(57)【要約】【課題】ツノ引き等のはんだ付け不良が生ぜず且つ優れたＣｕの耐喰われ性を有し、しかも濡れ性とクリープ特性にも優れ、実用化の要求特性の全てを満たしたＳｎＣｕ系の無鉛はんだ合金を提供する。【解決手段】Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｃｏが０．０１重量％以上でかつ０．０５重量％未満と、Ａｇが０．０５〜１．０重量％、Ｎｉが０．０１〜０．０５重量％及びＧｅが０．００５〜０．０５重量％の３種の元素から選ばれた少なくとも１種を含有させ、残部をＳｎとすることによって、ツノ引き等のはんだ付け不良が生ぜず且つＣｕの耐喰われ性、濡れ性及びクリープ特性に優れた実用化の全ての要求特性を満たしたはんだ合金とした。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｃｏが０．０１重量％以上でかつ０．０５重量％未満と、Ａｇが０．０５〜１．０重量％、Ｎｉが０．０１〜０．０５重量％及びＧｅが０．００５〜０．０５重量％の３種の元素から選ばれた少なくとも１種とを含有し、残部がＳｎよりなることを特徴とするＳｎＣｕ系無鉛はんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、電気・電子機器の金属接合等に使用されるＳｎＣｕ系無鉛はんだ合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気・電子機器の金属接合に使用するはんだ合金としては、Ｓｎが６３重量％、Ｐｂが３７重量％等の鉛を含有するはんだ合金が一般的に用いられてきた。
【０００３】
鉛を含有するはんだは、はんだ付けした基板等の廃棄物から溶出した鉛が地下水に浸透した場合、これを飲用することによって神経系統に重大な障害をもたらすことが指摘されている。そのため、鉛を含有しない多くの無鉛はんだ合金が検討されている。
【０００４】
Ｐｂを含有しない無鉛はんだ合金として、ＳｎＣｕ系合金、ＳｎＡｇＣｕ系合金、ＳｎＺｎ系合金やこれらの合金にＢｉ、Ｉｎ等を添加したものが検討されている。
【０００５】
この中でＳｎＣｕ系の合金は、Ｓｎ０．７Ｃｕの共晶合金でも２２７℃と他の無鉛はんだ合金に比べて融点は高いが、比較的濡れ性に優れ、且つ低価格であることから、最も実用化が有望な材料の一つである。
【０００６】
しかしながら、このＳｎ０．７Ｃｕ共晶合金は、融点と作業温度との差が小さいため、ツノ引き等のはんだ付け不良が生じ易い。また、Ｓｎ０．７Ｃｕ共晶合金は、クリープ強度が低いので、熱応力負荷の大きな部位には使用できない。そればかりか、銅や鉄系の合金を溶食し易く、基板の銅回路を侵したり、はんだ槽の容器を溶食したりするいわゆる喰われ現象を起こす問題があり、これらが実用化の障害となっている。
【０００７】
このＳｎＣｕ系合金の問題を解決するため、Ｓｎ０．７Ｃｕ共晶合金に、Ａｇ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｎｉを添加した合金が提案されている。
【０００８】
Ａｇを添加することで、濡れ性とクリープ強度等の機械特性は向上するが、Ｃｕの耐溶食性は向上せずに、逆に溶食を促進する。
【０００９】
Ｂｉを添加することによって濡れ性は著しく向上し、クリープ強度も向上するが、伸びが低下することで靱性が低下する。また、Ｃｕの耐溶食性の向上は殆ど見られない。
【００１０】
Ｎｉを添加することによってクリープ特性が向上し、Ｃｕの耐溶食性は向上するが、濡れ性の向上は見られない。
【００１１】
また最近、ＳｎＣｕはんだ合金の熱疲労特性を改善するため、Ｃｏを０．０５〜１．０重量％添加する発明が公開された（特許文献１参照）。しかしながら、本発明者等の研究によれば、このものは熱疲労特性は改善されるが、はんだ付け中にドロス（湿性の酸化物）が形成され易くなり、ツノ引き等のはんだ付け欠陥が発生することが判明している。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００３−１４８２
【００１３】
従って、従来のＳｎＣｕ系のはんだ合金は、実用化の要求特性の全ては満たさないという観点から、未だ全く不満足であった。
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
この発明は、このような点に鑑みなされたものであり、ツノ引き等のはんだ付け不良が生ぜず且つ優れたＣｕの耐喰われ性を有し、しかも濡れ性とクリープ特性にも優れ、実用化の要求特性の全てを満たしたＳｎＣｕ系の無鉛はんだ合金を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明者等は、鋭意研究の結果、Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｃｏが０．０１重量％以上でかつ０．０５重量％未満と、Ａｇが０．０５〜１．０重量％、Ｎｉが０．０１〜０．０５重量％及びＧｅが０．００５〜０．０５重量％の３種の元素から選ばれた少なくとも１種を含有するはんだが、上記ＳｎＣｕ系のはんだ合金の実用化の要求特性を全てクリアーし得ることを見出し、本発明に到達した。
【００１６】
即ち本発明は、Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｃｏが０．０１重量％以上でかつ０．０５重量％未満と、Ａｇが０．０５〜１．０重量％、Ｎｉが０．０１〜０．０５重量％及びＧｅが０．００５〜０．０５重量％の３種の元素から選ばれた少なくとも１種を含有し、残部をＳｎとすることを特徴とする。
【００１７】
【作用】
上記したように、Ｓｎ基無鉛はんだ合金は、Ｃｏを０．０１重量％以上でかつ０．０５重量％未満添加することによって、例えば基板回路のＣｕとはんだとの界面にＳｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｏ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｃｏ等の金属間化合物が形成されてＣｕのはんだ中への溶出が抑制されると共に、高強度の金属間化合物がはんだ中に生成することによって、はんだのクリープ強度が向上する。また、Ｃｏを含有させることによって、はんだの表面張力が低下してはんだの濡れ性が向上する。しかしながら、Ｃｏの含有量を多くするとドロスが形成され易くなるから、Ｃｏの含有量をドロスが形成され難くなる程度に少なくすると、クリープ強度については不満足となる。
【００１８】
更に、Ａｇ、Ｎｉ及びＧｅの３種の元素の少なくとも１種を含有させることによって、クリープ強度が向上し、ツノ引き等のはんだ付け不良が生ぜず且つ優れたＣｕの耐喰われ性を有し、濡れ性とクリープ特性に優れた実用化の要求特性の全てを満たした従来にない性質を有するＳｎＣｕ系のはんだ合金が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明で含有するＣｕの範囲は０．１〜３．０重量％であり、Ｃｕが０．１重量％より少ないと、Ｃｕの耐侵食性と濡れ性が劣るようになり、３．０重量％を越えると融点が上昇し、はんだ付け作業でツノ引き等のはんだ付け欠陥が発生する。
【００２１】
Ｃｏを０．０１重量％以上でかつ０．０５重量％未満含有させることによって、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ並に銅喰われを抑えることができる。Ｃｏを含有させることによってはんだ付け界面に形成されるＳｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｏ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｃｏの金属間化合物層は、はんだ付け面に平行に比較的厚く形成され、銅の溶出を抑制する。Ｃｏの含有量が０．０１重量％より少ないと、バリアー層が薄くてＣｕの溶出を抑制する効果が少なくなり、０．０５重量％以上でははんだ付け中にドロス（湿性の酸化物）が形成され易くなり、ツノ引き等のはんだ付け欠陥が発生する。
【００２２】
Ａｇの添加は、耐銅喰われ性に効果はないが、濡れ性とクリープ特性を向上させる。その効果は、０．０５重量％より少ないと発現せず、１．０重量％より多いとはんだ付け中にドロスが形成され易くなり、ツノ引き等のはんだ付け欠陥が発生する。
【００２３】
Ｎｉを添加することによって、濡れ性は向上しないが、クリープ特性と耐銅喰われ性が向上する。その効果は、０．０１重量％より少ないと発現せず、０．０５重量％より多いとドロスが形成し易くなる。
【００２４】
Ｇｅの添加は、酸化物生成の抑制と、濡れ性及びクリープ強度の向上に効果があり、その効果は、０．００５重量％より少ないと発現せず、０．０５重量％より多いとドロスが形成され易くなる。
【００２５】
次に実施例を挙げて本発明を更に説明する。
【００２６】
【実施例】
後記表１の組成となる実施例（Ｎｏ１〜Ｎｏ３）及び比較例（Ｎｏ１〜Ｎｏ４）のはんだ４ｋｇを作成した。なお、Ｓｎ０．７Ｃｕ０．０２Ｃｏ（比較例４）は、Ｃｕが０．７重量％、Ｃｏが０．０２重量％、残部をＳｎとしたはんだ合金を意味する。
【００２７】
得られたはんだについて、液相温度／固相温度（℃）、クリープ強度（１００℃、４ｋｇ）、ゼロクロスタイム（秒）、及び銅喰われ量（２８０℃、１０分）を測定した。結果を後記表１に示した。なお、試験方法は下記のようにして行った。
【００２８】
［液相温度／固相温度（℃）］
５００ｇのはんだを使用し、冷却法で融点［液相温度／固相温度（℃）］を測定した。
【００２９】
［クリープ強度］
中心にφ３．０ｍｍの銅回路とφ１．１ｍｍのスルーホールを持った３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ１．６ｍｍのガラスエポキシ基板に、φ０．８ｍｍの錫メッキ銅線を挿入し、はんだ付け面を約１００℃に予備加熱した後に、２８０℃に加熱したはんだ槽内に入れ、試験片が所定の温度になったら４ｋｇｆの荷重を付加し、はんだ付け部が破断するまでの時間を測定した。
【００３０】
［ゼロクロスタイム（秒）］
５×５０×０．３ｍｍの銅板を用い、浸漬深さ２ｍｍ、浸漬速度２．５ｍｍ／秒、浸漬時間１０秒の条件で、濡れ性試験機を用いてゼロクロスタイム（秒）を測定した。なお、試験温度は液相線温度＋３５℃で行い、フラックスはＲＭＡタイプのものを用いた。
【００３１】
［銅喰われ量（ｇ／１０分）］
２．５ｋｇのはんだを磁性の皿に入れ、加熱溶解して２８０℃とした。このはんだ中に、幅２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの銅板を、φ６０ｍｍの攪拌羽根の先端に取り付けて先端２０ｍｍをはんだ中に浸漬した。続いて、攪拌羽根を３０ｒｐｍで１０分間攪拌した。この場合のはんだ中の銅板の移動速度は、約１ｍ／分である。試験終了前後の銅板の重さを測定し、Ｃｕのはんだ中への溶出量を測定した。
【００３２】
【表１】
2004330259.tif 000002
【００３３】
上記結果から明らかなように、実施例１〜３のはんだ合金のゼロクロスタイムは、０．７４〜０．８２秒であるのに対し、比較例１〜４では０．８２〜１．０４秒になっている。また、実施例１〜３のクリープ強度は、１６０〜１７４時間であるのに対し、比較例１〜４では９５〜１５８時間になっている。さらに、実施例１〜３の銅喰われ量は、０．０５〜０．１２ｇ／１０分であるのに対し、比較例１〜４では０．０６〜２．０４ｇ／１０分になっている。このことから、ＳｎＣｕＣｏ合金にＡｇ、Ｇｅ又はＮｉを添加することによって、良好な銅喰われ量と濡れ性を維持し、クリープ強度が向上することがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べた如く、所定の組成のＳｎＣｕＣｏ合金にＡｇ、Ｇｅ又はＮｉを添加することによって、ＳｎＣｕ系のはんだ合金の実用化の要求特性を全てクリアーし得るはんだ合金が得られる。このようなＳｎＣｕ系のはんだ合金は、従来強く求められていたにもかかわらず得られなかったものであるから、これは極めて画期的な効果である。