JP5408589B2 - ハンダ合金並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
前記目的を達成するため、本願発明は、ハンダ合金であって、無鉛ハンダ材料に、高温環境下で所定量の炭素を添加させたことを特徴とする。
また、前記ハンダ合金において、前記高温環境が800〜1200℃の温度範囲内にあることを特徴とする。
また、前記所定量の炭素量が0.01〜0.7wt%の範囲内であることを特徴とする。
また、前記炭素は、六方晶系のグラファイト型であることを特徴とする。
また、前記無鉛ハンダ材料は、96.5wt%Sn−3wt%Ag−0.5wt%Cuであることを特徴とする。
また、前記無鉛ハンダ材料は、99.3wt%Sn−0.7wt%Cuであることを特徴とする。
また、前記無鉛ハンダ材料は、99.0wt%Sn−0.7wt%Cu−0.3wt%Agであることを特徴とする。
また、本願発明は、ハンダ合金の製造方法であって、
無鉛ハンダ材料が投入された高温用金属溶解炉を高温環境にまで加熱させ、前記無鉛ハンダ材料を溶解させる溶解工程と、
前記溶解工程により溶解され前記高温環境下にある無鉛ハンダ材料(溶解無鉛ハンダ材料)へ所定量の炭素を添加する加炭工程と、
前記溶解無鉛ハンダ材料と前記炭素とを攪拌する攪拌工程と、
前記攪拌工程により攪拌された前記溶解無鉛ハンダ材料と前記炭素との混合物を鋳型に流し込んで前記混合物を冷却凝固させる冷却工程と、
を備えることを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記高温環境が800〜1200℃の温度範囲内にあることを特徴とする。
また、前記所定量の炭素量が0.01〜0.7wt%の範囲内であることを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記高温用金属溶解炉は、前記無鉛ハンダ材料及び前記加炭剤が投入される窯部と、前記窯部の上方位置に密閉加熱空間を形成する加熱空間部と、加熱燃料を前記密閉加熱空間内に供給し前記密閉加熱空間及び前記窯部を加熱する加熱部と、前記加熱空間部に形成された排気口とを備えることを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記溶解工程において、前記高温用金属溶解炉の前記排気口から排出される酸索量が0になるように前記加熱燃料の供給量を調節することを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記冷却工程において凝固された前記混合物を低温用金属溶解炉内に投入して低温環境下で溶解するとともに、所定加担量の前記無鉛ハンダ材料を低温用金属溶解炉内に加え、炭素量が所望濃度になるように薄め調整する調整工程と、 前記調整工程により炭素量が調整された混合物を再度鋳型に流し込んで冷却凝固させる再冷却工程と、を備えることを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記調整工程の前に、前記冷却工程において凝固された前記混合物における炭素量を分析する分析工程を備え、前記調整工程では、前記分析工程における分析結果に基づき前記所定加担量を決定することを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記冷却工程において凝固された前記混合物における炭素量は0.01〜0.7wt%の範囲における高濃度範囲にあり、前記所望濃度は0.01〜0.7wt%の範囲における低濃度範囲にあることを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記低温環境が250〜400℃の温度範囲内にあることを特徴とする。
また、前記製造方法において、前記炭素は、六方晶系のグラファイト型であることを特徴とする。
また、本願発明は、前記製造方法により製造されたことを特徴とするハンダ合金である。
本願発明に係るハンダ合金は、無鉛ハンダ材料に、高温環境下で所定量の炭素を添加させて得られるものである。ここで、高温環境とは、次に意味を有するのである。すなわち、従来において、無鉛ハンダ合金は通常、250〜400℃の温度範囲の低温環境下で製造されているのであるが、本願発明は、250〜400℃の温度範囲に比べて非常に高い高温環境(例えば、800〜1200℃の温度範囲という高温環境)下で、炭素を実用性に耐える程に均一的に分布するように添加することを可能にするものである。
また逆に、炭素量について、多ければ多いほど完成するハンダ合金の強度・硬度が向上することも考えられる。しかしながら、種々の炭素量について本願発明にかかるハンダ合金の強度等を測定したところ、添加される炭素量を0.7wt%とした場合に、種々分野におけるハンダ付けの現状において最大必要な強度以上を確保することが可能となる。また、炭素量を0.7wt%より大きくした場合には、電気伝導率が低くなりすぎ、実用性に問題があり得る。また、炭素量を0.7wt%より大きくした場合には、炭素を均一に拡散させることが非常に難しくなり、実用性に耐え得る品質を保証することが難しくなる。ここで、炭素の原子量はSnやAg等に比べて小さいので、炭素量が0.01〜0.7wt%の範囲であるとしても、添加される炭素の原子の数は必ずしも少なくはないのである。したがって、炭素量の上限については、0.7wt%とする。
なお、かかる炭素量については、ハンダの用途に応じて必要とする強度や硬度、電気伝導率等から適宜決定される。
まず、試料A及び試料Cともに二軸X線回折測定を行った。その結果、両者とも炭素と思われるピークが確認できた。
次に、SEM(scanning electron microscope)で試料表面観察を行った。試料Aと炭棄を添加していないSn−3.5wt%Ag(試料B)とを比較すると、試料Aではほぼ均一に炭素が分布している様子が観られるのに対し、試料Bでは炭素と思われる黒い物体の存在が認められなかった。また、試料CとSn−0.7wt%Cu(試料D)との比較においても、同様の結果が観られ、試料Cではほぼ均一に炭素が分布している様子が観られるのに対し、試料Dでは炭素と思われる黒い物体の存在が認められなかった。このことにより、試料A及び試料Cを製造した際の高温環境(800〜1200℃)よりもはるかに融点の高い炭素が、溶けずに試料中に埋め込まれている状態であることがわかる。
続いて、各試料について、DSC(differential scanning calorimetry)による融点の測定を行った。測定結果については、以下の表1〜表4に示す通りである。
次に、Pb−Snハンダ合金及び各試料(試料A及び試料B、試料C及び試料D)について、電子部品を接合するために非常に重要な要素である電気抵抗率(μΩcm)の測定を行った。その測定結果を、以下の表5に示す。表5において、左部は炭素を付加しない従来のPb−Snハンダ合金を示し、中間部は試料Aと試料Bを並べて示し、右部は試料Cと試料DBを並べて示す。
続いて、Pb−Snハンダ合金及び各試料(試料A及び試料B、試料C及び試料D)について、ビッカーズ硬度測定を行った。その測定結果は、以下の表6に示す通りである。
ハンダ合金が例えば銅基板に結合する際、熱によって溶けたハンダ合金に基板の銅(Cu)が入り込んで拡散し、合金化することで結合することが知られている。その合金は金属間化合物(IMC(innermetallic compound))と呼ばれ、この金属間化合物は、硬く、脆く、電気伝導性も悪いために、著しくハンダの結合信頼性を下げる。金属間化合物なしには、ハンダ合金と基板の結合はありえないが、できる限りその層は薄く、強固に結合していることが望まれる。
試料Aと銅基板との界面のSEM像を観てみると、その界面が細かく、形状が均一であることがわかる。これに対し、試料Bと銅基板との界面のSEM像では、その界面は粗く不均一で、一つ一つの凹凸が大きいことが観てとれる。これにより、試料Bに比して試料Aの方が、銅基板との界面の表面積が大きくなったことで、より強固に結合していることがうかがえる。
試料Bのような従来の無鉛ハンダ材料の有する大きな欠点の一つとして、図2に示すように相手部材との界面にクラック(Crack)が生じ、このクラック(Crack)を起源としてハンダ結合の脆弱性が生じることが挙げらていたのである。このことを考慮すると、図1の試料Aと銅基板との界面にクラック(Crack)が消失していることは、非常に意義深いことである。図1の試料Aと銅基板との界面にクラック(Crack)が生じていないことは、試料Aと銅基板の界面に形成される金属間化合物(Cu6Sn5等)において、添加する炭素がグラファイト型であることが大事であると考えられる。すなわち、添加するグラファイト型である炭素は、その六方晶系の結晶構造に起因して力学的緩和機構の役割を有すると考えられる。グラファイト型の炭素においては、結晶のab−面内においては結合力に大きい共有結合であるのに対し、c−軸方向では結合力の小さいファンデルワールズ力による結合を呈するが、c−軸方向の層の間に金属間化合物が介在することが可能になり、力学的緩和機構を形成すると考えられる。このように、添加した炭素が立方晶系のダイヤモンド型でなくグラファイト型であることが、クラック(Crack)の消失に重要な要因となっていると思われる。炭素が立方晶系のダイヤモンド型である場合においては、結晶構造が強い共有結合で結合されているために、力学的緩和機構の役割を有する余地がないと思われる。
次に、Pb−Snハンダ合金及び各試料(試料A及び試料B、試料C及び試料D)について、引っ張り試験により、降伏応力と引っ張り強度の測定を行った。その測定結果を、以下の表7及び表8に示す。
なお、炭素が添加される無鉛ハンダ材料としては、96.5wt%Sn−3wt%Ag−0.5wt%Cuである無鉛ハンダ材料、99.3wt%Sn−0.7wt%Cu、あるいは、99.0wt%Sn−0.7wt%Cu−0.3wt%Agである無鉛ハンダ材料等を用いることができる。
図3は、高温用金属溶解炉1を示す概略図であり、高温用金属溶解炉1は無鉛ハンダ材料及び粉末状あるいは顆粒状の加炭剤が投入される窯部2と、窯部2の上方位置に密閉加熱空間6を形成する加熱空間部3と、加熱燃料を密閉加熱空間6内に供給し密閉加熱空間6及び窯部2を加熱する複数のガスバーナーからなる加熱部4、加熱空間部6に形成された密閉加熱空間6内のガスを放出するために排気口7とを備えている。高温用金属溶解炉1では、窯部2内に無鉛ハンダ材料と加炭剤からなる混合物5が入れられ、混合物5は、密閉加熱空間6を加熱部4で加熱することを介して、800〜1200℃の温度範囲で加熱される。
また、混合物5を低温用金属溶解炉8内に投入した後に、所定加担量の前記無鉛ハンダ材料を低温用金属溶解炉8内に加え、炭素量が所望濃度になるように薄めて調整する調整工程が実行される。例えば、高温用金属溶解炉1における混合物5においては炭素量が0.5wt%である約10kgwのハンダ合金を製造し、次に、前記の調整工程において約90kgwの加担量の無鉛ハンダ材料を低温用金属溶解炉8内に加え、これによって、炭素量が0.05wt%である約100kgwのハンダ合金を得ることが可能になる。このように低温用金属溶解炉8における調整工程を設けることによって、最終目的生成物が炭素量が例えば0.05wt%であるハンダ合金である場合に、まず高温用金属溶解炉1によって炭素量を0.01〜0.7wt%の範囲内で高い濃度で設定し、次に低温用金属溶解炉8における調整工程を実施することによって、高温用金属溶解炉1のみで製造する場合に比べて極めて効率的にハンダ合金を製造することができる。
上述のように、高温用金属溶解炉1と低温用金属溶解炉8とを使用することによって、偏析を解消させることができるとともに、高温環境で使用する高温用金属溶解炉1の使用時間を短くすることができ、また、最終目的生成物を得る上における製造コストを低減させることができる。
以上の各工程を経ることにより、無鉛ハンダ材料に炭素が添加されることで、従来の無鉛ハンダ合金が有する接合強度がPb含有ハンダ合金に劣るという問題点を解消して、無鉛ハンダ合金の接合信頼性を向上させたハンダ合金を製造することができる。
また、本実施例において、高温環境を1000℃に設定したが、これに限るものではなく、800〜1200℃の範囲内であればよい。
さらに、本実施例において、添加する加炭剤を0.5wt%としたが、これに限らず、0.01〜0.7wt%の範囲内であればよい。
そしてまた、本実施例においては、調整工程において炭素量を全体の0.1wt%に調整したが、これに限らず、完成するハンダ合金の用途に応じて適宜炭素量を調整することが可能である。
Claims (14)
- ハンダ合金であって、無鉛ハンダ材料に、高温環境下で所定量の炭素を添加させ、
前記高温環境が800〜1200℃の温度範囲内にあり、
前記所定量の炭素量が0.01〜0.7wt%の範囲内である
ことを特徴とするハンダ合金。 - 前記炭素は、六方晶系のグラファイト型である
ことを特徴とする請求項1に記載のハンダ合金。 - 前記無鉛ハンダ材料は、96.5wt%Sn−3wt%Ag−0.5wt%Cuである
ことを特徴とする請求項1に記載のハンダ合金。 - 前記無鉛ハンダ材料は、99.3wt%Sn−0.7wt%Cuである
ことを特徴とする請求項1に記載のハンダ合金。 - 前記無鉛ハンダ材料は、99.0wt%Sn−0.7wt%Cu−0.3wt%Agである
ことを特徴とする請求項1に記載のハンダ合金。 - ハンダ合金の製造方法であって、
無鉛ハンダ材料が投入された高温用金属溶解炉を高温環境にまで加熱させ、前記無鉛ハンダ材料を溶解させる溶解工程と、
前記溶解工程により溶解され前記高温環境下にある無鉛ハンダ材料(溶解無鉛ハンダ材料)へ所定量の炭素を添加する加炭工程と、
前記溶解無鉛ハンダ材料と前記炭素とを攪拌する攪拌工程と、
前記攪拌工程により攪拌された前記溶解無鉛ハンダ材料と前記炭素との混合物を鋳型に流し込んで前記混合物を冷却凝固させる冷却工程と、
を備え、
前記高温環境が800〜1200℃の温度範囲内にあり、
前記所定量の炭素量が0.01〜0.7wt%の範囲内である
ことを特徴とするハンダ合金の製造方法。 - 前記高温用金属溶解炉は、前記無鉛ハンダ材料及び前記炭素が投入される窯部と、前記窯部の上方位置に密閉加熱空間を形成する加熱空間部と、加熱燃料を前記密閉加熱空間内に供給し前記密閉加熱空間及び前記窯部を加熱する加熱部と、前記加熱空間部に形成された排気口とを備える
ことを特徴とする請求項6に記載のハンダ合金の製造方法。 - 前記溶解工程において、前記高温用金属溶解炉の前記排気口から排出される酸索量が0になるように前記加熱燃料の供給量を調節する
ことを特徴とする請求項7に記載のハンダ合金の製造方法。 - 前記冷却工程において凝固された前記混合物を低温用金属溶解炉内に投入して低温環境下で溶解するとともに、所定加担量の前記無鉛ハンダ材料を低温用金属溶解炉内に加え、炭素量が所望濃度になるように薄め調整する調整工程と、
前記調整工程により炭素量が調整された混合物を再度鋳型に流し込んで冷却凝固させる再冷却工程と、
を備えることを特徴とする請求項6に記載のハンダ合金の製造方法。 - 前記調整工程の前に、前記冷却工程において凝固された前記混合物における炭素量を分析する分析工程を備え、
前記調整工程では、前記分析工程における分析結果に基づき前記所定加担量を決定する
ことを特徴とする請求項9に記載のハンダ合金の製造方法。 - 前記冷却工程において凝固された前記混合物における炭素量は0.01〜0.7wt%の範囲における高濃度範囲にあり、前記所望濃度は前記高濃度範囲における値よりも低い値であって0.01〜0.7wt%の範囲における低濃度範囲にある
ことを特徴とする請求項9に記載のハンダ合金の製造方法。 - 前記低温環境が250〜400℃の温度範囲内にある
ことを特徴とする請求項9に記載のハンダ合金の製造方法。 - 前記炭素は、六方晶系のグラファイト型である
ことを特徴とする請求項6に記載のハンダ合金の製造方法。 - 請求項6から請求項13のいずれか一項に記載のハンダ合金の製造方法により製造されたことを特徴とするハンダ合金。
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