WO2021010199A1 - SnZn半田およびその製造方法 - Google Patents

SnZn半田およびその製造方法 Download PDF

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守弘 岡田
傑也 新井
ミエ子 菅原
小林 賢一
秀利 小宮
正五 松井
潤 錦織
尚久 森
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アートビーム有限会社
守弘 岡田
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    • C22C13/00Alloys based on tin
    • C22C13/02Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to SnZn solder used for a solar cell substrate, a liquid crystal substrate, etc., and a method for manufacturing the same.
  • lead wires are often soldered to electrodes of solar cell substrates, liquid crystal substrates, etc. because tin-lead solder has strong strength and is inexpensive.
  • the conventional lead-free solder Compared with tin-lead solder, the conventional lead-free solder had problems that the strength was slightly insufficient for the required strength and that the price was high and it could not be replaced.
  • the present inventors have mixed a small amount of 1 to 1.5 wt% or less in total of main materials such as P, In, Bi, and Sb with respect to SnZ solder composed of an alloy of Sn and Zn, which is a kind of lead-free solder.
  • SnZold solder that has been melted / alloyed and melted / alloyed by mixing a small amount of auxiliary materials such as Al, Si, Ag, Cu, and Ni as necessary is extremely strong and repeats high and low temperatures on electrodes such as solar cell substrates. It was found that the solder is strong in the test, and the melting temperature of the SnZn solder is almost the same or lowered even if it is mixed.
  • the present inventions add a total of 1 main material containing one or more of P, In, Bi, and Sb to the base material which is an alloy of Sn and Zn. It is made to melt and alloy by mixing 1.5 wt% or less.
  • the melting temperature of the SnZn solder after melting and alloying is set to be the same as or lower than the melting temperature of the base metal.
  • the main material is alloyed in the skeleton of the Sn and Zn alloy.
  • an auxiliary material containing glass containing one or more or one or more of Al, Si, Cu, Ag, and Ni is melted and alloyed by mixing 5 wt% or less into the base material, if necessary. I am trying to do it.
  • the alloy of the main material and auxiliary material is mixed with the base material and melted and alloyed.
  • the alloy of the main material and the auxiliary material is an alloy of Cu and P.
  • the base material, main material, and auxiliary material are mixed together or divided into multiple parts to melt and alloy them.
  • the prepared SnZn solder is mixed with ammonium chloride / hydrate powder or powder containing ammonium chloride / hydrate from 3 wt% or less to 0.05 wt% or more, and is decomposed during soldering heating to be soldered. We are trying to improve the degree of soldering adhesion to objects.
  • a total amount of 1 to 1.5 wt% or less of a main material containing at least one of P, In, Bi, Sb, etc. is added to the base material which is an alloy of Sn and Zn.
  • a small amount of an auxiliary material containing glass containing one or more or one or more of Al, Si, Cu, Ag, Ni, etc. is mixed and melted / alloyed to form a solar cell substrate or the like. It is a solder that is extremely strong and resistant to repeated high-temperature and low-temperature tests on the electrodes of No. 1, and even if it is mixed, the melting temperature of SnZn solder is almost the same or lowered, and it has become possible to manufacture it at a lower cost.
  • the melting temperature of the SnZn solder after melting and alloying was the same as or lower than the melting temperature of the base metal, and it was possible to eliminate the increase in the melting temperature due to mixing.
  • the main material was alloyed in the skeleton of the alloy of Sn and Zn, and the harmful effect of precipitation could be eliminated.
  • the main material could be stabilized and the solder could be made resistant to repeated high and low temperature tests.
  • the prepared SnZn solder is mixed with ammonium chloride / hydrate powder or powder containing ammonium chloride / hydrate from 3 wt% or less to 0.05 wt% or more, and is decomposed during soldering heating to be soldered. It is possible to improve the degree of soldering adhesion to an object.
  • FIG. 1 shows an explanatory diagram of solder production of the present invention.
  • FIG. 1 (a) shows a flowchart
  • FIG. 1 (b) shows a material example.
  • S1 prepares a base material, a main material, and an auxiliary material. For this, the following materials shown in the material example of FIG. 1 (b) are prepared.
  • the base material is a basic material (base material) of the SnZn alloy forming the SnZn solder of the present invention, and here, Sn is 91 wt%. 9 wt% of Zn was used in the trial production.
  • the weight ratio of Sn and Zn may be arbitrary within the range in which an alloy can be produced, for example, Zn may be 1 to 15 wt% and the rest may be Sn (which ratio should be selected by experimenting with the melting temperature as a guide. Good).
  • the main material is the removal of the oxide film on the surface to be soldered and the adhesion when soldering. It is a material that affects soldering such as wettability, fluidity, and viscosity, and in the present invention, the total amount of the main material is 1 to 1.5 wt% or less.
  • P removal of oxide film to be soldered, adhesion
  • In wetting property, fluidity
  • Bi adhesion
  • Sb asdhesion
  • the melting temperature of SnZn solder after mixing the main material with the base material and melting / alloying is equal to the melting temperature of the base material in combination with a trace amount of 1 to 1.5 wt% or less. Alternatively, it was slightly lower (for example, about 1 to 5 ° C lower). It is presumed that this is because the total amount of the main material is a small amount of 1 to 1.5 wt% or less with respect to the base material, so that it enters the skeleton of the base material and is re-skeletonized.
  • the auxiliary material is a material further added to the base material and the main material, and has electrical characteristics (such as a solar cell substrate, a semiconductor substrate such as a liquid crystal substrate, a fired aluminum film, and a copper electrode). It is a material for improving contact potential difference, contact resistance, IV characteristics in the case of solar cells, adhesion, etc.
  • Al for fired aluminum film
  • Si for silicon substrate
  • Materials such as Cu (for copper electrodes), Ag (for all), Ni (for when a small amount of Ni is plated on a silicon substrate).
  • As an auxiliary material not only metal but also glass containing metal may be added by mixing, melting, and alloying (gas components such as oxygen in the glass are released to the outside during melting and alloying, etc.). To do).
  • S2 mixes the main material and the auxiliary material with the base material.
  • the main material and the auxiliary material are mixed with the base material prepared in S1.
  • the base material, main material, and auxiliary material are melted and alloyed. This is done by mixing the main material and the auxiliary material with the base material in S2, heating and melting, and stirring well to alloy. At this time, if the main material and the auxiliary material are oxidized by oxygen in the air and alloying is difficult, an inert gas (for example, nitrogen gas) may be blown into the crucible as necessary, or even worse. A melting furnace or vacuum melting furnace filled with active gas is used.
  • an inert gas for example, nitrogen gas
  • the SnZn solder (ABS-S) according to the present invention can be produced by preparing the base material, the main material, and the auxiliary material, mixing them, and melting and alloying them. This will be described in detail below.
  • FIG. 2 shows an explanatory diagram of the material manufacturing apparatus of the present invention.
  • the solder material 1 is the base material, the main material, and the auxiliary material prepared in S1 of FIG. 1 described above, and here, it is a fragment (coarsely crushed) of metal, glass, or the like.
  • the solder material input plate 2 is for placing the solder material 1 and charging it into the melting furnace 3.
  • the melting furnace 3 is for heating with a heater 4 or the like, putting the solder material 1 inside, melting the base material, the main material, and the auxiliary material, and stirring and alloying.
  • the melting furnace 3 usually melts the base material, the main material, and the auxiliary material that have been put into the inside in the atmosphere, and stirs them to alloy them.
  • an inert gas nitrogen gas, etc.
  • an inert gas is blown in as necessary to reduce oxidation due to oxygen in the air, and if necessary, the inert gas is filled (or vacuum exhausted) by sealing. ..
  • the base material, main material, and auxiliary material prepared in S1 of FIG. 1 can be mixed, melted in the melting furnace 3, stirred and alloyed to produce the SnZn solder of the present invention. Become.
  • FIG. 3 shows a soldering explanatory view of the lead connection of the present invention.
  • FIG. 3A shows a flowchart
  • FIG. 3B shows an example of substrate / lead connection.
  • S11 ultrasonically solders the solder (ABS-S) to the substrate pattern.
  • the SnZn solder of the present invention (SnZn solder manufactured in S4 of FIG. 1) is supplied to the iron tip of the ultrasonic soldering iron to the portion (pattern) to be soldered to the electrode of the solar cell substrate. And melted, and ultrasonic waves are applied to solder the pattern portion on the substrate (referred to as ultrasonic pre-soldering) in advance.
  • lead connections and the like are ultrasonically soldered or ultrasonically non-soldered. This is done in S11, for example, with or without applying ultrasonic waves to the portion (pattern) of the solar cell substrate pre-soldered with ultrasonic waves along the lead connection.
  • the SnZn solder of the present invention is melted and the lead connection is soldered. When SnZn solder is pre-soldered in the lead connection in advance, it is not necessary to supply the solder.
  • the SnZn solder of the present invention is pre-soldered using ultrasonic waves (S11), and the pre-soldering is performed.
  • S11 ultrasonic waves
  • S12 ultrasonic soldering
  • the electrode portion of the conventional non-soldering solar cell substrate For example, pre-soldering with ultrasonic waves can be performed, and lead connections can be soldered with ultrasonic waves or without soldering.
  • ultrasonic soldering is performed at 10 W or less, usually 2 to 3 W. If it is strong, it will damage the film (for example, nitride film) formed on the solar cell substrate and the crystals on the surface of the substrate, so it should not be strengthened.
  • FIG. 3 shows an example of substrate / lead connection.
  • the substrate is an Al, Si substrate, a glass substrate, or the like, which is an example of a substrate that is extremely difficult to solder by normal soldering.
  • the SnZn solder of the present invention is ultrasonically pre-soldered to the electrodes (patterns) of these substrates. Then, the lead connection can be soldered to the substrate by soldering the lead connection to the pre-soldered portion (pattern) with ultrasonic waves or without ultrasonic soldering.
  • the lead connection is a lead formation in which the SnZn solder of the present invention is soldered to the electrode portion (pattern) on the substrate, and the wire (the SnZn solder of the present invention is solder-plated on a circular copper wire).
  • the wire is easy to solder if it is crushed into an elliptical shape), a ribbon (a thin copper plate cut to a width of about 1 mm, and the SnZn solder of the present invention is solder-plated in advance).
  • FIG. 4 shows an explanatory diagram of soldering of the present invention.
  • FIG. 4 shows an example of preliminary soldering
  • (b) of FIG. 4 shows an example of soldering a ribbon or a wire.
  • the silicon substrate 11 is an example of a solar cell substrate in which an aluminum sintered film 12 is formed on, for example, the entire back surface of the silicon substrate 11.
  • the aluminum sintered film 12 is an electrode (aluminum sintered film) formed by applying aluminum paste (or screen printing to a predetermined pattern) on the entire back surface of the illustrated silicon substrate 11 which is a solar cell substrate and sintering the film. is there.
  • the ultrasonic soldering iron tip 13 is a soldering iron tip that is heated while applying ultrasonic waves from an ultrasonic generator (not shown).
  • the solder (ABS-S) 14 is the SnZn solder of the present invention (SnZn solder manufactured in S4 of FIG. 1).
  • the silicon substrate 11 is transported onto a preheating table, vacuum-adsorbed and fixed, and preheated (for example, preheated to about 180 ° C.).
  • solder 14 While the solder 14 is automatically supplied to the tip 13 of the ultrasonic soldering iron shown in the figure from the start point to the end point of the electrode pattern (strip-shaped pattern) formed on the aluminum sintered film 12, the solder 14 is melted. An ultrasonic wave is applied to move the aluminum sintered film 12 close to the aluminum sintered film 12 so as not to rub it at a constant speed to form a strip-shaped preliminary solder pattern on the aluminum sintered film 12.
  • the SnZn solder 14 of the present invention can be soldered on the aluminum sintered film 12 with a preliminary solder pattern of a predetermined pattern.
  • (B) of FIG. 4 shows an example of soldering a ribbon or a wire.
  • the ultrasonic soldering iron tip 13-1 is a soldering iron tip that is heated with or without applying ultrasonic waves from an ultrasonic generator (not shown).
  • the soldered ribbon or wire 15 is a ribbon or wire obtained by pre-soldering the SnZn solder of the present invention in advance. It should be noted that the wire 15 has better solderability when it is slightly deformed into an elliptical shape.
  • the silicon substrate 11 is preheated in the same manner as in (a) of FIG.
  • soldered ribbon or wire 15 arranged along the preliminary solder pattern portion formed on the aluminum sintered film 12 on the silicon substrate 11 (back surface) of the soldered ribbon or wire 14, the soldered ribbon or wire 15 is superposed from above. With or without sound, while lightly pressing with the tip 13-1 of the soldering iron, move it to the right in the figure at a constant speed to melt the solder of the soldered ribbon or wire 15 and solder it to the preliminary solder pattern portion.
  • the ribbon or wire 15 in which the SnZn solder 14 of the present invention is pre-soldered can be soldered to the portion of the pre-solder pattern on the aluminum sintered film 12.
  • the quality of the soldering with ultrasonic waves and the soldering without ultrasonic waves of the present invention is determined by soldering the ribbon or wire to the part to be soldered with ultrasonic waves or soldering without ultrasonic waves, and then the ribbon or wire. It is pulled with a force slightly weaker than the force to crack the substrate, etc., and it is judged to be good when it does not peel off from the substrate, etc., and bad when it peels off.
  • FIG. 5 shows a composition example (ABS-S) of the solder of the present invention.
  • the base material, the main material, and the auxiliary material are the distinctions between the base material, the main material, and the auxiliary material described in FIG.
  • the composition example is a composition example of the base material, the main material, and the auxiliary material.
  • the wt% example is an example of wt% of the composition of the base material, the main material, and the auxiliary material.
  • the wt% range is an example of the wt% range of the composition of the base material, the main material, and the auxiliary material.
  • composition, wt% example, and wt% range are as shown in FIG.
  • Sn91 wt% and Zn9 wt% shown in the figure were used as the base material in the trial production.
  • the composition range may be stable as long as the SnZn alloy can be produced, for example, Zn1 to 15 wt% and the rest may be Sn.
  • the melting temperature of the produced SnZn base material may be measured and tested. You just have to decide.
  • P is P (red phosphorus) and CuP8 alloy (P is 8 wt%, the residue is Cu alloy, P wt% is 8% of CuP8. (Copper phosphide) and When P (red phosphorus) is added in an amount of about 0.1 wt% (P saturated state) and when P in CuP8 is added as a main material, a large amount of about 0.16 wt% (P saturated state) is added. I needed it.
  • the total amount of the main material be 1 to 1.5 wt% or less.
  • the SnZn solder of the present invention in which the total amount of the main material of 1 to 1.5 wt% or less is mixed, melted, and alloyed with the base material (Sn91 wt%, Zn9 wt%) is compared with the melting temperature of the base material (for example, around 195 ° C.). However, the same or 1 to 5 ° C. lower melting temperature was measured. It is presumed that this is because the total amount of the main material of 1 to 1.5 wt% or less is taken into the skeleton of the base material (SnZn alloy) to reconstruct the skeleton, and as a result, the melting temperature is equal to or lowered. .. It is also inferred from the observation that a mesh-like skeleton appears during mixing, melting, and alloying in the crucible, and when this is stirred to dissolve and melt the whole, a uniform alloy is formed.
  • the auxiliary material, the solar cell substrate, the liquid crystal substrate, etc. are made of silicon, and since an aluminum sintered film is present on the silicon, Si, Al, Cu (copper wire, copper pattern, etc.), Ag (sintered electrode) , Ni (nickel plating on the surface of silicon), etc. are added in consideration of electrical characteristics (contact potential difference, contact resistance, IV characteristics in the case of solar cells, etc.) and further bonding strength. Etc. are to be improved.
  • FIG. 6 shows an example of a solder prototype of the present invention.
  • the illustration shows an example of a large number of prototypes that can be used for soldering in FIG. 4 described above. Those that cannot be used are omitted.
  • Sn91 wt% and Zn9 wt% were used as the base material of the SnZn solder of the present invention (SnZn solder produced in S4 of FIG. 1).
  • metal materials were used for In, Bi, and P (red phosphorus).
  • CuP8 copper phosphate having a P content of 8 wt% and a residue of Cu was used. As described above, when CuP8 was used, it was not saturated unless the amount of P added was equivalent to 0.16 wt% (P (red phosphorus) was saturated at 0.1 wt%). ..
  • the sample number is the number of the prototype sample.
  • FIG. 7 shows an explanatory diagram of the TC test of the solder of the present invention.
  • the sample No. “A-14” of FIG. 6 described above was used for the TC test.
  • FIG. 7A schematically shows a TC test example of ABS-S solder (A-14). At this time, the TC test has exceeded 1000 hours (and is ongoing).
  • FIG. 7 shows an example of a sample photograph.
  • the copper wire was soldered (ultrasonic soldering or scratching and soldering) to the aluminum plate, the silicon surface, and the aluminum surface using A-14.
  • FIG. 7 (c) shows an example of the temperature condition of the TC test.
  • ⁇ Maximum temperature is 87.5 °C
  • Minimum temperature is -24
  • Maximum humidity is 98.3%
  • Minimum humidity is 1.6%
  • the TC test was carried out under the conditions of.
  • FIG. 7D shows an example of the test environment and results.
  • the test period is from May 1st to June 12th, 2019 (1000 hours).
  • test pass result was obtained for sample No. "A-14".
  • FIG. 8 shows a TC test example of the solder (A-14) of the present invention.
  • the horizontal axis represents the elapsed time (h).
  • the vertical axis represents temperature (° C.) / humidity (%), the upper graph in the graph shows humidity, and the lower graph shows temperature.
  • the temperature graph at the bottom of the graph is The high temperature (maximum temperature) is 87.6 ° C. as shown in FIG. 7 (c).
  • the low temperature (minimum temperature) is ⁇ 24.4 ° C. described in FIG. 7 (c). It shows the record up to the lapse of 1000 hours.
  • the humidity graph at the top of the graph is -Maximum humidity is 98.3% shown in (c) of FIG.
  • -Minimum humidity is 1.6% as shown in (c) of FIG. It shows the record up to the lapse of 1000 hours.
  • FIG. 9 shows an example of ultrasonic (rubbing) / paste of the present invention.
  • “paste / ultrasonic (rubbing)” refers to "soldering with ultrasonic waves” and “without ultrasonic waves” when soldering to an object to be soldered using the SnZn solder of the present invention.
  • the object to be soldered is a material to be soldered using the SnZn solder of the present invention, which is Si (wafer, about 0.2 mm thick), an Al sintered film sintered on the wafer, and Cu (0. 1 mm thick plate), Al (0.1 mm thick plate), and stainless steel (0.1 mm thick plate) are distinguished.
  • ⁇ ⁇ indicates a weak adhesion of the SnZn solder of the present invention to the soldering target (a state in which the tin-plated wire of 0.4 mm ⁇ is immediately peeled off when soldered and pulled).
  • ⁇ X represents poor adhesion of the SnZn solder of the present invention to the soldering target.
  • a hole (about 1-3 mm) is made in the center of the thick rod-shaped solder, or a notch is made, and the inside of this hole or the inside of the notch, etc.
  • a predetermined amount of powder for example, powder of ammonium chloride, hydrate, resin, etc.
  • a rolling roller grooved
  • Process roll into thread-like solder. The powder put (mixed) can be observed near the center of the cross section of the filamentous solder.
  • the tip of the iron is applied to a soldering target (for example, a Cu plate or the like, if necessary, placed on a preheating table (for example, 180 ° C.)) to heat the thread-like solder, and the powder mixed in the thread-like solder (For example, ammonium chloride / hydrate powder) was decomposed to attempt to significantly improve the adhesion to the portion to be soldered (for example, in the case of a Cu plate, the adhesion could be significantly improved). reference).
  • a soldering target for example, a Cu plate or the like, if necessary, placed on a preheating table (for example, 180 ° C.)
  • a preheating table for example, 180 ° C.
  • solder manufacturing explanatory drawing of this invention It is explanatory drawing of the solder material manufacturing apparatus of this invention. It is a soldering explanatory drawing of the lead connection of this invention. It is a soldering explanatory drawing of this invention. It is a composition example (ABS-S) of the solder of this invention. This is a prototype example of the solder of the present invention. It is a TC test explanatory drawing of the solder of this invention. This is a TC test example of the solder (A-14) of the present invention. This is an example of ultrasonic (rubbing) / paste of the present invention.
  • Solder material 2 Solder material input tray 3: Melting furnace 4: Heater 11: Silicon substrate 12: Aluminum sintered film 13: Ultrasonic soldering iron tip 13-1: With or without ultrasonic soldering iron tip 14: Solder 15: Soldered ribbon or wire

Abstract

 本発明は、SnとZnの合金である母材に、P、In、Bi、Sbのうちの1つ以上を含む主材を、合計1ないし1.5wt%以下を混入して溶融・合金化したことを特徴とするSnZn半田およびその製造方法に関するものである。  本発明によれば、太陽電池基板等の電極に極めて強固に接合でき、高温・低温繰り返しテストに強く、母材であるSnZn合金とほぼ同じあるいは母材よりも低い溶融温度を有する、安価な半田を提供することができる。

Description

SnZn半田およびその製造方法
 本発明は、太陽電池基板や液晶基板等に用いるSnZn半田およびその製造方法に関するものである。
 従来、太陽電池基板や液晶基板等の電極へのリード線の半田付けは錫鉛半田が強度の強いこと、価格が安いことなどの理由により多く用いられている。
 また、アルミなどの電極の場合には、十分な半田付け強度が得られないために銀ペーストを塗布・焼結してこの上にリード線を錫鉛半田で半田付けしていた。
 また、最近は、公害等の観点から鉛フリー半田の要望が強くなっている。
 従来の鉛フリー半田は、錫鉛半田に比較し、強度が要求強度に少し不足したり、価格が高くて代替えに至っていないという問題があった。
 本発明者らは、鉛フリー半田の一種であるSnとZnの合金からなるSnZn半田について、P,In,Bi、Sb等の主材を合計1ないし1.5wt%以下の微量を混入して溶融・合金化し、必要に応じてAl、Si、Ag、Cu、Ni等の副材の微量を混入して溶融・合金化したSnZn半田は太陽電池基板等の電極に極めて強固かつ高温・低温繰り返しテストに強い半田であり、かつ混入してもSnZn半田の溶融温度がほぼ同じあるいは低下することを発見した。
 そのため、本発明らは、SnとZnの合金からなるSnZn半田において、SnとZnの合金である母材に、P、In、Bi、Sbのうちの1つ以上を含む主材を、合計1ないし1.5wt%以下を混入して溶融・合金化するようにしている。
 この際、溶融・合金化した後のSnZn半田の溶融温度は、母材の溶融温度と同じあるいは低いようにしている。
 また、主材は、SnとZnの合金の骨格内に合金化するようにしている。
 また、Al、Si、Cu、Ag、Niのうちの1つ以上あるいは1つ以上を含有するガラスを含む副材を、必要に応じて5wt%以下を母材に混入して溶融・合金化するようにしている。
 また、主材および副材として、主材と副材との合金を、母材に混入して溶融・合金化するようにしている。
 また、主材と副材の合金として、CuとPとの合金とするようにしている。
 また、母材、主材、副材をまとめてあるいは複数に分けて混合して溶融・合金化するようにしている。
 また、太陽電池基板、液晶基板の電極に、リード線の半田付けに用いるようにしている。
 また、作成したSnZn半田に、塩化アンモニウム・水和物の粉末あるいは塩化アンモニウム・水和物を含む粉末を3wt%以下から0.05wt%以上混入し、半田付け加熱時に分解して被半田付け対象物への半田付け密着度を改善するようにしている。
 本発明は、上述したように、SnとZnの合金である母材に、P、In、Bi、Sb等のうちの1つ以上を含む主材を合計1ないし1.5wt%以下の微量、必要に応じてAl,Si,Cu,Ag、Ni等のうちの1つ以上あるいは1つ以上を含有するガラスを含む副材を微量を混入して溶融・合金化することにより、太陽電池基板等の電極に極めて強固かつ高温・低温繰り返しテストに強い半田であり、かつ混入してもSnZn半田の溶融温度がほぼ同じあるいは低下させ,更に安価に製造することが可能となった。
 また、溶融・合金化した後のSnZn半田の溶融温度は、母材の溶融温度と同じあるいは低くなり、混入による溶融温度の上昇を無くすことができた。
 また、主材は、SnとZnの合金の骨格内に合金化し、析出してしまう弊害を除くことができた。
 また、Al,Si,Cu,Ag、Ni等の1つ以上、あるいは1つ以上を含有するガラスを混入して溶融・合金化しSnZn半田を製造することにより、半田付け対象に対する接触電位等の電気的特性を改善することができる。
 また、主材と副材の合金を混入して溶融・合金化してSnZn半田を製造することにより、主材の安定化を図り、高温・低温繰り返しテストに強い半田とすることができた。
 また、作成したSnZn半田に、塩化アンモニウム・水和物の粉末あるいは塩化アンモニウム・水和物を含む粉末を3wt%以下から0.05wt%以上混入し、半田付け加熱時に分解して被半田付け対象物への半田付け密着度を改善することができる。
 図1は本発明の半田製造説明図を示す。
 図1の(a)はフローチャートを示し、図1の(b)は材料例を示す。
 図1の(a)において、S1は、母材、主材、副材を準備する。これは、図1の(b)の材料例に示す下記の材料を準備する。
  ・母材:Sn91 Zn9
  ・主材:P、In、Bi、Sb
  ・副材:Al、Si、Cu、Ag、Ni
 ここで、母材は、本発明のSnZn半田を形成するSnZn合金の基本となる材料(母材)であって、ここでは、Snが91wt%。Znが9wt%を試作では用いた。Sn,Znの重量比は合金を作成できる範囲で任意、例えばZnが1から15wt%、残りはSnとすればよい(いずれの割合にするかは溶融温度などを目安に実験して適宜選択すればよい)。 
 また、主材は、半田付けの際に、被半田付け対象の表面の酸化膜除去、密着性。濡れ性、流動性、粘性などの半田付けに影響を与える材料であって、本発明では主材の総量が1ないし1.5wt%以下にする材料である。ここでは、P(被半田付け対象の酸化膜除去、密着性),In(濡れ性、流動性)、Bi(密着性)、Sb(密着性)の1つ以上を混合して溶融・合金化する対象の材料である。また、主材は、総量が1ないし1.5wt%以下の微量と相まって母材の溶融温度よりも、母材に主材を混合して溶融・合金化した後のSnZn半田の溶融温度は等しいあるいは若干低い(例えば1ないし5℃程度低い)ものとなった。これは、主材の総量が母材に対して1ないし1.5wt%以下の微量であることで、母材の骨格内に入り、再骨格構成されるものと推測される。
 また、副材は、母材と主材に、更に添加した材料であって、被半田付け対象(太陽電池基板、液晶基板などの半導体基板、焼成アルミ膜、銅電極など)の電気的特性(接触電位差、接触抵抗、太陽電池の場合にはI-V特性など)、密着性などを良好にするための材料であって、ここでは、Al(焼成アルミ膜に対するもの)、Si(シリコン基板に対するもの)、Cu(銅電極に対するもの)、Ag(全てに対するもの)、Ni(シリコン基板に微量Niメッキしたときに対するもの)などの材料である。副材として、金属だけでなく、金属を含有するガラスを混合・溶融・合金化することで添加してもよい(ガラス中の酸素等のガス成分は溶融・合金化時に外部に放出されるなどする)。
 S2は、母材に対して、主材、副材を混合する。これは、S1で準備した母材に、主材、副材を混合する。
 S3は、母材、主材、副材が溶融して合金化する。これは、S2で母材に、主材、副材と混合して加熱して溶融し、良く攪拌して合金化させる。この際、主材、副材が空気中の酸素で酸化されてしまい合金化が困難な場合などには、必要に応じて不活性ガス(例えば窒素ガス)を坩堝内に吹き込んだり、あるいは更に不活性ガスを満たした溶融炉や真空溶融炉を用いる。
 S4は、半田材料(ABS-S)が完成する。
 以上によって、母材、主材、副材を準備してこれらを混合し、溶融・合金化することにより、本願発明に係るSnZn半田(ABS-S)を製造することが可能となる。以下順次詳細に説明する。
 図2は、本発明の材料製造装置の説明図を示す。
 図2において、半田材料1は、既述した図1のS1で準備した母材、主材、副材であって、ここでは、金属、ガラスなどの破片(粗粉砕したもの)である。
 半田材料投入皿2は、半田材料1を載せて溶融炉3に投入するものである。
 溶融炉3は、ヒーター4などで加熱し、内部に半田材料1を投入し、母材、主材、副材を溶融し、攪拌して合金化するためのものである。溶融炉3は、通常は大気中で内部に投入した母材、主材、副材を溶融し、攪拌して合金化する。この際、必要に応じて不活性ガス(窒素ガスなど)を吹き込んだりして空気中の酸素による酸化を低減したり、更に必要に応じて密閉して不活性ガスを充満(あるいは真空排気)する。
 以上のようにして、図1のS1で準備した母材、主材、副材を混合して溶融炉3で溶融し、攪拌して合金化し、本願発明のSnZn半田を製造することが可能となる。
 図3は、本発明のリード結線の半田付け説明図を示す。
 図3の(a)はフローチャートを示し、図3の(b)は基板/リード結線例を示す。
 図3の(a)において、S11は、超音波で半田(ABS-S)を基板パターンの予備半田を行う。これは、例えば太陽電池基板の電極に、これから半田付けしようとする部分(パターン)に、本願発明のSnZn半田(図1のS4で製造したSnZn半田)を超音波半田コテのコテ先に供給して溶融し、かつ超音波を印加して基板上の当該パターン部分に半田付け(超音波予備半田付けという)を予め行う。
 S12は、リード結線等を超音波半田又は超音波無半田する。これは、S11で例えば太陽電池基板の電極の上に超音波予備半田付けした部分(パターン)に、リード結線を沿わせてその上から超音波を印加しつつあるいは超音波を印加することなく、本願発明のSnZn半田を溶融してリード結線を半田付けする。尚、SnZn半田がリード結線に予め予備半田されているときは半田の供給は不要である。
 以上によって、半田付け対象の部分(例えば太陽電池基板の電極部分)に通常の半田付けでは困難であるので、超音波を用いて本願発明のSnZn半田の予備半田を行い(S11)、予備半田を行った部分(パターン)の上に本願発明のSnZn半田を用いてリード結線を超音波半田付け、あるいは超音波無半田付けする(S12)ことにより、従来の半田付け不可の太陽電池基板の電極部分等に、超音波有り予備半田付けしてその上にリード結線を超音波有半田あるいは超音波無半田することが可能である。
 尚、超音波半田付けは、10W以下、通常は2から3Wで超音波半田付けを行っている。強いと太陽電池基板の上に形成された膜(例えば窒化膜)や基板の表面の結晶を損傷したりするので、強くすることはしない。 
 図3の(b)は、基板/リード結線例を示す。
 図3の(b)において、基板は、Al,Si基板、ガラス基板などであって、通常のハンダ付けでは半田付けが極めて困難な基板の例である。これら基板の電極となる部分(パターン)について、本願発明のSnZn半田を超音波予備半田付けする。そして、この予備半田付けした部分(パターン)に、リード結線を超音波有半田付け、あるいは超音波無半田付けすることにより、リード結線を基板に半田付けすることが可能となる。
 また、リード結線は、基板の上の電極の部分(パターン)に、本願発明のSnZn半田を用いて半田付けするリード結成であって、ワイヤー(円形の銅線に本願発明のSnZn半田を半田メッキしたワイヤー、少し楕円に潰しておくと半田付けしやすい)、リボン(銅の薄い板を1mm程度幅にカットしたリボンに、本発明のSnZn半田を予め半田メッキしておく)等である。
 図4は、本発明の半田付け説明図を示す。
 図4の(a)は予備半田付け例を示し、図4の(b)はリボン、又はワイヤーの半田付け例を示す。
 図4の(a)において、シリコン基板11は、ここでは、太陽電池基板の例であって、該シリコン基板11の例えば裏面の全面にアルミニウム焼結膜12を形成したものである。
 アルミニウム焼結膜12は、太陽電池基板である図示のシリコン基板11の裏面の全面にアルミペーストを塗布(または、所定のパターンにスクリーン印刷)し、焼結して形成した電極(アルミニウム焼結膜)である。
 超音波半田コテ先端13は、図示外の超音波発生器から超音波を印加しつつ加熱される半田コテ先端である。
 半田(ABS-S)14は、本発明のSnZn半田(図1のS4で製造されたSnZn半田)である。
 次に、半田付け動作を説明する。
 (1)シリコン基板11を予備加熱台の上に搬送して真空吸着して固定し、予備加熱する(例えば180℃程度に予備加熱する)。
 (2)アルミニウム焼結膜12の上に形成する電極のパターン(短冊状のパターン)の開始点から終了点に向けて、図示の超音波半田コテ先端13に半田14を自動供給して溶融しつつ超音波を印加して当該アルミニウム焼結膜12の上を擦らない程度に近接させた状態で一定速度で移動させ、アルミニウム焼結膜12の上に短冊状の予備半田パターンを形成する。
 以上によって、本願発明のSnZn半田14をアルミニウム焼結膜12の上に所定パターンの予備半田パターンを半田付けすることが可能となる。
 図4の(b)は、リボン又はワイヤーのハンダ付け例を示す。
 図4の(b)において、超音波半田コテ先端13ー1は、図示外の超音波発生器から超音波を印加しつつあるいは超音波を印加しないで、加熱される半田コテ先端である。
 半田付きリボン又はワイヤー15は、リボンまたはワイヤーに本願発明のSnZn半田を予め予備半田付けしたものである。尚、ワイヤー15は楕円形に少し変形させた方が半田付け性が良好である。
 次に、リボン又はワイヤーの予備半田パターン部分への半田付け動作を説明する。
 (1)図4の(a)と同様に、シリコン基板11を予備加熱する。
 (2)半田付きリボン又はワイヤー14をシリコン基板11の上(裏面)のアルミニウム焼結膜12の部分に形成した予備半田パターン部分に、沿わせて配置した半田付きリボン又はワイヤー15について、上から超音波有又は超音波無半田コテ先端13ー1で軽く押さえつつ図示の右方向に一定速度で移動させ、半田付きリボン又はワイヤー15の半田を溶融して予備半田パターン部分に半田付けする。
 以上によって、本願発明のSnZn半田14を予め予備半田したリボン又はワイヤー15を、アルミニウム焼結膜12の上の予備半田パターンの部分に半田付けすることが可能となる。
 尚、本発明の超音波有りの半田付けや超音波無しの半田付けの良否は、リボン又はワイヤーを半田付け対象部分に超音波有りの半田付けあるいは超音波無しの半田付けを行い、リボン又はワイヤーを引っ張って基板等が割れる力よりも僅かに弱い力で引っ張り、基板等から剥がれないときに良、剥がれたときに不良と判定する。
 図5は、本発明の半田の組成例(ABS-S)を示す。
 図5において、母材、主材、副材は、図1で説明した母材、主材、副材の区別である。
 組成例は、母材、主材、副材の組成例である。
 wt%例は、母材、主材、副材の組成のwt%の例である。
 wt%範囲は、母材、主材、副材の組成のwt%の範囲例である。
 図5に図示の下記のように組成、wt%例、wt%範囲はなる。
     母材    主材                    副材
組成例  SnZn合金  P In Bi                  Al   Si   Cu  Ag   
wt%例   Sn Zn    CuP8 In Bi                 Al   Si   Cu   Ag
      91  9    0.3  0.3 0.3                 0.3  0.3  0.3  0.3
wt%範囲 99-85 1-15  微量-0.1(P) 0.1-1.0  微量-0.5   各5Wwt以下
 ここで、組成例として、試作では母材は図示のSn91wt%、Zn9wt%を用いた。また、組成範囲は、SnZn合金が作成可能な範囲で安定であればよく、例えばZn1から15wt%、残りをSnとしたものでよく、作成したSnZn母材の溶融温度などを実測して実験で決めればよい。
主材として、P,In,Bi、Sbなどがあるが、Pは試作ではP(赤リン)と、CuP8合金(Pが8wt%、残余がCuの合金、Pのwt%はCuP8の8%となるリン化銅)とを用いた。尚、P(赤リン)を約0.1wt%添加(P飽和状態)した場合と、CuP8中のPを主材として添加した場合には約0.16wt%(P飽和状態)と多く添加する必要があった。Pの場合には約0.1wt%(またはCuP8の場合には約P=0.16wt%)で飽和、更に添加すると過飽和となり、SnZn半田の粘性が大幅に増大してしまう。そのため、流動性、濡れ性などを確保する通常の使用には、Pの飽和以下の添加を行うことが望ましい。Pの場合には非常に微量(約0.001wt%程度の微量)でもよい。また、Pの飽和、過飽和でも用途によっては適宜、使えばよい。同様に、他の主材にもその傾向があるので必要に応じて実験で最適な添加量を決めればよい。
 また、主材の総量は1ないし1.5wt%以下が望ましかった。この主材の総量1ないし1.5wt%以下を母材(Sn91wt%,Zn9wt%)に混合・溶融・合金化した本願発明のSnZn半田は、母材の溶融温度(例えば195℃前後)に比し、同じあるいは1ないし5℃低い溶融温度が実測された。これは、主材の総量1ないし1.5wt%以下が母材(SnZn合金)の骨格の内部に取り込まれて骨格が再構成され、その結果、溶融温度が等しいあるいは低下したものと推測される。尚、ルツボ内で混合・溶融・合金化時に網目状の骨格が現れ、これを攪拌して全体を溶解して溶融させると一様な合金となることが観察されたことからも推測される。
 また、副材は、太陽電池基板、液晶基板などがシリコン、シリコンの上にアルミニウム焼結膜などが存在するので、Si、Al,更にCu(銅線、銅パターンなど)、Ag(焼結電極)、Ni(シリコンの表面へのニッケルメッキ)などを考慮して添加したものであって、電気的特性(接触電位差、接触抵抗、太陽電池の場合にはI-V特性など)や、更に接合強度等を改善するものである。
 図6は、本発明の半田試作例を示す。図示は、多数を試作したうち、既述した図4の半田付けに使用可能なものの例を示す。使用不可のものは省略した。
 図6において、本発明のSnZn半田(図1のS4で製造したSnZn半田)の母材は、Sn91wt%,Zn9wt%を用いた。
 副材は、Al、Si(他は省略)を用いた。
 主材は、In、Bi、P(赤リン)は金属の材料を用いた。CuP8はPが8wt%で残余がCuのリン化銅を用いた。尚、既述したように、CuP8を用いた場合にはこのうちのPの添加量を0.16wt%相当にしないと飽和しなかった(P(赤リン)では0.1wt%で飽和した)。
 サンプルNoは、試作したサンプルの番号である。
 以上の試作サンプルNoについて、既述した図5の超音波有半田付け、超音波無半田付けし、良好なもののみを記載した。半田付け不可のものは省略した。
 図7は、本発明の半田のTCテスト説明図を示す。ここで、TCテストに使用したのは、既述した図6のサンプルNo「A-14」である。
 図7の(a)は、ABS-S半田(A-14)のTCテスト例を模式的に示す。現時点では、TCテストは1000時間を超えた(更に継続中である)。
 図7の(b)は、サンプル写真の例を示す。図示のように、銅線をアルミ板、シリコン面、アルミ面にA-14を用いて半田付け(超音波半田付け、あるいはひっかきキズをつけ半田付け)した。
 図7の(c)は、TCテストの温度条件例を示す。ここでは、図示のように、
  ・最大温度は 87.5℃ 
  ・最小温度は-24、4℃
  ・最大湿度は 98.3%
  ・最小湿度は  1.6%
の条件でTCテストを実施した。
 図7の(d)は、テスト環境と結果の例を示す。ここでは、図示のように、
 (1) 試験期間は2019年5月1日から6月12日(1000時間)
 (2) 銅線をアルミ板、シリコン板、アルミ面に半田A-14で接合
 (3) 高温条件は高温炉で80℃に入れる。サンプルを入れてから昇温させる。
 (4) 低温条件は冷凍庫に-20℃に入れる。
 (5) 交換はサンプルを常温で放置せずにすぐに入れ替える。
    テスト結果は、半田が崩れることがなく問題ない。
 以上のテスト条件で1000時間のTCテストを実施した結果、サンプルNo「A-14」について、テスト合格の結果が得られた。
 図8は、本発明の半田(A-14)のTCテスト例を示す。
 図8において、横軸は経過時間(h)を表す。縦軸は温度(℃)/湿度(%)を表し、グラフ中の上部のグラフは湿度を示し、下部のグラフは温度を示す。
 図8において、グラフ中の下部の温度グラフは、
  ・高温(最大温度)が図7の(c)に記載の87.6℃
  ・低温(最小温度)が図7の(c)に記載の-24.4℃
であり、1000時間経過までの記録を示す。
 図8において、グラフ中の上部の湿度グラフは、
  ・最大湿度が図7の(c)に記載の98.3%
  ・最小湿度が図7の(c)に記載の1.6%
であり、1000時間経過までの記録を示す。
 図9は、本発明の超音波(擦る)/ペースト例を示す。ここで、図9中の
 ・「ペースト/超音波(擦る)」は、本発明のSnZn半田を用いて半田付け対象物に半田付けする場合の「超音波有りで半田付け」、「超音波無しでコテ先で半田付け対象物を擦る」、「ペーストの塩化アンモニウム(NH4Cl)・水和物(3wt%以下、0.05wt%以上)を用いる」、「ペーストの塩化アンモニウム・無水物(3wt%以下、0.05wt%以上)を用いる」、「ペーストのレジン(松脂)(3wt%以下、0.05wt%以上)を用いる」の区別である。
 ・半田付け対象物は、本発明のSnZn半田を用いて半田付けする対象の材料であって、Si(ウェハ、約0.2mm厚)、ウェハ上に焼結したAl焼結膜、Cu(0.1mm厚板)、Al(0.1mm厚板)、ステンレス(0.1mm厚板)の区別である。
 ・◎は、本発明のSnZn半田の半田付け対象への密着優良(0.4mmφの錫メッキ線を半田付けして引っ張ったときにシリコンウェハが割れる力(引張強度)のときに密着優良と判定)を表す。
 ・〇は、本発明のSnZn半田の半田付け対象への密着良(0.4mmφの錫メッキ線を半田付けして引っ張ったときにシリコンウェハが割れる力ないし少し弱い力(引張強度)のときに密着良と判定)を表す。
 ・△は、本発明のSnZn半田の半田付け対象への密着弱(0.4mmφの錫メッキ線を半田付けして引っ張ったときにすぐにはがれる状態)を表す。
 ・×は、本発明のSnZn半田の半田付け対象への密着不良を表す。
 以上の図9の実験から、「超音波有り」、「超音波無してコテ先で半田付け対象物を擦る」の場合に、Siウェハ、Al焼結膜、Cu,Al、ステンレスに対して十分な半田付け強度が得られることが判明した。
 更に、塩化アンモニウム・水和物(3wt%以下、0.05wt%以上)を用いた場合にはCu、Alの場合に十分な半田付け強度が得られることが判明した。
 更に、レジン(松脂)(3wt%以下、0.05wt%以上)を用いた場合にはCuの場合に十分な半田付け強度が得られることが判明した。
 尚、実験に用いた粉末混入の本発明のSnZn半田は、太い棒状の半田の中心に穴(約1-3mm程度)をあけ、あるいは切込みを入れるなどし、この穴の内部あるいは切込みの内部などに所定量の粉末(例えば塩化アンモニウム・水和物あるいはレジン等の粉末)を入れ、圧延ローラ(溝付)で複数回繰り返して順次細い棒状に伸ばし、最終的には約1mmφ程度あるいは1mm角程度の糸状半田に加工(圧延)する。この糸状半田の断面の中心付近には、前記入れた(混入した)粉末を観察できる。そして、コテ先を半田付け対象(例えばCu板等、必要に応じて予備加熱台(例えば180℃)に裁置)に当てて加熱しながら当該糸状半田を溶融し、該糸状半田に混入した粉末(例えば塩化アンモニウム・水和物の粉末)を分解して半田付け対象の部分への大幅な密着性の改善を試みた(例えばCu板の場合には大幅に密着性を改善できた。図9参照)。
本発明の半田製造説明図である。 本発明の半田材料製造装置の説明図である。 本発明のリード結線のハンダ付け説明図である。 本発明の半田付け説明図である。 本発明の半田の組成例(ABS-S)である。 本発明の半田の試作例である。 本発明の半田のTCテスト説明図である。 本発明の半田(A-14)のTCテスト例である。 本発明の超音波(擦る)/ペースト例である。
1:半田材料
2:半田材料投入皿
3:溶融炉
4:ヒーター
11:シリコン基板
12:アルミニウム焼結膜
13:超音波半田コテ先端
13-1:超音波有又は超音波無半田コテ先端
14:半田
15:半田付きリボン又はワイヤー

Claims (17)

  1.  SnとZnの合金からなるSnZn半田において、
     SnとZnの合金である母材に、P、In、Bi、Sbのうちの1つ以上を含む主材を、合計1ないし1.5wt%以下を混入して溶融・合金化したことを特徴とするSnZn半田。
  2.  前記溶融・合金化した後のSnZn半田の溶融温度は、前記母材の溶融温度と同じあるいは低いことを特徴とする請求項1に記載のSnZn半田。
  3.  前記主材は、SnとZnの合金の骨格内に合金化したことを特徴とする請求項1から請求項2のいずれかに記載のSnZn半田。
  4. Al、Si、Cu、Ag、Niのうちの1つ以上あるいは1つ以上を含有するガラスを
    含む副材を、必要に応じて5wt%以下を前記母材に混入して溶融・合金化したことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のSnZn半田。
  5.  前記主材および前記副材として、該主材と該副材との合金を、前記母材に混入して溶融・合金化したことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のSnZn半田。
  6.  前記主材と前記副材の合金として、CuとPとの合金としたことを特徴とする請求項5に記載のSnZn半田。
  7.  前記母材、主材、副材をまとめてあるいは複数に分けて混合して溶融・合金化することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のSnZn半田。
  8.  太陽電池基板、液晶基板の電極に、リード線の半田付けに用いることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載のSnZn半田。
  9.  請求項1から請求項8のいずれかに記載のSnZn半田に、塩化アンモニウム・水和物の粉末あるいは塩化アンモニウム・水和物を含む粉末を3wt%以下から0.05wt%以上混入し、半田付け加熱時に分解して被半田付け対象物への半田付け密着度を改善することを特徴とするSnZn半田。
  10.  SnとZnの合金からなるSnZn半田の製造方法において、
     SnとZnの合金である母材に、P、In、Bi、Sbのうちの1つ以上を含む主材を、合計1ないし1.5wt%以下を混入して溶融・合金化して製造することを特徴とするSnZn半田の製造方法。
  11.  前記溶融・合金化した後のSnZn半田の溶融温度は、前記母材の溶融温度と同じあるいは低いことを特徴とする請求項10に記載のSnZn半田の製造方法。
  12.  前記主材は、SnとZnの合金の骨格内に合金化したことを特徴とする請求項10から請求項11のいずれかに記載のSnZn半田の製造方法。
  13.  Al、Si、Cu、Ag、Niのうちの1つ以上あるいは1つ以上を含有するガラスを含む副材を、必要に応じて5wt%以下を前記母材に混入して溶融・合金化したことを特徴とする請求項10から請求項12のいずれかに記載のSnZn半田の製造方法。
  14.  前記主材および前記副材として、該主材と該副材との合金を、前記母材に混入して溶融・合金化したことを特徴とする請求項10から請求項13のいずれかに記載のSnZn半田の製造方法。
  15.  前記主材と前記副材の合金として、CuとPとの合金としたことを特徴とする請求項14に記載のSnZn半田の製造方法。
  16.  前記母材、主材、副材をまとめてあるいは複数に分けて混合して溶融・合金化することを特徴とする請求項10から請求項15のいずれかに記載のSnZn半田の製造方法。
  17.  請求項10から請求項16のいずれかに記載のSnZn半田に、塩化アンモニウム・水和物の粉末あるいは塩化アンモニウム・水和物を含む粉末を3wt%以下から0.05wt%以上混入し、半田付け加熱時に分解して被半田付け対象物への半田付け密着度を改善することを特徴とするSnZn半田の製造方法。
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