WO2004018145A1 - 錫−亜鉛系鉛フリーはんだ合金、その混合物及びはんだ接合部 - Google Patents

Abstract

　　本発明の錫−亜鉛系鉛フリーはんだ合金は、錫を主成分とし、少なくとも６～１０重量％の亜鉛を必須に含有し、更に、マグネシウム酸化物の保護皮膜をはんだ表面に生成する一方、はんだ溶融時に該酸化保護皮膜が破壊されるのに有効な割合である０．００１５～０．１重量％のマグネシウムを配合して構成する。そして、クリームはんだの保存時に、はんだ粉末表面に生成されたマグネシウムの酸化保護皮膜により内部を保護し、亜鉛と活性剤の反応を抑えて保存性を高める一方、はんだを溶融させる昇温時には、該酸化保護皮膜が破壊されやすい状態になることにより良好な濡れ性を保持する。

Description

明 細 書 錫—亜鉛系鉛フリ一はんだ合金、 その混合物及びはんだ接合部 技術分野

本発明は、 各種はんだ材の中で、 特に環境調和型の錫一亜鉛系鉛フリーはんだ 合金、 その混合物及びはんだ接合部に関する。 背景技術

従来、 各種機器のはんだ付けには、 融点が低く、 酸化性雰囲気の中でも濡れ性 が良好であること等の利点を有することから、 錫一鉛系はんだ合金が多く用いら れていた。 ところが、 鉛は毒性を有していることから、 近年、 電子機器の廃棄処 理等に伴う環境汚染を防止する観点から、 はんだの鉛フリ一化が急速に進んでい る。 ただ、 鉛フリーはんだ合金は、 濡れ性、 融点、 コスト等の面で、 従来の錫一 鉛系はんだ合金に比べて劣っているため、 完全な代替品として、 未だに開発され ていないのが現状である。

この環境重視の流れの中にあって、 電子回路素子の実装工程の一つであるリフ ローはんだ付けにおいても、 同様に鉛フリー化が緊急の課題になっている。 そこ で、 従来では、 リフローはんだ付け用に実用化を期待されている鉛フリーはんだ 材として、 亜鉛を 9重量％ (共晶点組成） 前後含有する錫一亜鉛系はんだ合金が 提案されている。 更には、 亜鉛を 8重量％前後含有すると共に、 ビスマスを 1〜 3重量％含有する錫一亜鉛系はんだ合金なるものも提案されている。 これら錫一 亜鉛系はんだ合金は、 錫一亜鉛合金の共晶温度は 1 9 9 °Cであり、 錫を主成分と した鉛フリーはんだ合金の中では、 最も錫一鉛合金の共晶点に近く、 また、 原料 コストの面でも他の鉛フリーはんだ合金より安価であるというメリットがある。 ところで、 一般に、 上記リフローはんだ付けに用いられるクリームはんだは、 はんだ粉末とフラックスを混合したものであり、 該フラックスに、 はんだ溶融時 にはんだ付け対象物の表面を清浄にし、 はんだの濡れ性を良くするための活性剤 が添加されている。 したがって、 従来の錫一鉛系はんだ合金よりも、 濡れ性の点 で劣る錫一亜鉛系はんだ合金においては、 特に、 はんだの濡れ性を向上させるた めに活性剤を強化せざるを得ない。 しかも、 この錫一亜鉛系のはんだ合金では、 製造されたはんだ粉末の表面および内部に、 亜鉛を主成分とする相が存在してい る。

したがって、 従来の錫一亜鉛系の鉛フリーはんだ合金では、 はんだ粉末をフラ ックスと混合してクリームはんだに加工すると、 亜鉛は活性な金属元素であるた め、 クリームはんだを保存している間に、 はんだ粉末表面の亜鉛がフラックス中 の上記活性剤と容易に反応し、 その反応生成物によってクリームはんだの粘度が 従来の錫一鉛はんだ合金よりも急速且つ大幅に上昇し、 使用時、 たとえばプリン ト基板への印刷が不可能になってしまうという課題があった。

一方、 この粘度上昇を防止するために、 活性剤の強さや添加量を抑えると、 他 方で、 はんだ加熱溶融時に発生する亜鉛酸化物を還元することができず、 その結 果、 はんだの濡れ広がり性が低下してしまうという問題があった。 このように従 来は、 はんだの濡れ性と長期保存性との両立が極めて困難であり、 この両立の問 題が環境保全に有効な鉛フリーのクリームはんだが普及しない原因になっている。

'そこで、 従来、 この問題を解決するための手段として、 第三の成分の添加、 例 えばアルミニウムを添加する方法が開示されている （国際公開番号 WO O 2 / 3 4 9 6 9 A l ) o しかしながら、 アルミニウムを添加する方法は、 後述するとおり、 未溶解はんだを発生する問題があり、 添加量を狭い範囲に限定せざるを得ないの が現状である。

また、 従来の鉛フリーはんだ合金の中に、 上記のようなビスマスを含む錫一亜 鉛系はんだ合金があるが、 その種の錫一亜鉛系はんだ合金では、 凝固後のはんだ 表面における金属光沢が鈍くなる傾向があり、 そのため、 濡れ性と保存性の両立 に加えて、 その外観上の問題も改善することが望まれている。

そこで、 本発明の目的は、 はんだの濡れ性を良好にし、 併せてクリームはんだ の長期の保存性にも優れた錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金、 その混合物及びはん だ接合部を提供し、 加えて、 ビスマスを含む錫一亜鉛系はんだの場合は、 凝固後 の表面光沢をも向上させることにある。 発 明 の 開 示

本発明者らは、 上述した従来の課題を解決すべく、 鋭意研究を重ねた結果、 錫 一亜鉛系はんだに、 亜鉛より酸化傾向の高い極微量のマグネシゥムを所定組成配 分だけ添加すると、 クリームはんだの亜鉛とフラックスとの反応を抑えて保存性 が高められる一方、 はんだ溶融時には、 良好な濡れ性が保持されることを見出し、 以下のような構成の本発明を完成するに至った。

すなわち、 本発明の錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金は、 錫を主成分とし、 少な くとも 6〜1 0重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金であって、 マグネシゥ ム酸化物の保護皮膜をはんだ表面に生成する一方、 はんだ溶融時に該酸化保護皮 膜が破壌されるのに有効な割合である 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量％のマグネシゥ ムを配合してなる。 したがって、 本発明によれば、 一方で、 クリームはんだの保 存時に、 はんだ粉末表面に生成されたマグネシウムの酸化保護皮膜により内部を 保護し、 亜鉛と活性剤の反応を抑えて保存性が高められ、 他方で、 はんだを溶融 させる昇温時には、 該酸化保護皮膜が破壊されやすい状態になることにより良好 な濡れ性を保持することができる。

また、 本発明の錫—亜鉛系鉛フリーはんだ合金は、 錫を主成分とし、 少なくと も 6〜； 1 0重量％の亜鉛と 0 . 5〜 6重量％のビスマスを必^に含有するはんだ 合金であって、 マグネシウム酸化物の保護皮膜をはんだ表面に生成する一方、 は んだ溶融時に該酸化保護皮膜が破壌されるのに有効な割合である 0 · 0 0 1 5〜 0 . 1重量％のマグネシウムを "^有してなる。 このことによって、 本発明では、 ビスマスを含む錫一亜鉛系鉛フリ一はんだの場合であっても、 同様に、 上記はん だの良好な濡れ性と保存性が共に実現されると共に、 加えて、 凝固の際にはんだ 表面の凹凸を少なくし表面光沢を一段と良好にすることができる。

さらに、 本発明は、 錫を主成分とし、 少なくとも 0 . 0 0 1 5〜 0 · 1重量％ のマグネシウムを含有する、 異なる成分組成を有する 2種以上のはんだ合金の混 合物であって、 該混合物の平均組成が請求項 1 に記載の範囲にある錫一亜鉛系鉛 フリ一はんだ合金混合物を提供する。

また、 本発明は、 錫を主成分とし、.少なくとも 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量％の マグネシウムを含有する、 異なる成分組成を有する 2種以上のはんだ合金の混合 物であって、 該混合物の平均組成が請求項 2に記載の範囲にある錫—亜鉛系鉛フ リ一はんだ合金混合物を提供する。

そして、 本発明は、 上述のような請求項 1、 2、 3又は 4に記載の錫一亜鉛系 鉛フリ一はんだ合金又はその混合物で接合したはんだ接合部を提供する。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明の錫一亜鉛系鉛フリ一はんだ合金の実験において、 はんだ粉 末の化学組成および特性評価結果を示す図表である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照しつつ、 本発明の実施の形態について更に詳細に説明する。 錫一亜鉛系の鉛フリーはんだでは、 周知のとおり、 例えば、 共に予め調製した はんだ粉末とフラックスとを攪拌混合してペースト状のクリームはんだに加工す る。 しかし、 その場合、 はんだ粉末は、 酸素との親和力の強い亜鉛が粉末表面で 酸化物となることが避けられず、 はんだ粉末をフラックスと混合してクリームは んだに加工すると、 亜鉛とフラックス中の活性剤との反応によりクリームはんだ の粘度が上昇し、 保存性に問題を生ずる。 一方、 この粘度上昇を防止するために、 活性剤の強さや添加量を抑えても、 他方で、 はんだ加熱溶融時に発生する亜鉛酸 化物を還元することができず、 その結果、 はんだの濡れ性が低下する問題が発生 する。 '

そこで、 本発明では、 錫—亜鉛系はんだに、 亜鉛より酸化傾向の高い元素を極 微量だけ添加すると、 その添加元素が亜鉛より優先的に酸化することにより、 は んだ粉末表面に酸化物の保護皮膜が生成されることから、 その酸化保護皮膜によ つて亜鉛とフラックスとの反応を低減させることを企図する。 これによつて、 は んだの濡れ性と保存性の両面に優れたクリームはんだ用のはんだ粉末を得んとす る。 しかしながら、 アルミニウムなど、 添加元素によっては、 表面に生成する酸 化保護皮膜が強力でフラックスでは還元できず、 却って、 はんだ溶融時に未溶解 はんだが大量に発生することが判った。

以上に鑑み、 本発明では、 亜鉛より酸化傾向の高い元素の中でも、 特にマグネ シゥムを選択し、 これを必須添加元素とする。 マグネシウム添加の効果は、 上述 したはんだの良好な濡れ性と保存性の両面に優れた、 錫一亜鉛系クリームはんだ 用粉末を得ることができる点にあると共に、 アルミニウム等の他の添加元素とは 異なり、 未溶解はんだの発生が少ないと.いう点にある。 ここで、 本発明において、 クリームはんだの保存時に亜鉛とフラッタスとの反応性を低く抑え、 且つ未溶解 はんだの発生が少なくなる現象を解説すると、 そのメカニズムは、 はんだ粉末表 面に生成されるマグネシウム酸化物の保護皮膜が、 クリームはんだの冷蔵保存時 には内部を保護する一方で、 はんだを溶融させる昇温時には、 マグネシウムの酸 化保護皮膜は、 濡れ性を保持すべく破壊されやすい状態になっているからである。 したがって、 本発明による錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金は、 クリームはんだ の保存時に亜鉛とフラックス中の活性剤との反応を抑えて保存性が高められる一 方、 はんだ溶融時には良好な濡れ性が保持されるように、 化学組成が、 錫を主成 分とし、 少なくとも 6〜 1 0重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ合金であって、 マグネシゥム酸化物の保護皮膜をはんだ表面に生成する一方、 はんだ溶融時に該 酸化皮膜が破壊されるのに有効な割合である 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量％のマグ ネシゥムを配合して構成してなる。

ところで、 マグネシウムには、 別の効果として以下のような効果を有している。 即ち、 錫一亜鉛系はんだ合金にビスマスを添加すると、 はんだ表面の金属光沢が 鈍くなる傾向がある。 しかし、 ビスマスを含有する錫一亜鉛系はんだ合金に、 微 量のマグネシウムを添加すると、 表面光沢が良くなることが確認された。 これは、 ビスマスを添加した場合には、 凝固に際して表面に細かい凹凸ができるのに対し て、 マグネシウムを添加することによって凝固の際にはんだ表面の凹凸が少なく なるためである。 その結果、 従来の錫一鉛系はんだに近い良好な光沢を得ること ができる。

' そこで、 本発明による錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金は、 錫を主成分とし、 少 なくとも 6 ~ 1 0重量⁰ /₀の亜鉛と 0 . 5〜 6重量⁰ /₀のビスマスを必須に含有する はんだ合金であって、 マグネシウム酸化物の保護皮膜をはんだ表面に生成する一 方、 はんだ溶融時に該酸化保護皮膜が破壊されるのに有効な割合である 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量⁰ /₀のマグネシウムを配合した構成にすることもできる。 さて次に、 本発明の錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金において、 以上の如く、 マ グネシゥムの添加範囲を所定含有量に特定した理由を述べる。.まず下限について は、 マグネシウムの効果が発現するために必要な含有量として実験の結果から、

0 . 0 0 1 5重量％とした。 0 . 0 0 1 5重量％未満だと、 粉末表面に、 亜鉛と フラックスの反応を低減させるに十分な酸化皮膜が形成されないためである。 一方、 上限については、 はんだ付け性の劣化とはんだ粉末の製造性から 0 . 1 重量％とした。 0 . 1重量％を越えると、 はんだ付け時にマグネシウム酸化物が 破壊されず残存するためである。 さらには、 はんだ粉末の製造時に使用する合金 溶湯の粘度が上昇するためである。 以上のとおり、 マグネシウムの含有量の上限 下限を特定して初めて、 生成される酸化保護皮膜によって亜鉛とフラックスとの 反応を抑えて保存性が高められる一方、 はんだ溶融時には、 酸化保護皮膜が破壊 されて良好な濡れ性が確保されるのである。

ところで、 本発明では、 例えば、 異なる成分組成を有する 2種以上のはんだ粉 末を混合してクリームはんだを製造する場合、 その混合前の個々のはんだ粉末は、 少なくとも 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量⁰ /₀のマグネシウムを含有することにより、 以上の効果を得ることができる。 ただ、 その他の亜鉛等の成分は、 混合前の個々 のはんだ粉末においては、 必ずしも請求項 1若しくは請求項 2に記載の発明に係 る範囲に入らなくてもよく、 混合後のはんだ粉末全体の平均組成が当該範囲に入 つていればよい。

したがって、 本発明の錫—亜鉛系鉛フリーはんだ合金混合物では、 錫を主成分 とし、 少なくとも 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量⁰ /₀のマグネシウムを含有する、 異な る成分組成を有する 2種以上のはんだ合金の混合物であって、 該混合物の平均糸且 成が請求項 1に記載の範囲にあるように構成することもできる。 また、 本発明の 錫一亜鉛系鉛フリ一はんだ合金混合物では、 錫を主成分とし、 少なくとも 0 . 0 0 1 5〜0 . 1重量％のマグネシウムを含有する、 異なる成分組成を有する 2種 以上のはんだ合金の混合物であって、 該混合物の平均組成が請求項 2に記載の範 囲にあるように構成することもできる。

そうして、 本発明では、 上述のように構成してなるはんだ合金又はその混合物 で接合して錫一亜鉛系鉛フリ'一はんだ接合部を形成する。 なお、 以上に示した実施の形態において、 上記化学組成にて調製したはんだ合 金、 並びにはんだ合金混合物は、 はんだ粉末に加工した例を用いて説明したが、 必要に応じて、 線はんだに加工して使用することもできるのは、 勿論である。

【実施例】

次に、 以下に示す実施例に基づいて、 本発明をさらに具体的に説明するが、 本 発明は、 この実施例に限定されるものでない。

.本発明者らは、 本発明の効果を確認するための実験を行った。 本実施例の実験 では、 錫を主成分とし、 亜鉛の含有量を 6〜9 %、 ビスマスの含有量を 0〜3 %、 マグネシウムの添加量を 0〜0 . 1 0 9 0 %の範囲のはんだ粉末を用いた。 この 実験に用いたはんだ粉末は、 錫一亜鉛系の粒径 3 2〜4 5 μ mの真球粉である。 これら粉末の化学組成および特性評価結果は、 図 1の表に示した。 はんだ粉末は、 フラックスと混合してペーストにして各種評価試験に供している。 図中のはんだ 付け性については、 JIS-Z-3284 に準拠した方法で行ない、 濡れ拡がり性を評価し た。 実験は、 より広い範囲での条件を模擬するため、 大気雰囲気中で、 プリヒー トを 1 5 0 で 0〜 3 . 5分間行った。 実験の結果、 濡れ拡がり性が不良のもの を「X」、 良好なものを「〇」、 非常に良好なものを 「◎」 で示した。 保存性に関し ては、 はんだ粉末とフラックスを混合した後に、 約 4 °Cに保った冷蔵庫中で 1週 間保存した後の、 ペーストの粘度上昇具合および印刷性により判定した。 濡れ広 がり性と同様に、 不良のものを「X」、 良好なものを「〇」、 非常に良好なものを 「◎」 で示した。 図 1に示すように、 本発明によるはんだ粉末を用いたペースト

· ' は、 濡れ性と共に保存性にも優れることが確認された。 産業上の利用可能性

以上のように、 本発明は、 各種のはんだ材の中でも、 電子回路素子の実装工程 などに使用する場合に適し、 特に、 環境調和型の錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金、 その混合物及びはんだ接合部として有用である。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 錫を主成分とし、 少なくとも 6〜 10重量％の亜鉛を必須に含有するはんだ 合金であって、 マグネシウム酸化物の保護皮膜をはんだ表面に生成する一方、 は んだ溶融時に該酸ィヒ保護皮膜が破壊されるのに有効な割合である 0. 001 5〜 0. 1重量％のマグネシウムを配合してなることを特徴とする、 錫一亜鉛系鉛フ リ一はんだ合金。

2. 錫を主成分とし、 少なくとも 6〜 10重量％の亜鉛と 0. 5〜 6重量％のビ スマスを必須に含有するはんだ合金であつて、 マグネシゥム酸化物の保護皮膜を はんだ表面に生成する一方、 はんだ溶融時に該酸化保護皮膜が破壌されるのに有 効な割合である 0. 0015〜0. 1重量％のマグネシウムを配合してなること を特徴とする、 錫一亜鉛系鉛フリーはんだ合金。

3. 錫を主成分とし、 少なくとも 0. 0015〜0. 1重量⁰ /₀のマグネシウムを 含有する、 異なる成分組成を有する 2種以上のはんだ合金の混合物であって、 該 混合物の平均組成が請求項 1に記載の範囲にあることを特徴とする、 錫一亜鉛系 鉛フリ一はんだ合金混合物。

4. 錫を主成分とし、 少なくとも 0. 001 5〜0. 1重量％のマグネシウムを 含有する、 異なる成分組成を有する 2種以上のはんだ合金の混合物であって、 該 混合物の平均組成が請求項 2に記載の範囲にあることを特徴とする、 錫一亜鉛系 鉛フリ一はんだ合金混合物。 '

5. 請求項 1、 2、 3又は 4に記載のはんだ合金又はその混合物で接合してなる ことを特徴とする、 錫一亜鉛系鉛フリーはんだ接合部。