(57)【要約】  電子材料及び電子製造の技術領域におけるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金に関するものである。はんだ合金の各化学成分の重量％はＡｇ  １．５〜４．０、Ｃｕ  ０．１〜２．０、Ａｌ  ０．００１〜０．５、Ｎｉ：０．０１〜１．０、残りはＳｎと不可避的な不純物である。本発明の無鉛はんだ合金は、従来の制作方法により、ペースト、粉、ブロック、棒や線などの各種物理的形状を得ることが可能であり、リフローはんだ付け、ウェーブはんだ付け、手付けはんだ付けなどの多種の溶接方法により多くの需要を満足させるものである。本発明はんだ合金は、１）はんだ合金の広がり率を高める、２）溶接を行う際に溶剤を利用し酸化膜を除去し、溶接箇所の結合強度を高め、組織を均一化し、欠陥を減少させる耐酸化性が良好である、３）はんだ合金の安定性を高め、はんだの溶接特性の悪化を防ぐという特徴を備えている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ合金における各化学成分の重量％が、Ａｇが１．５〜４．０、Ｃｕが０．１〜２．０、Ａｌが０．００１〜０．５、Ｎｉが０．０１〜１．０であって、残りがＳｎである
ことを特徴とするＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子材料及び電子製造の技術領域におけるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金、具体的には電子組立とパッケージ及び電子、電機設備、通信機材、自動車などの領域におけるろう付けはんだの使用に適した無鉛はんだに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｎ−Ｐｂ合金は現代電子工業における主要な実装材料であり、電子部品の組立において主要な地位を占めている。Ｓｎ−Ｐｂ合金は優れた濡れ性及び溶接性、導電性、力学的性能、低コストなどの特徴を備えているが、これに対してＰｂ及びＰｂ化合物は有毒性を持ち、その使用により環境汚染、労働者の健康が損なわれると共に、環境保護法が日々厳格に整備されていくなか、鉛の使用禁止を叫ぶ声が日益しに高まっている。
【０００３】
各国において、鉛はんだの電子産業における使用を禁止した法令が次々に制定されている。２０００年６月、アメリカＩＰＣＬｅａｄ−ＦｒｅｅＲｏａｄｍａｐ第４版は、アメリカ企業界に２００１年より電子商品の無鉛化の推進、２００４年より全面無鉛化実施の提案を発表した。ヨーロッパでは無鉛立法を推進するにあたり、より積極的な態度がとられ、２００３年２月１３日付のＥＣ官報において《電子電機設備におけるいくつかの有害物質の使用禁止指令》を公布、ＷＥＥＥ（Waste Electrical and Electronic Equipment）とＲｏｌｌｓ（Restriction of Hazardous Substances）が正式に批准され、効力が発生したことにより、２００６年７月１日よりヨーロッパ市場において販売される電子商品は無鉛の電子商品でなければならなくなった。アジア方面では、日本政府が２００３年１月より全面的な無鉛化を推進すると共に、“無鉛”表示によりアメリカ、中国、韓国、台湾地区及びヨーロッパからの有鉛電子商品の輸入品を阻止又は制限し始めた。中国政府は２００３年３月に情報産業部が《電子情報商品生産汚染予防治療管理法》を制定し、２００６年７月１日より鉛を含んだ電子商品を禁止した。
【非特許文献１】アメリカＩＰＣＬｅａｄ−ＦｒｅｅＲｏａｄｍａｐ第４版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の無鉛はんだにおいて、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はその応用が比較的良好であるとして、アメリカＮＥＭＩ、イギリスＤＴＩ、Ｓｏｌｄｅｒｔｅｃなどの推薦を得ている。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系について、アメリカ特許４，７７８，７３３はＳｎ−Ａｇ（０．０５−３％）−ｃｕ（０．７−６％）の組成の無鉛はんだを開示している。アメリカ特許５，５２７，６２８は組成が９３．６Ｓｎ−４．７Ａｇ−１．７Ｃｕの合金について叙述している。アメリカ特許５，８６３，４９３はＳｎ−Ａｇ（２．０−５．０％）−ｃｕ（０−２．９％）の無鉛はんだを開示している。またアメリカ特許４，７５８，４０７はＳｎ−Ａｇ（０−５．０％）−ｃｕ（３．０−５．０％）を基礎としてＮｉ元素を添加している。アメリカ特許６，１７９，９３５はＳｎ−Ａｇ（０−４．０％）−Ｃｕ（０−２．０％）を基礎として微量のＮｉとＧｅ元素を添加している。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金は、総合性では比較的優れているが、濡れ性が劣り、合金の組成が粗く、分布が不均一であるという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、はんだ合金のミクロ構造を最適にすることにより、はんだの応用特性を高めたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金を提供することにある。
本発明が提供しているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、
Ａｇ  １．５〜４．０
Ｃｕ  ０．１〜２．０
Ａｌ  ０．００１〜０．５
Ｎｉ  ０．０１〜１．０
残りはＳｎと不可避的な不純物である。
【０００６】
本発明が提供しているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金は、現有技術において公知の従来の製作方法により、ペースト、粉、ブロック、棒、球や線などの各種物理的形状を得ることが可能であり、リフローはんだ付け、ウェーブはんだ付けや手付けはんだ付けなどの多種の溶接方法により多くの需要を満足させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明を利用して製造したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系無鉛はんだ合金は、長所として、１）はんだの溶接部材における濡れ性が良好である、つまり合金はんだの広がり率を高めた。２）耐酸化性が良好である、無鉛はんだ合金中のＮｉは合金の耐酸化性を高め、Ａｌははんだ表面に厚めの酸化膜を形成し、合金を保護する、溶接時に溶剤を利用し酸化膜を除去することにより、溶接箇所の結合強度を強め、組成を均一化し、欠陥を少なくした。３）はんだの安定性を高め、はんだの溶接特性の悪化を防ぐこと、が挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明における各添加元素の作用及び最も好ましい含有量を以下に詳細に説明する。ＡｇはＳｎ基体とＳｎ−Ａｇ共晶を形成し、はんだの融点を低下させ、はんだの力学的性能を高め、さらにＳｎ−Ａｇ系はんだは伝統的なＳｎ−Ｐｂ共晶に較べ特に優れた耐クリープ疲労特性を備えている。Ａｇの追加量が０．５％より少ない場合、これら作用ははっきり表れない。５．０％以上のＡｇを加えるとはんだ合金の液相線温度は急激に上昇し、ろう付け温度の上昇により電子構成部品が熱破壊を受ける可能性がある。好ましいＡｇの含有量は１．５〜４．０％である。Ｃｕを添加することによりＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ間に三元共晶を形成させ、はんだの融点をさらに低下させることができる。Ｃｕ元素は更にＳｎ−Ａｇ系はんだの濡れ性を高めることが可能である。Ｃｕ元素の存在ははんだの強度を高め、Ｓｎ−Ａｇはんだの強度不足という欠点を補っている。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶はんだは更に強い強度を有する。また溶融はんだ鍋に漬ける方法により、銅箔導線を設けたプリント回路板に電子部品をろう付けする際に、溶融はんだ鍋中にあるＣｕは銅箔導線における銅が溶融はんだ鍋に拡散するのを抑制するという余分な作用を有する。好ましいＣｕの含有量は０．１〜２．０％である。Ｎｉ元素はＣｕが溶融はんだに溶解することを抑制し、Ｃｕが溶融はんだに溶解する速度及び架橋を起こす可能性を低下させることが可能である。ＮｉはＳｎとＣｕが反応により形成したＣｔ−Ｓｎ５とＣｕ３Ｓｎなどの金属間の化合物を抑え、これら形成された化合物を溶解させる。Ａｌ耐酸化マイクロ構造を解析する。Ａｌは面心立方構造であり、各方向が同性の特徴を備えているため、はんだ合金が凝固時、Ａｌは高分散した微粒子の形状により合金基体中に析出分布され、各微粒子は一定範囲の合金基体の周囲に耐酸化保護作用をもたらす。この様に、比較的少量のＡｌは理想的な抗酸化効果を発揮する。
【０００９】
以下は本発明の実施例であり、各実施例は、重金属原料をるつぼ又は溶解なべに入れ空気中で加熱撹拌するという従来の方法により鋳造している。しかし、空気中において原料金属を溶融し、原料金属及び合金中の不純物又は非金属物が空気と反応し、可溶性のガスとなり、可溶性窒素又は酸素ははんだ合金中に残留し、溶接性能を低下させる。よって本発明の無鉛含量合金は真空又は不活性ガス中において精錬するのが最も望ましい。
【実施例１】
【００１０】
無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ａｇ：３．８，Ｃｕ：０．３，Ａｌ：０．１，Ｎｉ：０．０２，残りはＳｎ。はんだ合金の固相線温度は２１６．１３℃、液相線温度は２１９．５３℃、広がり率は９１．３％である。
【実施例２】
【００１１】
無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ａｇ：３．５，Ｃｕ：０．７，Ａｌ：０．２，Ｎｉ：０．１０，残りはＳｎ。はんだ合金の固相線温度は２１６．１３℃、液相線温度は２１９．５３℃、広がり率は９１．３％である。
【実施例３】
【００１２】
無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ａｇ：３．０，Ｃｕ：１，Ａｌ：０．３，Ｎｉ：０．４０，残りはＳｎ。はんだ合金の固相線温度は２１６．９６℃、液相線温度は２２０．２０℃、広がり率は９４．３％である。
【実施例４】
【００１３】
無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ａｇ：２．０，Ｃｕ：１．５，Ａｌ：０．４，Ｎｉ：０．７０，残りはＳｎ。はんだ合金の固相線温度は２２０．６６℃、液相線温度は２２３．１２℃、広がり率は８７．１％である。
【実施例５】
【００１４】
無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ａｇ：２．５，Ｃｕ：１．５，Ａｌ：０．５，Ｎｉ：１．００，残りはＳｎ。はんだ合金の固相線温度は２１９．８１℃、液相線温度は２２２．４７℃、広がり率は８７．７％である。
【実施例６】
【００１５】
無鉛はんだ合金における各化学成分の重量％は、Ａｇ：３．５，Ｃｕ：０．７５，Ａｌ：０．００１，Ｎｉ：０．１，残りはＳｎ。はんだ合金の固相線温度は２１７℃、液相線温度は２１９℃、広がり率は８８．５％である。
【国際調査報告】
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