JPH09206981A - はんだ材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種添加成含を含有するＰｂ−Ｓｎ系はんだ
材料の濡れ性を高める。 【構成】 Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金において、Ａｇ及び
Ｂｉの１種または２種からなる第１元素の含有用（重量
％）が、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ａｓ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃａ，
Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂｅ，Ｔｌ，Ｇｅ及びＧａの
１種または２種以上からなる第２元素の含有量（重量
％）と等しいかあるいは第２元素の含有量より多い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ材料に関す
るものであり、さらに詳しく述べるならば、特に電子部
品を基板に接合する用途に適したはんだ材料に関するも
のである。より詳しく述べるならば、本発明のはんだ材
料は、自動車の電装品のように絶えず振動にさらされ、
かつ冷熱サイクルによる繰返し応力がかかるために疲労
が起こり易い環境で使用される部品のはんだ付に適した
はんだ材料である。

【０００２】

【従来の技術】本出願人ははんだ材の耐疲労性を向上す
る目的でＳｎ−Ｐｂ系共晶はんだにＩｎ，Ｓｂを添加
し、さらにこれらにＡｇも添加したはんだ合金を特開平
１−２３７０９５号にて開示した。このはんだ材に添加
されたＩｎ，Ｓｂは、はんだ付後にそれらの金属間化合
物またはＳｎとの金属間化合物を生成して、金属組織の
中でＰｂとＳｎの結晶粒間および結晶粒内に析出し、こ
れら金属間化合物はＰｂとＳｎの結晶粒成長を抑制する
効果を有しており、これにより耐疲労性を向上する。さ
らに同じ目的でＡｇ，Ａｕ，Ａｓ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｉｎ，
Ｃａ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂｅ，Ｓｂ，Ｐ
ｄ，Ｔｅ，Ｔｌを添加したはんだ合金を特開平３−１２
８１９２号に開示した。また、同じくＩｎ，Ｇａ，Ｓ
ｂ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌを添加したはんだ合金を特開平３
−１０６５９１号にて開示した。

【０００３】しかし、ＩｎとＳｂの添加による耐疲労性
が向上するものの、Ｐｂ−Ｓｎ系共晶はんだ合金より濡
れ性が低下し、そのためにはんだ付け性が損なわれると
いう問題点が新たに生じた。

【０００４】はんだ合金の濡れ性はＪＩＳＺ３１９７に
規定される広がり試験により定量的に測定できる。さら
に、共晶はんだの広がり率に及ぼす単独添加元素の影響
は、接合する母材を銅、黄銅、軟鋼とした場合はＡｌ，
Ｓｂ，Ａｓ，Ｂｉ，Ｃｄ，Ｃｕ，Ｐ，Ｚｎなどについて
調査されており（技術文献「６０％錫−４０％鉛半田の
ぬれ性に及ぼす不純物元素の影響」日本錫センター発
行）、いずれも顕著な影響は確認されていない。また組
み合わせ添加については、同様にＡｌ＋Ｓｂ，Ａｓ＋Ｓ
ｂ，Ａｌ＋Ｚｎ＋Ｃｄなどのごく限られた組み合わせに
ついて調査されており、同様に顕著な影響は確認されて
いない。

【０００５】これに対し、本発明者は図１に示すような
試験片を調製し、はんだ付け状況を観察したところ、Ｉ
ｎ，Ｓｂ等の元素はＰｂ−Ｓｎ系共晶はんだ合金に添加
されると基板ランド部の銅板に対する接合不良を起こり
易くすることを確認できた。なお図１において、１はフ
ェノール樹脂からなる基板、２は基板１の一面に形成さ
れた黄銅からなるランド部、３はランド部２を貫通する
リード線、４ははんだである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来は、疲労が起こり
易い環境で使用される電装品への適用を目的としＩｎ，
Ｓｂを添加して耐疲労性を向上させても濡れ性の低下を
もたらしていたために、はんだ付け作業を時間をかけて
行うなど、作業性の低下を招く接合法を採用しなけれ
ば、接合不良が起こるので、はんだ合金が組成的にもっ
ている耐疲労性を十分に引き出すことができなかった。
また、従来はＰｂ−Ｓｎはんだ合金に添加されるどの元
素が濡れ性を低下させるかは知られていなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するために鋭意研究を行い、後述する試験方法による
と，各元素はＰｂ−Ｓｎはんだ合金の広がり率を向上す
る元素群と広がり率を低下する元素群に予め分けること
ができ、しかも各元素の広がり率を向上（低下）に対す
る寄与はその重量％とほぼ一致するために、前者の元素
群の添加量の合計が後者の元素群の添加量の合計と等し
いかあるいはそれ以上に多い場合に広がり率を良好にで
きることを見出し、本発明を完成した。

【０００８】したがって、本発明は、Ｐｂ−Ｓｎ系はん
だにおいて、Ａｇ及びＢｉの１種または２種からなり広
がり率を向上する第１元素の含有量（重量％）がＩｎ，
Ｓｂ，Ａｓ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｓ
ｒ，Ｂｅ，Ｔｌ，Ｇｅ及びＧａの１種または２種以上か
らなり広がり率を低下する第２元素の含有量（重量％）
と等しいかあるいは第２元素の含有量より多いことを特
徴とする濡れ性に優れたはんだ材料に関するものであ
る。

【０００９】上記の第２元素中で、Ｉｎ，Ｓｂ及びＡｇ
は金属間化合物を結晶粒界に生成することにより、はん
だ付後の使用中に発生する繰返し応力が原因するはんだ
合金組織の結晶組織の粗大化を防止し、耐疲労性を向上
する特殊な元素である。さらに、その他の第２元素は鋳
造による２次相を加工と適切な熱処理により微細な金属
間化合物にするはんだ付方法（特開平３−１２８１９２
号）を用いて耐疲労性を向上させるのに有効である。し
たがって接合部品の用途や要求特性によってこれらの元
素を添加することが好ましいが、濡れ性の悪化を招くの
で、その総量は第１群元素以下にすることが必要であ
る。

【００１０】さらに、本発明のはんだ合金においては、
Ｐｂの含有量が１９．８〜６０重量％（以下「％」は特
記しない限り重量％を指す）であり、Ｓｎの含有量が４
０〜８０重量％の組成をもつことが好ましい。Ｐｂの含
有量が６０％を超え、Ｓｎの含有量が４０％を下回る
と、Ｐｂの組織が多すぎて全体の強度を低下させ、さら
に融点が高くなりすぎてはんだ付性を悪くする。逆にＰ
ｂの含有量が１９．８％を下回り、Ｓｎの含有量が８０
％を超えるとはんだ付性が大幅に低下するからである。
なお、好ましいＰｂ及びＳｎの含有量はそれぞれ２９．
８〜５０％及び７０％以下である。

【００１１】さらにはんだ合金に添加される第１元素の
含有量が０．１％未満であると広がり率向上が少ないた
めに濡れ性と接合強度が低下し、一方１５％を超えると
はんだの融点が高くなり作業性が損なわれる他に、電子
部品がはんだ接合の際に受ける熱影響が無視できなくな
る、偏析などにより粗大な２次相の析出があり、はんだ
強度を大幅に低下するなどの問題が起こる。一方、第２
元素の含有量が０．０５％未満であると、その添加効果
が少なく、１５％を超えると濡れ性と接合強度が低下す
る。この対策として第１元素の添加量を多くすることが
できるが、すると添加元素の総量が多くなってはんだの
融点が一挙に高まるので、好ましくない。好ましい添加
量は第１元素は０．１５〜５％、第２元素は０．０５〜
５％である。

【００１２】本発明の好ましい成分系はＩｎ−Ｓｂ−Ａ
ｇあるいはＩｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系である。この成分
系では、Ｉｎ，Ｓｂの二元素ははんだづけ直後にはほと
んどが固溶しているが、電子部品の使用中の熱により相
互にあるいはＳｎを含めた各元素で金属間化合物を作
り、耐疲労性を高めることができる。Ａｇは主としてＳ
ｎ，Ｉｎとの金属間化合物を形成するが、Ａｇ，Ｓｎ及
びＩｎの結合ははんだ付け後の凝固過程でも起こる。一
般に溶融もしくは半溶融状態のはんだに金属間化合物が
生成するとはんだが流れ難くなるので、広がり率が低下
する筈であるが、実際は上述のように、ＩｎとＳｂは広
がり率を低下させ、Ａｇは広がり率を向上させることが
分かった。そこで広がり率を向上する手段につき研究
し、耐疲労性を損なうことなくはんだ付性を共晶はんだ
と同等に確保する方策について各添加元素の添加量と濡
れ性との関係を求める研究を行い、図２示す結果が得ら
れた。

【００１３】図２には、ＪＩＳ Ｚ ３１９７の広がり
試験法に準拠し、試験片として酸化銅板（１５０℃，１
時間酸化）を使用し、フラックスとしてＳＲ−２１（Ｊ
ＩＳＢ級）のイソプロパノール２５％溶液を使用した行
った６０−４０共晶はんだに添加された単独元素が広が
り率に及ぼす影響を示す。これにより、ＡｇとＢｉは広
がり率を向上させ、ＩｎとＳｂは広がり率を低下させる
ことが分かる。

【００１４】さらに、Ａｇ，Ｉｎ及びＳｂの添加量を変
化させて同様の試験を行った結果を、Ａｇ（％）／｛Ｉ
ｎ＋Ｓｂ＋Ｃｕ＋Ａｓ＋Ｎｉ＋Ｍｇ＋Ｃａ＋Ｔａ＋Ｔｉ
＋Ｚｒ＋Ｓｒ＋Ｂｅ＋Ｔｌ＋Ｇｅ＋Ｇａ（％）｝を横軸
とし、広がり率を縦軸として図３に示す。図３よりＡｇ
はＳｂとＩｎの悪影響を打ち消して広がり率を向上させ
る；Ａｇ（％）／（Ｓｂ＋Ｉｎ＋Ｃｕ＋Ａｓ＋Ｎｉ＋Ｍ
ｇ＋Ｃａ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｒ＋Ｂｅ＋Ｔｌ＋Ｇｅ
＋Ｇａ）（％）比率が１．５以上では共晶組成以上の広
がり率が得られる；Ａｇ（％）／（Ｓｂ＋Ｉｎ＋Ｃｕ＋
Ａｓ＋Ｎｉ＋Ｍｇ＋Ｃａ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｒ＋Ｂ
ｅ＋Ｔｌ＋Ｇｅ＋Ｇａ（％））比率が４以上ではその効
果は飽和するなどの結果が得られている。

【００１５】広がり率を共晶はんだと同様に保持するた
めに、９０％以上あればよいので、図２及び３からＡｇ
％が（Ｉｎ＋Ｓｂ＋Ｃｕ＋Ａｓ＋Ｎｉ＋Ｍｇ＋Ｃａ＋Ｔ
ａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｒ＋Ｂｅ＋Ｔｌ＋Ｇｅ＋Ｇａ）
（％）の１倍以上添加することにより十分な濡れ性を確
保することが分かる。望ましくは９１％以上を確保する
として１．２５倍以上が好ましい。また、それぞれの添
加元素の含有量は、Ｉｎ：０．０５〜３．０％、Ａｇ；
０．１５〜１０．０％、Ｓｂ：０．０５〜１．５％その
他の第２元素の合計量がＡｇ量以下、であることが好ま
しい。また、Ｓｂに代えてあるいはＳｂとともにＣｕを
添加することもできる。この場合の添加量もしくはＳｂ
との合計量は０．０５〜１．５％である。

【００１６】上記組成のはんだはフローはんだ付の場合
のはんだ槽表面で酸化物生成を促進して、ノロの発生が
多いという問題がある。この対策としては０．００１〜
０．１％のＰを添加することが有効である。

【００１７】以下、説明する実施例においては、耐疲労
性試験の代用試験としてクリープ試験を行った。これは
クリープ試験の破断モードが疲労試験の破断モードと同
じであって、組織粗大化が起こった場所で破断が起こる
ので、耐クリープ性は耐疲労性の評価に使用できること
による。

【００１８】

【実施例】

実施例１ 図４（表１）に示す組成のはんだを用い図５に示すラン
ド部２によりリード線５のはんだ付けを行った。はんだ
付け方法及び広がり率はＪＩＳ Ｚ ３１９７により測
定した。図５に示すはんだ接合構造の仕様は以下のとお
りである。 片面銅張ランド径： φ３．７ｍｍ スルーホール： φ１．７ｍｍ リード線（銅線）： φ１．２ｍｍ はんだ付後８０℃雰囲気で１．２ｋｇの荷重をかけ、破
断するまでの時間測定。耐力荷重は試験後のはんだの面
積を測定し荷重１．２ｋｇを割って求めた。

【００１９】共晶はんだの寿命を１とし、その他のはん
だの寿命を共晶はんだに対して比較した値を図４（表
１）に示す。この結果より、ＩｎとＳｂを複合添加する
クリープ寿命は大幅に長くなるが、広がり率は低下する
ことが分かる。本発明実施例Ｎｏ．２、３、共晶合金
（Ｎｏ．１９）、比較例Ｎｏ２６．２８について横軸に
寿命時間を対数目盛でプロットし、縦軸に応力をプロッ
トすると図６の如く各材質毎にほぼ直線で得られた。Ｎ
ｏ．１９〜２９に比較例を示す。比較例１９は共晶はん
だで広がり率は良いが耐疲労性が良くなくない。比較例
２０〜２４はＡｇ，Ｉｎ，Ｓｂを単独に添加した場合
で、広がり率とクリープ寿命の両方を満足するものはな
かった。比較例２５〜２９はＡｇ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｕを
複合で添加した場合であり、いずれも広がり率とクリー
プ寿命の両方を満足する結果は得られなかった。これに
対して、Ａｇの添加量をそのほかの元素の添加合計量よ
り多くした本発明実施例では広がり率がいずれも９０％
を超え、かつクリープ寿命も６以上という優れた結果が
得られている。

【００２０】実施例２ 下記５種類の合金： １：共晶合金 ２：６３％Ｓｎ−０．７％Ｓｂ−１．０％Ａｇ−１．０
％Ｉｎ ３：６３％Ｓｎ−０．３％Ｓｂ−１．５％Ａｇ−０．５
％Ｉｎ ４：６３％Ｓｎ−０．７％Ｓｂ−１．０％Ａｇ−１．０
％Ｉｎ−０．００５％Ｐ ５：６３％Ｓｎ−０．３％Ｓｂ−１．５％Ａｇ−０．５
％Ｉｎ−０．００５％Ｐ を５００ｋｇ溶解し、溶解炉内にて温度が２５０℃±１
０の状態で、表面は大気に露出された状態で放置しては
んだ浴表面に浮いたカス状の物質（すなわちノロ）をか
き集めて秤量した。その結果得られたノロの累積重量を
次表に示す。

【００２１】 表２ ノロ発生量（ｋｇ） 合金 ２時間後 ４時間後 ８時間後 １ １．９８ ５．０１ ９．５８ ２ １１．８７ １２．６３ １５．１０ ３ ４．６９ １０．１２ １１．７６ ４ ２．４８ ９．５６ １２．８０ ５ ２．１０ ５．００ ８．６０

【００２２】この表より，Ａｇ，ＩｎとＳｂの添加はノ
ロの発生を多くするが、Ｐの微量添加によりノロが少な
くなることが分かる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると耐
疲労性がに優れ、且つ濡れ性に優れたはんだ材料を提供
することにより、はんだの濡れ不良による接合不良が大
幅に提言することができ、基板と部品とのはんだ付けの
信頼性を大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子部品のはんだ付けの例を説明する図面であ
る。

【図２】共晶はんだに加えられた単独金属元素が広がり
率に及ぼす影響を示すグラフである。

【図３】共晶はんだに加えられたＩｎ，Ｓｂ，Ａｇが広
がり率に及ぼす影響を、横軸をＡｇ／（Ｉｎ＋Ｓｂ）比
率として示すグラフである。

【図４】実施例１における組成および性能を示す図表
（表１）である。

【図５】クリープ試験に供したはんだ接合構造の図であ
る。

【図６】クリープ試験における破断時間（ｈ）と応力
（ＭＰａ）の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ランド部 ３ リード線 ４ はんだ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 靖久 愛知県豊田市緑ケ丘３丁目65番地 大豊工 業株式会社内 (72)発明者 石田 英樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 成田 雄彦 愛知県名古屋市緑区鳴海町字長田75−１ソ ルダーコート株式会社内 (72)発明者 原 四郎 愛知県名古屋市緑区鳴海町字長田75−１ソ ルダーコート株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金において、Ａｇ
   及びＢｉの１種または２種からなる第１元素の含有量
   （重量％）がＩｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ａｓ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃ
   ａ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂｅ，Ｔｌ，Ｇｅ及びＧ
   ａの１種または２種以上からなる第２元素の含有量（重
   量％）と等しいかあるいは第２元素の含有量より多いこ
   とを特徴とする濡れ性に優れたはんだ材料。
2. 【請求項２】 Ｐｂの含有量が１９．８〜６０重量％で
   あり、Ｓｎの含有量が４０〜８０重量％である請求項１
   記載の濡れ性に優れたはんだ材料。
3. 【請求項３】 第１元素の含有量が０．１〜１５重量％
   であり、第２元素の含有量が０．０５〜１５重量％であ
   る請求項１または２記載の濡れ性に優れたはんだ材料。
4. 【請求項４】 第２元素がＩｎ及びＳｂである請求項３
   記載の濡れ性に優れたはんだ材料。
5. 【請求項５】 Ｉｎ：０．０５〜３．０％、Ａｇ：０．
   １５〜１０．０％、Ｓｂ及びＣｕの１種または２種：
   ０．０５〜１．５％、Ｐｂ；３５〜５０％、Ａｓ、Ｎ
   ｉ、Ｍｇ、Ｃｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ｔ
   ｌ、Ｇｅ及びＧａの１種または２種以上；下記含有量、
   Ｓｎ：残部からなり、Ａｇ％≧（Ｉｎ％＋Ｓｂ％＋Ｃｕ
   ％＋：＋Ａｓ％＋Ｎｉ％＋Ｍｇ％＋Ｃａ％＋Ｔａ％＋Ｔ
   ｉ％＋Ｚｎ％＋Ｓｒ％＋Ｂｅ％＋Ｔｌ％＋Ｇｅ％＋Ｇａ
   ％）を満足する成分比を有することを特徴とする濡れ性
   に優れたはんだ材料。
6. 【請求項６】 Ｐ：０．００１〜０．１％をさらに含有
   することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１
   項記載の濡れ性に優れたはんだ材料。