JP2011031253A

JP2011031253A - 無鉛ハンダ合金

Info

Publication number: JP2011031253A
Application number: JP2009177398A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Matsuda; 徹郎松田; Mitsuo Hori; 光男堀
Original assignee: Eishin Kogyo Kk
Current assignee: Eishin Kogyo Kk
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】ガラスおよびセラミックスなどの非金属を接合するのに好適であり、かつ、人体に対して害の少ない無鉛ハンダ合金を提供する。
【解決手段】Ｓｎ：７９．０〜９６．０ｗｔ％，Ｚｎ：０．５〜２０．０ｗｔ％およびＣｒ：０．０５〜１．２ｗｔ％の合金組成となるように無鉛ハンダ合金を生成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、ガラスやセラミックスなどの固形状の酸化物を接合するのに適した無鉛ハンダ合金に関し、さらに詳しく言えば、有害なアンチモン（Ｓｂ）を極力減らした無鉛ハンダ合金に関する。

ガラスやセラミックスなどの部材をそのままの状態でＰｂ−Ｓｎ系のハンダ合金を用いて接合することは非常に困難であるため、通常は洗浄以外の前処理を必要とする。ガラスやセラミックの接合に用いられるハンダ合金としては、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｓｂ系やＰｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｓｂ系のハンダ合金にさらに微量成分を添加したものが知られている。

しかしながら、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｚｎ系やＰｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系のハンダ合金は、鉛を含有するため、接合時に生じる鉛蒸気を作業者が吸引して健康を損ねるおそれがある。また、鉛ハンダを使用した製品が廃棄後に水や土壌汚染などを引き起こすおそれもある。

そこで、最近では、各特許文献１〜６に示すように、環境問題に配慮してＳｎ−Ｚｎ系やＳｎ−Ｚｎ−Ｉｎ系などの鉛を含まない無鉛ハンダ合金が主流になりつつあるが、無鉛ハンダには、次のような問題があった。

すなわち、無鉛ハンダ合金は、従来の有鉛ハンダ合金に比べて融点が高く、電子部品などを破損することなく、接合するためには、有鉛ハンダ並みにハンダの融点を下げる必要がある。そこで、従来の無鉛ハンダ合金には融点を下げるために微量のアンチモン（Ｓｂ）を添加している。しかしながら、アンチモンは人体に対して毒性があるため好ましくない。

特許第３６６４３０８号公報特開２００１−１２６６４７号公報特開２００１−０５８２８７号公報特開２０００−３２６０８８号公報特開２０００−１４１０７８号公報特開２０００−１１９０４６号公報

そこで、本発明は、ガラスおよびセラミックスなどの非金属を接合するのに好適であり、かつ、人体に対して害の少ない無鉛ハンダ合金を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。請求項１に記載の発明は、Ｓｎ（錫）：７９．０〜９６．０ｗｔ％，Ｚｎ（亜鉛）：０．５〜２０．０ｗｔ％およびＣｒ（クロム）：０．０５〜１．２ｗｔ％の合金組成からなることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、Ａｇ（銀）：０．１〜５．０ｗｔ％をさらに含有することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、Ｉｎ（インジウム）：０．５〜２２．０ｗｔ％をさらに含有することを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、上記請求項１，２または３において、Ｃｕ（銅）：０．０５〜５．０ｗｔ％をさらに含有することを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、上記請求項１ない４のいずれか１項において、Ａｌ（アルミニウム）：０．００１〜０．５ｗｔ％をさらに含有することを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、上記請求項１ないし５のいずれか１項において、Ｓｉ（ケイ素）：０．００１〜０．０５ｗｔ％をさらに含有することを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、上記請求項１ないし６のいずれか１項において、Ｔｉ（チタン）：０．００５〜０．５ｗｔ％をさらに含有することを特徴としている。

請求項８に記載の発明は、上記請求項１ないし７のいずれか１項において、Ｓｂ（アンチモン）が１．０ｗｔ％以下であることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、耐熱疲労性、耐水性、耐候性が良好であるばかりでなく、接合強度の高いガラスやセラミックスを好適に接合することができる。

請求項２に記載の発明によれば、さらにＡｇ（銀）を０．１〜５．０ｗｔ％を含有することにより、無鉛ハンダ合金を作成するときに、原料元素金属あるいは化合物から溶融する際、合金組成中の難熔元素あるいは化合物の析出を抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、Ｉｎ（インジウム）を０．５〜２２．０ｗｔ％を含有することにより、無鉛ハンダ合金の熔融温度を低くでき、かつ、ハンダとしての使用温度範囲を広くすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、Ｃｕ（銅）を０．０５〜５．０ｗｔ％をさらに含有することにより、無鉛ハンダ合金の液相温度を高くすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、Ａｌ（アルミニウム）を０．００１〜０．５ｗｔ％をさらに含有することにより、ハンダ合金の作成時に原料元素金属あるいは化合物かた熔融する際、組成中の元素の分布の均一化を促進することができる。

請求項６に記載の発明によれば、Ｔｉ（チタン）を０．００５〜０．５ｗｔ％をさらに含有することにより、無鉛ハンダ合金の溶融状態での酸化が進むことを防止することができる。

請求項７に記載の発明によれば、各合金組成中のＳｂ（アンチモン）が１．０ｗｔ％以下であることにより、無鉛ハンダの耐候性を維持しつつ、人体への影響を最小限に抑えることができる。

次に、本発明の具体的な実施形態について説明する。本発明の無鉛ハンダ合金は、スズ（Ｓｎ：７９．０〜９６．０ｗｔ％）を主成分とし、亜鉛（Ｚｎ：０．５〜２０．０ｗｔ％）およびクロム（Ｃｒ：０．０５〜１．２ｗｔ％）を所定の範囲内で混合した合金組成からなる。

より好ましい太陽としては、銀（Ａｇ）を０．１〜５．０ｗｔ％の範囲内でさらに添加することにより、ハンダ組成中の難熔元素あるいは化合物の析出を抑制することができる。さらに好ましくは、インジウム（Ｉｎ）を０．５〜２０．０ｗｔ％の範囲内で添加することにより、ハンダの低融点化を図ることができる。

また、銅（Ｃｕ）を０．０５〜５．０ｗｔ％の範囲内で添加することにより、液相温度を調節することができる。さらには、アルミニウム（Ａｌ）を０．０１〜０．５ｗｔ％の範囲内で添加することにより、成分の均一化を図ることができる。

また、ケイ素（Ｓｉ）を０．００１〜０．０５ｗｔ％の範囲内で添加することにより、析出結晶を微細化して緻密構造にすることができる。さらには、チタン（Ｔｉ）を０．００５〜０．５ｗｔ％の範囲内で添加することにより、熔融状態での酸化を防ぐことができる。

本発明の無鉛ハンダ合金は、さらに、人体に対して有害なアンチモン（Ｓｂ）が１．０ｗｔ％以下となるように調整されていることが好ましい。これによれば、アンチモンを１．０ｗｔ％以下としたことにより、無鉛ハンダの耐候性を維持しつつ、人体への影響を最小限に抑えることができる。

この無鉛ハンダ合金を作製するに当たっては、仕様に応じて所望の成分割合になるように混合したのち、大気中もしくは真空中、あるいは不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気中で溶融して合金にする。しかるのち、圧延や押出加工などによって棒状や線状など所望の形状へと成形される。

本発明の無鉛ハンダ合金は、ガラスやセラミックス、金属などからなる被接合体同士を接合するために用いられるが、これ以外にこれら異種材料同士を接合するために用いられてもよい。

次に、本発明の具体的な実施例について比較例とともに説明する。まず、以下に示す方法で試料を作成した。

〔試料作製〕
各実施例１〜５および比較例１，２の各試料を所定の配合比で配合し、黒鉛るつぼあるいは鋳鉄製容器に入れて溶解したのち、直径２ｍｍの糸状に成形する。併せて、各試料の一部を取り出し、示差走査熱量分析（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｃａｎｎｉｎｇＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）して、固相−液相温度範囲を測定した。

〔各種物性測定〕
〔電気比抵抗および電気伝導率の測定〕
上記糸状に形成された各試料を１ｍの長さに裁断したのち、ホイートストンブリッジ法を用いて、各試料の電気抵抗値を測定し、電気抵抗値を元に電気比抵抗を算出した。併せて、電気伝導度を測定したのち、純銅の電気伝導度で割って、伝導率を算出した。

〔硬度測定〕
ビッカース硬度計を用いて、各試料のビッカース硬度を測定した。

〔引張試験〕
ソーダライム系ガラス板に超音波ハンダゴテを用いて、各試料をそれぞれ接合させると同時に銅線をハンダ付けする。その接合面はφ４ｍｍの大きさである。これを引張試験機（日本電産シンポ製ＦＧＸ−２０Ｒ）を用いて銅線を一定速度で引っ張り、接合部の破壊強度を測定した。

〔煮沸テスト〕
ソーダライム系ガラス板の上に各試料をφ１５ｍｍの円盤状にハンダ付けして、テスト体を作製する（なお、この時点ではガラスとハンダとの接合面は鏡面となっている）。このテスト体を沸騰している水に投入して、経過時間と外観変化、特にハンダとガラスの接合面の変化を観察する。

評価基準は、２４時間煮沸後の外観変化を観察し、接合面に変化がなく、鏡面を維持している場合は○、円盤状のハンダの周囲が剥離によって鏡面が中心に向かって後退しかけている場合は△、円盤状のハンダの周囲が０．５ｍｍ以上鏡面が中心に向かって後退するか、あるいは中心部にスポット的に鏡面が無くなって部分が存在する場合は×として、それぞれ評価した。
以下に、その測定結果を示す。

《実施例１》
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−４．０Ｚｎ−１．０Ｃｒ−０．５Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕１９９〜２３６
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕４２
〔伸び：％〕１９．８
〔硬度：Ｈｖ〕１０．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１３．１
〔伝導率：％〕１３．１
〔煮沸テスト結果〕○

《実施例２》
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−４．０Ｚｎ−０．４Ｃｒ−０．５Ａｇ−０．０５Ｃｕ−０．００５Ｓｉ−０．００５Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕１９８〜２３７
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕４５
〔伸び：％〕１９．６
〔硬度：Ｈｖ〕１０．６
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１２．３
〔伝導率：％〕１４．０
〔煮沸テスト結果〕○

《実施例３》
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−４．０Ｚｎ−０．２Ｃｒ−０．５Ａｇ−０．０５Ｃｕ−０．００５Ｓｉ−０．００５Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕１９８〜２３６
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕４１
〔伸び：％〕１９．３
〔硬度：Ｈｖ〕１０．４
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１２．５
〔伝導率：％〕１３．８
〔煮沸テスト結果〕○

《実施例４》
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−４．０Ｚｎ−０．６Ｃｒ−２０．０Ｉｎ−０．４Ｓｂ−０．０２Ａｌ−０．００５Ｓｉ−０．００５Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕１４６〜１８４
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕４５
〔伸び：％〕１５．７
〔硬度：Ｈｖ〕１４．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１２．８
〔伝導率：％〕１３．４
〔煮沸テスト結果〕○

《実施例５》
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−１５．０Ｚｎ−０．４Ｃｒ−１．０Ａｇ−０．０２Ａｌ−０．００５Ｓｉ−０．００５Ｔｉ
〔温度範囲：℃〕２００〜２２６
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕４０
〔伸び：％〕２４．１
〔硬度：Ｈｖ〕１８．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１０．８
〔伝導率：％〕１５．９
〔煮沸テスト結果〕△

〈比較例１〉
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−４．０Ｚｎ−５６．９Ｐｂ−１．０Ｓｂ−０．１Ｃｕ
〔温度範囲：℃〕１７０〜２２４
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕２７
〔伸び：％〕２４．０
〔硬度：Ｈｖ〕１３．７
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１３．７
〔伝導率：％〕１２．５
〔煮沸テスト結果〕△

〈比較例２〉
〔合金組成：ｗｔ％〕Ｓｎ−１０．０Ｚｎ
〔温度範囲：℃〕１９９
〔引張強度：Ｎ／ｍｍ^２〕３９
〔伸び：％〕４１
〔硬度：Ｈｖ〕１９．２
〔電気比抵抗：μΩｍ〕１０．８
〔伝導率：％〕１６．０
〔煮沸テスト結果〕△

参考までに、各実施例１〜５および比較例１，２の仕様および評価結果を表１に示す。

以上のように、本発明の無鉛ハンダ合金によれば、ガラスやセラミックスなどの非金属を接合することができる無鉛ハンダ合金としての機能を損なうことなく、人体に害を与えるアンチモンを極力減らすことができる。

Claims

Ｓｎ：７９．０〜９６．０ｗｔ％，Ｚｎ：０．５〜２０．０ｗｔ％およびＣｒ：０．０５〜１．２ｗｔ％の合金組成からなることを特徴とする無鉛ハンダ合金。
Ａｇ：０．１〜５．０ｗｔ％をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の無鉛ハンダ合金。
Ｉｎ：０．５〜２２．０ｗｔ％をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の無鉛ハンダ合金。
Ｃｕ：０．０５〜５．０ｗｔ％をさらに含有することを特徴とする請求項１，２または３に記載の無鉛ハンダ合金。
Ａｌ：０．００１〜０．５ｗｔ％をさらに含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
Ｓｉ：０．００１〜０．０５ｗｔ％をさらに含有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
Ｔｉ：０．００５〜０．５ｗｔ％をさらに含有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
Ｓｂが１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。