(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状、線状、プリフォ−ム状、やに入りはんだの何れかであり、Ａｇが０．５〜３．５重量％、Ｂｉが３．０〜５．０重量％、Ｃｕが０．５〜２．０重量％、Ｓｂが０．５〜２．０重量％、残部がＳｎからなることを特徴とする電子部品実装用無鉛はんだ。
【請求項２】
請求項１記載のはんだの組成にＰまたはＧａが０．５重量％以下添加されていることを特徴とする電子部品実装用無鉛はんだ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント回路基板に電子部品を実装する場合に使用する無鉛はんだに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリント回路基板への電子部品の実装には、フロ−法またはリフロ−法が使用されている。すなわち、電子部品をプリント回路基板に仮固定し、フラックスを塗布し、次いで、はんだ浴に浸漬させて溶融はんだを付着させ、この付着はんだを冷却・凝固させる方法（フロ−法）、または電子部品をプリント回路基板にクリ−ムはんだで仮固定し、加熱炉に通してクリ−ムはんだを溶融・凝固させる方法（リフロ−法）が使用されている。
従来、上記フロ−法及びリフロ−法でのはんだには、Ｓｎ−Ｐｂ系のはんだが主に使用されてきたが、Ｐｂは毒性の強い重金属である。
近来、環境問題が地球規模で取り上げられ、鉛についても生態系への悪影響や汚染が問題視されつつあり、はんだの無鉛化が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電子部品の実装に使用する無鉛はんだとして、「Ａｇが２．５〜３．０重量％、Ｂｉが１．０〜２．０重量％、Ｃｕが１．０重量％、Ｓｂが１．０〜２．０重量％、残部がＳｎからなるはんだ合金」が提案されている（特開平７−８８６８０号公報の段落〔００２９〕）。
【０００４】
周知の通り、２種以上の元素が混じり合って固相を形成する形態は、固溶体と化合物であり、合金の特性は、固溶体の種類及び結晶粒の形と大きさ、金属間化合物の種類、粒子の大きさ、分布状態等のミクロ組織の状態によって異なる。
上記無鉛はんだ合金において、ＢｉやＳｂはＳｎとで固溶体を形成し、ＡｇやＣｕはＳｎとで金属間化合物を形成し、その固溶体や金属間化合物のミクロ組織の状態によって一定の温度的特性や機械的特性が呈される。
【０００５】
上記特開平７−８８６８０号公報には、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｂ等の個々の元素の添加理由の開示はない。
一般にはんだ合金において、Ｂｉは、はんだ融点の低下に有効であるが、Ｂｉを溶質とする固溶体は脆く、機械的強度上、Ｂｉ添加量の増大は不利であると認識されている。
しかしながら、本発明者は、上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｓｂ系はんだにおいては、Ｂｉ添加量を３〜５重量％にすれば、３重量％以下の場合に較べて機械的強度を大幅に増加できることを知った。
【０００６】
本発明の目的は、かかる知見に基づきＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｓｂ系はんだにおいて、低融点を保持しつつ機械的強度を大幅に増加できる電子部品用の無鉛はんだ合金を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子部品実装用無鉛はんだは、棒状、線状、プリフォ−ム状、やに入りはんだの何れかであり、Ａｇが０．５〜３．５重量％、Ｂｉが３．０〜５．０重量％、Ｃｕが０．５〜２．０重量％、Ｓｂが０．５〜２．０重量％、残部がＳｎからなることを特徴とし、酸化防止を図るためにＰまたはＧａを０．５重量％以下添加することが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る無鉛はんだ合金において、Ｓｎを基材とする理由は、毒性が極めて少なく、母材に対する優れた濡れ性を付与でき、産出量も安定であり、安価であることによる。
【０００９】
本発明において、Ａｇを添加する理由は、はんだの融点をＳｎの融点以下とすると共に、生成する金属間化合物であるＡｇ Ｓｎを緻密に分散させることによる機械的強度、特に引張り強度の向上を得るためである。その添加量を０．５〜３．５重量％とした理由は、０．５重量％以下では、はんだ融点の低下に殆ど寄与するところが無く、機械的強度の向上も満足に達成し得ず、３．５重量％以上では、液相線温度が高くなり過ぎるばかりかＡｇ３Ｓｎ金属間化合物初晶の晶出量が過剰となり、機械的特性、特に伸び特性が低下し脆くなり、また、表面からＡｇ３Ｓｎがウイスカとなって突き出すためにショ−トサ−キット発生の畏れがあるからである。
【００１０】
本発明において、Ｃｕを添加する理由は、はんだの融点を低下させるばかりでなくＡｇとの相乗効果により機械的特性を更に向上させるためである。その添加量を０．３〜２．０重量％とした理由は、０．３重量％以下では融点の低下及び機械的強度の向上に殆ど寄与させ得ず、２．０重量％以上では、液相線温度が高くなり過ぎるばかりかＳｎ−Ｃｕ金属間化合物が多量に発生しかえって機械的強度が低下するからである。
【００１１】
本発明において、Ｂｉを添加する理由は、機械的強度の大幅な増加とはんだ融点の低下を達成するためである。その添加量を３．０〜５．０重量％とした理由は、３．０重量％以下では機械的強度の大幅な増加が得られないと共に融点の低下が僅少にとどまり、５．０重量％以上ではＳｎとの固溶体の多量発生により低温部に共晶点が出現し、使用環境温度がこの共晶点温度に近づいたときに組織の粗大化、伸び特性の劣化が招来され、ひいては、はんだ付け接合部のクラック発生が懸念されるからである。
【００１２】
本発明において、Ｓｂを添加する理由は、Ｓｎ中に緻密分散の固溶体を形成させ、はんだの機械的強度を向上させると共に接着強度を増強させるためである。その添加量を０．５〜２．０重量％とした理由は、０．５重量％以下では、機械的強度の向上が殆ど得られず、また２．０重量％以上では液相線温度が高くなり過ぎるばかりか、流動性が低下しはんだ付け不良が発生し易くなり、伸び特性も低下してはんだ付け接合部のクラック発生が懸念されるからである。
【００１３】
本発明において、ＰまたはＧａを添加する理由は、はんだ溶融時にこれらの元素が優先的に酸化して他の元素の酸化を防止し、溶融はんだ表面に浮いて巻き込まれることがなく、酸化による合金組成の変動を排除するためであり、その添加料を０．５重量％以下とした理由は、これ以上では高価となるばかりか、はんだの脆弱化が招来されるからである。
本発明においては、上記以外の元素を、ＪＩＳ  Ｚ−３２８２に規定されているＡ級の範囲内で不純物として含んでいてもよい。（但し、Ｐｂは０．１０重量％以下）
【００１４】
本発明に係る無鉛はんだ合金は、フロ−法でのはんだ浴として好適に使用される。
【００１５】
棒状、線状、プリフォ−ム状、やに入りはんだの形態で使用することもできる。
【００１６】
【実施例】
〔実施例１〜３〕
表１に示す組成の無鉛はんだを調整した。
各実施例品について、固相線温度、液相線温度及びエ−ジング前後の機械的特性（引張り強度、伸び率）を測定したところ、表１の通りであった。
なお、機械的特性は、ＪＩＳ  Ｚ−２２０１の４号に規定されている試験片を調整し、ロ−ドセル式万能試験機を使用し、引張り速度５ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度２５℃にて測定し、エ−ジングは１５０℃にて１００時間とした。。
【００１７】
表１
実施例１      実施例２      実施例３
Ａｇ（重量％）      ３．４        ３．４        ３．４
Ｂｉ（重量％）      ３．０        ４．０        ４．８
Ｃｕ（重量％）      ０．６        ０．６        ０．６
Ｓｂ（重量％）      ０．６        ０．６        ０．６
Ｓｎ（重量％）      残部          残部          残部
固相線温度（℃）    ２０９        ２０７        ２０６
液相線温度（℃）    ２２５        ２２３        ２２１
初期引張強度
（kgf/mm２）         ８．８        ９．２        ９．８
エ−ジング後
引張強度（kgf/mm２）７．６        ９．８      １０．３
初期伸び率(%)     １４．４      １５．０       １５．５
エ−ジング後
伸び率(%)         １８．９      １７．２       １６．５
【００１８】
〔比較例１及び２〕
表２に示す組成の無鉛はんだを調整した。実施例と同様、固相線温度、液相線温度及びエ−ジング前後の機械的特性（引張り強度、伸び率）を測定したところ、表２の通りであった。
【００１９】
表２
比較例１      比較例２
Ａｇ（重量％）      ３．４        ３．４
Ｂｉ（重量％）      ２．０        ６．０
Ｃｕ（重量％）      ０．６        ０．６
Ｓｂ（重量％）      ０．６        ０．６
Ｓｎ（重量％）      残部          残部
固相線温度（℃）    ２１９        ２００
液相線温度（℃）    ２３０        ２１２
初期引張強度
（kgf/mm２）         ７．８        ９．２
エ−ジング後
引張強度（kgf/mm２） ６．５        ９．８
初期伸び率(%)       ９．４        ８．２
エ−ジング後
伸び率(%)           ８．２        ３．２
【００２０】
〔実施例４〕
表３に示す組成の無鉛はんだを調整した。
各実施例品について、上記と同様に固相線温度、液相線温度及びエ−ジング前後の機械的特性（引張り強度、伸び）を測定したところ、表３の通りであった。
〔比較例３〕
表３に示す組成の無鉛はんだを調整した。固相線温度、液相線温度及びエ−ジング前後の機械的特性（引張り強度、伸び）を測定したところ、表３の通りであった。
【００２１】
表３
実施例４      比較例３
Ａｇ（重量％）      ３．０        ３．０
Ｂｉ（重量％）      ４．８        ２．０
Ｃｕ（重量％）      ０．６        ０．６
Ｓｂ（重量％）      ０．６        ０．６
Ｓｎ（重量％）      残部          残部
固相線温度（℃）    １９９        ２１６
液相線温度（℃）    ２２０        ２２８
初期引張強度
（kgf/mm２）        １０．１        ７．９
エ−ジング後
引張強度（kgf/mm２）１０．２        ６．８
初期伸び率(%)      １２．０        ９．２
エ−ジング後
伸び率(%)          １２．０        ８．３
【００２２】  なお、上記実施例及び比較例の何れにおいても、組成の元素以外の不純物をＪＩＳ  Ｚ−３２８２に規定されたＡ級の範囲内で含んでいる。
また、各実施例のそれぞれに対し、Ｐを１００ppm、またはＧａを０．３重量％添加してエ−ジング前後の機械的特性（引張り強度、伸び）を測定したところ同様の結果が得られ、かつ、Ｐ、Ｇａ添加による酸化抑制効果を確認できた。
【００２３】
実施例においては、上記実施例と比較例との対比から明らかなように、Ｂｉが２．０重量％の比較例１、３に較べて著しく優れた引張り強度を呈し、Ｂｉが６重量％の比較例２に較べて著しく優れた伸び率を呈し、特にエ−ジングによる伸び率の低下がなく、加熱に対する安定性を保証できる有利性がある。
本発明において、好適な実施形態は３．０重量％＜Ａｇ≦３．５重量％、３．０重量％＜Ｂｉ≦５．０重量％、０．５重量％≦Ｃｕ＜１重量％、０．５重量％≦Ｓｂ＜１重量％、残部Ｓｎである。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る無鉛はんだ合金は、公知の「Ａｇ２．５〜３．０重量％、Ｂｉ１．０〜２．０重量％、Ｃｕ１．０重量％、Ｓｂ１．０〜２．０重量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金」に対し、Ｂｉを３．０〜５．０重量％と増加すると、意外にも機械的強度が大幅に増加することを知見してＢｉの添加量を増量しており、液相線温度を更に降下させて機械的強度を有効に増大でき、プリント回路基板への電子部品のフロ−法またはリフロ−法による実装に使用する無鉛はんだとして極めて有用である。