(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎが５０〜７０重量％、Ａｇが０．５〜５．０重量％、Ｂｉが０．１〜２．０重量％、Ｃｕが０．０３〜０．３重量％、Ｓｂが０．１〜２．０重量％、残部がＰｂであることを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎが５０〜７０重量％、ＡｇとＩｎが等量でそれらの合計量が０．５〜５．０重量％、Ｂｉが０．１〜２．０重量％、Ｃｕが０．０３〜０．３重量％、Ｓｂが０．１〜２．０重量％、残部がＰｂであることを特徴とするはんだ合金。
【請求項３】
請求項１または２記載の組成１００重量部にＰが０．００２〜０．５重量部添加されているはんだ合金。
【請求項４】
請求項１〜３何れか記載のはんだ合金の粉末とペースト状フラックスとからなるペースト状はんだ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明ははんだ合金及びそのはんだ合金の粉末を使用したペ−スト状はんだに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、はんだ付け時、被はんだ付け金属が溶融はんだに溶解し、はんだが凝固する際に、はんだ成分のＳｎまたはＰｂと被はんだ付け金属との化合物が析出する現象、すなわち、はんだ溶食の発生が避けられず、所謂、Ａｇ食われが発生することがある。
例えば、回路基板への電子部品の実装においては、Ａｇ厚膜電極等に対するはんだ付けの際に、Ａｇが溶融はんだに溶出し、このＡｇとＳｎまたはＰｂとの化合物がはんだ付け界面に析出することがある。
この場合、Ａｇ食われにより、Ａｇ厚膜電極の消失が懸念され、導通不良等が招来される畏れがある。このためＡｇ溶食防止はんだの組成が種々提案されている。
【０００３】
周知の通り、はんだ付け界面においては、凝固はんだと被はんだ付け金属との熱膨張係数の差異に基づく熱応力の発生が避けられず、特に、ヒ−トサイクルのもとでは、その応力が繰返し応力となり、はんだ付け界面を疲労させる原因となる。このため耐疲労性改善のためのはんだ組成が種々提案されている。
特に、電子部品を実装した回路板においては、通電のオン、オフによるヒ−トサイクルを受けるので、上記した耐Ａｇ溶食性のみならず高度の耐熱疲労性が要求される。
【０００４】
上記Ａｇ溶食の防止には、はんだにＡｇを、はんだ付け温度下での飽和濃度に相当する量だけ添加することが有効であり、耐Ａｇ溶食はんだとして、Ｓｎ−ＰｂはんだにＡｇを０．５〜５．０重量％添加した組成が知られている。
この場合、Ａｇ単独の添加に代え、Ａｇ及びＩｎを添加することの有効性も知られている。
しかしながら、ＡｇまたはＡｇ及びＩｎの添加だけでは耐熱疲労性の付与が不十分であり、耐Ａｇ溶食性は勿論のこと耐熱疲労性の改善を図るために、例えば、次のような組成が提案されている。
【０００５】
（１）Ｓｎ：１５〜６５重量％，Ａｇ：０．５〜３．５重量％，Ｓｂ：０．５〜３．０重量％，残部Ｐｂ（特開昭５６−１４４８９３号公報）。
（２）Ｐｂ：１０〜９５重量％，Ａｇ：０．０１〜１０重量％，Ｉｎ：０．０１〜１０重量％，Ｓｂ：０．１〜８重量％，残部Ｓｎ（特開平３−１０６５９１号公報）。
（３）Ｐｂ：１０〜９５重量％，Ａｇ：０．０１〜１０重量％，Ｉｎ：０．０１〜１０重量％，Ｂｉ：０．１〜８重量％，残部Ｓｎ（特開平３−１０６５９１号公報）。
（４）Ｐｂ：２０〜３５重量％，Ａｇ：０．０５〜５重量％，Ｉｎ：０．１〜５重量％，Ｓｂ：０．０５〜１重量％，Ｃｕ：０．０５〜２重量％，残部Ｓｎ（特開平３−１０６５９１号公報）。
（５）Ｐｂ：３５〜５０重量％，Ａｇ：０．０５〜５重量％，Ｉｎ：０．１〜５重量％，Ｓｂ：０．０５〜１重量％，Ｃｕ：０．０５〜２重量％，残部Ｓｎ（特開平３−１０６５９１号公報）。
（６）Ｐｂ：１０〜９０重量％，Ａｇ：０．０５〜４．０重量％，Ｓｂ：０．５〜５．０重量％，Ｃｕ：０．０５〜３．０重量％，残部Ｓｎ（特公昭５２−３０３７７号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらのはんだ組成は、Ｓｎ−ＰｂはんだにＡｇ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｕの３乃至４種を添加したものに該当し、Ａｇ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｕの全てを添加するものではない。Ａｇ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｕ等をＳｎ−Ｐｂ系はんだの添加材として使用することは公知であり（例えば、特開昭６１−２７３２９２号公報の第１表）、上記（１）〜（７）に例示したはんだ組成は、Ａｇ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｕの３乃至４種の選択とその添加量の限定により耐Ａｇ溶食性と耐熱疲労性の改善を図っている。何れの組成においても、耐Ａｇ溶食性の付与のためにＡｇまたはＡｇ及びＩｎを添加している。
【０００７】
しかしながら、ＢｉとＳｂとＣｕの三者を共に添加しているものはない。Ｂｉ、Ｓｂ及びＣｕ等においては、はんだ自体の組織を緻密化して機械的強度を増大させる点で耐熱疲労性の改善に寄与する。しかしながら、組織の緻密化ははんだの融点を上昇させ、融点上昇のもとではＡｇの溶解飽和濃度が上昇するから、Ａｇ溶食が生じ易くなり、結局耐熱疲労性を保証できなくなる。しかるに、耐熱疲労性は接合界面での安定な合金層の形成による接合強度の増加やはんだ自体への伸び性の付与によっても改善でき、本発明者の検討結果によれば、ＢｉとＳｂとＣｕの三者を共に特定の量で添加すれば、はんだの機械的強度ののみならずこれらの点からも耐熱疲労性性の改善が可能となり、Ａｇ溶食を有効に防止のうえ優れた耐熱疲労性を付与できることを知った。
【０００８】
本発明の目的は、上記知見に基づき、耐Ａｇ溶食性は勿論のこと耐熱疲労性に優れたはんだ合金を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るはんだ合金は、Ｓｎが５０〜７０重量％、Ａｇが０．５〜５．０重量％、Ｂｉが０．１〜２．０重量％、Ｃｕが０．０３〜０．３重量％、Ｓｂが０．１〜２．０重量％、残部がＰｂであることを特徴とする。
請求項２に係るはんだ合金は、Ｓｎが５０〜７０重量％、ＡｇとＩｎが等量でそれらの合計量が０．５〜５．０重量％、Ｂｉが０．１〜２．０重量％、Ｃｕが０．０３〜０．３重量％、Ｓｂが０．１〜２．０重量％、残部がＰｂであることを特徴とする。
請求項３に係るはんだ合金は、請求項１または２の組成１００重量部にＰが０．００２〜０．５重量部添加されていることを特徴とする。
請求項４に係るペースト状はんだは、請求項１〜３何れかのはんだ合金の粉末とペースト状フラックスとからなることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、Ｓｎ−Ｐｂ系合金をベ−スとする理由は、はんだ付けの基本的条件である濡れ性を確保するためである。そのＳｎの量を５０〜７０重量％とする理由は、液相線温度をフロ−法又はリフロ−法に適したはんだ付け温度に設定するためであり、表面実装部品を熱衝撃損傷の畏れなく安全にはんだ付けし、また、Ａｇの飽和溶解度の上昇を排除してＡｇ溶食を効果的に防止するのに有効な要件である。
【００１１】
Ａｇを添加する理由は、前述したＡｇ溶食を防止するためであり、その添加量を０．５〜５．０重量％とする理由は、０．５重量％未満ではその効果を満足に達成し得ず、５．０重量％を越えると、液相温度が高くなり過ぎ、Ａｇの飽和溶解度が上昇して有効なＡｇ溶食防止を行い難く、また、上記適切なはんだ付け温度の設定が困難になるためである。
このＡｇ単独添加に代えＡｇ及びＩｎを使用するのは、Ａｇの添加によりＡｇ３Ｓｎホイスカ−の発生が懸念されるためであり、この場合、Ｉｎ添加量が５．０重量％を越えると、低温域での固相間変態のためにヒ−トサイクルによる組織の脆弱化が惹起され、耐熱疲労性の保障が困難になる。
【００１２】
Ｂｉを添加する理由は、合金組織の緻密化を促し、機械的強度を増大させるためであり、その添加量を０．１〜２．０重量％とする理由は、０．１重量％未満ではその効果を満足に達成し得ず、２．０重量％を超えると、はんだ自体の粘性が低下し伸びが低下し脆くなって耐熱疲労性の保証が困難になり、またはんだ表面の光沢性が喪失されるに至るからである。
【００１３】
Ｃｕを添加する理由は、上記と同様機械的強度を増大させるためであり、その添加量を０．０３〜０．３重量％とする理由は、０．０３重量％未満ではその効果を満足に達成し得ず、０．３重量％を超えると、融点が高くなって前記適正なはんだ付け温度の設定等が困難になり、また、はんだの機械的強度が低下し耐熱疲労性の保証が困難になり、更には、はんだの流動性が低下して作業性が悪くなるからである。
【００１４】
Ｓｂを添加する理由は、上記と同様機械的強度を増大させるためとはんだの接合強度を増大させるためであり、その添加量を０．１〜２．０重量％とする理由は、０．１重量％未満ではその効果を満足に達成し得ず、２．０重量％を超えると、はんだ自体が硬く脆くなって伸びが低下し、接合強度も低下して耐熱疲労性の保証が困難になり、またはんだの流動性が低下して作業性が悪くなるからである。
【００１５】
上記Ａｇ、Ａｇ及びＩｎ、Ｂｉ、Ｓｂ並びにＣｕの添加理由や添加量との関連で述べた作用は、各添加元素単独で奏する作用であり、これ以外に相乗作用により耐熱疲労性性が向上されることは、次の実施例と比較例との対比から、何れの元素を削除しても、耐熱疲労性性が顕著に低下する事実より認識できる。
【００１６】
本発明において、Ｐを添加する理由は、酸化防止及びＣｕやＳｂの添加による濡れ広がり性の低下抑制にあり、その添加量を０．００２〜０．５重量％とする理由は、０．００２重量％未満ではその効果を満足に達成し得ず、０．５重量％を超えると、はんだ自体が硬く脆くなって伸びが低下し耐熱疲労性の保証が困難になるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るはんだ合金においては、従来のはんだに較べて優れた耐熱疲労性性を呈する。なお、上記の添加元素以外に、ＪＩＳ−Ｚ−３２８２に規定されたＡ級に属する範囲内の不純物を含んでいても、本発明の効果は影響されずに達成される。
本発明に係るはんだ合金はフロ−法による回路基板への電子部品の実装に使用される。また、リフロ−法による回路基板への電子部品の実装にも使用され、この場合は、電子部品をペ−スト状はんだの粘着力で回路基板に仮固定し、この回路基板を加熱炉に通しペ−スト状はんだをリフロ−させることによりはんだ付けを行っていく。
本発明に係るペ−スト状はんだにおいては、はんだ粉末８５〜９５重量％、残部ペ−スト状フラックスの配合で使用され、はんだ粉末のメッシュは２５０〜５００とされる。ペ−スト状フラックスには、重合ロジン、水添ロジン、天然ロジン、マレイン化ロジン等のロジンに活性剤、例えば、シクロヘキシルアミンＨＢｒ、オクチルアミンＨＢｒ、マロン酸、コハク酸、安息香酸等を添加し、これを溶剤でペ−スト化したものを使用できる。
本発明に係るはんだ合金においては、上記粉末状の外、棒状、線状、リボン状、やに入りはんだの形態で使用することもできる。
【００１８】
【実施例】
〔実施例１〕
はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｂｉ：０．６重量％、Ｃｕ：０．０６重量％、Ｓｂ：０．６重量％，残部Ｐｂを使用した。ペ−スト状フラツクスには、重合ロジン：６０重量％、水素添加ヒマシ油：５重量％、シクロヘキシルアミンＨＢｒ：１重量％、残部ブチルカルビト−ルを使用し、４００メッシュはんだ合金粉末９０重量％とペ−スト状フラツクス１０重量％とを混合撹拌してペ−スト状はんだを作成した。
【００１９】
〔実施例２〕
実施例１に対し、Ａｇ：２．０重量％に替えＡｇ：１．０重量％及びＩｎ：１．０重量％を使用した以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した。
〔実施例３〕
実施例１のはんだ合金組成１００重量部にＰを０．１重量部添加した合金組成を使用した以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した。
〔実施例４〕
実施例２のはんだ合金組成１００重量部にＰを０．１重量部添加した合金組成を使用した以外、実施例２と同様にしてペ−スト状はんだを作成した。
【００２０】
〔比較例１〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、残部Ｐｂを使用した以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｂｉ、Ｃｕ及びＳｂの省略）。
〔比較例２〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｂｉ：０．６重量％、残部Ｐｂを使用し以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｃｕ及びＳｂの省略）。
〔比較例３〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｃｕ：０．０６重量％、残部Ｐｂを使用し以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｂｉ及びＳｂの省略）。
〔比較例４〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｓｂ：０．６重量％、残部Ｐｂを使用し以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｂｉ及びＣｕの省略）。
〔比較例５〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｂｉ：０．６重量％、Ｃｕ：０．０６重量％、残部Ｐｂを使用し以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｓｂの省略）。
〔比較例６〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｂｉ：０．６重量％、Ｓｂ：０．６重量％、残部Ｐｂを使用し以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｃｕの省略）。
〔比較例７〕
実施例１に対し、はんだ合金の組成に、Ｓｎ：６２重量％、Ａｇ：２．０重量％、Ｃｕ：０．０６重量％、Ｓｂ：０．６重量％、残部Ｐｂを使用し以外、実施例１と同様にしてペ−スト状はんだを作成した（実施例１に対し、Ｂｉの省略）。
上記何れの合金組成においても、添加元素以外の不純物は、ＪＩＳ−Ｚ−３２８２に規定のＡ級の範囲に属している。
【００２１】
これらの実施例並びに比較例のペ−スト状はんだを使用し、チップ抵抗をガラスエポキシ回路基板にリフロ−法によりはんだ付けし、−４０℃にて３０分、１００℃にて３０分を１サイクルとする熱衝撃試験を５００サイクルまで行い、その間１００サイクルごとにはんだ付けフィレットの外観を観察したところ、表の通りであった。
ただし、○ははんだ付けフィレットが正常であることを、△は皺の発生があることを、×はクラックが発生していることをそれぞれ示している。
【００２２】
【表１】
0003597607.tif 000002
【００２３】
この表から明らかなように、本発明によれば、はんだ付けフィレットの繰返し熱応力に対する耐久性を飛躍的に向上できる。特に、本発明に対してＳｂを省略した比較例５、同じくＣｕを省略した比較例６、同じくＢｉを省略した比較例７に較べても格段の向上効果が認められることから、ＢｉとＣｕとＢｉとの予想外の相乗作用が推測される。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、耐熱衝撃試験に対して著しく安定なはんだ付けを可能とするはんだ合金及びペ−スト状はんだを提供でき、電子部品実装回路板の導通信頼性や安定性を長期にわたって保証できる。