JP2011251310A

JP2011251310A - 鉛フリーはんだ合金

Info

Publication number: JP2011251310A
Application number: JP2010126452A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hagio; 浩一萩尾; Toshiyuki Moribayashi; 俊之盛林; Tadayasu Tani; 忠泰谷; Junichi Takenaka; 順一竹中
Original assignee: NIPPON GENMA KK
Current assignee: NIPPON GENMA KK
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】光沢の良さを失わずに、部品接合信頼性を向上させた鉛フリーはんだ合金を提供する。
【解決手段】Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、残部をＳｎとした。
【選択図】なし

Description

本発明は鉛フリーはんだ合金に関する。

これまで、はんだ接合後にはんだ接合部光沢の良い鉛フリーはんだとしてＳｎ−Ｃｕはんだが知られていた（例えば特許文献１参照）。Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは、はんだ付け表面光沢が一定であることから、はんだ付け状態を検査する装置を用いた品質検査では、誤認識が少ないという利点があった。また、Ｓｎ−ＣｕはんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだと比較すると、Ａｇをはんだ合金中に含んでいないため、材料にかかる費用が低く抑えられ、その活用が期待されていた。
しかし、Ｓｎ−Ｃｕはんだは合金強度が弱く、フローはんだ付け後に熱サイクル試験を実施するとはんだ接合部にクラックが入り、接合部強度が十分でない場合があった。

これまで、はんだ合金の接合強度を向上させるためには、はんだ合金中にＡｇを添加する手段が取られていた。しかし、Ａｇを合金中に添加して接合強度を十分に向上するには１質量％程度あるいはそれ以上添加する必要があった。Ｓｎ−ＣｕはんだにＡｇを１％程度添加するとはんだ表面が白く曇り、Ｓｎ−Ｃｕはんだの特性を損なってしまうというデメリットがあった。
また、はんだ合金にＢｉを添加することによって、はんだ合金の引張強度が向上することが知られていた。しかし、はんだ合金にＢｉを添加した場合、はんだ合金に柔軟性がなくなり、部品接続部が小さいと外力に耐えることができず、接続部にクラックが入ってしまい、対策としては十分ではなかった。

特許第４４３２９４６号公報

このように従来の鉛フリーはんだは、接合部強度が不足し、又は、はんだ表面が白く曇り光沢が悪いという問題があった。
そこで、本発明は、光沢の良さを失わずに、部品接合信頼性を向上させた鉛フリーはんだ合金を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、残部をＳｎとしたものである。
また、Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、Ｎｉ０〜0.5 質量％、Ｆｅ０〜0.5 質量％、Ｃｏ０〜0.5 質量％、Ａｇ０〜1.0 質量％、残部をＳｎとしたものである。
あるいは、酸化防止元素として、Ｐ，Ｇｅ，Ｇａの内の少なくとも一つを添加したものである。

本発明によれば、はんだ付け温度を低く保つことができ、さらに、光沢が損なわれず、はんだ接合部の引張強度が高く、部品接合信頼性を向上させることができる。

本発明に係るはんだ合金は、Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、残部をＳｎとした合金である。
あるいは、Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、Ｎｉ０〜0.5 質量％、Ｆｅ０〜0.5 質量％、Ｃｏ０〜0.5 質量％、Ａｇ０〜1.0 質量％、残部をＳｎとした合金である。

Ｃｕを添加することによって、はんだ合金の融点を低下させ、部品実装時のはんだ付け温度を下げることができる。はんだ温度を下げることで、実装基板や部品が溶融はんだから受ける熱ダメージを軽減させることができる。一方、Ｃｕを1.5 質量％を越えると、はんだ合金の融点が上昇してしまい、基板や部品の耐熱性が保たれる温度でのはんだ付けができなくなってしまう。

Ｂｉを0.1 〜1.0 質量％添加する効果としては、はんだ合金の引張強度を向上させる。実装後の温度変化などにより、実装部品の接合部に熱応力が発生するが、そのことに対して耐性を向上させる。Ｂｉの添加量が0.1 質量％未満では、はんだ合金の耐性の向上効果がなく、1.0 質量％を越えて添加するとはんだ合金の柔軟性が失われ、やはり繰り返し熱応力が加わった際には、はんだ接合部が小さい場合には破壊しやすくなってしまう。

Ｓｂを0.05〜0.25質量％添加する効果としては、はんだ合金の変形耐性を向上させながら柔軟性を維持させる。Ｓｂ0.05質量％未満の添加量ではＢｉ添加による柔軟性の低下を防ぐことができない。また、Ｓｂ0.25質量％を越すと、Ｂｉの場合と同様、はんだ合金の柔軟性が失われ、はんだ接合部が小さい場合には、はんだ接続部が破壊しやすくなってしまう。

本発明のはんだ合金は、Ｓｎ基鉛フリーはんだ合金であり、フローはんだ付けや手などによる浸漬はんだ付け、線状にしたはんだの中心にフラックスを入れたやに入りはんだ、あるいは、ペースト状のフラックスと共に本発明のはんだ合金を粉末状に加工したものを混ぜ合わせたはんだペーストとして、使用する。
フローはんだ付けもしくは浸漬はんだ付けにおいては、溶融はんだ表面に発生する酸化物を低減させるために、もしくは、はんだぬれ性を向上させるために、上述した各はんだ合金に（酸化防止元素としての）Ｐ，Ｇｅ，Ｇａを添加しても良い。

また、はんだ付け時に基板Ｃｕ箔のＣｕ成分がはんだ合金中に溶解し電気回路が断線してしまうのを防止するために、上述した各はんだに、Ｎｉを0.5 質量％以下で添加してもよい。0.5 質量％を越えるとはんだ融点が上昇し、作業性に問題を生ずる。
また、はんだ線を用いたこてはんだ付け方法に於て、こて先がはんだ合金中に溶解してしまうことを防止すべく、Ｆｅを0.5 質量％以下、及び／又は、Ｃｏを0.5 質量％を添加しても良い。いずれも、上限値を越すと、はんだ融点が上昇し、はんだ付け作業性に問題を生ずる。

表１に示す組成の本発明の実施例のはんだ合金、及び、比較例のはんだ合金を用意した。
紙フェノール基板に10ピンナイロンコネクタ（中央８本のピンを抜いたもの）を挿入し、手はんだによるはんだ付けを行った。はんだ付け後、片方の接合部にＳｎ−３Ａｇ−0.5 Ｃｕはんだをはんだ鏝を用いてはんだを追加補強した。この試験片を熱衝撃試験器に投入し、−40℃と＋85℃の大気雰囲気に30分ずつ曝した。−40℃と＋85℃を１回ずつ曝したものを１サイクルとし、 100サイクル曝した後に、Ｓｎ−３Ａｇ−0.5 Ｃｕはんだで補強していない側のはんだ表面を観察した。はんだ表面にクラックが入っているものを×とし、はんだ表面にクラックが入らず、皺もしくは合金の変形のみの場合を○とした。

表１から判るように、Ｓｎ−ＣｕはんだにＢｉ，Ｓｂ両方の元素を適量添加することによって、熱変化による繰り返し応力に対する部品はんだ接合部の接合信頼性を向上させることができる。

Claims

Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、残部をＳｎとしたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Ｃｕ０〜 1.5 質量％、Ｂｉ0.1 〜1.0 質量％、Ｓｂ0.05〜0.25質量％、Ｎｉ０〜0.5 質量％、Ｆｅ０〜0.5 質量％、Ｃｏ０〜0.5 質量％、Ａｇ０〜1.0 質量％、残部をＳｎとしたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
酸化防止元素として、Ｐ，Ｇｅ，Ｇａの内の少なくとも一つを添加した請求項１又は２記載の鉛フリーはんだ合金。