JPH0332487A - はんだ材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、はんだ材に関するものであり、さらに詳しく
述べるならば、自動車用の電装品のように絶えず振動に
さらされ、疲労が起こり易い環境で使用される部品のは
んだ付け、特に電子部品を印刷基板に接合する用途に適
したはんだ材に関するものである。

（従来の技術） 一般に、はんだ材は５ｎ−Ｐｂ二元系を基本成分として
おり、またその性質を改善するため各種成分を添加する
ことが知られている。

特公昭４０−２５８８５号公報は、はんだ用電気鏝先の
銅がはんだに溶は込んで、はんだが損耗することを防止
するために、はんだ材に銅、銀、ニッケル等を添加する
ことを開示する。その損耗防止作用は銀、ニッケルによ
り銅をはんだ中に微細均一に分布させることにあると説
明されている。

特公昭４５−２０９３号公報は、アルミニウム合金との
ろう接部でのはんだの耐食性がＡｇまたはｓｂの添加に
より改善され、またはんだ材の流動性および作業性がＣ
ｄの添加により改善されることを開示する。

特に集積回路、印刷基板等に使用されるはんだ材の改良
を意図した従来技術には次のものがある。

特公昭５２−３０３７７号公報は、ろう接される銅細線
がはんだにより溶解され、溶損し、あるいは強度低下を
きたすことを防止するために、ＣｕとＡｇの同時添加を
開示する。Ｃｕにより被ろう接材料がはんだにより食わ
れることを抑制し、一方Ｃｕ添加によりはんだの融点が
上昇して被ろう接材料が溶解され易くなることをＡｇの
もつ融点低下作用により防止するところにＣｕとＡｇの
同時添加の作用があると説明されている。

特開昭５６−１４４８９３号公報は、セラミックコンデ
ンサーの銀リード線の銀がはんだに拡散してコンデンサ
ーの特性を悪くしたりあるいは銀面を剥離させる欠点を
解消するとともに、高速はんだ付けを可能にすることを
目的とし、Ｓｎ−３Ｓｎ−３ｂ−Ａ系はんだ材を提案す
る。

特開昭５９−７０４９０号公報は、半導体メモリにおけ
る部材接合に使用されているＡｕろう材に匹敵する特性
を有する安価なろう材としてＳｂ１〜１５％−Ｓｎ　（
Ｉｎ）１〜６５％−ｐｂ系およびＳｂ−Ａｇ−５ｎ　（
Ｉｎ）−Ｐｂ系成分を提案する。

特開昭６３−３１３６８９号公報はＰｂ６２〜７２％、
５ｎ２８〜３８％を基本組成とし、これにＣｕ０．０５
％〜１．０％、Ｓｂ０．０５〜１．０％、Ｉｎ０．０５
〜１．０％、ＣｄＯ，０５〜１．０％、Ｆｅｄ、０５％
〜１．Ｏ％の１種以上を添加し、リード端子間のブリッ
ジを防止することを特徴とするはんだ合金組成を提案す
る。

（発明が解決しようとする課題） 集積回路、印刷基板に搭載された電子部品のはんだ付け
に使用されるはんだ材の特性に関して、近年、リード線
を基板のランド部に接合した印刷基板のはんだ内部にク
ラックが発生して通電不良による動作ミスを起こす問題
が注目されている。この原因は、使用温度の周期的変化
により基板および実装部品に応力が発生し、それを接合
部材であるはんだが受は持つことになるため、はんだは
常に応力がかかった状態に置かれ、長期間の使用におい
ては疲労破壊に至るものと推察される。さらに、通電に
よるはんだ何部の温度上昇、電子部品の発熱などの熱影
響、さらには印刷基板が振動されることなどによる機械
的影響も長期間の使用中ばは疲労破壊を加速する原因で
あると考えられる。基本的組成からなる５ｎ−Ｐｂ二元
系はんだ材は上述のような長期間熱的および機械的応力
にさらされる環境に使用すると、耐疲労性の点で問題が
あることが明らかになった。ところが、従来、Ｐｂ−５
ｎ系二元系合金にＣｕやＮｉを添加すると耐疲労性が向
上すると言われているもののはんだがさらされる環境に
おいて耐疲労性を改良する観点からなされた研究は見ら
れない。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、はんだ材の耐疲労性改善の方法を鋭意研
究した結果、Ｉｎとｓｂの同時添加が有効であることを
見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、重量％で、Ｐｂ２０〜３５％未満
、Ｓｂ０．０５〜１重量％未満、ＩｎＯ，１〜５％およ
びＳｎ残部から実質的になる組成、およびこの組成にＡ
ｇ０．０５〜５重量％および／またはＣｕ０．０５〜２
重量％添加したはんだ材を提案する。

本゛発明において、Ｐｂ２０〜３５％未満、Ｓｎ残部の
組成範囲としたのは、この組成範囲においては５ｎ−Ｐ
ｂ二元系の共晶組成に近く、共晶組成範囲においては比
較的低温でのはんだ付が可能となるからである。また、
ｓｂとＩｎの下限をそれぞれ０．０５％と０．１％とし
たのは、これ未満では、詳しくは後述するｓｂとＩｎの
作用による耐疲労性の向上が図られないからである。

また、ｓｂとＩｎの含有量がそれぞれ１％以上となり、
また５％を越えると、耐疲労性が低下する傾向が現われ
るため、これらの含有量を上限とした。５ｎ−Ｐｂ−Ｓ
ｂ−Ｉｎ系で好ましい組成は、５ｎ−２８〜３４％、Ｐ
ｂ−０，５〜０．９％、５ｂ−０，５〜３％Ｉｎである
。上記５ｎ−Ｐｂ−Ｓｂ−Ｉｎ系組成に加えられるＡｇ
とＣｕはさらに耐疲労性を改善させる効果がある。その
含有量の上限をそれぞれ５％と２％としたのは、この含
有量を越えるとＡｇ−３ｎの大きな金属間化合物が生成
され、耐疲労性を低下させ、Ｃｕははんだ付性を低下さ
せるからである。また好ましい含有量はそれぞれ０．１
％以上である。

（作用） Ｓｎ−Ｐｂ二元系合金の添加元素の影響を本発明の実験
結果を基にさらに詳しく説明する。

ｓｂとＩｎの同時添加による強化（すなわち引張強さの
向上）がはんだの使用初期におけるすぐれた耐疲労性を
もたらす原因であると推察される。ｓｂとＩｎの添加に
より伸び低下の傾向が生じ、これは一般には耐疲労性を
劣化させるが、電子部品使用条件下のはんだの変形は弾
性限度以内でなされていると推定され、この場合は低い
伸びは欠点にならない、一方、Ｓ０．Ｉｎの添加量が多
く、大きな角ばった析出あるいは晶出物が生じると、こ
れらの角部が切欠となって疲労寿命を低減させると推察
される。またｓｂあるいはＩｎを単独添加する場合、比
較的多量に添加すれば本発明の複合添加の場合と同等の
引張強さを得ることは可能であるが、多量添加により析
出あるいは晶出物を発生し所望の耐疲労性を得ることは
できない、これに対して、ｓｂとＩｎを同時添加すると
比較的低含有量で所望の引張強さを得ることができるた
め、このことが耐疲労性の大幅な改善をもたらしている
と考えられる。この引張強さの改善は、ｓｂとＩｎがＳ
ｎマトリックスに優先的に固溶することによりはんだ材
の組織全体の強化に起因すると推察される。

ところで第１図は、後述の実施例、第１表のＮｏ、１０
の組成のはんだ材の６０００倍の電子顕微鏡写真を示す
０図中、中央部に見える薄色の不定形の粒子がＰｂ粒子
であり、これと同色の多数の小さい粒子もＰｂ粒子であ
る。これらのＰｂ粒子を分散させている暗色の相はＳｎ
相である。

Ｐｂ粒子やＳｎ粒子の中に多数の黒点状、小粒子は５ｂ
−Ｉｎ化合物粒子である＋＋Ｉｎとｓｂを同時に添加す
ると、Ｓｎマトリックスに強制的に固溶されていたＩｎ
やｓｂは熱応力がかかると、Ｉｎ−５ｂ化合物となり、
これが一部Ｓｎ、Ｐｂの結晶粒界に析出し、粒界の移動
を抑制する。この結果、長期使用中における結晶粒の粗
大化が防止される。

はんだの使用中にはんだに熱や応力がかかると、主とし
てＳｎ結晶粒が次第に粗大し、また使用初期には微細に
分散していた共晶Ｐｂ粒子が連続するようになる。この
ような結晶粒の粗大化に伴なってはんだの強度は低下し
、またｐｂの連続した相にクラックが発生し易くなる。

Ｐｂ粒子の連続化はＳｎ粒子の結晶粒界の移動に伴って
起こるので、Ｓｎ粒子の粗大化を防止することにより強
度低下とクラック発生を同時に防止することができる。

本発明においては第１図に示すような、５ｂ−Ｉｎ化合
物粒子が結晶粒の粗大化からクラック発生に至る一連の
プロセスの進行を妨げる。

また熱処理は静的機械的性質を向上するので耐疲労性を
改善し得るが、電子部品を実装した印刷基板のはんだの
みを熱処理の温度にさらすことは実際上は困難であり、
電子部品の熱影響が懸念されるため、熱処理により印刷
基板のはんだの耐疲労性を改善することは実用的ではな
い。

（実施例） 以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

疲労試験は、第２図に示すフェノール樹脂基板ｌと、そ
の−面に形成された銅箔よりなるランド部２を貫通する
リード線３とを、はんだ付けした試験片を用いて行なっ
た。試験方法は、リード線に疲労試験機で、繰返周波数
２０Ｈｚ　（片振り）、温度（８０℃、一定）の条件で
引張荷重をかけ、クラックが発生したときの繰返し数を
疲労寿命として求める方法で行なった。なお、クラック
は第３図に５で示すようにはんだ内に発生していた。

（以下余白） 第１表 表中、比較材２５は５ｎ−Ｐｂ基本形組成のはんだ材で
あり、比較材２６．２７．２８はｓｂのみを添加され、
５ｂ−Ｉｎの同時添加効果がないはんだ材である。これ
らの比較材よりも本発明の疲労寿命が長いことが明らか
である。

（発明の効果） 本発明によれば、はんだ材が例えば自動車に搭載される
印刷基板のようにマイナス数十℃からプラス百数十℃の
低温から高温までの過酷な条件で使用される場合におい
ても、従来のはんだ材のようにクラックが発生すること
なく、長期間安定して使用可能であり、はんだろう接部
の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るはんだ材の金に１ｆ子顕微鏡写真
、 第２図は耐疲労性試験に供した試験片の図面。 第３図は耐疲労性試験におけるクラック発生部を示す試
験片の図面である。 １一基板、２−ランド部、 ３−リード線、 ４−はんだ、 ５−クラック

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｐｂ２０〜３５重量％未満、Ｓｂ０．０５〜１重量
   ％未満、Ｉｎ０．１〜５重量％およびＳｎ残部から実質
   的になり、すぐれた耐疲労性を有することを特徴とする
   はんだ材。 ２、Ａｇ０．０５〜５重量％および／またはＣｕ０．０
   ５〜２重量％さらに含有することを特徴とする請求項１
   記載のはんだ材。