JPH05508113A - 酸化物層形成金属および合金用のハンダ - 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】 酸化物層形成金属および合金用のハンダ発明の背景 １、発明の分野 本発明は、酸化物層形成金属および合金用のノ１ンダに関する。特に、本発明は アルミニウムおよびアルミニウム合金間に高強度で導電性の金属的結合（ｍｅｔ ａｌｌｕｒｇｉｃｘｌｂｏｎｄ）を形成する低温ハンダに関する。合衆国政府は 、この出願において、米国エネルギー省とウェスティングハウスｅサバナ拳リバ ー・カンパニー（Ｗｅ＋＋ｉｎｇｈｏｕｓｅ　５ａｙｔｏａｈ　Ｒｉｖｅ「Ｃｏ ｍｐａＢ）との契約（Ｎｏ、　ＤＥ−ＡＣ０９−８９ＳＲ１８Ｑ３５）に従った 権利を有する。

２、背景の説明 アルミニウムは比較的廉価で、軽量であり、常温において対重量（ＷξｉｇｔＮ −ｆｏｒ−ｗｅｉｇｈｔ）基準で最良の導電体である。不運なことに、アルミニ ウムは酸化物層形成金属でもあり、反応性が高く、空気にさらされると、すぐに 、非導電性の硬い酸化物の表面層を形成してしまう。他の酸化物層形成金属およ び合金は、チタン、タンタルおよびステンレス鋼を包含する。

アルミニウムをアルミニウム自体または他の金属に接合させるための方法が幾つ か存在するが、いずれも電気的な目的において充分満足できるものではない。ボ ルト締めまたはクランプ締めのような機械的方法は、金属的結合を形成すること ができない。早暁、酸化が接合部に侵入し、抵抗の高い領域が形成される。アル ミニウムと他の通常の金属との膨張係数の相違による機械的接合部の弛緩が避け られないので、この問題は、熱サイクルにより悪化する。溶接は、アルミニウム をアルミニウム自体およびアルミニウム合金に金属的に接合させることができる が、労力のかかる専門的な装備を必要とする。たとえば、アルミニウムを溶接す るために、アルミニウムをその溶融温度６６０．５℃に昇温しなくてはならない 。

また、溶接中における新たな酸化を防止するために、空気中の酸素を排斥しなく てはならない。溶接のために、産業的設備において不活性ガス流を用いて空気を 容易に排出することができるが、この技術は、ハンダ用の特別の雰囲気が容易に えられない通常の「ベンチトップ（ｂｅｎｃｈｔｏｐ）Ｊの用途にはあまり実用 的でない。

さらに、ベンチトップハンダ装置の達成する温度は、通常、３００℃以下であり 、アルミニウムを溶融しハンダとともに流動させるには低すぎる。ハンダづけは 、表面の酸化物に浸透して酸化物を浮かせ、その下のアルミニウムを濡らして、 金属的結合を形成させるような第２の低融点金属または合金を添加することを含 んでなる。

このことは、典型的には、接触面における小さな部分においてしか起こらず、接 合部は、電気的および機械的両面において僅かにしか機能を果たさないようであ る。溶融ハンダにより覆われるさいに酸化物層を機械的に掻き取れば、通常、機 能が少し向上する。

アルミニウム上への使用が試されたハンダは、通常、スズと亜鉛を約２対１の重 量比で含み、他の金属は含まないか少量だけ含む。スズー亜鉛ハンダに添加され る他の金属は、特に、アルミニウム、鉛、銅、銀、アンチモン、ヒ素、ビスマス およびカルシウムを包含する。これらの合金は酸化物被膜の下まで浸透して酸化 物被膜をアルミニウム表面から浮かせるある程度の性能を有するが、ベンチトッ プハンダ装置を用いて達成しうる温度において良好に機能するものはない。この ような種類のアルミニウムハンダを開発しようとする努力は、はとんどが１９世 紀中頃から１９５０年台の間になされ、その後はほとんど努力が費やされていな いことが明らかである。

ハンダは、接合すべき２つの卑金属の間に金属的結合を形成する能力を有さなけ ればならない。この結合プロセスにより、卑金属の原子間に介在するハンダ組成 物の原子に特徴を有する合金かえられる。ハンダは、流動性であって、さらにギ ャップを埋めるまたは小さなフィレット（Ｉ　ｉ　ｌ　ｌ　ｅ　ｔ）を形成する ことができなければならない。

ハンダを加熱して溶融状態にすると、分子同士の引力の結果、合金中に液滴とし て存在する。しかしながら、分子と卑金属との引力が分子相互の引力に等しいま たは超えるばあい、ハンダは、適用される表面を容易に流れるまたは表面を濡ら す。

亜鉛鉱石および銀鉱石中に見つかり、石炭中に微量不純物として見つかるゲルマ ニウムは、ケイ素に似た硬く脆い物質である。その原子番号は３２である。化学 的には、ゲルマニウムは金属と非金属との間の性質を有するメタロイドである。

ゲルマニウムは、歯科用金（ｄｅｎｔａｌｇｏｌｄ）のような合金中の微量成分 をなすが、１９４０年台後半までは広く使用されておらず、その頃半導体特性が 発見されてから、近年の固体エレクトロニクスの先導に立つようになった。その 後、ゲルマニウムは、はとんど全てのエレクトロニクスの用途において、より廉 価で、加工がより容易で、高温における性能がより優れたケイ素に取って代わら れた。

ゲルマニウムは、アルミニウムよりかなり高い温度９３８．３℃で溶融するが、 それよりかなり低温において、他のある種の溶融金属により容易に溶解される。

純度の高い溶融したゲルマニウムは、金属または非金属の実質的にいかなる物質 をも濡らし密着するという特異な性質を有している。この性質は、一部のゲルマ ニウム合金においても見られ、ゲルマニウムが濡らし剤（ｗｅｔｔｉｎｇ　ａｇ ｅｎ＋）として作用する。

酸化物層を形成する金属および金属合金の表面を掻き取る必要性がずっと以前よ り認識されている。金属表面を調製する方法は、通常、ハンダの適用前にこの層 を除去することを必要とする。コンティ（Ｃｏｃｔｉ）は、米国特許第１，６１ ９．８５２号明細書において、ハンダづけ前に表面を清浄化または掻き取る必要 のないハンダを記載している。米国特許第２．７３３，１６８号明細書において 、ホッジ（Ｈｏｄｇｅ）らは、充分に硬いノ＼ンダ組成物であって、それから作 ったスティックを金属表面の掻き取りに用いることのできるハンダ組成物を記載 している（第２欄、６１行以降）。リースメイヤー（Ｒｉｅｓｍａｙｅ＋）は、 米国特許第２．２５２．４１４号明細書において、少量のマンガンおよび／また はニッケルを使用することを開示しているが、酸化物フィルムに浸透するハンダ のばあいは、ハンダは銅を含んではならないことを述べている。米国特許第２． ５５２，９３５号において、チャドウイック（Ｃｈａｌｉｃｋｌは、「濡らし剤 」としてと共に耐食性の改良のためにセリウムを用いている。

通常のハンダづけ条件下において、高い機械的強度および導電性を有する結合を 提供するハンダが要求されている。

発明の概要 本発明の主な観点によれば、本発明のハンダはスズ、亜鉛およびゲルマニウムを 含み、さらに、少量の銅、アンチモンのような他の金属を含んでよい。好ましく は、炭化ケイ素のような粗粒が本発明のハンダに混合される。

ゲルマニウム含量は、濡れを達成するとともにベンチトップ条件において３００ ’Ｃ未満の融点を有するハンダを提供するのに充分なものとすべきである。好ま しくは、ゲルマニウム含量は１０％以下であり、スズと亜鉛の比は２：１である 。粗粒も、その含量が１０％以下であり、好ましくは約２００メツシユのもので ある。

本発明のハンダの特徴は、溶融状態において、他の金属および非金属物質を濡ら す例外的な性能を示すゲルマニウムにある。

スズと亜鉛の約２対１の混合物に添加された少量のゲルマニウムは、約１５０〜 ３３０℃の実用的ベンチトップハンダ温度範囲において共融するまたは共融に近 い状態になるような融点を有し、ゲルマニウムの濡らし性能をある程度保持する 。共融点は２種またはそれ以上の組み合わされた物質の最も低い溶融温度である 。さらに、ハンダ中のゲルマニウム原子は、物質の表面を被覆し、接着性の高い 境界層を形成する傾向があり、それにより表面の酸化物層を浮かせて除去するハ ンダの性能が改善される。幾つかの他の金属、特にガリウムは、溶融したときに ゲルマニウムの濡らし性能を共有するが、融点がかなり低く、スズおよび亜鉛と 満足できる合金をつくりにくい。ガリウムは、また、毒性が高い。

本発明のもう一つの特徴は、ハンダそのものの中に粗粒を用いることである。こ の粗粒は、酸化物層を機械的に掻き取り、ハンダが接着することのできる下側の きれいな酸化されていない金属を露出させるために用いることができる。より優 れた金属−金属接触が故に、えられる接合部はより優れた電気的特性を有する。

さらに、ゲルマニウムの濡らし作用と粗粒の組み合わせにより、いずれか一方の 特徴のみを備えるばあいより酸化物層がより完全に除去される。

本発明のもう一つの特徴は、銅、アンチモンのような他の金属をハンダに添加す ることである。これらの他の金属は、亜鉛およびスズと金属間化合物を形成する ことにより固化したスズ−亜鉛−ゲルマニウムハンダの硬さ、の詳細な説明を入 念に読むことにより当業者に明らかとなる。

好ましい態様の詳細な説明 本発明のハンダは、スズ、亜鉛、ゲルマニウム、および要すれば１種またはそれ 以上の他の金属からなる。好ましい他の金属は銅およびアンチモンである。スズ および亜鉛が約２対１の重量比で組み合わされ、ハンダ適用表面をハンダが濡ら すが、約３００℃未満に規定されているベンチトップ水準より溶融温度が高くな らないことを満たすような量でゲルマニウムが添加される。

これらの３成分、すなわちスズ、亜鉛およびゲルマニウムは組み合わさって、３ つの個々の成分のいずれよりも低い溶融温度を示す。１つの組み合わせは、共融 点と呼ばれる最も低い溶融温度を有する。ゲルマニウムの溶融温度は比較的高い ので、ゲルマニウムの添加量はあまり多くすることができないが、ハンダを適用 する金属または金属合金から酸化物層を浮かせるために必要な濡らし作用を提供 するのに充分である量でなければならない。

銅およびアンチモンは、単独でまたは組み合わせて、ハンダに添加することがで きる。これらの金属は、固化したハンダに、強く要求される靭性を付与する。溶 融物の冷却時に、アンチモンは亜鉛およびスズと反応して、金属間化合物の硬い 大きな結晶を形成する。銅も同様に結晶を形成するが、その金属間化合物の結晶 は針状である。

さらに、これらは、コンクリート中の補強ロッドおよび砂利塊のように、張力下 にひび割れ増加を防止しハンダ塊を一体に保持するのに役立つ。

非金属粗粒もハンダに添加することができる。炭化ケイ素が好ましい非金属粗粒 である。それは、粗粒が合金中に均質に分散するように充分に混合される。炭化 ケイ素の好ましいサイズは２００メツシユである。

この合金は、その延性および所望の最終的形状により、延伸、鋳造、押出しまた は粉体圧縮により成形加工される。好ましくは、この合金は硬いワイヤまたは鉛 筆状ロッドであ、それは、長さ方向の溝に保持されたフラックスを含んでいても よい。また、フラックスは外側被膜として、ハンダづけ前にワイヤーもしくはロ ッドを浸漬するハンダペーストの形で用いてもよく、あるいはハンダづけ処理前 に金属に擦りつけられてもよい。

本発明のハンダの最も好ましい組成は、スズ５０〜７０重量％、亜鉛２５〜４０ 重量％、ゲルマニウム０．　１〜１０重量％、銅０．１〜５重量％、アンチモン ０．　１〜５重量％、および２００メツシユの炭化ケイ素１〜１０重量％からな る。

使用において、ハンダのワイヤーまたはロッドの端部をハンダづげすべき処理片 に軽く擦りつけ、ハンダが溶融し始めるまで処理片を加熱する。埋め込まれた粗 粒の摩擦により小さなチャネルが形成され、そこを通って新しく溶融したハンダ がアルミニウム表面に達することができる。ゲルマニウムの濡らし作用と粗粒に よる酸化物層の掻き取りの組み合わせにより、合金が酸化物層の下側（金属層の 上側）に浸透することができ、その結果、酸化物が容易に払い取られ、主にスズ −亜鉛合金からなる清浄で金属的に結合している金属表面層かえられる。

ハンダづけは、空気中、約３００’Ｃ未満の温度で行なうことができる。

表面層は、一度形成されると、種々の方法により他の金属に接合させることがで きる。２つのそのような表面は接触させて並べ加熱するだけでよく、それにより 合金被膜が溶融し相互に融着する。通常、単一の操作で２つの表面を被覆し接合 することができる。このハンダは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の接合 、またはアルミニウムおよびアルミニウム合金の他の金属への接合に用いること ができる。この／飄ンダは、チタン、タンタルおよびステンレス鋼のような他の 酸化物形成金属に適用することもできる。たとえば、両方の処理片を予めノ１ン ダで被覆しておけば、アルミニウムを銅またはその合金の１種に接合することが できる。銅のばあい、／％レンダ通常のスズ−鉛合金であってよい。また、銅が 非常に清浄であるばあい、または、適当なフラツクスにより被覆されるばあい、 銅はアルミニウムを含んでいるスズ−亜鉛−ゲルマニウムハンダにより濡らされ る。゛ノλンダ被覆表面間において接触がなされるばあい、接触面においてアル ミニウムが酸化する可能性がないので、機械的接合方法も優れた結果を生むよう である。

当業者には、添付の請求の範囲により規定される本発明の精神および範囲から離 れることなく、ここに記載の好ましい態様に種々の変化および修正を加えうるこ とが明白である。

要　約　書 アルミニウム、チタン、タンタルまたはステンレス鋼のような酸化物層形成金属 をハンダづけするための低温ハンダおよび方法。その組成は、スズおよび亜鉛、 濡らし剤としてゲルマニウム、好ましくは少量の銅およびアンチモン、ならびに 炭化ケイ素のような粗粒を含む。ゲルマニウムが酸化物層の下側に浸透し酸化物 層を浮かせるさいに、粗粒は金属表面に形成された酸化物層を掻き取り、金属ど うしの良好な接触かえられる。充分な濡らし作用を提供するが、溶融温度が約３ ００℃を超えないように、ゲルマニウムがハンダ組成物に占める割合は約１０重 量％未満である。この方法は、ハンダが溶融し始めてゲルマニウムが酸化物層に 浸透するまで表面を加熱するとともに、ハンダ中の粗粒が表面を掻き取るように ハンダを金属表面に擦りつけ、ハンダにより浮かされた酸化物層を払い取る工程 を含む。

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．スズ、亜鉛およびゲルマニウムを含んでなる、金属表面に用いられるハンダ 。
2. ２．金属表面を濡らすのに充分な量のゲルマニウムを含む請求の範囲第１記載の ハンダ。
3. ３．金属表面を濡らすのに充分な量のゲルマニウムを含み、約３００℃未満の溶 融温度を有する請求の範囲第１項記載のハンダ。
4. ４．ゲルマニウムがハンダの１０重量％以下を占める請求の範囲第３項記載のハ ンダ。
5. ５．スズ５０〜７０％、亜鉛２５〜４０％およびゲルマニウム０．１〜１０％を 含む請求の範囲第４項記載のハンダ。
6. ６．さらに金属表面を擦り取るための手段を含み、該擦り取り手段がハンダと混 合されている請求の範囲第１項記載のハンダ。
7. ７．さらに金属表面を擦り取るための粗粒を含み、該粗粒がハンダと混合されて いる請求の範囲第１項記載のハンダ。
8. ８．前記粗粒のハンダに占める割合が１０重量％以下である請求の範囲第６項記 載のハンダ。
9. ９．さらに銅を含む請求の範囲第１項記載のハンダ。
10. １０．さらにアンチモンを含む請求の範囲第１項記載のハンダ。
11. １１．銅がハンダの０．１〜５重量％を占め、アンチモンがハンダの０．１〜５ 重量％を占める請求の範囲第１０項記載のハンダ。
12. １２．合金、および該合金と混合された酸化物層形成表面の擦り取り手段を含ん でなる酸化物層形成表面に用いられるハンダ。
13. １３．前記擦り取り手段がさらに組粗粒を含む請求の範囲第１２項記載のハンダ 。
14. １４．前記擦り取り手段がさらに炭化ケイ素を含む請求の範囲第１２項記載のハ ンダ。
15. １５．前記擦り取り手段がさらに炭化ケイ素を含み、該炭化ケイ素がハンダに占 める割合が１０重量％以下である請求の範囲第１２項記載のハンダ。
16. １６．前記擦り取り手段がさらに粗粒を含み、ハンダがさらに濡らし剤を含む請 求の範囲第１２項記載のハンダ。
17. １７．前記擦り取り手段がさらに炭化ケイ素を含み、ハンダがさらにゲルマニウ ムを含む請求の範囲第１６項記載のハンダ。
18. １８．前記合金がスズおよび亜鉛を含んでなる請求の範囲第１７項記載のハンダ 。
19. １９．合金および濡らし剤および該合金と混合された粗粒を含んでなるハンダを 用いて酸化物層形成金属表面を被覆する方法であうて、該ハンダを該金属表面に 擦りつけて該表面上の酸化物層を掻き取る工程と、該ハンダの近くの該表面を、 該ハンダが溶融し、該濡らし剤が該酸化物層の下側に浸透して該酸化物層を浮か せるまで加熱する工程とを含む方法。
20. ２０．さらに、前記加熱表面から前記浮かされた酸化物層を払い取る工程を含む 請求の範囲第１９項記載の方法。