鉛フリーはんだ合金の流動性
Maximum fluidity length test for lead-free solder alloys
末永将一
Shoichi Suenaga
株式会社

西村哲郎
Tetsuro Nishimura

日本スペリア社

NIHONSUPERIOR CO., LTD.
The productivity of wave soldering of electronic circuit board is influenced by the wettability and drainage ofexcess solder. Therefore, fluidity of the solder alloys is one of the most important aspects for the processing of solder
alloys. In this study, the maximum fluidity length was measured by the Ragone method to clarify the effects of impurity
level of elemental addition on lead-free solder alloys.
1. 緒言んだフィレットの表面光沢は、鋳造物と同様、凝固はんだ合金のダイナミックな特性を評価する試験に至るまでの流動性が大きく関与していると推測さ方法として、ぬれ性を調べるウェッテイングバラン

れる。本試験ではある温度で溶解している鉛フリース試験や広がり試験などがある。しかし、実際のははんだ合金を一定の真空度でガラス管に吸い上げる

んだ付けにおいては、プリント基板のスルーホールことでその流動性を観察し、基本的な鉛フリーはん上がり性やブリッジの発生率が量産作業性を大きくだ合金と微量な添加元素の影響を調べた。

左右するため、はんだ合金の流動性も大事な評価と2. 実験方法なりうる。そこで、金属の鋳造性評価で一般に適用【1-3】されている Ragone 法

図１に「流動性」を測定する方法を示す。試験のを用いて各種鉛フリーはん概要は、300.5°C (± 0.4°C)に加熱した液体状態の金属だ合金の流動性試験をおこなった。一般に鋳造では、がガラス管中を流れ、凝固して止まるまでの長さを流動性が良い試料は、より湯流れが良く、鋳造物の測定するものである。試験に際しては、金属の温度、表面にも欠陥が少ないのが特徴であり、いわゆる鋳管の材質と内径、真空度などの諸条件を統一してお造性が良いと判断される。流動性の良し悪しは、凝こなう。今回の試験では、より正確な測定が可能で固中に晶出または発生される母相や金属間化合物のある図１(b)の手法を用いた。

形状などに影響される。はんだの切れの良さや、は

2-1. 供試材
表 1 に試験に用いた試料名と化学組成を示す。実験には、Sn0.7Cu 合金を基本とし、Ni の微量添加の影響、および Ag の影響を調べた。また、Sn0.7Cu 系との比較のため、Sn3Ag0.5Cu 合金も実験に供した。
2-2. 試験手順(1) 試料を 1500 g (± 2 g)重量測定し、グラファイト坩堝に入れ、300.5°C (± 0.4°C)で溶融させる。

図 1 二種類の流動性試験[3](a)流動性スパイラル(b)真空流動性テスト（Ragone 法）(2) ガラス管と真空ガラス瓶を配置し、ガラス管と真空ガラス瓶、真空ガラス瓶と真空ポンプの間をゴムパイプで接続する（図 2,3 参照）。ガラス1/4

管の短い方の一端を溶融金属中へ浸ける。

を–50 kPa (± 2 kPa)になるように調整する。

(3) 真空ポンプを作動させ、真空ガラス瓶の真空度

SampleSn3.0Ag0.5Cu
Sn0.7Cu0.3Ag
Sn0.7Cu
Sn0.7Cu0.01Ni
Sn0.7Cu0.025Ni
Sn0.7Cu0.03Ni
Sn0.7Cu0.035Ni
Sn0.7Cu0.04Ni
Sn0.7Cu0.05Ni
Sn0.7Cu0.06Ni
Sn0.7Cu0.07Ni
Sn0.7Cu0.08Ni
Sn0.7Cu0.1Ni

表 1 供試材の化学組成
Table 1 Chemical compositions of the samples(mass%)
SnCu
Ni
Pb
Sb
Ag
Zn
Bal.
0.50
0.004
0.02
0.004
2.99
<.005
Bal.
0.71
0.002
0.03
0.003 0.282 <.005
Bal.
0.68
0.002
0.04
<.005 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.009
0.03
0.006 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.025
0.03
0.006 <.005 <.005
Bal.
0.68
0.030
0.03
0.010 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.034
0.03
0.006 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.038
0.03
0.006 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.047
0.03
0.006 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.058
0.02
0.007 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.064
0.020.006 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.074
0.020.006 <.005 <.005
Bal.
0.67
0.092
0.020.006 <.005 <.005

1- Vacuum hose – length 520mm, 6.3mm inside diameter,
directly connected to the pump2- Vacuum hose – length 55mm, 6.3mm inside diameter
3- Vacuum hose – length 100mm
4- Vacuum Gauge (TecSis, Germany, Ø63mm, precision 1.6%, 0to -100kPa)
5- Tap6- Vacuum hose – length 1069mm, 6.3mm inside diameter

図2Al<.005<.005<.005<.005<.005
<.005
<.005
<.005<.005<.005<.005<.005<.005Fe
0.001
0.002
0.004
0.004
0.004
0.009
0.003
0.003
0.003
0.005
0.004
0.003
0.003

7- Pyrex tube elbow (800mm x 150mm)
8- Thermocouple (thermocouple controller Anritherm HL600,Anritsu)
9- Clay-bonded graphite crucible
10- Nabertherm resistance furnace
11- Java double stage Pump, DD300 (serial number B26450)
12- Buchner flask, 2 liters装置の各部名称
800mm

150mm

図3

装置概観写真

図4

長さ測定

2/4

Average Fluidity Length with Standard Deviation [mm]70065060055050045040002004006008001000

Ni content [ppm]Sn0.7Cu 合金における流動性の Ni 添加量依存性(4) 試料の温度変動が± 0.4°C になるまで待つ。
(5) ガラス管と真空ガラス瓶間のバルブを開け、液体金属がガラス管内を流れる状態を確認する。
(6) ガラス管を取り出し、流動性長さを測定する。
2-3.「流動性」長さ測定
流動性長さは、図 4 に示す方法で、L 字状に曲がったガラス管の端から金属の流れが止まった位置ま

650600550500450400示す。Sn0.7Cu 合金において、流動性（最大流動性長さ）に及ぼす Ni 添加の影響が、本試験条件において優位な差として認められた。流動性の値は Ni 添加

図6

Sn0.7Cu0.05Ni

図 5 に最大流動性長さと Ni 添加量の関係グラフを

Sn0.7Cu

3. 試験結果

Sn0.7Cu0.3AgSn3.0Ag0.5Cuでの長さを測定した。

700
Mean Fluidity Length (mm)図5

各鉛フリーはんだ合金での流動性長さ平均値

量 300ppm までにおいて著しい変化はなく、300ppm〜400ppm の間で急激な増加が認められる。その値は、

図 6 は、各種鉛フリー合金における流動性長さの平400ppm で緩やかな増加に転じ、500ppm Ni 添加量の均値グラフである。この結果からは、Ag の流動性へ試料で最大値を示している。それ以上の Ni 添加量での影響は認められず、Ni の微量添加のみにより流動800ppm まで緩やかに減少し、800ppm〜1000ppmNi 添性長が高くなることが示された。さらに、加量の間で流動性の値の減少は急になる。したがっSn0.7Cu0.05Ni 合金が優れた流動性であることが認て、流動性は 400ppm〜800ppmNi 添加量の範囲で高くめられた。

台形的なピークをもち、その範囲外（400ppmNi 以下

4. 考察および 800ppmNi 以上）では流動性は相対的に低いことが示された。

Sn‑0.7Cu 合金中の金属間化合物 Cu6Sn5 に与える
Ni の微量添加の影響として、詳細な金相観察および

3/4

(b)

(a)

選択的に Ni が取り込まれることによって、Cu6Sn5の晶出（あるいは発生）が抑制（あるいは制御）され、その結果として、最終凝固組織中の Cu6Sn5 の形状が針状のものから球状へと変化し、流動性が向上

図7

組織写真したと考察される。

400μm

400μm

(a)Sn-0.7Cu (b)Sn0.7Cu0.06Ni

【4】

5. 結言
今回の試験における Sn‑0.7Cu 合金は、Ni 添加量(a)が 400ppm〜800ppm の範囲において、流動性が相対的に著しく高くなることが示された。また、0.3 および 3wt%Ag 添加による流動性に及ぼす影響は認められなかった。流動性向上メカニズムは Ni の Cu6Sn5への置換固溶に深く関連があると推測されたが、今後の研究によりさらに詳しくそのメカニズムを解明する必要がある。

(c)(b)

6. 謝辞
本実験はクイーンズランド大学（オーストラリCountsSnア）鋳造凝固研究グループの Dahle 助教授、NogitaCuNi

上級研究員らと日本スペリア社との間で締結された共同研究プロジェクトにより実施された。
7. 参考文献

図8

E/keV
SEM-EDX による元素分析【4】(a)測定箇所(b)分析スペクトル
SEM/EDX による元素分析結果から、以下の４つの事【4,5】

象が確認されている。
(1)600ppmNi 添加により初相 Sn と共晶 Sn‑Cu6Sn5の区別がつきにくくなり、より共晶組織に近くなる。(図 7 参照)【1】D. V. Ragone, C. M. Adams and H. F. Taylor,"Some factors affecting fluidity of metals",
Transactions of the American Foundrymen'sSociety, 64 (1956) 640-652.
【2】J. Campbell, "Casting", Butterworth-Heinemann,
2002.
【3】M. C. Flemings, "Solidification Processing", NewYork, McGraw-Hill, 1974.

600ppmNi 添加により、金属間化合物 Cu6Sn5 の【4】K. Nogita, J. Read, T. Nishimura, K. Sweatman, S.

形状が針状から球状に変化する。（図７参照）

Suenaga and A. K. Dahle, "Microstructure control(3) 金属間化合物 Cu6Sn5 の中にのみ Ni が存在する。

in Sn-0.7mass%Cu alloys", Materials Transactions,（図 8 参照）

Vol. 46, No. 11 (2005) 2419-2425.

(2)

(4)

Ni 微量添加により、凝固形態が変化する。

さらに、一方向凝固による Sn0.7Cu のカップルド[6]【5】C. M. Gourlay, K. Nogita, S. D. McDonald, T.
Nihimura, K. Sweatman and A. K. Dahle, "A

ゾーンの解析 から、共晶の Sn‑Cu6Sn5 はノンファセ

rheological assessment of the effect of trace levelット/ファセット組織を有し、Ni の Cu6Sn5 への置換

Ni additions on the solidification of Sn-0.7Cu",

固溶により凝固時の Cu6Sn5 の界面エネルギーが変化

Scripta Materialia, 54 (2006) 1557-1562.

したことが推測される。

【6】J. Machida, H. Esaka, M. Tamura and K. Shinozuka,

以上の結果と本試験から得られた流動性の結果か"Characterization of coupled-zone in Sn-Cu binary

ら、Ni を微量添加することによって凝固時（液相→eutectic alloys using unidirectional solidification",固相の相変態時）に金属間化合物である Cu6Sn5 中に

J. Japan Inst. Metals, 70 (2006) 73-79.

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