(57)【要約】      （修正有）【課題】Ａｇ、Ｉｎ及びＳｂを用いなくても、有鉛はんだよりも低融点で、耐疲労特性に優れる無鉛はんだを提供する。【解決手段】無鉛はんだは、Ｂｉが２０〜６０質量％添加され、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰから１つ以上の元素が選択され、選択された前記Ｃｕは、０〜３質量％、選択された前記Ｎｉは、０．００５〜０．５質量％、選択された前記Ｐは、０．００５〜０．０５質量％で添加され、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉが２０〜６０質量％添加され、
Ｃｕ、Ｎｉ及びＰから１つ以上の元素が選択され、
選択された前記Ｃｕは、０〜３質量％、選択された前記Ｎｉは、０．００５〜０．５質量％、選択された前記Ｐは、０．００５〜０．０５質量％で添加され、
残部がＳｎ及び不可避不純物からなる、
無鉛はんだ。
【請求項２】
さらに、Ｔｉが０．００１〜０．５質量％添加された、
請求項１記載の無鉛はんだ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無鉛はんだに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、使用されているＳｎ−Ｐｂ系の有鉛はんだは、はんだの融点（例えば、Ｐｂが３７質量％、残部がＳｎの有鉛はんだで１８３℃）が適度であり、はんだの濡れ性に優れ、さらに価格も安いという利点がある。しかし、有鉛はんだは、はんだ材料に毒性のあるＰｂが使われており、さらにクリープ特性が劣ることから、耐疲労特性に問題がある。
【０００３】
無鉛はんだとして代表的なものに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだがある。この無鉛はんだは、Ｓｎ−Ｐｂ系の有鉛はんだよりも耐疲労特性が優れるが、高価なＡｇを含むため、製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００４】
また、この無鉛はんだの融点は、有鉛はんだよりも融点（例えば、Ａｇが３質量％、Ｃｕが０．５質量％、残部がＳｕの無鉛はんだで２２０℃）が高い。さらに、無鉛はんだは、はんだ接続部に発生する熱応力を緩和しにくいことから、熱膨張係数の大きく違う材料同士の接続（例えば、Ｃｕ導体とメタライズされたＳｉとの接続等）においては、はんだ接続後の冷却過程ではんだ接続部に発生する熱応力が大きくなり、接続した電子部品等が破損するという問題がある。
【０００５】
従来の有鉛はんだよりも低融点の無鉛はんだとしては、Ｓｎ−Ｉｎ系（例えば、Ｉｎが５１質量％、残部がＳｎの無鉛はんだで融点１２０℃）、Ｓｎ―Ｂｉ系（例えば、Ｂｉが５７質量％、残部がＳｎの無鉛はんだで融点１３９℃）等がある。
【０００６】
Ｓｎ−Ｉｎ系の無鉛はんだは、耐疲労特性に優れるが、高価なＩｎを含むために製造コストが非常に高くなるという問題がある。一方、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだは、有鉛はんだよりも融点が低く、かつコストの点で優れるが、はんだ接続部のひずみが大きい場合には、はんだの伸びが小さく、落下の衝撃に弱い等の機械的特性に問題がある。
【０００７】
例えば、非特許文献１には、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだにＡｇ，Ｃｕ，Ｚｎ又はＳｂをそれぞれ０．５質量％添加したときのはんだの伸びを調査した結果が記載されている。この結果によると、Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｂを添加したときに、はんだの伸びの改善が見られ、特にＳｂを添加すると、Ｓｂを添加しない場合と比較してはんだの伸びが４倍になり、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだの機械的特性が改善されることが示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「マイクロ接続・実装技術」  産業技術サービスセンター  ６３５−６４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだへのＡｇの添加は、はんだの製造コスト上昇の要因となるため、好ましくない。さらに、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだへのＳｂの添加は、ＳｂがＰｂよりも毒性が強いことが動物実験の結果から示されていることから、避けるべきである。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、Ａｇ、Ｉｎ及びＳｂを用いなくても、有鉛はんだよりも低融点で耐疲労特性に優れる無鉛はんだを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の無鉛はんだを提供する。
［１］Ｂｉが２０〜６０質量％添加され、
Ｃｕ、Ｎｉ及びＰから１つ以上の元素が選択され、
選択された前記Ｃｕは、０〜３質量％、選択された前記Ｎｉは、０．００５〜０．５質量％、選択された前記Ｐは、０．００５〜０．０５質量％で添加され、
残部がＳｎ及び不可避不純物からなる、
無鉛はんだ。
［２］さらに、Ｔｉが０．００１〜０．５質量％添加された、
前記［１］に記載の無鉛はんだ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ａｇ、Ｉｎ及びＳｂを用いなくても、有鉛はんだより低融点で、耐疲労特性に優れる無鉛はんだを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、無鉛はんだのＢｉの添加量に対するインバー基板の反り量を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施の形態の要約］
本実施の形態の無鉛はんだは、Ｂｉが添加され、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる無鉛はんだにおいて、Ｂｉが２０〜６０質量％添加され、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰから１つ以上の元素が選択され、選択された前記Ｃｕは、０〜３質量％、選択された前記Ｎｉは、０．００５〜０．５質量％、選択された前記Ｐは、０．００５〜０．０５質量％添加されたものである。
【００１５】
［実施の形態］
本実施の形態の無鉛はんだは、Ｂｉが２０〜６０質量％の範囲で添加され、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ及びＴｉから１つ以上の元素を選択し、選択されたＣｕが０〜３質量％、選択されたＮｉが０．００５〜０．５質量％、選択されたＰが０．００５〜０．０５質量％、選択されたＴｉが０．００１〜０．５質量％の範囲で添加され、残部がＳｕと不可避不純物で構成される。なお、不可避不純物とは、はんだの原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入するものをいう。
【００１６】
次に、本実施の形態の無鉛はんだについて、添加されるそれぞれの元素の数値範囲の意義について説明する。
【００１７】
（Ｂｉ）
本実施の形態の無鉛はんだに添加されるＢｉの量が多くなるほど無鉛はんだの融点が下がる。例えば、Ｂｉが５７質量％、残部がＳｎの共晶組成では、無鉛はんだの融点が１３９℃であり、有鉛はんだの融点１８３℃と比較して大幅に無鉛はんだの融点を下げることができる。
【００１８】
また、本発明者らが鋭意研究した結果、はんだ接続部に発生する熱応力が有鉛はんだ（Ｐｂ３７質量％、残部がＰｂ）と同様になる無鉛はんだの組成は、Ｂｉが２０質量％、残部がＳｕであることを見出した。すなわち、無鉛はんだにＢｉを２０質量％以上添加することで、有鉛はんだよりも無鉛はんだの融点を下げることができ、はんだ接続部に発生する熱応力が小さくなる。
【００１９】
一方、Ｂｉは、硬く脆い金属であることから、無鉛はんだの融点を下げるのに必要以上のＢｉの添加は、無鉛はんだの機械的特性を劣化させる。そのため、Ｂｉの添加量は、６０質量％以下が好ましい。したがって、Ｂｉの添加量は、上記２０〜６０質量％の範囲が好ましい。
【００２０】
（Ｃｕ）
Ｃｕは、無鉛はんだ中のＳｎと化合してＣｕ６Ｓｎ5等の金属間化合物を形成する。この金属間化合物が無鉛はんだ内に分散することで、無鉛はんだの機械的特性及び耐疲労特性が向上する。一方、無鉛はんだにＣｕを添加する量が多くなると、無鉛はんだ内の凝固組織において金属間化合物が粗大化するため、Ｃｕの添加量は、３質量％以下が好ましい。したがって、Ｃｕの添加量は、上記０〜３質量％の範囲が好ましい。
【００２１】
（Ｎｉ）
Ｎｉは、無鉛はんだ中のＢｉと化合してＮｉＢｉ３等の金属間化合物を形成する。Ｂｉが添加された無鉛はんだは、Ｂｉが５７質量％、残部がＳｎの共晶組成からＢｉ濃度がずれると、無鉛はんだの液相線と固相線の温度変化が大きくなるため、はんだ組織が粗大化しやすい。しかし、Ｎｉの添加により、無鉛はんだのＢｉ相が微細化するため、無鉛はんだの耐疲労特性及び機械的特性が向上する。
【００２２】
無鉛はんだに添加へのＮｉの添加量が０．００５質量％未満では、Ｎｉを添加した効果を発揮できず、０．５質量％を超える添加量では、金属間化合物が粗大化するため、Ｎｉの添加量は、上記０．００５〜０．５質量％の範囲が好ましい。
【００２３】
（Ｐ）
Ｓｎ―Ｂｉ系の無鉛はんだにＰを添加することにより、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだの耐熱性が向上する。Ｐは、主に粒界に偏折して無鉛はんだのＳｎ相及びＢｉ相の拡散を遅延させる効果を有する。Ｐの添加により、無鉛はんだが高温に保持されているときの無鉛はんだのＳｎ相及びＢｉ相の粗大化を抑制して無鉛はんだの耐疲労特性及び機械的特性が向上する。
【００２４】
無鉛はんだへのＰの添加量が０．００５質量％未満では、Ｐを添加した効果を発揮できず、０．０５質量％を超える添加量では無鉛はんだの機械的特性が劣化するため、Ｐの添加量は、上記０．００５〜０．０５質量％の範囲が好ましい。
【００２５】
（Ｔｉ）
Ｔｉは、無鉛はんだ中のＢｉと化合してＴｉ２Ｂｉ等の金属間化合物を形成する。Ｔｉは、Ｎｉと同様に無鉛はんだのＢｉ相を微細化することで、無鉛はんだの耐疲労特性及び機械的特性を向上させる。さらに、Ｔｉは、活性な金属であるため、無鉛はんだにＴｉを添加することにより、無鉛はんだをガラスやセラミック等にも溶着することができる。
【００２６】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）Ｂｉを２０〜６０質量％の範囲で無鉛はんだに添加することで、無鉛はんだの融点をＳｎ−Ｐｂ系の有鉛はんだと比較して低下させることができる。
（２）Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ及びＴｉから１つ以上の元素を選択してＳｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだに添加することにより、無鉛はんだの耐疲労特性及び機械的特性を向上させることができる。
（３）無鉛はんだの融点が低下することにより、はんだ接続部に発生する応力が低減し、長期にわたり信頼性の高いはんだ接続を維持することができる。
（４）高価なＡｇ、Ｉｎ等を含まない構成にすることができるので、無鉛はんだを低コストで製造することができる。
（５）毒性のあるＰｂ、Ｓｂ等を含まない構成にすることができるので、環境、生体に対する影響を低減することができる。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明の実施例を図１及び表１を参照して説明する。図１は、無鉛はんだのＢｉの添加量に対するインバー基板の反り量を示す特性図である。また、表１に従来例１、比較例１〜７及び実施例１〜８の各元素の添加量と、インバー基板の反り量及び接続部のクラック長さとの関係を示す。ここで、従来例１は、有鉛はんだ（Ｐｂ３７質量％、残部がＰｂ）である。比較例１〜７は、それぞれＳｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだのＢｉの添加量を変化させたものであり、比較例８は、Ｂｉが７０質量％のＳｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだにＣｕを４質量％添加したものである。
【００２８】
実施例１は、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだにＮｉ及びＰを添加したものである。実施例２は、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだにＣｕ、Ｎｉ及びＰを添加したものである。実施例３、４は、Ｓｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだにＣｕ、Ｎｉ、Ｐ及びＴｉを添加したものである。
【００２９】
（熱応力の評価）
はんだ接続部に発生する熱応力の大きさを評価するため、実装基板を模したインバー基板の反り量を測定した。
【００３０】
インバー基板の反り量を測定する試料は、次のように作製した。すなわち、溶解めっき法により断面形状のサイズが０．３ｍｍ×１０ｍｍ、長さが５０ｍｍの平角Ｃｕ線にはんだめっきを施した。次に、断面形状のサイズが０．２ｍｍ×１０ｍｍ、長さが５０ｍｍのインバー基板（Ｎｉ３６質量％、残部がＦｅ）にはんだのフラックスを塗布した。次に、はんだめっきを施した平角Ｃｕ線をインバー基板の片面に配置し、平角Ｃｕ線及びインバー基板をホットプレートで加熱して平角Ｃｕ線とインバー基板とをそれぞれのはんだにより接続した。このように作製したものを本試料に用いた。
【００３１】
インバー基板の反り量の測定は、作成した試料を室温に冷却してインバー基板の反り量をノギスにより測定することで行った。
【００３２】
ここで、熱応力の測定のためにインバー基板を用いたのは、次の理由による。インバー基板の熱膨張率が０〜２ｐｐｍ／℃であり、Ｃｕの熱膨張率１７ｐｐｍ／℃と比較して熱膨張率の差が大きい。このため、はんだ接続後に室温まで下がる間に平角Ｃｕ線とインバー基板との間に大きな熱応力が発生することから、インバー基板の反り量の測定が容易になるからである。これにより、融点の異なるはんだや、液相線と固相線の温度が大きく異なるはんだにおいても、それぞれのはんだの熱応力の大きさを相対的に評価することができる。
【００３３】
表１及び図１のインバー基板の反り量から、無鉛はんだは、Ｂｉの添加量を多くするほどインバー基板の反り量が小さくなり、Ｂｉを２０質量％以上添加することで有鉛はんだのインバー基板の反り量よりも小さい７．１〜９．４ｍｍになることが確認できた。また、インバー基板の反り量は、Ｂｉの添加量が４０〜５７質量％の範囲で最小の７．１ｍｍになることが確認できた。
【００３４】
（耐疲労特性の評価）
はんだ接続部の耐疲労特性の評価を行うため、はんだ接続部のクラック長さを測定した。
【００３５】
はんだ接続部のクラック長さを測定する試料は、無鉛はんだの熱応力の評価で使用したインバー基板及び平角Ｃｕ線を使用し、インバー基板の両面に平角Ｃｕ線をはんだ接続したものを用いた。インバー基板の両面に平角Ｃｕ線をはんだ接続することにより、はんだ接続時及び温度サイクル時に発生する熱応力をインバー基板の反りにより開放させずに、はんだ接続部に熱応力を効率的に発生させることができる。
【００３６】
はんだ接続部のクラック長さの測定は、それぞれのはんだで接続した試料に対して温度サイクル試験を−４０℃から９０℃の温度変化を１０００サイクル実施するという条件で行い、温度サイクル試験後のそれぞれのはんだ接続部の断面を観察し、はんだ接続部に発生したクラックの長さを測定した。表１に、試料の両端部からはんだ接続部に発生したクラック長さの合計を示す。
【００３７】
表１のはんだ接続部のクラック長さから、Ｓｎ―Ｂｉ系の無鉛はんだにＣｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ｔｉを微量に添加することによって、実施例１〜４で接続部のクラック長さが６〜１８ｍｍになり、従来例１及び比較例１〜８と比較して耐疲労特性が向上することが確認できた。
【表１】
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【図１】
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