JP4338854B2 - スズ−ビスマス系無鉛はんだ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スズ−ビスマス系無鉛はんだに関し、より詳細には機械的性質特に幅広い組成範囲で伸び特性が優れたスズ−ビスマス系無鉛はんだに関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的なはんだとしてスズ−鉛系があるが、近年の地球環境問題から鉛を構成元素として含まないはんだが要望されている。
この要望に対してスズ−銀系、スズ−亜鉛系等の鉛を含まないはんだが提案されているが、融点がスズ−鉛系よりも高いといった問題点があり、融点を下げるために添加元素を加えると機械的性質が劣化しやすいといった問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鉛を含まないという点で地球環境に配慮したはんだとしてスズ−ビスマス系はんだが提案され使用されているが、このはんだは鉛を使用せずスズ−鉛系はんだより安全性は高いものの機械的性質で劣り、例えば回路配線基板等の電子機器中で使用する際の長期間の繰り返し使用により信頼性が低下して誤作動が懸念されるようになる。従ってスズ−ビスマス系無鉛はんだに、他の元素を添加して伸び特性を含めた機械的性質を改良する試みが行われている。
例えば特開平８−252688号公報には、スズ−ビスマス系無鉛はんだに銀を添加したはんだが開示されている。このはんだでは、第３元素として0.1 〜2.5 重量％という比較的多量の銀を添加する必要があり、基合金であるスズ−ビスマス系無鉛はんだの特質に悪影響を及ぼす可能性があり、しかもスズ含有量が40〜57重量％という比較的狭い範囲でしか破断伸びがスズ−鉛系はんだより大きくならないという欠点がある。
【０００４】
この他に第３元素として、銅やインジウムを添加することも試みられているが（特開平７−1179号公報）、性能改良が不十分であったり経済性に欠けるなどの問題がある。
本発明は、極微量の添加で機械的性質を改良できるスズ−ビスマス系無鉛はんだを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、(a) ビスマス45〜75重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％、及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだであり、ビスマスは45〜70重量％又は45〜65重量％としても良い。更に本発明では、不可避的に混入することのある微量の不純物を含んでも良い。
【０００６】
以下本発明を詳細に説明する。
前述の通り従来から汎用されているスズ−鉛系はんだは、その成分である鉛が環境を汚染し又人体に悪影響を及ぼすため、はんだの無鉛化が要望されかつ実現している。無鉛はんだとしてスズ−ビスマス系無鉛はんだが提案されているが、この無鉛はんだは伸び特性が不十分で、無鉛化が達成されてもはんだ本来の機能が損なわれるため、好ましいはんだではなかった。
そのため前述した銀、銅及びインジウム等を添加してはんだの特性改良が行われているが、いずれのはんだも欠点があり、電子機器用等として実用化されていないのが現状である。
【０００７】
本発明は、スズとビスマスを主たる構成元素とする無鉛はんだに、比較的少量のリンを添加したスズ−ビスマス系無鉛はんだであり、従来の第３元素を添加したスズ−ビスマス系無鉛はんだでは解決されなかった問題点を解決できる。
第１に本発明では、特定量のリンを第３元素として添加することにより従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだでは得られない伸び特性が得られる。
第２に本発明では、銀を添加元素とするスズ−ビスマス系無鉛はんだと比較してスズ含有量の幅広い範囲で伸び特性自体が同等又はそれ以上に維持される。スズ−ビスマス−銀系はんだでは破断伸びがスズ−鉛系はんだを越えるスズ含有量の範囲が40〜57重量％程度と比較的狭いのに対し、本発明ではリンの添加によりスズ含有量が実質的に30〜55重量％という比較的広い範囲で伸び特性が従来のスズ−鉛系はんだを上回り、スズ含有量の選択の幅が広くなる。
【０００８】
第３に本発明では、リンの添加量が0.003 〜0.1 重量％という極微量であり、基合金であるスズ−ビスマス系無鉛はんだの特質を損なうことなく、伸び特性を改良できる。
第４に本発明では、比較的高価な銀を使用しないため経済的であり、大量に生産してもコスト的な負担が少なくなる。
【０００９】
前述の通りリンの添加量ははんだ全体の重量に対して、0.003 〜0.1 重量％である。これは0.003 重量％未満であると添加効果が殆ど見られず、基合金であるスズ−ビスマス系無鉛はんだの伸び特性が代表的な鉛系はんだのSn−37Pbの伸び特性より劣り、又0.1 重量％を越えるとリン添加が逆効果になって伸び特性がSn−37Pbより劣り、更に基合金であるスズ−ビスマスはんだの特性を損なう恐れがあるからである。
【００１０】
本発明のスズ−ビスマス系無鉛はんだは従来法と同様に製造すれば良く、例えば例えば所定割合の金属スズと金属ビスマス及びスズ−リン母合金を加熱溶融し、冷却凝固させれば良い。
このように製造された本発明のスズ−ビスマス系無鉛はんだは、その組成に応じて、約27〜42％の破断伸び及び139 〜179 ℃の範囲の融点を有し、従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだより優れた伸び特性と加工性を有している。
特に望ましい組成はスズ−50ビスマス−0.05リンであり、破断伸びが41％に達し、融点が150 ℃になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係るスズ−ビスマス系無鉛はんだの実施例を説明するが、該実施例は本発明を限定するものではない。
【００１２】
実施例１
金属スズ、金属ビスマス及びスズ−リン母合金を、表１に示す組成になるように総重量で10kg秤量し、黒鉛ルツボを使用して大気中で電気炉にて約300 ℃で溶解した。これをそのまま冷却し、熱電対で融点（℃）を測定した。又各金属及び合金を溶解後、重力偏析をなくすために十分攪拌し、150 ×60mm、高さ150 mmの内寸法、鋳型厚み10mmの金型に鋳造した。得られた鋳物の下部より、ＪＩＳ４号試験片を機械加工により採取し、ＪＩＳ−Ｚ2241に準じた試験法によって引張速度0.5 mm／分で破断伸び（％）を評価した。
【００１３】
比較例１
リンを含まないこと以外は実施例１と同一の試料用はんだを実施例１と同一条件で製造した。
【００１４】
【表１】
【００１５】
各はんだについて、測定した破断伸び（％）及び融点（℃）を表１に纏めた。更にビスマス量と破断伸びの関係を図１のグラフに示した。このグラフには参考として、スズ−リン母合金を銀に代えたこと以外は実施例１と同一条件で製造したSn−58Bi−１Ag及び一般的なSn−37Pbの破断伸びを示した。なお表１中のリン添加はんだとリン無添加はんだとは、融点は実質的に同一であり、これはリン添加量が微量であるからと推測できる。
【００１６】
表１及び図１から、ビスマス量が45〜75重量％の範囲でリン無添加の対応するスズ−ビスマス系無鉛はんだより伸び特性が改善されていることが分かる。更にビスマス量が45〜70重量％の範囲で典型的なはんだであるSn−37Pbより伸び特性が改善され、かつビスマス量が45〜65重量％の範囲で従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだであるSn−58Bi−１Agより伸び特性が改善されていることが分かる。
【００１７】
実施例２
ビスマスの含有量を58重量％に固定し、リン添加量が表２に示した0.001 重量％、0.005 重量％、0.05重量％及び0.2 重量％である４種類のスズ−ビスマス−リン系無鉛はんだを実施例１と同様にして製造した。
【００１８】
【表２】
【００１９】
各はんだについて、実施例１と同一条件で破断伸び（％）及び融点（℃）を測定し、その結果を表２に纏めた。更にリン添加量と破断伸びの関係を図２のグラフに示した。このグラフには参考としてSn−58Bi−１Ag及びSn−37Pbの破断伸びを示した。なお表２中のはんだの融点は全て同一であり、これは前述の通りリン添加量が微量だからであると推測できる。
表２及び図２から、リン添加量が0.003 〜0.1 重量％の範囲でリン無添加の対応するスズ−ビスマス系無鉛はんだより伸び特性が改善されていることが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、(a) ビスマス45〜75重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％、及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ（請求項１）、(a) ビスマス45〜70重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ（請求項２）、及び(a) ビスマス45〜65重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ（請求項３）である。
【００２１】
ビスマス含有量が45〜75重量％であるとリンを添加しないスズ−ビスマス系無鉛はんだより伸び特性が改善され、ビスマス含有量が45〜70重量％であると典型的な鉛系はんだであるSn−37Pbより伸び特性が改善され、かつビスマス含有量が45〜65重量％であると従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだであるSn−58Bi−１Agより伸び特性が改善される。
更に本発明における添加元素であるリンはその添加量が0.003 〜0.1 重量％と微量であり、スズ−ビスマス系無鉛はんだが本来有する他の特性に悪影響を及ぼすことが殆どない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるリンを添加したスズ−ビスマス系無鉛はんだとリンを添加していないスズ−ビスマス系無鉛はんだの、ビスマス含有量と破断伸びの関係を示すグラフ。
【図２】実施例２におけるSn−58Biへのリンの添加量と破断伸びの関係を示すグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スズ−ビスマス系無鉛はんだに関し、より詳細には機械的性質特に幅広い組成範囲で伸び特性が優れたスズ−ビスマス系無鉛はんだに関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的なはんだとしてスズ−鉛系があるが、近年の地球環境問題から鉛を構成元素として含まないはんだが要望されている。
この要望に対してスズ−銀系、スズ−亜鉛系等の鉛を含まないはんだが提案されているが、融点がスズ−鉛系よりも高いといった問題点があり、融点を下げるために添加元素を加えると機械的性質が劣化しやすいといった問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鉛を含まないという点で地球環境に配慮したはんだとしてスズ−ビスマス系はんだが提案され使用されているが、このはんだは鉛を使用せずスズ−鉛系はんだより安全性は高いものの機械的性質で劣り、例えば回路配線基板等の電子機器中で使用する際の長期間の繰り返し使用により信頼性が低下して誤作動が懸念されるようになる。従ってスズ−ビスマス系無鉛はんだに、他の元素を添加して伸び特性を含めた機械的性質を改良する試みが行われている。
例えば特開平８−252688号公報には、スズ−ビスマス系無鉛はんだに銀を添加したはんだが開示されている。このはんだでは、第３元素として0.1 〜2.5 重量％という比較的多量の銀を添加する必要があり、基合金であるスズ−ビスマス系無鉛はんだの特質に悪影響を及ぼす可能性があり、しかもスズ含有量が40〜57重量％という比較的狭い範囲でしか破断伸びがスズ−鉛系はんだより大きくならないという欠点がある。
【０００４】
この他に第３元素として、銅やインジウムを添加することも試みられているが（特開平７−1179号公報）、性能改良が不十分であったり経済性に欠けるなどの問題がある。
本発明は、極微量の添加で機械的性質を改良できるスズ−ビスマス系無鉛はんだを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、(a) ビスマス45〜75重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％、及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだであり、ビスマスは45〜70重量％又は45〜65重量％としても良い。更に本発明では、不可避的に混入することのある微量の不純物を含んでも良い。
【０００６】
以下本発明を詳細に説明する。
前述の通り従来から汎用されているスズ−鉛系はんだは、その成分である鉛が環境を汚染し又人体に悪影響を及ぼすため、はんだの無鉛化が要望されかつ実現している。無鉛はんだとしてスズ−ビスマス系無鉛はんだが提案されているが、この無鉛はんだは伸び特性が不十分で、無鉛化が達成されてもはんだ本来の機能が損なわれるため、好ましいはんだではなかった。
そのため前述した銀、銅及びインジウム等を添加してはんだの特性改良が行われているが、いずれのはんだも欠点があり、電子機器用等として実用化されていないのが現状である。
【０００７】
本発明は、スズとビスマスを主たる構成元素とする無鉛はんだに、比較的少量のリンを添加したスズ−ビスマス系無鉛はんだであり、従来の第３元素を添加したスズ−ビスマス系無鉛はんだでは解決されなかった問題点を解決できる。
第１に本発明では、特定量のリンを第３元素として添加することにより従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだでは得られない伸び特性が得られる。
第２に本発明では、銀を添加元素とするスズ−ビスマス系無鉛はんだと比較してスズ含有量の幅広い範囲で伸び特性自体が同等又はそれ以上に維持される。スズ−ビスマス−銀系はんだでは破断伸びがスズ−鉛系はんだを越えるスズ含有量の範囲が40〜57重量％程度と比較的狭いのに対し、本発明ではリンの添加によりスズ含有量が実質的に30〜55重量％という比較的広い範囲で伸び特性が従来のスズ−鉛系はんだを上回り、スズ含有量の選択の幅が広くなる。
【０００８】
第３に本発明では、リンの添加量が0.003 〜0.1 重量％という極微量であり、基合金であるスズ−ビスマス系無鉛はんだの特質を損なうことなく、伸び特性を改良できる。
第４に本発明では、比較的高価な銀を使用しないため経済的であり、大量に生産してもコスト的な負担が少なくなる。
【０００９】
前述の通りリンの添加量ははんだ全体の重量に対して、0.003 〜0.1 重量％である。これは0.003 重量％未満であると添加効果が殆ど見られず、基合金であるスズ−ビスマス系無鉛はんだの伸び特性が代表的な鉛系はんだのSn−37Pbの伸び特性より劣り、又0.1 重量％を越えるとリン添加が逆効果になって伸び特性がSn−37Pbより劣り、更に基合金であるスズ−ビスマスはんだの特性を損なう恐れがあるからである。
【００１０】
本発明のスズ−ビスマス系無鉛はんだは従来法と同様に製造すれば良く、例えば例えば所定割合の金属スズと金属ビスマス及びスズ−リン母合金を加熱溶融し、冷却凝固させれば良い。
このように製造された本発明のスズ−ビスマス系無鉛はんだは、その組成に応じて、約27〜42％の破断伸び及び139 〜179 ℃の範囲の融点を有し、従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだより優れた伸び特性と加工性を有している。
特に望ましい組成はスズ−50ビスマス−0.05リンであり、破断伸びが41％に達し、融点が150 ℃になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係るスズ−ビスマス系無鉛はんだの実施例を説明するが、該実施例は本発明を限定するものではない。
【００１２】
実施例１
金属スズ、金属ビスマス及びスズ−リン母合金を、表１に示す組成になるように総重量で10kg秤量し、黒鉛ルツボを使用して大気中で電気炉にて約300 ℃で溶解した。これをそのまま冷却し、熱電対で融点（℃）を測定した。又各金属及び合金を溶解後、重力偏析をなくすために十分攪拌し、150 ×60mm、高さ150 mmの内寸法、鋳型厚み10mmの金型に鋳造した。得られた鋳物の下部より、ＪＩＳ４号試験片を機械加工により採取し、ＪＩＳ−Ｚ2241に準じた試験法によって引張速度0.5 mm／分で破断伸び（％）を評価した。
【００１３】
比較例１
リンを含まないこと以外は実施例１と同一の試料用はんだを実施例１と同一条件で製造した。
【００１４】
【表１】
各はんだについて、測定した破断伸び（％）及び融点（℃）を表１に纏めた。更にビスマス量と破断伸びの関係を図１のグラフに示した。このグラフには参考として、スズ−リン母合金を銀に代えたこと以外は実施例１と同一条件で製造したSn−58Bi−１Ag及び一般的なSn−37Pbの破断伸びを示した。なお表１中のリン添加はんだとリン無添加はんだとは、融点は実質的に同一であり、これはリン添加量が微量であるからと推測できる。
【００１６】
表１及び図１から、ビスマス量が45〜75重量％の範囲でリン無添加の対応するスズ−ビスマス系無鉛はんだより伸び特性が改善されていることが分かる。更にビスマス量が45〜70重量％の範囲で典型的なはんだであるSn−37Pbより伸び特性が改善され、かつビスマス量が45〜65重量％の範囲で従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだであるSn−58Bi−１Agより伸び特性が改善されていることが分かる。
【００１７】
実施例２
ビスマスの含有量を58重量％に固定し、リン添加量が表２に示した0.001 重量％、0.005 重量％、0.05重量％及び0.2 重量％である４種類のスズ−ビスマス−リン系無鉛はんだを実施例１と同様にして製造した。
【００１８】
【表２】
各はんだについて、実施例１と同一条件で破断伸び（％）及び融点（℃）を測定し、その結果を表２に纏めた。更にリン添加量と破断伸びの関係を図２のグラフに示した。このグラフには参考としてSn−58Bi−１Ag及びSn−37Pbの破断伸びを示した。なお表２中のはんだの融点は全て同一であり、これは前述の通りリン添加量が微量だからであると推測できる。
表２及び図２から、リン添加量が0.003 〜0.1 重量％の範囲でリン無添加の対応するスズ−ビスマス系無鉛はんだより伸び特性が改善されていることが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、(a) ビスマス45〜75重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％、及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ（請求項１）、(a) ビスマス45〜70重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ（請求項２）、及び(a) ビスマス45〜65重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ（請求項３）である。
【００２１】
ビスマス含有量が45〜75重量％であるとリンを添加しないスズ−ビスマス系無鉛はんだより伸び特性が改善され、ビスマス含有量が45〜70重量％であると典型的な鉛系はんだであるSn−37Pbより伸び特性が改善され、かつビスマス含有量が45〜65重量％であると従来のスズ−ビスマス系無鉛はんだであるSn−58Bi−１Agより伸び特性が改善される。
更に本発明における添加元素であるリンはその添加量が0.003 〜0.1 重量％と微量であり、スズ−ビスマス系無鉛はんだが本来有する他の特性に悪影響を及ぼすことが殆どない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるリンを添加したスズ−ビスマス系無鉛はんだとリンを添加していないスズ−ビスマス系無鉛はんだの、ビスマス含有量と破断伸びの関係を示すグラフ。
【図２】実施例２におけるSn−58Biへのリンの添加量と破断伸びの関係を示すグラフ。
Claims (3)
- (a) ビスマス45〜75重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ。
- (a) ビスマス45〜70重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ。
- (a) ビスマス45〜65重量％、(b) リン0.003 〜0.1 重量％及び(c) 残部スズから成る伸び特性を有することを特徴とするスズ- ビスマス系無鉛はんだ。
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