JP3815865B2 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含まず、しかも溶融温度の高い高温の鉛フリーはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレビ、ビデオ、コンピューター、複写機等の電子機器は、故障したり性能が悪くなったりした場合には、修理してもそれ以上に性能が向上するわけでなく、また修理費も高価なことから、ユーザーは修理するよりも新しく購入した方が性能的にも経済的にも得策であると考えている。そのため完全に故障したものは勿論、まだ使用できる電子機器でも捨てられている状況である。
【０００３】
捨てられた電子機器は、ケースやプリント基板が樹脂であり、またフレームやブラケット、配線などが金属であるため、焼却処分ができず、ほとんどが海岸や山間の埋立地に埋められている。
【０００４】
ところで、近年ガソリンや重油のような石化燃料が非常に多く使用されてきていることから、大気中には硫黄酸化物が大量に放出されるようになってきた。このように硫黄酸化物が多い大気中に雨が降ると、雨は大気中の硫黄酸化物で酸性雨となり、それが地中に染み込むようになる。地中に染み込んだ酸性雨は、地中に埋められた電子機器のはんだ付け部を濡らし、はんだ中の鉛を溶解する。そして鉛を溶解した酸性雨は、さらに地中に浸透して地下水となる。
【０００５】
このように鉛は地下水を汚染する等の環境問題となっている。そのため、電子機器業界からは、鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ合金」の出現が強く望まれるようになってきた。
【０００６】
鉛フリーはんだ合金とは、Ｓｎを主成分とし、これにＡｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等を添加したものであり、Ｓｎとこれらの金属から成る二元の鉛フリーはんだ合金としては次のようなものがある。（ ）内は溶融温度である。
【０００７】
Ｓｎ−３．５Ａｇ（２２１℃）、Ｓｎ−４Ｓｂ（２３５〜２４０℃）、Ｓｎ−５Ｃｕ（２２７〜３７５℃）、Ｓｎ−２Ｉｎ（２２８〜２２９℃）、Ｓｎ−４０Ｂｉ（１３８〜１７０℃）
【０００８】
ところで、はんだの種類としては、低温はんだ、普通はんだ、高温はんだがある。この種類分けの定義は明確となっていないが、一般に低温はんだとは液相線温度と固相線温度がＳｎ−Ｐｂの共晶温度である１８３℃よりも低いもの、普通はんだとはＳｎ−Ｐｂはんだ合金のうちＳｎが５０〜６５重量％のもの、そして高温はんだとは固相線温度が２００℃以上で液相線温度が４５０℃以下のものとなっている。
【０００９】
低温はんだは、温度ヒューズやはんだの二度付け等に用いられる。温度ヒューズは、電子機器に過大電流が通過するときに自ら発熱して溶断することにより、過大電流による電子機器の損傷を防ぐものである。またはんだの二度付けとは、両面実装基板の片面にはんだ付け後、さらにもう片面にはんだ付けを行うもので、このとき先に付けたはんだが溶融しないように後から付けるはんだは融点の低い低温はんだを用いる。
【００１０】
普通はんだはプリント基板と電子部品のはんだ付けに用いられるもので、ここに用いられるはんだの多くは、Ｓｎ−Ｐｂ合金のうち、最も融点の低い６３Ｓｎ−Ｐｂの共晶合金である。共晶合金は融点が低いばかりでなく、はんだ付け性も優れているため、作業性、信頼性に富むはんだ合金である。
【００１１】
高温はんだは、はんだ付け後にはんだ付け部が高温雰囲気に曝されるようなところに用いられたり、電子部品のはんだ付け部を溶融した樹脂で覆うという樹脂モールドを行うようなところに用いられる。
【００１２】
また鉛フリーはんだ合金の用途としては、ハイブリッドＩＣのようなモジュールの中に組み込まれる電子部品と、回路導体例えば銅とをはんだ付けするようなところに用いられる場合もある。このハイブリッドＩＣは、セット機器に実装される際、高温に曝されることになるためである。つまりこのようなところに使用される鉛フリーはんだ合金に要求される条件は、固相線温度と液相線温度が２００℃以上であることは勿論であるが、回路導体に対してはんだ付け性が良好なこと、回路導体例えば銅を溶解させる「銅喰われ」がないこと、長期間高温下に曝されても接着強度が低下しないこと、等の条件を満足するものでなければならない。本発明は、電子部品と回路導体特に銅とのはんだ付けに適した鉛フリーはんだ合金である。
【００１３】
二元の鉛フリーはんだ合金としては、前述のＳｎ−３．５Ａｇ（２２１℃）、Ｓｎ−４Ｓｂ（２３５〜２４０℃）、Ｓｎ−５Ｃｕ（２２７〜３７５℃）、Ｓｎ−２Ｉｎ（２２８〜２２９℃）等がある。しかしながら、これらの二元合金は、本発明が目的とする上記条件のうち、或る条件には対応できるが、一つの合金が全ての条件を満足できるものではなかった。
【００１４】
従来より、上記二元の鉛フリーはんだ合金の特性を改良した鉛フリーはんだ合金が多数提案されていた。（参照：特開昭４９−３８８５８号、特開平５−５０２８６号、同５−２２８６８５号、同７−５１８８３号、同７−８８６７９号、同７−２８４９８３号）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の鉛フリーはんだ合金は、特に銅回路にはんだ付けするようなところに使用することを目的としたものではなかったため銅回路に対して、はんだ付け性が悪く、さらには高温下で長期間経過すると銅とはんだ間とで合金層が成長して、はんだ付け部の接着強度が弱くなるという問題があった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが、二元の鉛フリーはんだ合金の特長を検討してみた結果、次のことが判明した。つまりＳｎ−Ｓｂ合金は、引張強度は強いが、はんだ付け性があまりよくない。Ｓｎ−Ｃｕ合金は、引張強度は強く、銅のはんだ付け部に対してはんだ合金中への銅の拡散を防止するが、Ｓｎ−Ｓｂ同様はんだ付け性に問題がある。Ｓｎ−Ｂｉ合金は、Ｓｎ−Ｓｂ合金やＳｎ−Ｃｕ合金に比べて引張強度は強くないが、はんだ付け性は他の鉛フリーはんだ合金よりも良好である。Ｓｎ−Ｉｎ合金は、接合強度が強いが、Ｉｎが高価な材料である。
【００１７】
そこで本発明者らは、これら二元の鉛フリーはんだ合金の優れた特長だけを生かし、二元鉛フリーはんだ合金の問題点が出てこないようにすれば、本発明が目的とする銅回路のはんだ付けに適した鉛フリーはんだ合金が得られることに着目して本発明を完成させた。
【００１８】
本発明は、Ｓｂ１〜１０重量％、Ｃｕ１〜４重量％、Ｂｉ１〜６重量％、Ｉｎ１〜５重量％、残部Ｓｎであるとともに、固相線温度が２００℃以上であることを特徴とする鉛フリーはんだ合金である。
【００１９】
Ｓｎ主成分とするはんだ合金中のＳｂは、引張強度を向上させる効果があり、しかもＣｕと共存するとＣｕによる銅喰われを防止を相乗的に向上させることができるようになる。Ｓｂの添加量が１重量％より少ないと、これらの効果が現れず、しかるに１０重量％を越えるとはんだ付け性を害するようになってしまう。なお、より好ましくはＳｂの添加量は１〜５重量％の範囲である。この範囲内では、はんだはあまり硬くなり過ぎないので加工性が良い点で有効である。
【００２０】
Ｃｕは銅喰われ防止のために添加するものである。はんだ付け部が銅回路のようなところでは、溶融したはんだは銅との親和力が強くなるため、銅が高融点であるにもかかわらず銅を拡散溶解してしまうものである。或る温度のＳｎ中には、Ｃｕの一定の溶解度があり、溶融はんだ中にＣｕが添加されていると、それ以上はＣｕが拡散溶解しなくなる。そのため、はんだ合金中には予め所定量のＣｕを添加しておくものである。Ｃｕの添加量は１重量％未満では銅喰われ防止の効果がなく、４重量％越えると、液相線温度が急激に高くなって、はんだ付け温度も高くせざるを得なくなり、耐熱性のある電子部品に対しても熱損傷を与えるようになってしまう。またＣｕが４重量％を越えると、はんだ付け性も悪くなってしまう。
【００２１】
Ｂｉは、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系はんだ合金のはんだ付け性を改善する効果を有している。この系のはんだ合金中にＢｉが１重量％よりも少ない添加では、はんだ付け性改善の効果が現れず、しかるに６重量％を越えると、Ｓｎ−Ｂｉ系の共晶温度である１３８℃が出てきてしまい、固相線温度が２００℃以下となってしまう。
【００２２】
Ｉｎは、接着強度向上のために添加する。Ｉｎが１重量％より少ないと、その効果が現れず、しかるに５重量％を越えても効果の増大は認められず、価格が高騰するばかりとなってしまう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の代表的な鉛フリーはんだ合金について説明する。
Ｓｎ−５Ｓｂ−４Ｃｕ−５Ｂｉ−１Ｉｎの鉛フリーはんだ合金の特性は次の如くである。
○固相線温度：２０８℃
○液相線温度：３４２℃
○エイジング前の接着強度：６．５Kgf
○エイジング後の接着強度：５．８Kgf
○はんだ付け性：良
【００２４】
上記鉛フリーはんだ合金を粉末状にし、これをペースト状のフラックスと混練してソルダペーストを作製した。該ソルダペーストを銅回路に印刷塗布し、その上にハイブリッドＩＣを搭載してからリフロー炉で加熱してはんだ付けを行った。リフロー炉の温度プロファイルは、予備加熱が１７０℃で３０秒間、本加熱が２７０℃で３０秒間であった。はんだ付け後のはんだ付け部を目視で観察したところ、はんだ付け部に鉛フリーはんだ合金が完全に付着しており、はんだ付け不良の発生はなかった。またこのはんだ付け部を引張圧縮試験機で剥離したところ接着強度は６．５Kgfであり、また１５０℃で１，５００時間のエージング後の 接着強度は５．８Kgfであった。
【００２５】
【実施例】
実施例および比較例を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
（表の説明）
※１ Ｓ．Ｔ：固相線温度、Ｌ．Ｔ：液相線温度
※２ はんだ付け性：粉末状にした鉛フリーはんだ合金とペースト状フラックスを混練してソルダペーストを作製する。該ソルダペーストを銅回路に印刷塗布し、その上に２０１２のチップ部品を搭載する。チップ部品を搭載した回路を鉛フリーはんだ合金の液相線温度＋５０℃に設定したリフロー炉で加熱し、はんだ付けを行う。このときのはんだ付け状態を目視にて観察する。はんだ付け部にはんだが完全に濡れ広がったものを○、はんだ付け部にはんだがあまり充分には濡れ広がらなかったものを△、はんだ付け部にほとんど濡れ広がらなかったものを×とした。
※３ 接着強度 前：上記はんだ付け性の試験ではんだ付けしたチップ部品に対して横方から荷重をかけてチップ部品を剥がし取り、そのときの荷重を測定する。
接着強度 後：上記はんだ付け性の試験ではんだ付けした回路を１５０℃の恒温槽中に１，５００時間放置してエージングを行った後、チップ部品を横方から荷重をかけて剥がし取り、そのときの荷重を測定する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ主体であるにもかかわらず銅喰われが少ないため、はんだ付け後高温下に曝されても銅の拡散による接着強度の低下がなく、しかも銅回路に対して良好なはんだ付け性を有しているという従来の鉛フリーはんだ合金にはない優れた特長を有するものである。

Claims (2)

1. 電子部品と銅焼成の回路導体とを有するハイブリッドＩＣの、前記電子部品と前記回路導体とをリフローではんだ付けする時に用いる鉛フリーはんだ合金において、Ｓｂ１〜１０重量％、Ｃｕ１〜４重量％、Ｂｉ１〜６重量％、Ｉｎ１〜５重量％、残部Ｓｎであるとともに、固相線温度が２００℃以上であることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
2. 前記Ｓｂの添加量は、１〜５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。