JP2012061491A

JP2012061491A - 鉛フリーはんだ合金

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Publication number: JP2012061491A
Application number: JP2010206889A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hagio; 浩一萩尾; Toshiyuki Moribayashi; 俊之盛林; Kenji Tanaka; 健志田中; Miyabi Tanaka; みやび田中; Shunsuke Fujiwara; 俊介藤原; Tadayasu Tani; 忠泰谷; Junichi Takenaka; 順一竹中
Original assignee: NIPPON GENMA KK
Current assignee: NIPPON GENMA KK
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-29

Abstract

【課題】鉛入りはんだと同等の融点をもつとともに耐衝撃性にも優れる鉛フリーはんだ合金を提供する。
【解決手段】Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金に関する。

従来、回路実装基板へのはんだ接合にはＳｎとＰｂを主成分とする合金が使用されてきた。しかし、人体あるいは環境への配慮からＰｂを含まない成分からなる合金、いわゆる、鉛フリーはんだへの置き換えがなされてきた。一般的に鉛フリーはんだとして使用されてきた合金はＳｎ−Ａｇを主成分とする合金やＳｎ−Ｃｕ、あるいは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕを主成分とするはんだ合金が用いられてきた。これらの合金は比較的柔らかく、回路実装基板へのはんだ接合後に機械的な衝撃が加わった際に、弾性変形あるいは塑性変形することではんだ接合部に加わる応力を吸収し、電気的信頼性を維持することができるという特徴がある。一方で、これらの合金系はＳｎ−Ｐｂはんだと比較して、その融点が20℃〜50℃高いという特徴があった。そのため、はんだ付けをおこなう際にはＳｎ−Ｐｂはんだではんだ付けされていた温度よりも融点の温度差に相当する温度をＳｎ−Ｐｂはんだでのはんだ付け温度に上乗せしてはんだ付けすることが必要である。Ｓｎ−Ｐｂはんだでのはんだ付け温度よりも高くなることにより、Ｓｎ−Ｐｂはんだでのはんだ付けでは使用されていた部品や基板、あるいは工法のうち、はんだ付け温度に耐えることができず、使用することができなくなったものがある。

一方、鉛フリーはんだの候補として考えられてきた合金で、ＳｎとＢｉを主成分とする合金が知られていた（例えば、特許文献１参照）。このＳｎ−Ｂｉ合金は、Ｂｉの成分比率によりＳｎ−Ｐｂ合金と比較して融点が同等あるいはそれ以下であり、耐熱性のない部品や基板を使用できるメリットがある。しかし、Ｓｎ−Ｐｂはんだと同等の融点にするためには、はんだ合金中のＢｉ成分比率を30％程度以上にする必要があった。しかし、このＳｎとＢｉを主成分とするはんだは脆いという特徴があり、機械的衝撃あるいは熱衝撃が加わった際に接合部が破壊しやすいという欠点があった。

特開２０００−１４１０７９号公報

解決しようとする課題は、鉛入りはんだと同等の融点をもつ、ＳｎとＢｉを主成分とする鉛フリーはんだは、耐衝撃性が劣っている点である。

そこで、本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部をＳｎと不可避不純物としたものである。
また、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと不可避不純物としたものである。

また、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物としたものである。
また、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物としたものである。

本発明の鉛フリーはんだ合金によれば、鉛入りはんだと同等の融点をもつとともに耐衝撃性にも優れる。

測定装置を示す斜視図である。測定装置を示す断面正面図である。

本発明の鉛フリーはんだ合金は、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、ペースト状のフラックスと共に本発明の鉛フリー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。

本発明の第１の実施の形態について説明する。この鉛フリーはんだは、Ｂｉを15〜31質量％(すなわち、15質量％以上31質量％以下。本発明に於いて、同様の表記方法とする。)、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部がＳｎと不可避不純物である。Ｂｉの含有量を22〜31質量％とするのが、特に好ましい。

Ｂｉが15質量％未満の場合、他の元素を添加しても融点がＳｎ−Ｐｂはんだと同等にまで下がらない。Ｂｉが31質量％を超える場合、他の元素を添加しても耐衝撃性の改善が見られない。
Ａｇを上記範囲で含むので、はんだ合金融点が低下するとともに、耐衝撃性が向上する。Ａｇが1.0質量％未満の場合、融点がＳｎ−Ｐｂはんだと同等にまで下がらない。Ａｇが3.0質量％を超える場合、融点がＳｎ−Ｐｂはんだ合金よりも高くなる。
Ｃｕを上記範囲で含むので、はんだ合金融点が低下するとともに、耐衝撃性が向上する。Ｃｕが1.1質量％を超える場合、融点がＳｎ−Ｐｂはんだ合金よりも高くなる。
Ｃｏを上記範囲で含むので、はんだ合金融点が低下するとともに、耐衝撃性が向上する。Ｃｏが0.3質量％を超える場合、融点がＳｎ−Ｐｂはんだ合金よりも高くなる。

第２の実施の形態について説明する。この鉛フリーはんだは、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部がＳｎと不可避不純物である。
Ｎｉを上記範囲で含むので、はんだ合金融点が低下するとともに、耐衝撃性が向上する。Ｎｉが0.2質量％を超える場合、融点がＳｎ−Ｐｂはんだ合金よりも高くなる。
その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

第３の実施の形態について説明する。この鉛フリーはんだは、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部がＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物である。
Ｐ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類を含むので、はんだ合金の酸化を防止することができる。すなわち、フローはんだ付けや浸漬はんだ付けに於て、溶融はんだ表面に発生する酸化物が低減する。また、はんだぬれ性が良好である。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

第４の実施の形態について説明する。この鉛フリーはんだは、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部がＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物である。
その他の構成は、第２の実施の形態と同様である。

厚さ1.6mmの銅張積層板１(図１・図２参照)に外径４mm、内径２mm、長さ15mmの銅製管状物２を立て、はんだ合金箔とはんだ鏝を用いて、銅張積層板１と管状物２との接触面にはんだ付けをおこなった。図１・図２に示すように、管状物２が地面Ｇと水平になるように銅張積層板１を立て、地面Ｇと垂直に立てた支柱３に沿わせた。支柱３に35ｇの管状のおもり(ウエイト)４を通し、おもり４が地面Ｇと垂直方向に自由に動くことができるようにした。おもり４を垂直に落下させたときに管状物２の先端５に衝突するように管状物２の位置調節をおこない、管状物２から規定の高さＨにおもり４を持ち上げ、落下させた。ｎ回目の規定の高さＨ_ｎを、Ｈ_ｎ＝{50＋10(ｎ−１)}mmに設定する。例えば、１回目はＨ＝50mm、２回目はＨ＝60mm、３回目はＨ＝70mmに設定する。銅張積層板１と管状物２との接合部(はんだ付けした部分)６が破断し、管状物２が落下するまでの落下回数を測定した。測定結果を表１に示す。

表１から、Ｓｎ−ＢｉはんだのＢｉ成分を適した割合にするとともに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉを適量添加した本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂはんだと同等に低い融点であることを満たすとともに、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだであるにかかわらず、優れた耐衝撃性を発揮している。
なお、比較例２、比較例８、比較例10は、融点が高い。また、比較例３〜比較例７は、接合部６が破断するまでのおもり４の落下回数が極端に少ない(すなわち耐衝撃性が低い)。

以上のように、本発明は、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部をＳｎと不可避不純物としたので、鉛入りはんだと同等に低い融点をもつとともに耐衝撃性にも優れる。
また、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと不可避不純物としたので、鉛入りはんだと同等に低い融点をもつとともに耐衝撃性にも優れる。

また、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物としたので、鉛入りはんだと同等に低い融点をもつとともに耐衝撃性にも優れる。また、はんだ合金の酸化を防止することができる。すなわち、フローはんだ付けや浸漬はんだ付けに於て、溶融はんだ表面に発生する酸化物が低減する。また、はんだぬれ性が良好である。

また、Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物としたので、鉛入りはんだと同等に低い融点をもつとともに耐衝撃性にも優れる。また、はんだ合金の酸化を防止することができる。すなわち、フローはんだ付けや浸漬はんだ付けに於て、溶融はんだ表面に発生する酸化物が低減する。また、はんだぬれ性が良好である。

１銅張積層板
２管状物
３支柱
４おもり（ウエイト）
５先端
６接合部（はんだ付けした部分）
Ｇ地面
Ｈ高さ

Claims

Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部をＳｎと不可避不純物としたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと不可避不純物としたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物としたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Ｂｉを15〜31質量％、Ａｇを1.0〜3.0質量％、Ｃｕを０〜1.1質量％、Ｃｏを０〜0.3質量％、Ｎｉを０〜0.2質量％、含み、残部をＳｎと、はんだ合金の酸化防止元素としてのＰ、Ｇｅ、Ｇａのうち少なくとも一種類と、不可避不純物としたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。