JPH0919792A - 機械的特性が優れた無鉛半田 - Google Patents

機械的特性が優れた無鉛半田

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JPH0919792A
JPH0919792A JP7352310A JP35231095A JPH0919792A JP H0919792 A JPH0919792 A JP H0919792A JP 7352310 A JP7352310 A JP 7352310A JP 35231095 A JP35231095 A JP 35231095A JP H0919792 A JPH0919792 A JP H0919792A
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solder
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JP7352310A
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Choong Sik Yoo
忠 植 劉
Mi Yeon Kim
美 延 金
Duk Yong Yoon
徳 龍 尹
Hyukkumo Ri
ヒュック 模 李
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Sansei Denki KK
Samsung Electro Mechanics Co Ltd
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Sansei Denki KK
Samsung Electro Mechanics Co Ltd
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K35/00Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400°C
    • B23K35/262Sn as the principal constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子機器配線用に使用可能な融点および凝固
温度範囲を有するのみならず、殊に機械的強度が増加し
た無鉛半田を提供すること。 【解決手段】 その組成が重量%で、Zn4〜9%,I
n2〜5%,Bi1〜24%および残部Snからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はプリント基板、ハイ
ブリッド基板等の電子部品の電子機器の配線用として用
いられる無鉛半田に関するものであって、より詳しくは
機械的特性が優れた錫−亜鉛−インジュウム−ビスマス
系無鉛半田に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半田の内従来から最も多く用いられて来
たSn−Pb系合金は、いろいろの機械的、物理的特性
が優れており、主に配管、熱交換器のような構造用と一
般電子産業用として多様に用いられている。しかし、S
n−Pb系合金のように鉛を含有している半田の場合、
鉛自体が分解しない金属で、一旦摂取すれば放出されず
体内に蓄積される問題を抱えている。実例として、米国
の疾病規制センター(Center for Dise
ase Control)において明示した鉛の毒性は
血中濃度10μg/dl以上となれば致命的で、特に幼
児には知能の低下を誘発させる。のみならず、更に鉛の
廃棄物は土壌を汚染させる。
【0003】特に、50Sn−50Pbや70Sn−3
0Pb等のような伝統的配管用の半田は、広い温度範囲
において使用が可能であり、強い機械的連結部位を形成
し、銅パイプ溶接に大変有用であるが、鉛が水に溶け込
み長い時間後には健康に致命的な害を与えると言う事が
発見されて、飲水を運搬するパイプのような配管用半田
においても鉛の使用が規制され始めた。
【0004】このような、鉛についての規制措置が抬頭
するにつれて、最近では無鉛半田の開発が始められた。
例を挙げれば、米国特許第1,778,733号明細書
に提示されたところによると、Sn−Ag(0.005
〜3%)−Cu(0.7〜6%)の組成の無鉛半田が提
案されており、更に米国特許第4,929,423号明
細書にはSn−Bi(0.08〜20%)−Ag(0.
01〜1.5%)−Cu(0.02〜1.5%)−P
(0.01%)−稀土類混合物からなる組成の無鉛半田
が提案されている。しかしながら、上記無鉛半田等は配
管用として用いられるものであって、溶融温度が高いの
みならず、溶融温度の範囲が広いから、電子部品用に適
用するには困難である。何となれば電子部品用に用いら
れる無鉛半田はその使用温度に適合するように固有の特
性を有するが、電子部品用無鉛半田の場合には、特にそ
の溶融温度および凝固温度範囲が重要であるからであ
る。
【0005】即ち、特定の用途により選択された電子部
品用の無鉛半田は、隣接の部品、特に温度に敏感な部品
に損傷を与えない程度に低い溶融温度を有すべきのみな
らず、半田後には使用中接合状態が熱的に安定なるよう
に高い溶融温度範囲を有する必要がある。
【0006】更に、無鉛半田は大部分共晶反応が生ずる
成分系から成るから、共晶組成以外の特定組成を持つよ
うになる場合、半田付け後溶融状態から凝固が始まる液
相線を通過するようになり液相と固相とが共存するよう
になり、次いで、完全に凝固が終了する固相線に至る凝
固温度範囲を持つが、万一電子部品用無鉛半田の凝固温
度の範囲が大きい場合には、半田付け後凝固時間が長引
いて収縮現象が生じ得るから、可及的に少ない凝固温度
範囲を有する無鉛半田である程、連続的な自動半田時段
階的な半田付けに、より有利な点があるからである。
【0007】一方、電子部品等に適合な無鉛半田として
最近開発されたSn−Zn−In系無鉛半田があるが、
その代表的な例を挙げれば、米国特許第5,242,6
58号明細書に提示の無鉛半田を挙げることができる。
米国特許第5,242,658号明細書に提示の無鉛半
田は、Sn:72.8〜89.4%,Zn:6.7〜1
9.2%,In:2.7〜19.4%の組成からなる
が、上記無鉛半田の場合、従来のSn−Zn合金にIn
を添加して溶融温度を低め、lnの酸化、腐食、湯あか
生成問題を解決して低溶融温度をもって狭い溶融温度範
囲を有している。しかし、上記無鉛半田にはInが添加
されながら不規則的な針状模様の樹枝状晶が形成される
微細構造を有することにより、相対的に機械的強度値が
減少され結局最終適合強度が劣化する短所がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明は
上記の従来の無鉛半田の問題点を解決しようと提案され
たものであって、本発明の従来のSn−Zn−In系無
鉛半田に適切な量のBiを添加して、針状樹枝状晶生成
を抑制して他の微細構造を有するように成すことによっ
て、電子機器配線用に使用可能な融点および凝固温度範
囲を有するのみならず、殊に機械的強度が増加した無鉛
半田を提供することに、その目的がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するためになされたものであり、本発明は重量%
で、Zn:4〜9%,In:2〜5%,Bi:1〜24
%および残部Snからなる組成の機械的性質が優れた無
鉛半田に関するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳しく説明
する。
【0011】先ず、本発明による無鉛半田中に含有され
る亜鉛の組成割合は、共晶組成近く(Sn−9Zn)に
保つようにするのが良い。万一亜鉛の含量が余り少なか
ったり、余り多ければ半田の溶融温度範囲が広くなるか
ら、本発明における無鉛半田中に含有される亜鉛の含量
は4〜9重量%(以下、単に%と称する。)に制限され
るべきである。
【0012】更に、インジュウム成分は無鉛半田の溶融
温度を下げる一方、湿潤性を改善する役割をするが、イ
ンジュウムの含量は2〜5%に制限されるべきである。
万一インジュウムの含量が2%未満となればその効果が
少なく、5%を超えるとγ−Sn相が常温において、析
出され上記γ−Sn相(Hcxagonal)がα−S
n相(face centered cubic)に相
変異を生じるようになり、結局接合部の熱疲労特性が低
下することになる。
【0013】更に、上記インジュウムと共に複合添加さ
れるビスマスの場合、半田の溶融温度を下げる役割を成
すが、より重要なことはインジュウム添加による針状の
樹枝状晶形成を抑制して、機械的強度を増加させる役割
をする。このとき、ビスマスの場合少量の添加でも針状
の樹枝状晶を抑制することができるが、その添加量が余
り多ければ溶融温度を大いに下げ、かえって溶融温度範
囲を広げるためにこのような点を考慮すると、上記ビス
マスの含有量は1〜24%に定めなければならない。
【0014】上記組成を有する半田は、金属原材料を秤
量し大気中においてポットやルツボを用いて加熱、攪拌
しながら溶解するという、通常の鋳造方法により製造す
ることができる。このとき、大気中において溶解する
と、金属原料中の不純物または非金属介在物と合金溶湯
が大気と反応して、半田合金中に溶存窒素や溶存酸素の
ような溶存ガスが残留するようになることにより、半田
母材の表面に湿潤性を妨げて半田付け性が低下したり、
半田の接合部に気孔を生じることから、熱伝導も、熱疲
労特性および製品信頼性に問題が生じる素地を有する。
したがって、大気中において合金製造時に生ずる不純物
または非金属介在物と合金中の溶存ガスを最少化して、
半田付け性を向上させ、熱疲労特性および成品の信頼性
を改善するために、本発明の半田製造時には真空状態ま
たは不活性雰囲気において溶解し、Bi,Zn等の原料
の酸化を抑制して、湯あかが生じるのを最少化する溶解
方法がより望ましい。
【0015】このような方法により製造される本発明の
無鉛半田は、いろいろな形態(インゴット、長方形、円
形等)に製造することができ、更に多様な大きさの球形
の粉末にも製造することができる。更に、粉末形態の半
田の場合、適当なフラックスと混合してペーストを製造
することも可能である。
【0016】このように製造した本発明の無鉛半田は、
一般電子部品の電子機器配線用として使用可能な融点を
有するのみならず、凝固範囲が狭いから段階的な自動半
田付けに大変有利であり、従来のSn−Zn系、Sn−
Zn−In系半田よりも機械的強度が増加される特徴が
ある。特に、本発明の無鉛半田は、その組成がZn:5
〜9%,In:2〜5%,Bi:1〜10%および残部
Snの場合尚更望ましい。
【0017】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明するが、こ
れらは代表的な例であり、本発明はこれらの実施例に制
限されない。
【0018】(実施例1〜11)(比較例1,2) 下記表1のような組成を有するようにSn,Zn,In
およびBi金属原料を秤量後、大気中において高周波誘
導炉を用いて溶解した後、鋳造した。
【0019】さらに、比較のため従来のSn,Zn,I
n含有半田を鋳造した。
【0020】鋳造したそれぞれの合金について、凝固時
の液相線温度と固相線温度とを測定し、その結果を表1
に示した。
【0021】
【表1】 上記表1に示したように、本発明に係る実施例1〜11
の場合,従来のSn−Zn−In無鉛半田に比して,殆
んど同等の水準の凝固温度範囲を有することができ、更
に低融点化が可能になることを知ることができる。これ
は、本発明のSn−Zn−In−Bi無鉛半田が、従来
の無鉛半田と同じように電子部品等に利用することので
きる半田付け特性を有することを意味する。
【0022】機械的特性 本発明の無鉛半田と従来の半田についての機械的特性を
考察するために、Sn−40Pb,Sn−8Zn−5I
n半田と実施例1,5について機械的特性を測定し、そ
の結果を図1に示した。
【0023】図1に示したように、実施例1,5の場
合,従来の半田に比して引張強度が極めて優れることが
判った。
【0024】更に、従来のSn−9Zn,Sn−8Zn
−5In半田と実施例1,5について、応力−変形関係
を測定し、その結果を図2に示した。
【0025】図2に示したように、実施例1,5の場
合、従来の半田のSn−9ZnおよびSn−8Zn−5
In無鉛半田に比して、変形に対して大きな応力が必要
であることが判った。
【0026】以上の機械的特性を考慮して見るに、本発
明の無鉛半田の場合、従来のSn−Pb,Sn−Znま
たはSn−Zn−In半田に比して最終の接合強度が優
れることを知ることができる。
【0027】このような事実を微細組織を通じて考察す
るため、上記Sn−8Zn−5In合金および実施例1
に対して微細組織を観察し、その結果を図3に示した。
【0028】図3に示したように、従来の無鉛半田であ
るSn−8Zn−5In合金の場合、針状形態の樹枝状
晶が観察される反面、実施例1の無鉛半田の場合、Bi
の添加により不規則的な針状の樹枝状晶が抑制されるこ
とを知り得る。結局このような組織上の差で、本発明の
無鉛半田が従来の無鉛半田に比して優れた機械的特性を
表わすという事が確認された。
【0029】
【発明の効果】上述のように、本発明の無鉛半田は、従
来のSn−An−In系無鉛半田と殆んど同等な半田特
性を有するのみならず、機械的性質が優れており、電子
部品の配線用として使用時最終接合強度が優秀であると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半田と本発明の無鉛半田についての機械
的特性を示すグラフである。
【図2】従来の半田と本発明の無鉛半田についての応力
−変形関係を示すグラフである。
【図3】従来の無鉛半田と本発明の無鉛半田についての
微細組織写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尹 徳 龍 大韓民国 ソウル カンナム−ク チュン ダム−ドン 63 ヒョスンヴィラ 33− 203 (72)発明者 李 ヒュック 模 大韓民国 テジョン ユソン−ク イーウ ン−ドン 99 ハンビトアパートメント 101−1203

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、Zn:4〜9%,In:2〜
    5%,Bi:1〜24%および残部Snの組成からなる
    ことを特徴とする機械的特性が優れた無鉛半田。
  2. 【請求項2】 重量%で、Zn:5〜9%,In:2〜
    5%,Bi:1〜10%および残部Snの組成からなる
    請求項1に記載の無鉛半田。
  3. 【請求項3】 重量%で、Zn:7〜9%,In:2〜
    3%,Bi:4〜9%および残部Snの組成からなる請
    求項1に記載の無鉛半田。
  4. 【請求項4】 重量%で、Zn:8〜9%,In:4〜
    5%,Bi:6〜10%および残部Snの組成からなる
    請求項1に記載の無鉛半田。
  5. 【請求項5】 固相線温度が140〜193℃、液相線
    温度が167〜196℃であり、Zn,In,Biおよ
    びSnを含んで構成することを特徴とする機械的特性を
    優れた無鉛半田。
JP7352310A 1995-06-30 1995-12-28 機械的特性が優れた無鉛半田 Pending JPH0919792A (ja)

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