JP2000190090A - 鉛フリ―はんだ合金 - Google Patents
鉛フリ―はんだ合金Info
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Landscapes
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】電子機器では使用時に高温となり、不使用時に
は室温となるという熱サイクルがはんだ付け部にかか
り、その結果はんだが熱膨張・収縮で金属疲労を起こし
て破壊する。本発明は耐熱サイクル性のあるＳｎ−Ｃｕ
系はんだ合金の融点下げるとともに、耐熱サイクル性と
機械的強度に優れた鉛フリーはんだ合金である。 【解決手段】０．１〜２．５重量％Ｃｕと残部がＳｎか
ら成るはんだ合金中に、Ｂｉ、Ｉｎの１種以上を１〜１
５重量％添加した鉛フリーはんだ合金であり、さらに該
合金中にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅの１種以
上を０．０１〜２重量％添加した鉛フリーはんだ合金で
ある。
は室温となるという熱サイクルがはんだ付け部にかか
り、その結果はんだが熱膨張・収縮で金属疲労を起こし
て破壊する。本発明は耐熱サイクル性のあるＳｎ−Ｃｕ
系はんだ合金の融点下げるとともに、耐熱サイクル性と
機械的強度に優れた鉛フリーはんだ合金である。 【解決手段】０．１〜２．５重量％Ｃｕと残部がＳｎか
ら成るはんだ合金中に、Ｂｉ、Ｉｎの１種以上を１〜１
５重量％添加した鉛フリーはんだ合金であり、さらに該
合金中にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅの１種以
上を０．０１〜２重量％添加した鉛フリーはんだ合金で
ある。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、鉛を全く含有せず、し
かも耐熱サイクル性や機械的強度に優れたはんだ合金に
関する。
かも耐熱サイクル性や機械的強度に優れたはんだ合金に
関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器のはんだ付けに用いられるはん
だ合金としては、Ｓｎ−Ｐｂ合金が一般的であり、古来
より長い間使用されてきていた。Ｓｎ−Ｐｂ合金は、共
晶組成（６３Ｓｎ−Ｐｂ）の融点が１８３℃という低い
ものであり、そのはんだ付け温度は２３０〜２４０℃と
いう熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることが
ない温度である。しかもＳｎ−Ｐｂ合金は、はんだ付け
性が極めて良好であるとともに、液相線温度と固相線温
度間の温度差がなく、はんだ付け時に直ぐに凝固して、
はんだ付け部に振動や衝撃が加わってもヒビ割れや剥離
を起こさないという優れた特長を有している。
だ合金としては、Ｓｎ−Ｐｂ合金が一般的であり、古来
より長い間使用されてきていた。Ｓｎ−Ｐｂ合金は、共
晶組成（６３Ｓｎ−Ｐｂ）の融点が１８３℃という低い
ものであり、そのはんだ付け温度は２３０〜２４０℃と
いう熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることが
ない温度である。しかもＳｎ−Ｐｂ合金は、はんだ付け
性が極めて良好であるとともに、液相線温度と固相線温
度間の温度差がなく、はんだ付け時に直ぐに凝固して、
はんだ付け部に振動や衝撃が加わってもヒビ割れや剥離
を起こさないという優れた特長を有している。
【０００３】一般に、テレビ、ビデオ、ラジオ、テープ
レコーダー、コンピューター、複写機のような電子機器
は、故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりし
た場合は、廃棄処分される。これらの電子機器は、外枠
やプリント基板がプラスチックのような合成樹脂であ
り、また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処
分ができず、ほとんどが地中に埋められている。
レコーダー、コンピューター、複写機のような電子機器
は、故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりし
た場合は、廃棄処分される。これらの電子機器は、外枠
やプリント基板がプラスチックのような合成樹脂であ
り、また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処
分ができず、ほとんどが地中に埋められている。
【０００４】ところで近年、ガソリン、重油等の石化燃
料の多用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出さ
れ、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸
性雨は地中に埋められた電子機器のはんだを溶出させて
地下に染み込み、地下水を汚染するようになる。このよ
うに鉛を含んだ地下水を長年飲用していると、人体に鉛
分が蓄積され、鉛毒を起こす虞が出てくる。このような
機運から、電子機器業界では鉛を含まないはんだ、所謂
「鉛フリーはんだ合金」の出現が望まれてきている。
料の多用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出さ
れ、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸
性雨は地中に埋められた電子機器のはんだを溶出させて
地下に染み込み、地下水を汚染するようになる。このよ
うに鉛を含んだ地下水を長年飲用していると、人体に鉛
分が蓄積され、鉛毒を起こす虞が出てくる。このような
機運から、電子機器業界では鉛を含まないはんだ、所謂
「鉛フリーはんだ合金」の出現が望まれてきている。
【０００５】従来より鉛フリーはんだ合金としてＳｎ主
成分のＳｎ−Ａｇ、合金Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合
金はあった。Ｓｎ−Ａｇ合金は、最も溶融温度の低い組
成がＳｎ−３．５Ａｇの共晶組成で、溶融温度が２２１
℃である。この組成のはんだ合金のはんだ付け温度は２
６０〜２８０℃というかなり高い温度であり、この温度
ではんだ付けを行うと熱に弱い電子部品は熱損傷を受け
て機能劣化や破壊等を起こしてしまうものである。Ｓｎ
−Ｃｕ合金は最も溶融温度の低い組成がＳｎ−０．７Ｃ
ｕで、その溶融温度は２２７℃であり、やはりＳｎ−Ａ
ｇ合金同様はんだ付け温度が高くなって電子部品に熱損
傷を起こさせてしまう。またＳｎ−Ｓｂ合金は、最も溶
融温度の低い組成がＳｎ−５Ｓｂであるが、この組成の
溶融温度は、固相線温度が２３５℃、液相線温度が２４
０℃という高い温度であるため、はんだ付け温度は、Ｓ
ｎ−３．５Ａｇ合金やＳｎ−Ｃｕ合金よりもさらに高い
２８０〜３００℃となり、やはり熱に弱い電子部品を熱
損傷させてしまうものである。
成分のＳｎ−Ａｇ、合金Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合
金はあった。Ｓｎ−Ａｇ合金は、最も溶融温度の低い組
成がＳｎ−３．５Ａｇの共晶組成で、溶融温度が２２１
℃である。この組成のはんだ合金のはんだ付け温度は２
６０〜２８０℃というかなり高い温度であり、この温度
ではんだ付けを行うと熱に弱い電子部品は熱損傷を受け
て機能劣化や破壊等を起こしてしまうものである。Ｓｎ
−Ｃｕ合金は最も溶融温度の低い組成がＳｎ−０．７Ｃ
ｕで、その溶融温度は２２７℃であり、やはりＳｎ−Ａ
ｇ合金同様はんだ付け温度が高くなって電子部品に熱損
傷を起こさせてしまう。またＳｎ−Ｓｂ合金は、最も溶
融温度の低い組成がＳｎ−５Ｓｂであるが、この組成の
溶融温度は、固相線温度が２３５℃、液相線温度が２４
０℃という高い温度であるため、はんだ付け温度は、Ｓ
ｎ−３．５Ａｇ合金やＳｎ−Ｃｕ合金よりもさらに高い
２８０〜３００℃となり、やはり熱に弱い電子部品を熱
損傷させてしまうものである。
【０００６】このようにＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合
金、Ｓｎ−Ｓｂ合金は溶融温度が高いため、これらの合
金の溶融温度を下げる手段を講じたはんだ合金が多数提
案されている。（参照：特開平６−１５４７６号公報、
同６−３４４１８０号公報、同７−１１７８号公報、同
７−４００７９号公報）
金、Ｓｎ−Ｓｂ合金は溶融温度が高いため、これらの合
金の溶融温度を下げる手段を講じたはんだ合金が多数提
案されている。（参照：特開平６−１５４７６号公報、
同６−３４４１８０号公報、同７−１１７８号公報、同
７−４００７９号公報）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで電子機器は使
用時に電流を通じると、パワートランジスター、抵抗、
コイル等の部品からジュール熱が発生し、電子機器のケ
ース内が高温となる。そして電子機器の使用を止めるた
めに通電を切るとケース内は高温から室温へと降温す
る。このように電子機器の使用・不使用を繰り返すと、
ケース内は高温・室温を繰り返すという熱サイクルに曝
される。この熱サイクルは、はんだ付け部にも及ぶよう
になるが、はんだ付け部の樹脂製のプリント基板と金属
のはんだ合金とは熱膨張係数が大いに相違するため、は
んだ合金はこの熱膨張・収縮により拘束され、長年月の
うちに金属疲労を起こして遂にははんだ合金が破壊して
しまう。はんだ付け部のはんだが破壊すると全く通電し
なくなって電子機器の機能不良とるばかりでなく、はん
だ付け部が接触不良状態であると接触抵抗により発熱し
て火災発生の原因ともなってしまう。そのため、近時で
は、はんだ付け部が熱サイクルで金属疲労を起こしにく
いはんだ合金が求められるようになってきている。
用時に電流を通じると、パワートランジスター、抵抗、
コイル等の部品からジュール熱が発生し、電子機器のケ
ース内が高温となる。そして電子機器の使用を止めるた
めに通電を切るとケース内は高温から室温へと降温す
る。このように電子機器の使用・不使用を繰り返すと、
ケース内は高温・室温を繰り返すという熱サイクルに曝
される。この熱サイクルは、はんだ付け部にも及ぶよう
になるが、はんだ付け部の樹脂製のプリント基板と金属
のはんだ合金とは熱膨張係数が大いに相違するため、は
んだ合金はこの熱膨張・収縮により拘束され、長年月の
うちに金属疲労を起こして遂にははんだ合金が破壊して
しまう。はんだ付け部のはんだが破壊すると全く通電し
なくなって電子機器の機能不良とるばかりでなく、はん
だ付け部が接触不良状態であると接触抵抗により発熱し
て火災発生の原因ともなってしまう。そのため、近時で
は、はんだ付け部が熱サイクルで金属疲労を起こしにく
いはんだ合金が求められるようになってきている。
【０００８】Ｓｎを主成分とした鉛フリーはんだ合金
は、従来のＳｎ−Ｐｂはんだ合金よりも耐熱サイクル性
に優れており、鉛を使用しないという環境問題とともに
長寿命化に優れた特性を有している。
は、従来のＳｎ−Ｐｂはんだ合金よりも耐熱サイクル性
に優れており、鉛を使用しないという環境問題とともに
長寿命化に優れた特性を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらＳｎ−Ａ
ｇ系はんだ合金やＳｎ−Ｓｂはんだ合金は、耐熱サイク
ル性に優れているとはいえ、未だ充分なものではなかっ
た。またＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金は機械的強度がＳｎ−
Ａｇ系はんだ合金やＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金と略同等で
あるが、車載基板のように重要保安部品となるもので
は、さらに優れた機械的強度が要求される。本発明は、
耐熱サイクル性に優れているとともに機械的強度に優れ
た鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
ｇ系はんだ合金やＳｎ−Ｓｂはんだ合金は、耐熱サイク
ル性に優れているとはいえ、未だ充分なものではなかっ
た。またＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金は機械的強度がＳｎ−
Ａｇ系はんだ合金やＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金と略同等で
あるが、車載基板のように重要保安部品となるもので
は、さらに優れた機械的強度が要求される。本発明は、
耐熱サイクル性に優れているとともに機械的強度に優れ
た鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、Ｓｎ−Ｃｕ
系のはんだ合金はＳｎ−Ａｇ系はんだ合金やＳｎ−Ｓｂ
系のはんだ合金に比べて耐熱サイクル性を有しているこ
とに着目したもので、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金の融点を
如何にして下げてはんだ付け時の電子部品に対する熱損
傷を少なくし、また如何にしてＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金
の機械的強度を向上させるかについて鋭意研究を行い本
発明を完成させた。
系のはんだ合金はＳｎ−Ａｇ系はんだ合金やＳｎ−Ｓｂ
系のはんだ合金に比べて耐熱サイクル性を有しているこ
とに着目したもので、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金の融点を
如何にして下げてはんだ付け時の電子部品に対する熱損
傷を少なくし、また如何にしてＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金
の機械的強度を向上させるかについて鋭意研究を行い本
発明を完成させた。
【００１１】本発明は、０．１〜２．５重量％Ｃｕと残
部Ｓｎからなる合金中に、１〜１５重量％Ｂｉ、１〜１
５重量％Ｉｎの１種以上が添加されていることを特徴と
する鉛フリーはんだ合金であり、また０．１〜２．５重
量％Ｃｕと残部Ｓｎからなる合金中に、１〜１５重量％
Ｂｉ、１〜１５重量％Ｉｎの１種以上が添加されている
とともに、さらに該合金中にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、
Ｔｉ、Ｆｅから選ばれた１種以上が０．０１〜２重量％
添加されていることを特徴とする鉛フリーはんだ合金で
ある。
部Ｓｎからなる合金中に、１〜１５重量％Ｂｉ、１〜１
５重量％Ｉｎの１種以上が添加されていることを特徴と
する鉛フリーはんだ合金であり、また０．１〜２．５重
量％Ｃｕと残部Ｓｎからなる合金中に、１〜１５重量％
Ｂｉ、１〜１５重量％Ｉｎの１種以上が添加されている
とともに、さらに該合金中にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、
Ｔｉ、Ｆｅから選ばれた１種以上が０．０１〜２重量％
添加されていることを特徴とする鉛フリーはんだ合金で
ある。
【００１２】
【発明の実施の形態】耐熱サイクル性に優れたＳｎ主成
分となるはんだ合金では、Ｃｕは必須成分である。本発
明においてＣｕの添加量が０．１重量％よりも少ないと
耐熱サイクル性に寄与せず、しかるに２．５重量％を越
えて添加すると、他に溶融温度を下げる成分を添加して
も液相線温度を下げることができず、はんだ付け温度も
高くなって電子部品の熱損傷につながってしまう。
分となるはんだ合金では、Ｃｕは必須成分である。本発
明においてＣｕの添加量が０．１重量％よりも少ないと
耐熱サイクル性に寄与せず、しかるに２．５重量％を越
えて添加すると、他に溶融温度を下げる成分を添加して
も液相線温度を下げることができず、はんだ付け温度も
高くなって電子部品の熱損傷につながってしまう。
【００１３】本発明では、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金の融
点を下げるためにＢｉ、Ｉｎをそれぞれ単独、または同
時に添加する。これらの添加量が１重量％よりも少ない
とＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金の融点を下げる効果が現れな
い。しかるにこれらの添加量が１５重量％よりも多くな
ると固相線温度が極端に下がってしまい、液相線温度と
固相線温度間の凝固範囲が非常に広くなって、はんだ付
け後にはんだ合金が完全に固まるまでに時間がかかり、
その間に振動や衝撃が加えられると、はんだ付け部にヒ
ビ割れや剥離が起こってしまう。
点を下げるためにＢｉ、Ｉｎをそれぞれ単独、または同
時に添加する。これらの添加量が１重量％よりも少ない
とＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金の融点を下げる効果が現れな
い。しかるにこれらの添加量が１５重量％よりも多くな
ると固相線温度が極端に下がってしまい、液相線温度と
固相線温度間の凝固範囲が非常に広くなって、はんだ付
け後にはんだ合金が完全に固まるまでに時間がかかり、
その間に振動や衝撃が加えられると、はんだ付け部にヒ
ビ割れや剥離が起こってしまう。
【００１４】また本発明では、ＢｉやＩｎを添加したＳ
ｎ−Ｃｕ系はんだ合金にさらにＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａ
ｕ、Ｔｉ、Ｆｅ等から選ばれた１種以上を添加してもよ
い。ＮｉとＧｅは、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金の結晶を微
細化して機械的強度向上に効果があり、またＰｄ、Ａ
ｕ、Ｔｉ、ＦｅはＳｎやＣｕと金属間化合物を生成し、
これが結晶粒界での滑りを防止してやはり機械的強度を
向上させる。
ｎ−Ｃｕ系はんだ合金にさらにＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａ
ｕ、Ｔｉ、Ｆｅ等から選ばれた１種以上を添加してもよ
い。ＮｉとＧｅは、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金の結晶を微
細化して機械的強度向上に効果があり、またＰｄ、Ａ
ｕ、Ｔｉ、ＦｅはＳｎやＣｕと金属間化合物を生成し、
これが結晶粒界での滑りを防止してやはり機械的強度を
向上させる。
【００１５】
【実施例】本発明の実施例および比較例を表１に示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】表１の説明 ○耐熱サイクル：表面実装部品のＱＦＰのリードとプリ
ント基板のランドとを、各組成のはんだ合金で作製した
ソルダペーストではんだ付けを行い、該はんだ付け部を
−５５℃から＋１２５℃の間で熱サイクルをかけ、はん
だ付け部にクラックが生じるまでの回数を測定する。 ○機械強度：ＪＩＳ−Ｚ−２２０４の「金属材料試験方
法」に準拠。 ○溶融温度：各種のはんだ合金を示差熱分析装置で熱分
析を行い、固相線温度（Ｓ．Ｔ）と液相線温度（Ｌ．
Ｔ）を測定する。
ント基板のランドとを、各組成のはんだ合金で作製した
ソルダペーストではんだ付けを行い、該はんだ付け部を
−５５℃から＋１２５℃の間で熱サイクルをかけ、はん
だ付け部にクラックが生じるまでの回数を測定する。 ○機械強度：ＪＩＳ−Ｚ−２２０４の「金属材料試験方
法」に準拠。 ○溶融温度：各種のはんだ合金を示差熱分析装置で熱分
析を行い、固相線温度（Ｓ．Ｔ）と液相線温度（Ｌ．
Ｔ）を測定する。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の鉛フリー
はんだ合金は、耐熱サイクル性に優れてはいるが溶融温
度が高く、はんだ付け時に電子部品に対して熱損傷を与
えることが欠点であったＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金におい
て、該はんだ合金の溶融温度を下げることができるにも
かかわらず、耐熱サイクル性をさらに向上させるととも
に、機械的強度も向上させることができるという従来の
鉛フリーはんだ合金にはない優れた特性を有するもので
ある。
はんだ合金は、耐熱サイクル性に優れてはいるが溶融温
度が高く、はんだ付け時に電子部品に対して熱損傷を与
えることが欠点であったＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金におい
て、該はんだ合金の溶融温度を下げることができるにも
かかわらず、耐熱サイクル性をさらに向上させるととも
に、機械的強度も向上させることができるという従来の
鉛フリーはんだ合金にはない優れた特性を有するもので
ある。
Claims (2)
- 【請求項１】 ０．１〜２．５重量％Ｃｕと残部Ｓｎか
らなる合金中に、１〜１５重量％Ｂｉ、１〜１５重量％
Ｉｎの１種以上が添加されていることを特徴とする鉛フ
リーはんだ合金。 - 【請求項２】 ０．１〜２．５重量％Ｃｕと残部Ｓｎか
らなる合金中に、１〜１５重量％Ｂｉ、１〜１５重量％
Ｉｎの１種以上が添加されているとともに、さらに該合
金中にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅから選ばれ
た１種以上が０．０１〜２重量％添加されていることを
特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37589098A JP3363393B2 (ja) | 1998-12-21 | 1998-12-21 | 鉛フリーはんだ合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37589098A JP3363393B2 (ja) | 1998-12-21 | 1998-12-21 | 鉛フリーはんだ合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000190090A true JP2000190090A (ja) | 2000-07-11 |
| JP3363393B2 JP3363393B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
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