JPH09206983A

JPH09206983A - はんだ材料

Info

Publication number: JPH09206983A
Application number: JP4044696A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Haniyu; 和隆羽生
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 1997-08-12

Abstract

(57)【要約】【課題】環境汚染のおそれがなく、機械的強度が充分
で、かつ、従来の錫−鉛系はんだ材料と略同じ溶融温度
特性を示すはんだ材料を提供すること。【解決手段】亜鉛が 0.5〜10重量％、ビスマスが 0.5
〜８重量％、残部が実質的に錫からなる化学組成（但
し、亜鉛が５重量％を超え、10重量％未満であり、ビス
マスが３重量％を超え、８重量％未満であり、残部が実
質的に錫からなる化学組成を除く。）とすること。即
ち、はんだ材料を、線分ＡＢ、線分ＢＣ、線分ＣＤ、線
分ＤＥ、線分ＥＦ及び線分ＦＡによって囲まれる領域の
化学組成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ材料に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】産業が高度に発達し、電子機器産業にお
いても電子回路素子の実装技術の高度化が進んでいる
が、その電子回路素子の接合には、長期間に亘る使用に
よって特性、信頼性の評価を受けてきた錫と鉛とからな
るはんだが依然として広く用いられている。

【０００３】鉛は、人体内に蓄積すると、手腕の伸筋麻
痺、疝痛（腹部のさし込むような痛み）、鉛緑（歯茎の
菌に接する部分に生じる暗緑色乃至青色の線状）、貧血
等の鉛中毒症状が顕れ、人体に有害な物質である。

【０００４】近年、米国及び欧州を中心に、環境汚染の
問題が指摘され、環境汚染に対する規制の法案化が活発
に議論されている。更に、現実問題として、多量に発生
する産業廃棄物、電気製品廃棄物（鉛を多量に含有する
はんだが使用されている）も環境汚染の原因として指摘
されている。

【０００５】そこで、鉛−亜鉛合金のはんだ（以下、鉛
はんだと呼ぶ）の特性を具備する鉛はんだ代替材料の使
用が望まれるのであるが、これ迄の代替材料は鉛はんだ
に較べて融点が高くなる傾向がある。この傾向は、接合
（はんだ付け）しようとする電子部品に対して熱損傷さ
せる問題に繋がる。また、高温でのはんだ付けに耐え得
る電子部品を開発しようとすると、このような電子部品
はコスト高になり、電子機器の製造コストが嵩むことに
なる。

【０００６】現状のはんだは、共晶組成の錫−鉛合金
で、63重量％錫、37重量％鉛の組成であり、共晶温度は
約 183℃である。従って、電子回路素子の実装では、で
きるだけ鉛はんだを用いての接合温度領域で使用できる
はんだ材料が求められている。しかし、このようなはん
だ材料として満足できるものは未だ開発されていないの
が現状である。鉛を含まぬはんだ材料として種々のもの
があるが、これらのうちで、例えば錫−銀系合金のはん
だは、共晶温度が 221℃と高く、高価な銀を含有するこ
とでコスト高になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の事情に鑑み、生体に無害で環境汚染のおそれがなく、
かつ、現状の鉛はんだと略同等の温度で接合できるはん
だ材料を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、亜鉛が
0.5〜10重量％、ビスマスが 0.5〜８重量％、残部が実
質的に錫からなる化学組成（但し、亜鉛が５重量％を超
え、10重量％未満であり、ビスマスが３重量％を超え、
８重量％未満であり、残部が実質的に錫からなる化学組
成を除く。）を有するはんだ材料に係るものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】上記化学組成のうちで、亜鉛が５
から10重量％、ビスマスが 0.5〜３重量％、残部が実質
的に錫からなる化学組成を有するはんだ材料は、後述す
る示差走査熱量測定において、実質的に単一の吸収ピー
ク温度を示し、プリント配線板の実装に用いて特に好適
である。

【００１０】前記化学組成のうちで、亜鉛が 0.5〜５重
量％、ビスマスが 0.5〜８重量％、残部が実質的に錫か
らなる化学組成を有するはんだ材料は、前記の示差走査
熱量測定において、複数の吸収ピーク温度を示し、融解
温度範囲が広いことから、プリント配線板の実装以外の
接合（例えばはんだ鏝（ごて）を使用してのはんだ付
け）に接合作業が容易で好適である。

【００１１】なお、前記「はんだ材料」とは、前記組成
の合金のみならず、この合金を構成する合金化前の単体
やこれら単体の混合物をも含む概念である。

【００１２】また、前記「残部が実質的に錫からなる」
とは、残部が錫及び不可避的不純物からなることのほ
か、錫、亜鉛及びビスマス以外の少量の第三の元素の積
極的な含有を排除するものではない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００１４】はんだに求められる特性としては、溶融温
度特性、機械的強度、はんだ付け性（被接合材に対する
濡れ性）等の種々の特性が挙げられる。以下に、鉛を含
まぬ錫−亜鉛−ビスマス三元系合金について、特に機械
的強度及び溶融温度特性を主として検討した結果を説明
する。本実施例では、機械的強度については脆さを特性
値として検討した。溶融温度特性としては、鉛はんだの
共晶温度が 183℃であることから、略 200±20℃に融点
があることを要件として検討した。

【００１５】＜はんだ試料の作製＞純度99.999重量％
（以下、重量％を単に％で表す）の粒状錫、純度 99.99
99％の粒状亜鉛及び純度 99.9999％のビスマスのインゴ
ットを用い、下記表１に示す配合になるようにかつ全量
が33ｇになるように秤量し、これらを容量５ccの坩堝に
充填した。

【００１６】

【００１７】次に、磁性坩堝中の上記原料に対し、ノズ
ルから３リットル／分の流量で窒素ガスを吹き付けなが
ら大気中で溶融し、溶湯が均一組成になるように 400℃
に２〜３時間保持した後、鋳造によって棒状はんだ試料
を作製した。

【００１８】はんだ試料は、径が４〜６mm、長さが 100
mm程度になるように作製された金属製の鋳型に溶湯を注
入し、作製されたものである。この注湯により、はんだ
の金属に対する濡れ性、広がり性を定性的であるが評価
することができる。そのため、注湯時には鋳型を55±５
℃の温度に保持した。また、この注湯後に、残りのはん
だ溶湯をセラミックス管に流し込んで凝固状態を観察し
た。

【００１９】図４は、はんだ試料作製に供した鋳型を示
し、同図（ａ）は断面図（同図（ｂ）のａ−ａ線断面
図）、同図（ｂ）は平面図である。

【００２０】鋳型30は、金属製（この例では純鉄製）で
あり、一対の金型31、32からなり、鉛直に設けられた内
径４〜６mm、長さ 100mmのキャビティ34上に円錐形の受
け口33が設けられて構成されている。キャビティ34の下
端には、鋳型上面に開口する小径のガス抜孔35が設けら
れている。即ち、はんだ試料は、落し込みの鋳造方案に
よって作製される。

【００２１】鋳型への注湯により、通常は長さ 100mmの
はんだ試料が得られるのであるが、溶湯の組成によって
は、流動性が悪くて長さが 100mmに達しないことがあ
る。亜鉛、ビスマスの含有量が多くなると、溶湯の流動
性が悪くなる傾向が見られる。その数例を挙げると、試
料No.16(93.0％Ｓｎ、 2.0％Ｚｎ、 5.0％Ｂｉ）及び試
料No.17(95.0％Ｓｎ、 2.0％Ｚｎ、 3.0％Ｂｉ）のはん
だ試料は長さが夫々70mm、試料No.9（82.0％Ｓｎ、 8.0
％Ｚｎ、10.0％Ｂｉ）のはんだ試料は長さが60mmであっ
た。

【００２２】＜機械的強度＞後述する溶融温度特性の検
討結果から、ビスマスの添加によって溶融温度を下げら
れることが判ったが、その反面、軟鑞にビスマスを含有
させると脆くなるという懸念がある。そこで、脆さの程
度を調べるため、はんだ試料を鏨（たがね）で切断し、
その破断面を観察する試験を行った。

【００２３】即ち、図５に示すように、金敷24上に載置
したはんだ試料20を平鏨23によって切断する。このと
き、図示しないハンマによる衝撃荷重は略一定になるよ
うにする。

【００２４】そして図６に示すように、切断したはんだ
試料の破断面を観察し、延性破壊した破面21の下側に現
れる微細な凹凸面を呈する破面（脆性破面）部分22の幅
Ｌ’とはんだ試料の径Ｌとの比Ｌ’／Ｌを求めた。結果
は下記表２に示す通りである。

【００２５】

【００２６】Ｌ’／Ｌの値が小さい程脆さが軽微で機械
的強度が良好であることを示している。表２には、Ｌ’
／Ｌが０に記号○を、＞０〜0.2 に記号□を、 0.2〜0.
3 に記号◇を、 0.3〜0.4 に記号△を、＞0.4 に記号▽
を夫々付して表してある。

【００２７】図１は、表２に示した結果をはんだ試料の
化学組成に関係づけて示すグラフである。図１中、表２
に示した記号に付した数字は、試料No. を示している。

【００２８】図１から、脆さが軽微で機械的強度が良好
な化学組成は、線分ＡＢ、線分ＢＣ、線分ＣＤ、線分Ｄ
Ｅ、線分ＥＦ及び線分ＦＡによって囲まれる領域に在る
ことが理解できる。但し、点Ａは99.0％Ｓｎ、 0.5％Ｚ
ｎ、 0.5％Ｂｉを、点Ｂは89.5％Ｓｎ、10.0％Ｚｎ、
0.5％Ｂｉを、点Ｃは87.0％Ｓｎ、10.0％Ｚｎ、 3.0％
Ｂｉを、点Ｄは92.0％Ｓｎ、 5.0％Ｚｎ、 3.0％Ｂｉ
を、点Ｅは87.0％Ｓｎ、 5.0％Ｚｎ、 8.0％Ｂｉを、点
Ｆは91.5％Ｓｎ、 0.5％Ｚｎ、 8.0％Ｂｉを夫々示す。
なお、亜鉛及びビスマスの溶融温度特性を含めての総合
的な良好な含有量の下限については、後に図２、図３、
図10及び図11によって明らかにされる。

【００２９】表１の化学組成及び表２の結果から、ビス
マス含有量を一定にしての亜鉛含有量によるＬ’／Ｌの
変化及び亜鉛含有量を一定にしてのビスマス含有量によ
るＬ’／Ｌの変化を求めると、図２及び図３が得られ
る。

【００３０】図２から、ビスマス 3.0％以下では、亜鉛
が10.0％を超えるとＬ’／Ｌが急激に上昇して脆くなる
ことが判る。また、ビスマスが 3.0％を超えた組成で
は、亜鉛が 3.0％を超えるとＬ’／Ｌが急激に上昇して
脆くなることが判る。図３から、亜鉛が 5.0％以下で
は、ビスマスが 8.0％を超えるとＬ’／Ｌが急激に上昇
して脆くなることが判る。また、亜鉛が 5.0％を超えた
組成では、ビスマスが 3.0％を超えるとＬ’／Ｌ急激に
上昇して脆くなることが判る。

【００３１】以上の結果から、好ましい亜鉛含有量の上
限は、ビスマス 3.0％以下では10.0％、ビスマスが 3.0
％を超えると 5.0％である。また、好ましいビスマス含
有量の上限は、亜鉛 5.0％以下では 8.0％、亜鉛が 5.0
％を超えると 3.0％である。

【００３２】＜溶融温度特性＞示差走査型熱量計（ＤＳ
Ｃ：Differential Scanning Calorimeter)を用いて各は
んだ試料についての溶融温度特性を調べた。試験条件は
以下の通りである。各はんだ試料から４〜５mgを採取
し、アルミニウム製容器中に密閉し、 250℃迄５℃／分
の速度で昇温させ、この温度に数分間保持してから同様
の速度で降温させた。

【００３３】図７、図８は各はんだ試料のうちの試料N
o.5（87.0％Ｓｎ、10.0％Ｚｎ、 3.0％Ｂｉ）、試料No.
15(92.0％Ｓｎ、 3.0％Ｚｎ、 5.0％Ｂｉ）について、
上記試験によって得られたチャート図である。

【００３４】試料No.5は昇温時の吸収ピークが１つ観察
されたが、試料No.15 では吸収ピークが２つ観察され
た。吸収ピークの温度をＴ_Pとし、ピーク温度からベー
スライン（図には示されていない）に外挿して交わった
点の固相温度に対応した温度をＴ_Sとし、反対側の液相
温度に対応した温度をＴ_Lとした。

【００３５】各はんだ試料のＤＳＣによる試験結果を纏
めて下記表３に示す。表３中、記号○は吸収ピークが１
つ観察されたことを表し、記号◎は吸収ピークが２つ観
察されたことを表している。

【００３６】

【００３７】

【００３８】図９は、表３に示した試験結果をはんだ試
料の化学組成に関係づけて示すグラフである。図９中、
表３に示した記号に付した数字は、試料No. を示してい
る。

【００３９】ＤＳＣで単一の吸収ピークを示すはんだ
は、溶融温度範囲が狭く、接合に際して加熱温度を比較
的低くできることから、プリント配線板の実装に好適で
ある。他方、ＤＳＣで２つの吸収ピークを示すはんだ
は、溶融温度範囲が広いことから、プリント配線板の実
装以外の、例えばはんだ鏝（ごて）を使用しての接合
に、作業が容易であって有利である。

【００４０】従って、図９の線分ＧＢ、線分ＢＣ、線分
ＣＤ、線分ＤＧで囲まれた領域の化学組成を有するはん
だは、プリント配線板の実装に特に好適である。図９中
の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆが示す化学組成は先に説明
した通りである。図９中の点Ｇは、94.5％Ｓｎ、 5.0％
Ｚｎ、 0.5％Ｂｉの化学組成を示す。なお、試料No.4、
12、13、28は吸収ピークが２つであるが、いずれも吸収
ピーク温度の差が小さく単一ピークを示す組成と見做し
て実質上何ら差支えはない。吸収ピーク温度の差は、試
料No.4、試料No.12 及び試料No.28 で６℃、試料No.13
で５℃である。

【００４１】また、図９の線分ＡＧ、線分ＧＥ、線分Ｅ
Ｆ、線分ＦＡで囲まれた領域の化学組成を有するはんだ
は、プリント配線板の実装以外の種々の接合に用いるの
に好適である。

【００４２】表１の化学組成及び表３の結果から、ビス
マス含有量を一定にしての亜鉛含有量による吸収ピーク
温度Ｔ_P1の変化及び亜鉛含有量を一定にしてのビスマス
含有量による吸収ピーク温度Ｔ_P1の変化を求めると、図
10及び図11が得られる。

【００４３】図10、図11から、亜鉛、ビスマスはいずれ
も吸収ピーク温度を降下させる作用を示し、はんだによ
る接合を容易ならしめることが理解できる。亜鉛、ビス
マス共に 0.5％以下での上記作用が顕著であり、従っ
て、亜鉛、ビスマスは共に 0.5％以上含有することが有
利である。

【００４４】次に、本発明に基づくはんだを使用した例
を説明する。

【００４５】図12は、プリント配線板の実装工程を示す
ものである。先ず、図12（Ａ）のように、プリント配線
板の絶縁基板２にスルーホール４を形成した後、スルー
ホールめっきによってスルーホール４を通じて基板２の
表、裏に導電層（例えば銅パターン）５を形成する。

【００４６】次いで、図12（Ｂ）のように、銅パターン
５の周囲にはんだレジスト６を印刷で被着し、更に銅パ
ターン５の酸化防止のためにプリフラックス７を塗布す
る。

【００４７】次いで、図12（Ｃ）のように、基板２の裏
面においてプリフラックス７上に、液状フラックス８を
塗布する。この液状フラックスには、本出願人が先に特
願平７−１７４１２１号として提案したフラックスのう
ち、フラックス剤としての水添ロジンエチルアミン塩1
0.0％、エチルアミン塩酸塩 0.2％、溶媒としての水69.
8％、イソプロピルアルコール20.0％の配合のものを用
いた。この液状フラックスは、乾燥性、濡れ性が良好
で、環境に及ぼす揮発性有機化合物の影響の少ないもの
である。

【００４８】次に、図12（Ｄ）のように、スルーホール
４の周囲の表側の面上にクリームはんだ（はんだペース
ト）13を接着又はスクリーン印刷によって設ける。

【００４９】次いで、図12（Ｅ）のように、抵抗やコン
デンサ等の電子部品９のリード10を基板２の表側からス
ルーホール４に挿入し、基板２の裏側へ貫通させる。そ
して、この状態でクリームはんだ13を加熱してリフロー
し、図12（Ｆ）のように、はんだ11によってリード10を
スルーホール４内に完全に固定し、電子部品９を基板２
上にマウントする。はんだリフローには、遠赤外線輻
射、レーザ加熱、ＶＰＳ(Vapor Phase Soldering）等の
適宜の手段が採用可能である。

【００５０】このとき、レジスト６が存在しない領域で
は、はんだ11が銅パターン５と十分に合金化すると共
に、レジスト６の領域ではフラックス中のフラックス剤
12のみが部分的に残存する。

【００５１】図13は、はんだ鏝を用いて端子と線材とを
接合する要領を示すものである。

【００５２】先ず、図13（Ａ）のように、予め線材17の
先端部を露出させてこれを端子16に巻き付けておき、糸
はんだ18及び加熱したはんだ鏝19を用意する。

【００５３】次に、図13（Ｂ）のように、加熱したはん
だ鏝19の先端を接合部の線材17に接触する。

【００５４】次に、図13（Ｃ）のように、糸はんだ18の
先端部を接合部の線材17又は端子16に押し付け、これを
溶融する。

【００５５】次に、図13（Ｄ）のように、適量のはんだ
が溶けたとき、糸はんだ18を素早く軸線方向に離し、次
いではんだ鏝19を離脱させる。

【００５６】そして、図13（Ｅ）のように、はんだが冷
却して固化するのを待つ。この固化の時期は、はんだの
光沢の変化によって判断できる。

【００５７】図12、図13のいずれの例にあっても、はん
だは脆くなく、また溶融温度特性も従来の錫−鉛合金の
はんだと略同じであるので接合の信頼性が高い上に、有
害な鉛を含有しないので環境汚染を起こすおそれがな
い。

【００５８】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明の技術的思想に基づいて前記の実施例に種々の変形を
加えることができる。

【００５９】例えば、本発明に基づくはんだ材料は、電
気製品製造以外の種々の分野におけるはんだ付けに用い
ることができる。特に、人体に有害な鉛を含有しないこ
とから、食品の缶詰の製造用として好ましく使用でき
る。

【００６０】また、使用目的に応じて、錫の少量を錫、
亜鉛、ビスマス以外の成分で置換した化学組成とし、こ
の置換成分によって種々の特性の改善を図ることができ
る。

【００６１】

【発明の作用効果】本発明に基づくはんだ材料は、亜鉛
が 0.5〜10重量％、ビスマスが 0.5〜８重量％、残部が
実質的に錫からなる化学組成（但し、亜鉛が５重量％を
超え、10重量％未満であり、ビスマスが３重量％を超
え、８重量％未満であり、残部が実質的に錫からなる化
学組成を除く。）としているので、生体に有害な鉛を実
質的に含有しないことから、環境汚染を起こすおそれが
ない。

【００６２】その上、上記化学組成とすることにより、
機械的強度が充分で、かつ、溶融温度特性が従来の錫−
鉛系はんだ材料と略同じ程度であって接合が容易である
ので、接合の信頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるはんだ試料の化学組成と
機械的強度（Ｌ’／Ｌ）との関係を示すグラフである。

【図２】同亜鉛含有量による機械的強度の変化を示すグ
ラフである。

【図３】同ビスマス含有量による機械的強度の変化を示
すグラフである。

【図４】同はんだ試料作製用鋳型を示し、同図（ａ）は
断面図（同図（ｂ）のａ−ａ線断面図）、同図（ｂ）は
平面図である。

【図５】同はんだ試料の切断の要領を示す概略斜視図で
ある。

【図６】同はんだ試料の切断面の拡大正面図である。

【図７】同はんだ試料のＤＳＣ試験の結果の一例を示す
チャート図である。

【図８】同はんだ試料のＤＳＣ試験の結果の他の例を示
すチャート図である。

【図９】同はんだ試料の化学組成とＤＳＣ試験における
吸収ピーク出現数との関係を示すグラフである。

【図10】同亜鉛含有量によるＤＳＣ試験における吸収ピ
ーク温度の変化を示すグラフである。

【図11】同ビスマス含有量によるＤＳＣ試験における吸
収ピーク温度の変化を示すグラフである。

【図12】同プリント配線板の実装の手順を示す拡大部分
断面図である。

【図13】同はんだ鏝を用いての端子と線材との接合の手
順を示す斜視図である。

【符号の説明】

２…基板、４…スルーホール、５…銅パターン、６…レ
ジスト、７…プリフラックス、８…液状フラックス、９
…電子部品、10…リード、11、18…はんだ、13…クリー
ムはんだ、16…端子、17…線材、19…はんだ鏝、20…は
んだ試料、21…延性破面、22…脆性破面、23…平鏨、24
…金敷、30…鋳型、31、32…金型、34…キャビティ、Ｌ
…はんだ試料の径、Ｌ’…脆性破面の幅、Ｔ_P1…吸収ピ
ーク温度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】亜鉛が 0.5〜10重量％、ビスマスが 0.5
〜８重量％、残部が実質的に錫からなる化学組成（但
し、亜鉛が５重量％を超え、10重量％未満であり、ビス
マスが３重量％を超え、８重量％未満であり、残部が実
質的に錫からなる化学組成を除く。）を有するはんだ材
料。
【請求項２】請求項１に記載した化学組成のうちで、
亜鉛が５〜10重量％、ビスマスが 0.5〜３重量％、残部
が実質的に錫からなる化学組成を有するはんだ材料。
【請求項３】請求項１に記載した化学組成のうちで、
亜鉛が 0.5〜５重量％、ビスマスが 0.5〜８重量％、残
部が実質的に錫からなる化学組成を有するはんだ材料。
【請求項４】示差走査熱量測定において、実質的に単
一の吸収ピーク温度を示す、請求項２に記載したはんだ
材料。
【請求項５】示差走査熱量測定において、複数の吸収
ピーク温度を示す、請求項３に記載したはんだ材料。