JP6344541B1

JP6344541B1 - Ｆｅ食われ防止用はんだ合金、やに入りはんだ、線はんだ、やに入り線はんだ、フラックス被覆はんだ、およびはんだ継手

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Publication number: JP6344541B1
Application number: JP2018511177A
Authority: JP
Inventors: 基泰鬼塚; 陽子倉澤; 俊策吉川; 岳齋藤
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: JPWO2019035197A1; CN109673149A; PH12018501147A1; WO2019035197A1; PH12018501147B1; CN116174992A

Abstract

鏝先の長寿命化のために、鏝先食われを抑制し、且つ、炭化物の鏝先への付着が抑制されたＦｅ食われ防止用はんだ合金、やに入りはんだ、線はんだ、やに入り線はんだ、フラックス被覆はんだ、およびはんだ継手を提供する。質量％でＡｇ：０．２〜４．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｃｏ：０．０１〜０．０４％、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％、Ｆｅ：０．００７〜０．０１５％、残部がＳｎからなる合金組成を有し、炭化物の鏝先への付着が抑制されたＦｅ食われ防止用として使用される。

Description

本発明は、鏝先食われ及びフラックスの炭化を抑制することができるＦｅ食われ防止用はんだ合金、やに入りはんだ、線はんだ、やに入り線はんだ、フラックス被覆はんだ、およびはんだ継手に関する。

プリント基板等の端子の接続には、主にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金が使用されている。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は、フローソルダリング、リフローソルダリング、はんだ鏝を使用したはんだ付けなどの種々の工法に用いられている。

はんだ鏝を使用したはんだ付けとしては、マニュアルソルダリングのような手作業のはんだ付けが挙げられる。近年では、はんだ鏝を使用したはんだ付けの自動化が進み、はんだ付けはコテロボットにより自動で行われている。

はんだ鏝は、発熱体と鏝先で構成されており、発熱体の熱を鏝先へ伝導して鏝先を加熱する。発熱体の熱が効率的に鏝先へ伝導するようにするため、鏝先の芯材には良好な熱伝導性を有するＣｕが用いられている。しかし、Ｃｕに直接はんだが接触すると、Ｃｕがはんだ合金中のＳｎにより食われてしまい、鏝先形状が変形してはんだ鏝としての使用が困難になる。そこで、Ｓｎによる鏝先食われを抑制するため、鏝先にはＦｅ及びＦｅ合金メッキによる被覆が施されている。

このように、鏝先の寿命を延ばす観点から、鏝先にはＦｅ及びＦｅ合金メッキによる被覆が施されているが、はんだ付けの自動化によりはんだ付けの回数が増加するにつれて、鏝先表面の被覆に食われが発生するようになってきた。Ｆｅ及びＦｅ合金の食われが発生する原因は、はんだ合金中のＳｎとＦｅとが相互拡散により合金化し、これが溶融はんだ中のＳｎに溶解し易くなるためである。このため、はんだ鏝側の対応では限界があり、Ｆｅ食われの発生が抑制されるようなはんだ合金が検討されている。

特許文献１では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金にＣｏを０．１質量％以上添加した合金が提案されている。Ｆｅをはんだ合金に添加すると、その含有量が微量であってもＳｎ−Ｆｅ合金が形成されてしまうため、特許文献１に記載の発明は、Ｆｅと同じ第８族に属するＣｏを０．１質量％以上添加することによって、はんだ合金中へのＦｅの拡散が抑制され、Ｆｅ食われを防止することができる。

特許第４５７７８８８号公報

上記のように、特許文献１に記載のはんだ合金はＣｏを０．１質量％以上含有するため、Ｃｏがはんだ合金中に分散してＦｅのはんだ合金中への拡散を抑制することから、鏝先の寿命を延ばすことができる。

しかし、鏝先の寿命が延びるにつれて、新たな問題が発生することがわかった。ＣｏはＦｅ食われを抑制するものの炭素と反応しやすい性質も有する。このため、数千回のはんだ付けを行うと、鏝先に炭化物が付着する問題が表面化してきた。

また、はんだ鏝を使用したはんだ付けでは、端子表面の酸化膜を破壊してはんだを濡れ易くするため、通常ロジンを基材とするフラックスが用いられており、はんだ付けの際には、はんだとともにロジンも加熱される。この時に、はんだ合金中のＣｏは、ロジンの炭素及び酸素と反応して多量の炭化物を生成し、鏝先に炭化物を付着させる。炭化物はＣｏとの化学反応により鏝先に付着しているため、エアークリーニングをしても鏝先から除去され難い。したがって、使用頻度が増加するにつれて炭化物の付着面積が増加し、最終的にはんだ付けが困難になってしまう。

本発明の課題は、鏝先の長寿命化のために鏝先食われを抑制し、且つ炭化物の鏝先への付着が抑制されたＦｅ食われ防止用はんだ合金、やに入りはんだ、線はんだ、やに入り線はんだ、フラックス被覆はんだ、およびはんだ継手を提供することである。

本発明者らは、特許文献１に記載の合金組成において、Ｃｏ含有量の低減により炭化物が鏝先に付着する量が低減したが、Ｃｏ含有量の低減にともないＦｅ食われが徐々に発生し始めた。そこで、本発明者らは、鏝先のＦｅ食われの防止と炭化物の鏝先への付着抑制との両立を図るため、Ｃｏ含有量を低減した合金組成において、Ｆｅ食われを抑制するために検討を行った。

Ｃｏ含有量を低減しつつＦｅ食われを抑制するためには、同族の遷移金属であるＮｉを添加することが考えられる。ＮｉはＳｎとの化合物を形成するためにはんだ合金の融点が上昇してしまうが、Ｃｏ含有量の低減を補う程度にＮｉを微量添加すれば、Ｎｉの多量添加による上記問題が発生し難い。ただ、Ｎｉを微量添加しただけでは十分なＦｅ食われ抑制効果を発揮することができない。

そこで、本発明者らは、Ｓｎにほとんど固溶せずＳｎとの化合物を形成するために、従来では添加が避けられていたＦｅを微量添加した結果、偶然にも、Ｆｅ食われが抑制するとともに炭化物の鏝先への付着も抑制する知見が得られた。

また、上記検討によって、Ｃｏの多量添加に加えてＦｅの多量添加によっても、Ｃｏと同様にロジンの炭素及び酸素と反応して多量の炭化物を生成するため、炭化が促進される知見も得られた。

これらに加えて、上記合金組成中のＡｇ含有量を増加させると、はんだ合金の濡れ性が飛躍的に向上する知見が得られた。

これらの知見により得られた本発明は次の通りである。
（１）質量％でＡｇ：０．２〜４．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｃｏ：０．０１〜０．０４％、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％、Ｆｅ：０．００７〜０．０１５％、残部がＳｎからなる合金組成を有することを特徴とする、炭化物の鏝先への付着が抑制されたＦｅ食われ防止用はんだ合金。

（２）Ａｇ：２．３〜４％を含有する、上記（１）に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金。

（３）上記（１）または上記（２）に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有するやに入りはんだ。

（４）上記（１）または上記（２）に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有する線はんだ。

（５）上記（１）または上記（２）に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有するやに入り線はんだ。

（６）はんだの表面がフラックスで被覆されている、上記（１）〜上記（５）のいずれか１項に記載のフラックス被覆はんだ。

（７）上記（１）または上記（２）に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有するはんだ継手。

本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。

１．合金組成
（１）Ａｇ：０．２〜４．０％以下
Ａｇは、はんだ合金の濡れ性を向上させることができる元素である。Ａｇは、０．２％以上含有すると濡れ性が顕著に向上する。また、Ａｇ含有量が０．２％以上であると、上記効果に加えてはんだ合金の溶融温度を低下させるため、はんだ鏝の設定温度を下げることができ、これに加えてＦｅ食われの発生をも抑制することができる。Ａｇ含有量の下限は、好ましくは１．０％以上であり、特に好ましくは２．３％以上である。一方、Ａｇ含有量が４．０％を超えると、ＳｎＡｇの粗大な化合物が晶出し、はんだ付け作業を行う際、ブリッジ等の欠陥の原因になる。Ａｇ含有量の上限は４．０％以下であり、好ましくは３．５％以下である。

（２）Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、電極の材質がＣｕである場合に電極の食われを抑制することができる元素である。Ｃｕが上記効果を発揮するためには、Ｃｕ含有量の下限は０．１％以上であり、好ましくは０．３％以上であり、より好ましくは０．５％以上である。一方、Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、はんだ付けの作業温度（２４０℃〜４５０℃）の温度域にはんだ鏝温度を設定することができず、はんだ付けを行う電子部品の熱的損傷を与えてしまう。Ｃｕ含有量の上限は１．０％以下であり、好ましくは０．７％以下である。

（３）Ｃｏ：０．０１〜０．０４％以下
Ｃｏは、Ｆｅ食われを抑制する元素である。Ｃｏが上記効果を発揮するためには、Ｃｏ含有量の下限は０．０１％以上であり、好ましくは０．０２０％以上であり、より好ましくは０．０２５％以上である。一方、Ｃｏ含有量が０．０４％を超えると、ロジンの炭素及び酸素と反応して多量の炭化物を生成するために炭化が促進してしまう。Ｃｏ含有量の上限は０．０４％以下であり、好ましくは０．０３５％以下である。

（４）Ｎｉ：０．０２５〜０．１％以下
Ｎｉは、Ｆｅに対する食われを抑制することができる元素である。また、Ｎｉは、上記効果に加えて、はんだ合金の耐疲労性を改善することができる。これらの効果を十分に発揮するため、Ｎｉ含有量の下限は０．０２５％以上であり、好ましくは０．０３５％である。また、Ｎｉ含有量が０．１％を超えると、Ｓｎとの化合物が形成されてはんだ合金の融点が上昇し、はんだ付けの作業温度（２４０℃〜４５０℃）の温度域にはんだ鏝温度を設定することができず、はんだ付けを行う電子部品の熱的損傷を与えてしまう。Ｎｉ含有量の上限は０．１％以下であり、好ましくは０．７％以下であり、より好ましくは０．５％以下である。

（５）Ｆｅ：０．００７〜０．０１５％
Ｆｅは、はんだ合金中へのＦｅの溶出を抑制し、はんだ鏝の鏝先を被覆するＦｅ合金の食われを防止するために有効な元素である。Ｆｅ含有量が０．００７％未満であるとこれらの効果を十分に発揮することができない。Ｆｅ含有量の下限は、０．００７％以上であり、好ましくは０．００９％以上であり、より好ましくは０．０１０％以上である。一方、Ｆｅ含有量が０．０１５％を超えると、炭化の発生が促進して鏝先に炭化物が多量に付着する。また、はんだ合金の溶融温度が高くなり過ぎてしまい、はんだ鏝の設定温度を上げなければならず、はんだ付けを行う電子部品の耐熱温度等の観点から好ましくない。Ｆｅ含有量の上限は０．０１５％以下であり、好ましくは０．０１３％以下であり、より好ましくは０．０１１％以下である。

（６）残部：Ｓｎ
本発明に係るはんだ合金の残部はＳｎである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。また、後述するように、本発明では含有しない元素が不可避的不純物として含有されても前述の効果に影響することはない。

２．はんだ合金の溶融温度
本発明に係るはんだ合金は、溶融温度が３５０℃以下であることが望ましい。これは、はんだ鏝によるはんだ付けの際、鏝先温度は通常３５０〜４５０℃に加熱されるためである。

３．やに入りはんだ、線はんだ、やに入り線はんだ、フラックス被覆はんだ
本発明に係るはんだ合金は、予めはんだ中にフラックスを有するやに入りはんだに好適に用いられる。また、鏝にはんだを供給する観点から、線はんだの形態で用いることもできる。さらには、線はんだにフラックスが封止されているやに入り線はんだに適用することもできる。さらに、それぞれのはんだの表面にフラックスが被覆されていてもよい。これに加えて、はんだ中にフラックスを有さないはんだの表面にフラックスが被覆されていてもよい。

はんだ中のフラックス含有量は、例えば１〜１０質量％であり、フラックス中のロジン含有量は７０〜９５％である。一般に、ロジンは有機化合物であり炭素や酸素を含有することから、本発明では末端の官能基などに限定されることがない。

４．はんだ継手
また、本発明における「はんだ継手」とは電極の接続部をいい、本発明に係るはんだ合金で接続部が形成される。また、電極の材質としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌが挙げられ、Ｃｕ電極にＮｉ／Ａｕメッキが施された電極であってもよい。

表１に示すはんだ合金を作製した。これらのはんだ合金はいずれも溶融温度が３５０℃以下であることを確認した。このはんだ合金を用いてやに入りはんだを形成し、Ｆｅ食われと炭化について評価を行った。評価した結果を表１に示す。
＜Ｆｅ食われ＞
自動はんだ付け装置（ＪＡＰＡＮＵＮＩＸ（登録商標）社製、ＵＮＩＸ（登録商標）−４１３Ｓ）を用いて、鏝先の温度は３８０℃とし、はんだ送りスピードは１０ｍｍ／秒とし、はんだ送り量は１ショットで１５ｍｍとして大気中ではんだ付けを行い、１０ショット毎に１回、鏝先にエアークリーニングを行いながら、鏝先のＦｅ食われを評価した。使用した鏝は、ＪＡＰＡＮＵＮＩＸ（登録商標）社製の型番がＰ２Ｄ−Ｒであり、鏝の芯であるＣｕの表面に膜厚が５００μｍのＦｅメッキが施されている。また、やに入りはんだは、はんだ中のフラックス含有量が３質量％であり、フラックス中のロジン含有量が９０％のものを用いた。

Ｆｅ食われの評価方法は、２５０００ショット時に、鏝先のＦｅメッキに穴が開き、芯材のＣｕが露出した状態を「×」とし、穴が開いていない状態を「○」とした。
＜炭化＞
自動はんだ付け装置（ＪＡＰＡＮＵＮＩＸ（登録商標）社製、ＵＮＩＸ（登録商標）−４１３Ｓ）を用いて、鏝先の温度は３８０℃とし、はんだ送りスピードを１０ｍｍ／秒とし、はんだ送り量は１ショットで１５ｍｍとしてはんだ付けを行い、１０ショット毎に１回エアークリーニングを行いながら、鏝先の炭化を評価した。使用したやに入りはんだはＦｅ食われの評価で用いたものである。

炭化の評価方法は、５０００ショット時に、鏝先のＦｅメッキ部分に炭化物が付着していない状態を「○○」とした。３０００ショット時に、鏝先のＦｅメッキ部分に炭化物が付着していない状態を「○」とした。３０００ショット時に、鏝先のＦｅメッキ部分に炭化物が付着した状態を「×」とした。鏝先のＦｅメッキ部分に炭化物が付着すると、はんだとの接触面積が小さくなり、はんだ付け性が悪くなる。
＜ゼロクロスタイム＞
メニスコグラフによるはんだぬれ性試験方法により、それぞれゼロクロスタイムを測定した。試験条件はＪＩＳＺ３１９７に基づく。

温度：融点＋３５±３℃
フラックス：千住金属工業株式会社製ＲＭＡ０２
浸漬深さ：２ｍｍ、浸漬速度：２０ｍｍ/ｓｅｃ
浸漬時間：１０ｓｅｃ
供給材の外形寸法：３０×１０×０．３ｍｍ
材質：Ｃｕ
１．０秒未満を「○○」、１．０秒以上１．３秒未満を「○」、１．３秒以上を「×」とした。

表１に示すように、実施例１〜２３では、いずれも、鏝先食われの評価が○であり、Ｆｅ食われの評価が○であり、炭化の評価が○○もしくは○であり、ゼロクロスタイム評価もが○○もしくは○であった。特に、Ａｇ含有量が２．３％以上である実施例１〜１３では、良好な濡れ性を示した。

一方、比較例１および比較例３はＣｏ含有量が多いために炭化が×であった。このため、Ｆｅ食われの評価を行わなかった。

比較例２および比較例４はＮｉおよびＦｅを含有しないためにＦｅ食われが×であった。

比較例５はＡｇを含有しないために濡れ性が×であった。
比較例６はＦｅ含有量が多いために炭化が×であった。

本発明に係るはんだ合金は、特に、はんだ鏝によるはんだ付けを数千回以上行う場合に適している。コテロボットによるはんだ付けを行う場合には、はんだ付け回数が直ぐに数千回に達するため、はんだ鏝の寿命が延びたことによって生じるロジンの炭化を抑制することが可能である。

比較例７は、Ｆｅ含有量が多いために炭化が×であった。
比較例８は、Ｃｏ含有量が多いために炭化が×であった。

比較例９は、Ｆｅを含有しないためにＦｅ食われが×であった。

Claims

質量％でＡｇ：０．２〜４．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｃｏ：０．０１〜０．０４％、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％、Ｆｅ：０．００７〜０．０１５％、残部がＳｎからなる合金組成を有することを特徴とする、炭化物の鏝先への付着が抑制されたＦｅ食われ防止用はんだ合金。
Ａｇ：２．３〜４％を含有する、請求項１に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金。
請求項１または２に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有するやに入りはんだ。
請求項１または２に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有する線はんだ。
請求項１または２に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有するやに入り線はんだ。
はんだの表面がフラックスで被覆されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフラックス被覆はんだ。
請求項１または２に記載のＦｅ食われ防止用はんだ合金を有するはんだ継手。