JP2825001B2 - 低融点はんだ - Google Patents
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- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
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- H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
- B23K35/262—Sn as the principal constituent
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Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、印刷回路基板の低温のはんだ付け及び修理
に適するはんだの組成に関するものである。
に適するはんだの組成に関するものである。
本発明は、具体的にはスズからなる低融点はんだの組
成中に、二元系スズ−銅共融点組成以下の量の銅をドー
ピングしたはんだに関するものである。この新しいはん
だは、はんだファウンテンや他の従来のはんだ付け技術
を用いてはんだ付けされる材料に応用できる。この新し
いはんだは、他の銅を含むはんだと比べて低い融点を有
するので、従来使用されてきた銅を含むはんだでははん
だ付けできなかった材料を、破壊せずにはんだ付けする
ことができる。
成中に、二元系スズ−銅共融点組成以下の量の銅をドー
ピングしたはんだに関するものである。この新しいはん
だは、はんだファウンテンや他の従来のはんだ付け技術
を用いてはんだ付けされる材料に応用できる。この新し
いはんだは、他の銅を含むはんだと比べて低い融点を有
するので、従来使用されてきた銅を含むはんだでははん
だ付けできなかった材料を、破壊せずにはんだ付けする
ことができる。
さらに具体的には、本発明は、印刷回路基板又はカー
ドの組み立て及び修正の使用に適した、銅をドーピング
した低融点はんだの組成に関する。
ドの組み立て及び修正の使用に適した、銅をドーピング
した低融点はんだの組成に関する。
B.従来の技術 様々な組成のはんだについて従来から報告されてい
る。元素及び比率の選択によって、特定の応用に適する
多くのはんだが発明されてきた。例えば、カーボン及び
半導体になじませて接合させるためのはんだ（米国特許
第4512950号参照）、酸化物の形成を防止するためのは
んだ（米国特許第4654275号参照）、引張り強さを向上
させるためのはんだ（米国特許第4588657号参照）、は
んだアルミニウムを軟化させるためのはんだ（米国特許
第4070192号参照）、半導体を金属に接合させるための
はんだ（米国特許第4357162号参照）、振動を用いて酸
化物の表面を接合させるはんだ（米国特許第4106930号
参照）、無鉛飲料水用管継手をはんだ付けするはんだ
（米国特許第4695428号参照）、及び宝石類の変色抵抗
を改善するはんだ（米国特許第3650735号参照）等があ
る。
る。元素及び比率の選択によって、特定の応用に適する
多くのはんだが発明されてきた。例えば、カーボン及び
半導体になじませて接合させるためのはんだ（米国特許
第4512950号参照）、酸化物の形成を防止するためのは
んだ（米国特許第4654275号参照）、引張り強さを向上
させるためのはんだ（米国特許第4588657号参照）、は
んだアルミニウムを軟化させるためのはんだ（米国特許
第4070192号参照）、半導体を金属に接合させるための
はんだ（米国特許第4357162号参照）、振動を用いて酸
化物の表面を接合させるはんだ（米国特許第4106930号
参照）、無鉛飲料水用管継手をはんだ付けするはんだ
（米国特許第4695428号参照）、及び宝石類の変色抵抗
を改善するはんだ（米国特許第3650735号参照）等があ
る。
しかし本発明が解決しようとする問題は、これらと全
く異なる。即ち、本発明は、スルーホール接続壁面の銅
コーティングをはんだに融解させることによって、組立
て及び印刷回路装置内のスルーホール接続の修正を行な
う方法を示すものではない。本明細書で用いられる修正
とは、はんだ付け部においてリフロはんだ付けすること
である。本発明は、全く新しいはんだの組成を提供す
る。これによれば、スルーホール又は、ブラインド・バ
イア周りの銅の融解を阻止し、市販の銅を含むはんだで
可能とされていた低い温度よりもさらに低い温度ではん
だ付けできる。従って、組立て及び印刷回路基板のスル
ーホールの周り及びその中のはんだ接合欠陥の繰り返し
修正を可能にする。同時に、積層基板の層はがれ、局部
の機械的ひずみ及びはんだ接合の劣化等の高温度修正に
関連する別の問題並びに取り付けたデバイスの臨界温度
を超える問題をも解決できる。
く異なる。即ち、本発明は、スルーホール接続壁面の銅
コーティングをはんだに融解させることによって、組立
て及び印刷回路装置内のスルーホール接続の修正を行な
う方法を示すものではない。本明細書で用いられる修正
とは、はんだ付け部においてリフロはんだ付けすること
である。本発明は、全く新しいはんだの組成を提供す
る。これによれば、スルーホール又は、ブラインド・バ
イア周りの銅の融解を阻止し、市販の銅を含むはんだで
可能とされていた低い温度よりもさらに低い温度ではん
だ付けできる。従って、組立て及び印刷回路基板のスル
ーホールの周り及びその中のはんだ接合欠陥の繰り返し
修正を可能にする。同時に、積層基板の層はがれ、局部
の機械的ひずみ及びはんだ接合の劣化等の高温度修正に
関連する別の問題並びに取り付けたデバイスの臨界温度
を超える問題をも解決できる。
米国特許第2671844号では、いくらかの銅をスズ−鉛
のはんだに添加することで、はんだに融解しやすい銅部
分に形成された電気的はんだ付け部分の摩耗は遅くなる
ということが確認されている。はんだに銅を３％添加す
ると、25％だけ銅部分融解速度が遅くなった。そして５
％添加すると、はんだ合金に銅を添加しない時の速度の
わずか10％にまで遅くなった。銅を添加したはんだのは
んだ付け温度に関する効果な記述されていないし、この
技術は非反応性及び非接触はんだ付け方法の出現によっ
て、時代遅れとなった。この米国特許第2671844号で
は、スズ及び銅の共晶をはんだ合金中に形成する必要性
を記載している。この共晶は、スズ99％及び銅１％から
なる（２段、30〜37行参照）。さらに、この二元系スズ
−銅共晶を形成するためには、はんだ中の銅がいかなる
量であっても十分であることを記述している。たとえ
ば、50％鉛/50％スズのはんだ中で、はんだの全重量の
0.5％の量の銅を添加する。
のはんだに添加することで、はんだに融解しやすい銅部
分に形成された電気的はんだ付け部分の摩耗は遅くなる
ということが確認されている。はんだに銅を３％添加す
ると、25％だけ銅部分融解速度が遅くなった。そして５
％添加すると、はんだ合金に銅を添加しない時の速度の
わずか10％にまで遅くなった。銅を添加したはんだのは
んだ付け温度に関する効果な記述されていないし、この
技術は非反応性及び非接触はんだ付け方法の出現によっ
て、時代遅れとなった。この米国特許第2671844号で
は、スズ及び銅の共晶をはんだ合金中に形成する必要性
を記載している。この共晶は、スズ99％及び銅１％から
なる（２段、30〜37行参照）。さらに、この二元系スズ
−銅共晶を形成するためには、はんだ中の銅がいかなる
量であっても十分であることを記述している。たとえ
ば、50％鉛/50％スズのはんだ中で、はんだの全重量の
0.5％の量の銅を添加する。
米国特許第4622205号では、操作温度範囲50℃ないし9
0℃で電流を流す間に、鉛／スズの中にある量の銅を含
むはんだは、はんだ付け部及び銅導電体の間での電子の
移動を減少させることによって銅導電体の寿命を延長さ
せた。電子の移動に関して、はんだ中のCu3Sn及び極微
量のCu6Sn5の金属間化合粒子の不均一な分布が問題とな
った。この問題を解決するために、スズとともに金属間
化合の合金を形成する元素、例えば銅を添加した。銅の
量は、はんだの少なくとも約0.5％ないし約10％以下で
あり、粒界の拡散を遅くさせるためには3.5重量％の銅
が好ましく、これによって電子の移動及び熱移動を抑制
させた。
0℃で電流を流す間に、鉛／スズの中にある量の銅を含
むはんだは、はんだ付け部及び銅導電体の間での電子の
移動を減少させることによって銅導電体の寿命を延長さ
せた。電子の移動に関して、はんだ中のCu3Sn及び極微
量のCu6Sn5の金属間化合粒子の不均一な分布が問題とな
った。この問題を解決するために、スズとともに金属間
化合の合金を形成する元素、例えば銅を添加した。銅の
量は、はんだの少なくとも約0.5％ないし約10％以下で
あり、粒界の拡散を遅くさせるためには3.5重量％の銅
が好ましく、これによって電子の移動及び熱移動を抑制
させた。
銅を含むはんだは、約1964年ごとから一般市場で入手
できるようになり、McGraw−Hill Book社の「はんだ及
びはんだ付け（Solders and Soldering）」pp.65〜66の
発表データも入手できるようなった。しかし、この文献
は市販されている銅を含むはんだの特定組成を示さず
に、量は“多い”という記述のみである。
できるようになり、McGraw−Hill Book社の「はんだ及
びはんだ付け（Solders and Soldering）」pp.65〜66の
発表データも入手できるようなった。しかし、この文献
は市販されている銅を含むはんだの特定組成を示さず
に、量は“多い”という記述のみである。
市販されているSavbit 1 alloyと呼ばれる制品は、Mu
lticore of Westburs,NY,社から入手でき、銅は約1.5重
量％ないし約2.0重量％からなる。これは、静的手作業
はんだ付けの応用における銅はんだ付けの寿命を延長さ
せるために用いられてきた。この製品のデータによれ
ば、印刷回路基板及びカードの組み立て及び修正に要求
される温度範囲よりも高い272℃〜294℃の温度を推奨し
ている。
lticore of Westburs,NY,社から入手でき、銅は約1.5重
量％ないし約2.0重量％からなる。これは、静的手作業
はんだ付けの応用における銅はんだ付けの寿命を延長さ
せるために用いられてきた。この製品のデータによれ
ば、印刷回路基板及びカードの組み立て及び修正に要求
される温度範囲よりも高い272℃〜294℃の温度を推奨し
ている。
銅をはんだに添加することによる別の問題として、凝
固時間の延長及び架橋、コールドはんだ後続、こぶ状め
っき、その他の様々な欠陥の形成がある。
固時間の延長及び架橋、コールドはんだ後続、こぶ状め
っき、その他の様々な欠陥の形成がある。
C.発明が解決しようとする課題 本発明は、はんだの機械的特性及びはんだ付け性を劣
化させずに銅表面にはんだ付けし、修正することを目的
とする。
化させずに銅表面にはんだ付けし、修正することを目的
とする。
さらに本発明は、銅表面が接しているデバイスの機械
的特性の劣化をふせぐために、十分に低い温度で銅表面
にはんだ付けし、修正することを目的とする。
的特性の劣化をふせぐために、十分に低い温度で銅表面
にはんだ付けし、修正することを目的とする。
さらに本発明は、低いはんだ付け温度における銅表面
へのはんだ付けに適する、銅を含むはんだを提供するこ
とを目的とする。
へのはんだ付けに適する、銅を含むはんだを提供するこ
とを目的とする。
さらに本発明は、はんだへの銅の融解を抑えながら銅
めっきしたスルーホール内ではんだ付けし、修正するこ
とを目的とする。
めっきしたスルーホール内ではんだ付けし、修正するこ
とを目的とする。
さらに本発明は、はんだ付けの組み立て及び修正にお
いて銅表面へはんだ付けするのに適する、銅を含む、は
んだを提供することを目的とする。
いて銅表面へはんだ付けするのに適する、銅を含む、は
んだを提供することを目的とする。
D.課題を解決するための手段 二元系スズ−銅共融点組成以下となるような量である
がゼロではない量の銅をドーピングしたはんだの組成
は、組み立て及び修正の際に、銅をドーピングしたはん
だの中へスルーホールの壁面から融解する銅の量を著し
く減少させることができ、しかもはんだ付け性を劣化さ
せず、はんだ付け温度を高くする必要もない。多層回路
基板の完成品の剥離や他の温度に関する劣化をさけて、
良好の疲れ特性を与えるような低い温度ではんだ付けで
きる銅を含むスズはんだ内で前記のような効果がある。
米国金属協会（American Society for Metals）による
金属組織学、構造及び相図（Metallography、Structure
s and Phase Diagrams）のP299に定義されるように、二
元系スズ−銅共融点組成以下とは、98.1重量％スズ/1.9
重量％銅以下の量の銅を含むものとして定義される。
がゼロではない量の銅をドーピングしたはんだの組成
は、組み立て及び修正の際に、銅をドーピングしたはん
だの中へスルーホールの壁面から融解する銅の量を著し
く減少させることができ、しかもはんだ付け性を劣化さ
せず、はんだ付け温度を高くする必要もない。多層回路
基板の完成品の剥離や他の温度に関する劣化をさけて、
良好の疲れ特性を与えるような低い温度ではんだ付けで
きる銅を含むスズはんだ内で前記のような効果がある。
米国金属協会（American Society for Metals）による
金属組織学、構造及び相図（Metallography、Structure
s and Phase Diagrams）のP299に定義されるように、二
元系スズ−銅共融点組成以下とは、98.1重量％スズ/1.9
重量％銅以下の量の銅を含むものとして定義される。
E.実施例 ファウンテン・プロセスを用いた印刷回路基板への素
子の組み立て及び分解、又は修正は、従来スルーホール
を用いて印刷回路基板へ素子やコネクタを連結させるチ
ムニを通して、液化したはんだをくみ上げることによっ
て、実行されている。また、ウェーブはんだ付け方法や
はんだ付けペンも使用できる。
子の組み立て及び分解、又は修正は、従来スルーホール
を用いて印刷回路基板へ素子やコネクタを連結させるチ
ムニを通して、液化したはんだをくみ上げることによっ
て、実行されている。また、ウェーブはんだ付け方法や
はんだ付けペンも使用できる。
回路基板のスルーホールの壁面を銅でおおうことで、
回路機構の少なくとも２つのレベル間を電気的に接続す
る。スルーホールの中にピンを差し込み、はんだ付けす
ることによって素子を回路基板に取り付けることができ
る。ピンとホールの整合ミスや位置決めのミス又は素子
の故障が原因となって、欠陥のある素子やはんだ付けし
たピン接続部を一部取りはずし、再び整合し、かつ再び
取り付ける必要が生じることがある。この手順を、修正
と呼ぶ。この修正を行なうたびに、基板を修正箇所にお
いて局部的に加熱することになる。はんだの組成を決定
する要因は、はんだを液化させ修正に用いるために要求
される温度である。この温度は一般的には、はんだの組
成の液相線温度より約50℃高くする。はんだを流す量は
最小にし、はんだ付けを行なう領域から流れ出るのでは
なく、むしろとどまる程度にする。はんだ付け時間もや
はり最小にする。温度、はんだ付け時間及び流量を最小
とすることは、導電性スルーホールの壁面からはんだに
銅が融解することを最小限に抑制する効果がある。
回路機構の少なくとも２つのレベル間を電気的に接続す
る。スルーホールの中にピンを差し込み、はんだ付けす
ることによって素子を回路基板に取り付けることができ
る。ピンとホールの整合ミスや位置決めのミス又は素子
の故障が原因となって、欠陥のある素子やはんだ付けし
たピン接続部を一部取りはずし、再び整合し、かつ再び
取り付ける必要が生じることがある。この手順を、修正
と呼ぶ。この修正を行なうたびに、基板を修正箇所にお
いて局部的に加熱することになる。はんだの組成を決定
する要因は、はんだを液化させ修正に用いるために要求
される温度である。この温度は一般的には、はんだの組
成の液相線温度より約50℃高くする。はんだを流す量は
最小にし、はんだ付けを行なう領域から流れ出るのでは
なく、むしろとどまる程度にする。はんだ付け時間もや
はり最小にする。温度、はんだ付け時間及び流量を最小
とすることは、導電性スルーホールの壁面からはんだに
銅が融解することを最小限に抑制する効果がある。
63重量％のスズ/37重量％の鉛からなる高温の共融点
を有するはんだが従来使用されている。これは、183℃
において液化する。しかし、印刷回路基板及びカードの
集積密度が上がるにつれて、印刷回路基板を修正する必
要がでてきた。高温度のはんだ付けを繰り返すことによ
って、積層されている有機樹脂の劣化が起こり、素子の
修正箇所において剥離や破壊を引き起こす可能性があ
る。また、高温度（約183℃＋約50℃）のはんだ付けを
繰り返すにつれて、スルーホールの壁面から融解する銅
の量が多くなり、Cu3Sn及びCu6Sn5の斜方晶系の金属間
化合がはんだ合金内に形成される。
を有するはんだが従来使用されている。これは、183℃
において液化する。しかし、印刷回路基板及びカードの
集積密度が上がるにつれて、印刷回路基板を修正する必
要がでてきた。高温度のはんだ付けを繰り返すことによ
って、積層されている有機樹脂の劣化が起こり、素子の
修正箇所において剥離や破壊を引き起こす可能性があ
る。また、高温度（約183℃＋約50℃）のはんだ付けを
繰り返すにつれて、スルーホールの壁面から融解する銅
の量が多くなり、Cu3Sn及びCu6Sn5の斜方晶系の金属間
化合がはんだ合金内に形成される。
また、素子の集積密度が上がると、回路基板の熱負荷
又は放熱を上げる必要もでてくる。装置の放熱能力の向
上及びその他の改善が要求されるような高集積素子にお
いては、それだけ印刷回路基板装置の修正に必要なはん
だ合金接触時間が長くなることを意味し、これによって
スルーホール壁面からはんだ中への銅流出の問題が発生
することとなり、本発明の必要性も高まる。
又は放熱を上げる必要もでてくる。装置の放熱能力の向
上及びその他の改善が要求されるような高集積素子にお
いては、それだけ印刷回路基板装置の修正に必要なはん
だ合金接触時間が長くなることを意味し、これによって
スルーホール壁面からはんだ中への銅流出の問題が発生
することとなり、本発明の必要性も高まる。
ある基準組成範囲内で選択的にインジウムを加えた鉛
及びスズからなるはんだにおいて、銅をドーピングした
はんだは、印刷回路基板及びカードにはんだ付けされた
スルーホール及びブラインド・バイアの組み立て及び複
数回の非破壊低温修正を行なうのに有効であることが発
見された。以下に示す範囲内のはんだ組成が本目的に有
効であろう。
及びスズからなるはんだにおいて、銅をドーピングした
はんだは、印刷回路基板及びカードにはんだ付けされた
スルーホール及びブラインド・バイアの組み立て及び複
数回の非破壊低温修正を行なうのに有効であることが発
見された。以下に示す範囲内のはんだ組成が本目的に有
効であろう。
スズ：約53重量％ないし約55重量％ 鉛：約25重量％ないし約27重量％ インジウム：約18重量％ないし約22重量％ 銅：極微量より多く、約0.50重量％まで。
特定の場合には、二元系スズ−銅共融点以下になるよ
うに選択される量。
うに選択される量。
極微量とは、およそ0.02重量％位である。
具体的には、以下の基準組成が有効であることが見出
された。
された。
スズ:54重量％ 鉛:26重量％ インジウム:20重量％ 銅：二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
極微量より多い量。
極微量より多い量。
さらに、以下の基準組成も有効であることが見出され
た。
た。
スズ:63重量％ 鉛:37重量％ 銅：二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
極微量より多い量。
極微量より多い量。
さらに、以下の組成が有効であろう。
スズ:99重量％ 鉛：極微量より多く、約1.0重量％まで。特定の場合に
は、二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
量。
は、二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
量。
さらに、以下の組成が有効であろう。
スズ:50重量％ 鉛:50重量％ 鉛：極微量より多く、約0.5重量％まで、特定の場合に
は、二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
量。
は、二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
量。
例えば、54スズ/26鉛/20インジウムの低温融解はんだ
を用いてはんだ付けし、修正は行なわない銅めっきスル
ーホール１を形成する。そして、これと全く同じ組成の
はんだを用いてはんだ付けし、４回修正を行なった後の
銅めっきスルーホール２を形成する。さらに、上記組成
と同じ基準組成ではあるが、0.14重量％の銅をドーピン
グしているはんだを用いてはんだ付けし、４回修正を行
なった後の銅めっきスルーホール３を形成する。４回修
正を行なった後の銅めっきスルーホール２は、修正しな
かった銅めっきスルーホール１と比べて、銅めっき層が
明らかに不連続であり、電気的につながっていなかっ
た。一方、銅をドーピングしたはんだを用いた場合、４
回修正を行なった後でも銅めっき層は電気的に連続して
いることが、銅めっきスルーホール３において観察され
た。
を用いてはんだ付けし、修正は行なわない銅めっきスル
ーホール１を形成する。そして、これと全く同じ組成の
はんだを用いてはんだ付けし、４回修正を行なった後の
銅めっきスルーホール２を形成する。さらに、上記組成
と同じ基準組成ではあるが、0.14重量％の銅をドーピン
グしているはんだを用いてはんだ付けし、４回修正を行
なった後の銅めっきスルーホール３を形成する。４回修
正を行なった後の銅めっきスルーホール２は、修正しな
かった銅めっきスルーホール１と比べて、銅めっき層が
明らかに不連続であり、電気的につながっていなかっ
た。一方、銅をドーピングしたはんだを用いた場合、４
回修正を行なった後でも銅めっき層は電気的に連続して
いることが、銅めっきスルーホール３において観察され
た。
この結果は、およそ8500個のスルーホールについては
んだ付けし、修正し、観察することによって得られた。
んだ付けし、修正し、観察することによって得られた。
従来の銅をドーピングしない鉛／スズのはんだを用い
てはんだ付けし４回修正を行なうと、銅めっきスルーホ
ールの壁面には銅が全く残らなかった。
てはんだ付けし４回修正を行なうと、銅めっきスルーホ
ールの壁面には銅が全く残らなかった。
表１は、はんだの組成を重量％で示した表である。は
んだ付け性、銅融解性及び疲れ強さのデータを後出の図
に統計的に示すために、これらのサンプルを試験した。
はんだは基本的には63スズ/37鉛の重量％であり、そこ
に銅のドーパントを0.13重量％ないし1.52重量％の範囲
で加える。
んだ付け性、銅融解性及び疲れ強さのデータを後出の図
に統計的に示すために、これらのサンプルを試験した。
はんだは基本的には63スズ/37鉛の重量％であり、そこ
に銅のドーパントを0.13重量％ないし1.52重量％の範囲
で加える。
表２は、第１図に規定される標準はんだ球の広がり試
験に、表１にあげたはんだ組成をかけて評価した時の結
果を示している。
験に、表１にあげたはんだ組成をかけて評価した時の結
果を示している。
銅をドーピングした二元系をはんだのはんだ付け性／
湿潤性に関して「可」から「最優」の評価で分類した。
このはんだ組成の範囲内では、銅ドーパントが低濃度で
あると非常に良い湿潤性を示すが、高濃度であってもそ
れほど悪くはなかった。要するに、すべての試験された
サンプルの組成は満足できる結果であった。1.52重量％
以上の銅ドーパント量であると、湿潤性は悪くなり、二
元系スズ−銅共融点量より高くなると次第に悪くなって
いくことが予想できる。加えて、二元系スズ−銅共融点
量より高くなる銅のドーパントの量であると、はんだの
粒子が大きくなることも予想できる。金属技術（Metals
Technology）1975年２月号のpp73〜85にある「スズ−
鉛はんだの湿潤特性」（“Wetting Properties of Tin
−Lead Solders"Ackroydらによる）は、銅等の様々なド
ーパントがスズ−鉛のはんだの湿潤性に悪影響を及ぼす
ことを記述している。
湿潤性に関して「可」から「最優」の評価で分類した。
このはんだ組成の範囲内では、銅ドーパントが低濃度で
あると非常に良い湿潤性を示すが、高濃度であってもそ
れほど悪くはなかった。要するに、すべての試験された
サンプルの組成は満足できる結果であった。1.52重量％
以上の銅ドーパント量であると、湿潤性は悪くなり、二
元系スズ−銅共融点量より高くなると次第に悪くなって
いくことが予想できる。加えて、二元系スズ−銅共融点
量より高くなる銅のドーパントの量であると、はんだの
粒子が大きくなることも予想できる。金属技術（Metals
Technology）1975年２月号のpp73〜85にある「スズ−
鉛はんだの湿潤特性」（“Wetting Properties of Tin
−Lead Solders"Ackroydらによる）は、銅等の様々なド
ーパントがスズ−鉛のはんだの湿潤性に悪影響を及ぼす
ことを記述している。
第２図は、銅をはんだに接触させた時、表１に示した
様々なはんだ組成へ融解する銅の量を、75秒までの時間
経過とともに示した図である。データは以下の方法によ
って得られた。幅10″（25.4cm）長さ15″（38.1cm）の
金属箔上におよそ0.8mil（2.032×10-3cm）の厚さの銅
を電気めっきすることによって、試験媒質を準備した。
試験媒質を幅１″（2.54cm）長さ1/2″（1.27cm）の試
験片に分けた。蛍光Ｘ線を用いて初期非破壊測定を行な
った。SFTから市販されていSFT/157蛍光Ｘ線コーティン
グ厚さ標準を用いて銅コーティングの厚さを測定した。
±１μin（2.54×10-5cm）の分解能で±150μin（3.81
×10-3cm）のサンプル標準厚さがある。はんだはすべて
約250℃に保持された。メニスコグラフ湿潤バランスに
よって静止液体はんだの中へ10mmの深さまで試験片を沈
め、15秒間、30秒間、45秒間、60秒間及び75秒間経過さ
せた。金属組織を切断することによって最終測定を行な
った。初期測定値から最終測定値を差し引き、銅の融解
量を決定した。各時間間隔に対してこれらの値を平均
し、「銅融解量対時間」のグラフにプロットした。第２
図のデータから、試験範囲内でははんだ中の銅の重量％
が多くなる程、スルーホールの壁面からの銅融解量は少
なくなることが明らかである。これらの結果に基づい
て、もしはんだ中の銅の量が二元系スズ−銅共融点より
も多く含まれても、はんだ中への銅融解量減少はほんの
少量であることが予想できる。従って、二元系スズ−銅
共融点以上の銅含有はんだ組成として銅の融解速度を改
善しても、銅融解量の減少への貢献は少なく、はんだ付
けの温度を高くする必要性が生ずるという欠点が発生す
ることとなる。第３図は、表１に示される様々な組成の
はんだの疲れ試験の結果を示す図である。金属ハンドブ
ック（米国金属学会:American Society for Metals）P2
8−34に記載されるASTM＃466軸疲れ試験（Axial Fetigu
e Testing）の手法を用いて、試験サンプルを調整しデ
ータを得た。故障サイクル数を以下の方法で決定した。
銅線を、片端のバーの直径と比べてよりせまい直径を有
する中央領域のどちらかの片端の疲れバーにはんだ付け
した。ASTMの手法と適合する周波数及び振幅の可変疲労
試験機に、バーを装填した。チャート記録器は、はんだ
に室温で疲れサイクルを加え、時間経過に対する抵抗
を、グラフに記録した。電気的抵抗の10％の増加は80％
ないし90％のはんだの破損に相当し、これを故障と定義
した。概して言えば、0.13重量％ないし0.47重量％の少
量の銅からなるはんだは故障までのサイクル数が最も多
く、よく耐えることができるが、0.82重量％ないし1.52
重量％の多量の銅からなるはんだは故障までのサイクル
数が1/3程少ないことが図からかわる。従って、二元系
スズ−銅共融点より高くなる位の銅の量を含むはんだ組
成は、疲れに対する耐性は低い。
様々なはんだ組成へ融解する銅の量を、75秒までの時間
経過とともに示した図である。データは以下の方法によ
って得られた。幅10″（25.4cm）長さ15″（38.1cm）の
金属箔上におよそ0.8mil（2.032×10-3cm）の厚さの銅
を電気めっきすることによって、試験媒質を準備した。
試験媒質を幅１″（2.54cm）長さ1/2″（1.27cm）の試
験片に分けた。蛍光Ｘ線を用いて初期非破壊測定を行な
った。SFTから市販されていSFT/157蛍光Ｘ線コーティン
グ厚さ標準を用いて銅コーティングの厚さを測定した。
±１μin（2.54×10-5cm）の分解能で±150μin（3.81
×10-3cm）のサンプル標準厚さがある。はんだはすべて
約250℃に保持された。メニスコグラフ湿潤バランスに
よって静止液体はんだの中へ10mmの深さまで試験片を沈
め、15秒間、30秒間、45秒間、60秒間及び75秒間経過さ
せた。金属組織を切断することによって最終測定を行な
った。初期測定値から最終測定値を差し引き、銅の融解
量を決定した。各時間間隔に対してこれらの値を平均
し、「銅融解量対時間」のグラフにプロットした。第２
図のデータから、試験範囲内でははんだ中の銅の重量％
が多くなる程、スルーホールの壁面からの銅融解量は少
なくなることが明らかである。これらの結果に基づい
て、もしはんだ中の銅の量が二元系スズ−銅共融点より
も多く含まれても、はんだ中への銅融解量減少はほんの
少量であることが予想できる。従って、二元系スズ−銅
共融点以上の銅含有はんだ組成として銅の融解速度を改
善しても、銅融解量の減少への貢献は少なく、はんだ付
けの温度を高くする必要性が生ずるという欠点が発生す
ることとなる。第３図は、表１に示される様々な組成の
はんだの疲れ試験の結果を示す図である。金属ハンドブ
ック（米国金属学会:American Society for Metals）P2
8−34に記載されるASTM＃466軸疲れ試験（Axial Fetigu
e Testing）の手法を用いて、試験サンプルを調整しデ
ータを得た。故障サイクル数を以下の方法で決定した。
銅線を、片端のバーの直径と比べてよりせまい直径を有
する中央領域のどちらかの片端の疲れバーにはんだ付け
した。ASTMの手法と適合する周波数及び振幅の可変疲労
試験機に、バーを装填した。チャート記録器は、はんだ
に室温で疲れサイクルを加え、時間経過に対する抵抗
を、グラフに記録した。電気的抵抗の10％の増加は80％
ないし90％のはんだの破損に相当し、これを故障と定義
した。概して言えば、0.13重量％ないし0.47重量％の少
量の銅からなるはんだは故障までのサイクル数が最も多
く、よく耐えることができるが、0.82重量％ないし1.52
重量％の多量の銅からなるはんだは故障までのサイクル
数が1/3程少ないことが図からかわる。従って、二元系
スズ−銅共融点より高くなる位の銅の量を含むはんだ組
成は、疲れに対する耐性は低い。
第４図はスルーホールの壁面から融解した銅の量を厚
さで示す図である。スルーホール壁面は、二元系スズ−
銅共融点以下になるような0.10重量％ないし0.20重量％
の量の銅をドーピングした三元系はんだに接していた。
三元系はんだの基準組成は、重量％の比で54スズ/26鉛/
20インジウム及び銅のドーパントであった。さらに図
は、銅をドーピングしていないはんだ（図中の左端）と
比較し、これに融解した銅の量を示している。データは
以下の方法で得られた。金属組織の断面観察によって、
何もないカード上で初期測定を行なった。最悪のケース
を想定したハードウェア生産試験を表わすために、４つ
のカード生産技術及び８つの異なる素子を準備し、各素
子を、各カード生産技術に要求される最大量のはんだフ
ァウンテンで修正した。はんだを、約204℃に保持し
た。はんだ接触時間は各素子で基本的に同じ時間とし、
異なる型の素子の場合は若干変化させたが、合計で約20
0秒までの接触時間とした。モジュールの位置及びモジ
ュールに隣接するめっきスルーホール内で金属組織の断
面観察で、最終測定（修正の最高回数後）を行なった。
すべての点のデータを平均して各モジュールの位置の値
とし、さらにそのデータを平均して各モジュール形式の
値とした。平均最終測定値を平均初期測定値から引き、
銅融解の平均量を決定した。すべての素子を用いてこれ
らの値を求め、平均して各はんだ中の銅の量ごとの値を
出した。そしてその値を「銅融解量対はんだ中の銅の量
（重量％）」のグラフにプロットした。初期状態、銅を
ドーピングしていないはんだの４回修正後及び0.14重量
％銅をドーピングしたはんだの顕微鏡写真によって、銅
のドーピングの利点が示された。前述の二元系はんだと
同様に三元系はんだにおいても、銅の融解量は銅ドーパ
ントの増加とともに急激に減り、試験された限界の0.20
重量％まで減り続けた。
さで示す図である。スルーホール壁面は、二元系スズ−
銅共融点以下になるような0.10重量％ないし0.20重量％
の量の銅をドーピングした三元系はんだに接していた。
三元系はんだの基準組成は、重量％の比で54スズ/26鉛/
20インジウム及び銅のドーパントであった。さらに図
は、銅をドーピングしていないはんだ（図中の左端）と
比較し、これに融解した銅の量を示している。データは
以下の方法で得られた。金属組織の断面観察によって、
何もないカード上で初期測定を行なった。最悪のケース
を想定したハードウェア生産試験を表わすために、４つ
のカード生産技術及び８つの異なる素子を準備し、各素
子を、各カード生産技術に要求される最大量のはんだフ
ァウンテンで修正した。はんだを、約204℃に保持し
た。はんだ接触時間は各素子で基本的に同じ時間とし、
異なる型の素子の場合は若干変化させたが、合計で約20
0秒までの接触時間とした。モジュールの位置及びモジ
ュールに隣接するめっきスルーホール内で金属組織の断
面観察で、最終測定（修正の最高回数後）を行なった。
すべての点のデータを平均して各モジュールの位置の値
とし、さらにそのデータを平均して各モジュール形式の
値とした。平均最終測定値を平均初期測定値から引き、
銅融解の平均量を決定した。すべての素子を用いてこれ
らの値を求め、平均して各はんだ中の銅の量ごとの値を
出した。そしてその値を「銅融解量対はんだ中の銅の量
（重量％）」のグラフにプロットした。初期状態、銅を
ドーピングしていないはんだの４回修正後及び0.14重量
％銅をドーピングしたはんだの顕微鏡写真によって、銅
のドーピングの利点が示された。前述の二元系はんだと
同様に三元系はんだにおいても、銅の融解量は銅ドーパ
ントの増加とともに急激に減り、試験された限界の0.20
重量％まで減り続けた。
要するに、二元系スズ−銅共融点以下になるように選
択されるはんだの組成は、以下の理由により、はんだ付
け並びに銅及び銅クラッド材の修正に望ましい。
択されるはんだの組成は、以下の理由により、はんだ付
け並びに銅及び銅クラッド材の修正に望ましい。
（ａ）二元系スズ−銅共融点より高くなるようなはんだ
組成に要求されるはんだ付け温度よりも、低いはんだ付
け温度での組み立て及び修正に使用できる。
組成に要求されるはんだ付け温度よりも、低いはんだ付
け温度での組み立て及び修正に使用できる。
（ｂ）二元系スズ−銅共融点より高くなるようなはんだ
組成と比べて、改善された疲れ状態を示す。
組成と比べて、改善された疲れ状態を示す。
（ｃ）二元系スズ−銅共融点より高くなるような多量の
銅を含むはんだと比べて、遅い速度で加工品から銅が融
解する。
銅を含むはんだと比べて、遅い速度で加工品から銅が融
解する。
（ｄ）二元系スズ−銅共融点より高くなるようなはんだ
を超える改善されたはんだ付け性を示す。
を超える改善されたはんだ付け性を示す。
本発明の組成は、銅をコーディングした回路基板のは
んだ付け及び修正に有効であり、しかも銅からなり、低
温はんだ付けが望まれ、必要とされるどのような材料の
はんだ付けにも適用できることは、当業者には明らかで
あろう。
んだ付け及び修正に有効であり、しかも銅からなり、低
温はんだ付けが望まれ、必要とされるどのような材料の
はんだ付けにも適用できることは、当業者には明らかで
あろう。
F.発明の効果 本発明の二元系スズ−銅共融点組成以下となるような
量であるが、ゼロではない量の銅をドーピングしたはん
だは、組み立て及び修正の際に、はんだ中へスルーホー
ルの壁面から融解する銅の量を著しく減少させることが
でき、しかもはんだ付け性を劣化させず、はんだ付け温
度を高くする必要もない。さらに多層回路基板の完成品
の剥離や他の温度に関する劣化をさけて、良好の疲れ特
性を与える低い温度ではんだ付けすることを可能とし
た。
量であるが、ゼロではない量の銅をドーピングしたはん
だは、組み立て及び修正の際に、はんだ中へスルーホー
ルの壁面から融解する銅の量を著しく減少させることが
でき、しかもはんだ付け性を劣化させず、はんだ付け温
度を高くする必要もない。さらに多層回路基板の完成品
の剥離や他の温度に関する劣化をさけて、良好の疲れ特
性を与える低い温度ではんだ付けすることを可能とし
た。
第１図は、標準はんだ球の広がり試験を示す図、及びそ
の測定した結果を評価するための基準を示す図、第２図
は、表１にあげた様々な組成のはんだに融解した銅の量
と時間との関係を示す図、第３図は、表１にあげた様々
な組成のはんだと疲れに起因する故障までのサイクル数
との関係を示す図、第４図は、基準組成54重量％スズ/2
6鉛/20インジウムの三元系はんだへ異なる量の銅をドー
ピングした場合の、銅量とスルーホールの壁面からの銅
の融解量の関係を示す図である。
の測定した結果を評価するための基準を示す図、第２図
は、表１にあげた様々な組成のはんだに融解した銅の量
と時間との関係を示す図、第３図は、表１にあげた様々
な組成のはんだと疲れに起因する故障までのサイクル数
との関係を示す図、第４図は、基準組成54重量％スズ/2
6鉛/20インジウムの三元系はんだへ異なる量の銅をドー
ピングした場合の、銅量とスルーホールの壁面からの銅
の融解量の関係を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−54056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−21882（ＪＰ，Ａ) 特公 昭40−25885（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭38−21882（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 35/26 C22C 13/00
Claims (1)
- 【請求項１】53乃至55重量％のスズと、25乃至27重量％
の鉛と、18乃至22重量％のインジウムを主成分とする低
融点はんだであって、銅を0.12乃至0.2重量％ドープし
たもの。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/359,315 US5011658A (en) | 1989-05-31 | 1989-05-31 | Copper doped low melt solder for component assembly and rework |
| US359315 | 1989-05-31 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0318497A JPH0318497A (ja) | 1991-01-28 |
| JP2825001B2 true JP2825001B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=23413297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2140166A Expired - Fee Related JP2825001B2 (ja) | 1989-05-31 | 1990-05-31 | 低融点はんだ |
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| EP (1) | EP0400363B1 (ja) |
| JP (1) | JP2825001B2 (ja) |
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| AU (1) | AU617615B2 (ja) |
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| DE (1) | DE69017516T2 (ja) |
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| HK (1) | HK203696A (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| CN107845698A (zh) * | 2016-09-19 | 2018-03-27 | 无锡市斯威克科技有限公司 | 高效预涂锡反光焊带 |
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1990
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