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JP3299091B2 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

鉛フリーはんだ合金

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JP3299091B2
JP3299091B2 JP27503095A JP27503095A JP3299091B2 JP 3299091 B2 JP3299091 B2 JP 3299091B2 JP 27503095 A JP27503095 A JP 27503095A JP 27503095 A JP27503095 A JP 27503095A JP 3299091 B2 JP3299091 B2 JP 3299091B2
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敏一 村田
博司 野口
貞雄 岸田
稔孫 田口
省三 浅野
良 大石
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Panasonic Corp
Senju Metal Industry Co Ltd
Panasonic Holdings Corp
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Senju Metal Industry 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、鉛を全く含有せず、し
かも電子部品のはんだ付けに適したはんだ合金に関す
る。
【0002】
【従来の技術】電子機器のはんだ付けに用いられるはん
だ合金としては、Sn−Pb合金が一般的であり、古来
より長い間使用されてきていた。Sn−Pb合金は、共
晶組成(63Sn−Pb)の融点が183℃という低い
ものであり、そのはんだ付け温度は230〜240℃と
いう熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることが
ない温度である。しかもSn−Pb合金は、はんだ付け
性が極めて良好であるとともに、適当な柔軟性を有して
いるため、はんだ付け後、はんだ付け部に衝撃が加えら
れても、それを緩和して剥離させにくくし、さらに鏝付
け用に適した線状加工もしやすいという優れた特長を有
している。
【0003】一般に、テレビ、ビデオ、ラジオ、テープ
レコーダー、コンピューター、複写機のような電子機器
は、故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりし
た場合は、廃棄処分される。これらの電子機器は、外枠
やプリント基板がプラスチックのような合成樹脂であ
り、また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処
分ができず、ほとんどが地中に埋められている。
【0004】ところで近年、ガソリン、重油等の石化燃
料の多用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出さ
れ、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸
性雨は地中に埋められた電子機器のはんだを溶出させて
地下に染み込み、地下水を汚染するようになる。このよ
うに鉛を含んだ地下水を長年月飲用していると、人体に
鉛分が蓄積され、鉛毒を起こす虞が出てくる。このよう
な機運から、電子機器業界では鉛を含まないはんだ、所
謂「鉛フリーはんだ合金」の出現が望まれてきている。
【0005】従来より鉛フリーはんだ合金としてSn主
成分のSn−AgやSn−Sb合金はあった。Sn−A
g合金は、最も融点の低い組成がSn−3.5Agの共
晶組成で、融点が221℃である。この組成のはんだ合
金のはんだ付け温度は260〜280℃というかなり高
い温度であり、この温度ではんだ付けを行うと熱に弱い
電子部品は熱損傷を受けて機能劣化や破壊等を起こして
しまうものである。またSn−Sb合金は、最も融点の
低い組成がSn−5Sbであるが、この組成の溶融温度
は、固相線温度が235℃、液相線温度が240℃とい
う高い温度であるため、はんだ付け温度は、さらに高い
280〜300℃となり、やはり熱に弱い電子部品を熱
損傷させてしまうものである。
【0006】このようにSn−Ag合金やSn−Sb合
金は溶融温度が高いため、これらの合金の溶融温度を下
げる手段を講じたはんだ合金が多数提案されている。
(参照:特開平6−15476号公報、同6−3441
80号公報、同7−1178号公報、同7−40079
号公報、同7−51883号公報)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の合金は融点を下げるために、BiやInを多量に添加
してあり、その結果、新たに別の問題が生じていた。つ
まりBiを多量に添加すると、溶融温度は下がるもの
の、はんだ合金が非常に硬く、しかも脆くなってしま
い、はんだ合金を線状に塑性加工できなくなったり、は
んだ付け後、はんだ付け部に少しの衝撃が加わっただけ
で簡単に剥離してしまったりするものであった。またI
nも融点を下げるのに効果はあるが、Inの価格が非常
に高いため、はんだ合金には大量に添加できない。
【0008】
【課題を解決するための手段】Sn主成分でSn−Pb
合金の共晶に近い溶融温度を有する合金では、Sn−Z
n合金の共晶組成Sn−9Znが199℃という他のS
n主成分のはんだ合金に比べて比較的低い溶融温度であ
るが、このはんだ合金は機械的強度、特に引張り強度が
あまり強くない。このはんだ合金の引張り強度を改善す
れば、電子機器のはんだ付けに充分使用可能となる。本
発明者らは、このはんだ合金の引張り強さの改善にNi
がきわめて有効であることを見いだし本発明を完成させ
た。
【0009】本発明は、Zn7〜10重量%、Ni0.
01〜1重量%、残部Snからなることを特徴とする鉛
フリーはんだ合金であり、またZn7〜10重量%、N
i0.01〜1重量%並びにAg0.1〜3.5重量%
および/またはCu0.1〜3重量%、残部Snからな
ることを特徴とする鉛フリーはんだ合金であり、さらに
これらの合金にBi0.2〜6重量%、In0.5〜3
重量%のうちから選ばれた1種以上が添加されているこ
とを特徴とする鉛フリーはんだ合金であり、さらにまた
これらの合金にPが0.001〜1重量%添加されてい
ること特徴とする鉛フリーはんだ合金である。
【0010】
【作用】本発明では、Sn−Pb合金に代わるべく発明
したものであるため、溶融温度、即ち液相線温度と固相
線温度はSn−Pb合金の共晶温度である183℃近辺
にあるようにしてある。本発明で好ましい溶融温度範囲
は183℃±30℃である。この温度範囲であれば、は
んだ付け温度を250℃以下とすることができ、電子部
品への熱影響を少なくできる。また固相線温度が150
℃よりも下がると、はんだ付け後にはんだ合金が凝固す
るまでに時間がかかって、その間にはんだ付け部に多少
の衝撃や振動が加わった場合、はんだ付け部がひび割れ
を起こしてしまう。
【0011】はんだの接合強度は、はんだ合金自体の引
張り強度と略一致するものであるため、或る程度の引張
り強度を有していなければならない。電子機器のはんだ
付け用として必要な引張り強度は5Kgf/mm2以上であ
る。しかしながらはんだ合金は、引張り強度ばかり強く
ても脆い材料であると衝撃に弱く、はんだ付け後、はん
だ付け部に衝撃が加わわった場合、容易に剥離してしま
うことがある。またはんだ合金をはんだ鏝ではんだ付け
する場合、線状にできるもの、即ち塑性加工ができるよ
うな伸び率を有しているものでなければならない。脆さ
がなく、塑性加工が可能なはんだ合金が必要とする伸び
率は10%以上である。
【0012】
【実施例】本発明で、Znの添加量が7重量%より少な
かったり、10重量%よりも多くなったりすると本発明
が目的とする183℃±30℃の溶融温度域からはずれ
てしまう。
【0013】NiはSn−Zn系合金の凝固組織中の結
晶を微細化し、機械的特性を改善する効果がある。Sn
−Zn系へのNiの添加は0.01重量%より少ないと
機械的特性改善の効果がなく、1重量%よりも多いと液
相線温度を急激に高め、はんだ付け温度が高くなるた
め、電子部品に熱損傷を与えるようになってしまう。
【0014】Agは機械的強度を改善するとともに、S
n−Zn合金の耐食性を向上させる効果がある。Agは
0.1重量%より少ない添加では、これらの効果が現れ
ず、しかるに3.5重量%を越えて添加されると、液相
線温度が急激に上昇してしまい、はんだ付け温度が高く
なって電子部品に熱損傷を与えるようになる。
【0015】Cuは機械的強度改善に優れた効果を奏す
るものであり、また溶融はんだに浸漬してはんだ付けを
行う場合、プリント基板の銅箔を溶融はんだ中に拡散す
ることを抑制する効果もある。0.1重量%より少ない
添加では、その効果がなく、3重量%を越えるとSn・
Cuの金属間化合物が析出し、急激に液相線温度を上昇
させるとともに、はんだ付け性を阻害するようになる。
Sn−Zn−Ni系合金にAgまたはCuだけを添加し
てもよく、またAgとCuを同時に添加することもでき
る。
【0016】Sn−Zn−Ni系合金にBiやInを添
加すると、溶融温度を下げることができる。Biは0.
5重量%より少ない添加では溶融温度を下げる効果が現
れず、しかるに6重量%を越えて添加すると硬く、脆く
なり、はんだ合金を線状にするための塑性加工が困難と
なるばかりでなく、はんだ付け後にはんだ付け部が容易
に剥離するようになってしまう。
【0017】Inは0.5重量%より少ない添加では溶
融温度を下げる効果が現れない。Inは多量に添加すれ
ばするほど溶融温度を下げることができるが、非常に高
価であり、Inの多量の添加は経済的に好ましいもので
はない。またInを多量に添加すると本発明が目的とす
る溶融温度範囲の183℃±30℃を外れてしまう。従
って、Inの最大添加量は6重量%までである。Inや
Biは、はんだ合金の溶融温度を下げるために添加する
ものであるが、InやBiをそれぞれ単体で添加した
り、同時に添加したりすることもできる。
【0018】Znは非常に酸化しやすい金属であるた
め、Znを含むはんだ合金を溶融させると、優先的に酸
化され、はんだ付け時に多量にZnの酸化物が発生して
はんだ付け不良を起こすことがある。そのためZnを含
むはんだ合金にPを添加すると、Pは溶融したはんだ合
金の表面に薄い膜を形成し、はんだ合金が直接空気と触
れるのを妨げて、はんだ合金自体が酸化するのを抑制す
ることができる。Pの添加量は0.001重量%より少
ないと酸化抑制の効果が現れず、しかるに1重量%より
も多くなるとはんだ付け性を害するようになる。
【0019】ここで本発明の代表的な実施例について記
す。
【0020】○実施例1 Zn9重量%、Ni0.1重量%、残部Snからなるは
んだ合金は、溶融温度が199〜200℃であり、この
はんだ合金を自動はんだ付け装置のはんだ槽に入れ、は
んだ合金の温度を240℃にしてプリント基板のはんだ
付けを行ったところ、熱による電子部品の損傷や劣化は
なかった。はんだ合金自体の引張り強度は6.24Kgf
/mm2であり、この値は電子機器のはんだ付けに充分使
用できるものである。また伸びも68.8%であるた
め、はんだ付け後の衝撃による剥離の心配がなく、線状
の加工も容易となるものである。
【0022】○実施例2 Zn8重量%、Ni0.2重量%、Cu0.3重量%、
In3重量%、残部Snからなるはんだ合金は、溶融温
度が191〜205℃である。はんだ槽でのはんだ付け
温度は250℃であり、電子部品に対する熱影響も少な
い。また引張り強度は8.51Kgf/mm2という強い値で
ある。伸びは40.1%と少し下がるが、はんだ付け後
の衝撃による剥離や線状の加工においては何ら問題のな
い値である。
【0023】○実施例3 Zn8重量%、Ni0.1重量%、P0.01重量%、
残部Snからなるはんだ合金は、はんだ槽で溶融させた
とき、実施例1、2よりも酸化物の発生量が少なく、酸
化物回収の作業が少なくて済むものである。
【0024】実施例および比較例を表1に示す。
【0025】
【表1】
【0026】実施例におけるはんだ合金は、はんだ付け
温度を250℃以下にすることができるため電子部品へ
の熱影響がなく、また電子部品のはんだ付けに要求され
る引張り強度と伸びを有している。
【0027】比較例1、2、3は引張り強度が充分でな
く、はんだ付け後の信頼性に劣るものである。また比較
例3、4は液相線温度が高いため、はんだ付け温度も高
くせざるを得ず、電子部品に対する熱損傷が心配され
る。実施例5、6は伸びが少ないため、はんだ付け後の
衝撃による剥離と線状にする塑性加工が問題となる。
【0027】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明のはんだ合金
は、Sn主成分であるにもかかわらず、溶融温度が18
3℃±30℃という従来のSn−Pb共晶合金に近いも
のであるため、はんだ付け温度も電子部品に熱損傷を与
えるほど高くしなくても済むものであり、さらに機械的
強度に強いばかりでなく、適当な伸び率を有しているた
め、はんだ付け後に剥離を起こしにくく、しかも線状加
工も容易に行えるという従来のSn主成分の鉛フリーは
んだ合金にない優れた特長を有したものである。
フロントページの続き (72)発明者 田口 稔孫 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金 属工業株式会社内 (72)発明者 浅野 省三 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金 属工業株式会社内 (72)発明者 大石 良 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金 属工業株式会社内 審査官 鈴木 毅 (56)参考文献 特開 平6−344181(JP,A) 特開 昭54−128459(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/26

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Zn7〜10重量%、Ni0.01〜1
    重量%、残部Snからなることを特徴とする鉛フリーは
    んだ合金。
  2. 【請求項2】 Zn7〜10重量%、Ni0.01〜1
    重量%並びにAg0.1〜3.5重量%および/または
    Cu0.1〜3重量%、残部Snからなることを特徴と
    する鉛フリーはんだ合金。
  3. 【請求項3】 請求項1乃至2記載の合金にBi0.2
    〜6重量%、In0.5〜3重量%のうちから選ばれた
    1種以上が添加されていることを特徴とする鉛フリーは
    んだ合金。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3記載の合金にPが0.0
    01〜1重量%添加されていること特徴とする鉛フリー
    はんだ合金。
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