JP7007623B1 - はんだ合金及びはんだ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】ΔＴが狭くブリッジやつららが抑制され、はんだ槽内に発生するドロス量が少なく、Ｃｕ食われが抑制され、更に高い強度を有するはんだ合金および及びはんだ継手を提供する。【解決手段】はんだ合金は、質量％で、Ｃｕ：２．０％超え３．０％未満、Ｎｉ：０．０１０以上０．３０％未満、Ｇｅ：０．００１０～０．２０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有する。好ましくは、質量％で、Ｃｕ：２．５％超え３．０％未満であり、下記（１）式および（２）式を満たす。２．４００≦Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｇｅ≦３．１９０（１）０．３３≦Ｇｅ／Ｎｉ≦１．０４（２）（１）式および（２）式中、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。【選択図】なし

Description

本発明は、種々の電子機器に用いるはんだ合金及びはんだ継手に関する。

洗濯機、冷蔵庫、クーラーなどの家電製品、テレビ、ビデオ、ラジオ、コンピュータ、複写機、通信機器などの電子機器類には、電子部品が実装されたプリント基板が用いられている。電子部品の実装工程としては、フローソルダリング、リフローソルダリング、マニュアルソルダリング、ディップソルダリングなどが挙げられる。

ある程度の大きさを有する電子部品ではディップソルダリングが採用されている。ディップソルダリングは、電子部品の端子をはんだ槽に浸漬して絶縁膜を除去するとともにはんだ予備めっきを施す方法である。また、このような電子部品をプリント基板に実装する手法としては、端子を基板のスルーホールに挿入して実装するフローソルダリングが採用されている。フローソルダリングは、はんだ槽の噴流面をプリント基板の接続面側に当てることによりはんだ付けを行う方法である。

ディップソルダリングやフローソルダリングでは、端子が溶融はんだ中に長時間在留するため、はんだ槽内の溶融はんだによりＣｕ食われが発生する。また、はんだ槽は長時間大気中に曝されるため、はんだ槽に発生するドロスを一定時間毎に除去しなければならない。さらに、ドロス量が多いとブリッジやつららの原因になる。

そこで、ディップソルダリング用のはんだ合金としては、例えば特許文献１にＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金が開示されている。このはんだ合金は、ブリッジの発生や端子のＣｕ食われを抑制するとともに、はんだ槽中に存在する浮遊物を低減するために、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅの含有量が所定量の合金組成で検討が行われている。

また、特許文献２には、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉはんだ合金に任意元素としてＧｅを添加したはんだ合金が開示されている。同文献に記載のはんだ合金では、電子部品の端子を溶融はんだに浸漬して端子の被覆剥離とはんだ付けの両方を同時に行うとともに、Ｃｕ食われを抑制するため、ＣｕとＮｉの含有量が調整されている。また、同文献には、酸化被膜の発生を抑制するためにＧｅを含有することが開示されている。

フローソルダリング用のはんだ合金としては、例えば特許文献３には、Ｓｎ－Ｃｕはんだ合金の酸化を抑制する観点から、ＰとともにＧｅを含有するＳｎ－Ｃｕ－Ｐ－Ｇｅ－Ｎｉはんだ合金が記載されている。特許文献３に記載の発明では、はんだ合金の機械的強度を向上させるためにＣｕおよびＮｉを含有する。同文献に記載のはんだ合金は、Ｐを必須元素としているが、Ｇｅを添加すると更に濡れ性が向上する、とされている。

特許第４６７３５５２号公報 特開２００１－３３４３８４号公報 特開２００３－９４１９５号公報

しかし、特許文献１に記載のはんだ合金は、ブリッジとＣｕ食われについて評価されているものの、浮遊物の低減量ついては立証されていない。同文献には、浮遊物が半田付け部の表面に付着し半田付け部が粗面化し、半田厚さが均一になり難いことが記載されているが、定性的な浮遊物の除去には限界がある。また、浮遊物量を定量的に観察することは、製造コストの低減や製造時間の短縮の上で必要不可欠である。さらに、特許文献１の出願時と比較して、近年では電子部品の小型化および高性能化が飛躍的に進歩し、端子間隔が大幅に狭くなっている現状を踏まえると、ブリッジとＣｕ食われも大幅に低減されることが望まれている。

これに加えて、特許文献１の段落０００３の記載を鑑みると、同文献における機械的特性は接合界面の接合強度を示している。ただ、電子部品の小型化にともない接合部も小型になるため、合金の組成探索においては、接合強度ではなく、接合後のはんだ合金の強度にも着目すべきである。しかし、特許文献１に記載の発明では、はんだ合金の強度を向上させるための組成探索は行われていない。

特許文献２に記載の発明では、Ｃｕ食われとはんだ付け性が評価されており、これらの評価において優れた結果が示されるように合金設計が行われている。ディップソルダリングやフローソルダリングにおいて、Ｃｕ食われを抑制することは非常に重要である。しかし、これらの接合方法において、Ｃｕ食われを抑制する点にのみ着目した合金設計は実情に合致しない。そこで、合金設計を行う際、特許文献１に記載の発明で評価されているブリッジの抑制、特許文献１では定量的に評価されていないドロス量の低減、並びにはんだ合金の強度の向上、を考慮する必要がある。

ここで、特許文献２には、はんだ合金の強度を向上させるためには、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金において、ＡｇおよびＳｂの添加が有効であることが記載されている。しかし、添加元素の種類を増やすことは、種々の特性に影響が出てしまうため、可能であれば、上記４種類の構成元素だけですべての効果を同時に満たす合金設計を行うことが好ましい。

特許文献３に記載の発明では、電子部品の実装において必要な特性の１つであるはんだ合金の強度について評価がなされている。しかし、ブリッジおよびつららの抑制、ドロス量の低減、ならびにＣｕ食われについては一切評価がされてなく、合金組成の再調査により改善の余地は残されている。

上述の問題点に加えて、ブリッジやつららの発生を低減するためには、液相線温度が高くならないようにする必要がある。電子部品の耐熱性などを鑑みると、ディップソルダリングやフローソルダリングを行う際のはんだ付け温度を、はんだ合金の都合に合わせて容易に変更することはできない。また、液相線温度が低い場合であっても固相線温度が更に低ければ、凝固が完了するまでの時間がかかるため、ブリッジやつららが発生してしまう。このため、液相線温度と固相線温度との温度差であるΔＴが小さくなるような合金設計も必要になる。

本発明の課題は、ΔＴが狭くブリッジやつららが抑制され、はんだ槽内に発生するドロス量が少なく、Ｃｕ食われが抑制され、更に高い強度を有するはんだ合金および及びはんだ継手を提供することである。

本発明者らは、各特許文献に開示されているはんだ合金の中から、種々の検討を行うことにより上記の課題を解決することができると考えられるものを抽出した。特許文献１からはＳｎ－２Ｃｕ－０．２Ｎｉ－０．０５Ｇｅ、およびＳｎ－３Ｃｕ－０．２Ｎｉ－０．１Ｇｅはんだ合金を抽出し、特許文献２からはＳｎ－２．５Ｃｕ－０．３０Ｎｉ－０．５０Ｇｅはんだ合金を抽出し、特許文献３からはＳｎ－０．７Ｃｕ－０．０５Ｎｉ－０．００３Ｐ－０．０１Ｇｅはんだ合金を抽出し、実際の使用環境に適するか検討を行った。

まずは、特許文献３から抽出したＰを含有するはんだ合金は、溶融状態で常に大気と接している環境下では、溶融はんだから微量のＰが早期に抜けてしまい、所望の合金組成を維持することが難しい。また、Ｐの含有量を増やした合金組成であっても、Ｐの減少量は大きいため、はんだ槽には常にＰを補充しなければならない。さらに、Ｐを含有するはんだ合金の合金組成は、Ｐにより含有量が変動しやすく、効果にばらつきが生じる場合がある。加えて、Ｐとともに酸化抑制元素として知られているＧａは、融点が３０℃以下と低いため、Ｐと同様の問題が発生する。このため、上記課題を解決するため、ＰやＧａを含有しない構成元素での検討を行う必要がある。

本発明者らは、４種類の構成元素である特許文献１および特許文献２から抽出したはんだ合金の問題点を調査した。その結果、特許文献１から抽出したＳｎ－２Ｃｕ－０．２Ｎｉ－０．０５Ｇｅはんだ合金は、Ｃｕの含有量が少ないためにＣｕ食われが劣る知見が得られた。また、同文献から抽出したＳｎ－３Ｃｕ－０．２Ｎｉ－０．１Ｇｅはんだ合金は、Ｃｕの含有量が多いために液相線温度が上昇し、ΔＴが大きくなってしまい、ブリッジやつららが発生する知見が得られた。特許文献２から抽出したＳｎ－２．５Ｃｕ－０．３０Ｎｉ－０．５０Ｇｅはんだ合金は、Ｇｅの含有量が多いため、ΔＴが大きくなってしまい、ブリッジやつららが発生する知見が得られた。

本発明者らは、これらの知見に基づいて、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金において、Ｃｕ含有量およびＧｅ含有量を精密に調製した。ただ、これらの２種類の元素を調製したとしても、相対的にＮｉやＳｎの含有量も変動し、合金全体としては所望の効果が発揮されない組成が存在する知見が得られた。そこで、Ｎｉ含有量も精密に調製した。

Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金は、特許文献１～３で検討されているように、各構成元素の含有量をある程度細かく調査されているために、これ以上の効果を発揮するはんだ合金は得られないと考えられていた。しかし、詳細な調査の結果、予想外にも、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅが所定の範囲内である場合、ΔＴが狭くブリッジやつららが抑制され、はんだ槽内に発生するドロス量が少なく、Ｃｕ食われが抑制され、更には高い強度を示す知見が得られ、本発明は完成した。

これらの知見により得られた本発明は以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃｕ：２．０％超え３．０％未満、Ｎｉ：０．０１０％以上０．３０％未満、Ｇｅ：０．００１０～０．２０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有するはんだ合金。

（２）質量％で、Ｃｕ：２．５％超え３．０％未満である、上記（１）に記載のはんだ合金。

（３）合金組成は、下記（１）式および（２）式を満たす、上記（１）または上記（２）に記載のはんだ合金。
２．４００％≦Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｇｅ≦３．１９０％ （１）
０．３３≦Ｇｅ／Ｎｉ≦１．０４ （２）
（１）式および（２）式中、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。

（４）上記（１）～上記（３）のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。

図１は、ドロス発生装置の概略図である。

本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。

１． はんだ合金
（１） Ｃｕ：２．０％超え３．０％未満
Ｃｕは、はんだ合金の強度を向上させるとともに、Ｃｕ食われを抑制することができる。Ｃｕ含有量が２．０％以下であると、Ｃｕ食われが発生し、強度が低下することがある。Ｃｕ含有量の下限は２．０％超えであり、好ましくは２．３％以上であり、より好ましくは２．５％以上である。一方、Ｃｕ含有量が３．０％以上であると、液相線温度が上昇し、ΔＴが大きくなってしまう。また、ブリッジやつららが増加する。さらに、粗大な金属間化合物が生成し、強度が低下する。これに加えて、はんだ付け性が悪化する。Ｃｕ含有量の上限は３．０％未満であり、好ましくは２．９％以下であり、より好ましくは２．８％以下であり、更に好ましくは２．７％以下であり、特に好ましくは２．６％以下である。

（２） Ｎｉ：０．０１０％以上０．３０％未満
Ｎｉは、はんだ合金の強度を向上させるとともに、Ｃｕと全率固溶であるためにＣｕ食われを抑制することができる。Ｎｉ含有量が０．０１０％未満であると、Ｃｕ食われが発生し、強度が低下することがある。Ｎｉ含有量の下限は０．０１０％以上であり、好ましくは０．０５０％以上であり、より好ましくは０．１０％以上であり、さらに好ましくは０．１５％以上である。一方、Ｎｉ含有量が０．３０％以上であると、液相線温度が上昇し、ΔＴが大きくなってしまう。また、ブリッジやつららが増加する。さらに、粗大な金属間化合物が生成し、強度が低下する。これに加えて、はんだ付け性が悪化する。Ｎｉ含有量の上限は０．３０％未満であり、好ましくは０．２９％以下であり、より好ましくは０．２４％以下であり、更に好ましくは０．２２％以下であり、特に好ましくは０．２０％以下である。

（３） Ｇｅ：０．００１０～０．２０％
Ｇｅは、溶融はんだの酸化を抑制し、ブリッジやつららの発生を抑制することができる。Ｇｅ含有量が０．００１０％未満であると、酸化抑制効果が低減してドロスが発生し、ブリッジやつららが増加する。Ｇｅ含有量の下限は０．００１０％以上であり、好ましくは０．００５０％以上であり、より好ましくは０．０１００％以上である。更に好ましくは０．０６００％以上である。一方、Ｇｅ含有量が０．２０％を超えると溶融はんだの粘度が上昇してはんだ付け性が悪化する。また、液相線温度が上昇し、ΔＴが大きくなってしまう。また、ブリッジやつららが増加する。Ｇｅ含有量の上限は０．２０００％以下であり、好ましくは０．１４００％以下であり、より好ましくは０．１０００％以下である。

（４） 残部：Ｓｎ
本発明に係るはんだ合金の残部はＳｎである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。

（５） Ｐ、Ｇａ、Ｃｏ
本発明に係るはんだ合金は、Ｐ、Ｇａ、およびＣｏを含有しない方がよい。ＰおよびＧａは、はんだ槽中での溶融状態において、急速に大気中またはドロスとして消失するため、管理が困難である。また、Ｇａは、粘性の増加によりブリッジやつららの発生を促進し、ドロス量が増加してしまう。Ｐは液相線温度の上昇の原因となるため、ΔＴが増加し、粘性の増加によりブリッジやつららの発生を促進する。Ｃｏは、微量添加では問題にならないが、含有量が増加するにつれて融点が上昇し、ΔＴが大きくなってしまう。また、ブリッジやつららの発生原因になる。

（６） （１）式、（２）式
２．４００％≦Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｇｅ≦３．１９０％ （１）
０．３３≦Ｇｅ／Ｎｉ≦１．０４ （２）
（１）式および（２）式中、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。

本発明に係るはんだ合金は、（１）式および（２）式を満たすことが好ましい。すべての式を満たすはんだ合金は、特に優れた効果を発揮する。
（１）は、本発明に係るはんだ合金を構成する添加元素の合計量の範囲を表す。本発明に係るはんだ合金は、添加元素であるＣｕ、Ｎｉ、およびＧｅにより諸特性を同時に発揮することができるため、これらの合計量が精度よく制御されていることが好ましい。これらの添加元素の合計量が上記範囲内であれば、各構成元素の上限近傍での臨界的意義を相互に補完し合い、互いに相俟って、種々の特性を同時に発揮することができる。より詳細には、ＣｕおよびＮｉは凝固時における化合物の形成に寄与するため、ブリッジやつらら、ドロス量、ならびに強度の向上やＣｕ食われの低減に寄与する。また、Ｇｅは、大気中の酸素と酸化物を形成するためにドロス量に寄与する。よって、これらの元素の合計量が（１）式を満たすように制御されることにより、本発明の効果がより高い水準で発揮される。

（１）式の下限は、好ましくは２．４００％以上であり、より好ましくは２．６１０％以上であり、更に好ましくは２．７０１％以上であり、特に好ましくは２．７１０％以上であり、最も好ましくは２．７６０％以上である。（１）式の上限は、好ましくは３．１９０％以下であり、より好ましくは３．１００％以下であり、さらに好ましくは２．９００％以下であり、更により好ましくは２．８９０％以下であり、特に好ましくは２．８４０％以下であり、最も好ましくは２．８００％以下である。

（２）式は、Ｎｉ含有量とＧｅ含有量との比を表す。本発明に係るはんだ合金において、ＮｉおよびＧｅはブリッジやつららの抑制に寄与する。Ｃｕもこれらに寄与するが、ＮｉやＧｅと比較して含有量が一桁多い。ただ、本発明に係るはんだ合金では、含有量が１％未満であるＮｉおよびＧｅであっても特性に大きく寄与する。このため、ＮｉとＧｅの含有比は、更に優れた効果を発揮するためには重要である。また、Ｎｉは含有量が多いとブリッジやつららの発生を促進し、Ｇｅは含有量が少ないとブリッジやつららの発生を促進してしまう。この点を鑑みても、ＮｉとＧｅの含有比を制御することは重要である。

（２）式の下限は、好ましくは０．３３以上であり、より好ましくは０．３４以上であり、さらに好ましくは０．４２以上である。（２）式の上限は、好ましくは１．０４以下であり、より好ましくは１．００以下であり、さらに好ましくは０．７０以下であり、特に好ましくは０．６３以下であり、最も好ましくは０．５０以下である。

２．はんだ継手
本発明に係るはんだ継手は、電子部品とその基板との接続、或いはパッケージ部品とプリント基板とを接合して接続する。すなわち、本発明に係るはんだ継手は電極の接続部をいい、一般的なはんだ付け条件を用いて形成することができる。

３．はんだ合金の製造方法
はんだ合金の製造方法は、本発明に係るはんだ合金を構成する各構成元素が上述の範囲内において優れた効果が発揮されるようにするため、母合金と本合金を以下の工程を備える。ここで、「母合金」とは、所望の合金組成を備える「本合金」の原料であることを意味する。

（１）母合金形成工程
まず、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは融点が高いため、従来のように各元素の地金から所定量を秤量して一度に溶解しようとすると、溶融するまでに非常に時間がかかる。特にＧｅは、酸化抑制効果を有するため、溶融中に大気中の酸素と優先的に反応することが考えられる。このため、従来では、Ｇｅを所定量添加する場合には、溶融温度、溶融時間、ならびに酸化物として消失するＧｅの量を考慮した秤量が必要であった。そこで、本発明に係るはんだ合金の製造では、Ｃｕ、Ｎｉ、ＧｅをそれぞれＳｎ－Ｃｕ、Ｓｎ－Ｎｉ、Ｓｎ－Ｇｅの母合金として各々製造し、これらの母合金から本合金を作製する。または、Ｓｎ－Ｎｉ、Ｓｎ－Ｇｅの母合金を製造し、これにＣｕ単体を混ぜて本合金を作製してもよい。これにより、本合金が製造されるまでの合計時間が短縮されるため、短時間で製造が可能となり、Ｇｅの消失を低減することができる。

しかし、母合金中に粗大で高融点の金属間化合物（Ｃｕ_６Ｓｎ_５やＮｉ_３Ｓｎ_４）が多く形成されると、本合金を作製する際に、金属間化合物が十分に溶解する温度にまで加熱する必要時間が延びるため、相対的に金属間化合物の形成が少ないものよりも製造時間がかかることになる。
そこで、母合金を作製する際には、粗大で高融点の金属間化合物が形成されないように、凝固時の冷却速度を制御する必要がある。詳細には、液相線温度と固相線温度との温度域の中で、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系金属間化合物における固相線温度と液相線温度との範囲内である２００℃～４００℃までの冷却速度を５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。

（２）本合金形成工程
その後、このような工程を経て作製された母合金を用い、本合金の液相線温度＋３０～５０℃の範囲の温度域で母合金を作製する。例えば、４３０～４５０℃程度の温度域で母合金を溶解して本合金を製造する。

母合金が十分に溶解された後、従来のように空冷により冷却すると、粗大で高融点の金属間化合物が生成されてしまう。そこで、母合金を作製した時と同様の条件で冷却する。この条件で作製した本合金は、１．粗大な金属間化合物の生成を回避、２．均一な合金組成、３．作製後の酸化物量（ドロス量）の削減による環境負荷の低減、という種々の利点がある。

特に、本条件での本合金の作製は、本発明に係るはんだ合金のＣｕ含有量が２％超え３％未満の範囲で有効である。Ｃｕ含有量が２％以下であると、Ｃｕ食われ効果が低減する。また、Ｃｕ含有量が３％以上であると液相線温度が上昇し、はんだ付け性の悪化、ブリッジ、つららの発生の原因になるため、現実的ではない。

４．はんだ継手の形成方法
本発明に係るはんだ合金を用いた接合方法は、例えばフロー法を用いて常法に従って行えばよい。加熱温度は電子部品の耐熱性やはんだ合金の液相線温度に応じて適宜調整してもよい。また、本発明に係るはんだ合金を用いて接合する場合には、凝固時の冷却速度を考慮した方がさらに組織を微細にすることができる。例えば２～３℃／ｓ以上の冷却速度ではんだ継手を冷却する。この他の接合条件は、はんだ合金の合金組成に応じて適宜調整することができる。

表１に示す合金組成からなるはんだ合金を以下のように調製した。
まず、各構成元素の地金から、Ｓｎ－Ｃｕ、Ｓｎ－Ｎｉ、Ｓｎ－Ｇｅを母合金として各々製造した。各母合金を製造する際、チラーなどを用いて冷却水を循環させることにより、２００～４００℃の冷却速度が５０℃／ｓｅｃになるように制御した。このようにして製造した母合金から、表１に記載の含有量になるように母合金を秤量し、母合金と同様に、チラーなどを用いて冷却水を循環させることにより、２００～４００℃の冷却速度が５０℃／ｓｅｃになるように制御して本合金を作製した。比較例で用いたＰ、およびＣｏも、上述と同様に母合金を作製し、母合金から表１に示す含有量になるように本合金を得た。Ｇａに関しては単独で添加して本合金を得た。

このように調製して得られた本合金（はんだ合金）について、液相線温度および固相線温度から得られるΔＴ、ブリッジ・つらら、引張強度、ドロス量、およびＣｕ食われを評価した。各々の評価方法と評価基準は以下の通りである。

・ΔＴ
ΔＴを求めるため、ＪＩＳ Ｚ ３１９８－１に準じて液相線温度および固相線温度をＤＳＣにより測定した。液相線温度から固相線温度を引いて得られるΔＴが１１０℃未満の場合には「◎」であり、１１０℃以上１２０℃以下には「〇」と評価し、１２０℃超え１３０℃以下には「△」と評価し、１３０℃を超えた場合には「×」と評価した。ΔＴの評価が「〇」および「◎」の場合には実用上問題にならない。

・ブリッジ、つらら
まず、端子の幅が０．５ｍｍであり、端子間隔が０．８ｍｍの４端子Ｓｎめっき抵抗を１２個用意し、その端子をガラスエポキシプリント基板（ＣＥＭ－３）のスルーホールに挿入し、上述のように製造した本合金をはんだ槽に導入してフローソルダリングを行った。フローソルダリングには、株式会社マルコム製フローシュミレーターＦＳ－１を用い、下記試験条件でフローソルダリングを行った。

試験条件
はんだ槽：株式会社マルコム製フローシュミレーターＦＳ－１
はんだ量：１５ｋｇ
フラックス：千住金属工業株式会社製フラックス（品名：ＥＳ－１０６１ＳＰ２）
はんだ槽内のはんだ温度：２５５℃

ブリッジが発生したかどうかを目視にて評価した。また、フィレットにつららが発生したかどうかを目視にて確認した。ブリッジまたはつららを確認することができなかった場合には「◎」と評価し、ブリッジまたはつららが発生した抵抗の数が１～２個である場合には「〇」と評価し、ブリッジまたはつららが発生した抵抗の数が３～４個である場合には「△」と評価し、ブリッジまたはつららが発生した抵抗の数が５個以上である場合には「×」と評価した。ブリッジまたはつららの評価が「〇」および「◎」の場合には実用上問題にならない。

・引張強度
引張強度はＪＩＳＺ３１９８－２に準じて測定された。上述のように作製した表１に記載の各はんだ合金である本合金を金型に鋳込み、ゲージ長が３０ｍｍ、直径８ｍｍの試験片が作製された。作製された試験片は、Ｉｎｓｔｒｏｎ社製のＴｙｐｅ５９６６により、室温で、６ｍｍ／ｍｉｎのストロークで引っ張られ、試験片が破断したときの強度が計測された。引張強度が３８Ｐａ以上の場合には「◎」と評価し、３３ＭＰａ以上３８ＭＰａ未満の場合には「〇」と評価し、３３ＭＰａ未満の場合には「×」と評価した。引張強度の評価が「〇」および「◎」の場合には実用上問題にならない。

・ドロス重量
図１は、ドロス重量を測定するためのドロス発生装置１の概略図である。ヒータ１１で加熱可能であり容積が１５０ｃｃのはんだ槽１２に、上述のように作製した表１に示すはんだ合金である本合金を１０００ｇ導入した。はんだ槽１２に導入したはんだ合金の温度が温度センサ１４で４００℃となるように、はんだ合金を加熱・溶融してはんだ浴１３とした。その後、ガス導入管１５より、大気を１５０ｃｃ／ｍｉｎの条件で１０分間はんだ浴１３中に吹き込んだ。吹込み終了後、はんだ浴１３の表面に形成されたドロスを採取し、その重量を測定した。ドロス重量が２５ｇ以下を「◎」と評価し、２５ｇ超え３０ｇ以下を「〇」と評価し、３０ｇ超え３５ｇ以下を「△」と評価し、３５ｇを超えた場合には「×」と評価した。ドロス重量の評価が「〇」および「◎」の場合には実用上問題にならない。

・Ｃｕ食われ
容量１５ｋｇの小型噴流はんだ槽中に、上述のように作製した表１に記載のはんだ合金である本合金を投入し、２６０℃の溶融状態にする。そして噴流はんだ槽の噴流口からの噴流高さが５ｍｍになるように調整する。本実施例で使用する試験試料は、銅配線の厚さが３５μｍのＦＲ－４ガラスエポキシ基板を適宜な大きさに裁断したものである。

試験方法は、試験試料の銅配線面にプリフラックスを塗布し、約６０秒間予備加熱して基板温度を約１２０℃にする。その後、該試験試料を噴流はんだ槽の噴流口から２ｍｍ上部に置いて、噴流している溶融はんだ中に３秒間浸漬する。この工程を繰り返し行い、試験試料の銅配線のサイズが半減するまでの浸漬回数を測定する。浸漬回数が７回以上で半減しなかったものを「◎」と評価し、５～６回で半減しなかったものを「〇」と評価し、３～４回で半減しなかったものを「△」と評価し、２回以下で半減したものを「×」とした。浸漬回数の評価が「〇」および「◎」の場合には実用上問題にならない。
評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１～１６は各構成元素の含有量がいずれも適正であるため、ΔＴが適正であり、ブリッジやつららがほとんど発生せず、はんだ合金の強度が高く、ドロスおよびＣｕ食われが低減された。特に、（１）式および（２）式を満たす実施例１～５、８～１１、１５、および１６は、すべての評価項目において特に優れた結果を示すことが確認された。

一方、比較例１は、Ｃｕの含有量が少なすぎるため、引張強度が低く、ドロス量が多く、Ｃｕ食われが発生した。比較例２および比較例３は、Ｃｕの含有量がかなり少ないため、引張強度が低く、Ｃｕ食われが発生した。比較例４は、Ｃｕの含有量が少ないため、Ｃｕ食われが発生した。
比較例５および比較例１４は、Ｃｕ含有量が多いため、ΔＴが大きくブリッジやつららが発生した。

比較例６は、Ｎｉの含有量が少ないため、Ｃｕ食われが発生した。比較例７および比較例１０は、Ｎｉの含有量が多いため、ΔＴが大きくブリッジやつららが発生した。
比較例８は、Ｇｅの含有量が少ないため、ブリッジやつららが発生し、ドロス量も多かった。比較例９は、Ｇｅの含有量が多いため、ΔＴが大きくブリッジやつららが発生した。
比較例１１は、Ｇａを含有するため、ブリッジやつららが発生し、ドロス量も多かった。
比較例１２および比較例１３は、Ｐを含有するため、ΔＴが大きくブリッジやつららが発生した。
比較例１５および比較例１６は、Ｃｏを含有するため、ΔＴが大きくブリッジやつららが発生した。

１ ドロス発生装置

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃｕ：２．０％超え３．０％未満、Ｎｉ：０．０１０％以上０．３０％未満、Ｇｅ：０．００１０～０．２０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有し、前記合金組成は、下記（１）式および（２）式を満たすはんだ合金。
   ２．４００％≦Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｇｅ≦３．１９０％ （１）
   ０．３３≦Ｇｅ／Ｎｉ≦１．０４ （２）
   前記（１）式および（２）式中、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは、各々前記合金組成の含有量（質量％）を表す。
2. 質量％で、Ｃｕ：２．５％超え３．０％未満である、請求項１に記載のはんだ合金。
3. 質量％で、Ｃｕ：２．５％超え３．０％未満、Ｎｉ：０．０１０％以上０．３０％未満、Ｇｅ：０．００１０～０．２０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有するはんだ合金。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
   

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