WO2003020468A1 - Alliage de brasage sans plomb et parties electroniques utilisant ledit alliage - Google Patents

Description

無鉛半田合金およびそれを用いた電子部品 技術分野

本発明は、 鉛 （P b ) 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、 S n—P b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 3 0 3 6 6 3 6号及び 米国特許第 4 7 5 8 4 0 7号が挙げられる。

特許第 3 0 3 6 6 3 6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 . 0 0 5 - 2 0 wt%, Ni： 0 . 0 0 1 - 2 0 wt¾, Sn：残部、 とすることによつ 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°C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 飲料水に鉛や力ドミゥ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. Owt%, N i ： 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、 S n : 87. 0 - 92. 9wt%, S b ： 4. 0— 6. 0wt%, Cu ： 3. 0— 5. 0wt%, N i ： 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°C前後から 330°C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、 卷線材という） を巻回して形成した高周波コイルやトランス （以下、 コィ 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、 ポビン等に巻回した巻線材の引出し端末部 はポ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。 端子等と卷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、 卷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、 半田液の熱で卷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 J 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ゃゥレ夕ンなど 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、上記プリッジの発生要因ともなつている。

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 （NO 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、 プリッジ現象が発生し易くなる。

したがって、 本発明は、 錫—銅一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 （C u ) ： 3 . 0〜 5 . 5 w t %と、 ニッケル （N i ) : 0. 1〜0. 5 w t %およびゲルマニウム （Ge) : 0. 00 1 〜0. lwt %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. 5 w t %と、 ニッケル （N i ) : 0. 1〜0. 5 w t %およびゲルマニウム (Ge) : 0. 001〜0. 1 w t %を含み、 残部が錫 （S n) 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つ 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 プ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。 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は半田プリッジ生成状態を示す部分拡大図をそれぞれ示す。 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ポビンで、 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はポビン 1 に巻回された絶緣被膜電線 (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 るプリッジ状態を示す。 なお、前記端子 3には鋼の芯線の表面に銅メツキ を施した H C P線あるいは鉄の芯線の表面に銅メツキを施した C P 線が 多く用いられている。

ここで、 端子 3と卷線材の引出し端末 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 . 3 5 mm 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 銅をメツキしたフープ状の CP 線を用い、 端子 3の幅を 0 . 5 mm、 隣接 する端子間の間隔（ピッチ）を 1 . 0 mmとした高周波トランスのポビンか らなるサンプルを高温（4 3 0 °C)で溶融した半田液に浸漬したときの、 端 子間にプ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二 ゥム （Ge) を添加すると半田合金の融解温度は 3 5 0 °C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 3 5 0 °C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 4 0 0 °C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 4 3 0 °Cに設定した。

表 1

°C)

また、 表 2は、 前記端子 3に用いた C P線を高温（4 3 0 ）の溶融半田 液に浸漬したとき、 C P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 1 0回以上であればよい。

表 2

°C)

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 きたプ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 —定値 （0 . 0 0 1 w t % ) 以上で、 銅の含有量を 5 . 5 w t %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 . 0 0 l w t %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 . 0 0 1 w t %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プリ 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 . l w t %より多くしてもブリツジの発生割合に変化は見られなかつた。 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 Z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。

Claims

請求の範囲

1. 銅 （Cu) : 3. 0〜5. 5 wt %と、 ニッケル （N i ) : 0. 1 〜 0. 5 w t %およびゲルマニウム （Ge) : 0. 0 0 1〜0. lw t %を含み、 残部が錫 （S n) 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. 5 wt %と、 二ッケ ル （N i ) : 0. 1〜 0. 5 w t %およびゲルマニウム (Ge) : 0. 001〜0. 1\¥セ％を含み、 残部が錫 （S n) 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。