(57)【要約】【課題】接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる無鉛はんだを提供する。【解決手段】実施形態に係る無鉛はんだは、錫と、ゲルマニウムとを含有する。このゲルマニウムの含有量は、例えば０．１００ｗｔ％程度である。これにより、従来の亜鉛系のはんだと同等の接着強度、あるいは、それ以上の接着強度を得ることができる。さらに、無鉛はんだの融点は、例えば２００℃よりも高く、高温環境下での使用を実現することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
錫と、ゲルマニウムとを含有することを特徴とする無鉛はんだ。
【請求項２】
ニッケルをさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の無鉛はんだ。
【請求項３】
前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、
前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の無鉛はんだ。
【請求項４】
前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、
前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の無鉛はんだ。
【請求項５】
亜鉛と、アンチモンとをさらに含有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無鉛はんだ。
【請求項６】
前記亜鉛の含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であり、
前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする請求項５に記載の無鉛はんだ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無鉛はんだに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、錫や鉛を主成分とするはんだ、あるいは、環境に配慮した無鉛はんだ（鉛フリーはんだ）は、易はんだ付け性金属同士を接合するものであり、ガラスやセラミックス、難はんだ付け性金属などを接合することは難しい。ガラスやセラミックスの接合に用いる無鉛はんだとしては、亜鉛を主成分とする無鉛はんだが提案されているが、その接着強度は６００ｇｆ／ｍｍ２（＝５．８８Ｎ／ｍｍ２）程度である。また、ビスマス及びガリウムを主成分とする無鉛はんだも提案されているが、その融点は低温（例えば１２０℃〜２００℃）であり、環境温度が２００℃を超えるところでは用いることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６６４３０８号公報
【特許文献２】特許第４６２７４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる無鉛はんだを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に係る無鉛はんだは、錫と、ゲルマニウムとを含有することを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項２に係る無鉛はんだは、請求項１に記載の無鉛はんだにおいて、ニッケルをさらに含有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項３に係る無鉛はんだは、請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項４に係る無鉛はんだは、請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項５に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、亜鉛と、アンチモンとをさらに含有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項６に係る無鉛はんだは、請求項５に記載の無鉛はんだにおいて、前記亜鉛の含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であり、前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、無鉛はんだの接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の一形態に係る所定のニッケル含有量におけるゲルマニウム含有量と接着強度との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施の一形態に係る所定のゲルマニウム含有量におけるニッケル含有量と接着強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の一形態について説明する。
【００１４】
本発明の実施の一形態に係る無鉛はんだは、錫（Ｓｎ）を主成分とし、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有するはんだ組成物（はんだ合金）である。この無鉛はんだは、ガラスやセラミックス及び難はんだ付け性金属において、異なる材料の接合や同じ材料同士の接合に用いられる。例えば、超音波はんだ付け装置を使用し、本実施形態に係る無鉛はんだを用いて、ガラスやセラミックスに金属を接合したり、ガラス同士やセラミックス同士を接合したりすることが可能である。このとき、超音波振動によるキャビテーションが確実に発生するため、ガラスやセラミックスと金属との接合、あるいは、ガラス同士の接合やセラミックス同士の接合を行うことができる。
【００１５】
本実施形態に係る無鉛はんだは、ゲルマニウムを含むことから、ガラスやセラミックス、難はんだ付け性金属に固着することが可能であり、従来の亜鉛系のはんだと同等、あるいは、それ以上の接着強度を得ることができる。例えば、無鉛はんだが一度ガラスに接合されると、その無鉛はんだとガラスとの界面を溶かさなければ、無鉛はんだがガラスから剥がれることはない。さらに、本実施形態に係る無鉛はんだの融点は、例えば２００℃よりも高く、環境温度が２００℃を超えるところでも、無鉛はんだを用いることができる。このようにして、無鉛はんだの接着強度の向上及び高温環境下での使用を実現することができる。
【００１６】
また、本実施形態に係る無鉛はんだは、錫を主成分とするはんだであるため、無鉛はんだをガラスやセラミックス以外の金属の接合、例えば銅線や銅箔の接合にも用いることができる。さらに、無鉛はんだは鉛を含有していないため、環境や人体への悪影響を抑えることができる。加えて、無鉛はんだは、湿気に弱い亜鉛も含有していないため、無鉛はんだの耐湿性を向上させることができる。
【００１７】
ここで、前述の無鉛はんだの粘度を向上させるためには、錫及びゲルマニウムに加え、ニッケル（Ｎｉ）を添加することが望ましい。この場合、無鉛はんだは、錫及びゲルマニウムに加え、ニッケルを含有することになる。ニッケルは、無鉛はんだの粘度を向上させることが可能な材料である。
【００１８】
さらに、錫、ゲルマニウム及びニッケルに加え、亜鉛（Ｚｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を添加するようにしても良い。この場合、無鉛はんだは、錫、ゲルマニウム及びニッケルに加え、亜鉛及びアンチモンを含有することになる。亜鉛は、超音波振動によるキャビテーションの発生効率を向上させることが可能な材料である。また、アンチモンは、湿気に弱い亜鉛の耐湿性を向上させることが可能な材料である。ただし、亜鉛含有量は非常に少なくて良く、それに応じてアンチモン含有量も少なくなる。このため、アンチモンの含有量増加によって無鉛はんだが脆くなることを抑えることができる。
【実施例】
【００１９】
無鉛はんだの接着強度の評価結果を下記の表１に示す。評価方法としては、超音波はんだゴテにより、錫を主成分とする無鉛はんだを種類ごとにスライドガラスに塗布する。スライドガラスに塗布された無鉛はんだに幅２ｍｍの銅線（平角線）を接合し、その銅線にフォースゲージを取り付けて垂直に引っ張る。このときのフォースゲージの数値を測定し、単位体積当たりの力を接着強度（接合強度）として記録する。この評価結果が下記の表１に示されている。
【００２０】
【表１】
2017136629.tif 000002
【００２１】
この表１では、錫を主成分とする無鉛はんだにおいて、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量（ｗｔ％）やニッケル（Ｎｉ）の含有量（ｗｔ％）が変えられ、Ｇｅ及びＮｉの含有量が異なる数種の無鉛はんだごとに接着強度（ｇｆ／ｍｍ２）が示されている。なお、ｗｔ％は、無鉛はんだの総重量（はんだの重量）に対する重量割合を示す重量％である。
【００２２】
表１に示すように、ニッケルを含まず、ゲルマニウムを０．１００ｗｔ％含む無鉛はんだの接着強度は、６４９ｇｆ／ｍｍ２となる。これにより、亜鉛系のはんだと同等の接着強度が得られる。この無鉛はんだにニッケルが０．０５ｗｔ％添加されると、無鉛はんだの接着強度は１０２１ｇｆ／ｍｍ２となり、前述の６４９ｇｆ／ｍｍ２に比べて約５７％向上する。
【００２３】
次に、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％であるとき、ゲルマニウム含有量が０．００１〜０．５００の範囲内で調整されると、０．０１０ｗｔ％で接着強度が１１５１ｇｆ／ｍｍ２となり、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％である場合において最大となる。
【００２４】
また、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０１〜０．１０の範囲内で調整されると、０．０３ｗｔ％で接着強度が１２１２ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％である場合において最大となる。
【００２５】
また、ゲルマニウム含有量が０．００５ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０３〜０．０８の範囲内で調整されると、０．０８ｗｔ％で接着強度が１２２０ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．００５ｗｔ％である場合において最大となる。
【００２６】
また、ゲルマニウム含有量が０．１００ｗｔ％であるとき、ニッケル含有量が０．０３〜０．０８の範囲内で調整されると、０．０３ｗｔ％で接着強度が１２１９ｇｆ／ｍｍ２となり、ゲルマニウム含有量が０．１００ｗｔ％である場合において最大となる。
【００２７】
このような結果を示す表１から、例えば、接着強度を１０００ｇｆ／ｍｍ２以上とするためには、ゲルマニウム含有量が０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、ニッケル含有量が０．０３重量％以上０．０８重量％以下であることが望ましい。あるいは、ゲルマニウム含有量が０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、ニッケル含有量が０．０５重量％以上０．０８重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
また、前述の表１に基づいて、図１には、ニッケル含有量が０．０５ｗｔ％である場合のゲルマニウム含有量と接着強度との関係が示されており、図２には、ゲルマニウム含有量が０．０１０ｗｔ％である場合のニッケル含有量と接着強度との関係が示されている。これらの図１及び図２に示されるグラフからも、必要とする接着強度以上の接着強度を得るため、ゲルマニウムやニッケルの含有量の範囲を決定することが可能である。
【００２９】
ここで、亜鉛及びアンチモンが同量、例えば０．５０ｗｔ％程度、前述の無鉛はんだに添加されると、亜鉛及びアンチモンが無い場合に比べ、接着強度は約１０％向上する。したがって、接着強度の向上のためには、亜鉛の含有量が０．５０ｗｔ％であり、アンチモンの含有量が０．５０ｗｔ％であることが望ましい。
【００３０】
なお、接合に直接的に寄与する主材料はゲルマニウムであるが、粘性やキャビテーションの条件を最適化するため、前述のように、ニッケル、亜鉛及びアンチモンを添加することが可能である。ただし、無鉛はんだの成分は、主成分の錫とゲルマニウムのみであっても良い。
【００３１】
以上、本発明は、前述の実施形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【図１】
2017136629.tif 000003
【図２】
2017136629.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月24日(2017.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、
錫と、ゲルマニウムと、ニッケルとを含有し、
前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、
前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする無鉛はんだ。
【請求項２】
超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、
錫と、ゲルマニウムと、ニッケルとを含有し、
前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、
前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする無鉛はんだ。
【請求項３】
前記ゲルマニウムの含有量は、前記ニッケルの含有量よりも多く、はんだの重量に対して０．１００重量％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだ。
【請求項４】
亜鉛と、アンチモンとをさらに含有し、
前記亜鉛の含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であり、
前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無鉛はんだ。
【請求項５】
前記超音波はんだ付け装置による、ガラス又はセラミックスと金属との接合、ガラス同士の接合、又は、セラミックス同士の接合に用いられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無鉛はんだ。
【請求項６】
前記超音波はんだ付け装置によってガラス、セラミックス又は難はんだ付け性金属に固着可能に生成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無鉛はんだ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明の請求項１に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、錫と、ゲルマニウムと、ニッケルとを含有し、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．０１０重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０３０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の請求項２に係る無鉛はんだは、超音波振動によるキャビテーションを発生させる超音波はんだ付け装置によって用いられる無鉛はんだであって、錫と、ゲルマニウムと、ニッケルとを含有し、前記ゲルマニウムの含有量は、はんだの重量に対して０．００５重量％以上０．１００重量％以下であり、前記ニッケルの含有量は、はんだの重量に対して０．０５０重量％以上０．０８０重量％以下であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の請求項３に係る無鉛はんだは、請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだにおいて、前記ゲルマニウムの含有量は、前記ニッケルの含有量よりも多く、はんだの重量に対して０．１００重量％であることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の請求項４に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、亜鉛と、アンチモンとをさらに含有し、前記亜鉛の含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であり、前記アンチモンの含有量は、はんだの重量に対して０．５００重量％であることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の請求項５に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、前記超音波はんだ付け装置による、ガラス又はセラミックスと金属との接合、ガラス同士の接合、又は、セラミックス同士の接合に用いられることを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の請求項６に係る無鉛はんだは、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無鉛はんだにおいて、前記超音波はんだ付け装置によってガラス、セラミックス又は難はんだ付け性金属に固着可能に生成されていることを特徴とする。