JPH07116887A - はんだ合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温と高温状態が繰り返して起こるような電
子機器では、そのはんだ付け部が熱サイクルによる熱応
力で長期間経過するうちにクラックが入り、導通不良と
なる。そのため、このような熱応力を受ける個所に用い
てもクラックが発生しないはんだ合金を提供することに
ある。 【構成】 一般的に電子機器のはんだ付けに用いられる
Ｐｂ１０〜９５重量％のＳｎ−Ｐｂはんだ合金にＮｉを
Ｐｂの固溶限内である０．００２〜０．０２重量％添加
した耐疲労性のあるはんだ合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、はんだ合金に関する。
さらに詳細には、プリント基板に電子部品を実装する際
に用いられ、温度サイクルの繰り返し応力が負荷される
ことにより、疲労が起こりやすい環境において使用され
る電子部品のはんだ接合部に適したはんだ合金である。

【０００２】

【従来の技術】一般にプリント基板に電子部品を実装す
る際には、はんだ合金が用いられており、電子部品やプ
リント基板に対する熱影響や作業性等を考慮して、融点
が低く、しかもはんだ付け性の良好なＳｎ６０〜６３重
量％のＳｎ−Ｐｂはんだ合金が使用されている。このは
んだ合金を用いたはんだ付け方法としては、溶融はんだ
に浸漬するディップ法、ソルダーペーストやフォームソ
ルダーを用いたリフロー法等がある。

【０００３】ディップ法やリフロー法ではんだ付けされ
たはんだ接合部は、電子機器のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ
に伴い、加熱・冷却を繰り返すという温度サイクル環境
下に曝される。はんだ接合部が温度サイクル環境下に曝
されると、電子部品とプリント基板との熱膨張係数の差
により熱応力が生じ、最終的には、はんだにクラックが
発生して破壊に至る。これは、はんだが他の被接合部材
に比べ強度的に弱いため、接合部における熱応力がはん
だに集中してしまうことによる。

【０００４】従来、熱応力によってはんだ接合部が破壊
されるような個所に対しては、接合部の部品リードを湾
曲してはんだに熱応力が直接的に負荷されないような構
造にするという部品の実装形態の設計に関する対策や、
電子部品実装後の接合部に鏝付け作業によりはんだを付
加し、はんだ量を増す等のはんだ接合部に関する対策が
なされていた。

【０００５】しかしながら、近年の電子機器の高密度実
装化により、電子部品のリード、或は電極、そしてプリ
ント基板のパッドが短小化する等、接合部が微小化され
てきているため、接合部の実装形態の設計や良好なはん
だフィレットの形成、充分なはんだ量の確保等が困難に
なってきている。また高密度実装化により、電子機器類
が高機能化、小型化したことによって携帯性を可能に
し、その使用環境が大幅に拡張し、はんだ接合部が従来
より一層厳しい環境化に曝されるようになってきてい
る。そのため、電子機器類には、はんだ接合部の信頼性
はもとより、はんだに対する耐疲労性向上の要求がより
一層高まっている。このようなはんだへの要求に対して
は、従来よりＰｂ−Ｓｎ系合金に第三元素を添加する等
してはんだの強度アップが図られていた。

【０００６】Ｓｎ−Ｐｂ系合金に第三元素を添加したも
のとして、特開平１−１２７１９２号ではＴｅを添加
し、特開平１−２３７０９５号及び特開平３−３２４８
７号ではＳｂ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｃｕ等を添加し、また特開
平１−１０６５９１号ではＩｎ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ａｌ等を添加して耐疲労性を向上させてい
る。

【０００７】これらのはんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂ系合金
へ第三元素を添加することによって、はんだの組織中の
Ｓｎ相とＰｂ相の粒界に金属間化合物を析出させ、この
金属間化合物が結晶粒成長や塑性変形を抑制するピンニ
ング効果を発揮することにより、はんだ合金の強度、耐
クリープ性を高めて耐疲労性を向上させるものであっ
た。

【０００８】しかしながら、金属間化合物が析出するよ
うな合金組成のはんだは、融点の上昇や流動性の阻害を
起こすことがあった。特にディップ法に用いられた場
合、溶融はんだ中に浮遊する金属間化合物は異物であ
り、作業性を悪化させる恐れが多分にある。たとえ液状
状態において均一に溶け合っていたとしても、プリント
基板が溶融はんだに接する際のはんだの一時的な温度降
下により、その流動性の低下が懸念されるところであ
る。ちなみに、Ｔｅ添加合金については耐疲労性に効果
があるが、Ｔｅは酸素との反応性が高く、ドロスへ濃化
してはんだ中のＴｅ量が減少する。従って、ディップ法
に用いた場合には、合金の構成成分が変化しやすく、長
期使用に対する安定性に欠けるものであった。

【０００９】ところで、耐疲労性向上を目的としたもの
ではないが、はんだの性質改善のためにＳｎ−Ｐｂ系合
金にＮｉを添加したものがある。特公昭４０−２５８８
５号では、Ｓｎ：１０〜９０重量％、Ｐｂ：１０〜９０
重量％、Ｃｕ：０．２〜２．０重量％なる合金に、Ａ
ｇ：０〜０．０１重量％、及びＮｉ：０〜０．０１重量
％を添加した合金が提案されている。これは、鏝付け作
業時、鏝先のＣｕがはんだ中に溶解して、はんだの広が
り性を阻害すると同時に鏝先も損耗するため、予めはん
だ合金中にＣｕを添加しておいて鏝先のＣｕ溶解抑制を
しようとするものであり、ＡｇやＮｉはＣｕがはんだの
広がり性を阻害するのを防止するものである。

【００１０】また、特公昭５１−３２０６７号では、半
導体装置の製造方法において、予めＮｉを含有せしめた
Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金を用いることが記載されてい
る。これは、半導体基板上のＮｉメッキ膜に電極リード
線をはんだで接続する際、はんだ付け後の残存するＮｉ
メッキ膜の厚みが電極の機械的強度に影響を及ぼすた
め、はんだ合金中のＮｉがはんだ付け時にＮｉメッキ膜
のはんだ中への溶解を抑制用としてＮｉを添加したもの
である。つまりＮｉ添加のＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金はＮ
ｉメッキ膜のはんだ付け部に対して、半導体基板とはん
だとの間に有効な厚みのＮｉメッキを残存させることに
より、電極の機械的強度を高めることができる。ここで
は、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金へのＮｉの添加量は、はん
だの融点および機械的強度の点から０．０５〜０．２重
量％が適当であると記載されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、はん
だの疲労破壊は接合部における熱応力がはんだに集中す
ることによるものであるが、言い換えれば、はんだが接
合部における熱応力を吸収し、被接合部材に負荷される
応力を緩和しているのである。そのため応力緩和に伴
い、はんだは変形し、やがては破壊に至る。金属間化合
物が析出するようなはんだは、熱応力によりはんだに作
用する歪量が比較的小さい場合、金属間化合物のピンニ
ング効果にてはんだの強度、耐クリープ性向上の効果を
有する可能性があるが、はんだに作用する歪量が大きい
場合には、さらに接合部の応力を緩和する能力が求めら
れる。発熱量の大きい部品や接合部が微小な場合等はな
おさらのことである。接合部の応力緩和がはんだの役割
である以上、はんだが疲労破壊に至ることはやむお得な
いことである。従って、展延性に優れたはんだを用いて
破壊に至る時期を遅らせることが耐疲労性の向上につな
がるのである。はんだ組織中に硬くて脆い性質を有する
金属間化合物が存在した場合には、これがはんだの展延
性を阻害し、接合部の応力緩和を低下させる要因とな
る。さらに、はんだには部品を保持する役割もあるた
め、展延性のみを考慮してはならない。よって、部品を
保持するための強度と応力を緩和するための展延性を兼
ね備えたはんだ合金が必要となる。

【００１２】本発明のはんだ合金は、金属間化合物が析
出するような合金の欠点に鑑みなされたもので、液状状
態でも固体状態でも金属間化合物の生成がなく、ディッ
プ法、リフロー法の双方のはんだ付け方法に対応可能な
耐疲労性に優れたはんだ合金を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らが、はんだ合
金の耐疲労性を向上させる手段について鋭意検討を重ね
た結果、Ｓｎ−Ｐｂ系合金へＮｉを微量添加した合金が
耐疲労性を向上させることを見い出し本発明を完成させ
た。

【００１４】周知の通り、はんだ合金はＳｎ相とＰｂ相
の混在組織であるため、Ｓｎ及びＰｂの双方の物性が影
響する。Ｓｎは展延性に富み、低融点金属のわりに強度
的にも高いが、Ｐｂは展延性に優れているものの強度的
には小さく軟質の材料である。従って、Ｓｎの強度と展
延性を損なわずＰｂの展延性を保持したまま強度を高め
ることにより、強度と展延性を兼ね備えたはんだ合金を
作り出すことができる。

【００１５】金属の強度向上の手段としては現在のとこ
ろ第三元素を添加することが一般的であり、本発明にお
いてもこの手段を用いた。金属間化合物を析出しないは
んだ合金が望ましいので、第三元素としてはＳｎ或はＰ
ｂと金属間化合物を生成せずに固溶するものを選択し、
その添加量は常温における固溶限内を基とした。Ｓｎに
固溶する元素は多数存在するが、固溶限を越えると、そ
の殆どが金属間化合物を形成してしまう。Ｓｎに第三元
素を添加すると強度的には向上するものの、展延性を阻
害する。特にＳｎは、金属間化合物が生成してしまうと
脆くなる。第三元素は固溶限内の添加であっても展延性
を阻害する傾向は変わらないため、Ｓｎに固溶しないも
のがよい。またＰｂについても固溶する元素は多数存在
するが、金属間化合物を形成する元素は少なく、第三元
素の添加により、強度の向上が計れる。固溶限内の添加
であれば、優れた展延性を阻害することはない。従っ
て、Ｓｎに固溶せず、Ｐｂのみに固溶する元素を選択す
ることになる。このような元素は数える程しか存在せ
ず、Ｎｉはこの条件に適合している。

【００１６】本発明は、Ｐｂ１０〜９５重量％、Ｎｉ
０．００２〜０．０２重量％、残部Ｓｎからなることを
特徴とする耐疲労性に優れたはんだ合金である。

【００１７】

【作用】本発明におけるはんだ合金の組成を上述のよう
に限定した理由を説明する。本発明でＰｂを１０〜９５
重量％としたのは、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金において電
子機器用に実際に使用される組成がＰｂ主成分ではＳｎ
−９５Ｐｂ合金であり、またＳｎ主成分ではＳｎ−１０
Ｐｂ合金であるからである。

【００１８】さらに本発明でＮｉの添加量を０．００２
〜０．０２に限定したのは、ＮｉのＰｂに対する固溶限
が常温にて０．０２３重量％である。Ｎｉの添加量が微
量であるのは、この固溶限が基準となっており、Ｓｎ−
Ｐｂ系合金においてＰｂの占める含有量１０〜９８重量
％の固溶限に相当するＮｉ添加量が０．００２〜０．０
２重量％である。従って、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの場合
は、Ｎｉは０．００８〜０．００９重量％が好ましい。
ＮｉをＰｂの固溶限を越えて過剰に添加すると、過剰の
Ｎｉがはんだ中のＳｎと反応してＳｎ−Ｎｉの金属間化
合物が析出することになり、合金の展延性を低下させる
原因となる。その結果、接合部の応力緩和が損なわれ、
耐疲労性が低下するのである。

【００１９】本発明では、ＮｉはＰｂの固溶限内を基に
しており、はんだ合金は液体状態でも金属間化合物の生
成がないため、融点の上昇や流動性の阻害を引き起こす
ことはない。従って、リフロー法はもとよりディップ法
に至るまで、あらゆるはんだ付け方法に対応可能であ
る。

【００２０】また、はんだ付けがディップ法の場合、主
にＳｎ−Ｐｂ共晶はんだが用いられるが、はんだ付け作
業によりプリント基板のパッドであるＣｕがはんだ中へ
溶解するため、通常Ｃｕが０．２〜０．３重量％程度含
有した状態で使用される。Ｓｎ−Ｐｂ系合金にＣｕが
０．２〜０．３重量％含まれると、Ｃｕを含有していな
い初期のはんだに比較し、耐疲労性が低下する。これ
は、はんだ中の過剰なＣｕがＳｎと金属間化合物を生成
するためである。しかるに、Ｎｉを添加した合金では、
Ｃｕが０．２〜０．３重量％程度含有しても、その耐疲
労性は低下することなくＮｉの効果を保持している。こ
れは、Ｃｕ−Ｎｉ二元系状態図から分かるように、Ｃｕ
−Ｎｉ系は全固溶型であるため液体状態でも固体状態で
も溶け合い、金属間化合物を生成しない。このため、は
んだ中の過剰なＣｕはＮｉと相溶し、はんだ中に分散す
るものと推察される。ここでは、はんだ付け方法がディ
ップ法の場合のＣｕ共存状態について述べたが、ソルダ
ーペーストやフォームソルダーを用いたリフロー法につ
いても同様で、プリント基板のパッドであるＣｕがはん
だ中へ溶解する現象が起こる。

【００２１】本発明のはんだ合金は、近年の電子機器類
の高密度実装化により微細化し、さらに高機能、小型化
により、一層厳しい環境下に曝されるはんだ接合部の信
頼性を向上させるために不可欠な耐疲労性を有した合金
であり、しかも多様化したはんだ付け方法に対応可能で
あるという優れた性質を有している。

【００２２】

【実施例および比較例】表１に示す合金組成のはんだを
調整し、それぞれについて以下に示す電子部品とプリン
ト基板をはんだ付けし試験片とした。試験は温度サイク
ルテストを行い、１０００サイクル後のはんだ接合部１
００ポイント中の破断率を求め、評価した。

【表１】

【００２３】○電子部品は樹脂にてモールドされたコネ
クター部品であり、リード径０．６ｍｍ、ピッチ２．５
４ｍｍ。 ○プリント基板はガラエポの片面基板であり、Ｃｕ箔ラ
ンド径２ｍｍ、穴径１ｍｍ、ピッチ２．５４ｍｍ。 ○サイクル条件は、−４０℃（３０分）〜＋１２５℃
（３０分）に設定。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明のはんだ合金
は、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金に機械的強度を向上させる
第三元素のＮｉを添加したにもかかわらず、ＮｉとＳｎ
との金属間化合物が液状状態や固体状態のはんだ中に析
出しないため、はんだ付け性を損なったり、はんだの展
延性を低下させるという問題がなく、しかも接合部の応
力緩和の効力を有したものである。従って、本発明のは
んだ合金は、耐疲労性、特に熱サイクルに対して優れた
特性を有しており、長期間にわたって使用しても接合部
にクラックが発生して導通不良を起こすことがないた
め、低温と高温の状態が繰り返して起こる電子機器のよ
うなものには非常に適したものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐｂ１０〜９５重量％、Ｎｉ０．００２
   〜０．０２重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする
   耐疲労性を有するはんだ合金。