WO1999048639A1 - Soudure sans plomb - Google Patents

Description

明 細 書

無鉛はんだ合金 技術分野

本発明は、 新規な無鉑はんだ合金の組成に関するものである。 背景技術

従来からはんだ合金において鉑は錫を希釈して流動性およびヌレ特性を改善す る重要な金属であるとされていた。 しかし、 最近では、 はんだ付けを行なう作業 環境、 はんだ付けされた物品を使うときの使用環境、 およびはんだを廃棄すると きの地球 境などを者慮すると、 毒性の強い ¾金屈である鉛の使用を回避するの が好ましいという観点から、 はんだにおいて鉛合金を避ける傾向が顕著である。 ところで、 いわゆる無鉛はんだ合金を組成する場合であっても、 合金自体が相 手の接合物に対してヌレ性を有していることが不可欠であるから、 このような性 質を有する錫は合金母材としては不可欠である. 従って、 無鉛はんだ合金として は、 錫の特性を十分に活かし、 かつ従来の錫鉛共晶はんだに劣らない接合信頼性 を発揮させることができる添加金厲をどの範囲で特定するかということが非常に 重要になる。

そこで、 本発明では無鉛でかつ錫を 5材としたはんだ合金を開発し、 工業的に 入手しやすい材料で、 従来の錫鉛共晶はんだにも劣ることがなく， 強度が商く安 定したはんだ継手を構成することができるはんだ合金を開示することを目的とし たものである， 発明の開示

本発明では、 上記目的を達成するためのはんだ合金として、 C u O . 1〜2重 量％、 好ましくは C u O . 3〜0 . 7重量％に、 N i O . 0 0 2〜： 量％、 残 部 S nの 3元はんだを構成した。 この成分中、 S nは融点が約 2 3 2でであり、 接合母材に対するヌレを得るために必須の金属である。 ところが、 S nのみでは 含有はんだのように比重の大きい鉛を含まないので、 溶融時には軽くふわふわ した状態になってしまい、噴流はんだ付けに適した流動性を得ることができない。 又、 結晶組織が柔らかく機械的強度が十分に得られない。 従って、 C uを加えて 合金自体を強化する。 C uを S nに約 0 . 7 %加えると、 融点が S n単独よりも 約 5で低い約 2 2 7での共晶合金となる。 又、 はんだ付け中にリード線などで通 常用いられる母材である C uの表面から C uが溶出するという銅食われを抑制す る機能も果たす。 ちなみに、 錫鉑共晶はんだにおける銅のくわれ速度と比較する と、 2 6 0 のはんだ付け温度において上記 C uを添加した場合には約半分程度 の速度に抑制される。 又、 銅くわれを抑制することは、 はんだ付け界面における 銅濃度差を小さくして、脆い化合物層の成長を遅らせる機能も果たすことになる。 また， C uの添加はディップはんだ付け工法で長期使用した場合のはんだ自身 の急激な成分変化を防止する機能も発揮する。

C uの添加量としては， 0 . 3〜0 . 7重量％が最適であり、 これ以上 C uを 添加すればはんだ合金の融点が再び上昇する。 融点が上昇するとはんだ付け温度 も上げなければならないので、 熱に弱い電子部品には好ましくはない。 しかし、 一般的なはんだ付け温度の上限を考 ISすると、 3 0 0で程度まで許容範囲という ことができる。そして.液相温度が 3 0 0 の場合には C uの添加量は約 2重量％ である。 そこで、 最適値と限界値を上述した通りに設定した。

本発明において重要な構成は， S nを主としてこれに少量の C uを加えるだけ でなく、 1^ 1を0 . 0 0 2〜： L重量％添加したことである。 1は3 11とじ が 反応してできる C u 6 S n 5あるいは C u 3 S nのような金属間化合物の発生を 抑制する作用を行う。 このような金属間化合物は融点が高く. 合金溶融時に溶湯 の中に存在して流動性を阻害し、 はんだとしての性能を低下させる。 そのために はんだ付け作業時にはんだパターン間に残留すると、 導体同士をショートさせる いわゆるブリッジとなることや、 溶融はんだと離れるときに、 突起状のッノを残 すことに る。 そこで、 これを回避するために N iを添加したが、 N i自身も S nと反応して化合物を発生させるが、 Cuと N iは互いにあらゆる割合で溶け合 う全固溶の関係にあるため、 N iは S n— Cu金属間化合物の発生に相互作用を する。 本発明では、 S nに Cuを加えることによってはんだ接合材としての特性 を期待するものであるから. 合金中に S n— Cu金属問化合物が大量に形成され ることは好ましくないものということができる： > そこで、 Cuと全固溶の関係に ある N iを採用し、 Cuの Snに対する反応を抑制する作用を行わしめるもので ある。

ただし、 S nに融点の高い N iを添加すると液相温度が上昇する。 従って、 通 常のはんだ付けの許容温度を考慮して添加量の上限を 1重量％に規定した。また、 N iの添加量を減らしていった場合， 0. 002重量％以上であればはんだ流動 性の向上が確認でき、 またはんだ接合性， およびはんだ継手としての強度などが 確保されることが判明した。 従って. 本発明では N iの添加量として下限を 0. 002 量％に規定した。

ところで、 上記説明では S n— Cu合金に対して N iを添加するという手順を δ本として説明したが、 逆に S η— N i合金に対して Cuを添加するという手順 も成立する。 S nに N iを単独で徐々に添加した塌合には融点の上昇と共に、 S n- i化合物の発生によって溶解時の流動性が低下するが、 Cuを投入するこ とによって粘性はあるものの流動性が改善され、 さらさらの状態になる。 これら 何れの手順から見ても、 Cuと N iが相互作用を発揮した結果、 はんだ合金とし て好ましい状態に逮することがわかる。 即ち、 Sn— Cu母合金に対して N iを 添加する場合であっても、 S n— N i母合金に対して Cuを添加する場合であつ ても、 何れも同探のはんだ合金とすることが可能である。

なお、 Cuと N i両者の含有比については、 適正範囲が問題になるが、 図 1に 示したように N iは 0. 002~1重量％、 Cuは 0. 1〜2重量％の範囲で示 された部分は全てはんだ継手として好ましい結果を示す。 即ち、 上述したように 母合金を S n— C u合金と考えた場合には， X軸に示された Cuの含有量が 0. 1〜2重量％の範囲で一定の値に固定されることになるが、 その場合には N iを 0 . 0 0 2〜 1重量％の範囲で添加量を変えた場合でも好ましい結果を示す。 一 方、母合金を S n— N i合金と考えた場合には Y軸に示された N iの含有量が 0 . 0 0 2〜 1重量％の範囲で一定の値に固定されることになるが、 その場合であつ ても C uを 0 . 1〜 2重量％の範囲で添加量を変えた場合でも好ましい結果を示 す。 なお、 これらの値については、 N ίの作用を低下させてしまう元索以外の不 可避不純物が混入している場合でも同様であることはいうまでもない。

G aは融点が 9 3 6 であり、 S n— C u合金中には微量しか溶解せず、 凝固 するときに結晶を微細化する機能を有する. また、 結晶粒界に出現して結晶の粗 大化を防止する。 さらに、 合金溶解時の酸化物生成を抑える機能も有する。 ただ し、 I S量％を超えて添加するとコストが高くつくばかりでなく、 過飽和状態に なって均一に拡散しないので、 実益はない。 これを理由として上限を定めた。 図面の簡単な説明

第 1図は本究明の添加合金の適正範囲を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の組成を有するはんだ合金の物性を表に示す。 サンプル組成は、 発明者が本発明の無鉛はんだ合金の最適配分の 1つであると考える， C u O . 6 重量％、 N i 0 . 1重量％、 残部 S nの合金を調整して用いた。

(溶融温度） 液相温度約 2 2 7 、 固相温度約 2 2 7でである。 試験方法は示 差熱分析器で昇温速度 2 0でノ分で行つた。

(比重） 重測定器によって約 7 . 4を示した。

(室温 2 5 " 雰囲気における引張试賅） 破断強度が 3 . 3 K g f /mm2 、 伸 びが約 4 8 %であった。 なお 従来の S n— P b共品はんだ合金は、 ほぼ同じ条 件で測定した強度は約 4 ~ 5 K g f Zmm2 であり、 これと比較すると強度は低 い数値を示した。 しかし， 本発明のはんだ合金の用途は主に、 はんだ継手で接合 する目的 としては比蛟的軽量の範酶である電子部品をプリント基板に実装する s ことを想定しているものであり、 この用途に用いる限りにおいては強度的にも満 足できる範囲である，

(広がり試験） J I S Z 3197規格で測定したところ、 240 におい ては 77. 6 %, 260 においては 81. 6 %. 280 " においては 83. 0 % を示した。 従来の錫鉛共晶はんだと比較すると広がり率は低いが， 使用において 問題となる数値ではなかった。

(ヌレ性試験） 7 X 2 0 X 0. 3mmの銅板を 2 %の希塩酸で酸洗いしたもの を用い、 浸濟速度 15mmZ秒、 浸濟深さ 4mm、 浸 ¾時間 S秒の条件下におい て行い、 ヌレ性試験装置によって測定した。 使用したフラックスは RA夕イブで ある。 結果としては， 0クロス時間と最大ヌレカをそれぞれ測定したところ、 2 40 では1. 51秒、 0. 27N/m, 250 では0. 93秒、 0. 33N Zm、 260^では0. 58秒、 0. 33 N/'m、 270^では0. 43秒、 0. 33Nノ mであった。 この結果から、 共晶はんだと比鲛すると融点が高いのでヌ レ始めが遅くはなるが、 温度の上昇につれてヌレ速度が速くなつていることが分 かる。 実際にははんだ付け対象物は小さく熱容量が低いので、 ヌレの遅れはさほ ど間題にはならない。

(接合強度試験） QFPリードピ一、ル試験によって、 約 0. 9Kg f/ピンの 強度を得た。 ところが、 破断部分を目視したところ、 すべての基板と銅箔ランド 間で起こっていたため、 はんだ継手部は十分な強度を保っていることが確認でき た。

(電気抵抗試験） 直径 8 mmの線はんだ 1メートルを 4端子測定法によつ て測定したところ、 0. 13 の抵抗値を得た。 抵抗値は Snの値に近かった。 低い抵抗値であれば、 ¾気の伝播速度が上がるため、 高周波特性が向上し、 音響 特性も変化する。 ちなみに， 同搽に測定した錫鉛共晶はんだの fg気抵抗は 0. 1 7 であり、 錨銀銅はんだでは 0. であった.

(クリープ強度試験） 片面紙フエノ一ル 板に設けたランド径 3 mm、 穴怪 1 mmに 0. 8mm角の錫メツキ真鈉ピンをフロ一はんだ付けした。 次に、 筮量 1 k gのおもりをステンレス線でぶら下げ、 それぞれを恒温糟に吊るしてピンが抜 け落ちるまでの時間を計測した。 その結架、 恒温槽の温度 1 4 5 では 3 0 0時 問を経過しても落下しなかった。 また、 1 8 0ででも 3 0 0時間を経過してもま だ落下しなかった。 ちなみに錫鉛共晶はんだでは数時間から数分間程度で落下す る。 この結果から、 鉛含有はんだの举動とは全く異なり、 クリープしにくいと共 に、 髙温雰囲気下での信頼性が特に保証されることが判明した。

(ヒートショック試験） - 4 0 / 8 0 で各 1時間のヒ一トショックを与えた ところ、 1 0 0 0サイクル以上の耐久性を確認した。 従来の錫鉛共晶はんだでは 5 0 0〜6 0 0サイクルの耐久性であった，

(マイグレーション試験） J I S規格で規定されている 2型櫛形試験片に RM

Aフラックスでディップはんだを行った。 フラックスの残滓を洗浄し， リード線 を端子に取り付けて抵抗値を測定して、 これを初期値とし、 恒温恒湿器に投入し た後、 それぞれに規定の直流電圧を印加して 1 0 0 0時間までの所定の時問単位 で抵抗値を測定し， 試験片を 2 0倍のルーペで観察した。 温度 4 O X:, 湿度 9 5 % で D C 1 0 0 Vを印加した場合も、 温度 8 5 、 湿度 8 5 %で D C 5 0 Vを印加 した場合も、 共に経時的な異常は見られなかった。 これは従来の錫鉑共晶はんだ と異なった挙動がなかつたことを意味する。

(食われ試験） 2 6 0土 2でで溶解しているはんだ槽中に R Aタイプのフラッ クスを付けた直径 0 . 1 8 mmの銅線を浸 ¾し、 槽中で揺らしながら線材が食わ れてなくなるまでの時問をストップウォッチで計測した。 その結果、 本実施形態 のはんだでは約 2分で食われたが、 錫鉑共晶はんだでは約 1分で食われてしまつ た。 これは本実施形態では適量の C uが添加されていることに起因するものと推 測される。 即ち、 S nの含有量が多いにもかかわらず、 C uの溶解速度は比較的 遲いことで、当初から添加されている C uが食われを抑制したことが原因である。 また， はんだの融点が共晶はんだと比較して約 4 0でも高いことが溶解速度を遅 くしている一因であるとも推測される。

次に、 別.の組成についてそれぞれ融点および強度を測定した結果表 1に示す。 1

この実験例からも明らかなように、 発明の範囲外である比較例と比べても、 全 てのサンブルが強度的に満足いくものである。 なお， 従来の錫鉛共晶はんだ合金 は、 ほぼ同じ条件で測定した強度は約 4〜5 K g i Zmm2 であり、 これと比較 すると全サンプルともに強度は低い数値を示した。 しかし、 本発明のはんだ合金 の用途は上述したように主に、 はんだ継手で接合する対象物としては比較的軽量 の電子部品をブリント基板に実装することを想定しているものであり、 この用途 に用いる限りにおいては強度的にも満足できる IS囲である。

伸びについては、 N iの添加によって合金自体が良好な伸びを示したものと考 えられる。

ところで、 融点を 2つの温度で示しているが、 低いほうが固相温度であり、 高 いほうが液相温度を示す。 一般的にこれらの温度差が小さいほうがはんだ付け後 のはんだ固化中における部品の移動がなく、 安定しているという点については、 従来の錫鉛系はんだの壌合と同様である。 しかし何れが優れているかという点に ついては一般的に決定できるものではなく、 はんだ付け製品の用途などに応じて 適宜適正な温度差を有するはんだ合金を採用すればよい。

はんだ付けにおいて重要な性質であるヌレ性については、 活性力の弱い RMA タイプのフラックスによっても銅板に対するヌレが良好である。 従って、 このフ ラックスを採用することによつてヌレの良好性を確保することができる。

なお、 本発明における錫銅ニッケル 3元はんだについては、 先ず S n— N iの 母合金を予め設け、 S n— C uの溶解はんだ中に前記母合金を混合して均一に拡 散して無^はんだ合金を得るという逐次的な手段を用いることがある。 上述した ように、 N iは融点が高いので、 S n— C u中に純 N iを投入した場合には溶解 しにくいうえに均一に拡散させることが困難である。 そこで、 本発明の合金を調 整する際には、 子め S nに N iが十分に混ざり合うように比較的 S温で溶解して 母合金を作製し、 この母合金を、 溶解した S n— C u浴中に投入する。 このよう にすると比較的低温で N iが S π中に拡散した無鉛はんだ合金を得ることができ る。 上述したように予め S n— N i母合金を作ることは、 他の好ましくない金属の 混入を避けることにもつながっている。 本究明では、 N iが C uと全固溶し、 か つ C uと S nの合金によるブリッジの発生などを抑制できることに着目している が、 N i独自の効果を阻害する金属が合金中に存在することは好ましくない。 言 い換えると， C u以外の金屈で N iと容易に相互作用する金屈の添加については、 本発明の意図することろではない。

産業上の利用可能性

本発明の無鉑はんだは、 従来の錫鉑共晶はんだと比較すると融点が高くなるた めにヌレ開始は遅れるものの、 ヌレ始めると各種の表面処理に適応して界面の合 金眉を急速かつ確実に形成することができる。 また、 クリー: ¾度が非常に強く、 大型重量部品や発熱性部品の取り付けにも十分適合することが可能である。 しか も、 従来のはんだ合金では根本的な問題とされていた銅食われが減少するので、 リード線の耐久性が飛躍的に向上することになる。

さらに、 その物性から電気特性、 熱伝導性が高いので、 、 電子部品の髙速動作 性や放熱性に優れており、 音饔特性も向上させることができる。

また、 組成中にビスマスや亜鉛、 インジウムを含んでいないため、 電子部品の ¾極材などから混入してくる鉛を含んだメツキ層、 または S n— A gはんだ、 S n - B xはんだあるいは S n— C uはんだなどの他の無铂メツキなどに対しても 異^な反応を引き起こすことがない。 これは、 従来の錫鉑はんだから本発明品へ の切り換え時におけるはんだ槽の継続利用や鉛リ一ド線などに対しても異常なく 適合できることをも意味するものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1. C u 0. 1〜2重量％、 N i 0, 002~1重量％、 残部 Snからなること を特徵とする無鉛はんだ合金。

2. 好ましくは Cuが 0. 3〜0. 7重量％の範囲である請求項 1記載の無鉛は んだ合金。

3. 好ましくは、 Cu O. 3〜0. 7重量％、 N i 0. 04〜0. 1重量％の範 囲である請求項 2記載の無 ¾はんだ合金。

4. Sn-Cuの溶解母合金に対して N iを添加した請求項 1〜 3の何れか記載 の無鉛はんだ合金。

5. Sn- iの溶解母合金に対して Cuを添加した請求項 1〜 3の何れか記載 の無鉛はんだ合金。

6. 請求項 1~3の何れかに対して、 さらに Ge O. 001〜1重量％を加ぇた 無鉛はんだ合金。