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JP3040929B2 - はんだ材料 - Google Patents

はんだ材料

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JP3040929B2
JP3040929B2 JP7018048A JP1804895A JP3040929B2 JP 3040929 B2 JP3040929 B2 JP 3040929B2 JP 7018048 A JP7018048 A JP 7018048A JP 1804895 A JP1804895 A JP 1804895A JP 3040929 B2 JP3040929 B2 JP 3040929B2
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JP
Japan
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weight
solder
alloy
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melting point
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敦史 山口
憲一郎 末次
哲夫 福島
彰男 古澤
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Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主として電子回路基板
のはんだ付けに用いるクリームはんだ等におけるはんだ
材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年の電子回路基板における表面実装
は、電子部品の小型化、高密度実装化の一途をたどって
いる。それに伴いはんだ材料の高機能化が必要となって
きている。
【0003】しかし、環境問題の立場から、従来一般の
はんだ材料(Sn−Pb系合金)中に含まれる鉛の問題
が浮上してきている。すなわち、従来のはんだ材料を用
いた製品の廃棄物が酸性雨にさらされると、有害物質で
ある鉛が大量に溶出するので、その毒性は非常に深刻な
問題となっている。そのため鉛を含むはんだに代替する
ことができる鉛を含有しないはんだ(鉛レスはんだ)材
料の開発が必要となっている。
【0004】以下に従来のはんだ材料の一例について説
明する。代表的なはんだ合金はその金属組成が錫と鉛の
共晶合金である、63Sn−37Pb(組成の比率6
3:37は重量%以下同様)であり、183℃に共晶点
をもつものであった。
【0005】また、鉛を含まないはんだ合金の一例につ
いて説明する。Sn−3.5Ag合金はんだ、およびS
n−5Sb合金はんだは、Sn−Pb共晶はんだよりも
優れた機械的強度を持っている。また、濡れ性について
はSn−Pb共晶はんだには若干劣るが、それでも代替
できる可能性があると考えられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Sn−
3.5Ag合金はんだやSn−5Sb合金はんだは融点
が高いため、作業温度が220℃〜250℃であるよう
な高温となり、電子部品の組立には温度が高すぎ、電子
部品を損傷させるという問題点を有していた。
【0007】本発明の目的は、上記のような問題点を発
生することなく、上記はんだの融点を下げ、優れた機械
的強度を持つはんだ材料を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本願の発明は、上記従来
のSn−3.5Ag合金はんだの問題点(融点221
℃)を解消するため、Agの含有量が0.1〜20重量
%、Biの含有量が0.1〜25重量%、Inの含有量
が0.1〜20重量%であることを特徴とし、下記の配
合割合及びのものを除いたAg−Bi−In−Sn
系のはんだ材料である。
【0009】 1〜4重量%のAgを含有し、Bi、
Inを以下の判別式(1)のAの値が5.00以上、判
別式(2)のBの値が6.90以下となる量で含有し、
残部がSnからなるAg−Bi−In−Sn系のはんだ
材料 A=[Agwt%]+1.23[Biwt%]+0.52[Inwt%]…(1) B=[Agwt%]+1.19[Biwt%]+0.50[Inwt%]…(2) Ag、Bi及びInの配合割合が下記の表2の配合
割合からなり、残部がSnからなるAg−Bi−In−
Sn系のはんだ材料
【0010】
【表2】 本願の第1の参考発明はSnとAgを基本組成とし、A
gの含有量が0.1〜20重量%とする合金であって、
その中に0.1〜25重量%のBi、0.1〜20重量
%のInのいずれか1種のみを含有し、残部がSnから
なることを特徴とする。
【0011】本願の第2の参考発明は、同様の目的を達
成するため、SnとAgを基本組成とし、Agの含有量
が0.1〜20重量%とする合金であって、その中に
0.1〜25重量%のBi、0.1〜20重量%のIn
のいずれか1種以上を含有すると共に、0.1〜3.0
重量%のCu、0.1〜15重量%のZnのいずれか1
種以上を含有し、残部がSnからなることを特徴とす
る。
【0012】本発明及び第1、第2の参考発明において
Agの含有量は3.5重量%を中心にして、0.5〜6
重量%の範囲にあることが好適である。また主組成であ
るSnの含有量は75〜98重量%の範囲にあることが
好適である。
【0013】本願の第3の参考発明は、上記従来のSn
−5Sb合金はんだの問題点(融点240℃)を解消す
るため、SnとSbを基本組成とし、Sbの含有量が
0.1〜20重量%とする合金であって、その中に0.
1〜30重量%のBi、0.1〜20重量%のInのい
ずれか1種以上を含有し、残部がSnからなることを特
徴とする。
【0014】本願の第4の参考発明は、同様の目的を達
成するため、SnとSbを基本組成とし、Sbの含有量
が0.1〜20重量%とする合金であって、その中に
0.1〜30重量%のBi、0.1〜20重量%のIn
のいずれか1種以上を含有すると共に、0.1〜3.0
重量%のCu、0.1〜15重量%のZnのいずれか1
種以上を含有し、残部がSnからなることを特徴とす
る。
【0015】第3と第4の参考発明においてSbの含有
量は5重量%を中心にして、1〜9重量%の範囲にある
ことが好適である。また主組成であるSnの含有量は8
0〜98重量%の範囲にあることが好適である。
【0016】
【作用】本願発明及び第1、第2の参考発明において、
SnとAgを基本組成とする合金に、Bi、Inの一方
又は両方を添加するのは、融点を下げるためである。こ
のような目的を達成するため、Bi、Inのそれぞれの
組成を0.1重量%以上としている。
【0017】また、Bi、Inの組成がそれぞれ25、
20重量%を超えると機械的強度が得られなくなるので
好ましくない。さらにBi、Inの添加量を増大する
と、濡れ性を良好なものとすることができる。
【0018】図1は、Sn−3.5Ag合金にBiを添
加した場合の添加量の変化に伴う融点の変化を示すもの
である。図1から明らかなように、Biの添加量が増加
するとともに融点は直線的に低下し、25重量%の添加
により融点は175℃まで降下する。
【0019】図2は、Sn−3.5Ag合金にBiを添
加した場合の添加量の変化に伴う引張り強度の変化を示
すものである。図2から明らかなように、Biの添加量
が約10重量%で引張り強度が最大値を示し、Biの添
加量が25重量%を超えると、Sn−3.5Ag合金の
引張り強度よりも低下する。
【0020】図3はSn−3.5Ag合金にBiを3重
量%添加した場合(Sn−3.5Ag−3Bi)と、2
0重量%添加した場合(Sn−3.5Ag−20Bi)
の濡れ性を示すものである。図3から明らかなように、
60Sn−40Pb共晶はんだと同等の濡れ性を示し、
特にBiを20重量%添加したものは、60Sn−40
Pb共晶はんだよりも良好な濡れ性を示す。
【0021】上記図1〜図3に示した傾向は、Sn−
3.5Ag合金にInを添加した場合、或いはBi及び
Inの両者を添加した場合にもみられ、又Agの含有量
を異ならしたときにもみられる。
【0022】なお、Inの添加についてはSnホイスカ
の発生を抑制する作用をも有している。
【0023】第2の参考発明において、SnとAgを基
本組成とし、Bi、Inの一方又は両方を添加したもの
に、更にCu、Znを添加するのは強度を向上させるた
めである。
【0024】強度確保のためCu、Znのそれぞれの組
成を0.1重量%以上としている。また、221℃未満
の融点を確保するためにそれぞれ、3.0、15重量%
以下とした。
【0025】第3及び第4の参考発明において、Snと
Sbを基本組成とする合金に、Bi、Inの一方又は両
方を添加するのは、第1発明と同様、融点を下げ、濡れ
性を改善するためである。この目的を達成するため、B
i、Inのそれぞれの組成を0.1重量%以上とし、ま
た機械的強度の低下を防ぐため、Bi、Inのそれぞれ
の組成を30、20重量%以下としている。
【0026】第4の参考発明において、SnとSbを基
本組成とし、Bi、Inの一方又は両方を添加したもの
に、更にCu、Znを添加するのは強度を向上させるた
めである。
【0027】強度確保のためCu、Znのそれぞれの組
成を0.1重量%以上とし、又240℃未満の融点を確
保するためにそれぞれ、3.0、15重量%以下とし
た。
【0028】
【実施例】表3に本発明のはんだ材料の実施例及び参考
をその組成率(重量%)と共に示す。
【0029】
【表3】 表3に示す実施例と参考例1〜6は、Sn(錫)とAg
(銀)を基本組成とし、その中にBi(ビスマス)、I
n(インジウム)のいずれか1種以上を含有したはんだ
材料に係るもの、すなわち本願発明の実施例と第1、第
2の参考発明の参考例である。
【0030】特に参考例5、参考例6は、SnとAgを
基本組成とし、その中にBi、Inのいずれか1種以上
を含有すると共に、Cu(銅)、Zn(亜鉛)のいずれ
か1種以上を含有したはんだ材料に係るもの、すなわち
第2の参考発明の参考例である。
【0031】参考例7、参考例8は、SnとSb(アン
チモン)を基本組成とし、その中にBi、Inのいずれ
か1種以上を含有したはんだ材料に係るもの、すなわち
第3の参考発明の参考例である。
【0032】又表3には、比較例として従来のはんだ材
料をその組成率(重量%)と共に示す。比較例1はSn
−3.5Ag合金はんだ、比較例2はSn−5Sb合金
はんだ、比較例3は63Sn−37Pb共晶はんだであ
る。
【0033】実施例と各参考例及び比較例1〜比較例3
の各融点、引張り強度及び濡れ性は、表3に示すとおり
である。濡れ性の評価は、○が最良、□が良、△が普通
であり、表3に示す事例のすべては普通以上であって、
不良のものはなかった。
【0034】表3より明らかなように、Sn−Ag合金
はんだ及びSn−Sb合金はんだに、Bi、Inを添加
することにより、融点を下げることができ、特に参考例
2、参考例4、実施例では融点を200℃以下にするこ
とができた。また機械的強度も63Sn−37Pb共晶
はんだに比較し、同等あるいは改善されている。さらに
濡れ性も実用に差しつかえなく、特に参考例2は、63
Sn−37Pb共晶はんだと同等の良好な濡れ性を有し
ている。
【0035】次に参考例5(Ag3.5重量%、Bi3
重量%、Zn1%、Cu0.7%、Sn残部)のはんだ
材料及び参考例2(Ag3.5重量%、Bi20重量
%.Sn残部)のはんだ材料をペースト化してなるクリ
ームはんだを用いて、チップ部品実装に供したときの実
験結果を、比較例3(63Sn−37Pb共晶はんだ)
を材料とするクリームはんだの場合と比較して示すと、
表4のようになる。
【0036】なお、ペースト化に用いたフラックスの組
成は、溶剤40重量%、ロジン55.31重量%、活性
剤0.69重量%、チキソ剤4重量%である。
【0037】
【表4】 表4から明らかなように、参考例5及び参考例2におけ
るチップ立ち発生率は1.7%、1.55%であって、
比較例3の1.5%とほぼ同等であり、チップ部品の実
装を従来の場合とほぼ同様に行うことができる。
【0038】上記説明においては、第4の参考発明の参
考例を具体的には挙げなかったが、参考例5(第2の参
考発明)と参考例1(第1の参考発明)との関係に見ら
れるように、例えば参考例7(第3の参考発明)のもの
にZn、Cuを添加することによって引張り強度を改善
できる参考例(第4の参考発明相当のもの)を想定でき
ることが自明であるからである。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、はんだの融点を電子部
品組立てが可能な程度にまで下げることができると共
に、機械的強度及び濡れ性にすぐれた、無鉛のはんだ材
料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Sn−3.5Ag合金にBiを添加した場合の
添加量と融点との関係を示す特性図。
【図2】Sn−3.5Ag合金にBiを添加した場合の
添加量と引張り強度との関係を示す特性図。
【図3】参考発明の参考例と比較例との濡れ性を比較し
て示す特性図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古澤 彰男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−179387(JP,A) 特開 平6−238479(JP,A) 特開 平6−126484(JP,A) 特開 昭62−252693(JP,A) 特開 平7−88681(JP,A) 特開 平8−187590(JP,A) 特開 平8−132277(JP,A) 特開 平8−132279(JP,A) 特開 平8−164495(JP,A) 特開 平7−88679(JP,A) 特開 平8−192291(JP,A) 特開 平5−50286(JP,A) 特公 昭57−54238(JP,B2) 特公 平4−35278(JP,B2) 特公 昭52−7422(JP,B2) 特公 昭56−49679(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/26 310 C22C 13/00 H05K 3/34 512

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Agの含有量が0.1〜20重量%、B
    iの含有量が0.1〜25重量%、Inの含有量が0.
    1〜20重量%であることを特徴とし、下記の配合割合
    及びのものを除いたAg−Bi−In−Sn系のは
    んだ材料。 1〜4重量%のAgを含有し、Bi、I
    nを以下の判別式(1)のAの値が5.00以上、判別
    式(2)のBの値が6.90以下となる量で含有し、残
    部がSnからなるAg−Bi−In−Sn系のはんだ材
    A=[Agwt%]+1.23[Biwt%]+0.52[Inwt%]…(1) B=[Agwt%]+1.19[Biwt%]+0.50[Inwt%]…(2) Ag、Bi及びInの配合割合が下記の表1の配合
    割合からなり、残部がSnからなるAg−Bi−In−
    Sn系のはんだ材料 【表1】
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