(57)【要約】【課題】はんだぬれ性、はんだ付け性、伸び率、及び機械的疲労強度が良好な鉛フリーはんだ合金を得る。【解決手段】４３ないし４７重量％のビスマス、０．５ないし２．５重量％の銀、０．２５ないし０．７５重量％の銅、０．２５ないし０．７５重量％のインジウム、０．０２ないし０．０９重量％のニッケル、及び残部に錫を含有する鉛フリーはんだ合金。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
４３ないし４７重量％のビスマス、０．５ないし２．５重量％の銀、０．２５ないし０．７５重量％の銅、０．２５ないし０．７５重量％のインジウム、０．０２ないし０．０９重量％のニッケル、及び残部に錫を含有することを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
前記ビスマスは４４．５ないし４５．５重量％、前記銀は０．９ないし２．２重量％、前記銅は０．４ないし０．６重量％、前記インジウムは０．４ないし０．６重量％、及び前記ニッケルは０．０５ないし０．０９重量％であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
０．５重量％以下のアンチモン、０．５重量％以下のゲルマニウムをさらに含む請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項４】
４３ないし４７重量％のビスマス、０．５ないし２．５重量％の銀、０．２５ないし０．７５重量％の銅、０．２５ないし０．７５重量％のインジウム、０．０２ないし０．０９重量％のニッケル、及び残部に錫を含有する鉛フリーはんだ合金とフラックスを含むことを特徴とする鉛フリーはんだペースト。
【請求項５】
前記ビスマスは４４．５ないし４５．５重量％、前記銀は０．９ないし２．２重量％、前記銅は０．４ないし０．６重量％、前記インジウムは０．４ないし０．６重量％、及び前記ニッケルは０．０５ないし０．０９重量％であることを特徴とする請求項４に記載の鉛フリーはんだペースト。
【請求項６】
０．５重量％以下のアンチモン、０．５重量％以下のゲルマニウムをさらに含む請求項５に記載の鉛フリーはんだペースト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品をプリント配線基板に実装する際に主に使用されるはんだ合金及びこれを用いた鉛フリーはんだペーストに関する。
【０００２】
【従来の技術】
はんだ合金は、低温で溶融し、かつ電気的接続特性が良好であるため、電子部品をプリント配線板に実装する際に一般的に使用されている。
【０００３】
このはんだ合金には、引っ張り強度、伸び率、及び熱疲労強度等の機械的特性、はんだのぬれ性、及びはんだ付け性に優れていることが要求される。
【０００４】
はんだ合金としては、例えば錫−鉛合金、錫−銀合金、錫−アンチモン合金、及び錫−ビスマス合金があげられるけれども、従来より、上記特性に優れたはんだ合金として錫−鉛合金が汎用されてきた。
【０００５】
近年、鉛の人体に与える影響が問題となってきた。このため、上記特性に優れた鉛フリーはんだ合金が望まれている。
【０００６】
しかしながら、鉛フリーはんだ合金は、一般に、錫−鉛合金よりも融点が４０℃以上高いものが多いという問題があった。
【０００７】
例えば特開２０００−１４１０７９号公報には、２５ないし５５重量％のビスマスと、残部に錫と不可避不純物とを含む錫−ビスマス二元系はんだ合金が開示されている。この錫−ビスマス二元系はんだ合金は、鉛フリーはんだ合金の中では、比較的低融点であるが、機械的特性及びぬれ性の両立が困難であった。このため、錫−鉛はんだ合金の代替えとしては不十分であった。
【０００８】
このようなことから、低融点であって、ぬれ性、はんだ付け性、及び種々の機械的特性を十分に満足することができる鉛フリーはんだ合金が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、はんだぬれ性、はんだ付け性、伸び率、及びはんだ合金としての機械的疲労強度が良好な鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の第２の目的は、はんだぬれ性、はんだ付け性、伸び率、及びはんだ合金としての機械的疲労強度が良好なはんだ合金を用い、信頼性の高い接続が得られる鉛フリーはんだペーストを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、４３ないし４７重量％のビスマス、０．５ないし２．５重量％の銀、０．２５ないし０．７５重量％の銅、０．２５ないし０．７５重量％のインジウム、０．０２ないし０．０９重量％のニッケル、及び残部に錫を含有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の鉛フリーはんだペーストは、４３ないし４７重量％のビスマス、０．５ないし２．５重量％の銀、０．２５ないし０．７５重量％の銅、０．２５ないし０．７５重量％のインジウム、０．０２ないし０．０９重量％のニッケル、及び残部に錫を含有する鉛フリーはんだ合金とフラックスを含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、錫とビスマスを主に含む合金であって、
下記組成を有する。
【００１４】
鉛フリーはんだ合金組成
ビスマス　　　４３ないし４７重量％
銀　　　　　　０．５ないし２．５重量％
銅　　　　　　０．２５ないし０．７５重量％
インジウム　　０．２５ないし０．７５重量％
ニッケル　　　０．０２ないし０．０９重量％
錫　　　　　　　　　　残部
残部には、混入が避けられない不純物を含み得る。
【００１５】
本発明によれば、錫とビスマスを主成分とする二元系合金に、副成分として所定量の銀、銅、インジウム、及びニッケルを添加することにより、低融点を有し、かつ引っ張り強度、伸び率、及び熱疲労寿命等の機械的特性、及びはんだぬれ性が良好なはんだ合金が得られる。
【００１６】
本発明者らは、錫とビスマスを主成分とする二元系合金について、鋭意研究を行った結果、低融点であって、かつ機械的特性及びはんだぬれ性が両立したはんだ合金を得るためには、上記組成が有効であることを見出した。
【００１７】
本発明者は、比較的低融点を有する錫とビスマスを主成分とする二元系合金を使用し、その機械的特性及びはんだぬれ性を向上させることを試みた。
【００１８】
本発明の合金に用いられるビスマスの含有量は、４３ないし４７重量％である。好ましくは４４．５ないし４５．５重量％である。４７重量％を超えると、機械的特性としての伸び率が低くなり、４３重量％未満であると、液相点が上昇し、溶融温度が高くなる。
【００１９】
本発明の合金に用いられる錫の含有量は、好ましくは５５ないし５０重量％である。さらに好ましくは５３ないし５１重量％である。５５重量％を超えると、溶融温度が高くなり、５０重量％未満であると、機械的特性としての伸び率が悪くなる傾向がある。
【００２０】
錫−ビスマス合金に銀を添加すると、得られた合金のぬれ性が向上した。このときの機械的特性を調べるため、錫−ビスマス合金の機械的疲労寿命に対する銀の影響を調べたところ、本発明の合金における銀の添加量は２．５重量％以下が有効であることがわかった。
【００２１】
銀の添加量が２．５重量％を超えると、機械的疲労寿命が低下する。また、銀の添加量が０．５重量％未満であると、ぬれ性を向上する効果が得られない。
【００２２】
図１に、錫−ビスマス合金の機械的疲労寿命に関する銀の影響の一例を表すグラフ図を示す。
【００２３】
このグラフ図では、錫−３７重量％鉛　合金と、錫−５８重量％ビスマス　合金と、錫−ビスマス５７重量％−１重量％銀　合金と、錫−ビスマス５７重量％−２重量％銀　合金と、錫−ビスマス５７重量％−２．５重量％銀　合金について、与えられた非弾性ひずみ範囲に対してはんだ合金の疲労試験としてねじり試験を行った場合に、き裂が発生するまでの時間（機械的疲労寿命）を測定し、各々非弾性ひずみ範囲の対数（Δεｉｎ）を縦軸、き裂発生寿命の対数（Ｎｆ）横軸として、得られた測定結果をプロットしたものである。
【００２４】
ねじり試験は、合金試料を図２に示すような厚さＡ−Ａ’が２６ｍｍ、Ｂ−Ｂ’が１４ｍｍ、Ｃ−Ｃ’が２２ｍｍ、直径８０ｍｍの薄肉円形試験片に鋳造加工し、組織を安定させるため１ヶ月以上放置した後、ステッピングモータで駆動される疲労試験器を用いて行った。
【００２５】
非弾性ひずみ範囲は、はんだ合金の疲労試験において、試験片のねじり角とトルク変換器の出力から得られる、剪断応力−剪断歪みのヒステリシスループの幅に相当する。
【００２６】
試験片の疲労寿命は剪断応力が初期の最大値から２５％荷重低下したときのサイクル数を寿命と定義する。
【００２７】
図中、直線１０１は、錫−３７重量％鉛　合金の場合を示す。○は、錫−５８重量％ビスマス　合金、□は錫−ビスマス５７重量％−１重量％銀　合金，△は錫−ビスマス５７重量％−２重量％銀　合金、×は、錫−ビスマス５７重量％−２．５重量％銀　合金の測定結果を示す。
【００２８】
図示するように、非弾性ひずみ範囲を上げると、き裂発生寿命は低下する。このとき、き裂発生寿命の低下は、銀の添加量が多いほど大きくなる傾向があることがわかった。
【００２９】
本発明の合金に用いられる銅の含有量は、０．２５ないし０．７５重量％である。好ましくは０．４ないし０．６重量％である。０．７５重量％を超えると、機械的な伸び率が低くなり、０．２５重量％未満であると、溶融温度が高くなる。
【００３０】
また、本発明の合金に用いられるインジウムの含有量は、０．２５ないし０．７５重量％である。好ましくは０．４ないし０．６重量％である。０．７５重量％を超えると、合金コストが大幅に上昇し、０．２５重量％未満であると、溶融温度が高くなり、伸び率が低くなる。
【００３１】
本発明の合金に用いられるニッケルの含有量は、０．０２ないし０．０９重量％である。好ましくは０．０５ないし０．０９重量％である。０．０９重量％を超えると、はんだ付け時のぬれ性が劣化し、０．０２重量％未満であると、０．０２重量％未満であるとはんだ付け時の濡れ性が劣化する。
【００３２】
また、図３及び図４に、微量の銀を含む錫−ビスマス合金の機械的疲労寿命に関する他の微量元素の影響の例を表すグラフ図を各々示す。
【００３３】
図３及び図４中、直線１０１は、錫−３７重量％鉛　合金の場合を示す。図３において、○は、錫−５８重量％ビスマス　合金、□は錫−５７重量％ビスマス−１重量％銀　合金，△は錫−５７重量％ビスマス−１重量％銀−０．５重量％アンチモン　合金、×は、錫−５７重量％ビスマス−１重量％銀−０．５重量％アンチモン−０．５重量％銅　合金の測定結果を示す。
【００３４】
また、図４において、○は、錫−５８重量％ビスマス　合金、□は錫−５７重量％ビスマス−１重量％銀　合金，△は錫−５７重量％ビスマス−１重量％銀−０．５重量％銅−０．０７重量％ニッケル　合金、×は、錫−５７重量％ビスマス−１重量％銀−０．５重量％アンチモン−０．５重量％銅　合金の測定結果を示す。
【００３５】
尚、測定、試験方法及びグラフの縦軸、横軸の表記は、図１に用いたものと同様である。
【００３６】
図３及び図４に示すように、非弾性ひずみ範囲を上げると、き裂発生寿命は低下する。
【００３７】
図３から、アンチモンを添加すると、き裂発生寿命の低下が緩和される傾向があることがわかった。しかしながら、さらに銅を添加すると、き裂発生寿命の低下が大きくなる傾向があることがわかった。
【００３８】
また、図４から銅とニッケルを添加すると、き裂発生寿命の低下が大きくなる傾向があることがわかった。
【００３９】
銀、銅、ニッケルは、いずれもぬれ性を向上し得る微量成分である。しかしながら、上述のように、添加量が多すぎると、機械的疲労寿命を低下させる傾向があるので、本発明の範囲内に制御される。
【００４０】
本発明のはんだ合金には、好ましくは、さらなる副成分としてアンチモン及びゲルマニウムを、各々、５重量％以下添加することができる。
【００４１】
アンチモンを添加すると、融点を低下し、機械的な疲労寿命を向上することができる、また、ゲルマニウムを添加すると、はんだ付け時の濡れ性が良好となる傾向がある。
【００４２】
また、本発明の鉛フリーはんだ合金にフラックスを混入することにより鉛フリーはんだペーストが得られる。
【００４３】
フラックスは、例えばはんだ金属１００重量部に対し、７重量部ないし２０重量部の範囲で混合することができる。
【００４４】
フラックスとしては、例えばアミンハロゲン塩または有機酸と、多価アルコールと、高分子材料との混合物を用いることができる。
【００４５】
アミンハロゲン塩としては、アクリルアミン塩酸塩、アニリン塩酸、ジエチルアミン塩酸塩、シクロヘキシルアミン塩酸塩、モノメチルアミン塩酸塩、
ジメチルアミン塩酸塩、トリメチルアミン塩酸塩、フェニルヒドラジン塩酸塩、ｎ−ブチルアミン塩酸塩、ｏ−メチルヒドラジン塩酸塩、エチルアミン臭酸塩、シクロヘキシル臭酸塩、２−アミノエチルブロミド臭酸塩、トリ−ｎ−ブチルアミン臭酸塩等があげられる。
【００４６】
有機酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、マレイン酸、酒石酸、安息香酸、酢酸、ヒドロキシ酢酸、プロピオン酸、ブチリック酸、パレリック酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、及びステアリン酸等があげられる。
【００４７】
上記したアミンハロゲン塩及び有機酸は活性剤として使用される。
【００４８】
また、フラックスに用いられる基材として、例えばアビチエン酸、デヒドロアビチエン酸、及びα−テルピネオール等があげられる。
【００４９】
フラックスに用いられる増粘剤としては、硬化ヒマシ油等があげられる。
【００５０】
フラックスに用いられる溶剤としては、２−メチル２，４−ペンタジオール等があげられる。
【００５１】
はんだペーストに用いられるフラックスの組成は、例えば基材成分１５ないし５０％、活性剤１ないし１０重量％、増粘剤３ないし８重量％、溶剤３５ないし４５重量％である。
【００５２】
本発明のはんだペーストの具体的な組成の一例として、例えば鉛フリーはんだ合金８９．０±０．５重量％、及びフラックス成分１１．０±０．５重量％があげられる。
【００５３】
【実施例】
実施例１及び２
下記表１に示す組成の合金を調整し、その溶融特性調べた。その結果を下記表１に併せて示す。尚、下記表１中、組成の数値は重量％、数値のないものは残部を示す。
【００５４】
また、この合金について、ぬれ性、及び機械的特性を調べたところ、いずれも良好な結果が得られた。
【００５５】
比較例１ないし１４
下記表１に示す組成の合金を調整し、その溶融特性を調べた。その結果を下記表１に併せて示す。
【００５６】
また、この合金について、はんだぬれ性、及び機械的特性を調べた。
【００５７】
その結果、機械的特性及びはんだぬれ性共に実施例１及び２よりも劣っていた。
【００５８】
【表１】
2004017093.tif 000002
【００５９】
上記表１に示すように、実施例１及び２に示す鉛フリーはんだ合金は、液相点が低く、かつ固相点との差が少ないため、はんだ付け性が良好であることがわかった。さらに、これらの鉛フリーはんだ合金は、ぬれ性、及び機械的特性が良好であった。
【００６０】
銀の含有量が少ない実施例１は、実施例２と比べると、液相点が低く、かつ液相点と固相点との差が少ないことから、そのはんだ付け性が非常に良好であることがわかった。一方、銀の含有量が実施例１より多い実施例２は、液相点が少し高く、かつ液相点と固相点との差が少し多い。しかしながら、銀含有量の微量の増加により、引っ張り強度及び伸び率等の機械的特性が良好となった。
【００６１】
このように、実施例１及び２に示す鉛フリーはんだ合金を用いると、信頼性の高い接続が可能となることがわかった。
【００６２】
これに対し、比較例１ないし５及び９ないし１４は、固相点が高すぎるので、低融点のはんだ接合を行うことができないことがわかった。また、比較例６ないし８は、固相点が比較的低く、液相点との差も少ないけれども、ぬれ性、及び機械的特性が良好でないことがわかった。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだぬれ性、はんだ付け性、伸び率、及び熱疲労強度が良好な鉛フリーはんだ合金を得ることができる。
【００６４】
また、本発明を用いることにより、信頼性の高い接続を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】錫−ビスマス合金の機械的疲労寿命に関する銀の影響の一例を表すグラフ図
【図２】ねじり試験に用いられる薄肉円形試練片を表す断面図
【図３】微量の銀を含む錫−ビスマス合金の機械的疲労寿命に関する他の微量元素の影響の例を表すグラフ図
【図４】微量の銀を含む錫−ビスマス合金の機械的疲労寿命に関する他の微量元素の影響の他の例を表すグラフ図
【符号の説明】
１０１…錫−鉛合金に関する微量元素の影響を表すグラフ
【図１】
2004017093.tif 000003
【図２】
2004017093.tif 000004
【図３】
2004017093.tif 000005
【図４】
2004017093.tif 000006