(57)【要約】従来の無鉛はんだ合金に比べて低い溶融点、一層改善された濡れ性及び接合強度、用途によって異なる合金含有率を有するＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供する。本発明のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金は、０．１〜３．０重量％のＣｕ、０．０１〜０．５重量％のＮｉ、０．０１〜５．０重量％のＡｇ及びＳｎを含む。例えば、Ｃｕは０．３〜０．８重量％、Ｎｉは０．０１〜０．１重量％、Ａｇは０．０１〜０．５重量％である。本発明のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金は、０．００３〜０．０１重量％のＰをさらに含む。
2008518791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１〜３．０重量％のＣｕ、０．０１〜０．５重量％のＮｉ、０．０１〜５．０重量％のＡｇ及びＳｎを含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金。
【請求項２】
前記Ｃｕは０．３〜０．８重量％、Ｎｉは０．０１〜０．１重量％、Ａｇは０．０１〜０．５重量％である請求項１に記載のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金。
【請求項３】
前記Ｃｕは０．３〜０．８重量％、Ｎｉは０．０１〜０．１重量％、Ａｇは２．０〜４．０重量％である請求項１に記載のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金。
【請求項４】
前記Ｃｕは２．１〜２．５重量％、Ｎｉは０．０１〜０．１重量％、Ａｇは０．０１〜０．５重量％である請求項１に記載のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金。
【請求項５】
前記Ｃｕは２．１〜２．５重量％、Ｎｉは０．０１〜０．１重量％、Ａｇは２．８〜３．２重量％である請求項１に記載のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金。
【請求項６】
０．００３〜０．０１重量％のＰをさらに含む請求項１乃至５のうち何れか１項に記載のＳｎ―Ａｇ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、印刷回路基板（ＰＣＢ）などに電子部品などを実装またはメッキするときに用いるはんだ合金に関するもので、より詳しくは、０．１〜３．０重量％のＣｕ（銅）、０．０１〜０．５重量％のＮｉ（ニッケル）、０．０１〜５．０重量％のＡｇ（銀）及びＳｎ（錫）を含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、はんだ付けは、はんだ合金を用いた接合技術であり、特に、印刷回路基板（ＰＣＢ）に半導体チップや抵抗チップなどの小型電子部品を実装するための接合材として用いられている。最近、電子製品の小型軽量化及び高機能化と伴って部品装着が高密度化されることで、はんだ合金を用いた接合技術には、一層高度の水準が要求されている。すなわち、部品装着の高密度化によって、ＰＣＢ、実装部品及びはんだ合金は、温度変化、熱膨張差及び振動から発生する繰り返し応力の影響を多く受けるようになる。そのため、はんだ接続部においては、はんだ合金の組織が粗大化することで疲労破壊などによる亀裂が発生する。このはんだ接続部の亀裂は、例えば、ＰＣＢに実装された部品の断線不良などのように、致命的な欠陥発生要因として作用する。
【０００３】
したがって、ＰＣＢに電子部品を装着するためのはんだ付け材料として、Ｓｎ（錫）及び鉛（Ｐｂ）からなる２元系合金、例えば、６０重量％のＳｎ及び４０重量％のＰｂからなるはんだ合金や、６３重量％のＳｎ及び３７重量％のＰｂからなるはんだ合金を主に用いた。
【０００４】
しかしながら、従来のＳｎ―Ｐｂはんだ合金においては、廃棄時に流出する鉛が環境汚染の原因になるという問題点があった。
【０００５】
また、電気電子製品の有害物質禁止に関するヨーロッパ連合（ＥＵ）の‘電気・電子部品廃棄物処理指針（ＷＥＥＥ）’と‘有害物質使用制限指針（ＲｏＨＳ）’などの規制が確定されながら、最近の電子業界では、はんだ合金の製造時に鉛の使用を規制または排除することで、環境親和的な無鉛はんだ合金の開発を活発に推進しつつある。
【０００６】
上記のような無鉛はんだ合金としては、特開２０００―２２５４９０号に開示されたＣｕ―Ｎｉ―Ｓｎ３元系合金が知られている。このＣｕ―Ｎｉ―Ｓｎ３元系無鉛はんだ合金は、Ｓｎ―Ｃｕ合金におけるＣｕの組成一部をＮｉに置換したもので、０．０５〜２．０重量％のＣｕ、０．００１〜２．０重量％のＮｉ及びＳｎを含んでいる。
【０００７】
前記無鉛はんだ合金は、Ｐｂを含有しないので環境汚染を減少させることができ、機械的強度が多少上昇するという利点を有する。しかしながら、はんだ付け時の酸化によってドロスが過多に発生して接合強度が低下するという問題点があり、はんだ合金の濡れ性及び伸展性低下によってはんだ接続部に糸状のブリッジが発生し、ショートなどの欠陥を誘発するという問題点があった。
【０００８】
また、部品の電極（チップ部品）やリード（リード部品）には、はんだ付け性や耐酸化性（防食性）を強化するために、最後の工程でメッキを行うが、既存のＳｎ―１５％Ｐｂメッキを行った後、Ｐｂ成分が排除されたＳｎ１００％メッキまたはＳｎ―Ｃｕメッキを行うと、ウイスカー（メッキ表面でひげ状に発生するもので、メッキ表面が酸化されるか、金属組織が圧縮応力を受けるとき、この応力を軽減するために育つものである）が発生し、電気的ショート及び製品故障をもたらす。
【０００９】
上記のような無鉛はんだ合金の短所を克服するために、大韓民国特許登録第１０―０４５３０７４号には、Ｐｂ成分を排除し、０．０５〜２．０重量％のＣｕ、０．００１〜２．０重量％のＮｉ、０．００１〜１．０重量％のＰ及びＳｎからなる４元系無鉛はんだ合金が開示されている。
【００１０】
前記４元系無鉛はんだ合金は、既存のＣｕ―Ｎｉ―Ｓｎ３元系無鉛はんだ合金にＰを微小量だけ添加して酸化物の反応を抑制させることで、はんだの強度を増加させ、はんだ合金の流動性を減少させながら、はんだ接続部の熱応力及び振動などに耐えられる耐ストレス性を向上させるので、はんだ付け欠陥を減少させることができる。
【００１１】
しかしながら、上記の４元系無鉛はんだ合金においても、はんだ付け時に最大３０〜４０℃の温度上昇が誘発されるので、部品の耐熱性を確保しなければならない。さらに、４元系無鉛はんだ合金は、既存のＳｎ―Ｐｂはんだに比べて濡れ性及び伸展性などが低いので（約１５％減少）、はんだ付け性が低下し、無鉛（手動部品のＳｎメッキ、ＩＣ類のＳｎまたはＳｎ―Ｂｉメッキが主流）でメッキを行うとき、部品自体のはんだ付け性も低下するという問題点が依然として残っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記のような従来の無鉛はんだ合金の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、従来の無鉛はんだ合金に比べて低い溶融点、一層改善された濡れ性及び接合強度、用途によって異なる合金含有率を有するＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記のような目的を達成するための本発明は、０．１〜３．０重量％のＣｕ、０．０１〜０．５重量％のＮｉ、０．０１〜５．０重量％のＡｇ及びＳｎを含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供する。
【００１４】
また、本発明は、０．３〜０．８重量％のＣｕ、０．０１〜０．１重量％のＮｉ、０．０１〜０．５重量％のＡｇ及びＳｎを含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供する。
【００１５】
また、本発明は、０．３〜０．８重量％のＣｕ、０．０１〜０．１重量％のＮｉ、２．０〜４．０重量％のＡｇ及びＳｎを含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供する。
【００１６】
また、本発明は、２．１〜２．５重量％のＣｕ、０．０１〜０．１重量％のＮｉ、２．０〜４．０重量％のＡｇ及びＳｎを含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供する。
【００１７】
また、本発明は、２．１〜２．５重量％のＣｕ、０．０１〜０．１重量％のＮｉ、０．０１〜０．５重量％のＡｇ及びＳｎを含むＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を提供する。
【００１８】
また、本発明は、０．００３〜０．０１重量％のＰをさらに含む。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金は、従来の無鉛はんだ合金に比べて低い溶融点、改善された濡れ性及び接合強度を有し、ブリッジ発生などを抑制できるという利点を有する。
【００２０】
また、本発明によると、ＰＣＢ材質がフェノールであるかまたはエポキシであるか、部品素子リード、可撓性印刷回路、Ｗｉｒｅ―Ｂ（Ｗｉｒｅ―Ｂｏｎｄｉｎｇ）などのメッキ対象に耐熱性が確保されるかどうか、はんだ付け時の設備に窒素が使用されるかどうかなどによって、最適な含有量のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
上記のような組成を有する本発明に係るＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金は、既存のＳｎ―Ｃｕ系無鉛はんだ合金における酸化物の反応を抑制させることで、はんだの強度を増加させ、はんだ合金の流動性を増加させながら、はんだ接続部の熱応力及び振動などに耐えられる耐ストレス性を向上させるために、Ａｇ、Ｎｉ及びＰを最適な量に添加したものである。
【００２２】
本発明に係るはんだ合金成分のうち、融点が２３２℃で、接合母材として多く用いられるＳｎを母材として使用し、接合強度を向上させるためにＣｕ、Ａｇを添加し、Ｓｎ―Ｃｕ、Ｓｎ―Ａｇ金属間の化合物生成を抑制するためにＮｉを添加し、最後に、はんだ付け時にはんだ合金の表面と酸素との摩擦によって発生するドロスを減少させるために、少量のＰを添加した。
【００２３】
ＣｕをＳｎに約０．７重量％加えると、Ｓｎ１００％に比べて溶融点が２３２℃から約５℃低くなり、約２２７℃のはんだ合金になる。
【００２４】
Ｃｕの添加量としては０．３〜０．８重量％が最適であり、Ｃｕが０．９重量％以上添加される場合、融点が再び上昇するようになる。融点の上昇によってはんだ合金の温度条件も上昇すべきであるため、弱い耐熱性を有する電子部品に悪影響を与えることになり、結果として、表面酸化、粘度増加、濡れ性低下、フローまたはリフローはんだ付け時のブリッジまたはつらら発生などをもたらす原因になる。ただし、はんだボールのように、接合材料対象であるＰＣＢ類、表面実装部品類、金属類などの耐熱性が確保される場合、Ｃｕを２．３％添加してはんだ付けや金属メッキを行っても濡れ性及び接合強度が改善される。
【００２５】
ＡｇをＳｎ―Ｃｕ系に０．０１重量％以上添加することで、Ｓｎ―Ｃｕ―Ｎｉ―Ｐ合金に比べて濡れ性及び伸展性向上の効果があるが、０．０１重量％より少ない量を添加したときは、上記のような濡れ性及び伸展性向上の効果が表れない。また、Ｓｎ―Ｃｕ系に添加されるＡｇの量が５．０重量％より多くなると、濡れ性及び伸展性向上の効果を期待できないとともに、Ａｇが高価であるため、大量のＡｇ添加は経済的に好ましくない。一方、本発明では、高価のＡｇのために、ＰＣＢ材質がフェノールであるかまたはエポキシであるかによってＡｇの含有量を異ならせた。Ａｇの添加量としては、０．０１〜０．５重量％（フェノール使用時）または２．０〜４．０重量％（エポキシ使用時）が最適である。
【００２６】
下記の表１は、大韓民国特許登録番号第１０―０４５３０７４号に開示されている、Ｐｂ成分が排除されたＳｎ―０．５Ｃｕ―０．１Ｎｉ―０．０１Ｐ無鉛はんだ合金にＡｇ金属を０．０１〜５重量％添加したときの濡れ時間及び価格現況を示したものである。
【００２７】
はんだ合金材料と母材（銅板）をフラックスを用いてはんだ付けするとき、材料と母材との間の接合特性を把握し、次のように試験した。
１）銅板（１０×０．３ｍｍ）の表面を研磨紙を用いて研磨する。
２）研磨された試片をＩ．Ｐ．Ａで洗浄した後、充分に乾燥させる。
３）測定器の条件
―浸漬時間：１０ｓｅｃ
―浸漬深さ：２ｍｍ
―速度：２．５ｍｍ／ｓｅｃ
―ＰＯＴ温度：２６０℃
―フラックス特性：ＳＶ―９５  １Ｆ（固形分１２．５％）
【００２８】
【表１】
2008518791.tif 000003
【００２９】
表１から分かるように、フローはんだ付け時には、Ａｇを０．０１〜０．５重量％用いることが好ましく、リフローはんだ付け時には、Ａｇを２〜４重量％用いることが好ましい。
【００３０】
さらに、Ｎｉを０．０１〜０．１％重量添加する。図１によると、Ｎｉ含有量によって濡れ性が変化することが分かる。
【００３１】
Ｎｉは、ＳｎとＣｕ、Ａｇとの反応によって発生するＳｎ―Ｃｕ、Ｓｎ―Ａｇなどの金属間化合物を抑制する役割をし、溶湯またははんだポート（ＰＯＴ）での流動性を良好にする。
【００３２】
金属間化合物は、融点が高く、合金溶融時に溶湯中に存在して流動性を阻害し、はんだ合金としての性能を低下させる。そのため、はんだ合金作業時にはんだパターンの間に金属間化合物が残留する場合、導体同士をショートさせるブリッジになり、溶融はんだと離隔したときに突起状の角が残るようになる。
【００３３】
また、微量のＰを添加した。図２及び図３によると、Ｐ含有量によって酸化物量が変化することが分かる。
【００３４】
はんだ付け時に設備内部で窒素を用いる場合、酸化物が少なく発生するので、Ｐを使用しなくても良い。一方、はんだ付け時に設備内部で窒素を使用しない場合、溶融はんだは、はんだ付け時にＳｎ９９％以上の過多含有によって酸化され、ドロスまたは酸化物を発生させる。その結果、はんだ付け時にブリッジを発生させ、はんだ合金の品質を悪化させるので、Ｐを添加してはんだポート（ＰＯＴ）のドロス発生を最小化し、ブリッジ発生を防止することができる。ただし、Ｐが０．０５重量％以上添加されると、酸化防止効果がない。
【００３５】
下記の表２は、本発明に係るＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金の組成及び含有量による溶融点を示したものである。
【００３６】
【表２】
2008518791.tif 000004
【００３７】
また、本発明のＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金によると、ＰＣＢ材質がフェノールであるかまたはエポキシであるか、部品素子リード、可撓性印刷回路（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ、ＦＰＣ）、Ｗｉｒｅ―Ｂ（Ｗｉｒｅ―Ｂｏｎｄｉｎｇ）、Ｓ／Ｂ（はんだボール）などのメッキ対象に耐熱性が確保されるかどうか、はんだ付け時の設備内部に窒素が使用されるかどうかなどによって、異なった合金を選択することができる。
【００３８】
下記の表３は、本発明に係るＳｎ―Ａｇ系合金はんだの用途による合金別組成及び含有量を示す。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
以上、本発明は、限定された実施例及び図面に基づいて説明されてきたが、これによって限定されるものでなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術思想及び特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係るＳｎ―Ａｇ系無鉛はんだ合金は、フローはんだ付け、リフローはんだ付け、部品メッキ、はんだボール、Ｗｉｒｅ―Ｂなどの部品に多様に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】Ｎｉ（ニッケル）含有量と濡れ性との関係を示すグラフである。
【図２】Ｐ（リン）含有可否によるはんだ付け時間と酸化物量との関係を示すグラフである。
【図３】Ｐ（リン）含有量と酸化物量との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2008518791.tif 000009
2008518791.tif 000010