JP5773444B2 - アルミニウム接合用はんだ合金 - Google Patents
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Description
本発明は、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるＳｎ−Ｚｎ系アルミニウム接合用はんだ合金に関する。
従来、アルミニウム材を接合する際に用いられる、アルミニウム接合用はんだ合金（以下、アルミニウム用はんだ）として、Ｚｎ−Ａｌ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｃｄ−Ｚｎ系はんだ合金（ＪＩＳ Ｚ ３２８１）が広く用いられており、その中でもＳｎ−Ｚｎは融点が低いことで知られている。
ＪＩＳ Ｚ ３２８１ １９９６ アルミニウム用はんだ
ＪＩＳ Ｚ ３２８１ １９９６ アルミニウム用はんだ
アルミニウム用はんだは、アルミニウムおよびその合金同士、あるいは、アルミニウムと異種金属の接合に利用される。一般の電子機器の接合に用いられるＳｎ−Ｐｂはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ鉛フリーはんだ合金とは異なり、使用法には多くの注意が必要である。これは、アルミニウムは、銅、鉄と比べて反応性が強く、表面に強固な酸化膜を生成し、除去しにくいことや、アルミニウムはんだ接合部に電気化学的腐食を起こしやすいためである。
アルミニウムおよびその合金は、軽量で加工性、耐食性も良いことから、航空・宇宙産業、近年では、省エネルギーの観点から、自動車産業などに盛んに利用されており、アルミニウムおよびその合金同士、あるいは、アルミニウムと異種金属のはんだ接合技術についても、大変注目を集めている。
アルミニウム用はんだの中でも、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金は、融点が低い点が特徴であり、耐熱性が低い部材に用いられる。ＪＩＳ Ｚ ３２８１では、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点約１９９℃）、Ｓｎ−１５Ｚｎ（融点約２５０℃）、Ｓｎ−２０Ｚｎ（融点約２８０℃）が規定されている。
しかしながら、Ｓｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだは、Ｚｎの反応性が高いため、はんだ付を行う際、はんだ合金が溶融するとＺｎが選択的に酸化され、多くの酸化物が発生する。多くの酸化物が発生するとはんだ付性が極端に低下するため、はんだ付不良が発生しやすくなる。
Ｓｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだは、はんだ合金が酸化しやすく、はんだ付性が悪いという欠点があった。
そこで、本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ系でありながら、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるアルミニウム用はんだを提供することを目的とする。
そこで、本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ系でありながら、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるアルミニウム用はんだを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、Ｚｎが１０．０〜３０．０重量％、Ａｌが０．１〜３．０重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物より成るアルミニウム用はんだである。
本発明によれば、従来のＳｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだに所定の濃度のＡｌを添加することで、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を大きく向上させることが可能となる。
Ａｌは、Ｚｎよりも酸化しやすい性質を持っており、Ｓｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだにＡｌを添加することにより、はんだ付性低下の原因であったＺｎの酸化が抑制される。アルミニウム用はんだは、Ｚｎの含有が１０．０〜３０．０重量％であるために、Ａｌの添加量が０．１重量％未満であると、はんだ合金の酸化抑制効果はほとんどなく、はんだ付性を向上させることはない。また、Ａｌの添加量が３．０重量％超であると、酸化抑制効果は期待できるものの、はんだ合金の液相線温度が上昇し、はんだ付性低下の原因となりうるために好ましくない。
Ａｌは、Ｚｎよりも酸化しやすい性質を持っており、Ｓｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだにＡｌを添加することにより、はんだ付性低下の原因であったＺｎの酸化が抑制される。アルミニウム用はんだは、Ｚｎの含有が１０．０〜３０．０重量％であるために、Ａｌの添加量が０．１重量％未満であると、はんだ合金の酸化抑制効果はほとんどなく、はんだ付性を向上させることはない。また、Ａｌの添加量が３．０重量％超であると、酸化抑制効果は期待できるものの、はんだ合金の液相線温度が上昇し、はんだ付性低下の原因となりうるために好ましくない。
ＳｎにＺｎを１０．０〜３０．０重量％以下、Ａｌを０．１〜３．０重量％以下添加したＳｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだは、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を大きく向上させる効果があるものの、はんだ接合部に大きな強度が要求される場合、必ずしも十分ではない。このような場合、機械的特性を改善し、はんだ接合部の強度を向上させる元素として、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒなどの金属元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。これらの金属元素は、主成分であるＳｎに固溶、あるいは金属間化合物を形成して機械的特性を改善する効果がある。しかし、添加量が多いと液相線温度が上昇するため、Ａｇおよび／またはＳｂの添加量は３．０重量％以下、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒの添加量については、合計で０．２重量％以下がそれぞれ望ましい。
また、はんだ付温度を低くする必要がある場合、例えば、プリント基板に搭載した電子部品の熱劣化を抑制する目的で、融点低下元素として、Ｂｉ、Ｉｎなどの金属元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。しかし、Ｂｉの添加量が多いとはんだ合金の脆性が増してしまい、耐衝撃性の低下が懸念される。さらに、Ｉｎは高価な金属元素のため、Ｂｉおよび／またはＩｎの添加量は、３．０重量％以下が望ましい。
さらに、はんだ付時のはんだ合金のさらなる酸化を防ぐ目的で、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅなどの酸化防止元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。しかし、添加量が多いと、はんだ合金の脆化やはんだ付性が低下してしまうため、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅの添加量については、合計で０．３重量％以下がそれぞれ望ましい。
以下、本発明を、その実施例に基づいて説明する。
表１、および表２に示したＳｎ−Ｚｎ系にＡｌ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅを添加したアルミニウム用はんだを作製し、はんだ付性試験、および酸化物発生試験を実施した。
はんだ付性試験は、ウエッティングバランス法により、はんだ合金のぬれ時間（ゼロクロスタイム）を測定することで評価を行った。ウエッティングバランス法は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７：２０１２に準拠し、溶融させたはんだ合金に、フラックスを塗布した試験用アルミ板（厚さ０．３ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ３０ｍｍ）を１０秒浸漬させ、このときのゼロクロスタイムを測定した。試験温度（溶融はんだ合金の温度）は、３３０℃にて実施した。試験結果を表３に示す。
表１、および表２に示したＳｎ−Ｚｎ系にＡｌ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅを添加したアルミニウム用はんだを作製し、はんだ付性試験、および酸化物発生試験を実施した。
はんだ付性試験は、ウエッティングバランス法により、はんだ合金のぬれ時間（ゼロクロスタイム）を測定することで評価を行った。ウエッティングバランス法は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７：２０１２に準拠し、溶融させたはんだ合金に、フラックスを塗布した試験用アルミ板（厚さ０．３ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ３０ｍｍ）を１０秒浸漬させ、このときのゼロクロスタイムを測定した。試験温度（溶融はんだ合金の温度）は、３３０℃にて実施した。試験結果を表３に示す。
酸化物（ドロス）発生試験は、小型はんだ槽を用い、表１、および表２に示したアルミニウム用はんだを３０分間放置させ、その際に発生した酸化物（ドロス）を秤量することで評価を行った。試験温度（溶融はんだ合金の温度）は、３００℃、３３０℃、３５０℃、４００℃にて実施し、Ａｌの添加量が３．０重量％のアルミニウム用はんだのみ、３３０℃、３５０℃、４００℃にて実施した。試験結果を表４に示す。
（表１） アルミニウム用はんだの組成
（表２） アルミニウム用はんだの組成
（表３） ウエッティングバランス法試験、酸化物発生試験結果
表１、および表２の比較例に示した、従来のＳｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだのぬれ時間（ゼロクロスタイム）は、０．４５秒〜０．５４秒となった。その一方で、表１、および表２の実施例に示した、Ｓｎ−Ｚｎ系にＡｌ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅを添加したアルミニウム用はんだのぬれ時間は、０．２８秒〜０．４５秒となり、ぬれ時間の大幅な短縮が確認された。
表１、および表２の比較例に示した、従来のＳｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだの酸化物（ドロス）発生量は、３００℃のとき、１．２４〜１．４３ｇ、３３０℃のとき、１．３５〜１．５５ｇ、３５０℃のとき、２．１５〜２．５４ｇ、４００℃のとき、４．４３〜４．９２ｇであった。その一方で、表１、および表２の実施例に示した、Ｓｎ−Ｚｎ系にＡｌ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅを添加したアルミニウム用はんだの酸化物発生量は、３００℃のとき、０．１８〜０．４１ｇ、３３０℃のとき、０．２１〜０．４５ｇ、３５０℃のとき、０．２０〜０．４８ｇ、４００℃のとき、０．２５〜０．４８ｇとなり、酸化物発生量の大幅な減少が確認された。
以上の結果、ＳｎにＺｎを１０．０〜３０．０重量％以下、Ａｌを０．１〜３．０重量％以下添加したＳｎ−Ｚｎ系アルミニウム用はんだは、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させることが明らかとなった。また、ＳｎにＺｎを１０．０〜３０．０重量％以下、Ａｌを０．１〜３．０重量％以下添加し、強度改善元素として、Ａｇおよび／またはＳｂを３．０重量％以下、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒを合計で０．２重量％以下、融点低下元素として、Ｂｉおよび／またはＩｎを３．０重量％以下、酸化防止元素として、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅを合計で０．３重量％以下添加しても、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させる特性に変化がない事も明らかとなった。
本発明のアルミニウム用はんだは、やに入りはんだ、ソルダペースト、棒はんだ、線状はんだなどに用いることができる。また、フローはんだ付法、デイップはんだ付法、リフローはんだ付法、レーザーはんだ付法、超音波はんだ付法、摩擦はんだ付法、マニュアルソルダリング（手はんだ付）法、様々なはんだ付法において使用可能である。
Claims (5)
- Ｚｎが１０．０重量％以上２０．０重量％未満、Ａｌが０．１〜３．０重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物より成るアルミニウム接合用はんだ合金。
- 前記アルミニウム接合用はんだ合金の強度改善元素として、Ａｇおよび／またはＳｂを３．０重量％以下含有する請求項１記載のアルミニウム接合用はんだ合金。
- 前記アルミニウム接合用はんだ合金の強度改善元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒから成る群から選んだ１種または２種以上を合計で０．２重量％以下含有する請求項１または２記載のアルミニウム接合用はんだ合金。
- 前記アルミニウム接合用はんだ合金の融点低下元素として、Ｂｉおよび／またはＩｎを３．０重量％以下含有する請求項１または２記載のアルミニウム接合用はんだ合金。
- 前記アルミニウム接合用はんだ合金の酸化防止元素として、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅから成る群から選んだ１種または２種以上を合計で０．３重量％以下含有する請求項１または２記載のアルミニウム接合用はんだ合金。
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