(57)【要約】【課題】錫−鉛合金はんだのはんだ付け温度と同程度の温度ではんだ付けが可能であり、はんだ付け後の接合部特性も良好であり、鉛を含有しないはんだ付け組成物並びにこのような組成物を用いるはんだ付け方法を提供する。【解決手段】鉛を含有せず、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を含み、第一金属成分粉末の溶融温度が１２０℃以上１８３℃未満、第二金属成分粉末の溶融温度が１８３〜２６０℃、第一金属成分粉末の含有量が２５〜５７質量％、第二金属成分粉末の含有量が４３〜７５質量％、第一金属成分粉末の平均粒径ｕ１　と第二金属成分粉末の平均粒径ｕ２　との比ｕ２　／ｕ１　が０．４〜０．９であるはんだ付け用組成物並びに該組成物を用いてはんだ付けする方法であって、第二金属成分粉末が溶融しない温度で第一金属成分粉末を溶融させ、その第一金属成分溶融物中に第二金属成分を拡散させ、合金化させてはんだ付けするはんだ付け方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛を含有せず、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を含み、第一金属成分粉末の溶融温度が１２０℃以上１８３℃未満であり、第二金属成分粉末の溶融温度が１８３〜２６０℃であり、第一金属成分粉末と第二金属成分粉末との合計量を基準にして第一金属成分粉末の含有量が２５〜５７質量％であり、第二金属成分粉末の含有量が４３〜７５質量％であり、第一金属成分粉末の平均粒径をｕ１　、第二金属成分粉末の平均粒径をｕ２　とした時の粒径比ｕ２　／ｕ１　が０．４〜０．９の範囲内にあることを特徴とする中温はんだ付け用組成物。
【請求項２】
第一金属成分粉末の含有量が３０〜５５質量％であり、第二金属成分粉末の含有量が４５〜７０質量％であり、粒径比ｕ２　／ｕ１　が０．４５〜０．８の範囲内にある請求項１記載の中温はんだ付け用組成物。
【請求項３】
第一金属成分粉末の平均粒径が２０〜６０μｍであり、第二金属成分粉末の平均粒径が８〜５４μｍである請求項１〜２の何れかに記載の中温はんだ付け用組成物。
【請求項４】
第一金属成分粉末がＳｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｉｎ系、Ｃｕ−Ｉｎ系、Ｂｉ−Ｉｎ系、Ｓｂ−Ｉｎ系、Ｚｎ−Ｉｎ系又はＮｉ−Ｉｎ系の合金粉末である請求項１〜３の何れかに記載の中温はんだ付け用組成物。
【請求項５】
第二金属成分粉末が
Ｓｎ単独の粉末、又は
Ｓｎと、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｚｎ及びＮｉの少なくとも１種とを含む合金、
Ｉｎと、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｚｎ及びＮｉの少なくとも１種とを含む合金、及び
Ｂｉと、Ａｕ及びＺｎの少なくとも１種とを含む合金
からなる群から選ばれる合金の粉末である請求項１〜４の何れかに記載の中温はんだ付け用組成物。
【請求項６】
中温はんだ付け用組成物が粉末状態である請求項１〜５の何れかに記載の中温はんだ付け用組成物。
【請求項７】
中温はんだ付け用組成物がペースト状態である請求項１〜５の何れかに記載の中温はんだ付け用組成物。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の中温はんだ付け用組成物を用いてはんだ付けする方法であって、第二金属成分粉末が溶融しない温度で第一金属成分粉末を溶融させ、その第一金属成分溶融物中に第二金属成分を拡散させ、合金化させてはんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項９】
１５０℃以上の温度であるが、第一金属成分と第二金属成分とからなる合金の溶融温度以下の温度でリフローソルダリングを実施する請求項８記載のはんだ付け方法。
【請求項１０】
１５０〜２３０℃の温度でリフローソルダリングを実施する請求項８記載のはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中温はんだ付け用組成物及びはんだ付け方法に関し、より詳しくは、鉛を含有せず、はんだ付け時、例えばリフローソルダリング時に合金化してはんだ付け時の温度よりも高い溶融温度を持つ合金を形成し得る中温はんだ付け用組成物及びはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の中温用はんだ合金は鉛を含有しており、はんだ付けの際にはんだの溶融により有毒ガスが発生するので、作業者に与える影響が懸念されていた。更に、近年、マイクロエレクトロニクス部品のはんだ付けが増加しており、それに伴って、廃棄されたＩＣチップやプリント配線基板等からの鉛の溶出量が多くなり、地下水の汚染、鉛中毒等の環境問題が生じてきた。この為、無鉛はんだの要望が高まっている。
現在種々の無鉛はんだが開発され、提案されているが、はんだ付け可能温度が錫−鉛合金はんだのはんだ付け温度よりも高い等の欠点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、錫−鉛合金はんだのはんだ付け温度と同程度の温度で、具体的には１５０〜２３０℃の温度ではんだ付けが可能であり、濡れ性が良く、はんだ付け後の接合部特性も良好であり、鉛を含有しない中温はんだ付け組成物を提供することを目的としている。
また、本発明は、上記のような中温はんだ付け組成物を用いるはんだ付け方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、中温はんだ付け用組成物として、溶融温度が低い第一金属成分粉末と溶融温度が中程度の第二金属成分粉末とを特定の相対量で含有し、第一金属成分粉末の平均粒径と第二金属成分粉末の平均粒径との粒径比が特定の範囲内にあることにより、はんだ付け時、例えばリフローソルダリング時に合金化する金属粉末組成物を用いることにより上記の目的が達成されることを見いだし、本発明を完成した。
【０００５】
即ち、本発明の中温はんだ付け用組成物は、鉛を含有せず、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を含み、第一金属成分粉末の溶融温度が１２０℃以上１８３℃未満であり、第二金属成分粉末の溶融温度が１８３〜２６０℃であり、第一金属成分粉末と第二金属成分粉末との合計量を基準にして第一金属成分粉末の含有量が２５〜５７質量％であり、第二金属成分粉末の含有量が４３〜７５質量％であり、第一金属成分粉末の平均粒径をｕ１　、第二金属成分粉末の平均粒径をｕ２　とした時の粒径比ｕ２　／ｕ１　が０．４〜０．９の範囲内にあることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のはんだ付け方法は、上記の本発明の中温はんだ付け用組成物を用いてはんだ付けする方法であって、第二金属成分粉末が溶融しない温度で第一金属成分粉末を溶融させ、その第一金属成分溶融物中に第二金属成分粉末を拡散させ、合金化させてはんだ付けすることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明においては、第一金属成分粉末として溶融温度が１２０℃以上１８３℃未満の範囲内の金属成分粉末（単一金属又は合金）を用いる。この条件を満足する第一金属成分粉末としては、例えば、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｉｎ系、Ｃｕ−Ｉｎ系、Ｂｉ−Ｉｎ系、Ｓｂ−Ｉｎ系、Ｚｎ−Ｉｎ系、Ｎｉ−Ｉｎ系等の合金粉末、例えば、二元合金、三元合金、四元合金等の合金粉末等を挙げることができる。
【０００８】
本発明においては、第二金属成分粉末として溶融温度が１８３〜２６０℃の範囲内の金属成分粉末（単一金属又は合金）を用いる。この条件を満足する第二金属成分粉末としては、例えば、Ｓｎ単独、ＳｎとＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｚｎ及び／又はＮｉとの合金、ＩｎとＡｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｚｎ及び／又はＮｉとの合金、ＢｉとＡｕ及び／又はＺｎとの合金の粉末等を挙げることができる。
【０００９】
本発明の中温はんだ付け用組成物は、錫−鉛合金はんだのはんだ付け温度と同程度の温度で、具体的には１５０〜２３０℃の温度ではんだ付けできることを目的としており、それで、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を含む本発明の中温はんだ付け用組成物のはんだ付け可能温度が、第一金属成分と第二金属成分とからなる合金の溶融温度よりも低いことが好ましい。そのためには第一金属成分粉末の種類と第二金属成分粉末の種類との組合せ及び第一金属成分粉末と第二金属成分粉末との相対量は溶融状態の第一金属成分中に第二金属成分粉末が拡散して合金を形成し得る種類の組合せ及び相対量であり、具体的には第一金属成分粉末と第二金属成分粉末との合計量を基準にして第一金属成分粉末の含有量が２５〜５７質量％、好ましくは３０〜５５質量％であり、第二金属成分粉末の含有量が４３〜７５質量％、好ましくは４５〜７０質量％であることが必要である。このような第一金属成分粉末と第二金属成分粉末との種類の組合せ及び第一金属成分粉末と第二金属成分粉末との相対量については、既に知られている合金状態図を参照して適切に選定することができる。なお、本発明において、「溶融状態」とは完全に液相となっている状態だけでなく、一部分固相が残っている状態をも包含する。
【００１０】
本発明の中温はんだ付け用組成物においては、上記したように、はんだ付け可能温度が第一金属成分と第二金属成分とからなる合金の溶融温度よりも低いことが好ましいのであり、そのためには、第一金属成分粉末の平均粒径をｕ１　、第二金属成分粉末の平均粒径をｕ２　とした時の粒径比ｕ２　／ｕ１　が０．４〜０．９の範囲内、好ましくは０．４５〜０．８の範囲内にあることが必須であることが多数の実験により実証されている。粒径比ｕ２　／ｕ１　が０．４未満である場合や、０．９を超える場合には、はんだ付け可能温度が、第一金属成分と第二金属成分とからなる合金の溶融温度より低くならない場合が多いことが多数の実験により実証されている。
【００１１】
本発明においては、製造、分級の容易性、コスト、はんだ付け組成物の性能等の点で、並びに粒径比ｕ２　／ｕ１　が０．４〜０．９の範囲内であることを考慮すると、第一金属成分粉末の平均粒径が２０〜６０μｍであることが好ましく、第二金属成分粉末の平均粒径が８〜５４μｍであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の中温はんだ付け用組成物は、その使用態様に応じて粉末状態のものであっても、圧縮成形した固形物であっても、フラックスを含有するペースト状態のものであってもよい。
更に、本発明の中温はんだ付け用組成物は、微量の第三金属成分粉末を含有することができる。第三金属成分粉末としてＰ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＧａを挙げることができ、それらの群より選ばれる少なくとも１種を用いることができる。
【００１３】
本発明のはんだ付け方法においては、上記した本発明の中温はんだ付け用組成物を用い、リフローソルダリング等により第二金属成分粉末が溶融しない温度で第一金属成分粉末を溶融させる。この溶融状態の第一金属成分中に第二金属成分が拡散する。即ち、第二金属成分粉末ははんだ付け温度では溶融しないが、溶融した第一金属成分の溶融物がこの第二金属成分粉末の周囲を覆うので、その溶融物中に第二金属成分が拡散して合金化が進み、均一な組成、ほぼ均一な組成或いは第二金属成分粉末の一部が拡散しないで島状に残った組成の合金となる。本発明において、「溶融させる」とは完全に液相となっている状態にする場合だけでなく、一部分固相が残っている状態にする場合も包含する。
【００１４】
本発明の好ましい態様のはんだ付け方法においては、１５０℃以上の温度であるが、第一金属成分と第二金属成分とからなる合金の溶融温度以下又は２３０℃以下の温度でリフローソルダリングを実施する。
【００１５】
【実施例】
以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明する。
実施例１及び比較例１
第一金属成分粉末として、アトマイジング及び分級によって、Ｓｎ−５８Ｂｉ（溶融温度１３９℃）からなる平均粒径がそれぞれ３５μｍ、４５μｍ及び６４μｍの微粉末を用意し、第二金属成分粉末として、アトマイジング及び分級によって、Ｓｎ−３．５Ａｇ（溶融温度２２１℃）からなる平均粒径がそれぞれ１６μｍ、２０μｍ、２８μｍ、３５μｍ及び６３μｍの微粉末を用意した。
【００１６】
第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を第１表に示す割合（含有量）、第１表に示す粒径比となる組み合わせで機械的に混合した。次いで、この混合物８０質量部と、ロジン５０質量％、カルビトール３５質量％、ハロゲン化水素酸アミン塩５質量％及びワックス１０質量％からなるフラックス２０質量部とを混合してはんだ付け用組成物（ペースト）を調製した。各々の粒径比のはんだ付け組成物は次の組み合わせで調製した。第一金属成分粉末の平均粒径をｕ１　、第二金属成分粉末の平均粒径をｕ２　とした時の粒径比ｕ２　／ｕ１　として、０．２５＝１６μｍ／６４μｍ、０．３１＝２０μｍ／６４μｍ、０．３６＝１６μｍ／４５μｍ、０．４６＝１６μｍ／３５μｍ、０．５７＝２０μｍ／３５μｍ、０．６２＝２８μｍ／４５μｍ、０．８０＝２８μｍ／３５μｍ、１．０＝３５μｍ／３５μｍ、１．４＝６３μｍ／４５μｍ、１．８＝６３μｍ／３５μｍ。
【００１７】
得られた各々のはんだ付け用組成物の組成は第１表に示す通りであり、そのような組成物の合金化で生成する合金の溶融温度は第１表に示す通りである。
各々のはんだ付け用組成物をセラミック板上に載せ、徐々に加熱して、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度まで加熱した。各々のはんだ付け用組成物の溶融状態を肉眼で観察し、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度で全体が溶融した場合（即ち、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度ではんだ付けが可能な場合）を○、その他の場合を×、観察していない場合を−として第１表に示す。
【００１８】
【表１】
2004009106.tif 000002
【００１９】
生成合金の溶融温度を縦軸にとり、粒径比を横軸にとって第１表に示すデータを図面上プロットすると図１に示す通りとなる。図１から明らかなように、粒径比が０．４〜０．９の範囲内、好ましくは０．４５〜０．８の範囲内で、且つ生成合金の溶融温度が１７５〜２００℃の範囲内、好ましくは１７７〜１９６℃の範囲内で、各々のはんだ付け用組成物は、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度で全体が溶融し、はんだ付けが可能である。
【００２０】
また、第一金属成分粉末の含有量を縦軸にとり、生成合金の溶融温度を横軸にとってその両者の相関関係をプロットすると図２に示す通りとなる。図２から明らかなように、生成合金の溶融温度がそれぞれ１７５℃、１７７℃、１９６℃及び２００℃となる場合の第一金属成分粉末の含有量はそれぞれ５７質量％、５５質量％、３０質量％及び２５質量％である。
【００２１】
従って、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度で全体が溶融し、はんだ付けが可能となるはんだ付け用組成物は、粒径比が０．４〜０．９の範囲内、好ましくは０．４５〜０．８の範囲内で、且つ第一金属成分粉末の含有量が２５〜５７質量％の範囲内、好ましくは３０〜５５質量％の範囲内である。
【００２２】
実施例２及び比較例２
第一金属成分粉末として、アトマイジング及び分級によって、Ｓｎ−５８Ｂｉ（溶融温度１３９℃）からなる平均粒径がそれぞれ３５μｍ及び４５μｍの微粉末を用意し、第二金属成分粉末として、アトマイジング及び分級によって、Ｓｎ−５Ｓｂ（溶融温度２４５℃）からなる平均粒径がそれぞれ２０μｍ及び６３μｍの微粉末を用意した。
【００２３】
第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を第２表に示す割合（含有量）、第２表に示す粒径比となる組み合わせで機械的に混合した。次いで、この混合物８０質量部と、ロジン５０質量％、カルビトール３５質量％、ハロゲン化水素酸アミン塩５質量％及びワックス１０質量％からなるフラックス２０質量部とを混合してはんだ付け用組成物（ペースト）を調製した。
【００２４】
得られた各々のはんだ付け用組成物の組成は第２表に示す通りであり、そのような組成物の合金化で生成する合金の溶融温度は第２表に示す通りである。
各々のはんだ付け用組成物をセラミック板上に載せ、徐々に加熱して、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度まで加熱した。各々のはんだ付け用組成物の溶融状態を肉眼で観察し、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度で全体が溶融した場合（即ち、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度ではんだ付けが可能な場合）を○、その他の場合を×として第２表に示す。
【００２５】
【表２】
2004009106.tif 000003
【００２６】
第２表のデータから明らかなように、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末の組成範囲が本発明の範囲内にあり、且つ粒径比ｕ２　／ｕ１　が本発明の範囲内にある場合には、はんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度ではんだ付けが可能である。しかしながら、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末の組成範囲が本発明の範囲外にあるか、又は粒径比ｕ２　／ｕ１　が本発明の範囲外にある場合には、はんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度でははんだ付けはできない。
【００２７】
実施例３及び比較例３
第一金属成分粉末として、アトマイジング及び分級によって、Ｓｎ−３０Ｉｎ（溶融温度１２５℃）からなる平均粒径がそれぞれ３５μｍ及び４５μｍの微粉末を用意し、第二金属成分粉末として、アトマイジング及び分級によって、Ｓｎ−０．７Ｃｕ（溶融温度２２７℃）からなる平均粒径がそれぞれ２０μｍ及び６３μｍの微粉末を用意した。
【００２８】
第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末を第３表に示す割合（含有量）、第３表に示す粒径比となる組み合わせで機械的に混合した。次いで、この混合物８０質量部と、ロジン５０質量％、カルビトール３５質量％、ハロゲン化水素酸アミン塩５質量％及びワックス１０質量％からなるフラックス２０質量部とを混合してはんだ付け用組成物（ペースト）を調製した。
【００２９】
得られた各々のはんだ付け用組成物の組成は第３表に示す通りであり、そのような組成物の合金化で生成する合金の溶融温度は第３表に示す通りである。
各々のはんだ付け用組成物をセラミック板上に載せ、徐々に加熱して、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度まで加熱した。各々のはんだ付け用組成物の溶融状態を肉眼で観察し、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度で全体が溶融した場合（即ち、各々のはんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度ではんだ付けが可能な場合）を○、その他の場合を×として第３表に示す。
【００３０】
【表３】
2004009106.tif 000004
【００３１】
第３表のデータから明らかなように、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末の組成範囲が本発明の範囲内にあり、且つ粒径比ｕ２　／ｕ１　が本発明の範囲内にある場合には、はんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度ではんだ付けが可能である。しかしながら、第一金属成分粉末及び第二金属成分粉末の組成範囲が本発明の範囲外にあるか、又は粒径比ｕ２　／ｕ１　が本発明の範囲外にある場合には、はんだ付け用組成物の合金化で生成する合金の溶融温度よりも低い温度でははんだ付けはできない。
【００３２】
実施例４
紙フェノール系樹脂基板を用いてプリント基板を作製した。また、実施例１に記載のようにして調製した第４表に示す組成、粒径比となるはんだ付け用組成物（ペースト）を調製した。
【００３３】
上記のプリント基板上に０．２５ｍｍ間隔で上記のはんだペーストを、各箇所でのペーストの塗布量が０．５ｍｇとなるように塗布した。それらのはんだペースト上にＣ０６０３（縦０．６ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚み０．１ｍｍ）の積層セラミックコンデンサの両端子部が来るようにして載せ、第４表に示すリフロー温度のリフロー炉に滞留時間が１０分となるように通炉してリフローソルダリングを実施した。各リフロー温度毎に１０個の試料を用いた。
【００３４】
固着強度については、チップ側面から押し、はんだが破壊される時点での押し圧力を測定して固着強度とした。なお、実用上必要な固着強度は１０Ｎ以上である。それらの測定結果は第４表に示す通りであった。
【００３５】
【表４】
2004009106.tif 000005
【００３６】
【発明の効果】
本発明の中温はんだ付け用組成物は鉛を含有しない中温はんだ付け用組成物であり、本発明のはんだ付け方法を用いることにより、リフローソルダリング時に合金化してはんだ付け時の温度よりも高い溶融温度を持つ合金を形成する。従って、比較的低い温度ではんだ付け作業を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】生成合金の溶融温度を縦軸にとり、粒径比を横軸にとって実施例１及び比較例１で得たデータをプロットした図である。
【図２】第一金属成分粉末の含有量を縦軸にとり、生成合金の溶融温度を横軸にとってその両者の相関関係をプロットした図である。
【図１】
2004009106.tif 000006
【図２】
2004009106.tif 000007