JPH10193172A - 鉛を含まない鑞組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた疲労抵抗およびクリープ抵抗を有する
鉛を含まない鑞組成物 【解決手段】 Ｓｎ：９１．５〜９６．５重量％、Ａ
ｇ：２〜５重量％、Ｎｉ：０．１〜３重量％、およびＣ
ｕ：０〜２．９重量％を含み、溶融温度が２２０℃以下
であり、熱サイクル後の結晶粒の成長に抵抗する、Ｓｎ
−Ｎｉ、Ｓｎ−ＣｕおよびＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合
物相から成る均一に分散した微細結晶粒を含むマイクロ
組織を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、錫（Ｓｎ）、銀
（Ａｇ）、およびニッケル（Ｎｉ）、および必要に応じ
て銅（Ｃｕ）を含む電気鑞組成物に係り、特に、Ｓｎ：
９１．５〜９６．５％、Ａｇ：２〜５％、Ｎｉ：０．１
〜３％、およびＣｕ：０〜２．９％を含み、溶融温度が
２２０℃以下である電気鑞組成物に関するものである。
なお、組成表示は重量％である。

【０００２】

【従来の技術、および発明が解決しようとする課題】鉛
を含まない電気鑞材を製造することが知られている。鉛
は、その取り扱いおよび処分が製造コストおよび複雑さ
を増す有毒材料であることが判っている。鉛を含まない
多数の電気鑞材が提案されている。これらの鑞材は、一
般に、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂ
ｉ）、銀（Ａｇ）、およびその他の各種材料を含んでい
る。鉛を含まない鑞材の概要を表１に示す。

【０００３】

【表１】

【０００４】米国特許第４７５８４０７号明細書は、Ｓ
ｎ：９２．５〜９６．９％、Ｃｕ：３〜５％、Ｎｉ：
０．１〜２％、およびＡｇ：０〜５％から成る配水管取
付け用鑞組成物を教示している。銅製チューブと真鍮製
パイプと取付具とを結合するために、広い溶融範囲を有
すると記載されている。この鑞組成物は飲用水に晒され
る、堅固な嵌合式鑞継手を有する配水管取付け用として
特に適していることが判った。米国特許第４７５８４０
７号明細書に開示されている配水管取付け用鑞材は広い
溶融範囲を有し、取付具間で容易に流れるように組成さ
れる。下側ベース材料（配水管取付け用金属製定着物）
は高温の溶融温度に容易に絶えることができるので、一
般に、この鑞組成物は電気鑞材よりも非常に高い温度で
溶融する。一方、通常電気鑞材は基体と電気部品を保護
するために、狭い溶融範囲と低い溶融温度を有すべきで
ある。また、以下に十分に説明されているように、３％
を超える量のＮｉおよびＣｕは、共晶マイクロ組織の利
点を減じ、熱サイクル後の鑞材強度を低下させる。

【０００５】米国特許第４０１１０５６号は、Ａｇ：３
５〜４８％、Ｚｎ：２５〜３５％、Ｃｕ：３〜５％、Ｓ
ｎ：０．５〜３．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．４％、Ｎ
ｉ：０〜１％、Ｐｄ：０〜１％と、およびＰ：０〜０．
５％から成る鑞材、すなわち鑞組成物を開示している。
高含有量のＡｇは、この組成物を、大量使用の電気鑞材
向けとして不適切にする。さらに、鑞材中の高含有量の
Ｚｎは腐食問題を生じる。高溶融温度のために、この鑞
組成物は電気的用途に使用できない。

【０００６】米国特許第３６０７２５３号は、鉛と同様
に有毒なカドミウム（Ｃｄ）を含む鑞組成物を教示して
いる。カドミウムは、作業および取り扱いの双方が困難
であり、危険な廃棄物が生じる。

【０００７】米国特許第４８０６３０９号および第１５
６５１１５号は、比較的高温の溶融温度と広い溶融範囲
とを有する鑞組成物を提示している。また、米国特許第
１５６５１１５号の鑞組成物は、ＡｕとＰｄを含んでい
るため高価である。

【０００８】米国特許第４７９７３２８号、第３１５７
４７３号、第５４５５００４号、第５４２９６８９号、
第５３４４６０７号、第５３２８６６０号および第４２
１４９０３号に開示されたものは、全て、多量のインジ
ウムを含んでいる。インジウムは非常に高価であり、限
られた鉱物資源である。一般に、多量のインジウムを有
する鑞材は、本発明で予想されているように、大量生産
用には不適切である。

【０００９】現在、大多数の電子装置製造作業では、そ
の溶融温度が１８３℃である共晶錫−鉛鑞材（Ｓｎ：６
３％−Ｐｂ：３７％）を使用している。鉛を含まず、し
たがって、使用者および環境に毒性の少ない鑞材を確定
することが有用である。

【００１０】通常の鉛を含まない代替物中で、（米国特
許第３５０３７２１号明細書に開示されている）共晶９
６．５％Ｓｎ−３．５％Ａｇ鑞材が好ましいとされてい
る。理由は、優れた延性、疲労抵抗（温度変化からの膨
張および収縮による）およびクリープ抵抗を有するから
である。共晶Ｓｎ−Ａｇ鑞材は、当初良好に作用する
が、一般に、熱サイクルを受けたときに結晶粒の成長を
経験する。結晶粒の成長（粗大化）はクリープ抵抗と疲
労抵抗を減じる。Ｎｉ、および必要に応じてＣｕを、少
量、合金に添加すると両特性が向上し、狭い溶融温度範
囲を示す。これは、長時間の熱サイクルに絶えることが
できるために、自動車用電子装置用に特に好適である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、Ｓｎ：
９１．５〜９６．５％、Ａｇ：２〜５％、Ｎｉ：０．１
〜３％、およびＣｕ：０〜２．９％（範囲下限値のゼロ
を含む）を含み、溶融温度が２２０℃以下である電気鑞
組成物が提供される（含有量は重量％で示している）。
鑞組成物は、熱サイクルによる粗大化に対し大きな抵抗
力を有するＳｎ−Ｎｉ金属間化合物の均一に分散した微
細結晶粒を有する。また、Ｃｕを含む鑞組成物は、Ｓｎ
−ＣｕおよびＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物相の微細結
晶粒を含む。

【００１２】好ましい熱伝導性および電導性と、満足で
きる機械的特性とを示す鑞材を提供することも本発明の
望ましい特徴である。本発明の他の特徴は、大量生産用
に合理的な供給が可能な鉛を含まない鑞組成物を提供す
ることである。下記説明を参照すれば、本発明のこれら
の利点およびその他の利点、特徴および目的がより確に
なるだろう。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、優れた疲労抵抗および
クリープ抵抗を有する鉛を含まない鑞材に関する。特
に、自動車用として一般に見受けられる広い温度変化に
晒される電気部品の耐久性および損傷抵抗を有する電気
結合部を提供することに関する。鑞材の耐久性を測定す
るための一般的な自動車試験では、この結合部を、通
常、マイナス（−）４０〜１２５℃の大きな温度変化に
晒す。この加速された試験において、温度変化が１千回
を超えて反復される。加熱から冷却への各サイクルは、
基体と電子部品と金属リードと鑞材とを膨張、収縮させ
る（熱膨張係数が非常に異なることが多い）。

【００１４】加熱および冷却の反復サイクルは、鑞結合
部に疲労を生じ、取付けを弱体化する。弱体化が広範囲
である場合、結合部は、鑞材の割れにより損傷し、部品
は使用不能となる。下記理論に拘束されることは望まな
いが、熱サイクルは鑞材のマイクロ組織を粗大化すると
考えられる。より粗大化した結晶粒組織は、疲労抵抗を
減じ、熱機械的荷重の下に鑞材を割れの発生および増大
を受入れやすくする。Ｓｎ−Ａｇ合金中に少量のＮｉお
よびＣｕを含むことにより、Ｓｎ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、
および、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物相が形成され
る。微細結晶粒組織を有するこれらの追加相は、結晶粒
の粗大化に抵抗する傾向を有する。

【００１５】標準的な９６．５Ｓｎ−３．５％Ａｇから
成る鑞材を超える好ましい特性を有することが判ってい
る鑞組成物は、錫（Ｓｎ）：９１．５〜９６．５％、銀
（Ａｇ）：２〜５％、ニッケル（Ｎｉ）：０．１〜３
％、および銅（Ｃｕ）：０〜２．９％を含む（いずれも
重量％である）。

【００１６】試料組成物の形成 試料鑞材が、十分に確立された方法を使用して形成され
た。高純度金属が出発材料として使用された。これらの
高純度金属は、Ｓｎ９９．９９＋％のショット（ｓｈｏ
ｔｓ：微細粒）と、９９．９９＋％のＮｉ、Ｃｕおよび
Ａｇから成るワイヤ小片とを含むものであった。これら
の成分は予め定められた割合で混合された。アルミナ製
るつぼが使用された。成分は、酸化を防止するために、
流動Ｎ₂雰囲気下、チューブ炉内で溶融された。２０分
以内の間、合金が溶融状態に保持され、均質化のため撹
拌された。熱電対で炉温度が測定され、チャートレコー
ダーで記録された。

【００１７】下記試料は、以下に示した割合で各出発材
料を混合して形成された。

【００１８】化学組成

【表２】

【００１９】試料は、各合金インゴットから選択され、
化学分析のために提出された。結果は、最終合金組成が
出発組成に近似していることを示している。

【００２０】金属組織学および電子顕微鏡検査法を使用
する金属学的検査が各試料について実施された。先行技
術合金Ｎｏ．１は、融点２２１℃の２元共晶組成を示し
た。この合金は、Ｓｎ相とＳｎ−Ａｇ金属間化合物相と
から成る共晶マイクロ組織を示す。これら２つの相は、
鑞材が熱サイクルを受けたときに粗大化する。熱サイク
ルは、限界温度間（通常、マイナス（−）４０℃〜１２
５℃）で、鑞接部品を時効処理するプロセスである。こ
れら２相のより粗大化した結晶粒は、結合部における割
れの発生および伝播に対する鑞材の抵抗力を弱める。

【００２１】合金２、合金３は、それぞれ０．５％およ
び１％のＮｉを含む。追加成分が、結果として生成され
る３成分合金系の自由エネルギーを減少するため、少量
のＮｉは、合金の融点を低下する。合金２、合金３は、
主に、Ｓｎ富有相と、分散したＳｎ−ＡｇおよびＳｎ−
Ｎｉ金属間化合物とから成る。均一に分散したＳｎ−Ｎ
ｉ金属間化合物相から成る針状微細結晶粒が長結晶粒と
して現れる。

【００２２】合金４〜合金７は、０．５〜２．０％のＣ
ｕを含む。Ｃｕの添加は、Ｓｎ−Ｃｕ−ＮｉおよびＳｎ
−Ｃｕ金属間化合物相の分散した平板状結晶粒の形成を
生じる。共晶Ｓｎ−Ａｇにおける多量のＮｉおよびＣｕ
は、合金中のこれらの金属間化合物の結晶粒サイズを漸
進的に増す。

【００２３】少量のＮｉおよびＣｕを含むことは、結晶
粒成長の制御を介して疲労／クリープ抵抗を高める上で
有用である。金属間化合物粒子は結晶粒の成長を阻害し
かつ結晶粒の粗大化を遅らせると考えられる。したがっ
て、この鑞材の他の特徴は、熱時効化後の安定性であ
る。この長時間の熱安定性は、自動車応用例で使用され
る鑞結合部に必須である。

【００２４】示差走査熱量（ＤＳＣ）分析 試料は、ＤＳＣ分析のために、各合金インゴットから選
択された。表２の合金の溶融温度は、示差走査熱量（Ｄ
ＳＣ）分析により決定された。この分析は、所定の加熱
／冷却速度（５℃／分）で流動Ｎ₂ 雰囲気の下、デユポ
ンＤＳＣ２９１０システムを使用して実施された。ＤＳ
Ｃ曲線の特徴温度が、上記表２に要約されている合金の
溶融温度を決定するために分析された。

【００２５】マイクロ組織分析 マイクロ組織分析が、化学エッチング、光学顕微鏡検査
法、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクロプローブおよ
びＸ線回折（ＸＲＤ）を使用して実施された。開示され
た合金の好適エッチング剤としては、希釈塩酸溶液を含
む。

【００２６】これらの合金のマイクロ硬度がマイクロ硬
度テスターで測定された。０．５秒間、荷重２５ｇにて
各試料に３０回の測定が行われ、各試料の平均値が測定
された。（ヌープ硬度番号またはＫＨＮで表された）硬
度の結果が上記表２に要約されている。

【００２７】合金のマイクロ組織が走査型式電子顕微鏡
で検査され、その結果が下記表に要約されている。

【００２８】

【表３】 合金番号 マイクロ組織 １（従来技術）Ｓｎ相とＳｎ−Ａｇ金属間化合物相とから成る共晶マイクロ組織 ２ 共晶Ｓｎ−Ａｇ中にＳｎ−Ｎｉ金属間化合物相から成る分散した 小さな針状粒子 ３ 共晶Ｓｎ−Ａｇ中のＳｎ−Ｎｉ金属間化合物相から成る分散した 長い針状粒子 ４ Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物相から成る分散した小さな粒子および共 晶Ｓｎ−Ａｇ中のＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物相から成る小さ な粒子 ５ Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物相から成る分散した小さな粒子および共 晶Ｓｎ−Ａｇ中のＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物相から成るより 大きな粒子 ６ Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物相から成る分散した小さな粒子および共 晶Ｓｎ−Ａｇ中のＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物相から成る平板 ７ Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物相から成る分散した小さな粒子および共 晶Ｓｎ−Ａｇ中のＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物相から成るより 大きな平板

【００２９】Ｓｎ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、およびＳｎ−Ｎ
ｉ−Ｃｕ金属間化合物相の形成は、粒子の成長を抑制す
る。微細結晶粒組織は割れの増大に抵抗しかつ破断の蓋
然性を低下させるため、この長期間の微細結晶粒マイク
ロ組織は、クリープ抵抗と疲労強度とを増大することに
より、耐久性のかぎであると考えられる。３％を超える
含有量のＮｉまたはＣｕは、共晶マイクロ組織の利点を
減じ、溶融温度範囲を増大させる。

【００３０】適用 合金２〜合金７は、無毒かつ製造容易であることが判っ
た。これらの合金は、有毒または危険な廃棄物をほとん
ど生成せず、製造および使用のために既存市販装置を利
用した。銀含有量が比較的少ないために、合金は、低コ
ストで商業的大量生産に適している。

【００３１】これらの組成物から形成された鑞材は、
（リフロー鑞付けにおけるような）ペースト状か、また
は、その代わりに、（ウエーブ（波動状）鑞付けにおけ
るような）棒状鑞材の形態のいずれかで使用することが
できる。通常の鑞付けプロセス（リフロー、ウエーブ鑞
付けおよびその他）は、これらの鑞組成物で使用するこ
とができる。各場合において、鑞付けピーク温度は、一
般的に、鑞合金の溶融温度を超える少なくとも１０〜１
５℃、または、好ましくは、１５〜３０℃である。

【００３２】異なる合金は、少量（１重量％未満）の、
たとえば、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、ＣｅおよびＺｎのような
その他の成分を含むことにより、機械的および物理的特
性をさらに改善する上で適している。ＢｉまたはＩｎの
添加は、これらの鑞材の溶融温度を低下させる。２．５
％以下のＡｕの添加は合金の延性と強度とを改善する。

【００３３】本発明を実施するための最良の形態につい
て詳細に説明したが、当業者であれば、添付特許請求の
範囲で規定されている本発明を実施するための各種変形
形態を認識するだろう。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｎ：９１．５〜９６．５％、Ａｇ：２
   〜５％、Ｃｕ：０〜２％（範囲下限値のゼロを含む）、
   およびＮｉ：０．１〜２％を含み、溶融温度が２２０℃
   以下である電気鑞組成物。