JP6234488B2 - 無鉛はんだ - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、無鉛はんだに関する。
通常、錫や鉛を主成分とするはんだ、あるいは、環境に配慮した無鉛はんだ（鉛フリーはんだ）は、易はんだ付け性金属同士を接合するものであり、ガラスやセラミックス、難はんだ付け性金属などを接合することは難しい。ガラスやセラミックスの接合に用いる無鉛はんだとしては、亜鉛を主成分とする無鉛はんだが提案されているが、その接着強度は６００ｇｆ／ｍｍ２（＝５．８８Ｎ／ｍｍ２）程度である。また、ビスマス及びガリウムを主成分とする無鉛はんだも提案されているが、その融点は低温（例えば１２０℃〜２００℃）であり、環境温度が２００℃を超えるところでは用いることができない。
本発明が解決しようとする課題は、接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる無鉛はんだを提供することである。
本発明の請求項１に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、ニッケルを、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、ニッケルを、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る無鉛はんだは、請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、前記ニッケルの含有量よりも多く、はんだの重量に対して０．１００重量％であることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、ニッケルを、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、亜鉛を、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、アンチモンを、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする。
本発明の請求項５に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、ニッケルを、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、亜鉛を、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、アンチモンを、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする。
本発明によれば、無鉛はんだの接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる。
本発明の実施の一形態について説明する。
本発明の実施の一形態に係る無鉛はんだは、錫（Ｓｎ）を主成分とし、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有するはんだ組成物（はんだ合金）である。この無鉛はんだは、ガラスやセラミックス及び難はんだ付け性金属において、異なる材料の接合や同じ材料同士の接合に用いられる。例えば、超音波はんだ付け装置を使用し、本実施形態に係る無鉛はんだを用いて、ガラスやセラミックスに金属を接合したり、ガラス同士やセラミックス同士を接合したりすることが可能である。このとき、超音波振動によるキャビテーションが確実に発生するため、ガラスやセラミックスと金属との接合、あるいは、ガラス同士の接合やセラミックス同士の接合を行うことができる。
本実施形態に係る無鉛はんだは、ゲルマニウムを含むことから、ガラスやセラミックス、難はんだ付け性金属に固着することが可能であり、従来の亜鉛系のはんだと同等、あるいは、それ以上の接着強度を得ることができる。例えば、無鉛はんだが一度ガラスに接合されると、その無鉛はんだとガラスとの界面を溶かさなければ、無鉛はんだがガラスから剥がれることはない。さらに、本実施形態に係る無鉛はんだの融点は、例えば２００℃よりも高く、環境温度が２００℃を超えるところでも、無鉛はんだを用いることができる。このようにして、無鉛はんだの接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる。
また、本実施形態に係る無鉛はんだは、錫を主成分とするはんだであるため、無鉛はんだをガラスやセラミックス以外の金属の接合、例えば銅線や銅箔の接合にも用いることができる。さらに、無鉛はんだは鉛を含有していないため、環境や人体への悪影響を抑えることができる。加えて、無鉛はんだは、湿気に弱い亜鉛も含有していないため、無鉛はんだの耐湿性を向上させることができる。
ここで、前述の無鉛はんだの粘度を向上させるためには、錫及びゲルマニウムに加え、ニッケル（Ｎｉ）を添加することが望ましい。この場合、無鉛はんだは、錫及びゲルマニウムに加え、ニッケルを含有することになる。ニッケルは、無鉛はんだの粘度を向上させることが可能な材料である。
さらに、錫、ゲルマニウム及びニッケルに加え、亜鉛（Ｚｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を添加するようにしても良い。この場合、無鉛はんだは、錫、ゲルマニウム及びニッケルに加え、亜鉛及びアンチモンを含有することになる。亜鉛は、超音波振動によるキャビテーションの発生効率を向上させることが可能な材料である。また、アンチモンは、湿気に弱い亜鉛の耐湿性を向上させることが可能な材料である。ただし、亜鉛含有量は非常に少なくて良く、それに応じてアンチモン含有量も少なくなる。このため、アンチモンの含有量増加によって無鉛はんだが脆くなることを抑えることができる。
無鉛はんだの接着強度の評価結果を下記の表１に示す。評価方法としては、超音波はんだゴテにより、錫を主成分とする無鉛はんだを種類ごとにスライドガラスに塗布する。スライドガラスに塗布された無鉛はんだに幅２ｍｍの銅線（平角線）を接合し、その銅線にフォースゲージを取り付けて垂直に引っ張る。このときのフォースゲージの数値を測定し、単位体積当たりの力を接着強度（接合強度）として記録する。この評価結果が下記の表１に示されている。
この表１では、錫を主成分とする無鉛はんだにおいて、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量（ｗｔ％）やニッケル（Ｎｉ）の含有量（ｗｔ％）が変えられ、Ｇｅ及びＮｉの含有量が異なる数種の無鉛はんだごとに接着強度（ｇｆ／ｍｍ２）が示されている。なお、ｗｔ％は、無鉛はんだの総重量（はんだの重量）に対する重量割合を示す重量％である。
表１に示すように、ニッケルを含まず、ゲルマニウムを０．１００ｗｔ％含む無鉛はんだの接着強度は、６４９ｇｆ／ｍｍ２となる。これにより、亜鉛系のはんだと同等の接着強度が得られる。この無鉛はんだにニッケルが０．０５ｗｔ％添加されると、無鉛はんだの接着強度は１０２１ｇｆ／ｍｍ２となり、前述の６４９ｇｆ／ｍｍ２に比べて約５７％向上する。
次に、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％であるとき、ゲルマニウム含有量が０．００１〜０．５００の範囲内で調整されると、０．０１０ｗｔ％で接着強度が１１５１ｇｆ／ｍｍ２となり、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％である場合において最大となる。
また、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０１〜０．１０の範囲内で調整されると、０．０３ｗｔ％で接着強度が１２１２ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％である場合において最大となる。
また、ゲルマニウム含有量が０．００５ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０３〜０．０８の範囲内で調整されると、０．０８ｗｔ％で接着強度が１２２０ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．００５ｗｔ％である場合において最大となる。
また、ゲルマニウム含有量が０．１００ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０３〜０．０８の範囲内で調整されると、０．０３ｗｔ％で接着強度が１２１９ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．１００ｗｔ％である場合において最大となる。
このような結果を示す表１から、例えば、接着強度を１０００ｇｆ／ｍｍ２以上とするためには、ゲルマニウム含有量が０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、ニッケル含有量が０．０３重量％以上０．０８重量％以下であることが望ましい。あるいは、ゲルマニウム含有量が０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、ニッケル含有量が０．０５重量％以上０．０８重量％以下であることが望ましい。
また、前述の表１に基づいて、図１には、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％である場合のゲルマニウム含有量と接着強度との関係が示されており、図２には、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％である場合のニッケル含有量と接着強度との関係が示されている。これらの図１及び図２に示されるグラフからも、必要とする接着強度以上の接着強度を得るため、ゲルマニウムやニッケルの含有量の範囲を決定することが可能である。
ここで、亜鉛及びアンチモンが同量、例えば０．５０ｗｔ％程度、前述の無鉛はんだに添加されると、亜鉛及びアンチモンが無い場合に比べ、接着強度は約１０％向上する。したがって、接着強度の向上のためには、亜鉛の含有量が０．５０ｗｔ％であり、アンチモンの含有量が０．５０ｗｔ％であることが望ましい。
なお、接合に直接的に寄与する主材料はゲルマニウムであるが、粘性やキャビテーションの条件を最適化するため、前述のように、ニッケル、亜鉛及びアンチモンを添加することが可能である。ただし、無鉛はんだの成分は、主成分の錫とゲルマニウムのみであっても良い。
以上、本発明は、前述の実施形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
Claims (5)
- 超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、
ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、
ニッケルを、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、
残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする無鉛はんだ。 - 超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、
ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、
ニッケルを、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、
残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする無鉛はんだ。 - 前記ゲルマニウムの含有量は、前記ニッケルの含有量よりも多く、はんだの重量に対して０．１００重量％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだ。
- 超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、
ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、
ニッケルを、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、
亜鉛を、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、
アンチモンを、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、
残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする無鉛はんだ。 - 超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、
ゲルマニウムを、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下の量含有し、
ニッケルを、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下の量含有し、
亜鉛を、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、
アンチモンを、はんだの重量に対して０．５００重量％の量含有し、
残部が錫及び不可避不純物であることを特徴とする無鉛はんだ。
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