JP2008290150A - 錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ａｇ含量の減少による濡れ性の低下を抑制し、熱サイクル及び機械的衝撃に対する耐性を向上させ得るように、適正量のインジウム（Ｉｎ）を添加するとともに、銀（Ａｇ）の含量を最適化して鉛フリー半田組成物の原価上昇を抑制し、半田材料としての工程性及び機械的特性を十分に確保できるようにする錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物を提供すること。
【解決手段】０．３ｗｔ％以上２．５ｗｔ％未満の銀（Ａｇ）と、０．２ｗｔ％以上２．０ｗｔ％未満の銅（Ｃｕ）と、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％未満のインジウム（Ｉｎ）と、その他の錫（Ｓｎ）とからなることを特徴とする。
【選択図】図８
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【選択図】図８
Description
本発明は、鉛フリー半田（Ｐｂ−ｆｒｅｅ）組成物に関し、特に、インジウムの使用により銀の使用量を減少させた錫（Ｓｎ）・銀（Ａｇ）・銅（Ｃｕ）・インジウム（Ｉｎ）の４元系鉛フリー半田組成物に関する。
現在、鉛フリー半田組成の場合、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が最も一般的に用いられており、代表的な組成としては、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成が挙げられる。また、このような組成の耐酸化性を向上させるために、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉなどが、それぞれ数十ｐｐｍ〜数千ｐｐｍの範囲で更に添加されることもあり、機械的特性及び界面反応特性などの向上のために、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｄ、及び希土類（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ）金属などが、それぞれ数十ｐｐｍ〜数千ｐｐｍの範囲で更に添加されることもある。
しかし、近年、電子パッケージ分野を中心として、原価低減への努力が段々と拡大するにつれて、添加元素のうち、一番高価なＡｇ元素の量を減らす研究が試みられているが、その例として、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ組成及びＳｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成が適用されたり、最近では、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に対する特性評価までもなされている実情である。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田において、Ａｇ量による金属学的、機械的特性の変化を要約すると、次のとおりである。
１）Ａｇ添加量が減少するほど、液相線温度と固相線温度との差が大きくなり、固液共存領域（ｐａｓｔｙ ｒａｎｇｅ又はｍｕｓｈ ｚｏｎｅ）が増加する。
２）Ａｇ添加量が減少するほど、１）の結果などにより濡れ性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）が減少する。
３）Ａｇ添加量が減少するほど、合金の強度及び耐クリープ特性が減少する。
４）Ａｇ添加量が減少するほど、３）の結果などに応じて、熱サイクル実験による半田ジョイントの破断速度が増加する。
５）Ａｇ添加量が減少するほど、合金の延伸率が増加し、かつ、機械的衝撃実験による半田ジョイントの破断速度が減少する。
２）Ａｇ添加量が減少するほど、１）の結果などにより濡れ性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）が減少する。
３）Ａｇ添加量が減少するほど、合金の強度及び耐クリープ特性が減少する。
４）Ａｇ添加量が減少するほど、３）の結果などに応じて、熱サイクル実験による半田ジョイントの破断速度が増加する。
５）Ａｇ添加量が減少するほど、合金の延伸率が増加し、かつ、機械的衝撃実験による半田ジョイントの破断速度が減少する。
したがって、前記１）の場合は、半田内のＡｇ含量による金属学的特性変化の現象に該当するため、Ａｇ含量を減少させる場合は、適切なＡｇ量を設定する一方、従来のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に近接する濡れ性を確保してこそ初めて、半田材料としての適用が円滑になり、Ａｇ含量の低減による究極的な原価低減が可能になる。
また、前記４）及び５）の場合は、半田のＡｇ含量の減少によって互いに相反する特性を見せているといえるため、適切なＡｇ量を設定する一方、合金元素の添加などによって機械的特性の向上を補完してこそ初めて、熱サイクル及び機械的衝撃に対する耐性を同時に確保することが可能な理想的な半田組成の設計がなされ、更に、Ａｇ含量の低減による原価低減まで確保可能になる。
また、前記４）及び５）の場合は、半田のＡｇ含量の減少によって互いに相反する特性を見せているといえるため、適切なＡｇ量を設定する一方、合金元素の添加などによって機械的特性の向上を補完してこそ初めて、熱サイクル及び機械的衝撃に対する耐性を同時に確保することが可能な理想的な半田組成の設計がなされ、更に、Ａｇ含量の低減による原価低減まで確保可能になる。
しかし、前記のような条件を満たす鉛フリー半田の組成は、いまだ開発されていないのが実情である。
本発明は、上記した従来の技術の問題を解決するために提案されたものであって、その目的は、Ａｇ含量の減少による濡れ性の低下を抑制し、熱サイクル及び機械的衝撃に対する耐性を向上させ得るように、適正量のインジウム（Ｉｎ）を添加するとともに、銀（Ａｇ）の含量を最適化することによって鉛フリー半田組成物の原価上昇を抑制し、半田材料としての工程性と機械的特性とを十分に確保できるようにする錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物を提供することにある。
そこで、上記の目的を達成するための本発明は、０．３ｗｔ％以上２．５ｗｔ％未満の銀（Ａｇ）と、０．２ｗｔ％以上２．０ｗｔ％未満の銅（Ｃｕ）と、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％未満のインジウム（Ｉｎ）と、その他の錫（Ｓｎ）とからなることを特徴とする錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物を備えることを特徴とする。
前記のような特徴を有する鉛フリー半田組成物は、鉛フリー半田組成物の原価を下げるために、銀の添加量を減少させることにより発生する濡れ性の低下と、熱サイクル及び機械的衝撃の信頼性の不十分な点をインジウム（Ｉｎ）の添加を介して補完することにより、更に低い価格で、優れた品質の鉛フリー半田組成物を提供できるようにしたものである。
前記のような特徴を有する鉛フリー半田組成物は、鉛フリー半田組成物の原価を下げるために、銀の添加量を減少させることにより発生する濡れ性の低下と、熱サイクル及び機械的衝撃の信頼性の不十分な点をインジウム（Ｉｎ）の添加を介して補完することにより、更に低い価格で、優れた品質の鉛フリー半田組成物を提供できるようにしたものである。
本発明によれば、銀（Ａｇ）の含量を減少させ、インジウム（Ｉｎ）を添加することによって銀（Ａｇ）の減少による濡れ性を補完し、熱サイクル及び機械的インパクトに対する耐性を向上させて、低廉な原価で優れた品質の鉛フリー半田組成物を提供できる。
以下、本発明の好ましい実施形態を介して本発明の特徴を詳細に説明すると、以下のとおりである。本発明を説明するにおいて、公知の関連機能又は構成に関する具体的な説明が、本発明の要旨を不要に濁すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
本発明の鉛フリー半田組成物において、銀（Ａｇ）の添加割合は、０．３ｗｔ％以上２．５ｗｔ％未満である。これは、０．３ｗｔ％未満で銀（Ａｇ）を添加する場合、液相線温度の降下はほとんど進まず、半田の融点及び実装工程温度が増加する短所があり、２．５ｗｔ％以上で銀（Ａｇ）を添加する場合、本発明で求める原価低減を阻害するという短所がある。したがって、銀（Ａｇ）の添加割合は、０．３ｗｔ％以上２．５ｗｔ％未満であり、望ましくは、１．２ｗｔ％である。
また、本発明の鉛フリー半田組成において、銅（Ｃｕ）の添加割合は、０．２ｗｔ％以上２．０ ｗｔ％未満である。これは、０．２ｗｔ％未満で銅（Ｃｕ）を添加する場合、液相線温度の降下が微小であり、Ｃｕ６Ｓｎ５相の分率はほとんど存在せず、半田合金の強度の減少が大きすぎるという短所があり、２．０ｗｔ％以上で銅（Ｃｕ）を添加する場合、液相線温度と固相線温度との差が大きくなって固液共存領域が増加し、Ｃｕ６Ｓｎ５相の分率が増加して半田合金の機械的特性を大きく高め、界面反応層の成長速度を増加させるという短所がある。したがって、銅（Ｃｕ）の添加割合は、０．２ｗｔ％以上２．０ｗｔ％未満であり、望ましくは、０．５ｗｔ％である。
また、本発明の鉛フリー半田組成において、インジウム（Ｉｎ）の添加割合は、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％未満である。これは、０．２ｗｔ％未満でインジウム（Ｉｎ）を添加する場合、Ｉｎの添加による濡れ性の改善及び機械的特性の改善が微小であるという短所があり、１．０ｗｔ％以上のインジウム（Ｉｎ）を添加する場合、濡れ性の改善及び機械的特性の改善がインジウム（Ｉｎ）の添加量に比例して向上しない一方、半田合金の価格が急速に増加するという短所がある。したがって、インジウム（Ｉｎ）の添加割合は、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％未満であり、更に望ましくは、０．４ ｗｔ％である。
一方、前記各添加元素の好ましい添加割合によると、最も理想的な鉛フリー半田組成物は、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎであり、本発明の最も理想的な組成であるＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎと、その他の様々な研究組成と、従来の研究組成であるＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成とについて、同じ実験過程を通じて評価した結果を図1ないし図１１に示している。
一方、前記各添加元素の好ましい添加割合によると、最も理想的な鉛フリー半田組成物は、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎであり、本発明の最も理想的な組成であるＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎと、その他の様々な研究組成と、従来の研究組成であるＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成とについて、同じ実験過程を通じて評価した結果を図1ないし図１１に示している。
図１及び図２は、加熱状態で半田組成による吸熱ピークを示した結果を見せている。図１及び図２の結果は、差動走査熱量計（ＤＳＣ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ）を使用して、約８ｍｇの半田合金を５０ｍｌ／ｍｉｎの窒素フロー雰囲気で１０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱するときに生成される吸熱ピークを測定した結果である。図１に示すように、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合は、２１７℃〜２１８℃の範囲の吸熱ピーク温度を示し、これは、この合金の融点と一致していることが分かる。これに対し、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合、２１８℃〜２１９℃の範囲の１次吸熱ピークと２２６℃の２次吸熱ピークとを示し、それぞれ液相線温度及び固相線温度として観察され、固液共存領域が非常に増加していることが分かる。Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成の場合、２１９℃〜２２０℃の範囲の１次吸熱ピークと２２５℃〜２２６℃の範囲の２次吸熱ピークとを示し、それぞれ液相線温度及び固相線温度として観察され、やはり、固液共存領域が非常に増加していることが観察できる。
一方、図２に示すように、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｉｎ組成の場合、２１６℃で１次吸熱ピークを、２２４℃〜２２５℃の範囲で２次吸熱ピークを示し、それぞれ液相線温度及び固相線温度として観察され、やはり、固液共存領域が非常に増加したが、液相線温度と固相線温度とが多少全体的に低下していることが分かる。このような液相線温度と固相線温度との低温転移の結果は、低温での半田濡れ性に優れた効果を示す主な原因であることが分かる。Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．５Ｉｎ組成の場合、２１７℃で１次吸熱ピークを、また、２２５℃で２次吸熱ピークを示し、それぞれ液相線温度及び固相線温度として観察され、やはり、固液共存領域が非常に増加したが、液相線温度と固相線温度とが多少全体的に低下していることが分かる。
Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．８〜０．４Ｉｎ組成の場合、２１７℃〜２１８℃の範囲で１次吸熱ピークを、また、２２４℃〜２２５℃の範囲で２次吸熱ピークを示し、それぞれ液相線温度及び固相線温度として観察され、固液共存領域が非常に増加したが、やはり、液相線温度と固相線温度とが多少全体的に低下していることが分かる。しかし、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．２Ｉｎ組成の場合、２１９℃〜２２０℃の範囲で１次吸熱ピークを、また、２２６℃で２次吸熱ピークを示し、それぞれ液相線温度及び固相線温度として観察され、固液共存領域が非常に増加したが、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に比べて液相線温度と固相線温度とが低温に低下していないことが分かる。このような結果は、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．２Ｉｎ組成の場合、低温での半田濡れ性が、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に比べて大きく改善されていない主な原因であることが分かる。
図３及び図４は、溶融後の冷却状態で半田組成による１次発熱ピークを示した結果を見せている。図３及び図４の結果も、差動走査熱量計を用いて約８ｍｇの半田合金を５０ｍｌ／ｍｉｎの窒素フロー雰囲気で１０℃／ｍｉｎの速度で２５０℃まで加熱後に冷却するときに生成される１次吸熱ピークを測定した結果である。図３に示すように、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合は、約１９４℃の１次発熱ピークを示し、これは、この合金の実際の凝固温度を意味していることが分かる。金属学的に合金の溶融温度と実際凝固温度との差、すなわち、この場合でいえば、約２３℃〜２４℃の範囲の差をアンダークーリング（ｕｎｄｅｒｃｏｏｌｉｎｇ）又はスーパークーリング（ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｉｎｇ）と称する。合金内のＡｇ含量によって、このようなアンダークーリングの大きさが増加することになるが、一例として、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合、約１８８℃の１次発熱ピークを示し、アンダークーリングが増加していることを見せた。一方、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成の場合、約２０６℃〜２０７℃の範囲の１次発熱ピークを示し、Ｎｉの少量の添加がアンダークーリングを非常に大きく減少させることが分かる。
インジウム（Ｉｎ）を添加したときの結果は、図４のとおりである。Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｉｎ組成の場合は、約２００℃の１次発熱ピークが観察され、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．５Ｉｎ組成の場合は、約１９０℃〜１９１℃の範囲の１次発熱ピークが観察された。したがって、インジウム（Ｉｎ）もアンダークーリングを非常に減少させる元素として分析された。また、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．８Ｉｎ組成の場合は、約１９２℃〜１９３℃の範囲の１次発熱ピークが、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．６Ｉｎ組成の場合は、約１９７℃〜１９８℃の範囲の１次発熱ピークが、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎ組成の場合は、約２００℃〜２０１℃の範囲の１次発熱ピークが、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．２Ｉｎ組成の場合は、約２０２℃〜２０３℃の範囲の１次発熱ピークが観察された。
図５及び図６は、半田付け温度によるゼロクロスタイム値（ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓ ｔｉｍｅ ｖａｌｕｅ）を示している。１回の濡れ性試験は、ゼロクロスタイム値、２秒後の濡れ力（ｗｅｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｔ ２ ｓｅｃｏｎｄｓ）、最終の濡れ力（ｆｉｎａｌ ｗｅｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）などを一度に測定できるが、下記の各結果は、１０回以上の試験値を平均した結果を示している。濡れ性試験に用いた試片は、３ｍｍの幅と１０ｍｍの長さのＣｕ片であり、センジュ社（ＳＥＮＪＵ社）の水溶性（ｗａｔｅｒ−ｓｏｌｕｂｌｅ ｔｙｐｅ）フラックスをＣｕ片の表面に塗布した後、溶融半田内に装入させ、その装入深さは２ｍｍであった。そして、Ｃｕ片の装入速度及び離脱速度は、各々５ｍｍ／ｓｅｃであった。図５に示すように、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成及びＳｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に比べて非常に大きなゼロクロスタイム値が測定され、特に、２３０℃〜２４０℃の範囲の低温でゼロクロスタイム値が更に増加することと測定された。それに対し、図６のように、インジウム（Ｉｎ）を添加した場合は、ゼロクロスタイム値の顕著な減少が観察され、２３０℃〜２４０℃の範囲の低温でゼロクロスタイム値のより効果的な減少が測定された。特に、本発明に係る代表組成であるＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎ組成の場合、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成と類似、又は多少優れたゼロクロスタイム値を示して、半田材料として非常に優れた濡れ特性を保有していることが確認できる。
図７及び図８は、半田付け温度による２秒後の濡れ力の変化を示している。図７に示すように、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成及びＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成の場合、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕに比べて２秒後の非常に小さな濡れ力が測定され、特に、２３０℃〜２４０℃の範囲の低い温度で、２秒後の濡れ力が更に顕著に低下した。それに対し、図８のように、インジウム（Ｉｎ）を添加した場合は、２秒後の濡れ力の顕著な増加が観察され、２３０℃〜２４０℃の範囲の低温で２秒後の濡れ力がより効果的に増加することが分かった。特に、本発明の代表組成であるＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎ組成の場合、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕに類似、又は多少優れた２秒後の濡れ力を備えていることが確認できる。
上記のような結果をみるとき、本発明の組成は、合金価格が非常に低価であるにもかかわらず、優れた濡れ力特性を示し、半田付け材料として非常に適した特性を保有していることが分かる。したがって、本発明の鉛フリー半田組成物は、半田ペースト、半田ボール、半田バー、半田ワイヤ、半田バンプ、半田薄板、半田粉末、及び半田ペレット、半田粒子、半田リボン、半田ウォッシャ、半田リング、及び半田ディスクのような半田プリフォームの製造に適用することができる。
図９及び図１０は、半田付け温度による最終の濡れ力の変化を示している。図９に示すように、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成及びＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成の場合、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に比べて最終の濡れ力は非常に小さく、特に、２３０℃〜２４０℃の範囲の低い温度で最終の濡れ力は更に大きく低下した。それに対し、図１０のように、インジウム（Ｉｎ）を添加した場合では、興味深い結果が観察されたが、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−ｘＩｎ組成を基準にしたとき、インジウム（Ｉｎ）の量が０．８ｗｔ％ のように多い場合は、溶融インジウム（Ｉｎ）の低い表面張力値によって最終の濡れ力の改善が微小であり、インジウム（Ｉｎ）の量が０．２ｗｔ％のように少ない場合は、濡れ力の改善が微小で、最終の濡れ力の向上もなかったが、本発明の代表組成であるＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎ組成の場合、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に類似、又は多少劣悪な最終の濡れ力を備えていることが確認できる。特に、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎ組成は、２３０℃〜２４０℃の範囲の低い温度での最終の濡れ力がその他の低Ａｇ含有組成に比べて非常に優れていることが確認できる。
図１１は、従来のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成、及びＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成を引張試験片として製作して試験を行った結果を示している。引張試験片は、ＫＳ規格の１３Ａによる比例引張試験片であり、厚さは２ｍｍ、長さは２７ｍｍであり、引張試験温度は常温、引張試験速度は７．８ｍｍ／ｍｉｎであった。同図に示すように、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合、強度は大きいが、延伸率が非常に小さく、半田ジョイント材料として用いる場合、熱サイクルに対する耐性は優れているが、機械的インパクトに対する耐性は非常に劣悪な特性を表すものと予想される。それに対し、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成の場合、延伸率は多少増加するが、強度が非常に小さくて、機械的インパクトに対する耐性はＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成に比べて相対的に向上するが、熱サイクルに対する耐性は、劣悪な特性を表すものと予想される。また、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ組成の場合、前記で言及した２つの組成、すなわち、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ及びＳｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕの中間的特性を表すことを観察することができた。
図１２は、本発明の代表組成であるＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎ組成と、その他のＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．２Ｉｎ、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．６Ｉｎ、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．８Ｉｎ、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｉｎ組成とを引張試験片として製作して試験を行った結果を示している。Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．４Ｉｎの場合、類似組成であるＳｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕに比べて強度が大きく向上し、更に、延伸率も非常に向上して、全体的に合金の靭性が非常に向上したことが分かる。このような特性は、機械的インパクトに対し、最も優れた耐性を表し、かつ、熱サイクルに対する耐性も比較的優れているものと予想され、特に、機械的衝撃又は振動に露出しやすいモバイル製品、及び自動車内部のエレクトロニクスの接合材料として非常に適した半田組成として期待されている。Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．２Ｉｎの場合は、インジウム（Ｉｎ）の添加による金属の強化現象が減少して強度値が低下し、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．６Ｉｎ及びＳｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．８Ｉｎの場合は、インジウム（Ｉｎ）の添加量の増加によって延伸率が次第に減少する現象を表した。Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｉｎの場合は、インジウム（Ｉｎ）の添加量が多いにもかかわらず、優れた強度値を示さなかった。
また、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成の他の例であるＳｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ−０．２Ｉｎ組成と、従来のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ組成とについて、前述した同じ試験過程を通じて濡れ特性を評価した結果が、図１３ないし図１５に示されている。
また、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成の他の例であるＳｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ−０．２Ｉｎ組成と、従来のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ組成とについて、前述した同じ試験過程を通じて濡れ特性を評価した結果が、図１３ないし図１５に示されている。
図１３は、半田付け温度によるゼロクロスタイム値の変化を示し、図１４は、半田付け温度による２秒後の濡れ力の変化を示し、図１５は、半田付け温度による最終の濡れ力の変化を示す。図１３ないし図１５に示すように、インジウム（Ｉｎ）を少量添加したＳｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ−０．２Ｉｎ組成の場合は、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ組成に比べ、特に、２４０℃以上の温度で、上記の様々な濡れ特性が大きく向上し、ほぼ、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成と類似した値を示すことが分かる。これにより、本発明に係る錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物は、少量のインジウムを添加することにより、原価の上昇を最小化し、銀の含量の減少による濡れ性の低下の抑制が可能であることを更に確認することができる。
一方、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物の耐酸化性を向上させるために、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びシリコン（Ｓｉ）のうちから選択された１つ又は２つ以上の元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜１ｗｔ％の範囲で更に添加することができる。
また、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物の界面反応特性の向上と融点降下などのために、亜鉛（Ｚｎ）と砒素（Ｂｉ）とのうちから選択された１つの元素又は２つの元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜２ｗｔ％の範囲で更に添加することができる。
また、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物の界面反応特性の向上と融点降下などのために、亜鉛（Ｚｎ）と砒素（Ｂｉ）とのうちから選択された１つの元素又は２つの元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜２ｗｔ％の範囲で更に添加することができる。
なお、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物の機械的特性及び界面反応特性を向上させるために、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、アンチモン（Ｓｂ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、カドミウム（Ｃｄ）、及び希土類（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ）金属のうちから選択された１つ又は２つ以上の元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜１ｗｔ％の範囲で更に添加することができる。
上記のような付言は、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物の特許を回避しようと、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物に微量の１つ又は２つ以上の元素を添加する方法も、本発明に属する技術分野であることを伝えるためである。
上記のような付言は、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物の特許を回避しようと、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの４元系鉛フリー半田組成物に微量の１つ又は２つ以上の元素を添加する方法も、本発明に属する技術分野であることを伝えるためである。
本発明は上述したように、銀（Ａｇ）の含量を減少させるものであり、インジウム（Ｉｎ）を添加することによって銀（Ａｇ）の減少による濡れ性を補完し、熱サイクル及び機械的インパクトに対する耐性を向上させて、低廉な原価で優れた品質の鉛フリー半田組成物を提供できるようになった。
本発明は、上述した特定の好ましい実施形態に限定されるのではなく、請求の範囲において請求する本発明の要旨を一脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば、誰でも様々な変形実施が可能であることはもちろん、そのような変更は、請求の範囲の記載の範囲内にあることになる。
Claims (4)
- ０．３ｗｔ％以上２．５ｗｔ％未満の銀（Ａｇ）と、０．２ｗｔ％以上２．０ｗｔ％未満の銅（Ｃｕ）と、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％未満のインジウム（Ｉｎ）と、その他の錫（Ｓｎ）とからなることを特徴とする錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物。
- 前記鉛フリー半田組成物の耐酸化性の向上のために、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びシリコン（Ｓｉ）のうちから選択された１つ又は２つ以上の元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜１ｗｔ％の範囲で更に添加することを特徴とする請求項１に記載の錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物。
- 前記鉛フリー半田組成物の界面反応特性の向上及び融点降下のために、亜鉛（Ｚｎ）及び砒素（Ｂｉ）のうちから選択された１つ又は２つの元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜２ｗｔ％の範囲で更に添加することを特徴とする請求項１に記載の錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物。
- 前記鉛フリー半田組成物に、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、アンチモン（Ｓｂ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、カドミウム（Ｃｄ）、及び希土類（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ）金属のうちから選択された１つ又は２つ以上の元素を混合して、０．００１ｗｔ％〜１ｗｔ％の範囲で更に添加することを特徴とする請求項１に記載の錫・銀・銅・インジウムの４元系鉛フリー半田組成物。
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