JP6062070B2 - Ｐｂを含まない半田合金 - Google Patents
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Description
本出願は、２０１３年１月２２日に中華人民共和国国家知識産権局（Ｓｔａｔｅ Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｏｆｆｉｃｅ，Ｐ．Ｒ．Ｃ．）に出願された中国特許出願第２０１３１００２５３７８．２号の優先権および利益を主張し、その全体内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
本開示の実施形態は、一般に半田付けの分野、より詳しくはＰｂを含まない半田合金、およびそれを調製する方法に関する。
電子産業において、通常、１８３℃の融点を有するＳｎ−Ｐｂ共晶合金は、主要な半田材として利用され、電子部品の組立に重要な役割を果たす。しかし、ＰｂおよびＰｂ化合物はともに有毒であり、環境を汚染し、使用者の健康を害する可能性がある。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金も半田材として利用される。不十分な濡れ性能、かさ高い、不均一分布および不十分な安定性という欠点を別にしても、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金は２２１℃もの高い溶融温度を有し、そのため、関連する製造装置を変更する必要がある。そのため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金に関する製作コストは増加する。さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の高い溶融温度によって、電子部品の組立中、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金プロセスに必要とされる最高温度は、Ｓｎ−Ｐｂプロセスに必要とされるそれより約４０−５０℃高い。この条件で、組立時間はより長く、組立工程のエネルギー消費は２５％増加する。さらに、温室効果の主要因であり環境に悪い、より多くのＣＯ２が組立工程中に発生する。したがって、上述の問題を解決することができる半田合金を提供する必要がある。
本開示の実施形態は、少なくともいくらかの程度、先行技術において存在する問題の少なくとも１つを解決し、または有用な実用的選択肢を消費者に提供しようと努力する。
本開示の態様の実施形態は、Ｐｂを含まない半田合金を提供する。Ｐｂを含まない半田合金は、４−１２ｗｔ％のＺｎ、０．５−４ｗｔ％のＢｉ、０．５−５ｗｔ％のＩｎ、０．００５−０．５ｗｔ％のＰ、０．００１−０．５ｗｔ％のＺｒを含んでよく、０−０．１ｗｔ％のＹ、０−０．２ｗｔ％のＧｅ、０−０．０５ｗｔ％のＭｇ、０−０．０２ｗｔ％のＢ、０−０．０５ｗｔ％のＡｌ、０−０．２ｗｔ％のＮｉおよび０−０．３ｗｔ％のＡｇからなる群から選択される少なくとも１つ、ならびに残部のＳｎを含んでもよい。
本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金は、低い溶融温度および高い安定性の両方を有することができる。ＰとＺｒが存在すると、Ｐｂを含まない半田合金の溶融温度は低下し、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点、すなわち１８３℃に近い温度に低下させることができる。さらに、Ｚｒが存在すると、Ｐｂを含まない半田合金の結晶組織の微細化を容易にすることができ、Ｐｂを含まない半田合金中のかさばった樹枝状結晶構造を減少させることができる。そのため、Ｐｂを含まない半田合金の粒界の強度および強靭性を強化することができ、またＰｂを含まない半田合金のσ０．２も増加させることができる。このようにして、応力の集中および歪を減少させ、または回避さえすることができる。したがって、亀裂が、Ｐｂを含まない半田合金中で広がりにくくすることができ、Ｐｂを含まない半田合金の半田性能を改善することができる。さらに、本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金は安定性を改善することができる。
０−０．１ｗｔ％のＹ、０−０．２ｗｔ％のＧｅ、０−０．０５ｗｔ％のＭｇ、０−０．０２ｗｔ％のＢ、０−０．０５ｗｔ％のＡｌ、０−０．２ｗｔ％のＮｉおよび０−０．３ｗｔ％のＡｇからなる群から選択される少なくとも１つの元素の存在によって、Ｐｂを含まない半田合金の粒界を修飾することができ、それにより、Ｐｂを含まない半田合金の安定性をさらに改善することができ、例えば、Ｐｂを含まない半田合金はより良好な耐熱性および耐湿性を有することができる。Ｐｂを含まない半田合金は、より小さな濡れ角度θを有することができ、すなわち、Ｐｂを含まない半田合金は、半田付け部に良好な濡れ性能を有する。さらに、Ｐｂを含まない半田合金の耐酸化性を改善することができる。したがって、Ｐｂを含まない半田合金に酸化膜を形成し、それによりＰｂを含まない半田合金を、損傷を受けることから保護するのは容易である。この膜は、溶媒の使用により半田付工程中に除去することができる。このようにして、Ｐｂを含まない半田合金は、より均質な構造およびより少ない欠陥を有することができ、Ｐｂを含まない半田合金を使用することによってより良好な固着を形成することができる。そのため、本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金の半田性能をさらに改善することができる。
本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金は、様々な形態、例えばロッド、ワイヤー、粉末、ペーストなどに加工することができる。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は様々な半田付工程で適用することができ、半田付工程における様々な要件は、Ｐｂを含まない半田合金の使用により満たすことができる。
本開示の実施形態の追加の態様および利点は、一部は以下の記載で与えられ、一部は以下の記載から明白になり、または、本開示の実施形態の実施からわかるであろう。
発明の詳細な説明
本開示の実施形態が詳細に言及される。図面に関して本明細書に記載される実施形態は、説明であり例証となるものであり、本開示を一般的に理解するために使用される。実施形態は本開示を限定するようには解釈されないものとする。同一または同様の機能を有する同一または同様の要素（複数可）は、記載の全体にわたって類似の参照番号によって示される。
本開示の実施形態が詳細に言及される。図面に関して本明細書に記載される実施形態は、説明であり例証となるものであり、本開示を一般的に理解するために使用される。実施形態は本開示を限定するようには解釈されないものとする。同一または同様の機能を有する同一または同様の要素（複数可）は、記載の全体にわたって類似の参照番号によって示される。
本記載および以下の請求項のために、数を表わす範囲の定義は、別段の定めがない限り、常に両端（ｅｘｔｒｅｍｅｓ）を含む。
本開示において重量含有率（ｗｔ％）を指すとき、重量含有率が、常に、Ｐｂを含まない半田合金の合計重量に基づき得ることは留意されるべきである。
本開示の態様の実施形態は、鉛を含まない（Ｐｂを含まない）半田合金を提供する。Ｐｂを含まない半田合金は、４−１２ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）、０．５−４ｗｔ％の（ビスマス）Ｂｉ、０．５−５ｗｔ％のインジウム（Ｉｎ）、０．００５−０．５ｗｔ％のリン（Ｐ）、０．００１−０．５ｗｔ％のジルコニウム（Ｚｒ）を含んでよく、０−０．１ｗｔ％のイットリウム（Ｙ）、０−０．２ｗｔ％のゲルマニウム（Ｇｅ）、０−０．０５ｗｔ％のマグネシウム（Ｍｇ）、０−０．０２ｗｔ％のホウ素（Ｂ）、０−０．０５ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）、０−０．２ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）および０−０．３ｗｔ％の銀（Ａｇ）からなる群から選択される少なくとも１つ、ならびに残部のスズ（Ｓｎ）を含んでもよい。
本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金は、低い溶融温度および高い安定性の両方を有することができる。本発明者らは、ＰおよびＺｒが存在すると、Ｐｂを含まない半田合金の溶融温度が低下し、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点、すなわち、１８３℃に近い温度に低下し得ることを見いだした。
本発明者らは、また、Ｚｒが存在すると、Ｐｂを含まない半田合金の安定性が増強され得、Ｐｂを含まない半田合金の半田性能が改善され得ることを見いだした。一方、Ｚｒ原子は、その大きな原子半径のためにＰｂを含まない半田合金の粒界で固着することができる。他方、Ｚｒ原子は、粒界にＺｒＮの質点を生じることができ、亀裂がＰｂを含まない半田合金に広がるのを阻止する。さらに、ＺｒＮは水素（Ｈ）のトラップとして働き得るので、Ｐｂを含まない半田合金の結晶組織を微細化するのが容易になり得、Ｐｂを含まない半田合金中のかさばった樹枝状結晶構造を減少させることができる。そのため、Ｐｂを含まない半田合金の粒界の強度および強靭性を強化することができ、Ｐｂを含まない半田合金のσ０．２も増加させることができる。このようにして、応力の集中および歪を減少させ、または回避さえすることができる。それにより、亀裂が、Ｐｂを含まない半田合金中で広がりにくくすることができ、Ｐｂを含まない半田合金の半田性能を改善することができる。
さらに、Ｚｒはまた、酸素（Ｏ）と強く固着するので、ＺｒＯの質点を、Ｐｂを含まない半田合金の表面に形成することができる。Ｐ化合物も、Ｐｂを含まない半田合金の表面に形成することができる。Ｐｂを含まない半田合金の表面に形成されるＺｒＯの質点およびＰ化合物によって、Ｐｂを含まない半田合金の結晶粒径を微細化することができる。さらに、ＺｒＯの質点およびＰ化合物は、Ｐｂを含まない半田合金が損傷を受けるのを阻止し得、それにより、Ｐｂを含まない半田合金の耐摩耗性および耐食性を改善することができる。
本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金は、さらに、安定性および半田性能を改善し、例えば、濡れ角度を減少し、亀裂耐性を改善することができる。本発明者らは、０−０．１ｗｔ％のＹ、０−０．２ｗｔ％のＧｅ、０−０．０５ｗｔ％のＭｇ、０−０．０２ｗｔ％のＢ、０−０．０５ｗｔ％のＡｌ、０−０．２ｗｔ％のＮｉおよび０−０．３ｗｔ％のＡｇからなる群から選択される少なくとも１つの元素が、Ｐｂを含まない半田合金中のＺｒおよびＰと相互作用し得ることを見いだした。
ある実施形態において、Ｐｂを含まない半田合金はさらにＧｅおよびＹを含んでもよい。本発明者らは、ＧｅおよびＹが酸化されてＰｂを含まない半田合金の表面にＧｅ化合物またはＹ化合物を形成することができ、それにより半田付工程中に溶接スポットを保護することを見いだした。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は半田性能を改善することができる。
ある実施形態において、Ｐｂを含まない半田合金はさらにＭｇおよびＹを含んでもよい。本発明者らは、Ｍｇ、ＹおよびＺｒが半田付工程中に酸化され得、硫黄（Ｓ）などの不純物がＰｂを含まない半田合金中で固定され得ることを見いだした。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は半田性能を改善することができる。
ある実施形態において、Ｐｂを含まない半田合金はさらにＹ、ＢおよびＭｇを含んでもよい。本発明者らは、Ｙ、Ｂ、ＭｇおよびＺｒの間の相互作用が半田付けスポットの強度を増強し得ることを見いだした。Ｂは非常に小さな原子半径を有するので、Ｐｂを含まない半田合金の粒中に発生する応力を和らげることができる。さらに、Ｂは酸化されてＰｂを含まない半田合金の表面に酸化膜を形成することができ、それによりＰｂを含まない半田合金を、損傷を受けることから保護する。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は半田性能を改善することができる。
ある実施形態において、Ｐｂを含まない半田合金はさらにＡｌを含んでもよい。本発明者らは、ＡｌもＰｂを含まない半田合金の表面にＡｌ化合物を形成することができ、それによりＰｂを含まない半田合金を保護することを見いだした。Ａｌは面心立方構造を有し、等方性であるので、Ｐｂを含まない半田合金が固化するとき、Ａｌは引き離され、Ｐｂを含まない半田合金中で、高い拡散濃度を有するごく小さい質点の形態で分布することができる。このごく小さい質点は、Ｐｂを含まない半田合金に対して耐酸化性を与えることができる。このように、Ｐｂを含まない半田合金の耐酸化性は、少量のＡｌの使用により著しく改善することができる。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は半田性能を改善することができる。
ある実施形態において、Ｐｂを含まない半田合金はさらにＮｉおよびＡｌを含んでもよい。本発明者らは、Ｐｂを含まない半田合金が、より良好な安定性および強度を有し得ることを見いだした。ＡｌおよびＮｉは、Ｐｂを含まない半田合金の表面にナノスケールの金属間化合物を形成することができ、その結果、Ｐｂを含まない半田合金の安定性を改善することができる。銅（Ｃｕ）基板を用いて半田付けするとき、Ｃｕ化合物が、Ｃｕ基板とＰｂを含まない半田合金との間の界面に形成し得、その結果、Ｃｕ基板とＰｂを含まない半田合金との間の固着を強化することができる。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は半田性能を改善することができる。
ある実施形態において、Ｐｂを含まない半田合金はさらにＡｇを含んでもよい。Ａｇの添加によって、Ｃｕ基板とＰｂを含まない半田合金との間の固着をさらに強化することができる。そのため、Ｐｂを含まない半田合金は半田性能を改善することができる。
本開示の実施形態によるＰｂを含まない半田合金は、次のステップ：Ｐｂを含まない半田合金の対応する元素を含有する材料を準備するステップ、対応する元素の重量含有率に従って材料を準備するステップ、および、材料を溶融し注型してＰｂを含まない半田合金を形成するステップを含む方法によって調製されていてもよい。
溶融ステップは何らかの従来法によって実行することができる。例として、限定されないが、溶融ステップは、真空中または不活性ガスの存在下で実施されてもよい。不活性ガスは、アルゴンなど、当業者に公知である。不活性ガスが存在すると、不純物（窒素または酸素など）が最終のＰｂを含まない半田合金へ入るきっかけを減らすことができる。そのため、上記方法によって調製されたＰｂを含まない半田合金は、半田性能をより良好にすることができる。
本開示の実施形態の詳細は以下の実施例を用いて詳しく説明することができる。
実施例１
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ１を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第１の混合物を準備し、第１の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ１を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第１の混合物を準備し、第１の混合物を溶融し注型した。
実施例２
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ２を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第２の混合物を準備し、第２の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ２を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第２の混合物を準備し、第２の混合物を溶融し注型した。
実施例３
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ３を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第３の混合物を準備し、第３の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ３を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第３の混合物を準備し、第３の混合物を溶融し注型した。
実施例４
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ４を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第４の混合物を準備し、第４の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ４を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第４の混合物を準備し、第４の混合物を溶融し注型した。
実施例５
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ５を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第５の混合物を準備し、第５の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ５を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第５の混合物を準備し、第５の混合物を溶融し注型した。
実施例６
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ６を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第６の混合物を準備し、第６の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ６を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第６の混合物を準備し、第６の混合物を溶融し注型した。
実施例７
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ７を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第７の混合物を準備し、第７の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ７を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第７の混合物を準備し、第７の混合物を溶融し注型した。
実施例８
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ８を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第８の混合物を準備し、第８の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ８を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第８の混合物を準備し、第８の混合物を溶融し注型した。
実施例９
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ９を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第９の混合物を準備し、第９の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ９を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第９の混合物を準備し、第９の混合物を溶融し注型した。
実施例１０
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ１０を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第１０の混合物を準備し、第１０の混合物を溶融し注型した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金Ｅ１０を次のステップによって調製した。特定した組成を有する第１０の混合物を準備し、第１０の混合物を溶融し注型した。
比較例１
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金ＣＥ１を準備した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金ＣＥ１を準備した。
比較例２
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金ＣＥ２を準備した。
表１に示す組成を有するＰｂを含まない半田合金ＣＥ２を準備した。
試験
濡れ角度
Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１−Ｅ１０およびＣＥ１−ＣＥ２を濡れ性試験で試験した。Ｐｂを含まない半田合金のすべての濡れ角度θを表２に示す。
濡れ角度
Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１−Ｅ１０およびＣＥ１−ＣＥ２を濡れ性試験で試験した。Ｐｂを含まない半田合金のすべての濡れ角度θを表２に示す。
安定性
Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１−Ｅ１０およびＣＥ１−ＣＥ２のそれぞれを、８５％ＲＨ、８５℃の温度で２０００時間加熱した。Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１−Ｅ１０およびＣＥ１−ＣＥ２のそれぞれの半田付けスポットの表面の亀裂長さを記録した。結果を表２に示す。
Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１−Ｅ１０およびＣＥ１−ＣＥ２のそれぞれを、８５％ＲＨ、８５℃の温度で２０００時間加熱した。Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１−Ｅ１０およびＣＥ１−ＣＥ２のそれぞれの半田付けスポットの表面の亀裂長さを記録した。結果を表２に示す。
融点
Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１、Ｅ６、Ｅ８およびＥ９の融点を試験し、結果はそれぞれ１９６℃、１９２℃、１９２℃および１９０．５℃であった。
Ｐｂを含まない半田合金Ｅ１、Ｅ６、Ｅ８およびＥ９の融点を試験し、結果はそれぞれ１９６℃、１９２℃、１９２℃および１９０．５℃であった。
上記表１および２に示したように、本開示の実施例によるＰｂを含まない半田合金は、より小さな濡れ角度とより小さな亀裂長さの両方を有する。したがって、本開示の実施例によるＰｂを含まない半田合金が、より良好な安定性および半田性能を有し得るという結論を下すことができる。
「ある実施形態」、「幾つかの実施形態」、「一実施形態」、「別の実施例」、「ある実施例」、「特定の実施例」または「幾つかの実施例」への、本明細書の全体にわたる言及は、その実施形態または実施例に関して記載される具体的な特色、構造、材料または特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態または実施例に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたる様々な場所での、「幾つかの実施形態において」、「一実施形態において」、「ある実施形態において」、「別の実施例において」、「ある実施例において」、「特定の実施例において」、または「幾つかの実施例において」などの語句の出現は、必ずしも本開示の同一の実施形態または実施例を指していない。さらに、具体的な特色、構造、材料または特性が、１つまたは複数の実施形態または実施例において何らかの適切な方式で組み合わせられてもよい。
説明の実施形態が示され記載されたが、上記の実施形態は本開示を限定すると解釈することはできず、本開示の趣旨、原理および範囲から離れることなく変化、代替および修正は実施形態中で行うことができることは当業者によって理解されるであろう。
Claims (1)
- ４−１２ｗｔ％のＺｎ、
０．５−４ｗｔ％のＢｉ、
０．５−５ｗｔ％のＩｎ、
０．００５−０．５ｗｔ％のＰ、
０．００１−０．５ｗｔ％のＺｒ、
０−０．１ｗｔ％のＹ、０−０．２ｗｔ％のＧｅ、０−０．０５ｗｔ％のＭｇ、０−０．０２ｗｔ％のＢ、０−０．０５ｗｔ％のＡｌ、０−０．２ｗｔ％のＮｉおよび０−０．３ｗｔ％のＡｇからなる群から選択される少なくとも１つ、ならびに
残部のＳｎ
を含む、Ｐｂを含まない半田合金。
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