JP3878978B2 - 鉛非含有はんだ、および鉛非含有の継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電子機器や電子部品に用いるのに好適な、鉛を含有しない鉛非含有はんだ、および鉛非含有の継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品をプリント基板上へ実装するため、あるいは基板に実装される電子部品内部の素子等の電気的接合を行うため、従来より、はんだ付けが行われている。一般的に使用されるはんだは、錫と鉛とによる共晶はんだであり、電子部品を基板に実装する際には、融点１８３℃の錫・鉛共晶はんだを用い、最高で２６０℃の温度ではんだ付けを行っている。
【０００３】
基板に実装される電子部品内部の素子等と電極の電気的接合を行うためのはんだ付けは、上述した実装基板におけるはんだ付け温度においても、安定した接合状態を保持する必要がある。そのため、かかる条件下でも接合が外れないように、電子部品内部のはんだ付けには、融点が２６０℃以上の高温はんだを用いなければならない。また、高温条件下において特性変化の少ない高温はんだに対する要求もある。
【０００４】
高温はんだとして、例えば、鉛が９０重量％、錫が１０重量％の固相温度２６８℃で、液相温度３０１℃のはんだ材、あるいは、鉛が９０．５重量％、錫が８重量％、銀が１．５重量％の固相温度２７７℃で、液相温度２９０℃のはんだ材等が一般的に使用されており、これらのはんだは、大量の鉛を使用することで融点を高めている。
【０００５】
ところで、電子機器の製造や組立てには、技術上の簡便さ、確実性等により、はんだ付けが不可欠である反面、はんだには、人体に有害な鉛が含まれていることから、はんだそのものの製造現場や、そのはんだを機器等のはんだ付けに使用している生産現場における作業者の健康への影響を看過することはできない。同時に、使用しなくなった電子機器が多量に廃棄される昨今の実情に鑑みると、かかる廃棄物に使用されていた鉛含有はんだによる環境問題が生じることが危惧される。
【０００６】
そのため、廃棄物のリサイクル使用や有害な物質を用いない製造方法が提唱されている。有害物質の排除は、環境汚染を未然に防ぐという観点から望ましく、はんだによる接合技術も例外ではない。そこで、電子機器産業界等により、有害物質である鉛を含まない高温はんだを実現することが求められている。
【０００７】
鉛を含まない、いわゆる鉛フリーのはんだに関する技術は、これまでにも種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、錫・亜鉛に銀を添加することで、自動車やオートバイのブレーキ、クラッチ等の制御ケーブルのインナーワイヤと金具を接合させるのに好適なはんだに関する技術が記載されている。また、特許文献２には、さらに銅を添加することで、接合強度を高める技術が記載されている。
【０００８】
特許文献３、および特許文献４には、亜鉛を主材料として、アルミニウム、マグネシウム、ガリウムを添加したり、アルミニウム、ゲルマニウム、錫またはインジウムを添加するものが記載されている。また、特許文献５には、亜鉛と、亜鉛よりも蒸気圧が高い材料と、錫とからなる組成を持つはんだが記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭５５−６５３４１号公報
【特許文献２】
特開昭５６−６９３４１号公報
【特許文献３】
特開平１１−１７２３５２号公報
【特許文献４】
特開平１１−１７２３５３号公報
【特許文献５】
特開２０００−１５４７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
電子機器や電子部品を構成する材料として、銅材が一般的に使用されているが、かかる銅材のはんだ付けに、亜鉛を含有するはんだを用いた場合、それを高温下に放置すると、はんだと銅材との接合界面で金属間化合物が生成し、その化合物が電気的な抵抗を増大させる場合がある。
【００１１】
この金属間化合物は、はんだの金属成分に銅が拡散することによって生成されるものであり、硬く、脆く、粗な構造を有するため、はんだ付けの接合強度が低下し、電気伝導の低下をもたらすことになる。このような問題は、上記の特許文献１〜特許文献５に開示されたはんだ組成では、解決することができない。
【００１２】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、電子機器や電子部品に用いるのに好適なはんだであって、特に、銅との接合部において金属間化合物の成長を抑制することにより、電気的特性が安定した、亜鉛を主体とする鉛非含有はんだ、および鉛非含有の継手を提供することである。
【００１３】
上述した目的を達成する一手段として、本発明は、例えば、以下の構成を備える。すなわち、液相温度が２６０℃以上であり、３０乃至７０重量パーセントの亜鉛と、５重量パーセント以下のニッケルと、残重量パーセントの錫とを含有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る鉛非含有はんだは、以下の構成を備える。すなわち、液相温度が２６０℃以上であり、３０乃至７０重量パーセントの亜鉛と、５重量パーセント以下のニッケルと、残重量パーセントの錫とを含有する鉛非含有はんだに対して、さらに０．５重量パーセント以下のアルミニウムを含有することを特徴とする。
【００１５】
上述した目的を達成する他の手段として、本発明は、以下の構成を備える。すなわち、鉛非含有の継手において、３０乃至７０重量パーセントの亜鉛と、５重量パーセントのニッケルと、残重量パーセントの錫とを含有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、３０乃至７０重量パーセントの亜鉛と、５重量パーセントのニッケルと、残重量パーセントの錫とを含有する鉛非含有の継手に対して、さらに０．５重量パーセント以下のアルミニウムを含有することを特徴とする。
【００１７】
例えば、本発明に係る鉛非含有の継手は、銅材の接合に用いられてなることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面、および表を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。上述したように、通常、プリント基板とのはんだ付けは、２６０℃程度の温度で行うため、基板に実装される電子部品内部の素子等の接合は、この条件下で接合が外れないように、それに使用する、例えば、鉛フリーの高温はんだは、融点が２６０℃以上の高温はんだとする必要がある。
【００２２】
また、鉛フリーの高温はんだは、その金属組成として、鉛を使用せず、かつ、金属間化合物の生成を抑える成分で構成することが必要となる。それとともに、電子部品や電子機器における電気的な接続に使用するはんだは、電気的な抵抗値が低く、導電性の高い材料で構成する必要がある。
【００２３】
そこで、本実施の形態例では、鉛の固有抵抗が２０．６４８μΩ・ｃｍ（２０℃）であるのに対して、亜鉛の抵抗は、５．９１６μΩ・ｃｍ（２０℃）であり、融点が４１９℃で、電子部品の継手として重要な要素である高導電性を有し、しかも、安価な金属材料であることに着目して、高比率亜鉛はんだを考案した。
【００２４】
また、亜鉛は、人間にとって、いわゆる必須の栄養元素であり、１日当たりの成人男子、女子の必要量、および、許容上限摂取量も決められている（例えば、化学物質安全性評価シート参照）ことも考慮に入れた。
【００２５】
一方、錫は、人体への影響がないとされており、本実施の形態例では、これら亜鉛と錫（融点は、２３１℃）に着目して、人体への影響を軽減できる金属成分によるはんだを考案した。
【００２６】
本実施の形態例では、上述した条件を満たしつつ、鉛を含有しない金属組成を見出すために試験、試作を繰り返し、得られた試料が高温はんだに応用できないかを確認した。その結果、以下に示す金属組成のはんだとした場合、はんだ付け箇所において金属間化合物の生成が抑えられ、同時に抵抗値の上昇が生じないことが確認された。
【００２７】
すなわち、本実施の形態例では、液相温度が２６０℃以上で、２６０℃未満の温度域では固液共存状態の錫・亜鉛に、ニッケルを０．０１〜５重量パーセント添加した。換言すれば、かかる錫・亜鉛は、固相温度が１９５℃、液相温度が２６０℃以上であり、固相温度と液相温度との温度差が６５℃以上である。そして、錫／亜鉛／ニッケルの金属成分からなるはんだについて、それぞれの含有比率を変えて、その特性試験を行った。
【００２８】
具体的には、亜鉛３０〜７０重量パーセント、ニッケル０．０１〜５重量パーセント、錫を残重量パーセントで構成される鉛フリーのはんだについて、試験を行った。なお、このようなはんだ、および、後述する継手の組成には、日本工業規格（ＪＩＳ）等で示される不可避不純物が含まれていることがある。
【００２９】
亜鉛の割合が３０重量パーセント未満である場合、はんだの液相温度２６０℃以上を保つことができない可能性があり、電子部品の内部構成として用いられる高温はんだに適するものではない。また、亜鉛の割合が７０重量パーセントを超える場合には、液相温度が高くなり、硬度が上がるため、はんだの加工上の支障となる等の問題がある。
【００３０】
表１は、亜鉛の組成比率を変えたときの、はんだの抵抗値を測定した結果である。試験試料は、直径が１．６ｍｍ、長さ３０ｃｍの糸はんだであり、それぞれの比率の試料を１０本について測定し、その平均値を求めた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に示す結果から分かるように、本実施の形態例に係るはんだの抵抗値は、錫−鉛９０重量パーセントからなる、従来のはんだ（試料番号６）の抵抗値の１／２以下となり、高い導電性を維持するという要求に十分、寄与するものである。なお、液相温度、加工性等の観点から、錫／亜鉛／ニッケルのはんだの最適組成比は、亜鉛４０〜６０重量パーセント、ニッケル1〜３重量パーセント、錫が残重量パーセントである。
【００３３】
次に、上述した金属間化合物について説明する。例えば、亜鉛と錫からなるはんだを、銅、あるいは銅合金にはんだ付けした場合、環境条件（例えば、１００℃以上の高温下に放置）によって、亜鉛に銅が拡散することにより、亜鉛と銅の接合界面で亜鉛が銅と金属間化合物を生成することがある。その結果、はんだ付け箇所の電気的な抵抗が増大する。
【００３４】
電子機器や電子部品には、導電性を確保するために銅材が一般的に使用されているが、このような金属間化合物の生成による電気的抵抗の増加は、機器等の信頼性、性能の確保等の観点から、極力、抑える必要がある。
【００３５】
図１は、錫メッキをした銅板に、錫−６０重量％亜鉛のはんだ（図中、■印）、錫−６０重量％亜鉛−０．０１重量％ニッケルのはんだ（図中、▲印）、錫−６０重量％亜鉛−０．１重量％ニッケルのはんだ（図中、●印）、錫−６０重量％亜鉛−５重量％ニッケルのはんだ（図中、◆印）、厚さ２μｍの下地ニッケルメッキを施した錫メッキ銅板に、錫−６０重量％亜鉛のはんだ（図中、○印）、および、錫−６０重量％亜鉛−０．７重量％銅のはんだ（図中、□印）によってはんだ付けした試料を、１２５℃の条件で晒したときの、時間経過に対する金属間化合物の成長状態を示すグラフである。
【００３６】
図１に示す実験結果から、下地ニッケルめっきを施した銅板では、金属間化合物の成長（生成厚）は、１μｍ程度であり、それが抵抗値の変化に与える影響は殆どないことが分かる。これは、金属間化合物の成長を抑制するには、ニッケルめっきを施すことが最も効果的であることを意味している。
【００３７】
また、図１より、ニッケルを添加したはんだの場合、ニッケルを添加しないはんだに比べて、金属間化合物の成長が抑えられていることが分かる。ニッケルの添加量については、金属間化合物の成長を概ね１／２以下に抑えることができる、０．０１重量パーセント〜５重量パーセントであることが好ましいが、０．０１重量パーセント未満であっても、ニッケルが添加されてさえいれば、金属間化合物の成長を抑える効果がある。
【００３８】
図３は、亜鉛の含有量を変えたＳｎ−Ｚｎはんだを銅板にはんだ付けし、１２５℃の条件下で１０００時間、放置した場合における金属間化合物の成長の違いを示している。同図によれば、亜鉛の量が多くなると、生成される金属間化合物の厚みも増すことが分かる。従って、亜鉛の含有量に比例してニッケルの含有量を多くすることは、金属間化合物の成長の抑制に有効であり、亜鉛の量に対するニッケルの量の比を、少なくとも０．１６重量パーセントとすることが望ましい。
【００３９】
なお、ニッケルを添加する代わりに、銅を０．１〜１重量パーセントの範囲で添加した場合も、ニッケルを添加した場合と同様の金属間化合物の抑制効果が得られた。このように、はんだにニッケル、または銅を含有することにより、銅材に、あらかじめ下地ニッケルめっきを施しておく必要がなくなる。
【００４０】
一方において、ニッケルを５重量％添加することにより、はんだの濡れ性が向上し、流動性が生じることが確認できた。この濡れ性の向上は、亜鉛系のはんだには利点（はんだ付け性の向上）となるが、はんだが、固液共存状態で動くことから、流動性については、電子機器や電子部品の製造工程における再加熱により、継手形状を変化させる要因となる。よって、ニッケルの添加量は、例えば、５重量％が上限である。
【００４１】
なお、継手とは、例えば、電子機器や電子部品において、所定の電気的特性を有する素子部と電極部、電子部品の電極とプリント基板の配線パターン等の各部において、その接続状態を維持するためのものである。
【００４２】
本発明の継手の形成方法としては、本発明により定められるはんだの組成比であらかじめ調整されたはんだを用いて、素子部と電極部との継手を構成してもよいし、例えば、錫−亜鉛を含有する第１のはんだと、ニッケルやアルミニウムを含有する第２のはんだとを用いて、素子部と電極部とを接続固定する際に、第１のはんだと第２のはんだを溶融混合することにより、結果的に、本発明に係るはんだにより示される組成比を満たす継手が構成されるものであってもよい。
【００４３】
そこで、本実施の形態例では、上述した流動性への対策として、錫／亜鉛／ニッケルの金属成分からなる金属合金に対して、さらにアルミニウムを０．０１重量パーセント添加した。その結果、流動性の改善により、継手形状の変化を防ぐことができた。
【００４４】
表２は、錫／亜鉛／ニッケルの金属組成からなるはんだ材と、そのはんだ材にアルミニウムを添加した場合における、抵抗値の変化率を示している。表２に示すデータは、プリント基板上に、５ｍｍピッチの２ｍｍ角の錫めっき銅ランドパターンを形成し、そのパターンに対して、１００μｍの銀めっき銅線を、同表に示す各金属組成からなるはんだで架張し、１２５℃で５００時間、曝したときの抵抗値変化の試験結果である。
【００４５】
【表２】

【００４６】
表２に示すように、錫／亜鉛／ニッケルからなるはんだにアルミニウムを添加すると、その抵抗値変化率が増加する（特に、試料番号４の組成の場合、それが顕著になる）ことが分かる。これは、アルミニウムの酸化に起因するものであり、結局、はんだの流動性対策として、アルミニウムの添加が有効である一方、アルミニウムを増加すると抵抗値変化率が増すことから、添加するアルミニウムの上限は、０．５重量パーセントが適当である。従って、この範囲で、本発明に係る鉛非含有はんだを使用する態様に合わせて、添加量を選定すればよい。
【００４７】
なお、流動性があっても許容される態様で使用される場合には、アルミニウムを添加しなくてもよいが、はんだの取扱いの便宜上、０．０１重量パーセント以上を添加することが好ましい。
【００４８】
図２は、錫−亜鉛−ニッケル（２重量パーセント）を含有するはんだにおいて、亜鉛の比率を変化させた場合の融点を示している。同図によれば、亜鉛の組成比が３０重量パーセントの場合、はんだの固相温度は１９９℃、液相温度は３２５℃を示し、亜鉛の比率を増すに従って、液相温度が上昇する。なお、ニッケル、およびアルミニウムの添加量に関して、本発明の範囲においては、ほぼ、図２と同等の固相温度、および液相温度を示すものであり、本発明の実施の形態が、液相温度２６０℃以上の条件を満たしていることがわかる。
【００４９】
また、亜鉛の組成比が７０重量パーセントの場合においては、液相温度が３７０℃程度であり、これは、電子機器や電子部品に使用するものとしては十分な値である。
【００５０】
また、本実施の形態例におけるはんだの特性において特徴的なのは、固相温度と液相温度の間は、以下に述べる特徴を持つ固液共存状態になることである。すなわち、試験の結果、固相温度から液相温度までの間は、ほぼシャーベット状の固液共存状態であり、濡れ性が低く、濡れ広がらないことが確認できた。この結果、本実施の形態例に係るはんだにより形成された継手は、リフロー等の加熱により固相温度から液相温度の間の温度条件下に晒された場合でも、その形状を保持し、その後、温度が下がれば、再び固体化するので、接続状態に変化を生じない。
【００５１】
なお、上述した鉛フリーはんだは、接合対象同士の接合箇所に必要量配置し、溶融させて、接合対象間を接合する接合方法に使用する場合のみでなく、鉛フリーはんだを長時間、溶融状態にしておき、この溶融状態の鉛フリーはんだに接合対象を浸して接合する場合にも適用可能である。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態例によれば、錫と亜鉛をはんだの金属組成とし、鉛等の有害物質を含有させることなく、鉛使用のはんだと同様の低価格を維持するとともに、かかる錫・亜鉛合金にニッケルを添加することで、はんだ流動性を改善することができる。これに加えて、錫と亜鉛をはんだの金属組成とすることで、電子機器や部品の製法上、糸はんだや箔はんだ形態が必要となる場合においても、はんだの加工が容易になる。
【００５３】
また、はんだ流動性の改善によって、はんだ付け性が向上するため、電子機器等において、はんだ付けした接合部の接合状態を良好に維持でき、はんだ付けが電子部品に悪影響を与えることのない鉛非含有の高温はんだを提供できる。
【００５４】
さらには、錫・亜鉛・ニッケルの金属成分からなる金属合金にアルミニウムを添加（例えば、０．０１重量パーセント）することにより、はんだの耐熱性、および流動性を改善でき、結果として、金属間化合物による電気的抵抗の増加と、再加熱によるはんだの継手形状の変化を防止できる。
【００５５】
なお、以上述べた鉛非含有のはんだ、および鉛非含有の継手の組成には、ＪＩＳ等で示される不可避不純物が含まれていることがあり、このような不可避不純物を含有している場合においても、本発明の特許請求の範囲を逸脱するものではない。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有害物質による環境への悪影響がなく、特性にも優れた鉛非含有はんだ、および鉛非含有の継手を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例に係るはんだ等における金属間化合物の成長状態を示す図である。
【図２】錫−亜鉛−ニッケルを含有するはんだにおいて、亜鉛の比率を変化させた場合の融点を示す図である。
【図３】亜鉛の含有量の変化による金属間化合物の成長の違いを示す図である。

Claims (5)

1. 液相温度が２６０℃以上であり、３０乃至７０重量パーセントの亜鉛と、５重量パーセント以下のニッケルと、残重量パーセントの錫とを含有することを特徴とする鉛非含有はんだ。
2. さらに０．５重量パーセント以下のアルミニウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の鉛非含有はんだ。
3. ３０乃至７０重量パーセントの亜鉛と、５重量パーセントのニッケルと、残重量パーセントの錫とを含有することを特徴とする鉛非含有の継手。
4. さらに０．５重量パーセント以下のアルミニウムを含有することを特徴とする請求項３に記載の鉛非含有の継手。
5. 銅材の接合に用いられてなる請求項３又は４に記載の鉛非含有の継手。

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