JPWO2003020468A1 - 無鉛半田合金およびそれを用いた電子部品 - Google Patents

Abstract

銅または銅の合金を芯線とする絶縁被膜電線を用いて構成され、隣接する端子間の間隔が狭い電子部品において、前記絶縁被膜電線と前記端子とを半田付けする際に、断線を防止し、かつ、端子間が短絡するブリッジ現象の発生を防止する。銅（Ｃｕ）：３．０〜５．５ｗｔ％と、ニッケル（Ｎｉ）：０．１〜０．５ｗｔ％およびゲルマニウム（Ｇｅ）：０．００１〜０．１ｗｔ％のを含み、残部が錫（Ｓｎ）からなる無鉛半田合金により銅を母材とする絶縁被膜電線と端子部（接続部）との半田付けを行う。

Description

技術分野
本発明は、鉛（Ｐｂ）を含まない半田合金、すなわち無鉛半田合金とそれを用いた電子部品に関するものである。
背景技術
従来、電子部品の内部での電気的接続あるいは電子部品を回路基板に接続するための半田として鉛を多く含む錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）系半田合金が多用されていた。
近年、鉛の有害性が問題視され、その使用を法的に制限することが検討されている。このため、Ｓｎ−Ｐｂ系半田合金に替わるものとして鉛の含有量を極端に少なくした半田合金あるいは鉛成分を全く含まない無鉛半田合金の開発が急がれている。
無鉛半田合金の例としては、例えば、日本特許第３０３６６３６号及び米国特許第４７５８４０７号が挙げられる。
特許第３０３６６３６号は、電子部品を電子機器の回路基板に接着するための無鉛半田合金に関するものであり、錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）合金の銅成分の一部をニッケル（Ｎｉ）で置換したもので、その成分比をＣｕ：０．００５−２０ｗｔ％，Ｎｉ：０．００１−２０ｗｔ％，Ｓｎ：残部、とすることによって前記接着部分の機械的強度を高めることを目的としている。
この半田合金は、上述のように、電子部品を回路基板の導体部に接着するためのリフローに用いられており、その使用温度（半田付け時の温度）は２３０℃程度である。
また、米国特許第４７５８４０７号は、水道配管に用いている鉛管から飲料水に鉛やカドミウムが溶出するのを防止するため、水道配管として銅管、真鍮管を用いることを提唱しており、該特許はこれらの銅管、真鍮管およびこれらを継ぎ足すための接続継ぎ手とを溶接するための半田合金に関するものである。
なお、この半田合金の主成分は錫（Ｓｎ）または錫（Ｓｎ）とアンチモン（Ｓｂ）であり、いずれの半田合金も鉛（Ｐｂ）およびカドミウム（Ｃｄ）を含まない。
ここで、錫主体の半田合金の組成は、Ｓｎ：９２．５−９６．９ｗｔ％，Ｃｕ：３．０−５．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．１−２０ｗｔ％，Ａｇ：０．０−５．０ｗｔ％である。
また、錫−アンチモン主体の半田合金の組成は、Ｓｎ：８７．０−９２．９ｗｔ％，Ｓｂ：４．０−６．０ｗｔ％，Ｃｕ：３．０−５．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．０−２．０ｗｔ％，Ａｇ：０．０−５．０ｗｔ％となっている。
また、この半田合金の溶融温度は２４０℃前後から３３０℃前後であるがこの半田合金は、例えば、家庭用給湯器の給水配管として利用する銅管、真鍮管、およびこれらの継ぎ手の溶接に用いるものであるから、溶接時の作業性等を考慮した場合、その半田合金の溶融温度は低い方がよい。
ところで、電子部品の中には、線状または細い帯状の電気導体（以下、巻線材という）を巻回して形成した高周波コイルやトランス（以下、コイル部品という）がある。そして、これらコイル部品の巻線材としては、銅芯線にエナメルやウレタン等を塗布して絶縁被膜を施した絶縁被膜電線が使用されている。
上記のコイル部品において、ボビン等に巻回した巻線材の引出し端末部はボビンに設けられた端子等の電極部と電気的に接続するための半田付けが行なわれる。端子等と巻線材の引出し線端末部とを半田付けにより電気的に接続するには、上記引出し線端末部の絶縁皮膜材を除去することが必要である。一般に、前記絶縁被膜電線の絶縁被膜材を除去する方法としては、機械的に削り取る方法、薬品により溶解する方法、高温加熱により分解したり溶解したりする方法がある。
従来から多く利用されている方法は高温加熱による方法が採用されている。
コイル部品の製造は、巻線材の引出し線端末部を端子に絡げた後、この絡げ部分を高温に加熱された半田浴槽中に浸漬させることにより行なわれており、半田液の熱で巻線材の絶縁皮膜材を溶解除去すると同時に半田付けが行なわれる。
前記引出し端末と端子との絡げ部を半田付けする際に、銅成分を含まない無鉛半田合金を使用した場合、前記絡げ部が溶融半田（半田液）に接触している間、絶縁被膜電線（巻線材）の母材となっている銅が半田液中に溶解して痩せ細る「銅食われ」と呼ばれる現象が起こる。この「銅食われ」現象は、上記コイル部品のような電子部品において断線事故を引き起こす大きな要因となっている。
この現象は半田液の溶融温度が高いほど、前記半田液の中に溶け込む銅の量が多くなり、また、銅が溶ける速度も速くなる。従って、巻線材の線径が細くなるにつれて上記断線事故が起こり易くなる。
一方、「銅食われ」現象を防止するために、一般的に前記無鉛半田合金に微量の銅を添加する手段が知られているが、銅の含有量が多くなり過ぎると、溶融半田（半田液）の粘性が高くなり、半田付けをする際に、隣接する端子の間等の半田付けを行う部分に必要以上に半田が付着して端子同士が電気的に短絡するブリッジ現象が発生したり、鍍金厚（半田の付着量）が不均一になったり、濡れ性が悪くなる等の不具合が発生する。
ブリッジ現象は、電子部品が小型化され、隣接する端子間の間隔（ピッチ）が狭くなるほど起こりやすくなる。
しかし、前記無鉛半田合金の「銅食われ」を少なくするために、溶融半田の溶融温度を低くすると巻線材の引出し端末のエナメルやウレタンなどの絶縁被膜材が完全に溶解せず、前記絡げ部分に前記被覆材の残渣が付着して半田付けが不完全となり、導通不良を起こす要因となる。また、前記残渣は、上記ブリッジの発生要因ともなっている。
本発明者等は先に錫（Ｓｎ）に適量の銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）を添加した無鉛半田合金において、ニッケル（Ｎｉ）を添加することによって「銅食われ」を予防でき、また、該無鉛半田合金の半田付け後の機械的強度が増すことを見出した。
しかし、この無鉛半田合金においても「銅食われ」現象を十分に予防するためには、銅の含有量を多くすることが好ましいが、銅の含有量が多くなるにしたがって、半田合金の溶融時の粘性が大きくなり、半田液の切れが悪くなる。したがって、上記したような隣接する端子間の間隔（ピッチ）が狭い小型のコイル部品のような電子部品を半田付けする場合には、ブリッジ現象が発生し易くなる。
したがって、本発明は、錫−銅−ニッケル系無鉛半田合金の「銅食われ」を抑制する性質を十分に維持するとともに、溶融半田（半田液）の粘性を低くした無鉛半田合金を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、銅（Ｃｕ）：３．０〜５．５ｗｔ％と、ニッケル（Ｎｉ）：０．１〜０．５ｗｔ％およびゲルマニウム（Ｇｅ）：０．００１〜０．１ｗｔ％を含み、残部が錫（Ｓｎ）である無鉛半田合金に関する。
また、本発明は、芯部が銅または銅を含有した合金で構成され、該芯部に絶縁被膜を施した導体を用いた電子部品において、前記導体同士または前記導体と該電子部品の他の部位とを、銅（Ｃｕ）：３．０〜５．５ｗｔ％と、ニッケル（Ｎｉ）：０．１〜０．５ｗｔ％およびゲルマニウム（Ｇｅ）：０．００１〜０．１ｗｔ％を含み、残部が錫（Ｓｎ）である無鉛半田合金により半田付けしたことを特徴とする電子部品に関する。
すなわち、本発明は、錫に銅とニッケルを添加した無鉛半田合金において、ニッケルの添加量を一定の範囲とするとともに、銅の添加量を一定の範囲に設定し、さらに、一定の範囲のゲルマニウムを添加したことによって、無鉛半田合金を用いてコイル部品を半田付けする際の「銅くわれ」現象に起因する断線事故を予防するとともに、前記コイル部品の端子間でのブリッジ現象の発生を低減することができる無鉛半田合金に関する。
本発明の無鉛半田合金は、隣接する端子との間隔が狭い、いわゆるファインピッチの電子部品、特に、芯部が銅または銅を含有した合金で構成され、その表面に絶縁被膜を施した絶縁被膜導線を用いた電子部品における前記絶縁被膜導線同士または前記絶縁被膜導線と他の部位との半田付けに好適である。
発明を実施するための最良の形態
巻線材として、銅芯線にエナメルやウレタンを塗布して絶縁被膜を施した絶縁被膜電線を使用したコイル部品の一例を図１、図２および図３に示す。
図１、図２および図３において、１は高周波トランスのボビンで、対向する両端には端子台２を備えている。３は端子台２に一定の間隔を置いて並列して植設された端子、４はボビン１に巻回された絶縁被膜電線（巻線材）、５は絶縁被膜電線４の引出し端末であり、それぞれ、端子台２に配列された各端子３の根元部に絡げられている。引出し端末５と端子３は半田６により電気的に接続されている。
図３においてＢｒｄは隣接する端子３の間に過剰な半田が付着して生成するブリッジ状態を示す。なお、前記端子３には鋼の芯線の表面に銅メッキを施したＨＣＰ線あるいは鉄の芯線の表面に銅メッキを施したＣＰ線が多く用いられている。
ここで、端子３と巻線材の引出し端末５とを電気的に接続するためには、該引出し端末５の絶縁被膜材を除去する必要がある。絶縁被膜材を除去する方法は、前述したように、機械的に削り取る方法、薬品により溶解する方法，高温加熱により分解したり、溶解したりする方法がある。本発明においては、高温加熱により溶解除去する方法が採用される。
すなわち、巻線材４の引出し端末５を端子３に絡げた後、該絡げ部分を半田浴液に浸漬させることにより、巻線材の絶縁被膜を溶解除去すると同時に半田付けを行うものである。
実施例
表１は、図１、図２および図３において巻線材４として直径が０．３５ｍｍのエナメル被膜銅線を使用し、また、端子３の材質として鉄の芯部に銅をメッキしたフープ状のＣＰ線を用い、端子３の幅を０．５ｍｍ、隣接する端子間の間隔（ピッチ）を１．０ｍｍとした高周波トランスのボビンからなるサンプルを高温（４３０℃）で溶融した半田液に浸漬したときの、端子間にブリッジが発生する割合と半田合金の組成含有量との関係を示したものである。
なお、表１に、「再半田による修正の可能性」とあるのは、最初に溶融半田液に浸漬したときにブリッジが発生したサンプルを再度溶融半田液に浸漬することによって該ブリッジをなくすことができるか否かを示すものである。
なお、錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）−ニッケル（Ｎｉ）系の無鉛半田合金にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加すると半田合金の融解温度は３５０℃程度となる。
しかし、コイル部品の巻線材に使用する絶縁被膜電線、例えば、エナメル被膜銅線のエナメル被膜を除去するためには無鉛半田合金の溶融半田温度（半田付け温度）を３５０℃以上にする必要があることから、絶縁被膜銅線を使用した電子部品を半田付けする際には、前記絶縁被膜銅線の絶縁被膜材を確実に溶解させるため、前記無鉛半田合金の溶融半田温度（半田付け温度）を４００℃前後に設定するのが適当である。本実施例では、前記無鉛半田合金の溶融半田温度（半田付け温度）を４３０℃に設定した。

また、表２は、前記端子３に用いたＣＰ線を高温（４３０℃）の溶融半田液に浸漬したとき、ＣＰ線の下地（芯部）である鉄が表出し、変色するまでの浸漬回数と半田合金の組成と成分含有量との関係を示す測定結果である。
すなわち、表２は、半田合金組成の成分含有量と「銅食われ」の大小との関係を示し、前記浸漬回数の多いほど「銅食われ」が小さいことを示している。なお、表２において浸漬回数は１０回以上であればよい。

上記表１から明らかなように、錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）−ニッケル（Ｎｉ）系の無鉛半田合金において、ニッケルの含有量を一定とし、銅の含有量を変化させた場合、銅の含有量を増加したとき、半田液の粘性が高くなり、隣接する端子間でのブリッジの発生割合が増加し、再半田によっても最初にできたブリッジを消滅させることができなくなる。
ニッケル（Ｎｉ）の含有量を一定とした錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）−ニッケル（Ｎｉ）系の無鉛半田合金にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加し、銅の含有量とゲルマニウムの含有量をそれぞれ変化させた場合、ゲルマニウムの含有量が一定値（０．００１ｗｔ％）以上で、銅の含有量を５．５ｗｔ％以下にしたとき、ブリッジは殆んど発生しなかった。
このように、ニッケル（Ｎｉ）を特定範囲で含有する錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）−ニッケル（Ｎｉ）系の無鉛半田合金にゲルマニウム（Ｇｅ）を少なくとも０．００１ｗｔ％含有させることにより、溶融半田液の粘性が調整されて、溶融半田液がサラサラした状態となって液切れが良くなるため、端子間のブリッジの発生割合を減少させることができる。
この場合、銅の含有量が規定の範囲で、かつ、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量が少なくとも０．００１ｗｔ％以上のときに、ブリッジの発生割合を極めて少なくすることができ、さらに、再半田によって最初にできたブリッジを消滅させることができる。而して、銅の含有量が規定の上限値を超えた領域では、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量を増加してもブリッジの発生割合を減少させることはできず、また、再半田によっても最初にできたブリッジをなくすことはできない。
なお、銅の含有量を一定とした場合、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量を０．１ｗｔ％より多くしてもブリッジの発生割合に変化は見られなかった。
また、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量により溶融半田浴中に存在する浮遊物（銅／ニッケルの析出物）の量が変化し、ゲルマニウム（Ｇｅ）が存在しない場合は溶融半田浴中の浮遊物の量が多くなる。この浮遊物は半田付け部の表面に付着し半田付け部が粗面化し、半田厚さが均一になり難い。またブリッジ現象が起こり易くなる。
また、表２から、「銅食われ」の割合を、無鉛半田合金のニッケルの含有量によって調整することができる。すなわち、錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）系の無鉛半田合金においては、「銅食われ」の大小は、銅の含有量によって左右され、銅の含有量が少くない領域では「銅食われ」は大きくなり、銅の含有量が多い領域では「銅食われ」は小さくなる傾向にあるが、銅の含有量が少ない領域において、ニッケルの含有量を多くすると「銅食われ」を小さくすることができる。また、銅の含有量が多い領域においては少ない含有量のニッケルで「銅食われ」を抑制することができる。ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量と前記「銅食われ」の大小とは相関性はないことが分る。
産業上の利用可能性
本発明の無鉛半田合金は、以上に説明したように、半田付け時の温度が高い領域でも「銅食われ」が起こり難く、従って、銅または銅を含有した合金を芯線とする絶縁被膜導体を使用した電子部品の半田付け時の断線事故を予防することができ、また、粘性が低く半田液切れが良く、端子と端子との間隔が狭い電子部品の半田付け時に端子間が半田によって短絡するブリッジ現象の発生を予防することができる。
【図面の簡単な説明】
図１、図２および図３はコイル部品の一例を示す説明図である。
図１はコイル部品の裏面を示す。図２は端子の電線接続部を示す部分拡大図、図３は半田ブリッジ生成状態を示す部分拡大図をそれぞれ示す。

Claims (2)

1. 銅（Ｃｕ）：３．０〜５．５ｗｔ％と、ニッケル（Ｎｉ）：０．１〜０．５ｗｔ％およびゲルマニウム（Ｇｅ）：０．００１〜０．１ｗｔ％を含み、残部が錫（Ｓｎ）である無鉛半田合金。
2. 芯部が銅または銅を含有した合金で構成され、該芯部に絶縁被膜を施した導体を用いた電子部品において、前記導体同士または前記導体と該電子部品の他の部位とを、銅（Ｃｕ）：３．０〜５．５ｗｔ％と、ニッケル（Ｎｉ）：０．１〜０．５ｗｔ％およびゲルマニウム（Ｇｅ）：０．００１〜０．１ｗｔ％を含み、残部が錫（Ｓｎ）である無鉛半田合金により半田付けしたことを特徴とする電子部品。

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