(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ５０〜７０重量％、Ｐｄ０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするはんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎ５０〜７０重量％、Ｓｂ０．１〜２．０重量％、Ｐｄ０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするはんだ合金。
【請求項３】
請求項１または２のはんだ合金に、さらにＣｕを０．０１〜０．３重量％含有したフローはんだ用、やに入りはんだ用、および線はんだ用合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント基板等に使用されるはんだ合金に関し、特に熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収し、はんだ付け部に発生するクラックを低減させるはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の故障の大部分は、はんだ付け部の故障だと言われてきた。はんだ付け部の機械的な故障を形態で分類すると、（１）静的な破壊、（２）熱疲労破壊、（３）クリープ破壊、（４）振動破壊等に分類できる。その内の熱疲労破壊は、構成部材の熱膨張係数に差があると、環境の温度変化や電子回路のＯＮ−ＯＦＦに伴なう温度の上昇下降の繰り返しによって、はんだ接合部が塑性変形し、クラックの発生および進展が繰り返され、いずれは完全に破壊するに至ることをいう。高密度実装に伴なってはんだ接合部が微細化して強度的に弱くなり、使用環境条件が多岐にわたる今日、はんだ接合不良としてもっとも多く発生している破壊現象である。
【０００３】
このような熱疲労破壊を低減させるため、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金に第２、第３の金属元素を加え、耐熱疲労特性を向上させたはんだ合金が報告されている。例えば、特開平６−７１４８０号公報では、Ｓｂ０．０５〜１重量％、Ｔｅ０．０１〜０．２重量％を添加したはんだ合金や、特開平７−１１６８８７号公報では、Ｎｉ０．００２〜０．０２重量％を添加したはんだ合金などが知られている。そして、これらの第２、第３の金属元素を添加する目的は、熱サイクルストレスに耐え得る結晶組織とするため、またははんだ材料の延展性を損なわないため、となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金よりもＰｂ含有率の高いはんだ合金、例えばＳｎ４０−Ｐｂ６０、Ｓｎ５−Ｐｂ９５等のはんだ合金の方が耐熱疲労に対し高い性質を示す。この理由は、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に比べ高融点であるため、同じ温度における熱エネルギー的なポテンシャルが低く、高温状態に置かれたはんだ合金の結晶粒の粗大化が遅いため、機械的性質の低下が遅くなるからである。さらに、常温におけるＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の機械的性質は、Ｓｎ４０−Ｐｂ６０はんだ合金、Ｓｎ５−Ｐｂ９５はんだ合金のそれより高いが、１００°Ｃの環境下における機械的性質は、Ｓｎ４０−Ｐｂ６０はんだ合金、Ｓｎ５−Ｐｂ９５はんだ合金の方が高い。
【０００５】
しかしながら、電子機器のフロー法やリフロー法によるはんだ付けは、通常融点が低く、はんだ付け性、機械的性質等の優れたＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金を多用している。
【０００６】
本発明の目的は、上述の点に鑑み、熱サイクル条件下においても、はんだ接合部のクラックの発生を低減できる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】
本発明のはんだ合金は、Ｓｎ５０〜７０重量％、Ｐｄ０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするものである。また、本発明のはんだ合金は、Ｓｎ５０〜７０重量％、Ｓｂ０．１〜２．０重量％、Ｐｄ０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするものである。さらに、本発明のはんだ合金は、これらのはんだ合金にＣｕを０．０１〜０．３重量％含有したフローはんだ用、やに入りはんだ用、および線はんだ用のものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
本発明のはんだ合金は、Ｓｎが５０〜７０重量％、Ｐｄが０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするはんだ合金である。また、本発明のはんだ合金は、Ｓｎが５０〜７０重量％、Ｓｂが０．１〜２．０重量％、Ｐｄが０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするはんだ合金である。さらに、これらのはんだ合金にＣｕを０．０１〜０．３重量％添加したフローはんだ用、やに入りはんだ用、および線はんだ用合金である。
【００１０】
本発明のはんだ合金において、Ｓｎを５０〜７０重量％とした理由は、電子機器のフロー、リフローはんだ付けにおいて一般的に使用される共晶近傍の融点の低いはんだ合金が、最も耐熱疲労特性の向上を求められているからである。
【００１１】
本発明のはんだ合金において、Ｐｄを添加しているが、Ｐｄを添加すると高温状態あるいは低温状態に置かれたはんだ合金の機械的性質における伸び率を大幅に改善でき、熱サイクルによる基板の膨張収縮をはんだ付け部で吸収できるからである。また、本発明のはんだ合金において、Ｐｄの添加量を０．００５〜０．５重量％に限定した理由は、Ｐｄが０．００５重量％以下でははんだ合金の伸び率を改善できず、またＰｄを０．５重量％以上添加しても伸び率の向上はみられないからである。
【００１２】
本発明のはんだ合金において、Ｓｂを０．１〜２．０重量％添加しているのは、この添加範囲においてＳｂをはんだ合金に添加すると、上記のＰｄと同じく、はんだ合金の伸び率を改善でき、また上記のＰｄを含有するはんだ合金にＳｂを添加すると更に伸び率が向上するからである。
【００１３】
さらに、Ｃｕを０．０１〜０．３重量％添加しているのは、この添加範囲において上記のＳｂと同じくはんだ合金の伸び率を改善でき、また上記のＰｄ、Ｓｂを含有しているはんだ合金にＣｕを添加すると更に伸び率が向上するからである。しかしながら、ＳｎとＣｕは、Ｃｕ６  Ｓｎ５  等の金属間化合物を作りやすく、これらの結晶は２００〜３００μｍ程度の長さの針状の結晶を生成することがあり、表面実装用の微細な回路や、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）では、この結晶が回路を短縮させる可能性がある。従って、Ｃｕの添加は、はんだペースト用およびＢＧＡ用のはんだ合金を除いた。
【００１４】
以上のような基本構成を有する本発明のはんだ合金では、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、熱サイクル下において基板とはんだ材との熱膨脹係数の違いによってはんだ接合部に生じるストレスを良く吸収できる。その理由は、高温時および低温時において機械的性質の伸び率の高いはんだ合金を提供することによって、熱サイクル下において基板とはんだ材との熱膨脹係数の違いによってはんだ接合部に生じるストレスを良く吸収できるためである。
【００１５】
【実施例】
本発明のはんだ合金について、表１に示すように、ＪＩＳ  Ｚ  ３２８２におけるＨ６３Ｓに相当するＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金を比較例として採用し、１３種類の実施例のはんだ合金と比較試験を行なった。
【００１６】
引張試験は、均一な試料が得られ、添加元素の影響を調べ易い圧延材で行なった。表１の１４種類の合金をそれぞれ溶解温度４００°Ｃで直径８０ｍｍの円筒状に鋳込み、これを油圧押出方式により、厚さ２．０ｍｍ、幅３２ｍｍのテープ状にした。さらに、圧延機を用いて、これを厚み１．０ｍｍにした。このテープを、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１に基づく６号引張試験片に打ち抜いた。圧延したはんだ試験片は常温で再結晶する傾向があり、圧延直後は機械的性質の変化が大きい。このため、試験片を室温で２０日間放置した後に引張試験を行なった。引張試験機の上下チャック間を耐熱布で覆い、外部より熱風を吹き込み、内部の上、中、下３カ所に設けた温度センサーがそれぞれ１００±３°Ｃになるようにし、これを１５分間保持した後、３０ｍｍ／分の速度で引っ張り、材料の伸び率を調べた。試験結果を表１に示す。表１からもわかるように、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に少量のＰｄを添加した場合には伸び率が著しく向上する。また、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に少量のＰｄおよびＳｂを添加した場合にはさらに伸び率が向上する。さらにまた、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｃｕの添加がはんだ合金の伸び率を相乗的に改善している。
【００１７】
熱サイクル試験は、表１の１４種類の合金について行なった。使用した基板は、２．５４ピッチで穴径φ０．９のユニバーサル型の紙フェノール片面基板である。使用したコネクターは、Ｓｎメッキを施したリン青銅製の１０ピンで線径はφ０．６４である。はんだ付け条件は、コネクターを酸洗、洗浄、乾燥した後、ＲＡタイプのロジン系フラックスをコネクターピンと基板とに塗布、乾燥してから、基板にコネクターを１０個、すなわち１００ピンを挿入し、２５０°Ｃで浸漬によるはんだ付けを行なった。温度サイクルは−４０°Ｃで３０分、常温さらし時間１０分、＋８０°Ｃで３０分を１０００サイクル行なって、はんだ付け部のクラックの発生個数を実体顕微鏡を用いて調べた。図１は、基板にコネクターがはんだ付けされた状態の図解である。クラックの判定として、図２に示すように、はんだフイレットの周囲１／２周以上亀裂の入っているものをクラックとして数え、また全周にしわが入っているはんだフイレットもクラックとして数えた。試験結果を表１に示す。表１からわかるように、熱サイクル下でフイレット周囲に生じるクラックの個数ははんだ合金の伸び率と反比例しており、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｃｕの添加によるはんだ合金の伸び率の改善によって、はんだ合金の耐熱疲労特性が大幅に改善されている。
【００１８】
【表１】
0003601904.tif 000002
【００１９】
熱分析試験は、凝固点降下法で行なった。実施例１３について、液相線温度と固相線温度とを測定した。試験結果を表２に示す。なお、比較例の溶解温度特性は、ＪＩＳ  Ｚ  ３２８２の記載より抜粋した。表２からもわかるように、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に少量のＰｄ、Ｓｂ、Ｃｕを添加しても、液相線温度および固相線温度はあまり変化がなく、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性は損なわれることはない。
【００２０】
【表２】
0003601904.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のはんだ合金によれば、Ｐｄの添加によってはんだ合金の伸び率が改善されるので、幅広い温度域において熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収することができ、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、はんだ合金の耐熱疲労特性を改善させることができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明のはんだ合金によれば、ＰｄおよびＳｂの添加によってはんだ合金の伸び率が著しく改善されるので、幅広い温度域において熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収することができ、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、はんだ合金の耐熱疲労特性を改善させることができるという効果がある。
【００２３】
さらに、本発明のはんだ合金によれば、Ｐｄ、ＳｂおよびＣｕの添加によってはんだ合金の伸び率が相乗的に改善されるので、幅広い温度域において熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収することができ、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、はんだ合金の耐熱疲労特性を改善させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ合金の熱サイクル試験に用いた基板とコネクターとのはんだ付けの図解を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図である。
【図２】本発明のはんだ合金の熱サイクル試験におけるクラックの判定基準を説明する図であり、（ａ）はクラック、（ｂ）はしわを示す図である。
【図１】
0003601904.tif 000004
【図２】
0003601904.tif 000005