C鋼材で形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例6で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−3重量%Ag−2.0重量%Bi−4.0重量%In−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11を日本工業規格(JIS)S45C鋼材で形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例7で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−8重量%Zn−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11をFe−42重量%Niで形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例8で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−57重量%Bi−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11を鉄系材料(SS400)で形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例9で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−5重量%Sb−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11を鉄系材料(SS400)で形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例10で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−6重量%In−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11を鉄系材料(SS400)で形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
成物12の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびX線マイクロアナライザを用いて観察お
よび分析した。また、実施例1と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試
験を行なった。なお、実施例4における分析結果から、図4に示した実施例2の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図4を参照して説明する。ここで、実施例2の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第1反応層20上に第2反応層21が積層し、それぞれの層の厚さも図4に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第2反応層21の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に30で示される共晶組織の分布などは異なる。
実施例11で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−37重量%Pb−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用い、被接合部材10、11を鉄系材料(SS400)で形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例12で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−0.7重量%Cu−0.1重量%Co−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用いた以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例13で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−0.7重量%Cu−0.1重量%Ti−0.05重量%Ge−0.05重量%Siを用いた以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
比較例2で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−0.7重量%Cuを用いた以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
比較例3で使用したせん断試験片は、接合用組成物12として、Sn−8重量%Znを用い、被接合部材10、11をFe−42重量%Niで形成した以外は、実施例1で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例1〜実施例13のように、GeとSiとを含有したSn−Cuからなる接合用組成物を使用した場合においても、GeとSiがともに、被接合部材10、11と接合用組成物12の接合界面へ拡散し、被接合部材10の表面全体に亘って、Sn(Fe,Ge,Si)の金属間化合物からなる第1反応層20が形成された。これによって、被接合部材10、11を構成するFeの接合用組成物12側への拡散が阻止され、第1反応層20上に積層して形成される第2反応層21の成長が抑制されることがわかった。
Claims (4)
- Geを0.01〜1重量%およびSiを0.01〜1重量%含有し、残部がSnからなることを特徴とする接合用組成物。
- 請求項1記載の接合用組成物において、
Coを0.01〜1重量%さらに含有することを特徴とする接合用組成物。 - 請求項1記載の接合用組成物において、
Tiを0.01〜1重量%さらに含有することを特徴とする接合用組成物。 - 請求項2記載の接合用組成物において、
Tiを0.01〜1重量%さらに含有することを特徴とする接合用組成物。
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