(57)【要約】【課題】冷熱サイクル試験での冷熱衝撃に対する耐久性に優れたＳｎ系はんだ合金を提供することである。【解決手段】Ａｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％を含有し、残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだ合金であって、さらにＳｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種を３重量％以下含有した、鉛を含まないＳｎ系はんだ合金であり、例えば−４０℃と１２５℃との間での冷熱サイクル試験で変形を起こすのことがない。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％を含有し、残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだ合金であって、さらにＳｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種を３重量％以下含有したことを特徴とするＳｎ系はんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリーのＳｎ系はんだ合金に関し、特に冷熱衝撃に対する耐久性に優れたＳｎ系はんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回路基板にコンデンサー、抵抗体などのチップ状電子部品を搭載するには、回路配線パターンの銅箔ランド（はんだ付けランド）にこれらの電子部品をはんだ付けによって接続することが行われている。このようなはんだ付け方法の１つとして、リフローはんだ付け方法が広く用いられている。
【０００３】
このはんだ付け方法では、まず、積層板に貼り付けた銅箔をエッチングして電子回路配線のパターンを形成したプリント基板の銅箔ランドの上にはんだペーストをメタルマスクを用いて印刷することによって塗布し、はんだペースト膜を形成する。ついで、チップ状電子部品をこれらのはんだペースト膜上に載置し、リフローはんだ装置により加熱してはんだペースト膜を溶融させ、冷却固化させることによりはんだ層が形成される。はんだペーストとしては、はんだ合金粉末をフラックス樹脂等と混合してペースト状に調製したものが使用される。
【０００４】
ところが、従来使用されていたはんだペーストは、いずれもＳｎ−Ｐｂ系であるため、鉛の有害性から、鉛を含まないはんだ合金が要望されている。このため、鉛を含まない錫系はんだ合金、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系等のはんだ合金が種々提案されている（特許文献１および２）。しかし、これらのはんだ合金は機械的な強度や伸び、引張り強度などが十分でない等、問題点も多い。はんだの機械的強度等を向上させるためにはＩｎの使用が有効であることから、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだ合金が提案されている（特許文献３、４および５）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１５８８０号公報
【特許文献２】特開平７−８８６８０号公報
【特許文献３】特許第２６３４５５３号公報
【特許文献４】特許第２８０５５９５号公報
【特許文献５】特許第３０４０９２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
はんだペースト膜を形成した回路基板は、苛酷な温度条件下での使用に対しても高い耐久性が要求される。このような耐久性を調べるために冷熱サイクル試験が通常行われる。この冷熱サイクル試験では、通常、−４０℃程度の低温雰囲気と１２５℃程度の高温雰囲気との間を交互に１０００〜２０００サイクル繰り返し、その間に回路基板等に変化のないことが要求される。
【０００７】
しかしながら、上記のようなＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ系またはＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだ合金を用いて、半球状のはんだに形成した回路基板に上記冷熱サイクル試験を実施したところ、当該半球状のはんだが大きく変形するという問題があり、多数のはんだ層が密に並設されている場合には、はんだ層同士が接触して、電気的に導通状態となる、いわゆるブリッジを形成するおそれがあった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、冷熱衝撃に対する耐久性に優れたＳｎ系はんだ合金を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記冷熱サイクル試験において、はんだ合金が変形を起こす原因としては、主成分であるＳｎが、低温でのαＳｎと高温でのβＳｎとの間で変態を繰り返したり、あるいはβＳｎの一部がγＳｎと入れ替わったりするためと考えられる。
【００１０】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系無鉛はんだ合金において、第５成分としてＳｂ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｇａ、ＧｅおよびＣｕのいずれかを少量添加することにより、機械的強度を損なうことなく、耐久性が向上し、前記した冷熱サイクル試験においても、変形を起こすのを防止することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明のＳｎ系はんだ合金は、Ａｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％を含有し、残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだ合金であって、さらにＳｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種を３重量％以下含有したことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、耐久性が向上し、冷熱サイクル試験において変形を起こさなくなる理由としては、上記した第５成分を添加することにより、合金組織が均一かつ緻密になるためと推測される。また、上記した第５成分は、Ｓｎが同素体間での変態を起こすのを抑制する作用をも有していると考えられる
【００１３】
本発明のはんだ合金組成中、Ｉｎの含有量は０．５〜２０重量％であり、好ましくは１〜１０重量％、より好ましくは５〜１０重量％である。Ｉｎの含有量が０．５重量％未満であると、はんだ合金の融点が低下せず使用しにくいものとなり、はんだの機械的強度も不十分なものとなり、逆に２０重量％を越えるとはんだ合金が脆いものとなる。
【００１４】
またＢｉの含有量は０．１〜３重量％であり、好ましくは０．１〜１重量％である。Ｂｉの含有量が０．１重量％未満であると、はんだの機械的強度が不十分なものとなり、逆に３重量％を越えるとはんだ合金が脆いものとなる。
【００１５】
はんだの金属組織を緻密にして機械的特性を改善するために、さらに第５成分としてＳｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種を加える。この場合、第５成分の含有量は３重量％以下であり、好ましくは０．５〜３重量％、より好ましくは０．５〜１．５重量％である。第５成分の含有量が３重量％を越えると、金属特性が劣化するおそれがある。
【００１６】
本発明のＳｎ系はんだ合金は、最終組成が前記した組成範囲のＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−（Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ）系はんだ合金になればよい。従って、リフローはんだ方法を使用する場合のはんだペーストには、単一組成の合金粉末１種のみを使用するほか、組成の異なる２種以上の合金粉末の混合物を使用し、リフロー後のはんだ合金組成が前記した組成範囲になるようにしてもよい。このとき、２種以上の合金粉末は融点が異なっているのが好ましく、これによりボイドの低減やチップ立ち（いわゆるマンハッタン現象）の発生をも防止することができる。２種以上の合金粉末の融点差（最大融点−最小融点）は、リフロー条件などによって変わりうるが、通常、約５℃以下、特に１〜３℃程度であればよい。
【００１７】
上記はんだ合金粉末は、粒径が約５〜４０μｍ、好ましくは２０〜３０μｍ程度であればよい。
【００１８】
上記はんだペーストを調製するためには、上記はんだ合金粉末をフラックスと混合する。使用するフラックス用樹脂としては、従来より使用されているものが使用可能であり、例えばロジン、ロジン誘導体、テルペン系樹脂などの天然樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂などの合成樹脂をベースとして使用される。このフラックス用樹脂には、粘度を調整するためのワックス樹脂、またはアルコール系、テルペン系などの溶剤を併用して使用できる。また、金属の酸化膜を取り除きヌレ性を良くする有機酸・ハロゲン化水素酸アミン塩等の活性剤の併用も行える。これらのフラックス用樹脂、ワックス樹脂、溶剤、活性剤を混ぜ合わせてフラックスを作成し、前記合金粉末と混ぜ合わせることにより、はんだペーストが得られる。この際、フラックスを８〜１６重量％、合金粉末総量を９２〜８４重量％で混ぜ合わせ粘度を調整する。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２０】
実施例１〜１５、比較例１
下記表１に示す１種（単一組成）または表２に示す２種の合金粉末▲１▼、▲２▼（いずれも粒径２０〜３０μｍ）を各表に示す割合でフラックスと混合して、溶融後の金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ８．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅまたはＣｕ０．５〜３．０重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−（Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｃｕ）系はんだペーストを作製した（実施例１〜１５）。
一方、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅまたはＣｕを含有しない、金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ８．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系のはんだ合金を用いてはんだペーストを作製した（比較例１）。
なお、以下の表において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−８Ｉｎ−０．５Ｂｉ−０．５Ｓｂ」とは、Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ８重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｓｂ０．５重量％、残部Ｓｎの合金粉末であることを示している。
【表１】
2004188453.tif 000002
【表２】
2004188453.tif 000003
【００２１】
実施例１６〜３１、比較例２
下記表３に示す１種（単一組成）または表４に示す２種の合金粉末▲１▼、▲２▼（いずれも粒径２０〜３０μｍ）を同表に示す割合でフラックスと混合して、溶融後の金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ１２．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅまたはＣｕ０．５〜３．０重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−（Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｃｕ）系はんだペーストを作製した（実施例１６〜３１）。
一方、Ｓｂ、Ｚｎ、ＮｉまたはＣｕを含有しない、金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ１２．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系のはんだ合金を用いてはんだペーストを作製した（比較例２）。
【表３】
2004188453.tif 000004
【表４】
2004188453.tif 000005
【００２２】
以上の各実施例および比較例で得たはんだペースト回路基板の銅箔ランド上に塗布し、リフローさせて半球状のはんだを多数並設した。ついで、回路基板を、−４０℃と１２５℃との間を交互に１０００〜２０００サイクル繰り返す冷熱サイクル試験を行った。その結果、比較例１，２のはんだ合金には変形が認められたのに対して、実施例のはんだ合金にはいずれも変形が認められなかった。
【００２３】
一方、２種の合金粉末を使用した実施例１０〜１５、２５〜３１のはんだ合金は、チップ状電子部品を実装したとき、いわゆるチップ立ち現象が殆ど発生していなかった。また、Ｘ線透過装置での検査の結果、ボイドの発生も認められなかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のＳｎ系はんだ合金は、有害な鉛を含まず、かつ冷熱サイクル試験で変形を起こすことがなく、冷熱衝撃に対する耐久性に優れているという効果がある。