JP2013163207A - Sn−Bi系はんだ合金 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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 (6)
- 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。
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