(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
７．０〜１０．０質量％の亜鉛（Ｚｎ）、０．２５〜０．５質量％の銀（Ａｇ）、０．０１〜０．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．１〜４．０質量％のガリウム（Ｇａ）、及び残りはすず（Ｓｎ）から構成される、鉛を含まないはんだ合金。
【請求項２】
ガリウム（Ｇａ）の含量が０．２５〜０．５質量％である、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
ガリウム（Ｇａ）の含量が０．５〜２．０質量％である、請求項１に記載のはんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含まないはんだ合金、特にＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ−Ａｌからなる４元素系の鉛を含まないはんだ合金及びＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ−Ａｌ−Ｇａからなる５元素系の鉛を含まないはんだ合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工業的には知られていることであるが、具体的なはんだ用の合金材料の主成分はＰｂ−Ｓｎ系合金である。鉛は人体に有害であり、環境汚染を引き起こす可能性がある。したがって、鉛を含まないはんだ用の材料の研究が急務である。Ｓｎ−Ａｇ系の共融合金は、公知のＰｂ−Ｓｎ系の共融合金に比してより高い引張り強さを有するが、Ｐｂ−Ｓｎ系合金の融点（１８３．５℃）にくらべてかなり高い、約２２１℃という高い融点を有している。したがって、このような合金は、設備のコストの増加を伴うであろう。さらに、高温であると、電気素子の損傷を引きやすい問題も存在する。以下に記載されるような多くの特許において、少量の他の合金成分、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ及びＳｂを添加して、Ｓｎ−Ａｇ系の共融合金を主に構成する３元素系、４元素系または５元素系合金とすることによって、Ｓｎ−Ａｇ系の共融合金の融点を下げる試みがなされてきた。場合によっては、融点が依然として２００℃を超えていた。また、たとえ多量のＢｉ及びＩｎを添加することによって合金の融点を下げることができても、合金のコストが劇的に上がってしまう問題が生じる。このような合金としては、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金が、米国特許第５，５２７，６２８号（１９９６年）に；Ｓｎ−Ａｇ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金が、米国特許第５，９９３，７３６号（１９９９年）に；Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系合金が、米国特許第５，９５８，３３３号（１９９９年）、米国特許第５，８４３，３７１号（１９９８年）、及び米国特許第５，６５８，５２８号（１９９７年）に；Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｉｎ系合金が、米国特許第５，９１８，７９５号（１９９９年）に；Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｂ系合金が、米国特許第５，７３３，５０１号（１９９８年）に；ならびにＳｎ−Ａｇ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金が、米国特許第５，７６２，８６６号（１９９８年）に、それぞれ、開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、上記問題を解消することを目的とするものであり、公知のＰｂ−Ｓｎ系共融合金に匹敵するまたはより良好な機械的特性（例えば、引張り強さ及び伸び率）を有し、低コストであり、かつ２００℃未満の、特にＰｂ−Ｓｎ系共融合金の融点（１８３．５℃）より低い融点を有する、鉛を含まないＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金を提供することを目的とする。このような鉛を含まないＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金は、ＩＣ封入素子(IC encapsulation element)の損傷を防止することができる。
【０００４】
本発明の他の目的は、高い湿潤力を有する、鉛を含まないＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記諸目的は、下記（１）〜（３）によって達成される。
【０００６】
（１）  ７．０〜１０．０質量％の亜鉛（Ｚｎ）、０．２５〜０．５質量％の銀（Ａｇ）、０．０１〜０．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．１〜４．０質量％のガリウム（Ｇａ）、及び残りはすず（Ｓｎ）から構成される、鉛を含まないはんだ合金。
【０００８】
（２）  ガリウム（Ｇａ）の含量が０．２５〜０．５質量％である、前記（１）に記載のはんだ合金。
【０００９】
（３）  ガリウム（Ｇａ）の含量が０．５〜２．０質量％である、前記（１）に記載のはんだ合金。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。なお、本明細書において、合金の組成は、質量％で表わされ、例えば、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金は、６３質量％のＳｎ及び３７質量％のＰｂからなる合金を意味する。また、本発明は、下記実施の形態及び実施例を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの限定されるものではなく、本発明は、上記特許請求の範囲によって限定され、多くの修飾や変更が可能である。
【００１４】
本発明は、７．０〜１０．０質量％のＺｎ、０．２５〜０．５質量％のＡｇ及び７５質量％以上のＳｎからなり、さらに０．０１〜０．５質量％のＡｌ及び０．１〜４．０質量％のガリウム（Ｇａ）を含むことを特徴とする、改善された鉛を含まないはんだ合金を開示するものである。すなわち、本発明の第一は、７．０〜１０．０質量％の亜鉛（Ｚｎ）、０．２５〜０．５質量％の銀（Ａｇ）、０．０１〜０．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．１〜４．０質量％のガリウム（Ｇａ）、及び残りはすず（Ｓｎ）から構成される、鉛を含まないはんだ合金に関するものである。これは、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系のはんだ合金にさらにＡｌを添加することによって、得られるはんだ合金の湿潤特性が向上できることが判明したからである。
【００１５】
本発明の鉛を含まないはんだ合金において、銀（Ａｇ）の含量は、０．１〜４．０質量％であるが、好ましくは０．２５〜０．５質量％である。
【００１６】
本発明の鉛を含まないはんだ合金は、さらに０．１〜４．０質量％のガリウム（Ｇａ）を含むことが好ましい。より好ましくは、ガリウム（Ｇａ）の含量は、０．２５〜０．５質量％である。この際、ガリウム（Ｇａ）元素は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ及びＡｌに可溶な固体であり、その融点は２９．８℃であるため、製造される合金の融点を下げるという作用を主に有する。
【００１７】
このように、少量のガリウム（Ｇａ）の添加は、コンパウンドを形成せずに、固溶体を強化できるという利点もある。さらに、ガリウム（Ｇａ）は、低い蒸気圧ならびに高い熱伝導率及び導電率を有し、ほとんどの金属及び酸化物を湿潤化できるという特長をも有する。したがって、ガリウム（Ｇａ）の添加は、特に電気的封入工業(electric encapsulation industry)の用途において適する[D. L. Smith and H. J. Caul, "Alloys of Gallium with Powdered Metals as Possible Replacement for Dental Amalgam", J. Amer. Dent. Assoc. vol. 53, pp.315-324, 1956; S. K. Bhattacharya and D. F. Baldwin, "Gallium Alloy Breakthrough for Via-filling Application", Adv. Packaging Sept. pp.61-64, 2000]。
【００１８】
上述したように、本発明の鉛を含まないはんだ合金は、主に、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ−ＡｌまたはＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ−Ａｌ−Ｇａ系から構成される。ゆえに、本発明の鉛を含まないはんだ合金は、少なくとも７５質量％のＳｎ、７．０〜１０．０質量％のＺｎ、０．１〜４．０質量％のＡｇ、０．０１〜０．５質量％のＡｌ、及び０〜４．０質量％のＧａを有する。上記組成において、Ｇａは、主にＳｎ基材中で固溶体を形成する。また、Ａｇ及びＺｎは、ＡｇＺｎ3及びＡｇ5Ｚｎ8のコンパウンド(compound)を形成する。Ｇａの添加は、Ｓｎ−Ｚｎ系共融合金の伸び率を維持できるのみでなく、その引張り強さを約１８％増加できる。下記実施例で詳述するが、本発明の好ましい実施態様における鉛を含まないはんだ合金は、公知の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系共融合金に比べて、引張り強さが約６８％高く、また、伸び率が約４０％高い。
【００１９】
本発明は、特定の組成を有する鉛を含まないはんだ合金に特徴があり、その製造方法や製造条件などは、公知の方法及び条件と同様の方法及び条件が使用できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を、下記実施例により具体的に説明するが、下記実施例は、本発明を限定するものではなく、本発明は、上記特許請求の範囲によってのみ限定される。また、特記しない限り「％」は、「質量％」を表わす。
【００２１】
比較例１
Ｓｎ−９％Ｚｎ（Ｓｎ−９Ｚｎ）系の共融合金の調製を、以下ようにして行なった。すなわち、９９．９９％純度を有するＳｎ及びＺｎの純金属の粒子を、それぞれ、２７．３ｇ及び２．７ｇ（計３０ｇ）測り、石英管中に粒子をのせた。
この際、石英管は、内径８ｍｍ及び外径１０ｍｍであった。次に、石英管を酸素及び液化石油ガスの混合ガスのフレーム(flame)で密閉し、管からガスを抜いて管内を真空にした後、管にアルゴンガスを充填した。さらに、このようにして密閉された石英管を高温炉中におき、炉を８００℃に加熱して、この温度を３時間維持した後、炉を冷却した。この際、温度の上昇及び減少速度は、共に１℃／分とした。炉を２５０℃にまで冷却した後、管を水冷した。
【００２２】
次に、ＡＳＴＭ  Ｅ８−８２試験法(ASTM Designation: E8-82 testing method)に従って、このようにして製造された合金のインゴットを、卓上の旋盤によって伸び率の試験用バー状に加工した。試験用バーの寸法は、ゲージ長１６ｍｍで、ゲージ径４ｍｍであった。伸長速度は０．９ｍｍ／分（０．０１５ｍｍ／秒）とした。その結果、この合金の極限引張強さ（ＵＴＳ）は７８．２ＭＰａであり、伸び率は４１．３％であった。また、この合金の融点は、１９８．３℃であった。
【００２３】
実施例１
Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−１．０％Ａｇ−ｚＡｌ系のはんだ合金の伸び率試験用の試料の調製及び試験方法は、比較例１と同様にして行なった。
【００２４】
その結果、少量（０．０１〜０．５質量％）のＡｌを合金に添加することによって、基材、特にＣｕ系基材での湿潤能が非常に増加することが分かった。また、２５０℃に加熱すると、下記表１に示されるように、Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−１．０％Ａｇ−ｚＡｌ（ｚ＝０．０１〜０．４５％）系のはんだ合金は、ＤＭＡＨＣｌ（ジメチルアンモニウムクロライド(dimethylammonium chloride)：（ＣＨ3）2ＮＨＣｌ）有機フラックス下で約０．７５〜１．２０ｍＮの湿潤能を有した。この湿潤能は、Ｓｎ−９Ｚｎ系共融はんだ合金の湿潤能（約０．４１ｍＮ）の約２〜３倍であり、これにより、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系のはんだ合金にさらにＡｌを添加することによって、得られるはんだ合金の湿潤特性が有意に向上できることが示唆される。また、湿潤時間に関しては、Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−１．０％Ａｇ−ｚＡｌ系のはんだ合金の湿潤時間は、約０．９〜１．１秒であり、これは、Ｓｎ−９Ｚｎ系共融はんだ合金の湿潤時間（約１．３２秒）に比べて有意に良好であった。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
実施例２
Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−０．４５％Ａｌ−０．５％Ａｇ−０．２５％Ｇａ系合金の伸び率試験用の試料の調製及び試験方法は、比較例１と同様にして行なった。
【００２７】
その結果、この合金の極限引張強さ（ＵＴＳ）は８０．４ＭＰａであり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の引張強さ（５５．１ＭＰａ）より約４６％高かった。また、伸び率は４３．６％であり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の伸び率（３７．６％）より約１６％高かった。さらに、この合金の融点は、１９５．５℃であり、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の融点（１８３．５℃）に非常に近かった。
【００２８】
実施例３
Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−０．４５％Ａｌ−０．５％Ａｇ−０．５％Ｇａ系合金の伸び率試験用の試料の調製及び試験方法は、比較例１と同様にして行なった。
【００２９】
その結果、この合金の極限引張強さ（ＵＴＳ）は９２．５ＭＰａであり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の引張強さより約６８％高かった。また、伸び率は４２．２％であり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の伸び率より約１２％高かった。さらに、この合金の融点は、１９４．７℃であり、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の融点（１８３．５℃）に非常に近かった。
【００３０】
また、実施例２及び３と同様の操作を繰り返すことによって、図１に示されるガリウム（Ｇａ）の含量（０．２５、０．５、１．０、２．０及び３．０質量％）を有するＳｎ−８．５５Ｚｎ−０．４５Ａｌ−０．５Ａｇ−ｙＧａ系はんだ合金（ｙ＝０．２５、０．５、１．０、２．０または３．０質量％）を作製したところ、図１に示されるような応力ひずみ曲線を得た。なお、図１において、比較対照として６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の応力ひずみ曲線をも合わせて示す。
【００３１】
実施例４
Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−０．４５％Ａｌ−０．２５％Ａｇ−０．５％Ｇａ系合金の伸び率試験用の試料の調製及び試験方法は、比較例１と同様にして行なった。
【００３２】
その結果、この合金の極限引張強さ（ＵＴＳ）は８２．１ＭＰａであり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の引張強さより約４９％高かった。また、伸び率は５２．７％であり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の伸び率より約４０％高かった。さらに、この合金の融点は、１９５．０９℃であった。
【００３３】
実施例５
Ｓｎ−８．５５％Ｚｎ−０．４５％Ａｌ−１．０％Ａｇ−０．５％Ｇａ系合金の伸び率試験用の試料の調製及び試験方法は、比較例１と同様にして行なった。
【００３４】
その結果、この合金の極限引張強さ（ＵＴＳ）は８６．８ＭＰａであり、これは、６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の引張強さより約５８％高かった。また、この合金の融点は、１９４．１℃であった。
【００３５】
また、実施例４及び５と同様の操作を繰り返すことによって、図２に示されるような銀（Ａｇ）の含量（０．２５、０．５、１．０、２．０及び３．０質量％）を有するＳｎ−８．５５Ｚｎ−０．４５Ａｌ−ｘＡｇ−０．５Ｇａ系はんだ合金（ｘ＝０．２５、０．５、１．０、２．０または３．０質量％）を作製し、図２に示されるような応力ひずみ曲線を得た。なお、図２において、比較対照として６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系合金の応力ひずみ曲線をも合わせて示す。
【００３６】
さらに、本発明の他の実施態様として、図３及び４に示されるような銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）の含量を有するＳｎ−８．５５％Ｚｎ−０．４５％Ａｌ−ｘＡｇ−ｙＧａ系はんだ合金を、実施例４及び５と同様の操作に従って作製した。このようにして作製されたＳｎ−８．５５％Ｚｎ−０．４５％Ａｌ−ｘＡｇ−ｙＧａ系はんだ合金の機械特性（引張強さ及び伸び率）を比較例１と同様にして評価し、その結果を、それぞれ、図３及び４に示す。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の鉛を含まないはんだ合金は、７．０〜１０．０質量％の亜鉛（Ｚｎ）、０．１〜４．０質量％の銀（Ａｇ）、０．０１〜０．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０〜４．０質量％のガリウム（Ｇａ）及び残りはすず（Ｓｎ）という特定の組成を有することを特徴とする。したがって、本発明のはんだ合金は、鉛（Ｐｂ）を含まないため、人体に対する安全性に加え、環境をも考慮された安全性の高い合金である。また、本発明のはんだ合金は、特定量のＡｌがＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ系のはんだ合金に添加されているため、高い湿潤特性を有するはんだ合金が得られる。
【００３８】
また、本発明のはんだ合金がさらにＧａを含む場合には、公知のＰｂ−Ｓｎ系共融合金に匹敵するまたはより良好な引張り強さ及び伸び率を有し、機械的特性に優れ、かつ公知のＰｂ−Ｓｎ系共融合金の融点（１８３．５℃）に近い２００℃未満の低い融点を有するため、ＩＣ封入素子(IC encapsulation element)の損傷を防止することができ、ゆえに、電気的封入工業(electric encapsulation industry)用途への適用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施態様によるＳｎ−８．５５Ｚｎ−０．４５Ａｌ−０．５Ａｇ−ｙＧａ系はんだ合金及び公知の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系はんだ合金の応力ひずみ曲線を示すグラフである。
【図２】は、本発明の一実施態様によるＳｎ−８．５５Ｚｎ−０．４５Ａｌ−ｘＡｇ−０．５Ｇａ系はんだ合金及び公知の６３Ｓｎ−３７Ｐｂ系はんだ合金の応力ひずみ曲線を示すグラフである。
【図３】は、本発明の一実施態様によるＳｎ−８．５５Ｚｎ−０．４５Ａｌ−ｘＡｇ−ｙＧａ系はんだ合金の各ガリウム（Ｇａ）含量での銀（Ａｇ）含量に対する引張り強さを示すグラフである。図３において、黒塗り菱形は、０．５質量％のＧａを示し、黒塗り四角は、１．０質量％のＧａを示し、黒塗り三角は、２．０質量％のＧａを示し、およびバツ（×）は、３．０質量％のＧａを示す。
【図４】は、本発明の一実施態様によるＳｎ−８．５５Ｚｎ−０．４５Ａｌ−ｘＡｇ−ｙＧａ系はんだ合金の各ガリウム（Ｇａ）含量での銀（Ａｇ）含量に対する伸び率を示すグラフである。図４において、黒塗り菱形は、０．５質量％のＧａを示し、黒塗り四角は、１．０質量％のＧａを示し、黒塗り三角は、２．０質量％のＧａを示し、およびバツ（×）は、３．０質量％のＧａを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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