JPH07299585A - はんだ合金 - Google Patents

はんだ合金

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JPH07299585A
JPH07299585A JP11608594A JP11608594A JPH07299585A JP H07299585 A JPH07299585 A JP H07299585A JP 11608594 A JP11608594 A JP 11608594A JP 11608594 A JP11608594 A JP 11608594A JP H07299585 A JPH07299585 A JP H07299585A
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稔孫 田口
Rikiya Kato
力弥 加藤
Osamu Munakata
修 宗形
Yoshitaka Toyoda
良孝 豊田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温と高温状態が繰り返して起こるような電
子機器では、そのはんだ付け部が熱サイクルによる熱応
力で長期間経過するうちにクラックが入り、導通不良と
なる。そのため、このような熱応力を受ける個所に用い
てもクラックが発生しないはんだ合金を提供することに
ある。 【構成】 Sn60〜70重量%の共晶近辺のはんだ合
金に、Sb0.2〜2重量%、Ni0.005〜0.2
重量%、および/またはAg0.1〜2重量%、P0.
001〜0.05重量%添加した耐疲労性のあるはんだ
合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、はんだ合金に関する。
さらに詳細には、プリント配線板に電子部品を実装する
際に用いられるはんだ合金に関して、温度サイクル等の
繰り返し応力が負荷されることにより、疲労が起こりや
すい環境において使用される電子部品のはんだ接合部に
適したはんだ合金である。
【0002】
【従来の技術】一般にプリント配線板に電子部品を実装
する際には、はんだ合金が用いられており、電子部品や
プリント基板に対する熱影響や作業性等を考慮して、融
点が低く、しかもはんだ付け性の良好なSn−Pb共晶
近辺(Sn63−Pb)のはんだ合金が使用されてい
る。このはんだ合金を用いたはんだ付け方法としては、
溶融はんだへ浸漬するディップ法、はんだペーストやフ
ォームソルダーを用いたリフロー法、脂入り線はんだを
鏝ではんだ付けする鏝付け法等がある。
【0003】電子機器類に組み込まれたプリント基板
は、電子機器のスイッチのON/OFFに伴ない、加
熱、冷却を繰り返すという温度サイクル環境下に曝れて
いる。はんだ接合部が温度サイクル環境下に曝れると、
電子部品とプリント基板等との熱膨張係数差により熱応
力が生じ、最終的には、はんだにクラックが発生して破
壊に至る。これは、はんだ材が他の被接合部材に比べ強
度的に弱いため、接合部における熱応力がはんだ材に集
中することによるものである。
【0004】従来、熱応力によってはんだ接合部が破壊
されやすいような箇所に対しては、接合部の部品リード
を湾曲してはんだに熱応力が直接的に負荷されないよう
な構造にするという部品の実装形態の設計に関する対策
や、電子部品実装後の接合部に鏝付け作業によりはんだ
を付加し、はんだ量を増す等のはんだ接合部の強度アッ
プに関する対策がなされていた。
【0005】しかしながら、近年の電子機器類の高密度
実装化により、電子部品のリード、或いは電極、そして
基板のパッドが短小化する等、接合部が微小化されてき
ているため、接合部の実装形態の設計や良好なはんだフ
ィレットの形成、充分なはんだ量の確保等が困難になっ
てきている。また高密度実装化により、電子機器類が高
機能化、小型化したことによって携帯性を可能にし、そ
の使用環境が大幅に拡張し、はんだ接合部が従来より一
層厳しい環境下に曝れるようになってきている。そのた
め、電子機器類には、はんだ接合部の信頼性はもとよ
り、はんだ材に対する耐疲労性向上の要求がより一層高
まっている。このようなはんだ材への要求に対しては、
従来よりSn−Pb系合金に第三元素を添加する等して
はんだ材の強度アップが図られていた。
【0006】Sn−Pb系合金に第三元素を添加したも
のとして、特開平1−127192号公報、特開平1−
237095号公報では、Sb、In、Ag、Cu、T
e等を添加して耐疲労性を向上させている。
【0007】様々なはんだ合金が提案されており、その
多くはSn−Pb系合金へ第三元素を添加することによ
ってはんだの組織中のSn相とPb相の粒界に金属間化
合物を析出させ、この化合物により結晶粒成長や塑性変
形を抑制するピンニング効果によって合金の強度、耐ク
リープ性を高め、耐疲労性を向上させることが試みられ
ている。
【0008】しかしながら、はんだの凝固組織中に金属
間化合物が過度に析出するような合金組成のはんだは、
融点の上昇や流動性の阻害を引き起こすことがあった。
特にディップ法に用いられた場合、溶融はんだ中に浮遊
する金属間化合物は異物であり、作業性を悪化させる恐
れが多分にある。たとえ液体状態において均一に解け合
っていたとしても、基板が溶融はんだに接する際のはん
だの一時的な温度下降により、その流動性の低下が懸念
されるところである。ちなみに、Te添加合金について
は耐疲労性に効果があるが、酸素との反応性が高く、ド
ロス中へ濃化してはんだ中のTe量が減少する。従っ
て、ディップ用として用いた場合には、合金の構成成分
が変化しやすく、長期使用に対する安定性に欠けるもの
である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】前述したように、はん
だの疲労破壊は接合部における熱応力がはんだ材に集中
することによるものであるが、言い換えれば、はんだ材
が接合部における熱応力を吸収し、被接合部材に負荷さ
れる応力を緩和しているのである。応力緩和に伴ないは
んだ材が変形し、やがては破壊に至る。はんだの凝固組
織中に金属間化合物が過度に析出するようなはんだは、
熱応力によりはんだ材に作用する歪量が比較的小さい場
合には、金属間化合物のピンニング効果にてはんだの強
度、耐クリープ性等の向上が効果を有する可能性がある
が、はんだ材に作用する歪量が大きい場合には、接合部
の応力を緩和する能力も求められる。発熱量の大きい部
品や接合部が微小な場合等はなおさらのことである。接
合部の応力緩和もはんだ材の役割である以上、疲労破壊
に至ることはやむを得ないことである。はんだの凝固組
織中に硬くて脆い性質を有する金属間化合物が過度に存
在した場合には、はんだの展延性を阻害し、接合部の応
力緩和を低下させる要因となる。さらに、はんだ材には
部品を保持する役割もあるため、展延性のみを考慮して
はならない。よって、部品を保持するための強度と応力
を緩和するための展延性を阻害しない性質を兼ね備えた
はんだ合金が必要となる。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明のはんだ合金は、
はんだの凝固組織中に金属間化合物が過度に析出するよ
うな合金の欠点に鑑みなされたもので、液体状態では均
一に溶融しているのはもちろんであるが、固体状態では
んだの凝固組織中に金属間化合物が過度に析出すること
がなく、合金の展延性を阻害しない程度に成分元素の添
加量を抑えたもので、ディップ法、リフロー法、鏝付け
法等、すべてのはんだ付方法に対応可能な耐疲労性に優
れたはんだ合金を提供することにある。
【0011】本発明者らが、はんだ合金の耐疲労性を向
上させる方法について鋭意検討を重ねた結果、Sn−P
b系合金へSb,Niを同時に添加した合金、またS
b,Ni,Agを同時添加した合金が耐疲労性を向上さ
せることを見い出し、本発明を完成させた。
【0012】本発明は、Sn60〜70重量%、Sb
0.1〜2重量%、Ni0.005〜0.2重量%、残
部Pbからなることを特徴とするはんだ合金であり、ま
たSn60〜70重量%、Sb0.1〜2重量%、Ni
0.005〜0.2重量%、Ag0.1〜2重量%、残
部Pbからなることを特徴とするはんだ合金である。ま
た、別の面からは、本発明はSn60〜70重量%、S
b0.1〜2重量%、Ni0.005〜0.2重量%、
P0.001〜0.05重量%、残部Pbからなること
を特徴とするはんだ合金であり、さらにまたSn60〜
70重量%、Sb0.1〜2重量%、Ni0.005〜
0.2重量%、Ag0.1〜2重量%、P0.001〜
0.05重量%、残部Pbからなることを特徴とするは
んだ合金である。
【0013】
【作用】本発明におけるはんだ合金の組成を上述のよう
に規定した理由を説明する。Sn:SnはPbと合金化
したときに、Sn63重量%が一番融点の低い共晶温度
(183℃)となり、電子部品に対する熱影響が少な
い。従って、電子部品への熱影響を考慮するとSnは6
0〜70重量%が比較的低い温度ではんだ付けができ
る。この範囲の組成は、はんだ付け性にも優れていて、
はんだ付け不良を発生させない。
【0014】Sb:Sbは引張強さのような機械的強度
の向上に効果があるが、その効果よりもはんだ付け箇所
に多量のはんだを付着させて、量的に耐疲労性を向上さ
せる効果の方が大きいものである。つまり、SbはSn
−Pbはんだ合金において、はんだのぬれ性を悪くする
ものであり、Sbを添加したはんだは拡がりにくくなっ
て、はんだ付け部に多量に付着するようになる。従っ
て、Sb入りはんだではんだ付けすると電子部品のリー
ドとプリント基板のパッド間に形成されるはんだのフィ
レットは厚くなり、それだけ機械的強度、即ち耐疲労性
も向上するものである。SbはSn−Pbはんだ合金中
で0.1重量%より少ないとはんだ付け部に多量に付着
するという効果がなく、しかるに2重量%より多く添加
するとはんだ付け性を著しく阻害するようになる。
【0015】Ni:NiはSn−Pb合金中において、
結晶を微細化して機械的強度を向上させる。しかしなが
ら、NiをSn−Pb合金へ過剰に添加すると、はんだ
の凝固組織中に金属間化合物が過度に析出し、展延性を
阻害すると共に、融点が急激に高くなってしまう。Ni
はSn−Pb合金中に0.005重量%より少ない添加
では耐疲労性に効果がなく、しかるに0.2重量%より
も多く添加すると液相線温度が高くなり、はんだの流動
性を阻害する。
【0016】本発明では、はんだ接合部における部品の
保持力や耐クリープ性のさらなる向上を求められた場
合、Agを添加しても良い。
【0017】Ag:金属が疲労破壊を起こすのは、結晶
粒がずれることにより、結晶粒界で切断するからであ
る。Agは、はんだ合金の凝固時に結晶粒界に析出し、
ここで結晶粒が移行するのを防ぐため、疲労の進行を抑
制する効果がある。Sn−Pb系はんだ合金においてA
gは、0.1重量%より少ない添加はこの抑制効果がな
い。Sn−Pb合金中へのAgの添加は疲労進行の抑制
効果はあるものの、2重量%よりも多く添加すると液相
線温度が高くなり、当然はんだ付け温度も高くなること
から、はんだ付け時に電子部品を熱損傷させてしまうこ
とになる。
【0018】また本発明では、Sn−Pb−Sb−Ni
合金、或いはSn−Pb−Sb−Ni−Ag合金に、さ
らにPを添加してはんだ合金の酸化を防止するようにし
てもよい。Pは、はんだ合金の溶融時、溶融はんだの表
面をPの薄い酸化膜で覆って、大気との接触を遮断し、
高温で溶融しているはんだの酸化を防止する。従って、
ディップ法に用いる場合には、Pの添加が酸化防止に大
いに効果がある。Pは0.001重量%より少ないとは
んだを酸化から防止できず、しかるに0.05重量%よ
りも多いと、酸化膜が厚くなりすぎて、はんだ付け性を
阻害するようになる。
【0019】本発明のはんだ合金は、高融点の金属を添
加しているにもかかわらず、液相線温度があまり高くな
っていないため、ディップはんだ付け、リフローはんだ
付け、鏝付け等、あらゆるはんだ付け方法に対応可能で
ある。
【0020】特に、本発明のはんだ合金は、ディップは
んだ付けでは、リードに多量のはんだが付着するため、
はんだ合金自体の耐疲労性に加えて、量的にも耐疲労性
を向上させるものである。
【0021】
【実施例】表1に示す合金組成のはんだを作製し、それ
ぞれについて以下に示す部品と基板をはんだ付けして試
験片とした。試験は温度サイクルテストを行ない、50
0サイクル後のはんだ接合部 100ポイント中の破断
率を求め、評価した。
【0022】
【表1】
【0023】・部品は、樹脂にてモールドされたコネク
ター部品であり、リード径は0.6mmである。 ・プリント基板は、片面配線の紙フェノール基板を使
用。プリント基板の銅箔ランド径は2mm、穴径は1m
m 、ピッチは2.54mmである。 ・サイクル条件は、−40℃(30分)〜+80℃(3
0分)である。
【0024】以上説明した如く、本発明のはんだ合金
は、特に耐熱疲労性に優れているばかりか、比較的低い
温度ではんだ付けができるため、自動はんだ付け装置の
はんだ槽に入れてディップはんだ付けを行っても、電子
部品やプリント基板に熱損傷を与えることがなく、しか
もはんだ付け性が良好ではんだ付け不良を発生させな
い。従って、本発明のはんだ合金は、近年の電子機器類
の高密度実装化により微細化し、さらに高機能、小型化
により、一層厳しい環境下に曝されるはんだ接合部の信
頼性を向上させるとともに、多様化したはんだ付け方法
に対応可能であるという優れた性質を有しているもので
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 良孝 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

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Sn60〜70重量%、Sb0.1〜2
    重量%、Ni0.005〜0.2重量%、残部Pbから
    なることを特徴とするはんだ合金。
  2. 【請求項2】 Sn60〜70重量%、Sb0.1〜2
    重量%、Ni0.005〜0.2重量%、Ag0.1〜
    2重量%、残部Pbからなることを特徴とするはんだ合
    金。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2記載のはんだ合
    金にPを0.001〜0.05重量%添加したことを特
    徴とするはんだ合金。
JP11608594A 1994-05-06 1994-05-06 はんだ合金 Expired - Lifetime JP3254901B2 (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6033488A (en) * 1996-11-05 2000-03-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Solder alloy
US6160224A (en) * 1997-05-23 2000-12-12 Tanaka Denki Kogyo Kabushiki Kaisha Solder material and electronic part using the same
CN108788511A (zh) * 2018-06-25 2018-11-13 深圳市博士达焊锡制品有限公司 一种具有高抗氧化能力的有铅焊料及其制备方法

Cited By (3)

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US6160224A (en) * 1997-05-23 2000-12-12 Tanaka Denki Kogyo Kabushiki Kaisha Solder material and electronic part using the same
CN108788511A (zh) * 2018-06-25 2018-11-13 深圳市博士达焊锡制品有限公司 一种具有高抗氧化能力的有铅焊料及其制备方法

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