JPH0671480A - はんだ合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱サイクルストレスによるはんだ接合部の疲
労破壊を緩和できるはんだ合金を提供する。 【構成】 Ｓｎ５６〜６５重量％、Ｓｂ０．０５〜１重
量％、Ｔｅ０．０１〜０．２重量％、および残部Ｐｂか
らなるはんだ合金組成、あるいはこれにさらにＧａを
０．００５〜１重量％添加することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子機器のプリント
基板などにおいて電子部品の接合に利用するはんだ合金
の改良に係り、特に長期間の熱サイクルストレスによっ
てはんだ接合部が疲労破壊する現象を緩和するための技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】はんだは冶金的なヌレ現象を利用して複
数の部材を電気的、あるいは機械的に接合するものであ
る。電子機器の組み立てや電子部品の実装に使用される
はんだとしては、従来から慣行的にＳｎ−Ｐｂ合金の中
でも比較的融点が低い共晶はんだ（Ｓｎ６３wt％、Ｐｂ
３７wt％、融点約１８３度Ｃ）が用いられている。この
はんだを用いるのは、電子部品、プリント基板、および
樹脂素材などの耐熱保証温度が低いという理由による。

【０００３】ところで、接合部のはんだは電子機器のオ
ン・オフによる発熱・冷却、あるいは使用環境温度雰囲
気の昇降などによる熱サイクルによって全方向から圧縮
・引っ張り・せん断・ねじれなどのストレスを受ける。
そしてこれらのストレスを打ち消すように、はんだは組
織の移動再結晶を繰り返す。特に、はんだの固相温度近
くまで温度が上昇したり、大きいストレスを受けた部分
は結晶の粗大化の進行が著しい。また、溶融はんだが冷
えると結晶が固くなり、収縮によるストレスが大きくな
る。この結晶組織がストレスに耐えられなくなれば、そ
の部分は疲労破壊し、亀裂が発生する。これは外観的に
は割れとなる。

【０００４】上述したように接合部が割れた場合には電
気抵抗が高くなるため、電源をオンしたときの温度上昇
が大きく、かつ機械的強度が低下する。そしてこれらが
ますます増幅されてしまい、接合の目的を失うことにな
る。さらに、電気特性も悪化するので、機器の誤動作を
引き起こしたり、最悪の場合にはスパークが発生して発
火する原因にもなる。特に一般の民生機器のみならず、
最近のインバータ製品などのような直流、大電流を扱う
機器、さらには使用環境の厳しい車載電装品では非常に
重要な課題であり、耐熱ストレス性に優れたはんだ接合
材料が不可欠である。

【０００５】そこで、はんだ合金の組成として公知のＳ
ｎ９０重量％、Ｃｄ９重量％、Ｚｎ１重量％で融点が２
３８〜２６０度Ｃのはんだや、Ｓｎ９５重量％、Ｓｂ５
重量％で融点が２３５〜２４０度Ｃのはんだが提供され
ている。また、Ｓｎ−Ｐｂベースのはんだ合金にＣｄ、
Ａｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｉ
ｎ、ＡｓあるいはＧａなどを添加したはんだや、Ｓｎ−
Ｐｂ−Ｂｉベース、およびＳｎ−Ｐｂ−Ｓｂベースのは
んだ、さらにはこれらに微量のＡｇ、Ｃｕを添加したは
んだなどが公知である（例えば特公昭４９−２１０２
８、４９−２３９８６、５３−１１３２４５など）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これら従来のはんだ合
金のうち、融点が共晶はんだの場合の１８３度Ｃから大
きくずれている組成を持つものは、はんだ付けの作業温
度を大幅に変更しなければならず、作業効率上での問題
があると同時に、電子部品の耐熱温度からの制約を解決
することができないという課題がある。また、Ｓｎ−Ｐ
ｂ−Ｂｉベースの低融点はんだでは電子部品の耐熱温度
条件は満足するものの、高温でのクリープ特性が劣るの
で、利用範囲が限られるという課題がある。さらにま
た、上述したように添加すべき元素が明示されてはいる
ものの、個々の添加量は明きらかではなく、その効果が
十分ではない技術も見られた。特に、Ｇａを添加する例
は上記従来例において既に開示されているが、Ｇａを添
加する根拠および添加量については曖昧であり、明確な
基準はなかった。

【０００７】さらに、添加する元素によってははんだの
溶解状態でどろ付きが発生し、実際のはんだ付け作業で
はブリッジなどの不良が多発したり、はんだカスが大量
に発生するという課題もある。

【０００８】この発明は上述したような従来の課題を解
決しようとするもので、熱サイクルストレスによるはん
だ接合部の疲労破壊を緩和できるはんだ合金を提供する
ことを目的とし、これによって機器の寿命を延ばすこと
ができると同時に、信頼性を向上するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、はんだ合金の組成をＳｎ５６〜６５重量％、Ｓｂ
０．０５〜１重量％、Ｔｅ０．０１〜０．２重量％、お
よび残部Ｐｂからなるものとした。また、この配分にさ
らにＧａを０．００５〜１重量％加えたはんだ合金も採
用した。

【００１０】Ｓｎ−Ｐｂはんだの耐熱サイクルストレス
を向上するためには、特定部分にストレスを集中させな
いように合金純度を上げて柔らかくしたり、反対に強度
を上げるために硬度を高めて固くしたり、また結晶を大
きくして粒界を減らすなどの方法がある。この発明では
従来のＳｎ−Ｐｂはんだの融点を大幅に変更することな
く、熱サイクルストレスに耐え得る結晶組織とするため
に、Ｓｎ−Ｐｂはんだ組成に上述した範囲でＳｂおよび
Ｔｅを添加したものである。Ｓｎの下限を５６重量％と
した根拠は、電子部品の耐熱温度を考慮して液相温度を
２００度Ｃ以下に設定するためである。また、上限を６
５重量％としたのは、これより多い配分は液相温度が上
昇し、電子部品の実装に好ましくないからである。

【００１１】Ｓｂを０．０５〜１重量％添加すること
は、Ｓｎのα←→β変態を停止させる機能を持ってい
る。そのうえ、Ｓｎ中に分散して硬度を高める効果を持
ち、合金の強度を増す。また、Ｔｅは主にＰｂとの間で
硬質の金属間化合物を形成する機能を持っており、これ
を０．０１〜０．２重量％の範囲で添加すればＰｂ中に
微細に分散して結晶粒成長を有効に阻止することができ
る。これら２つの組成を添加することによって、Ｓｎ−
Ｐｂはんだの基本的な融点を大幅に変えることなく、熱
サイクルストレスへの対応時間を延ばしている。なおＴ
ｅは微量添加することによって効果を発揮するが、その
効果は固溶限までであって、それ以上添加しても効果が
ない。また余り添加量を増やすとはんだの融点が上昇す
る。これらの点を考慮して上限を０．２重量％とした。
さらに、Ｓｂはやや多量に添加することによって効果が
現れるので、Ｔｅの添加量よりも多くしたものである。

【００１２】Ｇａを０．００５〜１重量％添加すること
は、はんだ表面にできる酸化ドロスの発生を抑える作用
を行う。これによって成分中のＴｅが酸化し、酸化ドロ
スと共に多量に脱逸することを防止し、Ｔｅの本来的な
作用を十分に発揮するようにしている。従って本発明で
はＴｅの存在がＧａの存在のための必然的な条件とし、
ＧａはＴｅが十分に機能を果たすことができるための含
有量を確保することを主目的とするものである。なお、
Ｇａを添加することに起因するはんだの融点上昇は発生
せず、所定の融点を確保することができる。

【００１３】なお、配分中に明示していないが、残量中
には不可避不純物もふくまれることは当然である。

【００１４】

【実施例】この発明の合金組成について、他の合金組成
と共に評価試験を行った。結果は次の通りである。なお
試験環境は、紙フェノール基板に黄銅ピンをはんだ付け
し、ならし時間を与えずに１熱サイクルとして−４０度
Ｃと＋８０度Ｃ環境に各１時間放置することを２００サ
イクル繰り返した。その後２０倍ルーペで黄銅ピン周囲
の接合部の状態を確認した。なお、各サンプルの組成比
率は重量％で示した。 （サンプル１） Ｓｎ６１．５、Ｓｂ０．４、Ｔｅ０．０４、Ｐｂ残 融点１８５度Ｃ （サンプル２） Ｓｎ６２、Ｓｂ０．２、Ｔｅ０．０３、Ｐｂ残 融点１８４度Ｃ （サンプル３） Ｓｎ６３、Ｓｂ０．３、Ｔｅ０．０５、Ｐｂ残 融点１８３度Ｃ （サンプル４） Ｓｎ６０、Ｓｂ０．８、Ｔｅ０．１、Ｐｂ残 融点１９０度Ｃ （サンプル５） Ｓｎ６３、Ｓｂ０．３、Ｔｅ０．０１、Ｇａ０．０５、
Ｐｂ残 融点１８３度Ｃ （サンプル６） Ｓｎ６３、Ｓｂ０．３、Ｔｅ０．０５、Ｇａ０．１、Ｐ
ｂ残 融点１８２度Ｃ （サンプル７） Ｓｎ６３、Ｐｂ残 融点１８３度Ｃ （サンプル８） Ｓｎ６２、Ｓｂ０．３、Ａｇ２、Ｐｂ残 融点１７９度Ｃ

【００１５】結果として、本発明の範囲であるサンプル
１〜サンプル３に関しては、欠陥は全く見られなかっ
た。ただし、サンプル４に関しては熱サイクルを４００
サイクル連続して繰り返したところ、ピンの２分の１周
に割れが生じていることを確認したが、通常の使用態様
では十分に通用すると判断した。また、請求項２に対応
するサンプル５、６に関しては、欠陥は全く見られなか
った。これはＧａの添加によってよりはんだ組成が安定
したことを意味する。次に、発明の範囲外であるサンプ
ル７およびサンプル８を確認したところ、両者共に全周
に割れが生じていることを確認した。

【００１６】上述した結果から判断すると、従来のＳｎ
−Ｐｂ合金（サンプル７）では熱サイクルストレスに十
分に対応することができないことが明確である。また、
Ｓｂを添加するもののＴｅを添加しない場合（サンプル
８）であっても十分に対応することができない。さら
に、Ｔｅのみの添加であってもＰｂの結晶粒成長は抑制
できるものの、Ｓｎのα←→β変態を停止させることが
できないので、所定の効果を期待できない。また実用
上、Ｇａを添加することによってＴｅの空気酸化を抑
え、はんだ合金中からＴｅが抜けることを防止すること
ができる。従って長期間、はんだ合金の品質維持が可能
になる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明ではＳｎ
−Ｐｂはんだ合金の組成にＳｂおよびＴｅを添加し、Ｓ
ｎ５６〜６５重量％、Ｓｂ０．０５〜１重量％、Ｔｅ
０．０１〜０．２重量％、および残部Ｐｂの比率、ある
いはこれらの合金組成にさらにＧａを０．００５〜１重
量％添加したので、はんだ接合部に対して繰り返し加え
られる熱サイクルストレスにも十分に対応し、疲労破壊
を緩和することができた。即ち、従来のはんだより２倍
から数倍の寿命を確保することができるので、はんだ付
けを行った機器の信頼性を向上することが可能となっ
た。しかも接合離れに対する修理の機会が激減するの
で、保守点検の労力および費用も軽減することができる
など、有効なはんだ合金を提供することが可能となっ
た。

【００１８】さらに、上記Ｇａを微量に添加した場合に
は、Ｔｅの空気酸化を抑制することができるので、本発
明で持っているＴｅの本来的な効果を十分に活かすこと
ができるようになった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｓｎ５６〜６５重量％、Ｓｂ０．０５〜１
   重量％、Ｔｅ０．０１〜０．２重量％、および残部Ｐｂ
   からなるはんだ合金。
2. 【請求項２】請求項１にさらにＧａ０．００５〜１重量
   ％を加えたはんだ合金。