(57)【要約】【課題】本発明の目的は、鉛を含有することなく、はんだ接合対象物に広く対応可能でありながら、高い信頼性を有したはんだ接合を可能とする鉛フリーはんだ合金を低コストにて提供することである。【解決手段】Ｚｎを０．０１〜１０重量％、Ｍｎを０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、残部がＳｎからなるＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎ鉛フリーはんだ合金を用いることにより、従来の電子部品とプリント基板のはんだ接合部の材質であるＣｕやＮｉ等の金属材質に加えて、ガラス上の金属電極との高いはんだ接合特性を有する。そして、上記組成に３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）のＡｇ、更に、０.０１〜２５重量％のＢｉ、及び０．１〜１０重量％のＳｂを添加することにより、アルミニウムとのはんだ接合特性やはんだ接合強度が著しく向上する。更に、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ａｌ、及びＳｉから選ばれる少なくとも一種類以上を合計で０．００１〜１重量％含有することにより、接合強度向上、はんだの流動性向上、酸化防止効果向上等のはんだ接合特性の向上を有して、はんだ特性に優れ、高い信頼性を有するはんだ接合の提供を可能とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを０．０１〜１０重量％、Ｍｎを０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）のＡｇを添加したことを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
０．０１〜２５重量％のＢｉ添加したことを特徴とする請求項１〜請求項２記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
０．１〜３重量％のＣｕ、０．００１〜１重量％のＮｉ、及び０．１〜１０重量％のＳｂから選ばれる少なくとも一種以上を添加することを特徴とする請求項１〜請求項３記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項５】
Ｇｅ、Ｇａ、Ａｌ、及びＳｉから選ばれる少なくとも一種類以上を合計で０．００１〜１重量％含有することを特徴とする請求項１〜請求項４記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項６】
請求項１〜請求項５記載の鉛フリーはんだを用いてはんだ付けを行なったはんだ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーはんだに関し、詳しくはＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎを基本組成とする鉛フリーはんだ合金及びそのはんだ合金を用いたはんだ接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点より、環境に有害な鉛を含まないはんだ合金が広く用いられるようになってきている。例えば、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ａｌ-Ｓｉ系、Ｂｉ-Ｚｎ系の鉛フリーはんだ合金、及びそれら鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕ等を適宜添加した鉛フリーはんだ合金が提案され実用化が進んでいる。
【０００３】
例えば、プリント基板と電子部品の接合にはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金（例えば、特許文献１。）やＳｎ−Ｃｕ系にＮｉを添加したＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ鉛フリーはんだ合金（例えば、特許文献２。）の鉛フリーはんだ合金が、アルミニウムのはんだ接合にはＳｎ−Ｚｎ系（例えば、特許文献３。）、太陽電池等のシリコン基板やガラス上の銀等の電極を対象としたはんだ接合にはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系（例えば、特許文献４。）はんだ合金が提案されており、はんだ接合の信頼性、はんだ接合特性、使用性、コスト、はんだ接合物の材質等の要素に合ったはんだ合金が選択されている。
【０００４】
一方、はんだ接合において、高い信頼性と優れたはんだ接合特性及び使用性を有し、低コストで提供可能な鉛フリーはんだ合金の開発も強く望まれている。
特許文献１は、現在、鉛フリーはんだを代表する組成であるが、高価なＡｇを含有することからメタルコストが高いことやアルミニウムやガラス上の金属電極へのはんだ接合に対して接合特性に課題を残している。
また、特許文献２は、特許文献１同様に鉛フリーはんだを代表する組成であり、プリント基板等への高いはんだ接合特性を有することや特許文献１の組成と比較して安価なこともあり近年急速に普及しているが、アルミニウムやガラス上の金属電極へのはんだ接合に対して、より使いやすいはんだ接合特性が求められている。
そして、特許文献３は、アルミニウムへの接合に対応した組成であるが、プリント基板等一般のはんだ接合に用いる場合に課題を残している。特許文献４は、太陽電池用セル接続用のはんだ合金でシリコン基板上の銀電極をコーティングして接続するためのものであるが、接合強度及び耐久性に課題を残している。
以上のように、ＣｕやＮｉ等の電子部品に使用されている材質やアルミニウムを含む多様な金属に対応し、かつ、太陽電池や車載リアガラス等にみられるシリコン基板上やガラス上の金属電極等に対しても良好なはんだ接合特性及び使用性を有する低コストの鉛フリーはんだ合金は、見当たらないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０２７４４１号公報
【特許文献２】特許第３１５２９４５号公報
【特許文献３】特開平７−９６３８７号公報
【特許文献４】特開２００２−２１７４３４号公報
【特許文献５】特開２００６−６１９１４号公報
【特許文献６】特許第４１４４４１５号公報
【特許文献７】特公平４−６４７６号公報
【特許文献８】特開２００３−１８８５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、前記事情に鑑み、鉛を含有することなく、はんだ接合対象物に広く対応可能でありながら、高い信頼性を有したはんだ接合を可能とする鉛フリーはんだ合金を低コストにて提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の課題を解決すべく発明者は鋭意検討した結果、Ｚｎを０．０１〜１０重量％、Ｍｎを０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、残部がＳｎからなるＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎ鉛フリーはんだ合金を用いることにより、従来の電子部品とプリント基板のはんだ接合部の材質であるＣｕやＮｉ等の金属材質に加えて、ガラス上の金属電極に対する高いはんだ接合特性を有することを見いだし、本発明の完成に至った。
【０００８】
そして、上記組成に３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）のＡｇ、更に０.０１〜２５重量％のＢｉ、及び０．１〜１０重量％のＳｂを添加することにより、アルミニウムとのはんだ接合特性やはんだ接合強度が著しく向上する。更に、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ａｌ、及びＳｉから選ばれる少なくとも一種類以上を合計で０．００１〜１重量％含有することにより、接合強度向上、はんだの流動性向上、酸化防止効果向上等のはんだ接合特性の向上を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のはんだ合金は、鉛を含有しない組成から構成されるため、環境に配慮したはんだ接合の提供を可能とすることは勿論のこと、アルミニウムを含む多様な種類の金属やシリコンやガラス上の金属電極等に、高い信頼性を有するはんだ接合が可能である。従来の電子部品のはんだ接合に加え、アルミニウムの接合、太陽電池やＬＥＤ等を対象物としたはんだ接合にも応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の鉛フリーはんだ合金を用いて、ガラス上の金属電極をはんだ接合したときのはんだ接合部を示すモデル図。
【図２】本発明の鉛フリーはんだ合金を用いて、アルミニウムをはんだ接合したときのはんだ接合部を示すモデル図。
【図３】「Ｓｎ−Ｍｎ」２成分状態図。
【図４】本発明のＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎはんだ合金とガラス上の銀電極とのはんだ接合部分の断面の顕微鏡写真。
【図５】Ｓｎ-Ｃｕ-Ｍｎはんだ合金とＳｎ-Ｃｕはんだ合金による銅とのはんだ接合部分の断面の電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明のはんだ材料について詳細に説明する。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｚｎを０．０１〜１０重量％、Ｍｎを０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、残部がＳｎからなるＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎを基本組成とし、３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）のＡｇを添加した組成、更に、０．０１〜２５重量％のＢｉ添加した組成、そして、前記組成に０．１〜３重量％のＣｕ、０．００１〜１重量％のＮｉ、及び０．１〜１０重量％のＳｂから選ばれる少なくとも一種以上を添加した組成、更に、Ｇｅ、Ｇａ、Ａｌ、及びＳｉから選ばれる少なくとも一種類以上を合計で０．００１〜１重量％を添加した組成よりなる其々の鉛フリーはんだ合金である。
【００１２】
ところで、ＺｎやＭｎを含有した鉛フリー合金には、特許文献５〜特許文献８が提案されている。特許文献５は、半田ごてのこて先の劣化を防止するはんだ合金に関するもので、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｆｅ−Ｇａを基本組成とし、機械的特性を改善する目的でＭｎやＡｇ等を選択して添加するものである。特許文献６は、電子機器のはんだ付け用のはんだ合金に関するもので、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの基本組成にＰ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉの各成分を選択して配合し、更にＭｎを添加した組成であり、耐ヒートサイクル向上を目的としているものである。特許文献７は、低融点銀ろう材に関するもので、Ｚｎ−Ａｇ−Ｍｎ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｃｕを基本組成として、銀含有量が少ないろう材に関するものである。特許文献８は、鉛フリー高温はんだに関するもので、Ｓｎ−Ｚｎを基本組成としてＭｎ、Ａｌ及びＡｇを選択して添加するものである。
【００１３】
特許文献５〜８は、特許文献５がＳｎ−Ｃｕ−Ｆｅ−ＧａにＭｎを添加した成分、特許文献６がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの基本組成にＰ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉの各成分を選択して配合し、更にＭｎを添加した組成からなる成分、特許文献７がＺｎ−Ａｇ−Ｍｎ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｃｕからなる成分、特許文献８がＳｎ−Ｚｎに２０〜４０重量％のＭｎを添加した組成からなる成分である。また、特許文献５〜８は、発明の効果も本発明と大きく異なるものであり、当該先行特許を基に本発明を想定することは困難である。
【００１４】
一方、本発明の鉛フリーはんだ合金は、はんだ接合の際、図１に示すモデル図の状態ではんだ接合していると考えられる。例えば、ガラス上（１）の金属電極（４）がＡｇの場合、電極とはんだ合金の界面に主にＡｇ−Ｚｎ組成からなる金属間化合物（２）が形成され、ガラス上（１）の金属電極（４）がＣｕの場合、電極とはんだ合金の界面に主にＣｕ−Ｚｎ組成からなる金属間化合物（２）が形成される。このように電極とはんだ合金の界面に安定した金属間化合物が形成されることにより、はんだ接合の強度が著しく向上する。
また、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｍｎの基本組成にＡｇを添加した本発明鉛フリーはんだ合金を用いてアルミニウムを接合した場合、図２に示すモデル図の状態ではんだ接合していると考えられる。すなわち、アルミニウム（７）とはんだ合金（３）の界面に主にＡｇ−Ｚｎ組成からなる金属間化合物（２）が形成され、強固なはんだ接合が可能となる。
そして、Ｍｎの添加によって、はんだ接合界面に形成する金属間化合物の安定化に寄与する。例えば、金属化合物（５）やはんだ合金中（３）のＳｎ等の粒径が微細化することによって、衝撃等の瞬間的な強度とクリープ強度が向上し、優れた効果を有すると考えられる。
【００１５】
本発明の鉛フリーはんだ合金の基本構成成分であるＺｎは、添加量が０．０１〜１０重量％の範囲であれば本発明の効果を有し、好ましい範囲は１〜１０重量％である。また、Ｍｎに関して、添加量が０．１重量％以下（範囲下限値の零を含まず）であれば本発明の効果を有し、好ましい範囲は０．００１〜０．０５重量％である。Ｍｎの添加量を０．１重量％以下とした理由は、図３に示すＳｎ−Ｍｎ２成分状態図にあるように、急激に液相線温度が上昇し、はんだ付けの作業性が低下する場合が発生するためである。また、Ｍｎの添加量が０．００１〜０．０５重量％の場合、上述したように、はんだ粒子の微細化が顕著となり、その結果、はんだ接合部の結晶構造が安定化し、はんだ接合強度が向上すると考えられる。
【００１６】
更に、本発明の鉛フリーはんだ合金の基本組成であるＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎに３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）のＡｇを添加した場合は、前記の如くアルミニウムとの接合特性が著しく向上する。更に０．０１〜２５重量％のＢｉ添加した場合はガルバニック腐食を抑制する効果が向上する。そして、前記組成に０．１〜３重量％のＣｕを添加した場合は金属間化合物の形成が促進されはんだ接合強度が向上する。０．００１〜１重量％のＮｉを添加した場合ははんだの溶解時の流動性が向上してはんだ付け不良が減少する。０．１〜１０重量％のＳｂを添加した場合ははんだ接合部の強度が向上する。更に、Ｇｅ、Ｇａ、Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも一種類以上を合計で０．００１〜１重量％含有することにより、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉの場合ははんだの酸化が防止されドロスの発生が抑制され、Ａｌの場合はアルミニウムへの接合特性が一層向上する。
【００１７】
そして、本発明の鉛フリーはんだ合金は、本発明の効果を損なわない範囲においてその他の成分を任意な範囲において添加しても構わない。
また、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いて、任意の形状に加工することも可能であり、例えば、はんだペースト、中央部にフラックスを包接して線状に加工した線状はんだ、プリフォーム、ボールはんだ等が例示できる。
【００１８】
本発明の鉛フリーはんだは、従来のフローはんだ付け及びリフローはんだ付けは勿論のこと、超音波はんだ付けにも対応が可能である。
【００１９】
なお、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合を行なったはんだ継手も本発明の対象である。
【実施例】
【００２０】
図４に、本発明のＳｎ−Ｚｎ−Ｍｎはんだ合金とガラス上の銀電極とのはんだ接合部分の断面の顕微鏡写真を示す。ガラス上の銀電極とはんだ合金の接合界面に金属間化合物が形成されていることが確認できる。
【００２１】
図５は、Ｓｎ-０．９Ｃｕはんだ合金及びＳｎ-０．９Ｃｕはんだ合金に０．００２重量％のＭｎを添加したＳｎ-０．９Ｃｕ-０．００２Ｍｎはんだ合金を用いてはんだ付けをしたはんだ接合部の断面の顕微鏡写真組成である。形成した金属間化合物を比較すると、Ｓｎ-０．９Ｃｕはんだ合金の場合は金属間化合物がはんだ層にも広く点在し、また、クラックの発生も確認できる。それに対して、本発明の鉛フリーはんだ合金の構成成分であるＭｎを添加したＳｎ-０．９Ｃｕ-０．００２Ｍｎはんだ合金の場合は金属間化合物がはんだ層に広く点在しておらず接合界面に集中しており、クラックの発生も少ない。以上のことから、Ｍｎ添加により、Ｓｎ-０．９Ｃｕ-０．００２Ｍｎ組成のはんだ合金はＳｎ-０．９Ｃｕ組成のはんだ合金よりも、はんだ接合界面が安定していることが分かる。
【符号の説明】
【００２２】
１  ガラス
２  金属間化合物
３  はんだ層
４  金属電極
５  金属化合物
６  Ｓｎ
７  アルミニウム
【図１】
2011156558.tif 000002
【図２】
2011156558.tif 000003
【図３】
2011156558.tif 000004
【図４】
2011156558.tif 000005
【図５】
2011156558.tif 000006