(57)【要約】【課題】線はんだや棒はんだの製造に有利な特性であるはんだ合金材料自体の伸びを改善し、特殊な方法によらずとも容易に鉛フリーはんだ加工物の製造を可能ならしめる、鉛フリーはんだ合金を提供する。【解決手段】原料を溶融させ、溶融状態の原料を揺動させ液相の溶質元素濃度分布の均一化を図りながら凝固させることで得られる、高延性鉛フリーはんだ合金。この高延性鉛フリーはんだ合金は、共晶相において長さ５μｍ以上の針状晶を有し、初晶β−Ｓｎ相が等方的結晶粒からなり、デンドライトを含まない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共晶相において長さ５μｍ以上の針状晶を有し、初晶β−Ｓｎ相が等方的結晶粒からなることを特徴とする高延性鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
前記鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金、またはＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金であることを特徴とする、請求項１に記載の高延性鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
前記鉛フリーはんだ合金の組成は、
Ｓｎ−（３．０〜４．０重量％）Ａｇ、
Ｓｎ−（３．０〜４．０重量％）Ａｇ−（０．５〜０．７重量％）Ｃｕ、
Ｓｎ−（２．０〜３．０重量％）Ａｇ−（０．８〜１．２重量％）Ｂｉ−（２．５〜２．９重量％）Ｉｎ、
Ｓｎ−（２．０〜３．０重量％）Ａｇ−（０．８〜１．２重量％）Ｂｉ−（０．３〜０．７重量％）Ｃｕ、
Ｓｎ−（５２〜６２重量％）Ｂｉ、
Ｓｎ−（５２〜６２重量％）Ｂｉ−（０．８〜１．２重量％）Ａｇ、
Ｓｎ−（７．０〜８．０重量％）Ｂｉ−（１．８〜２．２重量％）Ａｇ−（０．３〜０．７重量％）Ｃｕ、
Ｓｎ−（８．０〜１０．０重量％）Ｚｎ、
Ｓｎ−（７．０〜９．０重量％）Ｚｎ−（２．８〜３．２重量％）Ｂｉ、
または
Ｓｎ−（０．５〜０．９重量％）Ｃｕ、
であることを特徴とする、請求項１または２に記載の高延性鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の高延性鉛フリーはんだ合金を製造する方法であって、原料を溶融させ、溶融状態の前記原料を揺動させながら凝固させることを特徴とする高延性鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項５】
溶融状態の前記原料を毎分５０〜１５０回の揺動数で揺動させることを特徴とする、請求項４に記載の高延性鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項６】
溶融状態の前記原料を揺動させることで液相の溶質元素濃度分布の均一化を図ることを特徴とする、請求項４または５に記載の高延性鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項７】
溶融状態の前記原料を揺動させながら凝固させることで、得られる鉛フリーはんだ合金中のデンドライト発生を阻止することを特徴とする、請求項４乃至６の何れか一項に記載の高延性鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大きな伸びを示す即ち高延性の鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に関するものである。この高延性鉛フリーはんだ合金は、特に棒状または線状の鉛フリーはんだ等の鉛フリーはんだ加工物を製造するのに適する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境や人の健康を守ることを目的に、鉛をほとんど含まない所謂鉛フリーのはんだ合金およびそれを用いて特定の形状たとえば棒状または線状等に加工して得られる棒はんだまたは線はんだ等の鉛フリーはんだ加工物の使用が義務付けられ（ＲｏＨＳ指令等）、従来のＳｎ−Ｐｂはんだ合金およびＳｎ−Ｐｂはんだ加工物は使用が制限されている。
【０００３】
このような鉛フリーはんだ合金およびその加工物（以下、単に「鉛フリーはんだ」ということがある）の使用に伴い、種々の問題が表面化している。そのひとつが、鉛フリーはんだ合金は、伸びが小さく、線はんだまたは棒はんだに加工する際の細線化が困難となりやすい。
【０００４】
そのような難加工性の鉛フリーはんだ合金を用いてフラックス入り線はんだを製造する方法が、特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法で線はんだを製造する際には、難加工性はんだ合金を長さ方向にフラックスを入れる溝を有する細長い薄板はんだを形成し、該溝にフラックスを入れて、溝の開口を閉じるという複雑な工程が必要となる。また、工程の複雑化に伴い、コスト高となる問題点がある。
【０００７】
従って、本発明は、線はんだや棒はんだの製造に有利な特性であるはんだ合金材料自体の伸びを改善し、特殊な方法によらずとも容易に鉛フリーはんだ加工物の製造を可能ならしめる、鉛フリーはんだ合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、種々検討した結果、鉛フリーはんだ合金の組織において、共晶組織が粗大になるようにし、デンドライト（樹枝状晶）を晶出させないようにすることにより、上記目的を達成できることを知見した。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、下記のはんだ合金及びその製造方法を提供するものである。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
共晶相において長さ５μｍ以上の針状晶を有し、初晶β−Ｓｎ相が等方的結晶粒からなることを特徴とする高延性鉛フリーはんだ合金、
が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、
以上のような本発明の高延性鉛フリーはんだ合金を製造する方法であって、原料を溶融させ、溶融状態の前記原料を揺動させながら凝固させることを特徴とする高延性鉛フリーはんだ合金の製造方法、
が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のはんだ合金は、その組織において初晶β−Ｓｎ相が等方的結晶粒からなるものでありデンドライトを含まず、共晶組織が粗大であるため、伸びが大きい。
【００１３】
また、本発明のはんだ合金の製造方法によれば、凝固過程で揺動を加えるという比較的簡単な工程で、はんだ合金の金属組織を改良でき、容易に伸びの大きなはんだ合金を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】比較例１で製造した、はんだ合金の断面組織を示す図である。
【図２】本発明のはんだ合金の断面組織を示す図である。
【図３】比較例１で製造した、はんだ合金の引張試験を行った時の、荷重−変位曲線を示す図である。
【図４】本発明のはんだ合金の引張試験を行った時の、荷重−変位曲線を示す図である。
【図５】本発明のはんだ合金の製造に使用される揺動炉の動作を説明するための模式図である。
【図６】はんだ合金の引張特性を測定するための引張試験片を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のはんだ合金およびその製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
先ず、図１に、従来の溶融凝固法（重力鋳造法）により製造した、はんだ合金の断面組織を示す。このはんだ合金の組成は、Ａｇ：３．０重量％、Ｃｕ：０．５重量％、残部Ｓｎである。ここで、広い面積を占める白色部分は、初晶β−Ｓｎがデンドライトとして晶出した部分である。このように、連続した初晶β−Ｓｎのデンドライトが、はんだ合金組織の広い領域に広がると、軟らかく伸びの小さいβ−Ｓｎの力学的特性が、はんだ合金全体の特性を支配してしまう。従って、このように、初晶β−Ｓｎがデンドライトとして晶出したはんだ合金は、後述のように伸びが小さい（図３参照）。
【００１７】
次に、図２に、本発明の一実施形態の鉛フリーはんだ合金の断面組織を示す。このはんだ合金の組成は、Ａｇ：３．０重量％、Ｃｕ：０．５重量％、残部Ｓｎである。ここで、白色部分は、初晶β−Ｓｎ相が等方的結晶粒として晶出したものでありデンドライトを含んでいない。更に、共晶相の組織は、粗大であり、長さ５μｍ以上の針状晶を有する。ここで、「針状晶」とは、光学顕微鏡で断面観察する場合に針状に見える析出物のことであり、この針状に見える析出物は実際には板状をなす。また、針状晶の長さは、光学顕微鏡で断面観察する場合に測定される長さである。共晶相において観察される針状晶の半数以上は長さ５μｍ以上である。
【００１８】
本実施形態のはんだ合金は、亜共晶組織を有する。つまり、組織的には、デンドライトを含まない初晶β−Ｓｎと粗大な共晶組織とが混在するものである。これによれば、はんだ合金の伸びは、後述のように著しく大きくなる（図４参照）。
【００１９】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、上記実施形態に示されるＳｎ−Ａｇ系はんだ合金以外に、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金、およびＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金が挙げられる。
【００２０】
本発明の鉛フリーはんだ合金の組成としては、
Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金では、
Ｓｎ−（３．０〜４．０重量％）Ａｇ、
Ｓｎ−（３．０〜４．０重量％）Ａｇ−（０．５〜０．７重量％）Ｃｕ、
Ｓｎ−（２．０〜３．０重量％）Ａｇ−（０．８〜１．２重量％）Ｂｉ−（２．５〜２．９重量％）Ｉｎ、
Ｓｎ−（２．０〜３．０重量％）Ａｇ−（０．８〜１．２重量％）Ｂｉ−（０．３〜０．７重量％）Ｃｕ、
Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金では、
Ｓｎ−（５２〜６２重量％）Ｂｉ、
Ｓｎ−（５２〜６２重量％）Ｂｉ−（０．８〜１．２重量％）Ａｇ、
Ｓｎ−（７．０〜８．０重量％）Ｂｉ−（１．８〜２．２重量％）Ａｇ−（０．３〜０．７重量％）Ｃｕ、
Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金では、
Ｓｎ−（８．０〜１０．０重量％）Ｚｎ、
Ｓｎ−（７．０〜９．０重量％）Ｚｎ−（２．８〜３．２重量％）Ｂｉ、
Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金では、
Ｓｎ−（０．５〜０．９重量％）Ｃｕ、
が例示される。
【００２１】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、亜共晶組織を有するものであり、組織的には、初晶β−Ｓｎと共晶組織とが混在するものである。特に、本発明の鉛フリーはんだ合金は、初晶β−Ｓｎ相が等方的結晶粒からなる。等方的結晶粒からなることは、デンドライトを含まないことを意味する。この意味で、本発明の鉛フリーはんだ合金は、初晶β−Ｓｎ相がデンドライトとして晶出していないものからなることを特徴とする。本発明の鉛フリーはんだ合金は、共晶相において長さ５μｍ以上の針状晶を有し、共晶相の組織が粗大である。
【００２２】
即ち、本発明の鉛フリーはんだ合金は、共晶組織において長さ５μｍ以上の針状晶を有しデンドライトを含まない。つまり、この組織では、図１に存在しているデンドライトは存在しない。また、共晶組織も粗大である。熱力学的な平衡状態の考察のみからは、デンドライトに成長していない初晶β−Ｓｎと粗大な共晶相とが混在する組織は存在し得ないことが導出される。従って、本発明の鉛フリーはんだ合金の金属組織は、一般的な熱力学的考察からは、得られない組織であることが明らかである。このように、本発明の鉛フリーはんだ合金は、図１に示したような軟質の初晶β−Ｓｎが連続したデンドライトを形成していないため、初晶β−Ｓｎの形態による、はんだ合金の力学的特性の支配は少なく、また、共晶組織も粗大であるため、伸びの大きな、はんだ合金が得られる（図４参照）。尚、本発明において「伸びが大きいこと」すなわち「高延性であること」は、伸びの値が３０％以上であることを指すものとする。
【００２３】
以上のような本発明の鉛フリーはんだ合金は、たとえば、次のようにして製造される。
【００２４】
図５には、本発明による鉛フリーはんだ合金製造方法の実施に使用される揺動炉の構成が示されている。電気炉を水平方向軸（図５の紙面と垂直の方向の軸）の周りに回動可能に支持し、該水平方向軸に固定された揺動腕とモーターの回転板とを連接棒により連結している。モーターを矢印方向に回転させることで、その回転板に取り付けられた連接棒から揺動腕を介して伝達される駆動力により、水平方向軸が２つの矢印方向に交互に回転し（即ち揺動し）、かくして電気炉が揺動する。揺動の角度範囲は、モーター回転板から電気炉水平方向軸までの駆動力伝達系の特性に応じて、決定される。
【００２５】
まず、溶融および凝固により目的とする鉛フリーはんだ合金の組成が得られるような原料組成物を秤量し、該原料をたとえばアンプル管に真空封入した上で、図５の揺動炉内にセットし、加熱により昇温し、原料を溶融させ、その後、冷却する。昇温速度はたとえば２℃／ｍｉｎとし、原料が溶融状態となる温度たとえば８００℃で適宜の時間たとえば５時間にわたって温度を維持する。この温度維持の開始後たとえば３０分後経過後から揺動炉を揺動させる。揺動条件は、たとえば、上述の揺動機構において、１分間に左右に５０〜１５０回揺動させるものとすることができる。降温速度はたとえば２℃／ｍｉｎとすることができる。揺動は、原料の凝固が完了するまで、連続的に付与する。
【００２６】
以上のようにして得られる凝固体が本発明の鉛フリーはんだ合金である。この凝固体を切断し、研磨した後、光学顕微鏡にて組織を観察すると、図２に示されるようなものが得られる。この凝固体の組織においては、等方的な初晶β−Ｓｎの固まり（結晶粒）が存在し、その間を粗大な共晶組織が取り囲んでいる。
【００２７】
本発明の鉛フリーはんだ合金において、組織中にデンドライトが晶出しない原因は、定性的には次のように考えることができる。
【００２８】
即ち、はんだ合金原料を、溶融状態から凝固終了まで揺動を付与して溶融凝固させると、凝固初期に液相にできる結晶核が等方的になり、固液界面が平滑に成長するためであると考えられる。これは、揺動の効果により、液相中全体にて、溶質元素分布が一定となったことにより、固液界面に組成的過冷が生じないためである。すなわち、本発明による鉛フリーはんだ合金製造方法では、溶融状態の原料を揺動させながら凝固させることで、得られる鉛フリーはんだ合金中のデンドライト発生を阻止する。
【００２９】
一方、従来の重力鋳造法によれば、固液界面に溶質元素の濃化が生じ、固液界面に組成的過冷が生じる。この過冷により、固相は特定方向に結晶成長する。このため、特定の方向性を持つデンドライトが成長するものと考えられる。
【００３０】
本願発明において、原料を揺動させながら凝固を進行させる方法には、特に制限はなく、凝固の進行中に、上記のような液相の溶質元素濃度分布の均一化を図るため、液相（融体）に揺動を付与すれば良い。この目的を達成できる溶融炉であれば、特に制限はない。例えば、図５に関し説明したような液相（融体）を揺らす炉の構造であればよい。または、大量に原料を溶融凝固させるには、ロータリーキルンのような構造の炉を用いて、液相（融体）を凝固終了まで揺動させることも出来る。
【００３１】
上記の特徴を有する伸びの大きい鉛フリーはんだ合金を用いれば、インゴットからの線材化は容易であり、支障なく、線はんだまたは棒はんだ等のはんだ加工物が得られる。線材化に際しては、上記製造方法により得られた鉛フリーはんだ合金インゴットを、高い圧力の油圧プレスにより押し出して、棒はんだまたは線はんだに加工する。また、線径が３ｍｍ以下の場合には、伸線機を用いて加工することができる。
【実施例】
【００３２】
次に、本発明をさらに具体的に説明するために実施例を挙げるが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３３】
［実施例１］
まず、重量比で、Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕとなるように、各原料金属Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕを秤量した。これらの原料をアンプル管に真空封入し、揺動炉（図５）にセットした。これを、８００℃で５時間溶融した。この時、８００℃までの昇温速度は２℃／ｍｉｎとし、溶融キープ後の降温速度は２℃／ｍｉｎにコントロールした。揺動は、溶融キープに入って３０分経過後から冷却終了まで連続的に付与した。得られた凝固体を切断し、研磨後、光学顕微鏡にて、組織を観察した。その結果は図２に示すとおりであった。これより、この凝固体の組織は、等方的な初晶β−Ｓｎの固まりが存在し、その間を粗大な共晶組織が取り囲んでいることが、明らかとなった。
【００３４】
この凝固体から、図６のような引張試験片を作製し、引張強度と伸びを測定した。この時、引張速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ、ひずみ速度は３．４７×１０−４／ｓ、使用装置はＯＲＩＥＮＴＥＣ  ＲＴＣ−１１５０Ａ、にて試験した。また、引張試験片は、加工ひずみ除去の目的で、試験前に１００℃で３０分の熱処理を加えた。
【００３５】
引張試験の結果は、図４に示すとおりであった。力学的特性値は表１に示すとおりであった。これらの結果より、本実施例の鉛フリーはんだ合金は、力学的特性において優れたものであることが実証され、特に伸びにおいて、後述の比較例１のものと比べ２倍の値を示した。
【００３６】
また、本実施例で得られたインゴットを高い圧力の油圧プレスにより押し出し、線はんだおよび棒はんだに加工したが、加工において問題はなかった。
【００３７】
［比較例１］
実施例１と同様の原料を平型の黒鉛ルツボに入れ、真空炉を用い、４００℃で２時間溶融した。この時、昇温速度は６．７℃／ｍｉｎとし、降温速度は炉冷とした。
【００３８】
得られた凝固体を切断し、研磨後、光学顕微鏡にて、組織を観察した。その結果は図１に示すとおりであった。これより、広い面積を占める、白色部分の初晶β−Ｓｎがデンドライトとして晶出しており、その間に比較的細かな共晶相が存在しているのが、明らかとなった。
【００３９】
この凝固体から、実施例１と同様な方法により、引張強度及び伸びを測定した。その結果は図３に示すとおりであった。また、力学的特性は、表１に示すとおりであった。これより、伸びが低いことが、明らかとなった。
【００４０】
また、本比較例で得られた鉛フリーはんだ合金を用いて、伸線機加工により線はんだを得ようとしたが、伸びが小さく、断面減少率を大きくすると、加工が不可能であった。
【００４１】
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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