JP2008023591A - PROCESS FOR PRODUCING SnZn SOLDER MATERIAL - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機器、機械部品、装飾部品などの接合部の接合用いるPbレスはんだの製造方法に関し、特に接合強度の低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing Pb-less solder used for joining joints of electrical equipment, mechanical parts, decorative parts, and the like, and more particularly to a method for producing SnZnAlSi solder having a low rate of reduction in joint strength.
従来のはんだ付けでは一般に、溶融温度、濡れ性の観点から、SnPb系のハンダ合金(JIS,Z,3282)が多用されている。SnPb共晶はんだ合金は、その共晶温度が183℃であり、被接合物の融点より遥かに低いという特徴を持つと共に、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低いという特徴を持つ。 Conventional soldering generally uses SnPb solder alloys (JIS, Z, 3282) from the viewpoint of melting temperature and wettability. The SnPb eutectic solder alloy has a feature that its eutectic temperature is 183 ° C., which is much lower than the melting point of the object to be joined, and that it is lower than the temperature at which many thermosetting resins start to gasify. Have.
ところでハンダ合金には、(A)被接合部材との濡れ性が良好である事。(B)被接合部材に熱的損害を及ぼさない温度での接合作業が可能な事。(C)被接合部材との間で極度に脆弱な化合物を生成しない事。(D)印刷作業性が良好である事。(E)温度85℃、湿度85%での条件下での長時間放置試験後の接合強度の低下率が低い事などが要求される。 By the way, (A) the wettability with a to-be-joined member is good for a solder alloy. (B) It should be possible to perform a joining operation at a temperature that does not cause thermal damage to the members to be joined. (C) Do not generate extremely fragile compounds with the members to be joined. (D) The printing workability is good. (E) It is required that the rate of decrease in bonding strength after a long-time standing test under conditions of a temperature of 85 ° C. and a humidity of 85% is low.
前記した従来のSnPb系はんだ合金は、上記した要件(A),(B),(C)、(D)、(E)を満たしている。しかし、近年の環境問題に対して毒性を有するPbを含む為、環境に配慮したPbフリ−はんだ材が要求され、最近では有力なものとしてSnZn系はんだが提案されている。
SnZn系はんだは199℃の溶融温度を持ち、従来のSnPb共晶はんだに近似している優位性を持つ。しかし、SnZnはんだでは、酸化性の著しいZnが優先的に酸化され易く、はんだ表面にZn酸化皮膜を生成し、はんだと被接合部との濡れ性を阻害すると言う問題点が存在する。そこで表面層のZn酸化物の生成を抑制する技術として、Znよりも更に優先的に酸化を受けるAlを添加する技術が下記特許文献で示されている。Zn酸化物を抑制すると言う目的に対して、Alの添加は有効であるが、一方、はんた付け後のSnZnの一部にAl酸化物を主成分とする粗大な組織の生成が見られ、接合強度の低下とバラツキの幅が拡大すると言う課題が指摘されている。The conventional SnPb-based solder alloy described above satisfies the requirements (A), (B), (C), (D), and (E). However, since Pb, which is toxic to recent environmental problems, is included, an environment-friendly Pb-free solder material is required, and recently SnZ-based solder has been proposed as a promising one.
SnZn solder has a melting temperature of 199 ° C. and has an advantage similar to that of a conventional SnPb eutectic solder. However, SnZn solder is preferentially oxidized with Zn that is highly oxidizable, and there is a problem in that a Zn oxide film is formed on the surface of the solder and the wettability between the solder and the bonded portion is hindered. Therefore, as a technique for suppressing the formation of Zn oxide in the surface layer, a technique for adding Al that is oxidized more preferentially than Zn is disclosed in the following patent document. Addition of Al is effective for the purpose of suppressing Zn oxide, but on the other hand, formation of a coarse structure mainly composed of Al oxide is observed in a part of SnZn after soldering. In addition, a problem has been pointed out that the bonding strength is reduced and the range of variation is increased.
しかしながら,上記した従来のPbフリ−はんだ及びその形成方法は、環境問題には配慮しているものの、以下に述べるような問題点があり改良が望まれている。 However, the above-described conventional Pb-free solder and the method for forming the conventional Pb-free solder have taken into consideration the environmental problems, but have the following problems and are desired to be improved.
(1)特願平10−184806号公報に記載されているPbフリ−はんだ材では、SnZnはんだ材の経時変化を抑制する添加成分としてY,Al,Siの1種を0.5%以下したはんだ合金が示唆されている。これらの添加成分によって、Zn酸化物の生成を抑制し、ある程度濡れ性は改善されるものの、濡れ性にバラツキが見られる。しかもバラツキを抑制するSnZnはんだ材の製造方法についても未開示である。
すなわち、SnZnはんだが持つ最表面層のZn酸化物生成問題に対してはある程度抑制効果を示すが、この様にAl,Siなどの補助成分を単にSnZn中に存在させただけなので、濡れ性のバラツキ、接合強度のバラツキを解決することは出来ない。研究の結果、あらかじめ所定比率からなるAlSi母合金を溶融SnZn中への添加する製造方法が有効であることが判った。
(2)特願平11−092033号公報に記載されている非鉛系接合部材の形成方法では、SnZnに対してAl,Siなど添加物を添加して得たはんだ合金を加熱し、溶湯とする工程が示されている。この技術も前記同様に、ある程度濡れ性は改善されるものの、濡れ性のバラツキ、接合強度のバラツキの問題の解決が出来ない。このように、加熱し溶湯とする工程、金属表面にこのハンダ層を形成させる工程を備える点につき示しているが、はんだ合金自体を最適に製造する製造方法については示唆が成されていない。
(3)特願2002−242812号公報に記載されているPbフリ−はんだ材は、SnZnに対して所定量のMgとAlとを同時に添加したはんだ合金である。MgとAlとを添加する事によって、Zn酸化物が優先的に生成するのを抑制し、濡れせ性とはんだの保存性を解決しているが、なお濡れせ性にバラツキがみられ接合強度の低下率にバラツキがみられている。すなわちSnZnにMgとAlとを添加するという組成的の改良のみでは十分なSnZnはんだは得られない事を示唆している。
(4)特願2002−537933号公報に記載されているPbフリ−はんだ材は、SnZn中での微量のAlの効果によって、同様にZn酸化物の生成を抑制し、濡れ性を改善しているが、生成するAl酸化物の一部には、その直径又は幅が5μmを超えるものが存在する上に、その分散度も均一性を欠く。(1) In the Pb-free solder material described in Japanese Patent Application No. 10-184806, one type of Y, Al, and Si is added to 0.5% or less as an additive component that suppresses the temporal change of the SnZn solder material. A solder alloy is suggested. Although these additive components suppress the formation of Zn oxide and improve the wettability to some extent, the wettability varies. In addition, a method for producing a SnZn solder material that suppresses variations is not disclosed.
In other words, although it shows a certain degree of suppression effect on the Zn oxide generation problem of the outermost surface layer of SnZn solder, the auxiliary components such as Al and Si are simply present in SnZn, so that the wettability of It is not possible to solve variations and bonding strength variations. As a result of research, it has been found that a production method in which an AlSi master alloy having a predetermined ratio is added to molten SnZn in advance is effective.
(2) In the method for forming a lead-free joining member described in Japanese Patent Application No. 11-092033, a solder alloy obtained by adding an additive such as Al or Si to SnZn is heated, The process to do is shown. Although this technique also improves the wettability to some extent, as described above, it cannot solve the problems of the wettability variation and the bonding strength variation. Thus, although it has shown about the point provided with the process of heating and making a molten metal, and the process of forming this solder layer on a metal surface, there is no suggestion about the manufacturing method which manufactures solder alloy itself optimally.
(3) The Pb-free solder material described in Japanese Patent Application No. 2002-242812 is a solder alloy in which a predetermined amount of Mg and Al are simultaneously added to SnZn. Addition of Mg and Al prevents the formation of Zn oxide preferentially, and solves the wettability and the preservability of solder, but the wettability varies and the joint strength There is variation in the rate of decline. That is, it is suggested that sufficient SnZn solder cannot be obtained only by compositional improvement of adding Mg and Al to SnZn.
(4) The Pb-free solder material described in Japanese Patent Application No. 2002-537933 has the same effect of suppressing the generation of Zn oxide and improving wettability by the effect of a small amount of Al in SnZn. However, some of the generated Al oxides have diameters or widths exceeding 5 μm, and the degree of dispersion is not uniform.
そこで本発明は、環境問題に配慮したSnZnはんだに於いて、接合強度の低下率の低いSnZn系はんだ材の製造方法を提供する事を目的とする。本発明はSnZnはんだの製造に於いて、所定条件のAlSi母合金を利用するSnZnAlSiはんだ材の製造方法を開発し、接合強度の低下率のバラツキを低減しその目的を達成している。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a SnZn-based solder material having a low rate of decrease in bonding strength in SnZn solder in consideration of environmental problems. In the production of SnZn solder, the present invention has developed a method for producing SnZnAlSi solder material using an AlSi master alloy under predetermined conditions, and has achieved the object by reducing the variation in the rate of decrease in bonding strength.
すなわち本発明の製造方法は、SnZn合金の接合強度の低下率を改善する為に、所定の冷却速度で凝固させた上、所定の液相線温度を持つAlSi母合金を製造した上で、これをSnZn溶湯中への添加成分として添加し、(Al+Si)量と(Si/Al)比と酸素量を最適化し酸素量が30ppm以下のSnZnAlSiはんだを製造する為の製造方法の提供にある。なおここで所定の冷却速度とは、AlSi合金の溶湯が、室温まで冷却するまで間の冷却速度である。これによって濡れ性を改善し接合強度の低下率を改善したSnZnAlSiはんだを製造する製造方法を得る。 That is, the production method of the present invention is to solidify at a predetermined cooling rate and to produce an AlSi master alloy having a predetermined liquidus temperature in order to improve the reduction rate of the SnZn alloy bonding strength. Is added as an additive component to the SnZn molten metal to optimize the (Al + Si) amount, (Si / Al) ratio and oxygen amount, and to provide a manufacturing method for manufacturing a SnZnAlSi solder having an oxygen amount of 30 ppm or less. Here, the predetermined cooling rate is a cooling rate until the molten AlSi alloy cools to room temperature. As a result, a manufacturing method for producing SnZnAlSi solder with improved wettability and improved joint strength reduction rate is obtained.
本発明者らは、Pb(鉛)を含有しないハンダ材を使用した上で、(E)の接合強度の低下率の問題を解決するはんだ材の製造方法を完成するに至った。 The present inventors have completed a method for manufacturing a solder material that solves the problem of the rate of decrease in the bonding strength of (E) after using a solder material that does not contain Pb (lead).
ここで本発明でのハンダ材の製造方法の好ましい状態とは、(E)の接合強度の低下の問題を改善する製造方法の提供にある。前記特許文献には、補助成分としてAl、Si,Mgを添加したSnZn合金が示されている。しかし、接合強度の低下率を改善したSnZnはんだを得るにはこれだけでは十分でなく、所定条件で別途用意したAlSi母合金を添加成分として使用するなど、その製造条件の最適化がポイントとなる。 Here, the preferable state of the method for manufacturing a solder material according to the present invention is to provide a manufacturing method for improving the problem of decrease in bonding strength in (E). The patent document discloses a SnZn alloy to which Al, Si, and Mg are added as auxiliary components. However, this is not sufficient for obtaining a SnZn solder with an improved reduction rate of bonding strength, and optimization of its manufacturing conditions is important, such as using an AlSi mother alloy prepared separately under predetermined conditions as an additive component.
すなわち本発明は、溶融状態にあるSnZn合金中に前記所定条件のAlSi母合金を添加材として使用する事を特徴とする製造方法であって、酸素量を5〜50ppm、Al量を3〜20ppm、Si量を5〜30ppmだけ残存させた接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだを製造するための製造方法を提供する。
ここでAlは、SnZn中のZnが選択的に酸化してZn酸化物が生成するのを抑制する。しかもSiはZnの表面への溶出を制限するのにAlより有効な効果を示す。酸素量が例えば50ppmを越えて過度に多いと、ブロ−ホ−ルの生成が見られるので、ブロ−ホ−ル生成を抑制するには所定量のAl,Si量を必要とする。酸素量が少ない場合にはAl,Si量は少なくて済む。That is, the present invention is a manufacturing method characterized by using the AlSi mother alloy of the above-mentioned predetermined condition as an additive in a SnZn alloy in a molten state, wherein the oxygen amount is 5 to 50 ppm and the Al amount is 3 to 20 ppm. The present invention provides a manufacturing method for manufacturing a SnZnAlSi solder having a low bonding strength reduction rate in which only 5 to 30 ppm of Si is left.
Here, Al suppresses the formation of Zn oxide by selective oxidation of Zn in SnZn. Moreover, Si exhibits an effect that is more effective than Al in limiting the elution of Zn to the surface. If the amount of oxygen exceeds, for example, 50 ppm, blowhole formation is observed, so that a predetermined amount of Al and Si is required to suppress blowhole formation. When the amount of oxygen is small, the amounts of Al and Si are small.
第1のポイントとして、溶解中のSnZn中に所定条件で別途用意したAlSi母合金を添加してSnZnAlSiはんだを製造する製造方法に関する。
第2のポイントとして、850℃以下の好ましい液相線温度を持つ事を特徴とする。AlSi母合金を添加してSnZnAlSiはんだを製造する製造方法に関する。
第3のポイントとして、Alの量に対してSiの量を0.5〜5倍の範囲とする事を特徴とする。As a first point, the present invention relates to a manufacturing method for manufacturing SnZnAlSi solder by adding an AlSi mother alloy separately prepared under predetermined conditions to SnZn being melted.
The second point is characterized by having a preferable liquidus temperature of 850 ° C. or lower. The present invention relates to a manufacturing method for manufacturing SnZnAlSi solder by adding an AlSi mother alloy.
A third point is that the amount of Si is in the range of 0.5 to 5 times the amount of Al.
本発明の第1の実施態様: この発明は、上記第1〜第4の工程の総てを順次経た事を特徴とするSnZnAlSiはんだの製造方法である。
Siを0.5〜45重量%含み残部がAlとからなるAlSi母合金を準備する(必要によりAlSi母合金と併用するCuSi合金をあらかじめ準備する)第1の工程、Zn量が3〜50重量%であるSnZn合金を溶融状態とする第2の工程、前記AlSi母合金、必要によりCuSi合金を前記溶融状態にあるSnZn合金中へ投入する第3の工程、Al及びSiをSnZn合金中に拡散させると共に、分散させ、冷却固化させ後のSnZn合金中の酸素量を3〜50ppm、Al量を3〜20ppm、Si量を5〜30ppmだけ残存させたSnZn合金を製造する第4の工程の各工程を順次備えた事を特徴とする接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法である。First Embodiment of the Present Invention: The present invention is a method for producing a SnZnAlSi solder, characterized in that all of the first to fourth steps are sequentially performed.
A first step of preparing an AlSi master alloy containing 0.5 to 45% by weight of Si and the balance being Al (preparing a CuSi alloy to be used in combination with the AlSi master alloy if necessary) First step , Zn content is 3 to 50 wt. second step of the SnZn alloy melt is%, diffuse the AlSi base alloy, a third step of introducing into the SnZn alloy with a CuSi alloy to the molten state if necessary, Al and Si in the SnZn alloy Each of the fourth steps for producing a SnZn alloy in which only 3 to 50 ppm of oxygen, 3 to 20 ppm of Al, and 5 to 30 ppm of Si remain in the SnZn alloy after being dispersed and cooled and solidified. This is a method for producing a SnZnAlSi solder having a low rate of decrease in bonding strength, characterized in that the steps are sequentially provided.
すなわち第3の工程では、冷却固化後のSnZn中にAlのみを単独で添加したり、Siのみを単独で添加するではなく、あらかじめ準備したAlSiの両者よりなる母合金(必要によりCuSi合金も併用)を同時に添加することを特徴とするSnZnAlSi合金の製造方法である。AlSi母合金中には特にSiの量を0.5〜30%、好ましくは0.5〜20%含むAlSi母合金を使用とする事を特徴とする。 That is, in the third step, not only Al alone is added to the SnZn after cooling and solidification, but only Si is not added alone, but a master alloy made of both AlSi prepared in advance (CuSi alloy is also used if necessary) ) Is simultaneously added. A method for producing a SnZnAlSi alloy. In the AlSi master alloy, an AlSi master alloy containing 0.5 to 30%, preferably 0.5 to 20% of Si is used.
Alの溶融温度660℃、またSiの溶融温度1440℃と比較して、本発明の製造方法で利用する組成範囲のAlSi母合金は、AlとSiの共晶を利用しているので十分に低い溶融温度(固相線温度)である577℃を持っている。そのため、粘性が低めとなり、SnZn溶湯中に、上記組成範囲のAlSi母合金を添加した際には、高速度で拡散する利点を持つ。これは組織を微細均一化させたSnZnはんだの製造方法に対して極めて有益である。
これに対して、添加成分がナシの場合、Alのみの場合、Siのみの場合「表1」(参考例1〜3)とした時には、SnZn中に高融点の未溶解相が存在するため、SnZnはんだの製造方法として好ましくない。
また、AlとMgとでAlMg合金を製造し、これをSnZn合金溶湯に投入した場合には、複数のAlMg金属間化合物がSnZn合金中に生成される。このAlMg金属間化合物の存在は、はんだ合金の組織の均一性を損なう上、特に接合強度のバラツキの一因となり好ましくないので、AlMg合金の採用は除外する。AlMg合金はAlSi母合金を利用する本発明の製造方法と比較して明確な差異となりマイナスである。Compared to the melting temperature of Al of 660 ° C. and the melting temperature of Si of 1440 ° C., the AlSi master alloy having a composition range used in the production method of the present invention is sufficiently low because it uses an eutectic of Al and Si. It has a melting temperature (solidus temperature) of 577 ° C. Therefore, the viscosity becomes lower, and when the AlSi master alloy having the above composition range is added to the SnZn molten metal, there is an advantage that it diffuses at a high speed. This is extremely useful for a method of manufacturing a SnZn solder having a fine and uniform structure.
On the other hand, when the additive component is pear, in the case of only Al, in the case of only Si, when “Table 1” (Reference Examples 1 to 3) is used, a high melting point undissolved phase exists in SnZn. This is not preferred as a method for producing SnZn solder.
Moreover, when an AlMg alloy is manufactured with Al and Mg and this is put into a molten SnZn alloy, a plurality of AlMg intermetallic compounds are produced in the SnZn alloy. The presence of this AlMg intermetallic compound impairs the homogeneity of the structure of the solder alloy and is particularly undesirable because it causes variations in bonding strength, so the use of an AlMg alloy is excluded. The AlMg alloy has a clear difference as compared with the production method of the present invention using an AlSi master alloy, and is negative.
第1の工程に於いて、Siの量が0.5%未満のAlSi母合金では、少量のためSiはAlSi母合金中に偏析して分布し、母合金としては好ましくない。この不利益を緩和するために、AlSi母合金中のSi量の下限量は,0.5%以上とする(ここでのSi量はあらかじめ準備したAlSi母合金中のSiであって、SnZnはんだ中のSi量ではない)。その上固相線温度が557℃というAlSiの持つ有利な特徴を十分に活用できない。Siの量が45%を越えるAlSi母合金を使用すると、AlSi母合金の液相線温度は、1,000℃を越えSnZn溶湯中に添加した場合、主としてSi粒子、他にSi酸化物,Al酸化物が未溶融相として残存することが多くなり、SnZnAlSi合金の組織の均一性を損ない、接合強度のバラツキの一因となりSnZnはんだの製造方法として好ましくない。Siの量を30%程度とすれば、AlSi母合金の液相線温度は、更に低下し800℃となりSnZn溶湯中に添加した場合、未溶融相は更に少なくなり好ましい。従ってSiの量は45%以下好ましくは30%以下とする。以上からAlSi母合金中のSi量は、0.5〜45%である。 In the first step, in the AlSi master alloy having an Si content of less than 0.5%, Si is segregated and distributed in the AlSi master alloy because of the small amount, which is not preferable as the master alloy. In order to alleviate this disadvantage, the lower limit of the amount of Si in the AlSi mother alloy is 0.5% or more (here, the Si amount is Si in the AlSi mother alloy prepared in advance, and SnZn solder) It is not the amount of Si in the inside). Moreover, the advantageous characteristic of AlSi having a solidus temperature of 557 ° C. cannot be fully utilized. When an AlSi master alloy having an Si content exceeding 45% is used, the liquidus temperature of the AlSi master alloy exceeds 1,000 ° C. When added to the SnZn molten metal, mainly Si particles, other Si oxides, Al The oxide often remains as an unmelted phase, impairs the uniformity of the structure of the SnZnAlSi alloy and contributes to variations in bonding strength, which is not preferable as a method for producing SnZn solder. If the amount of Si is about 30%, the liquidus temperature of the AlSi mother alloy is further reduced to 800 ° C., and when added to the SnZn molten metal, the unmelted phase is further reduced, which is preferable. Therefore, the amount of Si is 45% or less, preferably 30% or less. From the above, the amount of Si in the AlSi master alloy is 0.5 to 45%.
Zn量が3%未満のSnZnはんだ合金溶湯に対して、AlSi母合金を投入すると、液相線温度の上昇や作業中のはんだ材の粘性(流動性)も低下する。Cuとの接合用はんだとして使用すると、CuSn化合物の生成が進む。
Zn量が50%を越えるSnZn合金溶湯に対して、AlSi母合金を投入すると、液相線温度の上昇によるハンダ付け作業温度の上昇により、被接合部が受ける温度影響に配慮する必要がある。またSnと比較すると蒸気圧の大幅に高い元素であるZnの増加は、合金製造のための溶解作業中およびハンダ付け後のSnZn合金中の組成変動が大となり組成管理の面で問題となる。
そこで本発明の製造方法は、3〜50%のZnを含む溶融状態にあるSnZn合金に対して、前記所定条件を持つAlSi母合金を添加する第3の工程が基礎となる。特に、前記AlSi母合金をZn量が約9%のSnZn合金の製造に対してAlSi母合金を添加する工程(第3の工程)を適用する場合には、接合温度の一層低いSnZnAlSiはんだを得る製造方法として有益である。When an AlSi master alloy is added to a SnZn solder alloy molten metal having a Zn content of less than 3% , the liquidus temperature rises and the viscosity (fluidity) of the solder material during work decreases. When used as a solder for joining with Cu, generation of a CuSn compound proceeds.
When an AlSi master alloy is added to a SnZn alloy molten metal with a Zn content exceeding 50 %, it is necessary to consider the temperature effect on the bonded part due to an increase in soldering operation temperature due to an increase in liquidus temperature. . Further, an increase in Zn, which is an element having a significantly higher vapor pressure than Sn, causes a problem in terms of composition management due to a large compositional variation in the SnZn alloy during the melting work for manufacturing the alloy and after soldering.
Therefore, the manufacturing method of the present invention is based on the third step of adding the AlSi master alloy having the predetermined condition to the SnZn alloy in a molten state containing 3 to 50% Zn. In particular, when the step of adding the AlSi master alloy to the production of the SnZn alloy having the Zn content of about 9 % (third step) is applied, the SnZnAlSi solder having a lower bonding temperature is obtained. This is useful as a manufacturing method.
また、SnZnAlSiはんだ中でのSi量がAlSi母合金のみでは、効果を発揮するのに必要なSi量が不足する場合には、AlSi母合金と共にCuSi合金の併用することを特徴とする製造方法とする。 In addition, if the amount of Si in the SnZnAlSi solder is only an AlSi master alloy, and if the amount of Si necessary to exert the effect is insufficient, a CuSi alloy is used in combination with the AlSi master alloy, and To do.
前記第1の工程は、680℃以上で1200℃以下の温度に維持した雰囲気中で、前記所定量のAlとSiとを同時に作用させて、1,000℃以下、好ましくは850℃以下の液相線温度を有するAlSi母合金を準備する事を特徴とする請求項1記載の接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法である。 In the first step, a predetermined amount of Al and Si are allowed to act simultaneously in an atmosphere maintained at a temperature of 680 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, whereby a liquid having a temperature of 1,000 ° C. or lower, preferably 850 ° C. or lower. 2. The method for producing a SnZnAlSi solder having a low bonding strength reduction rate according to claim 1, wherein an AlSi master alloy having a phase line temperature is prepared.
すなわちこの発明は、好ましい液相線温度を持つ事を特徴とするAlSi母合金を添加して,SnZnAlSiはんだを製造する事にある。
SnZnAlSiはんだの製造に於いて、使用するAlSi母合金の好ましい液相線温度は1,000℃以下である。1,000℃を越える液相線温度を持つAlSi母合金を添加材として使用すると、これをSnZn中に投入し冷却固化した後のSnZnAlSiはんだ中のAl,Siは偏析状態となり、濡れ性の低下、接合強度のバラツキ幅の増大が見られ、接合強度の低下率の少ないSnZnAlSiはんだの製造方法としては好ましくない。That is, the present invention is to produce an SnZnAlSi solder by adding an AlSi master alloy characterized by having a preferable liquidus temperature.
In the production of SnZnAlSi solder, the preferred liquidus temperature of the AlSi master alloy used is 1,000 ° C. or less. When an AlSi master alloy having a liquidus temperature exceeding 1,000 ° C. is used as an additive, the Al and Si in the SnZnAlSi solder after being put into SnZn and cooled and solidified is segregated, resulting in a decrease in wettability. In addition, an increase in the bonding strength variation width is observed, and this is not preferable as a method for producing SnZnAlSi solder with a low decrease rate of the bonding strength.
(イ):680℃よりも低い温度に管理した温度雰囲気中で、前記所定量のAlとSiとを作用させると、得られるAlSi母合金中のAlとSiは顕微鏡的に不均質な組成分布状態となり、このような不均質な分布状態のAlSi母合金をSnZnに投入しSnZnAlSiはんだを製造方法しても、接合強度低下率の大きい、かつバラツキの大きなSnZnAlSiはんだとなり,好ましい製造方法とは言えない。
(ロ):1200℃よりも高い温度に管理した温度雰囲気中で、前記所定量のAlとSiとを作用させると、得られるAlSi母合金中のAlとSiは,より高い溶融点を持つ未溶融相を多量に形成した状態となり、このような状態のAlSi母合金をSnZnに投入(添加)すると、濡れ性の低下による接合強度の低下も招く。接合強度低下率の低い、かつバラツキの大きなSnZnAlSiはんだとなり、接合強度の低下率の少ないSnZnAlSiはんだを製造するための製造方法としては好ましくない。
(ハ):以上により本発明製造方法でしようするAlSi母合金は、680℃以上で1200℃以下の温度範囲に管理した温度雰囲気中で、前記所定量のAlとSiとを同時に作用させて、液相線温度が1,000℃以下、好ましくは850℃以下で、かつ0.5〜30重量%のSiと残部Alとから成る事を特徴とするAlSi母合金を準備することにある。これによって、接合強度の低下率の少ないSnZnAlSiはんだを製造方法するのに有益なAlSi母合金を得る。(A): When the predetermined amount of Al and Si is allowed to act in a temperature atmosphere controlled to a temperature lower than 680 ° C., the Al and Si in the resulting AlSi master alloy have a microscopically inhomogeneous composition distribution. Even if a method of manufacturing SnZnAlSi solder by introducing such an inhomogeneous distribution AlSi master alloy into SnZn, a SnZnAlSi solder having a large reduction rate of bonding strength and a large variation is obtained, which is a preferable manufacturing method. Absent.
(B) When the predetermined amount of Al and Si is allowed to act in a temperature atmosphere controlled at a temperature higher than 1200 ° C., Al and Si in the resulting AlSi master alloy have a higher melting point. When the molten phase is formed in a large amount and the AlSi master alloy in such a state is added (added) to SnZn, the bonding strength is also lowered due to the decrease in wettability. It becomes a SnZnAlSi solder having a low bonding strength reduction rate and a large variation, and is not preferable as a manufacturing method for manufacturing a SnZnAlSi solder having a low bonding strength reduction rate.
(C): The AlSi master alloy to be used in the production method of the present invention as described above is obtained by causing the predetermined amount of Al and Si to act simultaneously in a temperature atmosphere controlled in a temperature range of 680 ° C. or more and 1200 ° C. or less, The object is to prepare an AlSi master alloy having a liquidus temperature of 1,000 ° C. or less, preferably 850 ° C. or less and comprising 0.5 to 30% by weight of Si and the balance Al. As a result, an AlSi master alloy useful for producing a SnZnAlSi solder with a low reduction rate of bonding strength is obtained.
(a):SnZn溶湯中に添加する添加材の成分がAlのみの場合「表1」(参考例2)には、SnZn溶湯に投入した時、AlはSnZn溶湯中に速やかに拡散せず、その結果高い溶融温度を持つ粗大なAl酸化物の生成が見られ、SnZnはんだとしての濡れ性を阻害するため、好ましい製造方法とは言えない
(b):SnZn溶湯中に添加する添加材の成分がSiのみの場合「表1」(参考例3)には、SnZn溶湯に投入した時、1400℃を越える溶融温度を持つSiは、SnZn溶湯中に速やかに拡散せずSiの分散性が悪く、その結果、高い溶融温度を持つ粗大なSi酸化物の生成が見られ、はんだとしての濡れ性を阻害するため、好ましい製造方法とは言えない。
(c):SnZn溶湯に添加する添加材の成分がAlSiの場合で、AlとSiとの比率が0.5未満のSi量としたAlSi母合金の場合には、AlSi母合金自体の湯流れ性が劣る結果、SnZn溶湯中の均一化に時間を要し、結果的にAl,Siの偏析の原因となり、接合強度低下率の高い、かつバラツキの大きなSnZnAlSiはんだとなり、好ましい製造方法とは言えない。
(d):SnZn溶湯中に添加する添加材の成分がAlとSiの場合で、Si量が45%を越えるSiAl母合金の場合には、AlSi母合金自体の溶融温度が過度に高温度化してしまい、SnZn溶湯の湯流れ性が劣る結果、均一化に時間を要し、結果的にAl,Siの偏析の原因となり、接合強度低下率の高い、かつバラツキの大きなSnZnAlSiはんだとなり、好ましい製造方法とは言えない。従ってSnZn溶湯に添加する添加材の成分が、0.5〜45%Si量としたAlSi母合金の場合に好ましい製造方法となる。(A): In the case where only the component of the additive added to the molten SnZn is Al, in “Table 1” (Reference Example 2), when charged into the molten SnZn, Al does not diffuse quickly into the molten SnZn. As a result, generation of coarse Al oxide having a high melting temperature is observed, and the wettability as SnZn solder is inhibited. Therefore, it cannot be said that it is a preferable production method. (B): Component of additive added to SnZn molten metal In Table 1 (Reference Example 3) when Si is only Si, when charged into the SnZn molten metal, Si having a melting temperature exceeding 1400 ° C. does not diffuse quickly into the SnZn molten metal and the dispersibility of Si is poor. As a result, the formation of coarse Si oxide having a high melting temperature is observed, and the wettability as solder is hindered.
(C): When the component of the additive added to the SnZn molten metal is AlSi, in the case of an AlSi master alloy in which the ratio of Al to Si is less than 0.5, the flow of hot water of the AlSi master alloy itself As a result, the homogenization in the SnZn molten metal takes time, resulting in segregation of Al and Si, resulting in a SnZnAlSi solder having a high bonding strength reduction rate and a large variation, which is a preferable manufacturing method. Absent.
(D): In the case where the components of the additive added to the SnZn molten metal are Al and Si and the SiAl master alloy has a Si content exceeding 45%, the melting temperature of the AlSi master alloy itself is excessively increased. As a result, the flow of SnZn molten metal is inferior, and it takes time for homogenization, resulting in segregation of Al and Si, resulting in a SnZnAlSi solder with a high joint strength reduction rate and large variation, which is preferable manufacturing. It's not a method. Therefore, it becomes a preferable manufacturing method when the component of the additive added to the SnZn molten metal is an AlSi master alloy having a Si content of 0.5 to 45%.
本発明の第2の実施態様: 前記第1の工程が、Alを680℃以上で1200℃以下の温度に維持した後、この溶融中のAlに所定量のSiを作用させて、1,000℃以下の液相線温度を有するAlSi母合金を準備する事を特徴とする請求項1記載の接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法である。 Second embodiment of the present invention: After the first step maintains Al at a temperature of 680 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, a predetermined amount of Si is allowed to act on the molten Al to obtain 1,000. 2. The method for producing a SnZnAlSi solder having a low rate of reduction in bonding strength according to claim 1, wherein an AlSi master alloy having a liquidus temperature of not higher than ° C. is prepared.
すなわちこの発明は、Alを680℃以上で1200℃以下に維持した温度雰囲気中で、このAl溶湯に所定量のSiを作用させて、液相線温度が、1,000℃以下で、かつ0.5〜45重量%のSiと残部Alとから成る事を特徴とするAlSi母合金を準備する。必要によりCuSi合金を併用する場合の組成は、Siを35%含むSiCu合金を準備する(第1の工程)。Al溶湯に所定量のSiを作用させる事によって、SnZnAlSiはんだ中のAl,Siは均一に分散するので、接合強度の低下率のバラツキの少ないSnZnAlSiはんだの製造方法を提供する。 That is, in the present invention, a predetermined amount of Si is allowed to act on the molten Al in a temperature atmosphere in which Al is maintained at 680 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the liquidus temperature is 1,000 ° C. or less and 0 Prepare an AlSi master alloy characterized by comprising 5 to 45% by weight of Si and the balance Al. The composition in the case where a CuSi alloy is used in combination as needed prepares a SiCu alloy containing 35% Si (first step). By causing a predetermined amount of Si to act on the molten Al, Al and Si in the SnZnAlSi solder are uniformly dispersed. Therefore, a method for producing a SnZnAlSi solder with less variation in the rate of decrease in bonding strength is provided.
以上に示したように、Siを0.5〜45%含むAlSi母合金を添加材として使用した時には、流れ性、濡れ性を改善し接合強度低下率の低い、かつバラツキの少ないSnZnAlSiはんだを得て、好ましい製造方法と言える。 As shown above, when an AlSi master alloy containing 0.5 to 45% of Si is used as an additive, the flowability and wettability are improved to obtain a SnZnAlSi solder with a low rate of decrease in bonding strength and less variation. Thus, it can be said to be a preferable production method.
本発明の第4の実施態様: 前記第1の工程に於いて、SnZn中に添加するAlSi母合金のSiとAlとの比率は、Al量に対するSi量が0.5〜5倍の範囲である事を特徴とするSnZnAlSiはんだの製造方法である。 Fourth Embodiment of the Present Invention: In the first step, the ratio of Si and Al in the AlSi master alloy added to SnZn is such that the amount of Si is 0.5 to 5 times the amount of Al. It is a manufacturing method of SnZnAlSi solder characterized by a certain thing.
すなわちこの発明では、(Si/Al)比が0.5倍未満の時、接合部内部に未溶解部分が発生する。逆に(Si/Al)比が5倍を越えた時では、不必要に高溶融点化してしまい添加材として得策でない。従って(Si/Al)比が0.5〜5倍の時、良質の添加材となる。
必要とするSi量が不足する場合には、AlSi母合金と共に、同様にあらかじめ準備したCuSi合金を併用し、不足するSi量を補う。適切な融解温度とする為にSiを35%で残部CuとするCuSi合金とすることが重要である。That is, in the present invention, when the (Si / Al) ratio is less than 0.5 times, an undissolved portion is generated inside the joint. Conversely, when the (Si / Al) ratio exceeds 5 times, the melting point becomes unnecessarily high, which is not a good measure as an additive. Therefore, when the (Si / Al) ratio is 0.5 to 5 times, a good additive is obtained.
When the required amount of Si is insufficient, a CuSi alloy prepared in advance is used together with the AlSi mother alloy to compensate for the insufficient amount of Si. In order to obtain an appropriate melting temperature, it is important to use a CuSi alloy with 35% Si and the remaining Cu.
本発明の第5の実施態様: 前記第1の工程に於いて、溶融状態にあるAlSi母合金を室温にまで冷却するまでの冷却速度を10〜10,000℃/秒として、あらかじめ製造したAlSi母合金を使用する事を特徴とする請求項1記載の接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法である。 Fifth embodiment of the present invention: In the first step, AlSi manufactured in advance at a cooling rate of 10 to 10,000 ° C./second until the molten AlSi master alloy is cooled to room temperature. 2. The method for producing a SnZnAlSi solder having a low bonding strength reduction rate according to claim 1, wherein a mother alloy is used.
すなわちこの発明は、AlSi母合金溶融の冷却速度を10〜10,000℃/秒として製造することを特徴としている。AlとSiとが微細で均一な組織を持つAlSi母合金を製造する手段として有益である。このような微細で均一な組織を持つAlSi母合金を、SnZnへの添加材として使用する事は、SnZn溶湯中への拡散が速やかに進み、SnZn中に均一に分布する一助となる為、接合強度低下率の低いバラツキの少ないSnZnAlSiはんだを製造する製造方法に有益となる。
なお,溶融状態にあるAlSi母合金を10〜10,000℃/秒の冷却速度での冷却状態を得るには、水冷した容器中での冷却、回転している円盤への衝突、空間中への放出などによって容易に製造出来る。
一方、溶融状態にあるAlSi合金を保温しながら10℃/秒未満の速度で冷却させると、AlとSiとが偏析した存在となり好ましくない。逆に溶融状態にあるAlSi合金を例えは冷媒と接触させながら10,000℃/秒を越える速度で冷却させるには、経済的負担が大きくなり得策でない。That is, the present invention is characterized in that the cooling rate for melting the AlSi mother alloy is 10 to 10,000 ° C./second. This is useful as a means for producing an AlSi master alloy in which Al and Si have a fine and uniform structure. The use of such an AlSi master alloy having a fine and uniform structure as an additive to SnZn facilitates rapid diffusion into the SnZn molten metal and helps to uniformly distribute the SnZn. This is useful for a manufacturing method for manufacturing a SnZnAlSi solder with a low strength reduction rate and a small variation.
In order to obtain the AlSi master alloy in a molten state at a cooling rate of 10 to 10,000 ° C./second, cooling in a water-cooled container, collision with a rotating disk, and into space It can be easily manufactured by releasing it.
On the other hand, when the AlSi alloy in a molten state is kept warm and cooled at a rate of less than 10 ° C./second, it is not preferable because Al and Si are segregated. On the other hand, in order to cool the AlSi alloy in a molten state at a rate exceeding 10,000 ° C./second while being in contact with a refrigerant, for example, an economical burden becomes large, which is not a good idea.
本発明の第6の実施態様: 前記第3の工程は、前記溶融状態にあるSnZn合金中へ前記AlSi母合金を投入するに際して、前記AlSi母合金をSn箔、Zn箔、Al箔,Cu箔などのいずれかで包んで添加する事を特徴とする請求項1記載の接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法である。 Sixth Embodiment of the Present Invention: In the third step, when the AlSi mother alloy is put into the molten SnZn alloy, the AlSi mother alloy is made of Sn foil, Zn foil, Al foil, Cu foil. The method for producing SnZnAlSi solder having a low rate of reduction in bonding strength according to claim 1, wherein the solder is added by being wrapped in any of the above.
すなわちこの発明は、溶融している雰囲気が直接にAlSi母合金に接触しない程度に、Sn箔、Zn箔、Al箔,Cu箔のいずれかでAlSi母合金を包んだ状態で、SnZn合金の溶湯中へ投入(添加)し、保護しつつ急速に反応させる。AlSi母合金が溶解中の雰囲気から受ける汚染や、AlSi母合金の酸化を抑制し、結果的にSnZnAlSiはんだ中の酸素量を減じ、はんだ表面層に生成するZn酸化層を減少させたAlSi母合金を製造する手段として有益である。 That is, the present invention provides a molten SnZn alloy in a state where the AlSi mother alloy is wrapped with any of Sn foil, Zn foil, Al foil, and Cu foil so that the molten atmosphere does not directly contact the AlSi mother alloy. Put in (add) and react rapidly while protecting. AlSi master alloy that suppresses contamination of AlSi master alloy from the melting atmosphere and oxidation of AlSi master alloy, and consequently reduces the amount of oxygen in SnZnAlSi solder and reduces the Zn oxide layer formed on the solder surface layer It is useful as a means of manufacturing.
本発明の第7の実施態様: 前記第3の工程は、200〜400℃の溶融状態としたSnZn合金中に、前記AlSi母合金、またはAlSi母合金とCuSi母合金の両者を添加する事を特徴とする請求項1記載の接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだの製造方法である。
すなわち本製造方法は、AlSi母合金の添加温度として200〜400℃を選択してあるので、AlSi母合金が過度に酸化したり、変質するのを極力少なくするのに有効であり、その結果、製造したSnZnAlSiはんだ中の酸素量を50ppm以下に制御でき、10N以上の接合強度を確保するので安定したSnZnAlSiはんだの製造方法となる。
酸素量の下限量は、生産性の観点が3ppmとする。Si量が0.5%未満だったり、AlSi母合金を製造する際の第1の工程での溶解作業温度が過度に高かったりすると、酸素量が50ppmが越えてしまい、接合部にはポアの発生を招いたり、接合強度の不安定化を招ため、はんだ中の酸素量は3〜50ppmに制御したSnZnAlSiはんだの製造方法である。Seventh embodiment of the present invention: In the third step, the AlSi master alloy or both the AlSi master alloy and the CuSi master alloy are added to the SnZn alloy in a molten state of 200 to 400 ° C. The method for producing SnZnAlSi solder having a low bonding strength reduction rate according to claim 1.
That is, since this manufacturing method has selected 200 to 400 ° C. as the addition temperature of the AlSi master alloy, it is effective in minimizing the AlSi master alloy from being excessively oxidized or denatured. The amount of oxygen in the manufactured SnZnAlSi solder can be controlled to 50 ppm or less, and a bonding strength of 10 N or more is ensured, so that a stable SnZnAlSi solder manufacturing method is obtained.
The lower limit of the amount of oxygen is 3 ppm from the viewpoint of productivity. If the amount of Si is less than 0.5% or the melting operation temperature in the first step when producing the AlSi master alloy is excessively high, the amount of oxygen exceeds 50 ppm, and the joint has pores. This is a method for producing SnZnAlSi solder in which the amount of oxygen in the solder is controlled to 3 to 50 ppm in order to cause generation and instability of bonding strength.
Al及びSiを含まないSnZnはんだ材「表1」(参考例1)では、接合後のその表面には多量のZn酸化物の生成が観察される。
解決の為に微量のAlのみを含むSnZnAlはんだ材では、Alの存在によってZn酸化物の生成をある程度抑制、軽減化するが、はんだ付け後のはんだの内部には、その一部には、なおZn酸化物を中心とする未溶解部分やポア(空孔)が存在するのが観察される「表1」(参考例2)。
すなわち、微量のAlをAl単独でSnZn溶湯に投入する製造方法によって製造したSnZnAlはんだ材では、Alの存在によってZn酸化物の生成をある程度抑制、軽減するが、はんだ付け後のはんだ内部には、まだなおその一部には、Al酸化物を中心とする未溶解部分やポア(空孔)が存在するのが観察される。
SnZn溶湯中にSiを単独で投入して製造したSnZnSiはんだ材でも、Siの存在によってZn酸化物の生成をある程度抑制、軽減するが、はんだ付け後のはんだ内部には、まだなおその一部には、Zn酸化物を中心とする未溶解部分やポア(空孔)が存在するのが観察される「表1」(参考例3)。In the SnZn solder material “Table 1” (Reference Example 1) not containing Al and Si, a large amount of Zn oxide is observed on the surface after bonding.
In order to solve the problem, SnZnAl solder material containing only a small amount of Al suppresses or reduces the formation of Zn oxide to some extent due to the presence of Al. It is observed that there are undissolved parts and pores (voids) centering on Zn oxide (Table 1) (Reference Example 2).
That is, in the SnZnAl solder material manufactured by a manufacturing method in which a small amount of Al is added alone to the SnZn molten metal, the presence of Al suppresses and reduces the formation of Zn oxide to some extent, but the solder inside after soldering, It is observed that there are still undissolved portions and pores (holes) centering on the Al oxide in a part of the portion.
Even in the SnZnSi solder material manufactured by adding Si alone to the SnZn molten metal, the formation of Zn oxide is suppressed and reduced to some extent by the presence of Si. In Table 1, it is observed that there are undissolved portions and pores (holes) centering on Zn oxide (Table 1).
添加材として、所定のAlMg母合金をSnZn溶湯に投入して製造する製造方法では、接合後の接合層内部に脆弱なAlMg金属間化合物の生成が認められ、好ましい製造方法とはならない。
これに対して、添加材として所定のAlSi母合金をSnZn溶湯に投入して製造する本願製造方法により製造したSnZnAlSiはんだ材では上記欠点は抑制される。
すなわち、添加材として所定比率のAlSi母合金を使用する製造方法では、重要な利点として、AlとSiは共晶組織を示す特徴を持っていることにより、はんだ付け後の内部に微細なはんだ組織を得ると共に、更にAlの融点である660℃よりも80℃も低い固相線温度を持つため、未溶融部分を残さず合金化が完了する。これはAlとSiとをAlSi母合金として共同添加した時にのみに得られる特徴であり、優れた製造方法となる「表1」(本発明)。In the manufacturing method in which a predetermined AlMg master alloy is added to the SnZn molten metal as an additive, the formation of fragile AlMg intermetallic compounds is recognized inside the bonded layer after bonding, and this is not a preferable manufacturing method.
On the other hand, the above-mentioned defect is suppressed in the SnZnAlSi solder material manufactured by the present manufacturing method in which a predetermined AlSi master alloy is added to the SnZn molten metal as an additive.
That is, in the manufacturing method using a predetermined ratio of AlSi master alloy as an additive, an important advantage is that Al and Si have a characteristic of showing a eutectic structure. And has a solidus temperature lower than 660 ° C., which is the melting point of Al, and the alloying is completed without leaving an unmelted portion. This is a characteristic obtained only when Al and Si are added together as an AlSi master alloy, and is an excellent manufacturing method "Table 1" (present invention).
その結果,AlSi母合金として添加する利点は、Al単独,Si単独で添加する製造方法よりも、速やかにSnZnと合金化する利点、また低い温度で合金化する利点を持ち、その結果SnZnAlSiはんだ中での未溶融部分の発生を少なくし、更にはんだ付け後のはんだ組織の微細化にも寄与する。この作用によって接合強度低下率の低いSnZnAlSiはんだ材の製造方法を得る。
上記した様な製造方法によってAlSiを共存させたSnZnAlSiはんだ材では、所定のAlSi母合金中の特にSiとAlとを同時に添加させる相乗効果によって、上記のSnZnの問題点、SnZnAlの問題点を解消する優れた製造方法である。
この製造方法は回路基板の表面へのSnZnAlSiはんだ材を被覆する工程にも適用する。As a result, the advantage of adding it as an AlSi master alloy is that it has the advantage of alloying with SnZn more rapidly than the manufacturing method of adding Al alone or Si alone, and the advantage of alloying at a lower temperature. As a result, in the SnZnAlSi solder This reduces the generation of unmelted parts in the solder and further contributes to the refinement of the solder structure after soldering. By this action, a method for producing a SnZnAlSi solder material having a low bonding strength reduction rate is obtained.
In the SnZnAlSi solder material in which AlSi coexists by the manufacturing method as described above, the above-mentioned problems of SnZn and SnZnAl are solved by a synergistic effect of simultaneously adding Si and Al in a predetermined AlSi master alloy. It is an excellent manufacturing method.
This manufacturing method is also applied to the step of coating the surface of the circuit board with the SnZnAlSi solder material.
なお、85℃、85%湿度で600時間の高温高湿環境下に放置したはんだ層を観察すると、前記AlSi母合金を添加しない従来の製造方法によるSnZnはんだ(例えば9%Zn残部Sn)では、表面層に凝縮したZnの酸化によるZn酸化物の生成と粗大化を生ずる。しかも接合部内部でSnマトリックスと粗大化したZn酸化物との界面に沿って亀裂の進展が観察され接合強度の低下を招く。更にZn酸化物の大きさや生成量に依存して接合強度には大きなバラツキも現れる。
このように、AlとSiとを同時に存在させたAlSi母合金の効果は、AlとSiとを微細にかつ均一に分散した状態とし、亀裂の進展を阻止し、接合強度の低下を一層抑制する。また組織を微細にかつ均一に分散に貢献する。他の利益は接合強度のバラツキ幅も小さく改善する。When observing a solder layer left in a high-temperature and high-humidity environment at 85 ° C. and 85% humidity for 600 hours, SnZn solder (for example, 9% Zn balance Sn) according to the conventional manufacturing method without adding the AlSi mother alloy, Formation and coarsening of Zn oxide are caused by oxidation of Zn condensed on the surface layer. Moreover, the progress of cracks is observed along the interface between the Sn matrix and the coarsened Zn oxide inside the joint, leading to a reduction in joint strength. Furthermore, there is a large variation in the bonding strength depending on the size and amount of Zn oxide.
As described above, the effect of the AlSi master alloy in which Al and Si are present simultaneously is such that Al and Si are finely and uniformly dispersed, preventing the progress of cracks and further suppressing the decrease in bonding strength. . In addition, it contributes to fine and even distribution of the tissue. Another benefit is an improvement in the bonding strength variation width.
これに対して、微量のAlと、そのAl量に対応する微量のSi(Alに対するSiの量は0.5〜5倍)とで製造したAlSi母合金を、添加材として利用し、前記第1の工程1〜第4の工程に従う本願の製造方法によって製造したSnZnAlSiはんだ材では、好ましくないZn酸化物の生成を抑制する。
しかし、例えばSiを75%Al−25%Si母合金で添加する場合には、Siを高める(多くする)と、それ以上にAl量が高くなってしまい、AlSi母合金中のAl量とSi量との好ましい比率範囲(Alに対するSiの量は0.5〜5倍)を確保できないので、Siの添加量を増やす為の別の合金が必要であり、CuSi合金の併用が有効である。On the other hand, an AlSi master alloy manufactured with a small amount of Al and a small amount of Si corresponding to the amount of Al (the amount of Si with respect to Al is 0.5 to 5 times) is used as an additive. In the SnZnAlSi solder material manufactured by the manufacturing method of the present application according to the first process to the fourth process, generation of undesirable Zn oxide is suppressed.
However, for example, when Si is added as a 75% Al-25% Si master alloy, if Si is increased (increased), the amount of Al becomes higher, and the amount of Al in the AlSi master alloy and Si Since a preferable ratio range with respect to the amount (the amount of Si with respect to Al is 0.5 to 5 times) cannot be ensured, another alloy for increasing the amount of addition of Si is necessary, and the combined use of CuSi alloy is effective.
SnZnAlSiはんだ材の製造における本発明の製造方法では、AlSi母合金と共に、CuSi母合金を準備する第1の工程。SnZnを溶融状態とする第2の工程、前記AlSi母合金とCuSi母合金を前記溶融状態のSnZn溶湯中へ投入する第3の工程を備えたとを特徴とするSnZnAlSiはんだ材を製造する製造方法である。
CuSi母合金はSiを35%残部がCuとからなる合金である。これによってSnZnAlSiはんだ材中のSi量を調整する。In the manufacturing method of the present invention in the manufacture of a SnZnAlSi solder material, a first step of preparing a CuSi master alloy together with an AlSi master alloy. A manufacturing method for manufacturing a SnZnAlSi solder material comprising: a second step of bringing SnZn into a molten state; and a third step of introducing the AlSi master alloy and CuSi master alloy into the molten SnZn molten metal. is there.
The CuSi master alloy is an alloy consisting of 35% Si and the balance being Cu. This adjusts the amount of Si in the SnZnAlSi solder material.
製造方法の比較;
本発明製造方法での第3の工程に於いて、溶融状態にあるSnZn合金中に何も添加しないでSnZnはんだを製造する従来の基本的な製造方法「表1」(参考例1)。溶融状態にあるSnZn合金中にAlのみを添加してSnZnはんだを製造する製造方法「表1」(参考例2)。溶融状態にあるSnZn合金中にSiのみを添加してSnZnはんだを製造する製造方法「表1」(参考例3)。溶融状態にあるSnZn合金中にAlSi母合金を添加してSnZnはんだを製造する製造方法「表1」(本発明1)の各製造方法によって製造した各はんだ材について、接合温度を各はんだ材の液相線温度より約30℃高い温度に設定した接合実験を実施した「表1」。
表面層に生成するZn酸化物の厚さとボイド生成の程度をXMA及び顕微鏡観察によって比較測定し、その結果を「表1」に表記した。本発明の製造方法はSnZnAlSiの製造に対してAlSi母合金を適応することによって、顕著な効果を発揮する。Comparison of manufacturing methods;
In the third step of the manufacturing method of the present invention, the conventional basic manufacturing method “Table 1” (Reference Example 1) for manufacturing SnZn solder without adding anything to the molten SnZn alloy. Manufacturing method “Table 1” (Reference Example 2) in which SnZn solder is manufactured by adding only Al to a molten SnZn alloy. Manufacturing method “Table 1” (Reference Example 3) in which SnZn solder is manufactured by adding only Si to a molten SnZn alloy. For each solder material manufactured by each of the manufacturing methods “Table 1” (Invention 1) of manufacturing an SnZn solder by adding an AlSi mother alloy to a molten SnZn alloy, the bonding temperature of each solder material is Table 1 shows a joining experiment in which the temperature was set to about 30 ° C. higher than the liquidus temperature.
The thickness of the Zn oxide formed on the surface layer and the degree of void formation were compared and measured by XMA and microscopic observation, and the results are shown in “Table 1”. The production method of the present invention exhibits a remarkable effect by adapting the AlSi master alloy to the production of SnZnAlSi.
更に、SnZnはんだを製造する場合の本発明製造方法による利点は,85℃、85%湿度で600時間の高温高湿環境下に放置した後の接合強度の改善にも貢献する。600時間放置後の接合強度の低下度は5%程度の範囲であった。 Furthermore, the advantage of the manufacturing method of the present invention when manufacturing the SnZn solder also contributes to the improvement of the bonding strength after being left in a high temperature and high humidity environment of 600 hours at 85 ° C. and 85% humidity. The degree of decrease in bonding strength after standing for 600 hours was in the range of about 5%.
SnZn溶湯中にAlのみを単独で添加すると、Alは溶融しながら周囲の微量の酸素の影響を速やかに受けて、Alは高い粘性を持つAl溶液となり、SnZn溶湯中で極めて易動性(拡散性)の悪いAlとして存在すると共に、その一部は溶融温度の高いAl酸化物を形成してしまい、その結果SnZn溶湯とAl溶湯との合金化の進行を遅らさせる結果となり、未溶融部分(主として大きさ、幅が5μmを越える程の大きさのAl酸化物)の形成や、組織の不均一部分の形成が見られ好ましいはんだ材の製造方法とは言えない(「表1」参考例2)。 When only Al is added alone to the molten SnZn, Al is rapidly affected by a small amount of surrounding oxygen while melting, and Al becomes a highly viscous Al solution, which is extremely mobile (diffusion) in the SnZn molten metal. A part of the Al oxide having a high melting temperature, and as a result, the progress of alloying between the SnZn molten metal and the Al molten metal is delayed, resulting in an unmelted part. It can not be said that this is a preferable method for producing a solder material due to the formation of (mainly an Al oxide having a size exceeding 5 μm in width and width) and formation of a heterogeneous portion of the structure (“Table 1” reference example) 2).
SnZn溶湯中へSiのみを単独で添加する製造方法では、Siは1440℃という極めて高い溶融温度を持つため、Siはなかなか溶融せず固体状態として残存する結果、不均一組織を呈しSnZnはんだ材の機械的特性のばらつきの原因となり、好ましいSnZnはんだ材の製造方法とは言えない「表1」(参考例3)。 In the manufacturing method in which only Si is added alone to the SnZn molten metal, since Si has a very high melting temperature of 1440 ° C., Si does not readily melt and remains in a solid state, resulting in a non-uniform structure and the SnZn solder material. “Table 1” (Reference Example 3), which causes variations in mechanical properties and cannot be said to be a preferable method for producing a SnZn solder material.
これに対して、SnZn溶湯中にAl、Siを添加しないでSnZnはんだを製造する従来の基本的な製造方法では、接合部では厚さの厚いZn酸化物の生成や多数のポアの生成が見られ好ましい製造方法とはならない「表1」(参考例1)。 On the other hand, in the conventional basic manufacturing method for manufacturing SnZn solder without adding Al or Si to the SnZn molten metal, the formation of thick Zn oxide and a large number of pores are observed at the joint. "Table 1" (Reference Example 1) which is not a preferable production method.
一方、第1の工程〜第4の工程からなる構成を持つ本発明の製造方法では、SnZn溶湯中に所定条件(微細に分散)のAlSi母合金を添加すると、Zn酸化物の生成を抑制しながら、前記のようなAlが原因となる未溶融部分の形成をなくし、上記問題点の発生を抑制若しくは軽減化する(これはAlのみ,Snのみの単独添加では効果が低い)。SnZn中への所定条件のAlSiを添加する本発明製造方法によれば,SnZnはんだ表面層で濃縮するZn(最終的には表面部分でZn酸化物を形成)の量を抑制する作用を呈し有益に機能する「表1」(本発明および後述する実施例1〜14)。 On the other hand, in the manufacturing method of the present invention having the configuration consisting of the first step to the fourth step, when an AlSi master alloy having a predetermined condition (finely dispersed) is added to the SnZn molten metal, the formation of Zn oxide is suppressed. However, the formation of the unmelted portion caused by Al as described above is eliminated, and the occurrence of the above problems is suppressed or reduced (this is less effective when Al alone or Sn alone is added). According to the manufacturing method of the present invention in which AlSi of a predetermined condition is added to SnZn, the effect of suppressing the amount of Zn concentrated in the SnZn solder surface layer (finally Zn oxide is formed on the surface portion) is beneficial. "Table 1" which functions in the present invention (the present invention and Examples 1 to 14 described later).
SnZnはんだの製造時に、AlSiの母合金を準備し、それを添加する本発明の製造方法によって、はんだが固まる時にZnの表面への濃縮、Znの溶出する現象を防いでいる。すなわち,Znはイオン化し溶出し易いが、表面にAlSiが微細に濃縮すると、Znは当然溶け出しにくくなり、その結果耐蝕性も一層向上する。 When the SnZn solder is manufactured, an AlSi mother alloy is prepared, and the manufacturing method of the present invention in which it is added prevents the phenomenon of Zn concentration and elution of Zn when the solder hardens. That is, Zn is easily ionized and eluted, but when AlSi is finely concentrated on the surface, it is naturally difficult to dissolve Zn, and as a result, the corrosion resistance is further improved.
上述した様に、所定の冷却速度で凝固させて製造した所定の液相線温度を持つAlSi母合金を、添加材としてSnZn溶湯中へ投入してSnZnAlSiはんだ材の製造に使用する第1の工程〜第4の工程を備えた製造方法では、AlSiの相乗効果によって、SnZnはんだ材内部に生成するZnの凝集やZn酸化物の生成、未溶融部分の生成を抑制する事が出来ると共に、微細で均一な組織を持つ接合強度の低下率の低いバラツキ幅の少ないSnZnAlSiはんだ材の製造方法を提供できる。 As described above, the first step of using the AlSi master alloy having a predetermined liquidus temperature manufactured by solidifying at a predetermined cooling rate as an additive into the SnZn molten metal and used for manufacturing the SnZnAlSi solder material In the manufacturing method including the fourth step, the synergistic effect of AlSi can suppress the aggregation of Zn generated inside the SnZn solder material, the generation of Zn oxide, and the generation of unmelted portions, It is possible to provide a method for producing a SnZnAlSi solder material having a uniform structure and a low rate of decrease in bonding strength and a small variation width.
以下に本発明の実施例を示し、さらに具体的に説明する。 Examples of the present invention will be shown below and will be described more specifically.
本発明は、第1の工程から第4の工程までの4つの工程によって構成される事を特徴とするSnZnAlSiはんだ材の製造方法である。
第1の工程:
以下必要によりAlSi母合金と共に、CuSi合金も併用する。まず、約680℃以上で約1200℃以下の炉温度に保持した溶解炉中で、0.3%〜15%程度のSiを含み残部AlからなるAlSi母合金(母合金1〜4)を準備した。
更に、約800℃以上で約1200℃以下の炉温度に保持した溶解炉中で、25%程度のSiを含み残部AlからなるAlSi母合金(母合金5)を準備した。
更に、約900℃以上で約1200℃以下の炉温度に保持した溶解炉中で,30%程度のSiを含み残部AlからなるAlSi母合金(母合金6)を準備した。
更に、約900℃の炉温度に保持した溶解炉中で,35%程度のSiを含み残部AlからなるAlSi母合金(母合金7)を準備した。
更に、約1100℃以上で約1200℃以下の炉温度に保持した溶解炉中で,50%程度のSiを含み残部AlからなるAlSi母合金(母合金8)を準備した。
なお、成型したままのAlSiは脱ガスを十分しておけば利用が可能である。
第2の工程:
約15%程度以下のZn量を含むSnZn合金については、約300℃に保持した溶解炉中で溶湯状態とした。
約30%〜50%程度以下のZn量を含むSnZn合金については、約400℃に保持した溶解炉中で溶湯状態とした。
約70%程度のZn量を含むSnZn合金については、約450℃に保持した溶解炉中で溶湯状態とした。
第3の工程:
前記第1の工程で準備した100%Al、100%Si、及び各AlSi母合金を適宜選択し、前記第2の工程で溶解中の各SnZn溶湯中に投入し、Al、Si、AlSiをSnZn中に分散させる(第3の工程)。
第4の工程:
前記Alを含むSnZn溶湯、Siを含むSnZn溶湯、AlSiを含むSnZn溶湯を冷却固化して、SnZnAlはんだ材、SnZnSiはんだ材、SnZnAlSiはんだ材を製造した(第4の工程)。
なお、各素材毎の純度が十分に良くない時、また純度が一定でない時、溶解作業時間に長短がある時には、SnZnはんだ製造後のAl,Si量は溶解作業中に酸化物を生成し、かつ消費されるため変動する。The present invention is a method for producing a SnZnAlSi solder material comprising four steps from a first step to a fourth step.
First step:
Hereinafter, a CuSi alloy is used in combination with an AlSi master alloy as necessary. First, in a melting furnace maintained at a furnace temperature of about 680 ° C. or more and about 1200 ° C. or less, AlSi master alloys (master alloys 1 to 4) including about 0.3% to 15% Si and the balance Al are prepared. did.
Furthermore, an AlSi master alloy (master alloy 5) comprising about 25% Si and the balance Al was prepared in a melting furnace maintained at a furnace temperature of about 800 ° C. or more and about 1200 ° C. or less.
Furthermore, an AlSi master alloy (master alloy 6) comprising about 30% Si and the balance Al was prepared in a melting furnace maintained at a furnace temperature of about 900 ° C. or more and about 1200 ° C. or less.
Further, an AlSi master alloy (master alloy 7) comprising about 35% Si and the balance Al was prepared in a melting furnace maintained at a furnace temperature of about 900 ° C.
Furthermore, an AlSi master alloy (master alloy 8) comprising about 50% Si and the balance Al was prepared in a melting furnace maintained at a furnace temperature of about 1100 ° C. or more and about 1200 ° C. or less.
In addition, as-formed AlSi can be used if it is sufficiently degassed.
Second step:
About the SnZn alloy containing about 15% or less of Zn content, it was in a molten state in a melting furnace maintained at about 300 ° C.
The SnZn alloy containing about 30% to 50% or less of Zn was put in a molten state in a melting furnace maintained at about 400 ° C.
About the SnZn alloy containing about 70% of Zn content, it was made into a molten metal state in a melting furnace maintained at about 450 ° C.
Third step:
100% Al, 100% Si, and each AlSi master alloy prepared in the first step are appropriately selected and put into each SnZn molten metal being melted in the second step, and Al, Si, and AlSi are put into SnZn. Disperse in (third step).
Fourth step:
The SnZn molten metal containing Al, the SnZn molten metal containing Si, and the SnZn molten metal containing AlSi were cooled and solidified to produce SnZnAl solder material, SnZnSi solder material, and SnZnAlSi solder material (fourth step).
In addition, when the purity of each material is not sufficiently good, or when the purity is not constant, and when the melting operation time is long or short, the amount of Al and Si after SnZn solder production generates oxide during the melting operation, And because it is consumed, it fluctuates.
接合の条件:
準備したAl素材をZnSn溶湯に投入し、評価用SnZnAlはんだを製造した(比較例1、5)。
準備したSi素材をZnSn溶湯に投入し、評価用SnZnSiはんだを製造した(比較例2、6)。
準備した中から選択した母合金1〜8のいずれかをZnSn溶湯に投入し、評価用SnZnAlSiはんだを製造を製造した「表2」「表3」「表4」「表5」。(比較例3〜4、7〜16、実施例1〜14)。
The prepared Al material was put into a ZnSn molten metal to produce SnZnAl solder for evaluation (Comparative Examples 1 and 5).
The prepared Si material was put into a molten ZnSn to produce an evaluation SnZnSi solder (Comparative Examples 2 and 6).
“Table 2”, “Table 3”, “Table 4”, and “Table 5” were manufactured by putting any of the mother alloys 1 to 8 selected from the prepared alloys into the ZnSn molten metal to produce SnZnAlSi solder for evaluation. (Comparative Examples 3-4, 7-16, Examples 1-14).
接合強度の評価の条件:
実際の組み立て作業を含めた総合的な接合強度評価を行った。基板として幅150mm×長さ205mm×厚さ1.5mmの大きさのスル−ホ−ルタイプのコンポジット基板及びガラスエポキシ基板を用い、その表面はレジスト処理を施した。一方の部品は、Auメッキで被覆した線径0.6mmのCuリ−ド(16ピン、2.54ピッチ)を用いた。この場合、リ−ド線と被接合部との正確な接合面積の測定は困難であるが、接合面積がほぼ同じであることから、接合強度を相対的に比較する方法で確認した。
しかし、この方法では各測定毎に基板を用いて評価の準備をせねばならず繁雑であることから、図1に示したように、リ−ド線に特殊の引っ張り治具を取り付け、角度45°(45度)の方向に引っ張り、はんだ接合部の接合強度の確認を行った。なお表2〜5に於ける接合強度は、8個のリ−ドピンについての測定値(N:ニュ−トン)を示したものであり、その平均値及び最大値、最小値を記載した。リ−ド線と被接合部との接合面積(接触面積)がほぼ同一である為、相対的比較が可能となる。
この接合面積で従来の基準であるSn−38.1%Pbはんだの接合強度を測定したところ、おおよそ7〜10Nの範囲を示したことから、本発明の製造方法の評価には、10Nを目安として良否を判断とした。
なお本実験では、酸素濃度を50ppm未満に調節したはんだ付け装置と、表に示したはんだ材を使用して、各はんだ材の持つ液相線温度プラス30℃高目の温度を選定した条件で接合した。Conditions for evaluating joint strength:
A comprehensive joint strength evaluation including actual assembly work was performed. A through-hole type composite substrate having a size of 150 mm width × 205 mm length × 1.5 mm thickness and a glass epoxy substrate were used as the substrate, and the surface thereof was subjected to a resist treatment. One component was a Cu lead (16 pins, 2.54 pitch) with a wire diameter of 0.6 mm coated with Au plating. In this case, it is difficult to accurately measure the bonding area between the lead wire and the bonded portion, but since the bonding area is almost the same, it was confirmed by a method of relatively comparing the bonding strength.
However, in this method, it is complicated to prepare for evaluation by using a substrate for each measurement. Therefore, as shown in FIG. By pulling in the direction of 45 ° (45 °), the bonding strength of the solder joint was confirmed. In addition, the joining strength in Tables 2-5 shows the measured value (N: Newton) about eight lead pins, The average value, the maximum value, and the minimum value were described. Since the bonding area (contact area) between the lead wire and the bonded portion is substantially the same, a relative comparison is possible.
When the bonding strength of Sn-38.1% Pb solder, which is the conventional standard, was measured with this bonding area, it showed a range of approximately 7 to 10 N. Therefore, 10 N is a guideline for the evaluation of the manufacturing method of the present invention. It was judged as good or bad.
In this experiment, using a soldering device in which the oxygen concentration was adjusted to less than 50 ppm and the solder materials shown in the table, the liquidus temperature of each solder material plus 30 ° C higher temperature was selected. Joined.
Sn−38.1%Pbの接合強度を1.0とした場合の比較;
2.0倍以上を (評価S) 良好
1.5倍以上〜2.0倍未満を (評価A) 良好
1.2倍以上〜1.5倍未満を (評価B) 良好
1.0倍以上〜1.2倍未満を (評価C) 良好
0.8倍以上〜1.0倍未満を (評価W) 不良
0.5倍以上〜0.8倍未満を (評価X) 不良
0.3倍以上〜0.5倍未満を (評価Y) 不良
0.3倍未満を (評価Z) 不良Comparison when Sn-38.1% Pb bonding strength is 1.0;
2.0 times or more (Evaluation S) Good 1.5 times or more to less than 2.0 times (Evaluation A) Good 1.2 times or more to less than 1.5 times (Evaluation B) Good 1.0 times or more Less than 1.2 times (Evaluation C) Good 0.8 times or more and less than 1.0 times (Evaluation W) Defect 0.5 times or more and less than 0.8 times (Evaluation X) Defect 0.3 times Above-less than 0.5 times (Evaluation Y) Defect Less than 0.3 times (Evaluation Z) Defect
接合強度測定値のバラツキ幅の評価;(測定値40点の最大と最小との比)
20%未満 (評価a) 良好
20%以上〜 50%倍未満を (評価b) 良好
50%以上〜100%倍未満を (評価c) 良好
100%以上〜200%倍未満を (評価d) 不良
200%以上 (評価e) 不良
実施例1〜4、比較例1〜6 Evaluation of variation width of joint strength measurement value; (ratio between maximum and minimum of 40 measured values)
Less than 20% (Evaluation a) Good 20% or more to less than 50% times (Evaluation b) Good 50% or more to less than 100% times (Evaluation c) Good 100% or more to less than 200% times (Evaluation d) Poor 200% or more (Evaluation e) Defect
Examples 1-4, Comparative Examples 1-6
SnZn溶湯中への添加材をAlのみとし,溶融後のSn−9%Zn中のAl量が3ppmだけ残存する様に調節した「表2」(比較例1)。
及び、溶融後のSn−9%Zn中のSi量が3ppmだけ残存する様に調節した「表2」(比較例2)。Al(比較例1)では、粘性の大きなAl酸化物の集合体を形成し易く、Si(比較例2)では、高融点のSiがやはり固体状態としてSnZn中に残存し、いずれも良質なSnZnはんだ材を製造する為の製造方法としては好ましくない(「表2」)。その結果、前記評価条件での接合強度は、平均値が評価Y、バラツキが評価dでいずれも好ましくない。
一方、Si量を0.5〜30%としたAlSi母合金中での前記評価条件での接合強度は、平均値が評価A〜S、バラツキが評価a〜cとなり製造方法として良好であった。しかし,Si量を35%,50%とした場合での接合強度は、平均値が評価Z、バラツキが評価d〜eとなり製造方法としていずれも好ましくない。
別途用意したSnSi合金も併用したが、はんだ中に残存するCuは少量であり特性への影響は少ないため、「表2」の組成表にはCu量は除外して作成してある。“Table 2” (Comparative Example 1) was adjusted so that only Al was added to the SnZn molten metal and only 3 ppm of Al in Sn-9% Zn after melting remained.
And it adjusted so that only 3 ppm of Si amount in Sn-9% Zn after fusion | melting might remain | survived (Table 2) (comparative example 2). In Al (Comparative Example 1), it is easy to form an aggregate of highly viscous Al oxides. In Si (Comparative Example 2), high melting point Si remains in a solid state in SnZn, both of which are high-quality SnZn. It is not preferable as a manufacturing method for manufacturing a solder material ("Table 2"). As a result, the bonding strength under the above-described evaluation conditions is not preferable in that the average value is evaluation Y and the variation is evaluation d.
On the other hand, the bonding strength under the above-mentioned evaluation conditions in the AlSi master alloy with the Si amount of 0.5 to 30% was good as a manufacturing method because the average values were evaluations A to S and the variations were evaluations a to c. . However, the bonding strength when the Si amount is 35% and 50% is not preferable as a manufacturing method because the average value is evaluation Z and the variations are evaluations d to e.
Although a separately prepared SnSi alloy was also used, since the amount of Cu remaining in the solder is small and has little influence on the characteristics, the composition table in “Table 2” is prepared by excluding the amount of Cu.
すなわち、100%のAl、100%のSi(比較例1〜2)。AlSi母合金として、Si量が0.1%,0.2%、0.5%、4%,15%,30%(比較例3〜4。実施例1〜4)。35%,50%(比較例5〜6)を含むAlSi母合金を準備した(第1の工程)。
次いで,SnZn溶湯(第2の工程)とした後、この溶湯中に前記各AlSi母合金を投入またはAl、Siを投入(第3の工程)した。これらを冷却固化して(第4の工程)、SnZnAlSiはんだ材、SnZnAlはんだ材、SnZnSiはんだ材を得る。That is, 100% Al, 100% Si (Comparative Examples 1-2). As an AlSi master alloy, Si amount is 0.1%, 0.2%, 0.5%, 4%, 15%, 30% (Comparative Examples 3 to 4. Examples 1 to 4). An AlSi master alloy containing 35% and 50% (Comparative Examples 5 to 6) was prepared (first step).
Next, after forming a SnZn molten metal (second step), the AlSi master alloy was charged into the molten metal, or Al and Si were charged (third step). These are cooled and solidified (fourth step) to obtain a SnZnAlSi solder material, a SnZnAl solder material, and a SnZnSi solder material.
AlSi母合金中のSi量(SnZnはんだ中のSi量ではない)を、0.5%,4%,15%,30%(実施例1〜4)とした場合のAlSi母合金では、冷却固化(第4の工程)させた後に、はんだ材として使用した場合のはんだ内部の組織観察によると、未溶解のAlもなくSiはSnZn中にAlSi共に均質に分散した良好なSnZnAlSiはんだを得る(実施例1〜4)。10N(ニュ−トン)以上の接合強度を示し、かつそのバラツキ幅も少ない。 In the AlSi master alloy in which the amount of Si in the AlSi master alloy (not the amount of Si in the SnZn solder) is 0.5%, 4%, 15%, and 30% (Examples 1 to 4), cooling solidification is performed. According to observation of the internal structure of the solder when used as a solder material after the (fourth step), there is no undissolved Al, and Si is obtained in a SnZn homogeneous Al and a good SnZnAlSi solder in which AlSi is uniformly dispersed (implementation) Examples 1-4). It exhibits a bonding strength of 10N (Newton) or more and has a small variation width.
しかし、AlSi母合金中のSi量を0.1%,0.2%(比較例1〜2)としたAlSi母合金では、Al量に対するSi量が少な過ぎ、Si量は目標としているSi量を確保できず0.1%以下となり、Zn酸化物の生成の抑制に機能を発揮するAlが偏析し易く、Alの凝集を抑止出来ず、SnZn溶湯中に添加しても、SnZn中にAlは未溶解部分として残存し良好なSnZnAlSiはんだが得られないのみならず、Si量の調整に製造上の繁雑さが有る(比較例3〜4)。接合強度は著しく低い値となっている。 However, in the AlSi master alloy in which the Si amount in the AlSi master alloy is 0.1% and 0.2% (Comparative Examples 1 and 2), the Si amount with respect to the Al amount is too small, and the Si amount is the target Si amount. Al is not more than 0.1%, and Al that functions to suppress the formation of Zn oxide is easily segregated, and aggregation of Al cannot be suppressed. Even if it is added to the SnZn molten metal, Al is contained in SnZn. Remains as an undissolved part and a good SnZnAlSi solder cannot be obtained, and there is a manufacturing complexity in adjusting the amount of Si (Comparative Examples 3 to 4). The bonding strength is extremely low.
逆に、Si量を35%、50%(比較例5〜6)含むAlSi母合金を添加材として使用した場合では、高融点のSiが十分に溶融せず、SnZn溶湯中にSiが未溶解部分として残存し、良好なSnZnAlSiはんだが得られず、接合強度もバラツキが大きくなる。
未溶解部分のSiを溶融させる為に1500℃以上の温度にまで加熱する事は、Siの過度の蒸発損失を招く。第4の工程後に得られた各はんだの組成を「表2」に示す。
実施例5〜8,比較例7〜9 Conversely, when an AlSi master alloy containing 35% and 50% Si (Comparative Examples 5 to 6) is used as an additive, high melting point Si does not melt sufficiently, and Si does not dissolve in the SnZn melt. It remains as a portion, a good SnZnAlSi solder cannot be obtained, and the bonding strength also varies widely.
Heating to a temperature of 1500 ° C. or more in order to melt the undissolved portion of Si causes excessive evaporation loss of Si. The composition of each solder obtained after the fourth step is shown in “Table 2”.
Examples 5-8, Comparative Examples 7-9
前記実施例1〜4では、SnZnはんだ中のZn量を約9%とした。Zn量を1.3〜90.3%の範囲で調整しながら、「表3」に示す組成を持つSnZnAlSiはんだ材を製造した。なおこの実験では,得られたSnZnAlSiはんだ材中のAl、Si量を、おおよそAlを3〜5ppm、Siを5〜18ppm含ませる事を目標とした。Al、Si量の比率を目標の値に制御するために、別途用意したSnSi合金も使用したが、はんだ中に残存するCuは少量であり特性への影響は少ないため、「表3」の組成表にはCu量は除外して作成してある。
SnZnはんだ中のZn量が3〜50%の場合「表3」(実施例5〜8)、前記評価条件での接合強度は、平均値が評価S〜C、バラツキが評価b〜cとなり製造方法として良好であった。
SnZnAlSnはんだ材中に最終的に残存しているAl量,Si量を前記実施例と同じ、Alを3〜5ppm、Siを5〜18ppm程度含む事を目標とし、各種SnZn組成のはんだ材を製造した。第4の工程後に得られた各はんだの組成を「表3」(実施例5〜8)に示す。
SnZnはんだ中のZn量が1.3%では、接合強度のバラツキ幅が大きいSnZnAlSiはんだとなる(比較例7)。またZn量が60%,90%のSnZnはんだでは、液相線温度の過度の高温度化と接合強度特性の低下を招くため、本願発明の製造方法を適応するはんだ材からは除外する(比較例8〜9)。
これに対して、本発明の製造方法を適用しての、Zn量が3〜50%含むSnZnはんだ材を製造は、接合強度、接合強度のバラツキとも安定した特性を示した「表3」(実施例5〜8)。
実施例9〜10,比較例10〜13 In Examples 1 to 4, the amount of Zn in the SnZn solder was about 9%. While adjusting the Zn content in the range of 1.3 to 90.3%, SnZnAlSi solder materials having the compositions shown in Table 3 were manufactured. In this experiment, the target was to contain Al and Si in the obtained SnZnAlSi solder material at approximately 3 to 5 ppm of Al and 5 to 18 ppm of Si. In order to control the ratio of Al and Si amounts to the target values, a separately prepared SnSi alloy was also used. However, since the amount of Cu remaining in the solder is small and has little influence on the characteristics, the composition shown in Table 3 is used. The table is prepared excluding the Cu amount.
When the amount of Zn in the SnZn solder is 3 to 50%, “Table 3” (Examples 5 to 8), the joint strength under the above evaluation conditions is an average value of evaluation S to C, and variation is evaluated to be b to c. The method was good.
SnZnAlSn Solder materials with various SnZn compositions with the goal of containing Al and Si in the same manner as in the previous examples, and containing 3 to 5 ppm Al and 5 to 18 ppm Si. did. The composition of each solder obtained after the fourth step is shown in “Table 3” (Examples 5 to 8).
When the Zn content in the SnZn solder is 1.3%, a SnZnAlSi solder having a large variation in bonding strength is obtained (Comparative Example 7). Further, SnZn solders with Zn content of 60% and 90% cause excessive increase in liquidus temperature and decrease in joint strength characteristics, and are excluded from solder materials to which the manufacturing method of the present invention is applied (Comparison Examples 8-9).
On the other hand, the production of the SnZn solder material containing 3 to 50% of Zn by applying the production method of the present invention showed stable characteristics in both joint strength and joint strength variation, as shown in “Table 3” ( Examples 5-8).
Examples 9-10, Comparative Examples 10-13
前記実施例5〜8では、SnZnはんだ材中に最終的に残存しているAl量が3〜6ppm,Si量が3〜18ppm程度のはんだ材の製造に対して、接合強度特性に対する影響を調査し良好であったが、本発明の製造方法はSnZnはんだ材中に最終的に残存しているAl量が3〜20ppm,Si量が5〜30ppmに拡大しても有益である「表4」(実施例9〜10)。 In Examples 5 to 8, the influence on the bonding strength characteristics was investigated for the manufacture of solder materials having an Al amount of 3 to 6 ppm and an Si amount of about 3 to 18 ppm finally remaining in the SnZn solder material. However, the manufacturing method of the present invention is beneficial even when the Al content finally remaining in the SnZn solder material is 3 to 20 ppm and the Si content is expanded to 5 to 30 ppm. (Examples 9 to 10).
前記準備した母合金を選択する。製造後のはんだ中のAl量が30ppmでSi量が3〜8ppm(比較例10)の時には、接合強度の平均値は評価W,そのバラツキも大幅に大きく評価dとなっている。
更に、Al量が70、Si量が3〜10ppm(比較例11)の時には、接合強度の平均値は評価Cで良好の範囲であったが、そのバラツキが大幅に大きく評価eとなり、好ましい製造方法とはならない。Al量がSi量に対して大幅に過多で未溶融部分が存在することが原因である。
一方、製造後のはんだ中のAl量が3〜4ppm、Si量が5〜7ppm(実施例9)。Al量が17〜20ppm,Si量が27〜30ppm(実施例10)の時には、接合強度の平均値は評価S〜A,そのバラツキも評価a〜bを示し優れた接合強度特性を示している。未溶融部分が存在が極めて少なく均一なはんだ組織を得る製造方法である。
しかし、製造後のはんだ中のAl量が8〜11ppmで、Si量が68〜75ppm(比較例12)、Al量が13〜15ppmで、Si量が95〜125ppm(比較例13)の時には、Si量が過多であっても、高融点のSiの未溶融部分の存在がみられ、やはり好ましくなく接合強度の低下とそのバラツキ幅を大きくしている。The prepared master alloy is selected. When the amount of Al in the solder after manufacture is 30 ppm and the amount of Si is 3 to 8 ppm (Comparative Example 10), the average value of the bonding strength is evaluated W, and the variation thereof is greatly evaluated d.
Further, when the Al amount is 70 and the Si amount is 3 to 10 ppm (Comparative Example 11), the average value of the bonding strength is in a favorable range in the evaluation C, but the variation is greatly large and becomes an evaluation e. There is no way. This is because the Al amount is significantly larger than the Si amount and there is an unmelted portion.
On the other hand, the amount of Al in the solder after manufacture is 3 to 4 ppm, and the amount of Si is 5 to 7 ppm (Example 9). When the Al amount is 17 to 20 ppm and the Si amount is 27 to 30 ppm (Example 10), the average value of the bonding strength is evaluated S to A, and the variation is also evaluated a to b, indicating excellent bonding strength characteristics. . This is a manufacturing method for obtaining a uniform solder structure with very few unmelted portions.
However, when the Al amount in the manufactured solder is 8 to 11 ppm, the Si amount is 68 to 75 ppm (Comparative Example 12), the Al amount is 13 to 15 ppm, and the Si amount is 95 to 125 ppm (Comparative Example 13), Even if the amount of Si is excessive, the presence of an unmelted portion of high melting point Si is observed, which is also unfavorable, resulting in a decrease in bonding strength and a large variation width.
以上から、本発明の製造方法は、製造後のSnZnはんだ中のSi量を5〜30ppmとし、Al量を3〜20ppm(5ppm≦Si≦30ppm。3ppm≦Al≦20ppm)とするSnZnAlSiはんだ材を製造する製造方法に適応される(実施例9〜10)。この範囲での相対的な接合強度はいずれも20Nを越えバラツキも少ない製造方法となった。
これに対してAl量が30,70ppm(比較例10〜11)およびSi量が68〜75,95〜125ppm(比較例12〜13)では、相対的な接合強度は20Nより低く、バラツキ幅も大きい製造方法となった。各はんだの組成を「表4」に示す。
実施例11〜15,比較例14〜17 From the above, the manufacturing method of the present invention is a SnZnAlSi solder material in which the amount of Si in the manufactured SnZn solder is 5 to 30 ppm and the amount of Al is 3 to 20 ppm (5 ppm ≦ Si ≦ 30 ppm. 3 ppm ≦ Al ≦ 20 ppm). It applies to the manufacturing method to manufacture (Examples 9-10). In this range, the relative bonding strength exceeded 20 N, and the manufacturing method had little variation.
On the other hand, when the Al amount is 30,70 ppm (Comparative Examples 10 to 11) and the Si amount is 68 to 75, 95 to 125 ppm (Comparative Examples 12 to 13), the relative bonding strength is lower than 20 N and the variation width is also large. It became a big manufacturing method. The composition of each solder is shown in “Table 4”.
Examples 11-15, Comparative Examples 14-17
SnZnAlSiはんだ材中に最終的に残存しているAl量を3〜20ppm,Si量を2〜30ppmのはんだ材の製造に対して、接合強度特性に及ぼす(Si/Al)比の影響を調査したが、(Si/Al)比率は0.5〜5倍の範囲(実施例11〜14)に於いて,前記評価条件での接合強度は、平均値が評価S〜B、バラツキが評価b〜cとなり製造方法として良好であった。
しかし、Si/Al比率が0.2倍(比較例14)では、未溶融のAl部分の存在、Si/Al比率が8.4倍(比較例17)では、未溶融のSi部分の存在が認められ、接合強度特性に対すし好ましくない。比較例14では、Si量が100ppmを越え、同じく未溶融のSi部分の存在が認められ、接合強度特性に対すし好ましくない。
その結果を「表5」に示す。The effect of the (Si / Al) ratio on the bonding strength characteristics was investigated for the manufacture of solder materials with an Al content of 3 to 20 ppm and an Si content of 2 to 30 ppm finally remaining in the SnZnAlSi solder material. However, when the (Si / Al) ratio is in the range of 0.5 to 5 times (Examples 11 to 14), the average value of the bonding strength under the evaluation conditions is evaluation S to B, and the variation is evaluation b to It became c and it was favorable as a manufacturing method.
However, when the Si / Al ratio is 0.2 times (Comparative Example 14), there is an unmelted Al portion, and when the Si / Al ratio is 8.4 times (Comparative Example 17), there is an unmelted Si portion. This is not preferable for the bonding strength characteristics. In Comparative Example 14, the amount of Si exceeds 100 ppm, and the presence of an unmelted Si portion is also recognized, which is not preferable for the bonding strength characteristics.
The results are shown in “Table 5”.
以上から、SnZnAlSn中に残存しているAl量とSi量との比率(Si/Al比)が0.5〜5倍の範囲のSnZnAlSiを製造する製造方法として、AlSi母合金を添加材として使用する。
比較例18〜19 From the above, as a manufacturing method for manufacturing SnZnAlSi in which the ratio of the amount of Al remaining in SnZnAlSn to the amount of Si (Si / Al ratio) is in the range of 0.5 to 5 times, an AlSi master alloy is used as an additive. To do.
Comparative Examples 18-19
SnZnAlSiはんだ中の酸素量を3〜50ppmに制御することが必要である。SnZnAlSiはんだ中の酸素量が50ppmを越えた場合では(比較例18)、接合強度が10Nに満たない。3ppm未満(比較例19)では、接合強度上では問題ないが生産性が劣る上ばらつきが見られるため除外する。前記実施例1〜15に示したSnZnAlSiはんだは、3〜50ppmの酸素量である。
実施例16〜17 It is necessary to control the amount of oxygen in the SnZnAlSi solder to 3 to 50 ppm. When the amount of oxygen in the SnZnAlSi solder exceeds 50 ppm (Comparative Example 18), the bonding strength is less than 10N. If it is less than 3 ppm (Comparative Example 19), there is no problem in the bonding strength, but the productivity is inferior and variation is seen, so it is excluded. The SnZnAlSi solder shown in Examples 1 to 15 has an oxygen amount of 3 to 50 ppm.
Examples 16-17
本発明のSnZnAlSiはんだの製造方法の第4工程に於いて、溶融中のSnZnAlSi中に、必要条件を備えた状態の回路基板を浸め、回路基板面の必要箇所にSnZnAlSiはんだを被覆する回路基板の製造方法(実施例16)。および本発明のSnZnAlSiはんだの製造方法の第4工程に於いて、溶融中のSnZnAlSiを、必要条件を備えた状態の回路基板表面の必要箇所にSnZnAlSiはんだを照射または噴霧する回路基板の製造方法(実施例17)などが包含される。 In the fourth step of the manufacturing method of the SnZnAlSi solder of the present invention, the circuit board having the necessary conditions is immersed in the melted SnZnAlSi, and the required circuit board surface is coated with the SnZnAlSi solder. (Example 16). In the fourth step of the method of manufacturing the SnZnAlSi solder of the present invention, a method of manufacturing a circuit board in which SnZnAlSi being melted is irradiated or sprayed with SnZnAlSi solder on a required portion of the surface of the circuit board with the necessary conditions ( Examples 17) and the like are included.
上述したように、本発明の製造方法は、所定条件を持つAlSi母合金をSnZn溶湯に添加する事によって、電子,電気又は機械部品を接合するためのPbを含有しない安全性の高いSnZnAlSiはんだ材を製造する際の製造方法を提供出来る。 As described above, the manufacturing method of the present invention is a highly safe SnZnAlSi solder material that does not contain Pb for joining electronic, electrical, or mechanical parts by adding an AlSi master alloy having a predetermined condition to the molten SnZn. The manufacturing method at the time of manufacturing can be provided.
1 基板 2 被接合物 3 はんだ材
4 リ−ドピン 5 絶縁被服層 6 特殊の引っ張り用治具
7 引っ張りの方向DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 To-be-joined object 3
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