JP7357227B2 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金及びこれを用いて接合された接合部に関し、特に、例えばはんだ付けの際に用いるスポットはんだ槽等に用いられるノズルの腐食を抑制する効果を有する鉛フリーはんだ合金、及び当該はんだ合金で接合された接合部に関する。

地球環境負荷軽減のため、電子部品の接合材料としてＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金やＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金が広く普及している。しかし、それらの鉛フリーはんだ合金はＳｎ－Ｐｂ共晶はんだ合金と比較して、Ｓｎの含有量が多いため、ディップはんだ槽やスポットはんだ槽の腐食が問題となっている。このようなディップはんだ槽やスポットはんだ槽の腐食を防止するため、はんだ槽の表面にチタンやクロムをコーティングする技術が提案されている。また、はんだ合金では、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金において、「Ｆｅ」や「Ｃｏ」等の元素を含み得る鉛フリーはんだ合金が提案されている。

例えば、非特許文献１では、ステンレス製のはんだ槽の表面を薄い酸化クロム合金化合物でコートすることで、腐食に対し耐性を有することができる技術が開示されている。また、特許文献１では、はんだ槽の侵食防止方法として、溶融はんだに含有するヒ素を除去することにより、ステンレス製はんだ槽の侵食の原因であるヒ素とクロムの化合物が生成することを防止する技術が開示されている。

特許文献２には、Ｇａ０．００５～０．２質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金において、Ａｇを０．１～４質量％含有し得ること、Ｃｕおよび／またはＳｂを合計で３質量％以下含有し得ること、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＭｏからなる群から選ばれた１種または２種以上を合計で０．５質量％以下含有し得ること等が開示されている。そしてこのような構成により一般に濡れ性の乏しいＳｎ主成分の鉛フリーはんだにおいて、はんだ付け性を改善したはんだ合金を提供することができるとされている。

特開２００６－１５９２２５号公報 特開２００２－１８５８９号公報

Ｊｉｍ Ｍｏｒｒｉｓ ａｎｄ ＭａｔｔｈｅｗＪ．Ｏ’Ｋｅｅｆｅ."Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆＬｅａｄ Ｆｒｅｅ Ｗａｖｅ Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ"ＡＰＥＸ２００３ Ｂｅｓｔ Ｕ．Ｓ． ＰａｐｅｒＡｗｏｒｄ

ところで、近年、例えばスポットはんだ槽等に使用されているノズルに腐食が発生し、安定した溶融はんだの噴出が困難になり接合不良が発生するケースが増加している。しかし、非特許文献１並びに特許文献１及び２で開示されている技術には、スポットはんだ槽等に使用されているノズルの腐食防止に関する対応は全く開示されておらず、ノズルの腐食に関する課題が残されている。

そこで、本発明は、例えばスポットはんだ槽等のノズルの腐食を抑制することができる鉛フリーはんだ合金及び当該はんだ合金で接合された接合部を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、ノズルの耐腐食性に優れた鉛フリーはんだ合金組成に着目して鋭意検討を重ねた結果、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＧａを特定量含有させた鉛フリーはんだ合金を用いることにより、スポットはんだ槽等に用いられているノズルの食われ等の腐食が抑制されることを見出した。

即ち、本発明の第一は、Ａｇを０．３～４．０質量％、Ｃｕを０．１～２．０質量％、Ｆｅを０．００５～０．０５質量％、Ｎｉを０．０１～０．５質量％、Ｇａを０．００１～０．１質量％含み、残部がＳｎである、鉛フリーはんだ合金に関する。ここで、当該鉛フリーはんだ合金は、不可避不純物を含み得る。

本発明の実施形態では、スポットはんだ付け装置のノズルの腐食防止用であってよい。

本発明の実施形態では、さらに、Ｇｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｍｎから選択される少なくとも１種をそれぞれ０．００１～０．１質量％含んでもよい。

本発明の第二は、前述の鉛フリーはんだ合金で接合された接合部に関する。

本発明によれば、例えばスポットはんだ槽等に用いられているノズルの腐食を抑制することが可能な鉛フリーはんだ合金及び当該はんだ合金で接合された接合部を提供可能である。

試験例１に用いる冶具を模式的に示した斜視図である。 （ａ）は、試験例１に用いるノズルの側面を模式的に示した側面図である。（ｂ）は、図２（ａ）のＩ－Ｉ断面図である。 試験例１に於いて、浸漬するノズルの位置を示すための説明図。 試験例１において、ノズルをはんだ溶湯に浸漬させた状態を模式的に示した説明図である。 試験例１に於いて、ノズルの長さの経時変化を表した図である。 試験例１に於いて、ノズルの外径の経時変化を表した図である。

本発明の実施形態に係る鉛フリーはんだ合金は、Ａｇを０．３～４．０質量％、Ｃｕを０．１～２．０質量％、Ｆｅを０．００５～０．０５質量％、Ｎｉを０．０１～０．５質量％、Ｇａを０．００１～０．１質量％含み、残部がＳｎである。

一般にＦｅが鉄食われを防止する効果を有することは知られているが、濡れ性が低下することも知られている。例えばスポットはんだ槽等に用いられるノズルは、鉄又は鉄族の元素を主成分とする金属又は金属合金で形成されているのが一般的であるため、Ｓｎの含有量が多い鉛フリーはんだ合金の溶融物と接するとノズルが鉄食われを生じ腐食する。そこで、鉛フリーはんだ合金としてＦｅを添加することで鉄食われを抑制することができると考えられる。その一方、例えばスポットはんだ槽等に用いられるノズルには、はんだの噴流を一定に保つこと、言い換えると、はんだの噴流時の所謂「あばれ」を抑制することも必要である。はんだの噴流を一定に保つためにははんだの濡れ性を保持することが求められる。そのため、はんだ合金には、ノズルの食われ防止と共にノズルに対する濡れ性の確保も必要となる。また、スポットはんだ付けに対応するため、溶融はんだの流動性の確保やドロスの防止も必要となる。

そこで、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＧａを上記の配合率で含み、残部をＳｎとする（但し、不可避不純物は許容する）ことにより、各成分が相乗的に働くことで、（ｉ）ノズルの食われが少なく、（ii）はんだの濡れ性が保持されることによりはんだの噴流時のあばれが抑制されるため、良好なはんだ接合が可能で、（iii）溶融はんだの流動性が確保され、（iv）ドロスの防止が可能な鉛フリーはんだ合金の提供を可能とした。また、当該鉛フリーはんだ合金は、このような特性を有するため、特に、スポットはんだ付け装置で用いるはんだ合金として好適である。尚、（ｉ）～（iii）はＦｅ、Ｎｉが主に寄与し、（iv）はＧａが主に寄与していると考えられるが、各成分組成の相乗効果により、これらの作用効果がより良好に発揮されていると考えられる。

Ａｇの含有率は、０．３～４．０質量％であればよいが、２．５～３．５質量％が好ましい。

Ｃｕの含有率は、０．１～２．０質量％であればよいが、０．５～１．０質量％が好ましい。

Ｆｅの含有率は、０．００５～０．０５質量％であればよいが、０．００７～０．０１５質量％が好ましい。

Ｎｉの含有率は、０．０１～０．５質量％であればよいが、０．０３～０．１質量％が好ましい。

Ｇａの含有率は、０００１～０．１質量％であればよいが、０．００５～０．０１質量％が更に好ましい。

鉛フリーはんだ合金には、酸化防止剤として機能する、Ｇｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｍｎ等が含まれていてもよい。これらの元素は、１種でもよいし、２種以上含まれていてもよい。これらの元素の含有率は、鉄食われの防止及び濡れ性の確保と同時に、酸化防止剤として機能させる観から点、それぞれ０．００１～０．１質量％であるのが好ましい。酸化防止剤として機能する金属元素を含む場合は、Ｇｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｍｎから選択される少なくとも１種をそれぞれ０．００１～０．１質量％含むのが好ましい。

鉛フリーはんだ合金には、不可避不純物が含まれ得る。しかし、不可避不純物が含まれても、前述の効果を奏することができる。

以上のような鉛フリーはんだ合金は、（ｉ）例えばスポットはんだ槽等に用いられているノズルの腐食を抑制することが可能であることからノズルの交換頻度を減少させることができる。そのため、はんだ付け効率が良好で、コストの削減が可能である。（ii）接合特性が良好であるため、はんだ接合部の良好な接合信頼性を確保可能である。（iii）溶融はんだの流動性が良好でドロスの抑制が可能なため、はんだのキレが良好で、接合面と接触しやすく、所謂ブリッジや銅ランド等接合面の露出を抑制可能である。この点からも、はんだ接合部の良好な接合信頼性を確保可能である。（iv）ドロスの抑制が可能なため、接合部の外観品質の向上、コスト削減も可能である。

本発明の実施形態に係るはんだ接合部は、前述の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されたものである。より具体的には、はんだ接合部は、例えば、電子部品の電極端子と基板上の金属配線等の電極端子とが、前述のはんだ合金により接合されている。はんだ接合部は、前述のはんだ合金を用いて形成されているため、特に、スポットはんだ槽等に使用されるノズルを用いてスポットフローを行う場合に、接合特性が良好で、接合信頼性が良好である。また、ノズルの交換頻度を減少させることができるため、はんだ付け効率が良好で、コストの削減が可能である。

次に、実施例により本発明の実施形態について説明する。

（試験例１）
＜試験装置及びはんだ合金＞
以下の試験装置並びに条件にて実施した。
・試験装置：株式会社連取電気製作所製、ＴＤ－ＭＨＳ－II型はんだ付け装置
使用ノズル（鋳鉄製に錫メッキ処理）
・はんだ槽温度：３２０℃
・実施例１
はんだ合金組成：９６．４３５Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－０．０１Ｆｅ－０．０５Ｎｉ－０．００５Ｇａ
・比較例１
はんだ合金組成：９６．５Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ

＜試験方法＞
試験は、予め図２で示すノズルの長さと外径を測定した後、ＴＤ－ＭＨＳ－II型はんだ付け装置に図１に示すノズル固定冶具を用いて、図２の形状のノズルを図３で示す破線部４まで溶融はんだが浸漬するように固定し、前述の条件にて試験を開始した。その後、７日後、１４日後、２１日後にノズルの長さと外径を測定し、変化を算出した。

図１～４を参照し、詳述すると以下のとおりである。図２に示すようにノズル１は、固定部１ａと先端側に向かって先細りする円錐台状のノズル部１ｂとを備える。固定部１ａは、ノズル部１ｂの基端面から突設されている。ノズル１は、先端から基端に向かって直線状に延びて両端で連通する中空部１ｃを有する。図４に示すように、ノズル１は、固定冶具５の貫通孔６ａに固定部１ａを挿通させ、ナット７と螺合させ、固定冶具に固定される。即ち、ナット７とノズル部１ｂの基端面との間に、貫通孔６ａが設けられている平板状の固定場所６を挟み込むことで、ノズル１が固定冶具５に固定される。そして、固定冶具５を公知の把持具で把持しながら、ノズル１のノズル部１ｂの先端側から浸漬位置４（図３参照）まではんだ溶湯８に浸漬させる。浸漬位置４は、図３、４に示すように、ノズル部１ｂの基端、即ち、固定場所６のノズル１側の面から高さＬ２の位置がはんだ溶湯８の液面になるように設定する。測定対象としたノズルの長さは、ノズルの全長Ｌ３である。測定対象としたノズルの外径は、ノズル１の固定部１ａの基端からノズル１の長軸方向に沿った長さＬ１の位置における外径２とした。尚、ノズル１の試験開始時の全長Ｌ３は２９ｍｍで、Ｌ１は２２ｍｍ、Ｌ２は約５ｍｍとした。

結果を表１及び表２並びに図５及び図６に示す。

表１はノズルの長さの変化、表２はノズル外径の変化を示す。そして、表１及び表２をグラフに示したものが図５及び図６である。図５及び図６は、試験を始める前のノズルの長さ及び外径を１００として浸漬日数毎に長さや外径を測定した数値が変化したかを百分率で示し、数値が低い方が腐食が進んでいると判断できる。このグラフより、本発明の実施例１の鉛フリーはんだ合金は、比較例１の鉛フリーはんだ合金に比べ、ノズルの長さ並びに外径の変化も少なく、特に外径に関しては７日以降に於いて殆ど減少していないことがわかる。つまり、この結果は本発明の鉛フリーはんだ合金を用いた場合、ノズルの腐食が抑制されることを明確に示している。

また、上記試験の２１日後の溶融はんだの状態を確認したところ、実施例１の鉛フリーはんだ合金は変色が無く、ドロスもほとんど見られなかったが、比較例１の鉛フリーはんだは溶融はんだの表面が黄変し、ドロスも実施例１に比べその量が多いことを確認した。また、試験後のノズルには、溶融はんだとの接触部分にノズル表面の露出がないことを目視により確認した。さらに、実施例１のはんだ合金を用いて実装したところ、はんだの外観に所謂「ツノ」の発生がなく、溶融はんだの流動性が確保されていることを確認した。
このように実施例１の本発明の鉛フリーはんだ合金はノズルの腐食が少なく、濡れ性が確保されるため、はんだ接合も良好で信頼性の高いはんだ接合部の提供が可能なことに加え、はんだの変色やドロスの発生も少ないことから、スポットはんだ付け装置等に極めて適したはんだ合金といえる。

（試験例２）
ノズルに対応する薄片（純鉄製、幅１０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ２０μｍ）にフラックス（株式会社日本スペリア社製、ＮＳ－６５）を塗布した後、錫メッキした。錫メッキされた薄片を試験片として以下の試験に使用した。

表３に示す組成の鉛フリーはんだ合金（実施例２～９、比較例２～４）を準備し、この各鉛フリーはんだ合金約１ｋｇをはんだ槽内に投入し、３２０℃にて加熱して鉛フリーはんだ合金の溶湯を調製した。

試験片を、スクリュー式撹拌装置（ＨＥＩＤＯＮ製、ＢＬ６００）の棒状の回転体の先端に固定し、試験片の浸漬深さが４０ｍｍとなるように試験片を浸漬させた。この際、棒状の回転体の長さ方向の中心軸を回転軸として５０ｒｐｍで回転させた。また中心軸は、溶融はんだの液面に対して１０°傾斜させた。１２０分経過した後、試験片の浸漬部分の浸漬前後の面積の差分を、鉄の溶損量として鉄減少率を算出し、腐食（鉄食われ）度合いを評価した。試験片の浸漬部分の浸漬前後の面積の測定は、株式会社キーエンス製、デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００により行った。鉄減少率は、以下のように算出した。評価結果を表３に示す。評価基準は、鉄減少率が、５．０％未満を「〇」、５，０％以上１０．０％未満を「△」、１０．０％以上を「×」、とした。
鉄減少率（％）＝（浸漬前の面積－浸漬後の面積）／浸漬前の浸漬対象面積×１００

表３に示すように、鉄減少率が、実施例では何れも２．５％以下であるのに対して、比較例では６．４％以上であり、実施例では鉄食われを良好に抑制可能であることが分かる。

前述の鉛フリーはんだ合金は、例えばスポットはんだ付け装置等のノズルの腐食を抑制でき、しかも、はんだ付け特性が良く、はんだの変色やドロスの発生も抑制されることから、電子機器の接合に広く応用が期待できる。

１ 試験例１に用いたノズル
１ａ 固定部
１ｂ ノズル部
１ｃ 中空部
２ 試験例１に用いたノズルの測定対象の外径
３ 試験例１に用いたノズルの内径
４ 試験例１に用いたノズルのはんだ浸漬位置
５ 試験例１に用いたノズルの固定用冶具
６ 試験例１に用いたノズルの固定場所
６ａ 貫通孔
７ ナット
８ はんだ溶湯
Ｌ１ 測定対象である外径を測定したノズルの基端からの長さ
Ｌ２ ノズル部の基端、即ち、固定場所のノズル側の面からはんだ溶湯の液面までの高さ
Ｌ３ 測定対象であるノズルの全長

Claims (4)

1. Ａｇを２．０～４．０質量％、Ｃｕを０．１～２．０質量％、Ｆｅを０．００５～０．０５質量％、Ｎｉを０．０１～０．５質量％、Ｇａを０．００５～０．１質量％含み、残部がＳｎである、鉛フリーはんだ合金。
2. スポットはんだ付け装置のノズルの腐食防止用である請求項１の鉛フリーはんだ合金。
3. さらに、Ｇｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｍｎから選択される少なくとも１種をそれぞれ０．００１～０．１質量％含む請求項１又は２に記載の鉛フリーはんだ合金。
4. 請求項１～３の何れか一項に記載の鉛フリーはんだ合金で接合された、はんだ接合部。
   
   
   
   
   

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