JPH10225790A - 半田付け用無鉛合金 - Google Patents

半田付け用無鉛合金

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    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛を含有せずに融点、半田付けの強度及び寿
命が優れて鉛の含有された半田付けを代替することによ
り、半田付け時に鉛による人体の被害を防止し、金属酸
化物の発生量を減少させて電子回路基板の接合時に不良
率を低くする半田付け用無鉛合金を提供する。 【解決手段】 ビスマス(Bi)0.1-5.0重量％、銀(Ag)0.1
-5.0重量％、アンチモン(Sb)0.1-3.0重量％、銅(Cu)0.1
-5.5重量％、燐(P)0.001-0.01重量％、ゲルマニウム(G
e)0.01-0.1重量％、及びその残りはすず(Sn)からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半田付け用無鉛合
金に係るもので、詳しくは鉛を含有しない合金により半
田付けが行われるようにして、鉛中毒による人体被害を
防止し、金属酸化物の発生量を減少させて電子回路基板
の接合時に不良率を低下させ、且つ廃鉛発生量を顕著に
減らし得る半田付け用無鉛合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常、半田付けは、半田を溶融して金属
を接合させる方法であって、その半田付け用材料として
は接合する金属よりも溶融温度の低い金属を使用し、そ
の種類は鉛(Pb)の溶融温度(327℃)よりも低い温度で溶
融される軟鉛と、溶融温度が大抵450℃以上である硬鉛
とに大別される。
【０００３】前記軟鉛は低温で溶融されるから、半田付
けの作業が容易であるが、機械的強度が弱くて、多くの
応力が作用しない部分、及び鋼鉄、黄銅、銅又はニッケ
ルなどの薄い板材、又は細い線材、ブリキ板、及びトタ
ン板、又は銅合金などの製品に使用されている。
【０００４】前記軟鉛は鉛(Pb)とすず(Sn)の合金が使用
され、各成分の含有量に従い引っ張り強度及びせん断強
度がそれぞれ異なって現われる。そして、硬鉛は、粉
末、バンド又はワイヤなどの形状に形成され、銅、亜
鉛、及び鉛が主成分である黄銅鉛と、銀を添加して流動
性が良好である銀鉛と、がある。
【０００５】鉛半田付けの作業は、接合部に塩酸を張
り、加熱された半田ごての先端に塩酸水を付けた後、鉛
を溶かして半田付けを行い、硬半田付けはトーチランプ
又はガスで加熱して半田付けを行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】然るに、このような従
来の半田は、主成分として鉛を10-75％含有し、よっ
て、半田付けの作業時に半田の溶融により発生される有
毒なガスに作業者が露出されて、人体に致命的な悪影響
を与える。
【０００７】このような問題点を解決するため本発明の
目的は、鉛を含有せずに融点、半田付けの強度及び寿命
が優れて鉛の含有された半田付けを代替することによ
り、半田付け時に鉛による人体の被害を防止し、金属酸
化物の発生量を減少させて電子回路基板の接合時に不良
率を低くする半田付け用無鉛合金を提供しようとするも
のである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明は、ビスマス(Bi)0.1-5.0重量％、銀(Ag)
0.1-5.0重量％、アンチモン(Sb)0.1-3.0重量％、銅(Cu)
0.1-5.5重量％、燐(P)0.001-0.01重量％、ゲルマニウム
(Ge)0.01-0.1重量％、及びその残りはすず(Sn)からな
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に対し
説明する。本発明に係る無鉛合金は、半田付けの基本組
成物質のすずと鉛の中で猛毒性の鉛を使用せず、半田付
けに比べ一層向上された半田付け性質を有する合金であ
る。
【００１０】又、本発明に係る無鉛合金は、IC及びチッ
プ(chip)のような電子部品をPCB(Printed Circuit Bo
ard)及び多層回路基板のランド(LAND)又はパッド(PAD)
と接合させる時に非常に有用に使用される。このような
接合時に関係された工程(process)は化学的、冶金学的
反応により行われ、溶融された半田付けと接合される金
属材料の間に金属間化合物(intermetallic compound)
が形成される。即ち、従来半田の場合、半田付けの途中
に半田の主成分であるすずと鉛の中で、すずが、ランド
（ＬＡＮＤ）の構成材料の銅と金属間化合物のCu3Sn又
はCu6Sn5を形成する。このような金属化合物により半田
付けとランド(LAND)の接合反応が行われる。このとき、
鉛は銅とすずがよく結合するようにして二元化化合物を
作るように助長させ、二つの金属の反応温度を落として
溶融温度を低下させる役割を行う。
【００１１】このようにすずと鉛よりなる従来の半田付
けで鉛を除去すると、溶融温度は上昇し、すずを単独に
使用する場合、すずがβ→αに変態するに従い、強度は
上昇するが、衝撃強度は劣化する。従って、本発明は、
ビスマス(Bi)を全体組成において0.1-5.0重量％を含有
して半田付けの溶融温度の固相線(solidus line)を落
とす役割を行う。
【００１２】しかし、ビスマスの自体が脆性素材である
から、本発明ではアンチモンを0.1-3.0重量％になるよ
うにすずの中に分散させて、すずの溶融時β→αへの変
態を防止し、すず-ビスマス合金の脆性の性質も改善さ
せる。アンチモンとビスマスとは完全に混合する性質が
あるから、アンチモンの添加に従う不作用は、ある限定
までは発生しない。
【００１３】そして、接合強度を高めるため本発明で
は、銀(Ag)を0.1-5.0重量％になるように添加するが、
銀は原子半径が小さいから、合金の溶融中に接合母材へ
の拡散速度を速くして、半田付け合金と母材金属との接
合強度を高める作用をする。銅の添加は接合母材の同一
成分として接合強度を上昇させるに役をたつが、その含
量は全体組成において0.1-5.5重量％である。
【００１４】一方、本発明は、鉛を含有しない代わり
に、多量のすずを含有するが、これにより金属酸化物の
発生量が増加するという問題点がある。従って、ゲルマ
ニウム(Ge)0.01-0.1重量％と燐を0.001-0.01重量％添加
するが、ゲルマニウム及び銀は酸素と結合して現れる金
属酸化物の発生を抑制させ、半田付け接合部が熱変形及
び応力に耐える熱疲労特性を向上させ、且つ結晶粒子の
粗大化を抑制して半田付け接合部のクラック発生を減ら
し、信頼性を確保し得るようにする。又、半田付けを構
成する金属の金属酸化物の発生を減少させて半田付け作
業性を向上させ、ブリッジ、冷鉛又は微鉛のような半田
付け不良発生原因を根元的に減らすのに重要な役割を行
う。
【００１５】このような各成分の作用により本発明の合
金は鉛を含有せず、従来の半田付け合金と比較して優れ
た特性を示す。以下、本発明を実施例に基づき詳しく説
明すると次のようであり、本発明が実施例により限定さ
れるものではない。
【００１６】
【実施例１】ビスマス6.0重量％、銀1.5重量％、アンチ
モン0.4重量％、銅0.1重量％、燐0.03重量％、ゲルマニ
ウム0.003重量％、及びその残りはすずからなる半田付
け無鉛合金を製造した。
【００１７】
【実施例２】ビスマス7.0重量％、銀2.0重量％、アンチ
モン0.8重量％、銅0.5重量％、燐0.02重量％、ゲルマニ
ウム0.004重量％、及びその残りはすずからなる半田付
け無鉛合金を製造した。
【００１８】
【実施例３】ビスマス8.5重量％、銀2.5重量％、アンチ
モン1.0重量％、銅1.0重量％、燐0.04重量％、ゲルマニ
ウム0.008重量％、及びその残りはすずからなる半田付
け無鉛合金を製造した。
【００１９】
【実施例４】ビスマス6.0重量％、銀1.5重量％、アンチ
モン0.4重量％、銅0.1重量％、燐0.01重量％、ゲルマニ
ウム0.001重量％、及びその残りはすずからなる半田付
け無鉛合金を製造した。
【００２０】
【実施例５】ビスマス7.0重量％、銀2.0重量％、アンチ
モン0.8重量％、銅0.5重量％、燐0.05重量％、ゲルマニ
ウム0.005重量％、及びその残りはすずからなる半田付
け無鉛合金を製造した。
【００２１】
【実施例６】ビスマス8.5重量％、銀2.5重量％、アンチ
モン1.0重量％、銅1.0重量％、燐0.1重量％、ゲルマニ
ウム0.01重量％、及びその残りはすずからなる半田付け
用無鉛合金を製造した。
【００２２】
【比較例】すずが63重量％、鉛が37重量％の半田付けを
製造した。
【００２３】
【実験例】前記実施例１乃至６により製造された半田付
け用無鉛合金と比較例による半田付けとの融点、酸化
量、半田付け強度及びクリープ寿命を次の表のように比
較して示した。
【００２４】
【００２５】前記表に示すように、本発明により製造さ
れた半田付け用無鉛合金が従来使用された比較例の半田
よりも融点、半田付け強度、及びクリープ寿命では優れ
たことがわかり、酸化量においては実施例1-4が優れ、
実施例５は同一に現われることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、半田付け
用無鉛合金はすずを主成分にし、ここに銅、銀、ビスマ
ス、アンチモン、燐、及びゲルマニウムを添加して成さ
れることにより、鉛を使用せずに従来の半田よりも一層
向上された融点、酸化量、半田付け強度、及びクリープ
寿命を得、合金中に鉛を含有しないことにより、半田付
け時に発生されるガスなどによる人体に与える悪影響を
最小化し得るという効果がある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ビスマス(Bi)0.1-5.0重量％、銀(Ag)0.1
    -5.0重量％、アンチモン(Sb)0.1-3.0重量％、銅(Cu)0.1
    -5.5重量％、燐(P)0.001-0.01重量％、ゲルマニウム(G
    e)0.01-0.1重量％、及びその残りはすず(Sn)からなる半
    田付け用無鉛合金。
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