JP2013163207A

JP2013163207A - Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金

Info

Publication number: JP2013163207A
Application number: JP2012027827A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Nishimura; 西村哲郎
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】Ｓｎ-Ｂｉ組成はんだの特性を有し、且つ溶解速度を早くしたボールタイプ及び粉末タイプのＳｎ-Ｂｉ系鉛フリーはんだ合金を提供する。
【解決手段】Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上を添加することにより、当該Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金の凝固過程に於いて、構成成分の一つであるＢｉと添加元素の金属間化合物（ＩＭＣ）を生成させ、当該金属間化合物が核となり、微細なＳｎ及びＢｉの結晶組織を形成させること、そのはんだ構造からなる当該はんだ合金が、従来のＳｎ-Ｂｉ組成からなる鉛フリーはんだ合金に比べ、溶解速度が速まることを可能とした。更に、Ｂｉの配合量を３０重量％以下にすることにより、銅板等からなる母材に電子部品を接合した場合に発生する機械的応力不足による剥離や割れの抑制を可能とした。
【選択図】なし

Description

本発明は、Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とした低温鉛フリーはんだ合金に関する。

電子部品のはんだ付けにおいて、人体や環境に配慮した鉛を含まない鉛フリーはんだが用いられており、はんだ合金の融点により、高温はんだ、低温はんだに分類されている。
低温はんだとしては、Ｓｎ-Ｂｉ共晶はんだ、Ｓｎ-Ｉｎ等が知られており、なかでもＳｎ-Ｂｉ共晶はんだは、延展性が良い低温はんだとして用いられていた。
また、近年、電子部品等の小型化、実装密度の高密度化に伴い、低温はんだの形状もＢＧＡ等のボールタイプやペーストタイプが多く用いられるようになっている。

しかしながら、Ｓｎ-Ｂｉ共晶はんだは、１４０℃以上の温度域に於いて、Ｂｉの粗大化が生じて脆くなることが知られ、改良が検討されており、発明者もＳｂ、Ａｇ、及びＺｎを添加した組成の鉛フリーはんだ合金（特許文献１）を提案している。
また、特許文献２では、Ｓｎ-Ｂｉからなる基本組成にＡｌを添加したはんだ合金が提案されている。

このように、Ｓｎ-Ｂｉ共晶はんだの問題点を改善したはんだ合金が提案されているが、何れのはんだ合金も融点が１８０℃〜２００℃付近となり、Ｓｎ-Ｂｉ共晶はんだに比べて融点がかなり上昇するため、溶融速度が速いタイプのＳｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金が求められていた。

特許第３３４６８４８号公報特開２００１−３４７３９４号公報

本発明の目的は、Ｓｎ-Ｂｉ組成はんだの特性を有し、且つ溶解速度を早くしたボールタイプ及び粉末タイプのＳｎ-Ｂｉ系鉛フリーはんだ合金を提供することである。

本発明の課題を解決すべく発明者は鋭意検討した結果、Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上を添加することにより、当該Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金の凝固過程に於いて、構成成分の一つであるＢｉと添加元素の金属間化合物（ＩＭＣ）を生成させ、当該金属間化合物が核となり、微細なＳｎ及びＢｉの結晶組織を形成させること、そのはんだ構造からなる当該はんだ合金が、従来のＳｎ-Ｂｉ組成からなる鉛フリーはんだ合金に比べ、溶解速度が速まることを見出し、本発明の完成に至った。
即ち、本発明は、Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上を特定量添加することにより、はんだ合金が凝固する過程に於いて、生成する金属間化合物がＳｎ-Ｂｉ組成に積極的に働き、結晶を微細化することを可能にし、その結果として溶解速度が向上したのである。

更に、Ｂｉの配合量を３０重量％以下にすることにより、銅板等からなる母材に電子部品を接合した場合に発生する機械的応力不足による剥離や割れの抑制を可能とした。

本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とし、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上が配合された鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ-Ｂｉ共晶はんだ合金と比較して、機械的応力不足による剥離等の不具合が改善され、また、従来のＳｎ-Ｂｉ組成からなる鉛フリーはんだ合金と比較して、溶融速度が速くなるという効果を有する。

図１は、Ｂｉ−Ｓｎの２成分状態図。図２は、Ｂｉ−Ｎｉの２成分状態図。図３は、Ｂｉ−Ｐｄの２成分状態図。図４は、Ｂｉ−Ｐｔの２成分状態図。図５は、凝固時の結晶粒径状態を示す概念図。

以下に、本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金について詳細に説明する。
本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉの配合量が１０〜６０重量％、残部Ｓｎより構成され、その基本組成に、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上を特定量添加した鉛フリーはんだ合金である。
そして、本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金のＢｉの配合量は、３０重量％以下が更に好ましい。

図１の状態図が示すように、ＳｎとＢｉは、Ｓｎ４３重量％Ｂｉ５７重量％の割合付近で共晶となり、全域に於いて金属間化合物を形成しないため、凝固過程に於いて、粗大な結晶粒子が成長し、合金が形成される。
このように、金属間化合物を形成しないＳｎ-Ｂｉ共晶組成や、ＳｎとＢｉの配合比率を変化させたＳｎ-Ｂｉ組成からなる鉛フリーはんだ合金や、Ｂｉと金属間化合物を形成しない元素、例えば、ＳｂやＰｂを含有したＳｎ-Ｂｉを基本組成とするはんだ合金も同様の状態を示す。
また、このような粗大な結晶粒子が成長することは、はんだ合金の形態をボールタイプや粉末タイプに成型した場合でも同様に起こる。

ところで、金属に於いては、同組成であっても結晶状態が微細になるに従い、溶解を始める温度が低下することは知られている。例えば、同じ金属組成のボールを製造した場合、ボールを製造過程で、急冷工程により製造した場合の結晶粒子は比較的微細な粒径からなるのに対して、製造工程が徐冷の場合は結晶が成長して粗大化した結晶粒子からなることが多く、溶解し始める温度も急冷工程により微細粒子からなるボールの方が低いことが知られている。

本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ-Ｂｉ合金組成に、図２〜図４に示すようにＢｉと金属間化合物を形成する元素を添加することによって、はんだ合金が凝固する過程に於いて、当該添加元素とＢｉが金属間化合物を形成することでＳｎ-Ｂｉ合金組成中に核となるように形成され、核化した金属間化合物が、はんだ合金組成の凝固過程の結晶粒界へ積極的に働き、図５のＡに示す概念図ように、Ｓｎ及びＢｉの結晶粒径を微細化して、本発明のはんだボール並びにはんだ粉末が、微細化された結晶粒径が有することになる。
従って、本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とし、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上を特定量添加した鉛フリーはんだ合金は、図５のＢに示す概念図ような状態の従来のＳｎ-Ｂｉ組成からなるはんだ合金の結晶構造に比べ微細になるため、溶融速度が速くなる。

そして、本発明のＳｎ-Ｂｉを基本とする鉛フリーはんだ合金組成により製造されたはんだボール並びにはんだ粉末を用いたはんだペーストは、はんだ接合時に、Ｓｎ-Ｂｉ組成からなる鉛フリーはんだ合金と比較して、溶解開始温度が低く、溶解速度が速くなるのである。

本発明Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に添加されるＮｉの配合量は、本発明の効果を有する範囲に於いて制限はないが、２重量％を超えて配合すると、はんだ合金の融点が上昇するため、２重量％以下が好ましい。

本発明Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に添加されるＰｄの配合量は、本発明の効果を有する範囲に於いて制限はないが、２重量％を超えて配合すると、はんだ合金の融点が上昇するため、２重量％以下が好ましい。

本発明Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に添加されるＰｔの配合量は、本発明の効果を有する範囲に於いて制限はないが、２重量％を超えて配合すると、はんだ合金の融点が上昇するため、２重量％以下が好ましい。

本発明Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いて、ボールタイプや粉末タイプに加工する場合、本発明の効果を有する範囲に於いて、加工方法に制限はなく、ボールタイプの場合、アトマイズ法や滴下法が例示でき、粉末タイプの場合は、ディスクアトマイズ法やガスアトマイズ法が例示できる。

本発明Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金の粉末を用いたはんだペーストは、本発明の効果を有する範囲に於いて、はんだペーストを構成する組成に特に制限はなく、従来の鉛フリーはんだペーストに用いられるフラックス組成を用いることも可能である。

本発明Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に添加されるＮｉ、Ｐｄ、及びＰｔ以外の元素に関して、本発明の効果を有する範囲に於いて、元素の種類、配合量共に任意に可能である。

１Ａ本発明のＳｎ-Ｂｉを基本とする鉛フリーはんだ合金の結晶概念
１Ｂ従来のＳｎ-Ｂｉ共晶組成の鉛フリーはんだ合金の結晶概念
２本発明のＳｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に形成された金属間化合物の結晶概念

Claims

Ｓｎ-Ｂｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔから選択される１種又は２種以上を配合したことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Ｂｉの配合量が１０重量％乃至３０重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ合金。
Ｂｉの配合量が１０重量％乃至３０重量％であることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ合金。
Ｎｉ、Ｐｄ、及びＰｔの配合量が２重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の鉛フリーはんだ合金。
はんだ形状がボール又は粉末であることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の鉛フリーはんだ合金。
請求項５記載のはんだ粉末を配合したはんだペースト。