JPH07155984A - 錫、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含有する、鉛を含まない合金 - Google Patents

錫、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含有する、鉛を含まない合金

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JPH07155984A
JPH07155984A JP6260149A JP26014994A JPH07155984A JP H07155984 A JPH07155984 A JP H07155984A JP 6260149 A JP6260149 A JP 6260149A JP 26014994 A JP26014994 A JP 26014994A JP H07155984 A JPH07155984 A JP H07155984A
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JP6260149A
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James A Slattery
エイ． スラッタリー ジェームス
John R Sovinsky
アール． ソビンスキー ジョン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 錫、亜鉛、インジウムおよびビスマスを含有
する鉛を含まないはんだ組成物を提供する。 【構成】 鉛を含まない合金であって、少なくとも約８
２重量％の錫、少なくとも約４．５重量％の亜鉛、少な
くとも約３．５重量％であって亜鉛の重量％より多くな
いインジウム、および少なくとも約１重量％であってイ
ンジウムの重量％より多くないビスマスを含有する、鉛
を含まない合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、はんだ付けに使用する
鉛を含まない合金に関する。さらに特定すれば、本発明
は錫、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含有する、
鉛を含まないはんだ組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】異なるはんだ組成物は、独自の特性を持
ち、この特性は該組成物を特定の用途に適するようにす
る。はんだの使用に重要な２つの特性は、融解温度およ
び融点範囲である。
【０００３】融解温度は、はんだの最も重要な特性の１
つである。特定の用途に選択されたはんだは、結合され
る任意の温度感受性の構成部品を傷めないような、十分
に低い融解温度を有すべきである。しかし、融解温度は
また、形成された結合が、装置の運転温度、または引き
続くはんだ付け作業により影響され得ないように十分高
くあるべきである。最近の電子部品への使用では、微小
電子部品の温度感受性は、比較的低温でのはんだの使用
を要求する。これに対し、鉛管敷設で、管を結合および
密封するためのはんだは、構成部品がそれほど温度感受
性でないので、一般により高い作業温度で適用される。
【０００４】はんだの他の重要な特性は、溶融範囲であ
る。純粋な元素金属は、融点を有する。しかし、共融組
成物を除いて、殆どの合金はある温度範囲で溶融する。
合金は固相化温度と呼ばれる温度で溶融し始めるが、液
相化温度と呼ばれるより高い温度に達するまで完全には
液体にならない。固相化温度と液相化温度の間の範囲
は、相変態範囲または「ペースト状(pasty)」範囲と呼
ばれる。「ペースト状」範囲内の温度で、合金は、異な
る金属組成を含む液相および固相の混合物を含有する。
固相は、より高い融点の成分を含有し、そして液相はよ
り低い融点の成分を含有する。溶解分離（liquation）
と呼ばれる、二成分の分離は、合金の化学組成、および
得られる接合部の物理的特徴を改変し得る。
【０００５】溶解分離は、サーキットボードのような、
部品が、はんだ付け装置の中に、コンベヤベルトによっ
て搬送される、自動はんだ付け作業で特に問題になり得
る。はんだが、ウエイヴソルダリング（wave solderin
g）のような工程で適用された後、コンベヤは、部品を
冷却ゾーンに運ぶ。はんだ付けされた結合部が、冷却す
るにつれ、はんだは固化する。もし、「ペースト状」範
囲の大きいはんだが用いられると、はんだ付けされた結
合部のある部分は、はんだのある部分は液体のままであ
るのに、固化し始める。コンベヤベルトの振動は、従っ
て、２種の金属相を分離し得る。振動および溶解分離
は、はんだの結晶化を崩壊し得る。崩壊した結合部は物
理的に弱化され得、そして電気を不十分に導通するか、
あるいは全く導通せず、誤作動しがちか、または全く機
能しない回路となる。そのような適用において、共融は
んだ、または狭い「ペースト状」範囲のはんだを用いる
のが好ましい。
【０００６】狭い「ペースト状」範囲を有するはんだは
また、構成部品が、装置に逐次的に加えられる、ある種
の「ステップはんだ付け」において重要である。これら
の作業もまた、特定の融解温度を有するはんだに依存す
る。ステップはんだ付けにおいては、最初の構成部品
は、比較的高融解温度のはんだを用いて、結合される。
後の構成部品が結合される時、より低い融解温度のはん
だが用いられ、より先にはんだ付けされた結合部は、は
んだ付け作業によって影響されない。次に、より低い融
解温度を有するはんだを用いて、構成部品が加えられ得
る。異なった融点を有するはんだの適用は、そのような
ステップはんだ付けプロセスにとって、決定的である。
数回のはんだ付けステップがなされるのであれば、はん
だの溶融範囲は小さいことが重要である。
【０００７】自動化されたはんだ付け作業においては、
数種のはんだが一般に用いられる。Ｓｎ６３は、６３％
の錫および３７％の鉛から構成され、１８３℃で正確に
溶融する共融合金である。Ｓｎ６２は、６２％の錫、２
％の銀、および３６％の鉛から構成され、１７９℃の融
解温度を有する共融合金に近い合金である。Ｓｎ６０
は、６０％の錫および４０％の鉛から構成され、１８３
℃の固相化温度および１８８℃の液相化温度を有し、５
℃の「ペースト状」範囲を与える。これらのはんだは、
Federal Specification QQ-S-571E Interim Amendment
5 (ER) １９８９年１２月２８日（以後、「Federal Spe
cification QQ-S-571E」）で規定されている。これらの
はんだは、自動化されたはんだ付け用として、優れた特
性を有する。しかし、それらは、鉛を含有するという難
点を有する。
【０００８】鉛は毒性を有することが知られている。こ
のため、鉛および鉛を含有する組成物の使用には、厳し
い制限が課されている。鉛を含有するはんだの使用に関
する制限は、鉛管敷設に関して最も厳しい。鉛管敷設に
おいて、最近まで最も知られた鉛管用はんだは、５０％
の鉛および５０％の錫を含有するＳｎ５０Ｐｂ５０であ
った。最近の合衆国法規は、飲用水システムで鉛を含有
するはんだの使用を禁じ、鉛管工にＳｎ５０Ｐｂ５０の
使用を止め、そして鉛を含まないはんだに替えることを
強制している。
【０００９】鉛管敷設は最も鮮明な例であるが、鉛を含
有するはんだの別の用途もまた、規制されている。合衆
国労働安全衛生局（「ＯＳＨＡ」）は、作業場所の空気
中の許容鉛濃度を規制する、複合の広範囲の鉛規制値を
設けた。空中の鉛濃度が高くなった状態で、ＯＳＨＡ規
制は、労働者の暴露を最小にするための厳しい要求を有
する。鉛を含有するはんだを使用するほとんどの状況
が、ＯＳＨＡ規制値を発動するに十分高い鉛濃度を生み
出さないが、はんだ中の鉛の使用に関する、より厳しい
制限が課され得る。そのような規制が無くても、労働者
の鉛への暴露を減じることは、なお望ましい。それ故、
鉛を含有しない代替はんだを提供することにより、特定
の応用のために、鉛を含有するはんだへの依存を減じる
ことが望ましい。
【００１０】また、電子部品の組立に適した、比較的低
い融解温度の鉛を含有しないはんだを提供することが望
ましい。
【００１１】さらに、自動化されたはんだ付け作業の用
途に適した、比較的狭い「ペースト状」範囲を有する鉛
を含有しないはんだ組成物を提供することが望ましい。
【００１２】また、一般に用いられているＳｎ６３、Ｓ
ｎ６２およびＳｎ４０のような鉛を含有するはんだを代
替し得る鉛を含有しないはんだ組成を提供することも望
ましい。
【００１３】
【発明の要旨】本発明の目的は、通常の鉛を含有するは
んだよりも毒性の少ない、結合および密閉用のはんだ組
成物を提供することにある。
【００１４】本発明のさらなる目的は、電子部品の組立
に適した、比較的低い融解温度の鉛を含有しないはんだ
組成物を提供することにある。本明細書および請求の範
囲で用いられる用語「鉛を含まない」とは、組成物の鉛
含有量が、Federal Specification QQ-S-571Eの3.2.1.
1.1節によって不純物として許容される鉛の百分率を超
えないことを意味する。
【００１５】本発明のよりさらなる目的は、自動化され
たはんだ付け作業の使用に適した、比較的狭い「ペース
ト状」範囲を有する、鉛を含有しないはんだ組成物を提
供することにある。
【００１６】また、本発明の目的は、一般に用いられて
いるＳｎ６３、Ｓｎ６２およびＳｎ６０のような鉛を含
有するはんだを代替し得る鉛を含有しないはんだを提供
することにある。
【００１７】本発明に従って、錫、亜鉛、インジウム、
およびビスマスを含有する実質的に鉛を含有しないはん
だが提供される。本発明の上記および他の目的、および
他の利点は、下記の詳細な説明を考慮すれば明かにな
る。
【００１８】
【発明の構成】本発明は、少なくとも約８２重量％の
錫、少なくとも約４．５重量％の亜鉛、少なくとも約
３．５重量％であって亜鉛の重量％より多くないインジ
ウム、および少なくとも約１重量％であってインジウム
の重量％より多くないビスマスを含有する、鉛を含まな
い合金に関する。
【００１９】好適な実施態様では、この鉛を含まない合
金は、約６重量％より多くない亜鉛を含有する。
【００２０】他の好適な実施態様では、この鉛を含まな
い合金は、約８２重量％の錫、約６重量％の亜鉛、約６
重量％のインジウム、および約６重量％のビスマスを含
有する。
【００２１】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８３重量％の錫、約６重量％の亜
鉛、約６重量％のインジウム、および約５重量％のビス
マスを含有する。
【００２２】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８４重量％の錫、約６重量％の亜
鉛、約５．５重量％のインジウム、および約４．５重量
％のビスマスを含有する。
【００２３】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８４重量％の錫、約６重量％の亜
鉛、約５重量％のインジウム、および約５重量％のビス
マスを含有する。
【００２４】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８５重量％の錫、約５重量％の亜
鉛、約５重量％のインジウム、および約５重量％のビス
マスを含有する。
【００２５】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８５重量％の錫、約６重量％の亜
鉛、約５重量％のインジウム、および約４重量％のビス
マスを含有する。
【００２６】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８６．５重量％の錫、約５．５重量
％の亜鉛、約４．５重量％のインジウム、および約３．
５重量％のビスマスを含有する。
【００２７】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８８重量％の錫、約６重量％の亜
鉛、約５重量％のインジウム、および約１重量％のビス
マスを含有する。
【００２８】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約８８重量％の錫、約５重量％の亜
鉛、約４重量％のインジウム、および約３重量％のビス
マスを含有する。
【００２９】さらに他の好適な実施態様では、この鉛を
含まない合金は、約９０重量％の錫、約５重量％の亜
鉛、約４重量％のインジウム、および約１重量％のビス
マスを含有する。
【００３０】本発明はまた、約８６．５重量％の錫、約
５．５重量％の亜鉛、約３．５重量％のインジウム、お
よび約４．５重量％のビスマスを含有する、鉛を含まな
い合金である。
【００３１】さらに本発明はまた、約８６．５重量％の
錫、約４．５重量％の亜鉛、約５．５重量％のインジウ
ム、および約３．５重量％のビスマスを含有する、鉛を
含まない合金である。
【００３２】錫、亜鉛、インジウム、およびビスマスを
含有する組成物が、電子部品のはんだ付け作業に適して
いることを見い出した。Ｓｎ６３、Ｓｎ６２およびＳｎ
４０に代わる鉛を含有しない合金を提供するための目的
として、好ましい合金は、約１９０℃または１９０℃未
満の融解温度、および比較的狭い「ペースト状」範囲を
有する合金である。
【００３３】本発明の一つの実施態様は、約８２重量％
から約９０重量％の錫、約４．５重量％から約６重量％
の亜鉛、約３．５重量％から約６重量％のインジウム、
および約１．０重量％から約５．０重量％のビスマスを
含有する組成物である。好ましい合金は、インジウムと
比較してより大きいまたは等しい重量％の亜鉛、および
ビスマスと比較してより大きいまたは等しい重量％のイ
ンジウムを含有する。特に好ましい組成は、８６．５重
量％の錫、５．５重量％の亜鉛、４．５重量％のインジ
ウム、および３．５重量％のビスマスである。
【００３４】この合金中の錫の高い百分率は、類似の融
解温度を有する従来の鉛を含有しないはんだにない特徴
である。高い錫含有量は、合金に優れたぬれ性と機械特
性を与える。合金の融解特性を組み合わせたこれらの特
性は、この合金が特に電子部品のはんだ付けで使用され
るのを適切にする。
【００３５】本発明の合金組成物は当該分野の公知技術
によって調製し得る。例えば、重量で計り取った錫、亜
鉛、インジウム、およびビスマスを加熱容器に配置し得
る。次に、これらの金属は、何れの従来の溶融技術を用
いても共融し得る。これらの金属が、すべての物質が液
体になる温度まで加熱された時、この混合物は冷却し
得、適当な型に流し込み得る。冷却後、この合金は棒状
などの適切な型に製造し得る。
【００３６】以下の合金を調製した。それは、本発明の
例証となるが、本発明の実施態様を制限するものではな
い。実施例、明細書のいずれの箇所においても、特に断
わり書きがない限り、全ての割合および百分率は重量で
ある。合金の特性を、示差走査熱量計測を用いて測定し
た。装置は、サンプルの熱エネルギーの関数としてサン
プルの温度曲線を追跡し、曲線のくぼみが、サンプルの
融点または溶解範囲を示す。このくぼみの鋭い傾斜およ
び細い幅は、狭い「ペースト状」範囲を示し、そして潜
在的に有用なはんだとして望ましいことを示す。
【００３７】以下の実施態様は、好ましい実施態様の組
成物を記載する一般的な基準(rule)を示す。その合金
は、インジウムと比較してより多い、または等しい重量
％の亜鉛、およびビスマスと比較してより多い、または
等しい重量％のインジウムを含有する。
【００３８】
【実施例】
＜実施例１＞組成物が82％の錫、６％の亜鉛、６％のイ
ンジウム、および６％のビスマスである合金は、以下の
特性を有する：固相化温度177℃；液相化温度185℃；お
よび「ペースト状」温度８℃。
【００３９】＜実施例２＞組成物が83％の錫、６％の亜
鉛、６％のインジウム、および５％のビスマスである合
金は、以下の特性を有する：固相化温度180℃；液相化
温度186℃；および「ペースト状」温度６℃。
【００４０】＜実施例３＞組成物が84％の錫、６％の亜
鉛、5.5％のインジウム、および4.5％のビスマスである
合金は、以下の特性を有する：固相化温度181℃；液相
化温度187℃；および「ペースト状」温度６℃。
【００４１】＜実施例４＞組成物が84％の錫、６％の亜
鉛、５％のインジウム、および５％のビスマスである合
金は、以下の特性を有する：固相化温度182℃；液相化
温度188℃；および「ペースト状」温度６℃。
【００４２】＜実施例５＞組成物が85％の錫、６％の亜
鉛、５％のインジウム、および４％のビスマスである合
金は、以下の特性を有する：固相化温度183℃；液相化
温度188℃；および「ペースト状」温度５℃。
【００４３】＜実施例６＞組成物が85％の錫、５％の亜
鉛、５％のインジウム、および５％のビスマスである合
金は、以下の特性を有する：固相化温度180℃；液相化
温度186℃；および「ペースト状」温度６℃。
【００４４】＜実施例７＞組成物が86.5％の錫、5.5％
の亜鉛、4.5％のインジウム、および3.5％のビスマスで
ある合金は、以下の特性を有する：固相化温度185℃；
液相化温度188℃；および「ペースト状」温度３℃。
【００４５】＜実施例８＞組成物が88％の錫、６％の亜
鉛、５％のインジウム、および１％のビスマスである合
金は、以下の特性を有する：固相化温度188℃；液相化
温度191℃；および「ペースト状」温度３℃。
【００４６】＜実施例９＞組成物が88％の錫、５％の亜
鉛、４％のインジウム、および３％のビスマスである合
金は、以下の特性を有する：固相化温度185℃；液相化
温度188℃；および「ペースト状」温度３℃。
【００４７】＜実施例１０＞組成物が90％の錫、５％の
亜鉛、４％のインジウム、および１％のビスマスである
合金は、以下の特性を有する：固相化温度190℃；液相
化温度192℃；および「ペースト状」温度２℃。
【００４８】上記の実施例から決定したように、最良の
融解特性を示す合金は、インジウムと比較してより多
い、または等しい重量％の亜鉛、およびビスマスと比較
してより多い、または等しい重量％のインジウムを含有
する成分金属の百分率を含む。さらに、以下の実施例１
１および１２に示す組成物が、この一般的基準からわず
かに変化するが、満足する溶解特性を示すことを測定し
た。
【００４９】＜実施例１１＞組成物が86.5％の錫、5.5
％の亜鉛、3.5％のインジウム、および4.5％のビスマス
である合金は、以下の特性を有する：固相化温度183
℃；液相化温度189℃；および「ペースト状」温度６
℃。
【００５０】＜実施例１２＞組成物が86.5％の錫、4.5
％の亜鉛、5.5％のインジウム、および3.5％のビスマス
である合金は、以下の特性を有する：固相化温度180
℃；液相化温度186℃；および「ペースト状」温度６
℃。
【００５１】本研究は、上記の一般的基準に加えて、合
金がまた、満足する溶解特性を得るために少なくとも約
4.5重量％の亜鉛を含有むべきであることを示す。
【００５２】以下の合金を調製した。そしてそれは乏し
い溶解特性を示す：86.5％のＳｎ、3.5％のＺｎ、5.5％
のＩｎ、および4.5％のＢｉ；86.5％のＳｎ、3.5％のＺ
ｎ、4.5％のＩｎ、および5.5％のＢｉ；86.5％のＳｎ、
4.5％のＺｎ、3.5％のＩｎ、および5.5％のＢｉ；88％
のＳｎ、４％のＺｎ、４％のＩｎ、および４％のＢｉ；
90％のＳｎ、４％のＺｎ、３％のＩｎ、および３％のＢ
ｉ；91％のＳｎ、３％のＺｎ、３％のＩｎ、および３％
のＢｉ。
【００５３】好ましい合金が電子部品をはんだ付けする
有用性について記載されているが、はんだが用いられる
多くの用途に用いられ得る。これらのはんだの低融点
は、特に、これらはんだが、温度感受性の部品を接合あ
るいは密封するのに有用であることを示す。
【００５４】本発明をその好適な実施態様に関して説明
したが、当業者にその種々の改変が明らかになり得るこ
とは理解されるべきである。前述の開示は、本発明を制
限することを意図するものではなく、または意味するも
のでもない。また、その反対に、任意のそのような他の
実施態様、応用、改変、および等価の組み合わせを除外
するものではなく、本発明は、添付の請求の範囲および
その等価物にのみ制限される。
【００５５】
【発明の効果】 通常の鉛を含有するはんだよりも毒性
の少ない、結合および密閉用のはんだ組成物が提供され
る。電子部品の組立に適した比較的低い融解温度、およ
び自動化されたはんだ付け作業の用途に適した比較的狭
い「ペースト状」範囲を有するはんだを得ることができ
る。また、一般に用いられているＳｎ６３、Ｓｎ６２お
よびＳｎ６０のような鉛を含有するはんだを代替し得る
鉛を含有しないはんだが提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン アール． ソビンスキー アメリカ合衆国 ニューヨーク 13090, リバプール，パーチ ドライブ 8214

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 鉛を含まない合金であって、少なくとも
    約８２重量％の錫、少なくとも約４．５重量％の亜鉛、
    少なくとも約３．５重量％であって亜鉛の重量％より多
    くないインジウム、および少なくとも約１重量％であっ
    てインジウムの重量％より多くないビスマスを含有す
    る、鉛を含まない合金。
  2. 【請求項２】 約６重量％より多くない亜鉛を含有す
    る、請求項１に記載の鉛を含まない合金。
  3. 【請求項３】 約８２重量％の錫、約６重量％の亜鉛、
    約６重量％のインジウム、および約６重量％のビスマス
    を含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  4. 【請求項４】 約８３重量％の錫、約６重量％の亜鉛、
    約６重量％のインジウム、および約５重量％のビスマス
    を含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  5. 【請求項５】 約８４重量％の錫、約６重量％の亜鉛、
    約５．５重量％のインジウム、および約４．５重量％の
    ビスマスを含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合
    金。
  6. 【請求項６】 約８４重量％の錫、約６重量％の亜鉛、
    約５重量％のインジウム、および約５重量％のビスマス
    を含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  7. 【請求項７】 約８５重量％の錫、約５重量％の亜鉛、
    約５重量％のインジウム、および約５重量％のビスマス
    を含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  8. 【請求項８】 約８５重量％の錫、約６重量％の亜鉛、
    約５重量％のインジウム、および約４重量％のビスマス
    を含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  9. 【請求項９】 約８６．５重量％の錫、約５．５重量％
    の亜鉛、約４．５重量％のインジウム、および約３．５
    重量％のビスマスを含有する、請求項２に記載の鉛を含
    まない合金。
  10. 【請求項１０】 約８８重量％の錫、約６重量％の亜
    鉛、約５重量％のインジウム、および約１重量％のビス
    マスを含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  11. 【請求項１１】 約８８重量％の錫、約５重量％の亜
    鉛、約４重量％のインジウム、および約３重量％のビス
    マスを含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  12. 【請求項１２】 約９０重量％の錫、約５重量％の亜
    鉛、約４重量％のインジウム、および約１重量％のビス
    マスを含有する、請求項２に記載の鉛を含まない合金。
  13. 【請求項１３】 約８６．５重量％の錫、約５．５重量
    ％の亜鉛、約３．５重量％のインジウム、および約４．
    ５重量％のビスマスを含有する、鉛を含まない合金。
  14. 【請求項１４】 約８６．５重量％の錫、約４．５重量
    ％の亜鉛、約５．５重量％のインジウム、および約３．
    ５重量％のビスマスを含有する、鉛を含まない合金。
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