JP2013049073A - はんだ合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】 Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、接合強度を向上させたはんだ合金を提供する。
【解決手段】 Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金。また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金。鉛フリーはんだ合金の主成分であるＳｎに、高価なＡｇの添加を最小限にとどめた上で、上記元素を所定の濃度添加することで、接合強度を大きく向上させることができる。
【選択図】 なし
【解決手段】 Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金。また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金。鉛フリーはんだ合金の主成分であるＳｎに、高価なＡｇの添加を最小限にとどめた上で、上記元素を所定の濃度添加することで、接合強度を大きく向上させることができる。
【選択図】 なし
Description
本発明は、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、強度を向上させたはんだ合金を提供する。
従来、Ｐｂをほとんど含まない、いわゆる鉛フリーはんだ合金として、特許文献１により提案されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が広く用いられている。
また、非特許文献１により、近年ではＡｇの価格高騰を受け、Ａｇ含有率を低減させたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金も提案されていることが報告されている。
特許３０２７４４１号公報
ＪＥＩＴＡ ＥＴＲ−７０２３第２世代フローはんだ標準化プロジェクト活動成果報告
また、非特許文献１により、近年ではＡｇの価格高騰を受け、Ａｇ含有率を低減させたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金も提案されていることが報告されている。
近年のＡｇ価格高騰を受け、Ａｇ含有率が低いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が提案されているが、安価であるものの、強度が低い課題があった。
そこで、本発明は、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、強度を向上させた鉛フリーはんだ合金を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、強度を向上させた鉛フリーはんだ合金を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のはんだ合金は、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明のはんだ合金は、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とする。
本発明によれば、鉛フリーはんだ合金の主成分であるＳｎにＡｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％同時に添加することで、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、強度を向上させることが可能となる。
また、鉛フリーはんだ合金の主成分であるＳｎにＡｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％同時に添加することで、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、強度を向上させることが可能となる。
上記の如く、本発明の鉛フリーはんだ合金は、その組成中に０．００５〜０．５重量％のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂを含有している点に大きな特徴を有している。上記添加元素がはんだ合金中のＳｎと金属間化合物を作り、はんだ合金中に点在することで、ＳｎとＡｇの金属間化合物およびＳｎとＣｕの金属間化合物の結晶が粗大化するのを抑制する。これら金属間化合物の結晶が微細なままとどまることにより、機械的強度が向上し、接合強度が向上する。
また、０．００５〜０．１重量％のＹ、ＧｄおよびＤｙを含有しているはんだ合金においても、上述と同様の効果が期待できる。
上記組成を採用することで、本発明の鉛フリーはんだ合金は、安価であるものの強度が低いというＡｇ含有率が低いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金の弱点を克服し、安定した接合強度を保持できるものとなっている。
上記Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂの合計量がはんだ全量の０．００５重量％未満である場合、はんだ合金の強度向上は少なく効果が不十分である。また、０．５重量％を超えて添加すると、液相線温度の上昇および酸化によるドロスの発生量を増加させるため、はんだ付け性を低下させることとなり、結果的に接合強度を低下させることとなる。その上、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂは希少金属であり、Ａｇ同様に近年価格が高騰しているため、多量に含有させることは好ましくない。
上記Ｙ、ＧｄおよびＤｙの合計量がはんだ全量の０．００５重量％未満である場合、はんだ合金の強度向上は少なく効果が不十分である。また、０．１重量％を超えて添加すると、液相線温度の上昇および酸化によるドロスの発生量を増加させるため、はんだ付け性を低下させることとなり、結果的に接合強度を低下させることとなる。その上、Ｙ、ＧｄおよびＤｙは希少金属であり、Ａｇ同様に近年価格が高騰しているため、多量に含有させることは好ましくない。
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉは、はんだ合金の凝固組織の結晶を微細化し、機械的な強度を向上させる。Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉはごく微量の添加であっても効果が期待できるが、これらの合計量がはんだ全量の０．５重量％以上になると、液相線温度の上昇および酸化によるドロスの発生量を増加させるため、はんだ付け性を低下させることとなり、結果的に接合強度を低下させることとなる。
Ｐ、ＧａおよびＧｅは非常に酸化しやすい元素である。そのため、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＹｂおよびＹ、Ｇｄ、ＤｙおよびＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉが酸化し、ドロスと呼ばれる酸化物になるのを抑制する代替酸化元素としての効果がある。これにより、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＹｂおよびＹ、Ｇｄ、ＤｙおよびＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉをはんだ合金中に安定してとどめることが可能である。
上記Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素の合計量がはんだ全量の０．００１重量％未満である場合、代替酸化元素としての効果が少なく不十分である。また、０．１重量％を超えて添加すると、液相線温度の上昇または展性が減少し脆くなるため、はんだ付け性を低下させる。
このため、本発明は、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金であり、このはんだ合金は、高価なＡｇを多量に含有せず、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、接合強度に優れている。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金であり、このはんだ合金は、高価なＡｇを多量に含有せず、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、接合強度に優れている。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有させることで、上記はんだ合金の接合強度をさらに向上させることができる。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有させることで、上記はんだ合金の接合強度をさらに向上させることができる。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金、および上記はんだ合金にＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有させたはんだ合金に、Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上を合計で０．００１〜０．１重量％含有させることで、上記はんだ合金中の添加元素をはんだ合金中に安定してとどめることが可能である。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金、又は上記はんだ合金にＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有させたはんだ合金に、Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％含有させることで、上記はんだ合金中の添加元素をはんだ合金中に安定してとどめることが可能である。
以下、本発明をその実施例に基づいて説明する。
ＳｎにＡｇ、ＣｕおよびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＹｂおよびＹ、Ｇｄ、Ｄｙからなる群から選んだ１種の元素を同時に添加したはんだ合金を用いて、プッシュプル試験を実施した。
また、ＳｎにＡｇ、ＣｕおよびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｙ、Ｇｄ、Ｄｙからなる群から選んだ１種の元素およびＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を同時に添加したはんだ合金を用いて、プッシュプル試験を実施した。
ＳｎにＡｇ、ＣｕおよびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＹｂおよびＹ、Ｇｄ、Ｄｙからなる群から選んだ１種の元素を同時に添加したはんだ合金を用いて、プッシュプル試験を実施した。
また、ＳｎにＡｇ、ＣｕおよびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｙ、Ｇｄ、Ｄｙからなる群から選んだ１種の元素およびＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を同時に添加したはんだ合金を用いて、プッシュプル試験を実施した。
また、ＳｎにＡｇ、Ｃｕ、およびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｙ、Ｇｄ、Ｄｙからなる群から選んだ１種の元素およびＰ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種の元素を同時に添加したはんだ合金を用いて、ドロスの発生量を確認した。
プッシュプル試験は、チップ部品搭載用プリント基板にフラックスを塗布し、チップ部品を搭載する銅ランド上に、あらかじめ実施例および比較例のはんだ合金を予備はんだ付けしておいた。その後、あらかじめ予備はんだ付けしておいたはんだ合金の上に３２１６型チップ部品を搭載し、熱板にてはんだを再溶融させてはんだ付を行った。はんだ付後、プッシュプル試験機により、１ｍｍ／分の速度でプリント基板と平行方向にチップ部品を押し込んだ。試験結果を表１に示す。
ドロス発生量確認試験は、噴流はんだ槽を用いて、はんだ合金を連続的に噴流させ、1時間おきに発生したドロスを全て回収した。回収したドロスの重量を測定し、各はんだ合金のドロス発生量を確認した。これを６時間繰り返し行った。実施例および比較例のはんだ合金組成を表２に示す。試験結果を表３に示す。
（表１） 各はんだ合金におけるプッシュプル試験結果
（表２） ドロス量確認試験のはんだ合金組成
（表３） ドロス量確認試験結果
ＳｎにＡｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％を添加したはんだ合金の接合強度は４．８〜６．４ｋｇｆであった。その一方で、ＳｎにＡｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種を０．００５〜０．５重量％添加したはんだ合金の接合強度は５．４〜８．０ｋｇｆであり、いずれの配合比率においても接合強度が向上していることが確認された。
以上の結果、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金は、接合強度が向上していることが明らかとなった。
以上の結果、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金は、接合強度が向上していることが明らかとなった。
また、ＳｎにＡｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％添加したはんだ合金の接合強度は５．１〜７．７ｋｇｆであり、いずれの配合比率においても接合強度が向上していることが確認された。
この結果、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金は、接合強度が向上していることが明らかとなった。
また、ＳｎにＡｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％およびＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下添加したはんだ合金の接合強度は５．４（実施例９６）〜９．３（実施例６３）ｋｇｆであり、接合強度が向上していることが確認された。
この結果、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有するはんだ合金は、接合強度が向上していることが明らかとなった。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有するはんだ合金は、接合強度が向上していることが明らかとなった。
また、ＳｎにＡｇを１．０重量％、Ｃｕを３．０重量％、Ｃｅを０．５重量％添加したはんだ合金（比較例６）のドロス発生量の平均は２６．３７ｇ／時間であり、ＳｎにＡｇを１．０重量％、Ｃｕを３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％、Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％添加したはんだ合金のドロス発生量の平均は１０．３３（実施例２３６）〜１６．５９（実施例１２８）ｇ／時間であり、ドロスの発生量が抑制されていることが確認された。
また、ＳｎにＡｇを１．０重量％、Ｃｕを３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素を０．１重量％、Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％添加したはんだ合金のドロス発生量の平均は１０．０５（実施例２４１）〜１５．５９（実施例１３０）ｇ／時間であり、ドロスの発生量が抑制されていることが確認された。
また、ＳｎにＡｇを１．０重量％、Ｃｕを３．０重量％、Ｃｅを０．５重量％、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％、Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％添加したはんだ合金のドロス発生量の平均は１４．１７（実施例２６２）〜２１．４９（実施例１３３）ｇ／時間であり、ドロスの発生量が抑制されていることが確認された。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金にＰ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％含有させたはんだ合金は、ドロスの発生量が抑制されていることが明らかとなった。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金にＰ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％含有させたはんだ合金は、ドロスの発生量が抑制されていることが明らかとなった。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金にＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有させ、さらにＰ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％含有させたはんだ合金は、ドロスの発生量が抑制されていることが明らかとなった。
また、Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金、および上記はんだ合金にＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有させたはんだ合金に、Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％含有させたはんだ合金は、ドロスの発生量が抑制されていることが明らかとなった。
本発明は、Ａｇ含有率が低いはんだ合金でありながら、接合強度を向上させたはんだ合金であり、やに入りはんだ、ソルダペースト、棒はんだ、および線状はんだとして使用される。
Claims (4)
- Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．５重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金。
- Ａｇが０．１〜１．０重量％、Ｃｕが０．５〜３．０重量％、Ｙ、ＧｄおよびＤｙからなる群から選んだ１種の元素が０．００５〜０．１重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物よりなることを特徴とするはんだ合金。
- Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選んだ１種の元素を０．５重量％以下含有することを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ合金。
- Ｐ、ＧａおよびＧｅからなる群から選んだ１種または２種以上の元素を合計で０．００１〜０．１重量％含有することを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載のはんだ合金。
Priority Applications (1)
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