WO2003061897A1 - Materiau de soudage sans plomb - Google Patents

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WO2003061897A1
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Toshio Narita
Junichi Tanaka
Taiki Kobayashi
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Japan Science And Technology Corporation
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
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    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/264—Bi as the principal constituent

Definitions

  • the present invention relates to a soft solder material, a so-called solder material, which is used for circuit connection of electric / electronic components and joining of metal members in the electronics industry, and more particularly to a so-called lead-free solder material from which lead is eliminated.
  • Solder materials are widely used as electrical connection and mechanical fixing means, starting with the mounting and fixing of electronic components in the electronics industry. Sn-Pb, which has been conventionally used as solder, is widely used. Due to the lead contained in these alloys, toxicity is an issue in the disposal and recovery of used products as well as in the working environment.In recent years, to reduce or eliminate the burden on these environments, they have been used as alternative materials. The development of so-called lead-free solder materials that do not contain lead is underway.
  • solder materials are required not to cause thermal damage to the target electronic components and resist materials during electronics mounting, or to cause distortion of resin-containing substrates and the like. —Similar to Pb solder, low melting point, strength of connection / fixed part, reliability, etc. are required. In particular, in recent electronic packaging, these requirements are becoming more stringent as the miniaturization of components and the like and the development of high-density surface mounting are advanced.
  • new lead-free solder materials are based on eutectic alloys containing Sn as the main component, Ag and other components, with the aim of lowering the melting point and refining the crystal structure to meet these conditions.
  • the composition is selected.
  • solder materials Sn-Ag eutectic, and those added with Cu, Bi, and In individually or in combination to lower the melting point and improve mechanical properties, etc. Reported in each country. (See JP-A-2000-94181, JP-A-7-51883, etc.)
  • Sn-based solder alloys are generally applied to soldering in the mounting of electronic components, the actually formed metal structure is unlikely to have a fine eutectic structure despite the eutectic composition.
  • the problem is that the primary ⁇ -Sn phase develops and forms a two-phase mixed structure consisting of this and the eutectic phase, resulting in a decrease in mechanical properties such as material strength.
  • the Sn-3.OAg-O.5Cu alloy, etc. which has been put into practical use as a promising alternative solder material, has a high content of expensive Ag and significant cost cost. Since it is unavoidable that the eutectic composition becomes high, the reduction of the Ag content is desired.If these compositions are changed and deviated from the initial eutectic composition, the intended fine eutectic structure cannot be obtained, The mechanical properties of cannot be obtained.
  • solder alloy materials are heated by the flow method and the reflow method, including the mounted electronic components and substrates, and then cooled by cooling.
  • the melting and solidification of the solder material progresses.However, the cooling rate differs significantly depending on the type and process of the mounted component. Since the obtained metallographic structure is not always a homogeneous and uniform structure, the quality is not stable.
  • the present invention relates to a Sn-based lead-free solder material
  • the present invention provides a Sn-Ag binary alloy, addition of AI, Te cowpea coagulation with heterogeneous nucleation, a lead-free solder material of the material structure is miniaturized, further 0.1wto the Ag / o It is a lead-free solder alloy that contains 0.1 to 5 wt% of AI in an alloy containing 5 to 5 wt%, Gu: 0.1 to 3.0 wt%, and the balance Sn.
  • Bi 40 to 60 wto / o or In: 40 to 50 wt ⁇ 1 ⁇ 2 is contained, or in the above composition, Cu: 0.1 to 5 wto / o, and further, In, Bi, Ni, Au Lead containing 0.1 to 5 wt% of one or more elements selected from the group consisting of, Sb, Zn, Mg, La, and Ce Free solder material.
  • FIG. 1 is an enlarged microstructure of a solder alloy of the present invention (A) and a comparative alloy (B) based on micrographs
  • FIG. 2 is a cooling rate and a crystal of the solder alloy of the present invention and a comparative alloy.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the particle sizes
  • FIG. 3 is a concentration distribution diagram of each contained element in the solder alloy of the present invention.
  • the alloy composition of the present invention is in a range where a coarse primary crystal ⁇ -Sn phase is crystallized, the cooling rate is not affected by the addition of a small amount of AI, and the cooling rate under solder mounting conditions is not affected. In addition, finer metal structures can be achieved.
  • the present inventors have found that despite the fact that these Sn-based solder alloys have a eutectic structure, the material structure is not refined under the mounting conditions, and a coarse primary crystal) 6-Sn phase is formed. Considering the cause of crystallization, these alloys differ from the solidification process under equilibrium conditions, and when given a certain cooling rate, the eutectic composition shifts to the higher Ag side, and the actual solidification structure changes to the eutectic composition. We noticed that it should not be.
  • the eutectic crystal of the primary crystal -Sn phase, / S -Sn phase, and Ag 3 Sn intermetallic compound crystallizes out and crystallizes in the primary crystal.
  • 8 -Sn phase is softer than the eutectic phase. However, the material strength was reduced due to the large particle size.
  • the material strength improves when the ⁇ -Sn phase crystallized in the primary crystal is refined and a uniform structure is obtained, but the structure of the conventional Sn-Ag-based alloy is controlled by controlling the eutectic composition region. Since it is difficult to make the entire surface a eutectic phase, the present inventors have conceived of forming heterogeneous nuclei in the molten metal and simultaneously crystallizing the crystals during the solidification process.
  • Al 2 0 3 from the function as generally potent heterogeneous nucleation is known, and discussed how to function as Oite heterogeneous nuclei Sn-based alloy.
  • Al 2 0 3 acts as a potent heterogeneous nucleation relative sn.
  • a latent heat phenomenon (a step due to) appears in the cooling curve due to homogeneous nucleation with large supercooling, whereas the Sn-Ag alloy
  • supercooling was suppressed, and the crystallization transformation point of the primary crystal did not appear. From this, it was understood that it functioned as a heterogeneous nucleus of AI force and nucleation was performed simultaneously and frequently.
  • the Sn-A alloy does not have a heterogeneous nuclear force during solidification, it is characterized by a large supercooling force.Therefore, in actual soldering operations, the cooling rate at which the solder solidifies depends on the conditions of each condition. When it is below, the composition shifts from the composition shown in the equilibrium diagram to the high alloy side, showing a hypoeutectic structure even with the eutectic composition, and the primary crystal jS-Sn phase with a large grain size and fine eutectic It is a mixed organization with.
  • the material structure can be refined under a wide cooling rate condition in the mounting conditions, and the Ag content can be reduced without lowering its mechanical properties.
  • the present invention it is achieved by setting the Ag content in the range of 0.1 wt% to 5 wt% and the Al content in the range of 0.1 wt% to 5.0 wto / 0 with Sn as the basic composition.
  • the minimum content of 0.1 wt% is the minimum condition for maintaining the strength of the solder material, and the maximum content of 5 wto / 0 is based on the hypoeutectic composition when the cooling rate is accelerated during mounting. This is the boundary composition in the range that transforms to the eutectic composition.
  • the minimum content of 0.1 wt ⁇ 1 ⁇ 2 is the minimum condition for adding Cu, that is, improving wettability and maintaining the material strength, and the maximum content of 3.0 wt% maintains the material strength while maintaining the melting temperature. This is the limit area where rapid rise can be suppressed.
  • the minimum content of 40wt ⁇ 1 ⁇ 2 is the limit concentration at which eutectic crystallizes out of 43wt ⁇ to reduce the strength of the material, and 50wt ⁇ 1 ⁇ 2 is the limit point for suppressing the sharp rise in melting point.
  • the minimum content of 40 wt% is the minimum condition that changes the phase structure, and 50 wt% is the minimum limit composition that suppresses the rise in melting point.
  • each of the additional elements of claim 4 has a role of improving the effect of lowering the melting point and improving the wettability.
  • Bi, Sb, and Zn are elements that lower the melting point. No effect can be obtained if the content is less than 0.1 wt ⁇ 1 ⁇ 2, and a remarkable effect cannot be expected if the concentration is less than 5 wt%. In addition, the addition of 5 wto / 0 or more results in poor wettability.
  • Ni, Cu, and Au are mixed in the molten metal during mounting because they are used as electronic component substrate materials during mounting.
  • the effect of these elements is to improve wettability.
  • the minimum content of 0.1 wt% is the minimum condition that the effect can be exhibited, and 5 wt ⁇ 1 ⁇ 2 is the limit concentration at which the effect continues. Addition of more than 5 wt% adversely affects wettability and lowers material strength.
  • Mg, La, and Ce are added as elements that strengthen the grain boundary spaces in the material structure and increase the material strength. Therefore, the minimum concentration of 0.1 wt% is the lowest content that can exhibit the effect, and 5 wt% is the limit concentration that can exhibit the effect.
  • FIGS. 1 (a), (b) and (c) show the structures (b) and (c) (photographs) of the example (a) and the comparative example solidified at the above cooling rate of 10 KZs.
  • the eutectic structure of the 8-Sn phase and the Ag 3 Sn phase was densely formed in the gap between the primary ⁇ -Sn phases. From this result, it is found that the ⁇ -Sn phase and the eutectic phase do not have a fixed area in each other. It became clear that the structure was formed with a reinforced distribution. This has great significance for improving the material strength.
  • FIG. 2 shows the relationship between the grain size of the primary ⁇ 1 Sn phase and the cooling rate of the alloys of the present invention and the comparative example.
  • Fig. 3 shows the results of measuring the concentration distribution in the structure of the alloy of the present invention in which AIO. 1 wt% was added to a hypoeutectic alloy of Sn-2. Owt% Ag.
  • the main figure in this figure can grasp the particle size of the primary ⁇ -Sn phase and the particle size and phase structure of the intermetallic compound present in the intergranular gap.
  • Ag and AI concentrations increase where Sn concentration changes from the Ag and AI concentration distributions.
  • the changes in the concentrations of Ag and AI show the same transition.
  • phase existing in the intergranular gap is an intermetallic compound different from the primary ⁇ -Sn phase. Because Ag and AI do not dissolve in the primary ⁇ -Sn phase, the above facts can be understood.
  • AI when AI is added to Sn-Ag alloy, AI has no solubility in Sn. It can be inferred to be changed to 2 0 3.
  • Alloys of the present invention the Sn-based solder alloy, the tissue by crystallizing the multiple simultaneous manner crystals formed and solidification process a heterogeneous nuclei by Ri during the melt in Al 2 0 3 which is formed by AI added Since it is miniaturized, its effect can be exerted in a wide range from the hypoeutectic composition to the Ag content with respect to Sn to the hypereutectic composition.
  • solder alloys containing elements such as Mg, La, and Ce by the same mechanism. It is possible to suppress the coarsening of the 8-—Sn phase and achieve the refinement of the microstructure. in solder alloys containing one or more of these elements, if component range, the availability of the c industry can exert the effects of the present invention together with the characteristics improvement by these containing component
  • the lead-free solder alloy material of the present invention improves the mechanical properties of the conventional Sn-Ag binary lead-free solder material and reduces the difference in solder cooling rate. Because without being affected can exhibit an improvement in refining 'mechanical properties of the material structure, high density, suitable for significant electronics soldering miniaturization of components, also an expensive A g content Because it can be reduced, it will promote its spread through cost reduction and contribute to the development of these industries.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

明 細 鉛フリーはんだ材料 技術分野
この発明は、エレクトロニクス産業における電気■電子部品の回路接続や金属部材の 接合に用いる軟ろう材、いわゆるはんだ材料であって、特に鉛を排除したいわゆる鉛フ り一はんだ材料に関する。 背景技術
はんだ材料は、エレクトロニクス産業における電子部品の接続■固定などの実装を始 めとし、電気的接続、機械的固着手段として広く用いられているが、従来からはんだと して用いられている Sn— Pb系合金は、その含有する鉛のため作業環境はもとより、使 用済みの製品の廃棄'回収に際して毒性が問題とされ、近年、これらの環境に対する 負荷を低減或いは解消するため、これらの代替材料として鉛を含まない、いわゆる鉛 フリーはんだ材料の開発が進められている。
これらのはんだ材料は、エレクトロニクス実装時にその対象とする電子部品やレジス ト材などへ熱損傷を生じない、或いは樹脂類を含有する基板などの歪を生じないことな どが要求され、このため Sn—Pb系はんだと同様に低融点であること、接続'固定部位 の強度、信頼性などが求められる。特に、最近のエレクトロニクス実装では、部品など の微細化、高密度表面実装化の進展に伴い、これらの要請は一層厳しいものとなって いる。
このため、新たな鉛フリーはんだ材料では、これらの条件に適合する融点降下と結晶 組織微細化を狙って、 Snを主成分とし、 Ag及びさらに他の成分元素を加えた共晶合 金系の組成が選択される。
これらのはんだ材料として、 Sn— Ag共晶、及び更にこれらに Cu、 Bi、 Inを個別に或 いは組み合わせて添加して、融点を降下させ、機械的特性などを向上したものが日米 欧各国で報告されている。（特開 2000- 941 81号公報、特開平 7- 51 883号公報な ど参照。 ) しかし、これらの Sn系はんだ合金は、一般に電子部品の実装におけるはんだ付けに 適用すると、共晶組成であるにもかかわらず、実際に形成された金属組織は微細な共 晶組織となり難く、通常粗大な初晶 β -Sn相が発達してこれと共晶相との 2相混合組 織となり、材料強度などの機械的特性の低下を来たすことが問題となっている。
また、このような状況下で、有力な代替はんだ材料として実用化が進められている Sn-3. OAg-O. 5Cu合金などにおいても、高価な Agの含有量が多く、原価コストが著 しく高くなることが避けられないため、含有 Ag量の低減が望まれている力 これらの組 成を変えて当初の共晶組成を外れると、意図した微細な共晶組織が得られず、所期の 機械的特性が得られない。
そしてこのような事情から、これらのはんだ合金材料においては、電子部品の実装に 際しては、フロー法、リフロー法いずれにおいても搭載した電子部品や基板も含めて加 熱され、その後冷却若し ま放冷される過程ではんだ材料の溶解'凝固が進行するが, この冷却速度は実装部品の種類や工程によって著しく異なり、このため、実装条件下 の冷却速度ではいずれも目論見とおりの共晶組織が得られず、得られた金属組織は 必ずしも均質一様な組織とならないため、品質も安定しない。
従って、本発明は、 Sn系鉛フリーはんだ材料において、
材料組織の微細化とそれによる機械的特性の向上、特に、実装条件下などの冷却速 度に影響されない、微細材料組織の形成と機械的特性の向上、 Ag含有量を低減した 亜共晶組成を含む広い成分組成範囲における、機械的特性を維持'向上することを目 的としている。 発明の開示
本発明は、 Sn-Ag二元系合金において、 AIを添加し、異質核生成を伴う凝固によつ て、材料組織を微細化した鉛フリーはんだ材料であり、さらに上記 Agを 0.1wto/o〜 5wt%、及ぴ Gu :0.1〜3.0wt%、残部 Snとした合金に、 AI :0.1〜5wt%を含有せしめて なる鉛フリーはんだ合金である。
また、上記組成に加え、 Bi :40〜60wto/o又は In :40〜50wt<½を含有せしめ、或いは、 さらに上記組成において、 Cu :0.1 ~5wto/oとし、さらに In, Bi, Ni, Au, Sb, Zn, Mg, L a, Ceから選択した元素のいずれか 1乃至 2以上を 0.1 ~5wt% 含有せしめてなる鉛 フリーはんだ材料である。 図面の簡単な説明
第 1図は、本発明のはんだ合金 (A)と比較例合金 (B)の顕微鏡写真に基づく組織拡 大図であり、第 2図は、本発明はんだ合金と比較例合金における冷却速度と結晶粒径 の関係を示した説明図、さらに、第 3図は、本発明はんだ合金における各含有元素の 濃度分布図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の合金組成は、粗大な初晶 β— Sn相が晶出する範囲にあるが、 AIが少量添 加されていることにより、冷却速度に影響されず、はんだ実装条件下の冷却速度にお し、て金属組織の微細化を達成できる。
その機構について、本発明者らは、これらの Sn系はんだ合金が共晶組織であるにも かかわらず、実装条件下では材料組織の微細化がなされず、粗大な初晶 )6— Sn相が 晶出する原因について検討し、これらの合金は平衡条件下での凝固過程と異なり、あ る冷却速度を与えると共晶組成が高 Ag側にシフトして、実際の凝固組織は共晶組成と はならないことに着目した。
その組織は、初晶 -Sn相と /S -Sn相及び Ag3Sn金属間化合物の共晶が晶出し、 初晶で晶出する) 8 -Sn相は、共晶相に比較して柔らかく、粒径も大きいために材料強 度の低下を来たしていた。
従って、初晶で晶出する β - Sn相を微細化して均一な組織が得られると材料強度も 向上するが、従来の Sn— Ag系合金では共晶の組成領域をコントロールして組織とし て全面共晶相とすることは困難であることから、本発明者らは、溶湯中に異質核を形 成し、凝固過程で同時多発的に結晶を晶出させることを着想した。
すなわち、 Sn— Ag合金溶湯に大気中で AIを添加すると一部が Al203に変化するが、
Al203は一般に強力な異質核として機能することが知られていることから、 Sn系合金に おいて異質核として機能するかを考察した。
その根拠として、 Sn と Al203結晶面での不整合度をみると、その不整合性は大きぐ
Snに対して Al203が強力な異質核として機能することが期待される。 実際に、 Sn-Ag二元系合金で得られた冷却曲線では大きな過冷却を伴って均質核 生成するために、冷却曲線に潜熱現象 (による段差)が現れるのに対し、 Sn- Ag合金に Alを添加して溶湯から凝固させて、 Sn-Ag合金に AIを添加した試料では、過冷却が抑 制され、初晶の晶出変態点も現われなかった。このことから、 AI 力異質核として機能し、 同時多発的に核生成が行われたことが解った。
Sn-A 合金は、このように凝固時に異質核力存在しないことから大きな過冷却を伴う ことが特徴である力 このため実際のはんだ付け操業においては、はんだが凝固する 冷却速度がそれぞれの条件の下にあるとき、平衡状態図に示される組成から高合金 側にシフトし、共晶組成であっても亜共晶組織を示して、粒径の大きい初晶 jS -Sn相と 微細な共晶との混在組織となるのである。
本発明においては Sn-Ag二元系合金に AIを添加することで、溶融中に AIがー部酸 素と結合して Al203となり、この Al203が異質核として機能することで、凝固時において 同時多発的に結晶を晶出させ、組織を微細化するのであって、このため、これらの Sn- Ag二元系合金の過共晶から亜共晶までの広い組成範囲にわたって、初晶として晶出 する j8 - Sn相を微細化し、材料強度などの機械的特性を向上させることができる。
このことは、同時にこれらの Sn系共晶合金において、冷却速度に依存することなく材 料組織の微細化が達成できること及び合金組成においても Agの過共晶組成から亜 共晶組成までの広い組成範囲にわたって、結晶組織を微細に制御できることを意味す る。
従って、本発明において、実装条件における広い冷却速度条件において材料組織を 微細化することができ、また、その機械的特性を低下させることなく Ag含有量を低減 することができることとなる。
以下本発明の態様を具体的に説明する。
本発明においては、 Snを基本組成として、 Ag含有量を 0.1wt%から 5wt%、 Al含有 量を 0.1wt%から 5.0wto/0の範囲とすることで達成される。
ここで、請求項 2において、
(1 )Ag含有量を 0. 1 wt%から 5wt<½とした根拠は、
最低含有量の 0. 1 wt%は、はんだ材料の強度を保つ最低の条件であり、また、最高 含有量の 5wto/0は、実装などにおいて冷却速度力加速された場合の亜共晶組成から 共晶組成に変態する範囲の境界組成である。
(2) Cu含有量について
最低含有量の 0. 1 wt<½は、 Cuの添加能力、即ち濡れ性の改善や材料強度を保つ 最低の条件であり、最高含有量の 3.0wt%は材料強度を保ち、なお溶融温度の急激な 上昇が抑えられる限界領域である。
(3) AI含有量について、
最低含有量の 0. 1 wt%は、大気中で AIが Al203に変化し、異質核として機能する最 低の条件であり、最高含有量の 5wt<½は異質核と余剰に生ずる Al203が材料の濡れ性 を損なわない限界領域である。
さらに、請求項 3において、 Bi及び Inの含有量を限定した根拠について、
(4) Bi含有量
最低含有量の 40wt<½は、共晶が 43wt<½から初晶が晶出し、材料強度を低下させる 限界濃度であり、 50wt<½は、融点の急激な上昇を抑制する限界点である。
(5) In含有量
最低含有量の 40wt%は、相構造が変化する最低の条件であり、 50wt%は融点の上 昇を抑制する最低の限界組成である。
更に、請求項 4の各添加元素については、融点低下の効果と濡れ性を改善するとい う役目がある。 In、 Bi、 Sb、 Znは融点を低下させる元素で、 0.1wt<½以下では効果が発 揮できず、また、 5wt%以上ではそれ以下の濃度より顕著な効果が期待できなし、。また、 5wto/0以上の添加では濡れ性が劣る。
Ni、 Cu、 Auは、実装時の電子部品基板材料として使用されている関係から実装時に 溶湯に混入されたりする。これらの元素の効果は、濡れ性を改善することである。
従って、最低含有量の 0.1wt%はその効果が発揮できる最低の条件であり、 5wt<½は 効果が継続する限界濃度である。 5wt%以上の添加では逆に濡れ性を損なうことと材 料強度の低下を招く。
Mg、 La、 Ceは、材料組織の粒界間隙部を強化し、材料強度を高める元素として添加 する。従って最低濃度の 0.1 wt%はその効果が発揮できる最低の含有量で、 5wt%は 効果が発揮できる限界濃度である。
これ以上の添加では、逆に金属間化合物が粗大化し、材料強度の低下を招く。 以下、具体的データによって説明する。
試料重量が合計 200gになるように（a) Sn— 2. Owto/oAg亜共晶合金を調製し、 573 Kで 1 . 8ks保持後、溶湯中に AIを含有量 0. 1 wt%となるよう添加撹袢しながら 0. 9k s保持し、冷却速度 1 0KZsから 1 30K/Sを与えて凝固させた。
比較資料として、同じく合計 200gとなるように、（b) Sn- 2. Owt%Ag及び (c) Sn— 3· 5wto/0Ag共晶合金を調製して上記と同様の条件で凝固させた。
図 1 (a)、（b)、（c)は、上記の冷却速度 1 0KZsで凝固させた実施例 (a)及び比較 例の組織 (b) , (c) (写真)である。
図中表記の都合上各含有元素の組成が masSo/0 で表記されているが、実質上 wt% と変わりはない。
(a)の AIを 0. 1 mass%添加して作成した本発明 Sn— 2. OmassO/oAg亜共晶合金 においては、初晶 β一 Sn相が一律的に微細に形成されていることが解る。
これに対して（b)及び（c)の比較例においては、 Sn— 2. Omass%Ag 及び Sn— 3. 5mass%A 共晶合金の組織は、初晶 jS— Sn相が粗大化して形成され、その間に共 晶組織力微細に晶出している。これらの組織における初晶^一 Sn相の粒径はその図 中に挿入した 1 0〃 m及び 50〃 mのスケールから明らかなように、本発明の初晶^— Sn相に比較して 1 0倍以上に及び、顕著な相違が見られる。
このように、初晶 β -Sn相間の間隙部には) 8 -Sn相と Ag3Sn相の共晶組織が密に形 成していた。この結果より、初晶) β—Sn相と共晶相がお互いに一定のエリアを持つ組 織形態ではな《初晶 β一 Sn相粒径が微細化したことによって、共晶相が粒界分布を 補強した組織形成となっていることが明らかとなった。このことは、材料強度の向上にと つて大きな意味を有する。
図 2に上記の本発明及び比較例の合金の初晶^一 Sn相の粒径と冷却速度の関係 を示す。
比較例の (b)Sn— 2.0mass%Ag亜共晶合金、及び (c)の Sn-3.5mass%Ag共晶合金で は、いずれも冷却速度力 1 OK/s 力、ら 1 30K/sへと大きくなるにつれて 40 mから 20 β m程度へと粒径力微細化する傾向が顕著に表れている力 本発明の合金において は冷却速度が 1 OK/s から 1 30K/Sの範囲でも 6〜7 m程度の極めて微細な粒径を 維持してフラットであり、殆ど冷却速度に依存しないことが解る。この図において、実装 条件下で見られる冷却速度 (2kZsから 1 0KZs)においては、本発明の合金の粒径 は比較例合金のものの 1 7であり、著しく微細化された。
図 3に、 Sn-2. Owt%Agの亜共晶合金に AIO. 1 wt%添加した本発明合金の組織 内の濃度分布を測定した結果を示す。
この図の主眼は、濃度分布を測定することによって初晶^ - Sn相の粒径や粒界間隙 部に存在する金属間化合物の粒径や相構造を把握できる。
Sn相の濃度組成を見ると濃度が急激に低下している場所が粒界間隙部に対応し、 濃度が高い部分が初晶 β "Sn相である。
Ag及び AIの濃度分布から Sn濃度が変化した場所で Agおよび AIの濃度が上昇し ている。また、 Ag及び AIの濃度変化は同じ推移を示している。
従って、粒界間隙部に存在する相は、初晶 β -Sn相とは違った金属間化合物である ことが解る。なぜなら、初晶 β -Sn相中には Ag及び AIは溶解しないので、このことカゝ らも上記のことが解る。
以上のことから、 Sn— Ag合金に AIを添加すると AIは Sn中に溶解度がな《 Agと結 合して粒界間隙部に金属間化合物を形成するか、大気中の空気と接して Al203に変化 することが推察できる。
本発明の合金は、 Sn系はんだ合金において、 AI添加によって形成された Al203によ り溶湯中に異質核を形成して凝固過程で同時多発的に結晶を晶出させることによって 組織を微細化するものであるから、 Snに対する Ag含有量力亜共晶組成から過共晶組 成までの広い範囲においてその効果を発揮できる。
また、その他の含有成分についても、従来から Sn系はんだ合金に対して融点降下 やはんだ材料としての濡れ性の向上や材料強度を保っために添加された Cu、 Bi、 In, 或いは、 Ni、 Au、 Mg、 La、 Ceなどの元素を含むはんだ合金に対しても同じメカニズムに よって初晶) 8— Sn相の粗大化を抑制して、組織の微細化を達成できるのであって、上 記の成分範囲であればこれらの元素を 1又は 2以上を含有するはんだ合金において、 これらの含有成分による特性向上と併せて本発明の作用効果を発揮することができる c 産業上の利用可能性
以上のとおり、本発明の鉛フリーはんだ合金材料は、従来の Sn— Ag二元系鉛フリー はんだ材料における機械的特性を向上すると共に、はんだ冷却速度の相違に対して 影響されずに材料組織の微細化'機械的特性の向上を発揮することができるため、高 密度化、部品の微細化の著しいエレクトロニクスはんだ実装に適しており、また、高価 な Ag含有量を低減できるためコスト低減などを通して、その普及を図り、これらの産業 の発展に寄与するものである。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . Sn-Ag二元系合金において、 AIを添加し、異質核生成を伴う凝固によって、材料 組織を微細化した鉛フリーはんだ材料。
2.上記 Agを 0.1 wt%~5wt%、さらに Cu :0.1〜3.0wto/o、残部 Snからなる合金に、 AI :0.1〜5wto/o含有せしめてなる請求項 1記載の鉛フリーはんだ合金。
3.上記組成に加え、 Bi :40〜60wto/o又は In :40~50wto/oを含有せしめてなる、請求項 1乃至 2記載の鉛フリーはんだ材料。
4.上記組成において、 Cu :0.1〜5wt%とし、さらに In, Bi, Ni, Au, Sb， Zn, Mg, La, Ceから選択した元素のいずれか 1乃至 2以上を 0.1〜5wt% 含有せしめてなる請求 項 1乃至 2記載の鉛フリーはんだ材料。
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