[go: up one dir, main page]

WO2021049643A1 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

鉛フリーはんだ合金 Download PDF

Info

Publication number
WO2021049643A1
WO2021049643A1 PCT/JP2020/034572 JP2020034572W WO2021049643A1 WO 2021049643 A1 WO2021049643 A1 WO 2021049643A1 JP 2020034572 W JP2020034572 W JP 2020034572W WO 2021049643 A1 WO2021049643 A1 WO 2021049643A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solder alloy
lead
mass
free solder
content
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2020/034572
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
西村　哲郎
貴利 西村
徹哉 赤岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nihon Superior Sha Co Ltd
Original Assignee
Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nihon Superior Sha Co Ltd filed Critical Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority to JP2021545632A priority Critical patent/JP7649043B2/ja
Publication of WO2021049643A1 publication Critical patent/WO2021049643A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin

Definitions

  • the present invention relates to a lead-free solder alloy having excellent soldering characteristics and long-term reliability, and a solder joint using the alloy.
  • Sn-Ag-Cu-based solder alloys and Sn-Cu-Ni-based solder alloys are typical compositions thereof.
  • Sn-Cu-Ni-based solder alloys have excellent properties such as high mechanical strength, stability of joint strength against thermal history and impact, high fluidity and good mountability, and Sn-Ag. -The market is rapidly spreading due to the added cost advantage over Cu-based solder.
  • the Sn-Cu-Ni-based solder alloy contains a small amount of "Ni", which is recognized as a skin sensitizing substance.
  • "Ni” is a substance that is also contained in 500-yen coins, and is a component that is also found in environments where many people often touch it with their bare hands.
  • Lead-free solder as a bonding material is often used in the manufacture of electronic parts and electronic devices, but the current situation is that it is used in extremely limited environments compared to the opportunities that ordinary people touch, such as 500-yen coins. Is. Companies are required to provide safer products that do not contain skin sensitizers.
  • An object of the present invention is to provide a lead-free solder alloy and a solder joint that have the same solderability and joint reliability as that of the addition of "Ni" while not adding "Ni".
  • the present invention comprises a lead-free solder alloy containing Sn—Cu as a basic composition and one or more selected from the group of Co, Mn, Pd, Rh and Fe in the basic composition. And a solder joint using the lead-free solder alloy.
  • the present invention can have solderability equal to or higher than that of a lead-free solder alloy containing "Ni” and high bonding reliability while not adding "Ni”, it can be applied to electronic parts, electronic devices, and the like. It is a highly safe solder alloy that can be applied to soldering in a wide range of versatility and has little effect on the human body.
  • the lead-free solder alloy of the present invention is characterized by containing Sn—Cu as a basic composition and containing one or more selected from the group of Co, Mn, Pd, Rh, and Fe. It is a solder alloy and a solder joint using the lead-free solder alloy. Further, by containing Ge, Ga, P, Si, Al, V, and Zr having an antioxidant effect, solderability and workability at the time of soldering are further improved.
  • the Sn—Cu-based lead-free solder alloy to which "Ni” is added is known to have excellent mounting performance with stability of joint strength and solderability. These factors include the formation of (Cu, Ni) 6 Sn 5 IMC by the addition of "Ni” and the miniaturization of IMC particles.
  • Cu 6 Sn 5 in the Sn—Cu based solder alloy has a stable crystal structure of monoclinic crystals (hereinafter, ⁇ 'phase) and hexagonal crystals (hereinafter, ⁇ phase) at 186 ° C., respectively, and has an environmental temperature. It is known that the crystal structure on the stable side undergoes a phase transformation.
  • Co, Pd, Rh, Mn, and Fe were selected as the elements substitutable for "Ni" in order to have the same characteristics as when "Ni" was added.
  • the selected element has the same effect of refining IMC particles as the effect of "Ni”.
  • the fact that the IMC particles are made finer by the solder alloy to which Co is added and the shape and dimensions of the IMC particles are the same as those of the solder alloy to which "Ni" is added means that the solder alloy to which Co is added also has the same mechanical strength. It can be said that it is improving. It is known that the IMC formed at the bonding interface has the property of being harder and more brittle than the solder alloy. Since the IMC, the substrate, and the electronic components have different coefficients of linear expansion, stress is generated by thermal shock, and if the stress is biased, the IMC cracks, the IMC in the brittle part is destroyed, and the bonding reliability of the solder alloy is impaired. .. By suppressing the growth of IMC and making it finer, it becomes a highly reliable solder alloy with stable joint strength that can withstand stress.
  • the solder alloy of the present invention has improved fluidity, suppresses the generation of bridges and horns, and improves the through-hole rise property, and is a solder alloy with excellent mountability. found.
  • the lead-free solder alloy of the present invention has Sn and Cu as basic compositions, and is characterized by containing one or more selected from the group of Co, Mn, Pd, Rh, and Fe.
  • the Cu content is preferably 0.1 to 1.0% by mass, more preferably 0.5 to 0.9% by mass.
  • the Co content is preferably 0.001 to 0.1% by mass, more preferably 0.01 to 0.05% by mass.
  • the Mn content is preferably 0.001 to 0.01% by mass, more preferably 0.003 to 0.008% by mass.
  • the content of Pd is preferably 0.01 to 1.0% by mass, more preferably 0.04 to 0.1% by mass.
  • the content of Rh is preferably 0.005 to 0.5% by mass, more preferably 0.01 to 0.1% by mass.
  • the Fe content is preferably 0.001 to 0.01% by mass, more preferably 0.003 to 0.008% by mass.
  • the Sn content is other than the above elements and unavoidable impurities.
  • the "Ni" substitution elements of Co, Mn, Pd, Rh and Fe, Co is preferable.
  • one or more selected from the group of Ge, Ga, P, Si, Al, V, Zr can be used as an element having an antioxidant effect that can be added to the lead-free solder alloy of the present invention.
  • the content thereof is not particularly limited as long as it has the effect of the present invention, but the following content is preferable.
  • the content of Ge is preferably 0.0001 to 0.1% by mass, more preferably 0.005 to 0.01% by mass.
  • the content of Ga is preferably 0.0001 to 0.1% by mass, more preferably 0.003 to 0.008% by mass.
  • the content of P is preferably 0.0001 to 0.1% by mass, more preferably 0.003 to 0.005% by mass.
  • the Si content is preferably 0.0001 to 0.1% by mass, more preferably 0.005 to 0.01% by mass.
  • the Al content is preferably 0.0001 to 0.05% by mass, more preferably 0.003 to 0.008% by mass.
  • the V content is preferably 0.0001 to 0.05% by mass, more preferably 0.005 to 0.01% by mass.
  • the Zr content is preferably 0.0001 to 0.05% by mass, more preferably 0.005 to 0.01% by mass.
  • the lead-free solder alloy of the present invention is characterized in that Sn and Cu are used as basic compositions, and one or more selected from the group of Co, Mn, Pd, Rh, and Fe is contained therein. Furthermore, by containing one or more selected from the group of Ge, Ga, P, Si, Al, V, and Zr as an element having an antioxidant effect, excellent soldering characteristics and high bonding reliability are included. However, Ag, Sb, Bi, In, Zn, Ti and the like can also be contained within the range having the effect of the present invention. In addition, the shape can be arbitrarily processed according to the application.
  • soldering when soldering is performed by the dip soldering method, the solder shape is rod-shaped, and when soldering is performed by the reflow soldering method, a paste or ball is used.
  • solder joining using a soldering iron in the shape and preform shape it is possible to process and use it in a linear shape such as solder.
  • Examples 6 to 25 as elements having an antioxidant effect, Ge0.0001 to 0.1% by mass, Ga0.0001 to 0.1% by mass, P0.0001 to 0.1% by mass, Si0.0001 to Si0.0001 to It contains one or more of 0.1% by mass, Al0.0001 to 0.05% by mass, V0.0001 to 0.05% by mass, and Zr0.001 to 0.05% by mass.
  • the zero cross times of Examples 6 to 25 are all smaller than those of Comparative Example 1, and even if an element having an antioxidant content is contained, the element that does not hinder the wettability and refines the particles of the intermetallic compound is present. It can be seen that it is effective.
  • Example 2 Comparing the IMC particles formed at the bonding interface in Example 2 and Comparative Example 1 from the SEM photographs of FIGS. 2 to 4, they both have an elliptical shape, a large particle size, a major axis of 1.2 ⁇ m, and a minor axis of 0.8.
  • Comparative Example 2 containing no Ni or Co has a shape closer to a circle than Example 2 and Comparative Example 1, and has a large IMC particle size diameter of about 2.0 ⁇ m. It is about twice as much as that of Comparative Example 1 containing 2 or "Ni".
  • the IMC, the substrate, and the electronic components have different coefficients of linear expansion, stress is generated by thermal shock, and if the stress is biased, the IMC cracks, the IMC in the brittle part is destroyed, and the bonding reliability of the solder alloy is impaired. ..
  • Similar to Ni and Co by adding the elements Pd, Rh, Mn, and Fe, which refine the IMC particles, to the solder alloy, an IMC having the same shape as when "Ni" is added is formed. It can be expected that the mechanical strength will be improved and the solder alloy will have stable joint strength and high reliability.
  • the SEM photographs of FIGS. 2 to 4 show a comparison in which the lead-free solder alloy of the present invention containing Co in the composition based on Sn—Cu of Example 2 is a conventional composition containing “Ni”. Similar to Example 1, it shows that it is a highly reliable solder alloy with improved mechanical strength and stable bonding strength. Similarly, since the IMC particles are also refined into the elements of Mn, Pd, Rh, and Fe, the IMC particles formed by adding Mn, Pd, Rh, and Fe improve the mechanical strength of the solder alloy. It is presumed that the solder alloy to which Mn, Pd, Rh, and Fe are added has the effect of stabilizing the bonding strength and is a highly reliable solder alloy.
  • Example 7 which is Comparative Example 2 not contained, although the surface is glossy, a shrinkage cavity is seen in the central part of the solidified sample. Since the effect of adding "Ni" to the surface gloss is excellent and no shrinkage cavities are generated, the same effect can be seen in Example 2 in which Co is added, Co is a component of the lead-free solder alloy of the present invention. Is proof that it has a substitute effect of "Ni".
  • the lead-free solder alloy containing "Ni” has excellent solderability, workability at the time of soldering, mechanical properties, and joining reliability of the same or higher. Since it is possible to provide a solder joint, it can be expected to be widely applied to the joining of electronic devices and electronic parts.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

本発明は、「Ｎｉ」無添加でありながら、「Ｎｉ」添加の鉛フリーはんだ合金と同様のはんだ付け性並びに接合特性を有する鉛フリーはんだ合金及びはんだ接合体の提供を目的とする。　本発明は、Ｓｎ-Ｃｕを基本組成とし、基本組成にＣｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする鉛フリーはんだ合金を用いることにより、「Ｎｉ」含有鉛フリーはんだと比較して、Ｎｉ感作性が無く、はんだ付け性やはんだ付け時の作業性に優れ、機械的特性や接合信頼性に優れた鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合体を可能とした。

Description

鉛フリーはんだ合金
　本発明は、はんだ付け特性や長期信頼性に優れた鉛フリーはんだ合金、及び当該合金を用いたはんだ接合体に関する。
地球環境負荷軽減のため、電子部品の接合材料として鉛フリーはんだは広く普及しており、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金はその代表的な組成である。
近年、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金は、機械的強度が高く、熱履歴や衝撃に対する接合強度の安定性、流動性が高く実装性が良いなどの優れた特性を有し、さらにＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだと比較してコスト面での優位性も加わり、市場の普及が急速に進んでいる。
しかし、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金には皮膚感作物質として認知されている「Ｎｉ」が微量ながら含まれている。一方、「Ｎｉ」は５００円硬貨にも含有されている物質であり、多くの人が素手で触れる機会の多い環境にもある成分となっている。
接合材料としての鉛フリーはんだは、電子部品や電子機器の製造時に多く用いられるが、５００円硬貨のように一般の人が触れる機会に比べ、極めて限定的な環境での使用となることが現状である。
企業には、皮膚感作物質が含まれていない、より安全な製品の提供が求められている。
ところで、鉛フリーはんだに於いて、「Ｎｉ」の添加効果に関し多くの利点が知られ、とりわけ、Ｓｎ-Ｃｕを主成分とする鉛フリーはんだ合金では「Ｎｉ」の添加により流動性の改善がなされることが特許文献１に開示されている。
更に、「Ｎｉ」添加の効果としては、特許文献２に開示されているように銅基板との接合界面に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５組成の金属間化合物（以下ＩＭＣ）を生成することにより、機械的特性や接合信頼性に優れることが知られている。
そこで、「Ｎｉ」無添加の鉛フリーはんだ合金組成でありながら、「Ｎｉ」添加同様の優れたはんだ付け性や接合信頼性を有する鉛フリーはんだ合金組成が求められている。
特許第３１５２９４５号公報 国際公開第２００９－０５１２５５号公報
本発明は、「Ｎｉ」無添加でありながら、「Ｎｉ」添加と同様のはんだ付け性並びに接合信頼性を有する鉛フリーはんだ合金及びはんだ接合の提供を目的とする。
発明者らは、Ｓｎ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金に於いて、「Ｎｉ」に代わる元素を鋭意検討の結果、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅに「Ｎｉ」添加鉛フリーはんだ合金と同様のはんだ付け性並びに接合信頼性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち本発明は、Ｓｎ-Ｃｕを基本組成とし、基本組成にＣｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする鉛フリーはんだ合金、及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合体である。
本発明は、「Ｎｉ」無添加でありながら、「Ｎｉ」添加鉛フリーはんだ合金と同等以上のはんだ付け性や高い接合信頼性を有することが可能であるため、電子部品並びに電子機器等への汎用性が広い範囲ではんだ付けに応用が可能であり、かつ、人体への影響が少なく安全性の高いはんだ合金である。
ゼロクロスタイムを比較したグラフ 実施例２のＳＥＭ写真 比較例１のＳＥＭ写真 比較例２のＳＥＭ写真 実施例２の凝固サンプル写真 比較例１の凝固サンプル写真 比較例２の凝固サンプル写真
以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ-Ｃｕを基本組成として、これにＣｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする鉛フリーはんだ合金、及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合体である。
　更に、酸化防止効果を有するＧｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒを含有させることにより、はんだ付け性やはんだ付け時の作業性がより向上する。
「Ｎｉ」を添加したＳｎ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は、接合強度の安定性やはんだ付け性に優れた実装性能を有することが知られている。これらの要因として、「Ｎｉ」添加による（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５のＩＭＣの形成、ならびにＩＭＣ粒子の微細化が挙げられる。
Ｓｎ-Ｃｕ系はんだ合金におけるＣｕ６Ｓｎ５は、１８６℃を境として、単斜晶（以下、η‘相）と六方晶（以下、η相）が、それぞれ安定な結晶構造であり、環境温度によって安定側の結晶構造へと相変態することが知られている。
さらに相変態時における結晶の体積変化によって、結晶内部に応力歪が蓄積することでクラックの発生につながる場合もあることが知られている。
一方、「Ｎｉ」を添加したＳｎ-Ｃｕ系はんだ合金に形成される（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５はη相のみであり、上記の相変態は起こらず、したがって結晶内部の応力歪の蓄積やクラックの発生は起こらず、安定した接合状態を維持することが可能となる。
また、微細化した（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５のＩＭＣ粒子によって、はんだ合金は分散強化され、その機械的強度が向上する。
これらの優れた特性によって、冷熱環境が連続的に繰り返されるとヒートサイクルや高温下に長期保持されるエージング等の温度環境の変化を経ても、接合強度の低下は抑制され、より長期的に安定した接合を維持する効果がえられる。
さらに、「Ｎｉ」の添加ではんだ合金の流動性が向上する。流動性の向上は実装性の改善という点で非常に重要な特性である。流動性が低下すると針状結晶が発生し、導体間をショートさせるブリッジが発生したり、電子部品を取り付けた基板が溶融層から離れるときに突起状のツノが発生するなど、品質不良になる。また、はんだ合金の基材や電子部品などに対するぬれ性が低下すると、スルーホール上がり性が悪くなり、品質不良となる。ブリッジやツノの発生、スルーホール上がりの悪化という現象が発生した製品は実装時に不良品として排除され、歩留まりが下がる。実装性の低下は量産作業での効率低下に大きく影響する。
本発明では、「Ｎｉ」添加した場合と同様の特性をもたせるため、「Ｎｉ」に置換可能な元素として、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｆｅを選択した。選択した元素は「Ｎｉ」の効果と同じように、ＩＭＣ粒子を微細化する効果がある。
「Ｎｉ」を添加したＳｎ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は機械的強度が向上することが知られている。図２の「Ｎｉ」を添加したはんだ合金と、図３のＣｏを添加したはんだ合金のＳＥＭ写真を比べると、ＩＭＣ粒子は楕円形状で、寸法も大きいもので長径約1.2μｍ、短径約0.8μｍであり、同じ形状と寸法のＩＭＣが接合界面に形成されている。Ｃｏを添加したはんだ合金は、「Ｎｉ」を添加した場合と同様にＩＭＣが微細化され、さらに形状と寸法まで同じであることが判る。一方、Ｃｏを添加したはんだ合金でＩＭＣ粒子が微細化し、ＩＭＣ粒子の形状と寸法が「Ｎｉ」を添加したはんだ合金と同一であることは、Ｃｏを添加したはんだ合金も同様に機械的強度が向上していると言える。
なお、接合界面で形成されるＩＭＣは、はんだ合金よりも硬くて脆い性質があると知られている。ＩＭＣと基板と電子部品は線膨張係数が異なるため、熱衝撃によって応力が発生し、応力が偏ると、ＩＭＣにクラックが生じ、脆い部分のＩＭＣが破壊され、はんだ合金の接合信頼性が損なわれる。ＩＭＣの成長を抑えて微細化することで、応力に耐える接合強度の安定した信頼性の高いはんだ合金となる。
ＮｉやＣｏと同様に、ＩＭＣ粒子を微細化する元素のＰｄ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｆｅ、をはんだ合金に添加することで、「Ｎｉ」を添加したときと同じ形状のＩＭＣが形成され、機械的強度の向上と、接合強度が安定した信頼性の高いはんだ合金になることが期待できる。
　次に、はんだ合金の実装性に影響する流動性を比較するため、指標となるぬれ性を測定して比較した。表２および図１に記載した「Ｎｉ」を他の元素に置換したはんだ合金のぬれ性の測定し、その結果からは、「Ｎｉ」を添加したはんだ合金よりも、ぬれ性が向上していることがわかる。特にＣｏを添加したはんだ合金は、「Ｎｉ」を添加した比較例１と比べると９０～９４％の値であり、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｆｅと比較してもぬれ性を向上させる優れた効果のあることが判った。ぬれ性の測定結果から、本発明のはんだ合金は流動性が向上しており、ブリッジやツノの発生を抑え、スルーホール上がり性を改善するといった、実装性が優れているはんだ合金であることが判明した。
　本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ及びＣｕを基本組成とし、これにＣｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする。
Ｃｕの含有量は０．１～１．０質量％が好ましく、０．５～０．９質量％がより好ましい。
Ｃｏの含有量は０．００１～０．１質量％が好ましく、０．０１～０．０５質量％がより好ましい。
Ｍｎの含有量は０．００１～０．０１質量％が好ましく、０．００３～０．００８質量％がより好ましい。
Ｐｄの含有量は０．０１～１．０質量％が好ましく、０．０４～０．１質量％がより好ましい。
Ｒｈの含有量は０．００５～０．５質量％が好ましく、０．０１～０．１質量％がより好ましい。
Ｆｅの含有量は０．００１～０．０１質量％が好ましく、０．００３～０．００８質量％がより好ましい。
そして、Ｓｎの含有量は、上記の元素及び不可避不純物以外となる。
Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの「Ｎｉ」置換元素の中では、Ｃｏが好ましい。
　また、本発明の鉛フリーはんだ合金に添加することが出来る酸化防止効果を有する元素として、Ｇｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒ、の群より選択される１種又は２種以上があげられ、その含有量は本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はないが、以下の含有量が好ましい。
Ｇｅの含有量は０．０００１～０．１質量％が好ましく、０．００５～０．０１質量％がより好ましい。
Ｇａの含有量は０．０００１～０．１質量％が好ましく、０．００３～０．００８質量％がより好ましい。
Ｐの含有量は０．０００１～０．１質量％が好ましく、０．００３～０．００５質量％がより好ましい。
Ｓｉの含有量は０．０００１～０．１質量％が好ましく、０．００５～０．０１質量％がより好ましい。
Ａｌの含有量は０．０００１～０．０５質量％が好ましく、０．００３～０．００８質量％がより好ましい。
Ｖの含有量は０．０００１～０．０５質量％が好ましく、０．００５～０．０１質量％がより好ましい。
Ｚｒの含有量は０.０００１～０．０５質量％が好ましく、０．００５～０．０１質量％がより好ましい。
　本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ及びＣｕを基本組成として、これにＣｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とし、
更に酸化防止効果を有する元素として、Ｇｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒの群より選択される１種又は２種以上を含有させることにより、優れたはんだ付け特性や高い接合信頼性を有することを可能にするが、本発明の効果を有する範囲に於いて、Ａｇ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｉ等も含有させることが出来る。
また、用途に応じて任意に形状を加工することができ、例えば、ディップはんだ付け方法によるはんだ接合を行う場合は棒状のはんだ形状に、リフローはんだ付け方法によりはんだ接合を行う場合はペースト状やボール状、及びプリフォーム形状に、はんだ鏝を用いたはんだ接合の場合には、やに入りはんだ等の線状にそれぞれ加工して用いることが可能である。
　本発明について実施例で更に詳しく説明する。
（ぬれ性評価）
　本発明の効果を立証するために、ぬれ性評価を実施した。
〔評価試料〕
評価試料：表１に示す組成のはんだ合金
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 
〔評価方法〕
・ＪＩＳＺ３１９７：２０１２「ウェッティングバランス法」に準じ、実施例１～２５及び比較例１～３のはんだ合金、標準フラックスＢ、並びにリン脱酸銅板（厚さ：０．３ｍｍ、幅：１０ｍｍ、長さ：３０ｍｍ）を準備し、株式会社レスカ製ソルダーチェッカ（ＳＡＴ－５１００）を用い、浸漬深さ２ｍｍ、浸漬速度２０ｍｍ／秒、浸漬時間１０秒、はんだ槽温度を液相線温度より３５±３℃（ＪＩＳに準じる）の条件で測定し評価を実施した。
その結果を表２及び図１に示した。
なお、表２及び図１に示す評価は、ゼロクスタイム及び比較例１のゼロクロスタイムを１００％とした数値を、実施例１～２５と比較例２、３を表したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　表２および図１に示すように、実施例１～２５の全試料は、１００％を下回る数値を示し、ぬれ性の改善効果がある「Ｎｉ」を添加した比較例１と比較して、ぬれ性が優れていることが判明した。その中でもＣｏを含有している実施例２、６～８、９、１２、１７、２０～２２は９０～９４％であり、他の元素を添加した実施例の９４～９８％と比べて小さく、ぬれ性改善の効果が高いことがわかる。
さらに実施例６～２５では、酸化防止効果を有する元素として、Ｇｅ０．０００１～０．１質量％、Ｇａ０．０００１～０．１質量％、Ｐ０．０００１～０．１質量％、Ｓｉ０．０００１～０．１質量％、Ａｌ０．０００１～０．０５質量％、Ｖ０．０００１～０．０５質量％、Ｚｒ０.０００１～０．０５質量％を１種又は２種以上を含有している。実施例６～２５のゼロクロスタイムは、すべて比較例１よりも小さい結果であり、酸化防止のある元素を含有しても、ぬれ性を阻害せず、金属間化合物の粒子を微細化する元素が効果を発揮していることがわかる。
表２及び図１に示された結果から、本発明の実施例は何れも「Ｎｉ」を添加した比較例１と比較してぬれ性に優れていることが判明した。
また、試料溶融時の状態を目視で観察したところ、実施例１～２５は比較例1と比べ、流動性に遜色ないことも確認できた。
（接合状態の評価）
　接合状態を評価する為、ぬれ性を評価した実施例２、比較例１および比較例２の銅板（リン脱酸銅板）を表面エッチング処理し表面を観察した。
〔観察試料作製方法〕
　水酸化ナトリウム溶液（濃度：５０ｇ／Ｌ）とオルトニトロフェノール溶液（濃度：３
５ｇ／Ｌ）を混合した溶液を約６０℃に加温した状態で、ぬれ性を評価した銅板のはんだ付表面を約５分浸漬後、綿棒で研磨後、流水で洗浄し、自然乾燥させ観察試料とした。
〔観察方法〕
　日本電子株式会社製走査電子顕微鏡（ＪＳＭ－６３６０ＬＡ）を用いて、倍率７０００倍にて観察し、評価した。
　図２～図４のＳＥＭ写真より、実施例２と比較例１では接合界面に形成されたＩＭＣ粒子を比較すると、どちらも楕円形状であり、粒子サイズは大きいもので長径1.2μｍ、短径0.8μｍ程度であり、同じ形状と寸法のＩＭＣが、接合界面に形成されている。Ｃｏの添加したはんだ合金は、「Ｎｉ」を添加したはんだ合金の場合と同様にＩＭＣが微細化され、さらに形状と寸法まで同じであることが判る。
しかしながら、ＮｉやＣｏを含有させなかった比較例２は、実施例２や比較例１と比べるとその形状は円形に近く、ＩＭＣの粒子サイズの直径が大きいもので2.0μｍ程度であり、実施例２や「Ｎｉ」を含有させた比較例１の約２倍となっている。
「Ｎｉ」を添加したＳｎ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は機械的強度が向上することが知られている。Ｃｏを添加したはんだ合金のＩＭＣ粒子が微細化し、ＩＭＣ粒子の形状と寸法が「Ｎｉ」を添加したはんだ合金と同一であることは、Ｃｏを添加したはんだ合金も同様に機械的強度が向上していることを示す。
また接合界面で形成されるＩＭＣは、はんだ合金よりも硬くて脆い性質があると知られている。ＩＭＣと基板と電子部品は線膨張係数が異なるため、熱衝撃によって応力が発生し、応力が偏ると、ＩＭＣにクラックが生じ、脆い部分のＩＭＣが破壊され、はんだ合金の接合信頼性が損なわれる。ＩＭＣの成長を抑えて微細化することで、応力に耐える接合強度の安定した信頼性の高いはんだ合金となる。
ＮｉやＣｏと同様に、ＩＭＣ粒子を微細化する元素のＰｄ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｆｅ、をはんだ合金に添加することで、「Ｎｉ」を添加したときと同じ形状のＩＭＣが形成されているため、機械的強度の向上と、接合強度が安定した信頼性の高いはんだ合金になることが期待できる。
　つまり図２～図４のＳＥＭ写真は、実施例２のＳｎ-Ｃｕを基本組成とする組成にＣｏを含有した本発明の鉛フリーはんだ合金が、「Ｎｉ」を含有した従来の組成である比較例１と同様に機械的強度が向上し接合強度が安定した、信頼性の高いはんだ合金であることを現している。
同様にＭｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの元素にもＩＭＣ粒子を微細化させるので、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅを添加することで形成されたＩＭＣ粒子は、はんだ合金の機械的強度を向上し、接合強度を安定させる効果があり、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅを添加したはんだ合金は、信頼性の高いはんだ合金であると推測される。
（はんだ付け性評価）
　次に、本発明の鉛フリーはんだ合金の凝固試験結果について説明する。
〔凝固試験方法〕
試料となるはんだ合金を約５０ｇ計量し、２７０℃で溶解した後、鋳型に約４０ｇ注ぎ、室温放冷し、凝固試料とした。
〔凝固試験評価方法及び結果〕
　評価方法として、表面の光沢、引け巣の有無を目視で評価した。
　本発明の実施例２の凝固試料である図５と「Ｎｉ」を含有した比較例１の凝固試料である図６は、夫々表面光沢に優れ、引け巣が見られないのに対し、Ｃｏを含有しない比較例２である図７は表面光沢はあるものの凝固試料の中央部に引け巣が見られる。
「Ｎｉ」の添加の表面光沢に優れ、引け巣を発生しないという効果が、同様の効果がＣｏを添加した実施例２にも見られることから、本発明の鉛フリーはんだ合金の成分であるＣｏが「Ｎｉ」の代替効果を有していることの証明となっている。
 
　本発明は、「Ｎｉ」無添加でありながら、「Ｎｉ」を含有する鉛フリーはんだ合金が有するはんだ付け性やはんだ付け時の作業性や、機械的特性や接合信頼性が、同等以上に優れるはんだ接合部を提供することが可能である為、電子機器や電子部品等の接合に広く応用が期待できる。

Claims (3)

  1. Ｓｎ及びＣｕを基本組成として、これにＣｏ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅの群から選択される１種又は２種以上を含有し、夫々の含有量が、Ｃｕの含有量が０．１～１．０質量％、Ｃｏの含有量が０．００１～０．１質量％、Ｍｎの含有量が０．００１～０．０１質量％、Ｐｄの含有量が０．０１～１．０質量％、Ｒｈの含有量が０．００５～０．０５質量％、Ｆｅの含有量が０．００１～０．０１質量％、残部を不可避不純物及びＳｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
  2. 酸化防止効果を有する元素として、Ｇｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒ、の群より選択される１種又は２種以上を含有し、夫々の含有量が、Ｇｅの含有量が０．０００１～０．１質量％、Ｇａの含有量が０．０００１～０．１質量％、Ｐの含有量は０．０００１～０．１質量％、Ｓｉの含有量が０．０００１～０．１質量％、Ａｌの含有量が０．０００１～０．０５質量％、Ｖの含有量が０．０００１～０．０５質量％、Ｚｒの含有量は０.０００１～０．０５質量％であることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ合金。
  3. 　請求項１及び請求項２記載の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合したことを特徴とするはんだ接合体。
     
     
PCT/JP2020/034572 2019-09-12 2020-09-11 鉛フリーはんだ合金 Ceased WO2021049643A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021545632A JP7649043B2 (ja) 2019-09-12 2020-09-11 鉛フリーはんだ合金

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-165971 2019-09-12
JP2019165971 2019-09-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021049643A1 true WO2021049643A1 (ja) 2021-03-18

Family

ID=74865764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/034572 Ceased WO2021049643A1 (ja) 2019-09-12 2020-09-11 鉛フリーはんだ合金

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7649043B2 (ja)
WO (1) WO2021049643A1 (ja)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003001482A (ja) * 2001-06-19 2003-01-08 Tokyo Daiichi Shoko:Kk 無鉛半田合金
JP2006061914A (ja) * 2004-08-24 2006-03-09 Nihon Almit Co Ltd 半田合金
JP2007038228A (ja) * 2005-07-29 2007-02-15 Nihon Almit Co Ltd はんだ合金
WO2009028147A1 (ja) * 2007-08-24 2009-03-05 Kabushiki Kaisha Toshiba 接合用組成物
WO2013099849A1 (ja) * 2011-12-27 2013-07-04 千住金属工業株式会社 Ｓｎ－Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金
US20150151386A1 (en) * 2013-12-04 2015-06-04 Mk Electron Co., Ltd. Lead-free solder, solder paste and semiconductor device
WO2016189900A1 (ja) * 2015-05-26 2016-12-01 千住金属工業株式会社 はんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手
JP2018167310A (ja) * 2017-03-30 2018-11-01 千住金属工業株式会社 はんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003001482A (ja) * 2001-06-19 2003-01-08 Tokyo Daiichi Shoko:Kk 無鉛半田合金
JP2006061914A (ja) * 2004-08-24 2006-03-09 Nihon Almit Co Ltd 半田合金
JP2007038228A (ja) * 2005-07-29 2007-02-15 Nihon Almit Co Ltd はんだ合金
WO2009028147A1 (ja) * 2007-08-24 2009-03-05 Kabushiki Kaisha Toshiba 接合用組成物
WO2013099849A1 (ja) * 2011-12-27 2013-07-04 千住金属工業株式会社 Ｓｎ－Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金
US20150151386A1 (en) * 2013-12-04 2015-06-04 Mk Electron Co., Ltd. Lead-free solder, solder paste and semiconductor device
WO2016189900A1 (ja) * 2015-05-26 2016-12-01 千住金属工業株式会社 はんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手
JP2018167310A (ja) * 2017-03-30 2018-11-01 千住金属工業株式会社 はんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手

Also Published As

Publication number Publication date
JP7649043B2 (ja) 2025-03-19
JPWO2021049643A1 (ja) 2021-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102447392B1 (ko) 전자장치 적용을 위한 무연 땜납 합금
US6689488B2 (en) Lead-free solder and solder joint
JP5715399B2 (ja) 電気・電子部品用銅合金材
JP2001504760A (ja) 鉛を含まないはんだ
WO2015019876A1 (ja) Ｃｕを添加したＮｉ－Ｃｒ－Ｆｅ基合金ろう材
JP6281916B2 (ja) はんだ材料および接合構造体
CN106536108A (zh) 含有锌作为主要组分和铝作为合金金属的无铅共晶钎料合金
CN111542624A (zh) 用于高可靠性应用的标准sac合金的低银锡基替代焊料合金
WO2013099849A1 (ja) Ｓｎ－Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金
JP7161134B1 (ja) はんだ合金、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだペースト及びはんだ継手
JP5973992B2 (ja) はんだ合金
CN102642097A (zh) 一种低银无铅钎料合金
WO2021049643A1 (ja) 鉛フリーはんだ合金
JP2020025982A (ja) 鉛フリーはんだ合金
JP7273049B2 (ja) 電子用途のコスト効率の良い鉛フリーはんだ合金
JP2021178350A (ja) 鉛フリーはんだ合金
KR102732357B1 (ko) 극한 환경에서의 전자 응용을 위한 고 신뢰성 무연 땜납 합금
JP2019136776A (ja) はんだ接合方法
JP2016172286A (ja) アルミニウム用はんだ及びはんだ継手
JP2001179483A (ja) 電子部品の実装構造体およびその製造方法
JP2006281318A (ja) スズ（Ｓｎ）と、銀（Ａｇ）と、銅（Ｃｕ）と、リン（Ｐ）とを基本的に含有する鉛フリーのはんだ合金組成物
JP2022026896A (ja) はんだ合金および成形はんだ
JP7421157B1 (ja) はんだ合金、はんだペースト及びはんだ継手
JP5903626B2 (ja) 鉛フリーはんだ合金
WO2024034689A1 (ja) はんだ合金、はんだペースト及びはんだ継手

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20864049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021545632

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20864049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1