(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ０．１〜１０重量％と、Ｇｅ、Ｇａ又はＰから選ばれた１又は複数をそれぞれ０．１〜５重量％と、残部Ｓｎとし、Ｓｎ−Ｃｕの溶解無鉛はんだ中に投入拡散する無鉛はんだ用添加合金。
【請求項２】
請求項１において、Ｎｉの含有量は、１〜３重量％である無鉛はんだ用添加合金。
【請求項３】
請求項１又は２において、Ｇｅ、Ｇａ又はＰは０．１〜１重量％である無鉛はんだ用添加合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無鉛はんだ用の合金に係り、はんだ母材に対して添加物として投入され、母材に溶解して有効に機能する合金に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
はんだ合金の従来からの組成において鉛ははんだ合金の特性を決定するものとして非常に有効に機能するが、近年鉛の毒性が問題になっており、鉛を組成物から忌避した無鉛はんだの開発が盛んである。そして、これら無鉛はんだのほとんどは錫を主成分としている。即ち、錫は毒性が低く、金、銀、銅、ニッケルあるいは亜鉛など数多くの金属との融合性が高く、また高い反応性でよく拡散して金属表面に濡れるために、電子部品の組立用はんだ合金の主成分として不可欠である。しかし、錫を主成分にした無鉛はんだ合金では、錫の高い反応性を原因として、添加した金属や、接合時における母材表面から溶出した銅や銀などの金属と結合して金属間化合物を生成してしまうことになる。ところがこれらの化合物は一般にはんだ合金の融点よりも高い融点を有しているために、はんだ合金の流動性を阻害して、はんだ付け作業時にはんだ接合部の欠陥であるブリッジや、ツララ現象を発生させる要因となる。また、化合物は凝固時に針状結晶となってはんだ中に析出し、表面の滑らかさが失われて、光沢のないザラザラとした概観の悪いはんだ付けになり、商品価値を低くするばかりか、最近の密度の高い、線が密集している回路であればマイクロブリッジや針状線を構成してしまい、ショートの原因になることもある。
【０００３】
そこで、発明者はこれらの課題を解決する組成として、錫を主成分としてニッケルを微量だけ（０．００２〜１重量％）添加するはんだ合金を開示した（特願平１０−１００１４１号）。ニッケルは、比較的少量を加えることによって、錫と多くの金属との合金、例えばプリント基板のリード線や端子に用いられている銅との合金が凝固するときに不可避的に発生する針状結晶を抑制する作用があることを確認し、これに着目したものである。ニッケルは、融点が１４５３℃と非常に高いところにあるが、上記添加量程度であれば錫に溶解して均一に分散する。さらに、ニッケルを含む場合には、これを含まない場合とは全く異なり、凝固中の体積収縮から起こる引け巣の様子がＳn−Ｐb系共晶はんだの特徴に似て、ひとつの大きい窪みになり、かつ表面が滑らかになることが目視によって観察された。従って、錫にニッケルを比較的少量添加することによって、はんだ合金中の化合物の発生を抑制し、さらにはんだ凝固時の針状結晶の生成をも抑制することができる。しかも、接合部の機械的強度を低下させることなく、経年安定性に優れ、高い信頼性と作業性を確保することが可能となる。
【０００４】
ところで、ニッケルは上述したように融点が１４５３℃であるために、はんだ母材中に投入する添加量が少ない場合であっても、はんだ合金の融点は高くなるほうに推移する。また、ニッケルが錫を主とする合金に対して他の金属との間で化合物を構成することを回避する作用があるのであれば、予めはんだ合金中に溶解させるばかりでなく、溶融しているはんだ槽に別個に添加物として投入することによっても、使用中のはんだを改良することができる。発明者はこの点に着目して、はんだ合金の組成として好適であるニッケルを溶解はんだ槽に対する添加物とすることとした。
【０００５】
本発明ではこのように溶解はんだ槽に添加することによってはんだを改良することができる無鉛はんだ用添加合金を開示することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述した目的を達成するために、Ｎｉ０．１〜１０重量％およびＳｎ残部とし、Ｓｎ−Ｃｕの溶解無鉛はんだ中に投入拡散する無鉛はんだ用添加合金を構成した。また、さらなるＮｉ含有量の限定として、１〜３重量％の範囲に特定した。
【０００７】
さらにまた、はんだ合金のより有効な作用を高めるために、上記Ｓｎを残部としたＮｉに加えてさらにＧｅ、Ｇａ又はＰからなる群から選ばれた１又は複数をそれぞれ０．１〜５重量％加えた無鉛はんだ合金を構成した。また、これら微量金属をさらに限定して、０．１〜１重量％の範囲に特定した。
【０００８】
これらの手段において、錫ははんだ母材の主金属と同一のものであり、濡れ性が高く、電子回路を構成するリード線などとの接合性が非常に高い。本発明の添加合金においても錫を主成分としたのは、次の理由による。ニッケルは融点が錫と比較して非常に高く、はんだに投入する添加量がごくわずかであっても、２４０〜２５０℃程度の比較的低い温度で溶解しているはんだ中では短時間で均一に溶解して拡散することが困難である。そこで、本発明では元来溶解性がよく、またはんだ槽に溶解中の無鉛はんだの主成分である錫にニッケルを予め配合し、添加合金自体の融点を下げることによって、溶解はんだ中への敏速な均一拡散を行わしめるものである。
【０００９】
無鉛はんだにおけるニッケル含有量は、実験の結果から０．０１〜０．１重量％によってある程度の期待する効果を奏することができる。また、溶解はんだ中に新たな錫が投入されることによる成分変化を極力防ぐ必要があることを考慮すれば、投入する添加合金中のニッケル濃度は添加合金自体の融点があまり高くなりすぎない範囲で極力高いほうが好ましい。このことから、本発明ではニッケル含有量を０．１〜１０重量％とした。また、溶解はんだに投入後の濃度調整を考慮して、より好ましい範囲として１〜３重量％に特定した。そして、この添加合金を溶解無鉛はんだ槽に投入して、はんだ自体のニッケル量を調整する。例えば、錫９８重量％、ニッケル２重量％の添加合金を、融点が２２７℃である錫９９．３重量％、銅０．７重量％の溶解はんだを２５０℃まで昇温して投入したところ、添加合金はスムーズに溶解し、短時間で均一に拡散し、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉの３元はんだを構成する。添加合金の融点よりも低い温度で溶解する理由は、錫の溶解性および添加物との同質性、さらにははんだ槽の膨大な熱エネルギーによるものである。そして、上記無鉛はんだ９９kgに対して上記含有量の添加合金を１kg投入すると、ニッケル含有量が０．０２重量％に調整されることになる。これらの無鉛はんだと添加合金との重量比は、上記「無鉛はんだにおけるニッケル含有量」として示した０．０１〜０．１重量％の範囲で適宜調整することになる。ただし、この範囲は本発明においては絶対的なものではなく、あくまでも添加合金中の重量比が発明の本質であることはいうまでもない。
【００１０】
ゲルマニウムＧｅ、ガリウムＧａ、および燐Ｐはそれぞれはんだ槽表面に浮遊する滓の発生を防止する機能があるが、個々に溶解はんだ中において０．００１〜０．０１重量％で効果を発揮する。例えば、上記のように９９：１の割合で添加合金を投入するのであれば、添加合金中の配分は０．１〜１重量％で十分であるが、投入割合には幅があるので、０．１〜５重量％の範囲で調整する。
【００１１】
なお、一般に使用されている自動はんだ槽のはんだ容量を基本として考えれば、適切な添加量を得るためには添加合金の形状は１個で数百グラム〜数キログラムのインゴット形状や、棒状にするほうがよい。ただし、計算で算出した重量を正確に投入するためには調整用の補助物として小型のペレットや粉末、あるいはワイヤにすることもある。また、短時間で均一な拡散を要望するときには、却ってこれらの構造が有効に作用する。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
予め作成したＮｉ２重量％（以下の比率も全て重量％である）、残部Ｓｎの添加合金１kgの塊を、Ｓｎ９９．３％、Ｃｕ０．７％の組成からなり、融点が２２７℃の無鉛はんだを２５０℃雰囲気で溶解させた９９kgのはんだ槽中に投入し、２分待った後にステンレス製のへらでゆっくりと撹拌した。確認したところ、投入した添加合金の塊は既に溶解していた。この場合、Ｎｉ含有量は０．０２％であった。
このはんだ合金を用いて、リード間隔が０．６５mmピッチの表面実装用ＩＣ付きのプリント基板をＲＡタイプのフラックスを使用して２５０℃ではんだ付けを行ったところ、ブリッジやツララ現象は発生しなかった。また、接合部を２０倍程度に拡大して観察したところ、はんだ表面は滑らかであり、異常な結晶は見当たらなかった。さらに、はんだ槽が冷え固まったときのはんだ合金表面も滑らかであり、表面に針状結晶などが生成していないことも確認することができた。
【００１３】
（実施例１の強度試験）
実施例１で添加合金を投入拡散した後のはんだ合金の強度を引っ張り試験機で検査した。試験片ははんだ槽からステンレス製のしゃもじで汲み出して、鉄の鋳型に注入して放冷凝固させ、取り出してからヤスリなどを使用して整形した。引っ張り試験機にセットし、室温で引っ張り速度１０mm／秒の条件にて測定した。その結果、強度が３．３kg／平方ミリメートルであった。ちなみに、添加合金を投入する前のはんだでは、同様に試験を行ったところ、強度が３．２kg／平方ミリメートルであった。
【００１４】
（実施例２）
Ｓｎ９９．３％、Ｃｕ０．７％の組成からなる融点が２２７℃の無鉛はんだ合金に、１０％のＮｉを含む本発明の添加合金を投入して、Ｎｉ濃度が１％になるように調整したはんだ合金を、実施例１と同様に検査したところ、はんだ合金表面は非常に滑らかであった。また、実施例１と同様に強度試験を行ったところ、強度は実施例１と同じように３．３kg／平方ミリメートルであった。
【００１５】
（実施例３）
予め作成したＮｉ２％、Ｇａ０．５％、残部Ｓｎの添加合金１kgの塊を、Ｓｎ９９．３％、Ｃｕ０．７％の組成からなり、融点が２２７℃の無鉛はんだを２５０℃雰囲気で溶解させた９９kgのはんだ槽中に投入し、２分待った後にステンレス製のへらでゆっくりと撹拌した。確認したところ、投入した添加合金の塊は既に溶解していた。この場合、Ｎｉ含有量は０．０２％、Ｇａは０．００５％となる。
このはんだ合金は、上記添加合金の投入直後からはんだ表面の色が金属的な白色を増し、それまで発生していた表面の滓の発生が激減した。なお、ＧｅおよびＰの添加であっても同じ効果を期待することが可能である。
【００１６】
（比較例）
Ｓｎ９９．３％、Ｃｕ０．７％の組成からなる融点２２７℃の無鉛はんだ合金を用いてリード間隔が０．６５mmピッチの表面実装用ＩＣ付きのプリント基板をＲＡタイプのフラックスを使用して２５０℃ではんだ付けを行ったところ、ブリッジがリードの間に多数発生した。これらのブリッジは、リード間だけでなくリードを数本またぐようにして発生していたものも認められた。また、リード間隔が２．５mmピッチのコネクタ付きのプリント基板に同様にしてはんだ付けしたところ、やはりブリッジやツララが多数発生した。
接合部を２０倍程度に拡大して観察したところ、はんだ表面はザラザラとして異常な結晶が見られた。これらはＳｎ−Ｃｕ金属化合物による針状結晶であった。また、ＩＣリード間のブリッジ中には非常に細い針状のマイクロブリッジが見られ、これらは融点が高く、活性の高いフラックスでも容易に除去することができないため、はんだ付け品質の向上は困難であると推測される。
はんだ槽が冷え固まったときのはんだ合金表面には針状結晶が発生し、凹凸が見られただけでなく、場所によっては大きいわれが発生して、段差もあることが観察された。これは、はんだ内部にひずみが発生しているためと考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、上述したようにはんだ合金母材に直接添加物を入れるのではなく、別途製造した塊状やペレット状の添加合金を構成したので、錫を主成分とした溶解はんだに非常によく混ざり合い、短時間のうちに均一に拡散するので、計算通りのはんだ組成を、はんだの溶解槽中で達成することができる。