JPH0550286A - 高温はんだ - Google Patents
高温はんだInfo
- Publication number
- JPH0550286A JPH0550286A JP16715891A JP16715891A JPH0550286A JP H0550286 A JPH0550286 A JP H0550286A JP 16715891 A JP16715891 A JP 16715891A JP 16715891 A JP16715891 A JP 16715891A JP H0550286 A JPH0550286 A JP H0550286A
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- Japan
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- solder
- temperature
- high temperature
- fatigue resistance
- thermal fatigue
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 人工衛星、自動車等に搭載する電子機器用高
温はんだとして、融点210 〜230 ℃、150 ℃での強度１
〜２kgf/mm2 である高温特性と、−55℃〜125 ℃×1000
サイクル以上である耐熱疲労特性にも優れた高温はんだ
を提供する。 【構成】 Ag 3.0％超 5.0重量％以下、Cu 0.5〜３.0重
量％、さらに必要により、Sb 5％以下、および残部Snの
組成を有する合金から構成し、クリームはんだとしても
よい。
温はんだとして、融点210 〜230 ℃、150 ℃での強度１
〜２kgf/mm2 である高温特性と、−55℃〜125 ℃×1000
サイクル以上である耐熱疲労特性にも優れた高温はんだ
を提供する。 【構成】 Ag 3.0％超 5.0重量％以下、Cu 0.5〜３.0重
量％、さらに必要により、Sb 5％以下、および残部Snの
組成を有する合金から構成し、クリームはんだとしても
よい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温はんだに関する。
さらに詳述すれば、本発明は、特に耐熱疲労特性に優れ
たSn主成分の高温はんだに関する。
さらに詳述すれば、本発明は、特に耐熱疲労特性に優れ
たSn主成分の高温はんだに関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器の飛躍的発展に伴って各種接合
技術、とりわけはんだ接合技術においても多くの技術革
新が急速になされ、はんだ材料としても特定用途毎の高
度の使い分けが行われるようになってきた。例えば、細
線化あるいは細粒化に適する材料とか、高強度を有する
材料とか、さらには高い耐食性を特定環境下で発揮する
材料とか、その都度要求される高度な仕様に応じて材料
開発がなされてきた。特に、今日の電子機器は大型化し
てきており、はんだ付けに対する信頼性への要求は特に
厳しく、そのために材料開発にも高度の技術が求められ
るようになってきている。
技術、とりわけはんだ接合技術においても多くの技術革
新が急速になされ、はんだ材料としても特定用途毎の高
度の使い分けが行われるようになってきた。例えば、細
線化あるいは細粒化に適する材料とか、高強度を有する
材料とか、さらには高い耐食性を特定環境下で発揮する
材料とか、その都度要求される高度な仕様に応じて材料
開発がなされてきた。特に、今日の電子機器は大型化し
てきており、はんだ付けに対する信頼性への要求は特に
厳しく、そのために材料開発にも高度の技術が求められ
るようになってきている。
【０００３】高密度実装を必要とする電子機器は、宇宙
環境 (通信衛星、気象衛星、軍事衛星等の人工衛星) や
自動車環境等の環境条件のように厳しい雰囲気で、か
つ、故障発生が重大な事故につながる電子機器でも必要
となってきている。特にプリント基板と電子部品とのは
んだ付け部が一箇所でも剥離してしまうと、導通がなく
なって電子機器の機能が全く果たせなくなるという重大
な事故につながる。従って、これらの電子機器では、は
んだ付け部が剥離しにくいようなはんだを用いなければ
ならず、そのためはんだ付けにも高度の信頼性が求めら
れる。
環境 (通信衛星、気象衛星、軍事衛星等の人工衛星) や
自動車環境等の環境条件のように厳しい雰囲気で、か
つ、故障発生が重大な事故につながる電子機器でも必要
となってきている。特にプリント基板と電子部品とのは
んだ付け部が一箇所でも剥離してしまうと、導通がなく
なって電子機器の機能が全く果たせなくなるという重大
な事故につながる。従って、これらの電子機器では、は
んだ付け部が剥離しにくいようなはんだを用いなければ
ならず、そのためはんだ付けにも高度の信頼性が求めら
れる。
【０００４】ところで、人工衛星が飛ぶ宇宙空間では熱
媒体である空気が存在しないため、人工衛星は太陽の光
が直接当たる時には例えば 150℃というように、大変高
温となり、一方、太陽の光が地球に遮られて当たらない
時には例えば−40℃の低温となる。しかもこれは衛星の
自転毎に繰り返される。このように、人工衛星はその自
転により高温と低温の環境に曝されるという熱疲労を受
けるため、人工衛星に搭載する電子機器には、耐熱疲労
特性に優れたはんだを用いなければならない。なぜなら
ば、はんだ付け部分が熱疲労を受けると、はんだ自身ば
かりでなく、はんだ付けした電子部品のリードやプリン
ト基板等が熱膨張と熱収縮を繰り返して起こし、熱疲労
に弱いはんだでは、はんだ自体にクラックが発生して、
はんだ付け部が剥離してしまうからである。また、人工
衛星が高温に曝されている時に、はんだ付け部が安定し
た状態を保つように、人工衛星の電子機器に用いるはん
だは、例えば 150℃というような高温でも溶融せず、し
かも接着強度が強いという高温特性をも備え持った高温
はんだでなければならない。
媒体である空気が存在しないため、人工衛星は太陽の光
が直接当たる時には例えば 150℃というように、大変高
温となり、一方、太陽の光が地球に遮られて当たらない
時には例えば−40℃の低温となる。しかもこれは衛星の
自転毎に繰り返される。このように、人工衛星はその自
転により高温と低温の環境に曝されるという熱疲労を受
けるため、人工衛星に搭載する電子機器には、耐熱疲労
特性に優れたはんだを用いなければならない。なぜなら
ば、はんだ付け部分が熱疲労を受けると、はんだ自身ば
かりでなく、はんだ付けした電子部品のリードやプリン
ト基板等が熱膨張と熱収縮を繰り返して起こし、熱疲労
に弱いはんだでは、はんだ自体にクラックが発生して、
はんだ付け部が剥離してしまうからである。また、人工
衛星が高温に曝されている時に、はんだ付け部が安定し
た状態を保つように、人工衛星の電子機器に用いるはん
だは、例えば 150℃というような高温でも溶融せず、し
かも接着強度が強いという高温特性をも備え持った高温
はんだでなければならない。
【０００５】ここに、高温はんだとは、固相線温度がPb
−Snの共晶温度(183℃) 以上で、液相線温度が450 ℃以
下のものをいい、一般には、Sn、Pb、Cd等を主成分と
し、これに少量のPb、Sn、In、Ag、Sb、Cu、Bi、Zn等の
金属を添加したものである。Pb主成分の高温はんだは、
耐熱疲労特性と高温特性に劣るため人工衛星等には到底
使用できないし、Cd主成分の高温はんだはCdが人体に対
して大変有害であることから使用できない。
−Snの共晶温度(183℃) 以上で、液相線温度が450 ℃以
下のものをいい、一般には、Sn、Pb、Cd等を主成分と
し、これに少量のPb、Sn、In、Ag、Sb、Cu、Bi、Zn等の
金属を添加したものである。Pb主成分の高温はんだは、
耐熱疲労特性と高温特性に劣るため人工衛星等には到底
使用できないし、Cd主成分の高温はんだはCdが人体に対
して大変有害であることから使用できない。
【０００６】Sn主成分の高温はんだは、Pb主成分のもの
よりも高温特性に優れ、またCd主成分の高温はんだのよ
うな公害問題もないため、人工衛星等の電子機器用とし
ては適したものである。従来よりSn主成分の高温はんだ
は多数提案されていた (参照: 特開昭49−38858 号、同
51−54056 号、同63−13689 号) 。ここで、特開昭49−
38858 号公報には、継手の接合用としてAg−Sb−Cu−Bi
−Sn系高温はんだが開示されている。これはもっぱら従
来のCd−Zn系の高温はんだの代替物として開発され、高
温強度が問題とされている。しかし、Bi＝0.1 ％の場合
が比較例として示され、はんだ自体の引張り強さが小さ
いとしていることからも分かるように 0.5〜2.0 ％のBi
の添加は必須であると考えられている。
よりも高温特性に優れ、またCd主成分の高温はんだのよ
うな公害問題もないため、人工衛星等の電子機器用とし
ては適したものである。従来よりSn主成分の高温はんだ
は多数提案されていた (参照: 特開昭49−38858 号、同
51−54056 号、同63−13689 号) 。ここで、特開昭49−
38858 号公報には、継手の接合用としてAg−Sb−Cu−Bi
−Sn系高温はんだが開示されている。これはもっぱら従
来のCd−Zn系の高温はんだの代替物として開発され、高
温強度が問題とされている。しかし、Bi＝0.1 ％の場合
が比較例として示され、はんだ自体の引張り強さが小さ
いとしていることからも分かるように 0.5〜2.0 ％のBi
の添加は必須であると考えられている。
【０００７】特開昭51−54056 号には電子機器用のはん
だ合金としてPb−Sn系はんだ合金にCuおよびAgを配合す
る例が開示されているが、Cu、Agのこの同時添加もいわ
ゆる食われ防止のためである。特開昭63−13689 号公報
には、Sn:93 〜99％、Cu:0.7〜6 ％、Ag:0.05 〜3 ％の
低毒性耐腐食性はんだ組成物が開示されているが、これ
はもっぱら鉛管接合用であって低毒性耐腐食性が問題と
なり、特に上記公開公報に開示されているのはコスト低
減のためにSn:95 ％、Ag: ５％の組成のはんだに相当す
るより安価なはんだを提供するというのである。
だ合金としてPb−Sn系はんだ合金にCuおよびAgを配合す
る例が開示されているが、Cu、Agのこの同時添加もいわ
ゆる食われ防止のためである。特開昭63−13689 号公報
には、Sn:93 〜99％、Cu:0.7〜6 ％、Ag:0.05 〜3 ％の
低毒性耐腐食性はんだ組成物が開示されているが、これ
はもっぱら鉛管接合用であって低毒性耐腐食性が問題と
なり、特に上記公開公報に開示されているのはコスト低
減のためにSn:95 ％、Ag: ５％の組成のはんだに相当す
るより安価なはんだを提供するというのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のSnまたはPb主成
分の高温はんだは、一般的な高温はんだの必要条件であ
る高温で溶融しにくいことと、耐高温強度だけが要求さ
れ、耐熱疲労特性については何ら考慮されることはなか
った。現在高温はんだとして最も使用されているものは
ほとんどPbベースであり、例えばPb-8Sn-2Ag、Pb-5Sn-
2.5Ag、Pb-5In-2.5Ag等である。しかし、これらは液相
温度がいずれも300 ℃を超えているため、はんだ付け温
度上限が 230〜240 ℃である今日のプリント配線板での
はんだ付け仕様を満足せず、実装用としてはほとんど使
われていない状況である。実際、これまで高温はんだと
して広く使用されてきたこれらPb系高温はんだについて
試験した結果からも耐熱疲労特性を備えていないことが
判明した。従って、従来のSnまたはPb主成分の高温はん
だは、熱疲労を受ける人工衛星等の電子機器には使用で
きるものではなかった。
分の高温はんだは、一般的な高温はんだの必要条件であ
る高温で溶融しにくいことと、耐高温強度だけが要求さ
れ、耐熱疲労特性については何ら考慮されることはなか
った。現在高温はんだとして最も使用されているものは
ほとんどPbベースであり、例えばPb-8Sn-2Ag、Pb-5Sn-
2.5Ag、Pb-5In-2.5Ag等である。しかし、これらは液相
温度がいずれも300 ℃を超えているため、はんだ付け温
度上限が 230〜240 ℃である今日のプリント配線板での
はんだ付け仕様を満足せず、実装用としてはほとんど使
われていない状況である。実際、これまで高温はんだと
して広く使用されてきたこれらPb系高温はんだについて
試験した結果からも耐熱疲労特性を備えていないことが
判明した。従って、従来のSnまたはPb主成分の高温はん
だは、熱疲労を受ける人工衛星等の電子機器には使用で
きるものではなかった。
【０００９】現在の仕様の例としては、耐熱疲労特性と
して、−55℃〜125 ℃、1000サイクル以上の特性を満足
すること、そして高温特性としては融点 210〜230 ℃、
150℃での強度１〜２kgf/mm2 を満足することがそれぞ
れ求められている。ここに、本発明の一般的な目的は、
高温特性に優れているばかりでなく、耐熱疲労特性にも
優れた高温はんだを提供することにある。本発明のより
具体的な目的は、人工衛星、自動車等に搭載する電子機
器用に要求される高温特性を有し、−55℃〜125 ℃×10
00サイクルの条件にも耐えるすぐれた耐熱疲労特性にも
優れた高温はんだを提供することにある。
して、−55℃〜125 ℃、1000サイクル以上の特性を満足
すること、そして高温特性としては融点 210〜230 ℃、
150℃での強度１〜２kgf/mm2 を満足することがそれぞ
れ求められている。ここに、本発明の一般的な目的は、
高温特性に優れているばかりでなく、耐熱疲労特性にも
優れた高温はんだを提供することにある。本発明のより
具体的な目的は、人工衛星、自動車等に搭載する電子機
器用に要求される高温特性を有し、−55℃〜125 ℃×10
00サイクルの条件にも耐えるすぐれた耐熱疲労特性にも
優れた高温はんだを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者らがSn主成分の
高温はんだに関し、高温特性と耐熱疲労特性を改善する
ことについて鋭意研究を重ねた結果、Snに少量のAgとCu
だけを添加すると、上記特性改善に優れた効果のあるこ
とを見い出し本発明を完成させた。本発明は、Ag 3.0％
超５重量％以下、Cu 0.5〜３重量％、および残部Snの組
成を有する合金から成る、耐熱疲労特性に優れたはんだ
付け部を形成する高温はんだである。
高温はんだに関し、高温特性と耐熱疲労特性を改善する
ことについて鋭意研究を重ねた結果、Snに少量のAgとCu
だけを添加すると、上記特性改善に優れた効果のあるこ
とを見い出し本発明を完成させた。本発明は、Ag 3.0％
超５重量％以下、Cu 0.5〜３重量％、および残部Snの組
成を有する合金から成る、耐熱疲労特性に優れたはんだ
付け部を形成する高温はんだである。
【００１１】
【作用】次に、本発明においてはんだ合金の組成を上述
のように限定した理由について詳述する。Agは耐熱疲労
特性改善に著しく効果があるが、その添加量が3.0 重量
％以下であると耐熱疲労特性を改善する効果が十分でな
く、一方Agの添加量が５重量％を超えると液相線温度が
高くなるため、はんだ付けも高い温度で行わなければな
らず、電子部品やプリント基板を熱損傷させてしまう。
より好ましくは4.0 〜5.0重量％である。
のように限定した理由について詳述する。Agは耐熱疲労
特性改善に著しく効果があるが、その添加量が3.0 重量
％以下であると耐熱疲労特性を改善する効果が十分でな
く、一方Agの添加量が５重量％を超えると液相線温度が
高くなるため、はんだ付けも高い温度で行わなければな
らず、電子部品やプリント基板を熱損傷させてしまう。
より好ましくは4.0 〜5.0重量％である。
【００１２】Agが少量添加されたSn主成分の高温はんだ
に少量のCuを添加すると、Agとの相乗作用により、高温
特性と耐熱疲労特性とがさらに改善される。Cuは0.5 重
量％より少ない添加では、その効果が現われず、一方３
重量％を超えて添加すると液相線温度が急激に上昇し、
Agの大量添加と同様、はんだ付け温度を高くして電子部
品やプリント基板に熱損傷を与えることになるばかりで
なく、Sn−Cuの金属間化合物が多量に発生してマトリッ
クスが砂状となり、かえって耐熱疲労特性を悪くしてし
まう。好ましくは、Cu配合量は1.0 〜2.0 ％である。本
発明の別の態様によれば、耐熱疲労性の改善を目的にSb
を５％以下配合してもよい。
に少量のCuを添加すると、Agとの相乗作用により、高温
特性と耐熱疲労特性とがさらに改善される。Cuは0.5 重
量％より少ない添加では、その効果が現われず、一方３
重量％を超えて添加すると液相線温度が急激に上昇し、
Agの大量添加と同様、はんだ付け温度を高くして電子部
品やプリント基板に熱損傷を与えることになるばかりで
なく、Sn−Cuの金属間化合物が多量に発生してマトリッ
クスが砂状となり、かえって耐熱疲労特性を悪くしてし
まう。好ましくは、Cu配合量は1.0 〜2.0 ％である。本
発明の別の態様によれば、耐熱疲労性の改善を目的にSb
を５％以下配合してもよい。
【００１３】本発明では、Sn主成分に少量のAgとCu、さ
らに必要により少量のSbを添加しただけで高温特性と耐
熱疲労特性が顕著に改善できるものであり、他の金属が
添加されると、これらの特性を劣化させてしまうため、
他の金属は不純物として混入されるもの以外は添加され
ないようにする。本発明の一つの態様において、上述の
組成を有するはんだ合金は、例えば平均粒径10〜75μ程
度にまで分級してから、液状フラックスを配合、混練し
てクリームはんだとする。
らに必要により少量のSbを添加しただけで高温特性と耐
熱疲労特性が顕著に改善できるものであり、他の金属が
添加されると、これらの特性を劣化させてしまうため、
他の金属は不純物として混入されるもの以外は添加され
ないようにする。本発明の一つの態様において、上述の
組成を有するはんだ合金は、例えば平均粒径10〜75μ程
度にまで分級してから、液状フラックスを配合、混練し
てクリームはんだとする。
【００１４】本発明の上記態様の場合、液状フラックス
としては特に制限されないが、好ましくは、RMA フラッ
クスまたは無残渣フラックスを用いる。なお、RMA フラ
ックスとしては塩素量が0.05重量％以下のものが例示さ
れ、また無残渣フラックスとしては松脂や活性剤等の固
形成分が30重量％以下のものが例示される。次に、実施
例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明す
る。
としては特に制限されないが、好ましくは、RMA フラッ
クスまたは無残渣フラックスを用いる。なお、RMA フラ
ックスとしては塩素量が0.05重量％以下のものが例示さ
れ、また無残渣フラックスとしては松脂や活性剤等の固
形成分が30重量％以下のものが例示される。次に、実施
例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明す
る。
【００１５】
【実施例】表１にそれぞれ合金組成を示す各高温はんだ
を調製し、平均粒径10〜75μm に分級してから、RMA フ
ラックスとともに混練してはんだペーストとした。この
ようにして用意された各供試はんだペーストについて、
固相線温度、液相線温度、耐熱疲労特性、および高温接
着強度試験を行った。試験結果は、実施例および比較例
のはんだ合金の組成とともに表１にまとめて示す。
を調製し、平均粒径10〜75μm に分級してから、RMA フ
ラックスとともに混練してはんだペーストとした。この
ようにして用意された各供試はんだペーストについて、
固相線温度、液相線温度、耐熱疲労特性、および高温接
着強度試験を行った。試験結果は、実施例および比較例
のはんだ合金の組成とともに表１にまとめて示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】S.P : 固相線温度 (℃) L.P : 液相線温度 (℃) H.C (耐熱疲労特性、サイクル): 粉末状にした高温は
んだ合金と液状フラックスから成るクリームはんだをプ
リント基板に塗布し、その上に各種電子部品を載置して
からリフロー炉でプリント基板と電子部品のはんだ付け
を行った。このようにしてはんだ付けされたプリント基
板を−55℃と＋125 ℃の環境の中に繰り返し30分間づつ
置くという熱衝撃試験を行った。
んだ合金と液状フラックスから成るクリームはんだをプ
リント基板に塗布し、その上に各種電子部品を載置して
からリフロー炉でプリント基板と電子部品のはんだ付け
を行った。このようにしてはんだ付けされたプリント基
板を−55℃と＋125 ℃の環境の中に繰り返し30分間づつ
置くという熱衝撃試験を行った。
【００１８】H.S (高温接着強度、kgf/mm2): 厚さ１m
m、幅10mmの２枚の銅板をクリアランスが0.05mm、接着
面積が３×10(mm)となるようにして高温はんだで接着
し、それを200 ℃の高温環境下で引張って接着強度を測
定した。 比較例１ : 特開昭49−38858 号 比較例２ : 特開昭51−54056 号 比較例３ : 特開昭63−13689 号
m、幅10mmの２枚の銅板をクリアランスが0.05mm、接着
面積が３×10(mm)となるようにして高温はんだで接着
し、それを200 ℃の高温環境下で引張って接着強度を測
定した。 比較例１ : 特開昭49−38858 号 比較例２ : 特開昭51−54056 号 比較例３ : 特開昭63−13689 号
【００１９】
【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明の高温はんだは、高温特性に優れているばか
りでなく、耐熱疲労特性に優れているため、修理不可能
な人工衛星の電子機器や重大な事故につながる自動車用
電子機器等のはんだ付けに用いても、電子機器が繰り返
し受ける熱疲労に対してクラックが発生することがな
く、また高温時にはんだ付け部の剥離が起こらないとい
う従来にない優れた効果を有している。
に、本発明の高温はんだは、高温特性に優れているばか
りでなく、耐熱疲労特性に優れているため、修理不可能
な人工衛星の電子機器や重大な事故につながる自動車用
電子機器等のはんだ付けに用いても、電子機器が繰り返
し受ける熱疲労に対してクラックが発生することがな
く、また高温時にはんだ付け部の剥離が起こらないとい
う従来にない優れた効果を有している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西浦 正孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 加藤 力弥 埼玉県草加市谷塚町405番地 千住金属工 業株式会社草加事業所内 (72)発明者 堀 隆志 大阪市淀川区西中島３丁目18番21号 千住 金属工業株式会社大阪営業所内
Claims (3)
- 【請求項１】 Ag 3.0％超5.0 重量％以下、Cu 0.5〜
３.0重量％、および残部Snの組成を有する合金から成
る、耐熱疲労特性に優れたはんだ付け部を形成する高温
はんだ。 - 【請求項２】さらに、Sb 5％以下を含有する請求項１記
載の高温はんだ。 - 【請求項３】請求項１または２記載の組成を有する合金
粒子と、フラックス成分とを配合して成る、耐熱疲労特
性に優れたはんだ付け部を形成するクリーム高温はん
だ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16715891A JP3027441B2 (ja) | 1991-07-08 | 1991-07-08 | 高温はんだ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16715891A JP3027441B2 (ja) | 1991-07-08 | 1991-07-08 | 高温はんだ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0550286A true JPH0550286A (ja) | 1993-03-02 |
| JP3027441B2 JP3027441B2 (ja) | 2000-04-04 |
Family
ID=15844499
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16715891A Expired - Lifetime JP3027441B2 (ja) | 1991-07-08 | 1991-07-08 | 高温はんだ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3027441B2 (ja) |
Cited By (42)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| EP0858859A1 (en) * | 1996-06-06 | 1998-08-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Solder for electronic part bonding electrodes, and soldering method |
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