(57)【要約】      （修正有）【課題】環境に優しい鉛フリーはんだ合金について、新規で且つ改良された組成を提供する。【解決手段】Ｓｎを主材料として考案された鉛フリーのはんだ合金であって、無毒で且つ環境に優しい金属のはんだ合金を提供する。この鉛フリーはんだは、約９９．０ｗｔのＳｎと、０．３〜０．４ｗｔ％のＡｇと、０．６〜０．７ｗｔ％のＣｕとで基本的に構成された四元の組成物を含み、約２１７〜２２７℃の非共晶溶解温度を有する。第４種目の成分は、非金属のリン（Ｐ）である。０．０１〜１．０ｗｔ％のＰを上記の組成物に加えることによって、電子装備の取り付け工程中のマニュアルソルダリング、ウェーブソルダリング、および熱風式リフローソルダリングの際に、微細構造の安定性を更に高め、スラグの形成を低減させることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛フリーの導電体はんだ組成物であって、
組成物の重量を基準に、約０．３〜０．４ｗｔ％の銀（Ａｇ）と、０．６〜０．７ｗｔ％の銅（Ｃｕ）と、１．０ｗｔ％以下のリン（Ｐ）と、差引量のスズ（Ｓｎ）と、不可避の不純物とで基本的に構成される鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の鉛フリーの導電体はんだ組成物であって、
組成物の重量を基準に、０．３ｗｔ％のＡｇと、０．７ｗｔ％のＣｕと、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎと、不可避の不純物とで基本的に構成され、且つ、はんだの溶融温度が２１７〜２２７℃である鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【請求項３】
請求項１に記載の鉛フリーの導電体はんだ組成物であって、
組成物の重量を基準に、約０．４ｗｔ％のＡｇと、約０．６ｗｔ％のＣｕと、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎと、不可避の不純物とで基本的に構成され、且つ、２１７〜２２７℃の非共晶溶融温度を有する鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛フリーの導電体はんだ組成物であって、
Ｐの含有量は、０．８ｗｔ％未満である鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛フリーの導電体はんだ組成物であって、
Ｐの含有量は、０．０１〜０．５ｗｔ％である鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛フリーの導電体はんだ組成物であって、
Ｐの含有量は、０．０１〜０．３ｗｔ％である鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
鉛（Ｐｂ）は、電子産業で広く使用されているはんだ合金の成分である。しかしながら、Ｐｂの使用は、その毒性ゆえに、他に取って代わられつつある。Ｓｎ−ＰｂはんだおよびＰｂ基はんだを広く使用しつづけることは、鉛の毒性だけでなく、その他にも問題がある。米国、カナダ、多くの欧州国家、および日本では、自動車、ゲーム機器、パソコン、および計器などのいずれの電子製品でも、鉛の使用が禁止されている。
【背景技術】
【０００２】
６３％Ｓｎ−３７％Ｐｂの優れた冶金学的濡れ性は、溶融はんだの界面に、非常に安定した金属間化合物の薄層を容易に形成することによって得られると考えられる。はんだ濡れ性を助ける界面金属間化合物は、通常は、Ｓｎ基であって、Ｐｂ基ではない。Ｐｂが、はんだ付け性の向上に及ぼす作用はあまりはっきりしないが、どうやら、はんだ合金の液体表面張力を効果的に低下させることに関係していると推察される。なぜなら、溶融はんだの接触角が小さくなると、はんだ接合にとって、より広がって、相互作用の大きい表面が形成されるからである。また、６３％Ｓｎと３７％Ｐｂとの共晶固化反応も、もともと共に柔らかい金属同士でありながら、非常に高い強度を示す高度に精製されたＳｎ−Ｐｂ混合相を生成することができる。
【０００３】
政府によって鉛の使用を禁止される、あるいは追加で課税される可能性を考慮した電子および回路接合の応用分野のメーカおよびユーザは、近年来、従来のマニュアルソルダリング／ウェーブソルダリング／ソフトソルダリングの工程によるこれまでのＳｎ−Ｐｂはんだに直接に代わるものとして、鉛フリーのはんだの開発を試みはじめた。これらの工程は、回路を２４０〜２５０℃の温度に加熱する一般的な方法を採用したものである。鉛フリーのはんだは、コスト面で競争力を要するだけでなく、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと同様に、容易に入手可能であり尚かつ大量に使用可能でなければならない。
【０００４】
配管業界では、鉛フリーのはんだとして、９６ｗｔ％のＳｎと、３．５ｗｔ％のＣｕと、０．５ｗｔ％のＡｇとを含有する三元の非共晶Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が開発された。この配管用のはんだは、２２７℃の固相線温度と２６０℃の液相線温度を有しているが、電子メーカによる使用には適していない。
【０００５】
近年来、鉛フリーのはんだ合金は、主に、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎを使用する方向で発展を遂げている。特に注目すべきは、Ｓｎ、Ａｇ、およびＣｎを含有するはんだ組成物である。アイオワ州立大学のＡｎｄｅｒｓｏｎらは、９３．６Ｓｎ／４．７Ａｇ／１．７ＣｕおよびＳｎ／Ａｇ／Ｃｎ／Ｎｉ／Ｆｅをそれぞれ含有する共晶の鉛フリーはんだについて報告している（下記特許文献１参照）
【０００６】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に基づいて、Ａｎｄｅｒｓｏｎらは、９３．６Ｓｎ／４．７Ａｇ／１．７Ｃｕで構成された鉛フリーはんだを提案した。この金属は、その他の鉛フリーはんだと比べて、はんだ付け性、導電性、力学特性、および可撓性などに優れているが、濡れ性が劣るうえに、合金組織が粗いので、分布の不均一を生じやすい。一方で、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金は、Ａｇ含有量が４．７ｗｔ％に達するので、使用の過程ではんだ付け助剤のハロゲン成分との間で化学作用を生じ、臭化銀、塩化銀、フッ化銀、または炭酸銀を生成する。この種の銀化合物は、光との接触後に黒変現象を生じるので、関連の鉛フリーはんだ完成品を黒変しやすくする。また、▲呉▼建雄らの報告によると、Ｐの非金属性化学分子は、溶融状態のもとで、鉛フリーはんだの金属分子構造間に浸入することによって、微細構造の安定性を更に高め、スラグの形成を低減させることができるとされている（下記特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】Ａｎｄｅｒｓｏｎらによる１９９６年６月１８日付けの米国特許第５５２７６２５号
【特許文献２】▲呉▼建雄らによる２００３年１月１５日付けの中華人民共和国国家知的財産権局ＺＬ専利第０３１１０８９５．４号
【０００８】
したがって、本発明の目的は、環境に優しい鉛フリーはんだ合金について、新規で且つ改良された組成を提供することにある。該合金は、現行技術の長所を多くの点で取り入れているうえに、環境にも優しい。
【０００９】
本発明のもう１つの目的は、環境に優しい鉛フリーはんだ合金について、新規で且つ改良された組成を提供することにある。該合金は、効率良く生産できるうえに、市場化も容易である。
【００１０】
本発明のもう１つの目的は、環境に優しい鉛フリーはんだ合金について、新規で且つ改良された組成を提供することにある。該合金は、物的資源および人的資源の両方について、製造コストを低く抑えることができるので、消費者に安価で販売することができ、したがって、該組成物を製造して買い手に提供することができる。
【００１１】
そのうえ、本発明のもう１つの目的は、環境に優しい鉛フリーはんだ合金について、新規で且つ改良された組成を提供することにある。該合金は、電子産業において、鉛フリーはんだの棒、糸、ＢＧＡボール、粉、ペースト、片、および陽極を製造するために用いることができる。
【００１２】
本発明のその他の目的は、発明の内容の一部を開示している特許請求の範囲において、本発明の新規性を記述する多くの特徴と共に、詳しく示されている。本発明に関する理解を深めるため、その操作上の長所およびその応用時に具現される特別な目的については、好ましい実施例に関する以下の詳細な説明を参考にするべきである。
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、Ｓｎと、Ａｇと、Ｃｕと、Ｐとで基本的に構成される四元の組成物を含有し、且つ２１７〜２２７℃の溶融温度を有する鉛フリーのはんだを提供する。
【００１４】
具体的に言うと、本発明は、組成物の重量を基準に、約０．３〜０．４ｗｔ％の銀（Ａｇ）と、０．６〜０．７ｗｔ％の銅（Ｃｕ）と、１．０ｗｔ％以下のリン（Ｐ）と、差引量のスズ（Ｓｎ）と、不可避の不純物とで基本的に構成される鉛フリーの導電体はんだ組成物を提供する。Ｐを加えるのは、微細構造の安定性を更に高め、スラグの形成を低減させるためである（「不可避の不純物」は、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ａｓ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｅ、およびＣｒなどを含み、これらの含有量は、いずれも０．０１％以下である）。
【００１５】
本発明の一実施態様としての鉛フリーの導電体はんだ組成物は、組成物の重量を基準に、０．３ｗｔ％のＡｇと、０．７ｗｔ％のＣｕと、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎと、不可避の不純物とで基本的に構成され、且つ、はんだの溶融温度は、２１７〜２２７℃であり、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰを加えることによって、微細構造の安定性の更に高め、ひいてはスラグの形成を低減させている。
【００１６】
本発明の別の実施の態様としての鉛フリーの導電体はんだ組成物は、組成物の重量を基準に、０．４ｗｔ％のＡｇと、０．６ｗｔ％のＣｕと、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎと、不可避の不純物とで基本的に構成され、且つ、はんだの溶融温度は、２１７〜２２７℃であり、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰを加えることによって、微細構造の安定性の更に高め、ひいてはスラグの形成を低減させている。
【００１７】
上述された本発明のはんだは、電子産業およびその他の産業のウェーブソルダリング、熱風式リフローソルダリング、およびその他のマニュアルソルダリングの工程において、鉛はんだの代替品として、広く用いることができる。
【００１８】
本発明のはんだ合金化合物（Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＰ）は、これまでに提案された大量のＢｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、またはＧａを含有する鉛フリーはんだと比べて、低コストで容易に得ることができるので、環境保護の面だけでなく、コストおよび実用性の面でも優位である。とりわけ、大量のはんだを利用する場合は、これまでの他の鉛フリーはんだにはない上述の長所を有する低コストおよび高性能の本発明のはんだによって、大きなメリットを得ることができる。
【具体的な実施方式】
【００１９】
本発明の鉛フリーはんだ組成物は、約０．３〜０．４ｗｔ％のＡｇと、０．６〜０．７ｗｔ％のＣｕと、１．０ｗｔ％以下のＰと、差引量のＳｎとで基本的に構成される四元の組成物であって、更にＰを添加することによって、微細構造の安定性を更に高め、スラグの形成を低減させる。
【００２０】
ウェーブソルダリング工程を採用した電子はんだの応用において、はんだの溶融温度の範囲は、１０℃以下であることが好ましい。本発明のはんだの溶融範囲は、１０℃以内である。
【００２１】
本発明の好ましい鉛フリーはんだは、下記の通りであり、非共晶溶融温度を呈する。
（１）組成物の重量を基準に、０．３ｗｔ％のＡｇと、０．７ｗｔ％のＣｕと、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎと、不可避の不純物とで基本的に構成され、且つ、はんだの溶融温度が２１７〜２２７℃である鉛フリーの導電体はんだ組成物。
（２）組成物の重量を基準に、０．４ｗｔ％のＡｇと、０．６ｗｔ％のＣｕと、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎと、不可避の不純物とで基本的に構成され、且つ、はんだの溶融温度が２１７〜２２７℃である鉛フリーの導電体はんだ組成物。
【００２２】
本発明の鉛フリーはんだは、基本的にＰを含む少なくとも一種の非金属元素を含有し、その含有量は、１ｗｔ％以下である。
【００２３】
本発明の鉛フリーはんだ：Ｓｎ（０．３〜０．４）Ａｇ／（０．６〜０．７）Ｃｕ／（１．０以下）Ｐについて、その金属のはんだ付け性、導電性、力学特性、および可撓性などは、従来の鉛フリーはんだ：Ｓｎ／３．０Ａｇ／０．５Ｃｕと比べて弱いものの、銀の含有量は、他の鉛フリーはんだ：Ｓｎ／３．０Ａｇ／０．５Ｃｕと比べて約１０分の１であるので（銀は、酸または塩基などの化学物質との間で容易に化学反応を起こすことによって有害物質を生じる）、本発明は、生物および環境に対して安全であるうえに、有害な影響を潜在させていることもない。また、本発明の鉛フリーはんだ：Ｓｎ／（０．３〜０．４）Ａｇ／（０．６〜０．７）Ｃｕ／（１．０以下）Ｐは、銀の含有量が、従来の鉛フリーはんだ：ＳｎＡｇＣｕと比べて少ないので（わずか０．５％である）、銀とはんだ付け助剤のハロゲン成分との間で化学作用が生じて銀化合物を生成することは起きにくく、したがって、黒変現象もわずかである。
【００２４】
本発明の実施例であるはんだを５００ｋｇ製造する方法は、以下の通りである。
１）３．５ｋｇの純銅および２００ｋｇの純スズをスチール製の坩堝に入れ、４００℃まで加熱し、約４５分間攪拌する。
２）３００℃まで温度を下げ、２９４．７５ｋｇの純スズを加え、約４５分間攪拌する。
３）１．５ｋｇの純銀を坩堝に加え、３７０℃まで加熱し、約４５分間攪拌する。
４）２５０ｇのＰを磨砕して坩堝に加え、３７０℃の温度のもとで約４５分間攪拌する。
これで完了である。
【００２５】
本発明のはんだは、応用の仕方に応じて異なる形態で提供することができる。本発明のはんだは、はんだ糸、はんだ棒、はんだ塊、およびはんだ粉の形態で提供することができる。はんだ棒およびはんだ塊は、従来のはんだ製錬技術を用いて生産することができる。はんだの製錬は、３６０±３０℃で４５分間攪拌した後、次いで、３００℃まで温度を下げる必要がある。次いで、適当なスチール製の鋳型を用いてはんだのチル鋳造を行い、３００℃から６５±１０℃まで温度を下げることによって、高純度で且つ成分の正確な棒または塊を製造することができる。はんだ糸は、はんだ塊を中空の管に押し込み、次いで、フラックスを充填することによって得ることができる。
【００２６】
以上では、比較的重要だと思われる本発明の特徴を詳細に述べることによって、下記の詳細な記述に対する理解を深めるとともに、現行の技術に果たす本発明の貢献をより良く把握することを可能にしている。もちろん、以下では、本発明の有する追加の特徴が記述され、これらの特徴は、関連の従属クレームの主題を構成する。
【００２７】
したがって、本発明の応用範囲は、以下の詳細な説明および下記に記される内容の組成に限定されるものではないことを、本発明の好ましい実施例を詳しく説明する前に、理解することが可能である。本発明は、その他の実施方式を含むこともでき、異なる手法を用いて実施および実現することが可能である。また、本明細書で用いられる表現および用語は、説明を目的としたものであって、限定を目的とするものではない。
【００２８】
本発明の目的は、微細構造の安定性を更に高めると共にスラグの形成を減少させることができ、はんだ表面の黒変を容易でなくし、はんだ鍋の表面における金属酸化物の生成量を減少させることができ、且つ、電気回路をはんだ付けする際の不良率を引き下げる鉛フリーのはんだ合金を提供することにある。
【００２９】
実施例１：本実施方式の鉛フリーはんだは、下記の重量百分率の成分で構成される。すなわち、０．３ｗｔ％のＡｇと、０．７ｗｔ％のＣｕと、０．０５ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎとである。
【００３０】
実施例２：本実施方式の鉛フリーはんだは、下記の重量百分率の成分で構成される。すなわち、０．４ｗｔ％のＡｇと、０．６ｗｔ％のＣｕと、０．０５ｗｔ％のＰと、差引量のＳｎとである。
【００３１】
原料、重量、製造工程、および条件を含む、鉛フリーはんだの製造については、既に詳しく説明済みである。次に、具体的な実施例１および２を表に示す。
【００３２】
【表１】
2006281318.tif 000002
【００３３】
次に、従来の鉛フリーはんだ（３．５ｗｔ％のＡｇと、０．７ｗｔ％のＣｕと、９５．８ｗｔ％のＳｎ）と上述の実施方式１および２の鉛フリーはんだについて、融点および外観の対比を表２に示した。
【００３４】
【表２】
2006281318.tif 000003
【００３５】
ハロゲン（０．０５％）を含有するはんだ付け助剤が、本発明の実施方式および従来の鉛フリーはんだ：ＳｎＡｇＣｕに及ぼす影響を観察するため、上述された本発明の実施方式および従来の鉛フリーはんだ合金に対し、はんだ点（はんだの点状の肉盛り）の外観試験を実施した。先ず、０．０５％のハロゲンを含有する０．０５ｍｌのはんだ付け助剤をはんだ点に加え、３０分間経過した後に、はんだ点の外観を目視で検査した。試験の結果は、表２に示した。以上からわかるように、Ａｇの含有量を低く（０．３〜０．４ｗｔ％）抑えられた本発明の実施方式のはんだ点は、ハロゲンを含有するはんだ付け助剤による黒変の影響をさほど受けないが、Ａｇの含有量を３．５ｗｔ％まで増大された従来のはんだ点は、黒変現象を生じる。
【００３６】
【表３】
2006281318.tif 000004
【００３７】
また、本発明の実施方式および従来の鉛フリーはんだ：ＳｎＡｇＣｕに対して抗酸化性試験を実施した。先ず、２８０℃の温度ではんだを１０時間保持し、その焼損率（酸化された割合）を検査および測定した。具体的な試験結果は、表３を参照せよ。
【００３８】
表３の試験結果からわかるように、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰを添加した実施例１，２の焼損率は、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰを添加しなかった従来の鉛フリーはんだの焼損率の約６〜７分の１である。したがって、０．０１〜１．０ｗｔ％のＰを添加したことによって得られる合金の抗酸化能力は、従来の鉛フリーはんだの調製方法によって得られる抗酸化能力よりも強い。
【００３９】
当該分野の技術者ならば理解できるように、本発明は、その目的を実現するにあたって、その他の構造、方法、およびシステムの基礎として都合良く且つ容易に用いることができる。したがって、同等の範囲に含まれるこれらの構造は、本発明の本質および範囲を逸脱するものではなく、特許請求の範囲に含まれるべきである。本発明の要約は、本発明の範囲を限定するものではない。