JPH10249579A

JPH10249579A - はんだ材料

Info

Publication number: JPH10249579A
Application number: JP5653997A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Haniyu; 和隆羽生; Naoko Takeda; 直子武田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 1998-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】溶融温度が錫−鉛はんだの溶融温度程度に低
く、また濡れ性、機械的強度に優れ、また安価なはんだ
材料を獲得する。【解決手段】所定の組成比とされたＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ
−Ｉｎ−Ａｇ系合金あるいは、この合金にＣｕを添加し
たＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金をはんだ
材料として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線基板に実装さ
れる各種電子部品を接続するためのはんだ材料に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】はんだを開発する上で重要になるのは、
温度特性（共晶温度，溶融温度）、濡れ性、機械的特性
等である。良好なはんだ付け性を得るためには、はんだ
融液が良好な濡れ性を有することが必要であり、また低
温ではんだ付け作業が行えるようにするには、はんだの
溶融温度が比較的低いことが望ましい。また、配線の信
頼性を高めるためには、はんだが破断し難いこと、すな
わち強度が大きく、延び易いことが必要である。さら
に、配線の耐久性の点からは、はんだが酸化し難いこと
が求められる。

【０００３】ここで、現状で多く用いられている錫−鉛
はんだは、錫６３重量％と鉛３７重量％の共晶組成とな
されており、共晶温度が１８３℃である。この錫−鉛は
んだは、温度特性や濡れ性等については求められる要件
を満たしている。しかし、強度特性は十分に満足のいく
ものとは言えない。

【０００４】一方、現在、検討されている無鉛はんだ材
料は錫をベース元素にするものが主流であり、具体的に
は、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ
−Ａｇ系等の２元共晶合金に各種添加元素を添加するこ
とで特性を制御した多元系合金が提案されている。しか
しながら、これらの無鉛はんだ材料は、溶融温度が高
い，濡れ性が悪い、あるいは酸化されやすい等の問題を
抱えており、また機械的特性も満足のいくものとは言え
ない。

【０００５】すなわち、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ材料は、共
晶温度が約１２０℃と低く、温度特性の点では好まし
い。しかし、Ｉｎが希少であるため高価であり、高コス
トになるといった問題がある。

【０００６】また、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ材料は、共晶温
度が１９９℃と錫−鉛はんだと同程度であるので現行の
はんだプロセスがそのまま使用できるといったメリット
があり、コストも比較的低く抑えられる。その反面、こ
の合金は、酸化し易く、耐久性が十分に得られない。

【０００７】Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ材料は、共晶温度が１
３９℃と低く、温度特性には優れている。しかし、強度
的に脆く、配線信頼性の点で不十分である。

【０００８】一方、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材料は、共晶温
度が２２１℃と高いことと、Ａｇが高価なためコストが
かかることといった問題がある。しかし、耐酸化性とは
んだ付け性等に優れていることから、無鉛はんだ材料と
して検討が進められている。

【０００９】例えば、ＭｃＣｏｒｍａｃｋらのＩＥＥＥ
ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭ
ＥＮＴＳ（１９９５）ｐ１７１には、Ｓｎ−Ａｇ系はん
だ材料にＺｎを添加することによって機械的強度特性が
改善されることが報告されている。

【００１０】また、さらに多元系としたはんだ材料とし
て、ＡｌｌｏｙＨと称されるＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系
はんだ材料も提案されている。このはんだ材料は、（Ｓ
ｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ）＝（９０重量％，７．５重量
％，２重量％，０．５重量％）なる組成比とされてお
り、熱サイクルに対する耐久性に優れている。その一
方、溶融温度が〜２１０℃と比較的高く、また強度的に
脆いといった問題がある。脆さについては、Ｂｉ量が多
過ぎることによるものと考えられている。

【００１１】この他、ＡＴ＆Ｔ社においてはＳｎ−Ｚｎ
−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料が開発されている。このはん
だ材料は、ＩｎやＡｇといった希少な元素を多く含む組
成となっているため、価格が高いといった問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、これまで
提案されている無鉛はんだ材料は、はんだに求められる
要件を十分に満たしておらず、また価格も高価であり、
工業的に使用するのは難しいのが実情ある。

【００１３】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、温度特性、濡れ性、機械
的特性のいずれについても優れ、また安価なはんだ材料
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明のはんだ材料は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ
−Ａｇ系合金よりなり、Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇの組成
比が、３．０重量％≦Ｚｎ≦１０．０重量％０．５重量％≦Ｂｉ≦４．０重量％１．０重量％≦Ｉｎ≦４．０重量％０．１重量％≦Ａｇ≦１．０重量％であり、残部が実質的に錫からなることを特徴とするも
のである。

【００１５】このような組成のはんだ材料は、溶融温度
が錫−鉛はんだと同程度であるので、現行の錫−鉛はん
だのはんだ付けプロセスをそのまま使用することができ
る。また、濡れ性が良く、機械的強度も優れるので、良
好なはんだ付け性が得られるとともに配線の信頼性も向
上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態につ
いて説明する。

【００１７】本発明のはんだ材料は、Ｓｎを基本元素と
するＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系はんだ材料に、Ｉｎ，Ａｇを微
量添加したＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材
料、さらにＣｕを微量添加したＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ
−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料である。

【００１８】このはんだ材料では、溶融温度、はんだ融
液の濡れ性、機械的強度の点から各元素の組成が次のよ
うに規制される。

【００１９】３．０重量％≦Ｚｎ≦１０．０重量％０．５重量％≦Ｂｉ≦４．０重量％１．０重量％≦Ｉｎ≦４．０重量％０．１重量％≦Ａｇ≦１．０重量％以下、この組成範囲について説明する。

【００２０】まず、Ｚｎの組成比は３〜１０重量％であ
る。Ｚｎの組成比がこの範囲から外れる場合には、はん
だ融液の濡れ性が損なわれ、はんだ付け性が悪くなる。
特に、Ｚｎ組成比が１０重量％を越えると、はんだの延
性が小さくなり、配線としたときに破断が生じ易くな
る。また、Ｚｎ組成比が大きくなると、はんだが酸化し
易くなるといった問題も生じ易くなる。

【００２１】Ｂｉの組成比は０．５〜４．０重量％であ
ることが必要である。Ｂｉの組成比が０．５重量％を下
回る場合には、破断強度が小さくなる。また、Ｂｉは、
はんだの溶融温度を下げるように作用するので、この組
成比が少なくなると、例えば錫−鉛はんだに比べて溶融
温度が高くなり、現行のはんだプロセスが使えないとい
った不都合が生じる。一方、Ｂｉの組成比が４．０重量
％よりも大きくなると、はんだ融液の濡れ性が損なわれ
るとともに、はんだ材料が脆くなる。

【００２２】Ｉｎの組成比は１〜４重量％に規制され
る。Ｉｎの組成比がこの範囲から外れるとはんだ融液の
濡れ性が低くなり、はんだ付け性が損なわれる。また、
Ｉｎ組成比が１重量％より少なくなると、はんだの延性
も小さくなり、配線が破断し易くなる。また、Ｉｎも、
はんだの溶融温度を下げるように作用するので、この組
成比が少なくなると、溶融温度が高過ぎてしまい、はん
だ付けに際する加熱温度を高めに設定しなければならな
いといった不都合が生じる。

【００２３】Ａｇの組成比は０．１〜１．０重量％であ
る。Ａｇの組成比がこの範囲から外れる場合には、はん
だ融液の濡れ性が損なわれるとともに、はんだの延性が
低くなり、配線に破断が生じ易くなる。特に、Ａｇの組
成比が大過ぎるとはんだが脆くなる。

【００２４】なお、このはんだ材料には、強度特性を高
めたり、対接合材料であるＣｕの食われを防止する目的
でＣｕを添加しても良い。但し、Ｃｕをあまり多く含ま
せると、ＣｕとＳｎの金属間化合物が形成され、これに
よってクラック等が発生するので、Ｃｕ添加量の上限は
３．０重量％である。

【００２５】本発明では、はんだ材料の組成比を以上の
ように規制する。なお、ここでは組成の残部について
「実質的に錫からなる」としているが、これは、この組
成の残部が、Ｓｎを主体としているが、この他に不可避
的不純物を含むことを排除するものではないという意味
である。

【００２６】以上のようなはんだ材料を得るには、地金
となる錫の粒体あるいはインゴットと、その他の元素の
粒体あるいはインゴットを、所定の組成比となるように
秤量してるつぼ中に充填し、溶融後、冷却することによ
って凝固（合金化）させれば良い。なお、溶融に際して
は、はんだの酸化を防止するために炉中に窒素ガス等の
不活性ガスを導入するのが望ましい。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について実験結果に基
づいて説明する。

【００２８】実施例１（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ
系はんだ材料）まず、純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９９９９
％のＺｎ、純度９９．９９９９％のＢｉ、純度９９．９
９％のＩｎ及び純度９９．９９９％のＡｇを、（Ｓｎ，
Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇ）＝（８６．９重量％，８．６
重量％，２．０重量％，２．０重量％，０．５重量％）
なる組成比で秤量し、容量５ｃｃの磁性るつぼに投入し
た。なお、各元素の量は、最終的に約３３ｇの合金が得
られるように設定した。続いて、このるつぼ内の原料を
約４００℃で、溶融させて２時間保持し、溶融試料を得
た。なお、この溶融に際しては、試料の酸化防止のため
に、炉中に３リットル／分の流量で窒素ガスを流すよう
にした。

【００２９】次に、引っ張り試験のための試料棒を作製
するため、この溶融試料を鋳型に流し込み直径４ｍｍ，
長さ約１００ｍｍの鋳型棒とした。そして、この鋳型棒
のうち４０ｍｍ長分を試験機に取付け、引っ張り試験を
行った。なお、引っ張り試験の条件は、ゲージ長が１５
ｍｍ，引っ張り速度が１０ｍｍ／秒である。

【００３０】また、残った試料を用いて、示差熱分析法
によって溶融温度を測定するとともにウェッティングバ
ランス法によって濡れ性を評価した。示差熱分析法によ
って測定される温度特性を図１に、ウェッティングバラ
ンス法による濡れ性を図２に、引っ張り試験による機械
的特性を図３に示す。

【００３１】実施例２（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ
−Ｃｕ系はんだ材料）純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９９９９％のＺ
ｎ、純度９９．９９９９％のＢｉ、純度９９．９９％の
Ｉｎ、純度９９．９９９％のＡｇ及び純度９９．９９９
９％のＣｕを、（Ｓｎ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｃ
ｕ）＝（８６．４重量％，８．６重量％，２．０重量
％，２．０重量％，０．５重量％，０．５重量％）なる
組成比で秤量し、容量５ｃｃの磁性るつぼに投入した。
なお、各元素の量は、最終的に約３３ｇの合金が得られ
るように設定した。

【００３２】そして、この磁性るつぼ中の原料を実施例
１と同様にして溶融させ、得られた溶融試料を鋳型に流
し込むことで試料棒を作製した。そして、この試料棒を
用いて、引っ張り試験、溶融温度の測定及び濡れ性の評
価を行った。ウェッティングバランス法による濡れ性を
図２に、引っ張り試験による機械的特性を図３に示す。

【００３３】比較例１（錫−鉛はんだ材料）市販の錫−鉛はんだ棒を用意した。なお、この錫−鉛は
んだ棒は、組成比が（Ｓｎ，Ｐｂ）＝（６０重量％，４
０重量％）であり、共晶温度が１８３℃である。このは
んだ棒を磁性るつぼに投入し、共晶温度よりも約１００
℃高い２７０℃で再溶融させて２時間保持し、溶融試料
を得た。なお、この場合にも、試料の酸化防止のため
に、炉中に３リットル／分の流量で窒素ガスを流すよう
にした。

【００３４】そして、得られた溶融試料を、実施例１と
同様にして鋳型に流し込むことで試料棒を作製し、この
試料棒を用いて、引っ張り試験、溶融温度の測定及び濡
れ性の評価を行った。示差熱分析法によって測定される
温度特性を図１に、ウェッティングバランス法による濡
れ性を図２に、引っ張り試験による機械的特性を図３に
示す。

【００３５】比較例２（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はん
だ材料：ＡｌｌｏｙＨ）純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９９９９％のＢ
ｉ、純度９９．９９９％のＡｇ及び純度９９．９９９９
％のＣｕを、（Ｓｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ）＝（９０重量
％，７．５重量％，２．０重量％，０．５重量％）なる
組成比で秤量し、容量５ｃｃの磁性るつぼに投入した。
なお、各元素の量は、最終的に約３３ｇの合金が得られ
るように設定した。

【００３６】そして、この磁性るつぼ中の原料を実施例
１と同様にして溶融させ、得られた溶融試料を鋳型に流
し込むことで試料棒を作製した。そして、この試料棒を
用いて、引っ張り試験、溶融温度の測定及び濡れ性の評
価を行った。示差熱分析法によって測定される温度特性
を図１に、ウェッティングバランス法による濡れ性を図
２に、引っ張り試験による機械的特性を図３に示す。

【００３７】比較例３（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はん
だ材料）純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９９９９％のＺ
ｎ、純度９９．９９％のＩｎ及び純度９９．９９９％の
Ａｇを、（Ｓｎ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ａｇ）＝（８５．４重量
％，８．６重量％，４．０重量％，２．０重量％）なる
組成比で秤量し、容量５ｃｃの磁性るつぼに投入した。
なお、各元素の量は、最終的に約３３ｇの合金が得られ
るように設定した。

【００３８】そして、この磁性るつぼ中の原料を実施例
１と同様にして溶融させ、得られた溶融試料を鋳型に流
し込むことで試料棒を作製した。そして、この試料棒を
用いて、引っ張り試験、溶融温度の測定及び濡れ性の評
価を行った。示差熱分析法によって測定される温度特性
を図１に、ウェッティングバランス法による濡れ性を図
２に、引っ張り試験による機械的特性を図３に示す。但
し、温度特性については、組成比を（Ｓｎ，Ｚｎ，Ｉ
ｎ，Ａｇ）＝（８６．５重量％，８重量％，５．０重量
％，０．５重量％）とした場合の測定結果である。

【００３９】以上、実施例１、実施例２及び比較例１〜
比較例３で測定されたデータを比較すると、先ず、図１
は、各はんだ材料の示差熱分析で観測される温度特性で
ある。この図１において、横軸は温度、縦軸は溶融，凝
固等の変化として現れる吸熱反応または発熱反応の反応
速度である。また、図中に示した温度の値は、各はんだ
材料の溶融温度（液相線温度）である。

【００４０】この図からわかるように、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａ
ｇ−Ｃｕ系はんだ材料は溶融温度が約２１０℃であり、
錫−鉛はんだ材料に比べて高い溶融温度になっている。

【００４１】これに対して、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系
はんだ材料やＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材
料は、溶融温度が１９０〜１９５の範囲にあり、錫−鉛
はんだ材料と余り差のない溶融温度が得られている。ま
た、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料
も、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料と同程
度の溶融温度が得られることが確認されている。

【００４２】次に、図２は、ウェッテイング・バランス
法で測定される各はんだ材料の濡れ特性である。ここ
で、このウェッティングバランス法について簡単に説明
する。

【００４３】ウェッテイング・バランス法では、母材
（被接合材）をはんだ融液中に浸漬させ、その際の濡れ
力Ｆの経時変化（過度現象）を観測することではんだの
濡れ性を評価する方法である。なお、濡れ力Ｆは次式に
よって求められる値である。

【００４４】Ｆ＝γ・Ｌ・ｃｏｓθ−ｇ・ρ・ＶＦ：濡れ力 γ：表面張力Ｌ：母材のはんだ融液中に占める周辺廻りの長さ θ：母材とはんだ融液との接触角 ρ：はんだ融液の密度Ｖ：母材がはんだ融液中に占める体積ｇ：重力加速度母材を所定の速度ではんだ融液に浸漬させ、母材がはん
だ融液に接してからの濡れ力Ｆの経時変化を観測する
と、図４に示すような曲線が得られる。

【００４５】はんだの濡れ性はこの曲線から評価するこ
とができる。すなわち、母材がはんだ融液に接してから
濡れ力が０になるまでの時間（ゼロタイム時間）Ｔ
₀と、濡れ力が正の値になった後の立ち上がり、及びは
んだが染み上がって濡れ力が定常になったときの濡れ力
の値Ｆ′が濡れ性の指標となり、ゼロタイム時間Ｔ₀が
短い程、また、濡れ力の立ち上が急峻であり、さらに定
常となった後の濡れ力Ｆ′が大きい値である程、はんだ
の濡れ広がり速さが速く、濡れ性が良いことを意味す
る。

【００４６】以上のような点から図２を見ると、Ｓｎ−
Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料やＳｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａ
ｇ系はんだ材料は、錫−鉛はんだ材料に比べて、濡れ力
が正の値となった後の立ち上がりが緩やかであり、ゼロ
タイム時間が長い。また、定常となった後の濡れ力Ｆ′
の値も小さい。すなわち、これらのはんだ材料は、錫−
鉛はんだ材料よりも濡れ性が悪いことがわかる。

【００４７】これに対して、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−
Ａｇ系はんだ材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃ
ｕ系はんだ材料は、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材
料やＳｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料に比べて、濡
れ力の立ち上がりが急峻であり、ゼロタイム時間が短
い。また、定常となった後の濡れ力Ｆ′も大きく、錫−
鉛はんだ材料と同程度の濡れ性が得られる。

【００４８】続いて、図３は、引っ張り試験によって測
定される各はんだ棒の歪み（延び）と応力の関係であ
る。また、表１に、各はんだ棒の破断に至ったときの最
大荷重と延び率を示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】まず、錫−鉛はんだ材料は、破断に至る最
大荷重が約５８ｋｇ重であり、そのときの延び率が１１
８％である。このことから、錫−鉛はんだ材料は、延性
には優れているが強度的に弱く、クリープ特性が悪いこ
とがわかる。

【００５１】また、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材
料は、破断に至る荷重が約１２０ｋｇ重で、そのときの
伸び率が３５〜４０％である。このことから、このはん
だ材料は、破断強度は大きいが延性特性が悪く、脆いこ
とが示唆される。

【００５２】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料は、
破断に至る最大荷重が約８２ｋｇ重、そのときの伸び率
が６５％であり、錫−鉛はんだ材料やＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ
−Ｃｕ系はんだ材料に比べれば強度，延性のバランスが
良いが、十分とは言えない。

【００５３】これに対して、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−
Ａｇ系はんだ材料は、破断に至る最大荷重が約１２５〜
１２９ｋｇ重で、そのときの伸び率が約７４％であり、
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料は、
破断に至る最大荷重が約１３２ｋｇ重で、その時の伸び
率が約６７％である。この２種類のはんだ材料は、いず
れも破断強度が大きく、延性に優れている。

【００５４】以上のように、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系
はんだ材料は、溶融温度が約２１０℃と高く、濡れ性が
悪い。また、機械的強度については延性特性に問題があ
る。

【００５５】また、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材
料は、溶融温度が比較的低いが、濡れ性が悪く、また機
械的特性も十分に満足のいくものとは言えない。

【００５６】錫−鉛はんだ材料は、溶融温度、濡れ性に
は優れているが、破断強度が小さいという欠点がある。

【００５７】これに対して、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−
Ａｇ系はんだ材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃ
ｕ系はんだ材料は、溶融温度が比較的低く、また濡れ性
も良好である。しかも、破断強度が大きく、延性にも優
れており、はんだ材料に要求される要件を満たすものと
言える。

【００５８】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材
料の組成の検討次に、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料につ
いて、濡れ性と機械強度の点から適正な組成範囲を調べ
た。

【００５９】まず、組成比の異なる各種Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂ
ｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料を合成した。

【００６０】そして、それぞれのはんだ材料について、
上述したのと同様にウェッティングバランス法による濡
れ性の評価と引っ張り試験による機械強度の評価を行っ
た。その結果を図５〜図１６に示す。なお、合成したは
んだ材料の基本組成は、（Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇ）＝
（８．６重量％，４重量％，２重量％，０．５重量％）
であり、各検討は、このうち１元素の組成比のみを変化
させて行った。また、この組成比の変化分はＳｎの組成
比によって調整するようにした。

【００６１】まず、図５〜図８は、濡れ性を示すデータ
であり、各元素の組成比（重量％〔ｗｔ％〕）と、ゼロ
クロスタイムあるいは濡れ力Ｆ′の関係を示す。なお、
上述の如く、このゼロクロスタイムが短い程、また濡れ
力Ｆ′が大きい程、濡れ性が良好であることを意味す
る。

【００６２】このうち、図５は、Ｚｎの組成比と濡れ性
の関係である。この図を見ると、ゼロクロスタイムと濡
れ力Ｆ′はＺｎ組成比に依存して変化しており、ゼロク
ロスタイムが１秒以内に抑えられ、且つ濡れ力Ｆ′が大
きい値になるのは、Ｚｎ組成比が３〜１０重量％の場合
である。

【００６３】このことから、Ｚｎ組成比は３〜１０重量
％が適正範囲であり、さらには３〜９重量％とするのが
好ましいことがわかる。

【００６４】次に、図６は、Ｂｉ組成比と濡れ性の関係
である。この図から、ゼロクロスタイムはＢｉの組成比
が大きくなる程長くなり、濡れ力Ｆ′はＢｉ組成比が大
きくなる程小さな値になるのがわかる。そして、Ｂｉ組
成比が４重量％より大きくなると、ゼロクロスタイムが
１秒を越え、良好な濡れ性が得られなくなる。

【００６５】このことから、Ｂｉ組成比は４重量％以下
とするのが望ましい。

【００６６】続いて、図７は、Ｉｎ組成比と濡れ性の関
係である。この図を見ると、ゼロクロスタイムは、Ｉｎ
組成比の増加に伴って２重量％以下の範囲では短くな
り、それ以上の範囲では長くなる。また、濡れ力Ｆ′
は、Ｉｎ組成比の増加に伴って２重量％以下の範囲では
増大し、それ以上の範囲では低下する。そして、ゼロク
ロスタイムが１秒以内に抑えられ、また濡れ力Ｆ′が大
きな値になるのは、Ｉｎ組成比が１〜４重量％である場
合である。

【００６７】このことから、Ｉｎ組成比は１〜４重量％
が適正であることがわかる。

【００６８】さらに、図８は、Ａｇ組成比と濡れ性の関
係である。この図から、ゼロクロスタイムが短く抑えら
れるのは、Ａｇ組成比が０．１〜１．０重量％の場合で
あり、また、この組成範囲であれば濡れ力Ｆ′も比較的
大きな値になるのがわかる。

【００６９】このことから、Ａｇ組成比の適正範囲は
０．１〜１．０重量％であることがわかる。

【００７０】次に、図９〜図１６で示す機械的強度のデ
ータについて検討する。このうち、図９，図１１，図１
３，図１５は、各元素の組成比（重量％）と、破断歪み
あるいは最大荷重歪みの関係を示す。また、図１０，図
１２，図１４，図１６は、各元素の組成比（重量％）
と、破断応力あるいは最大荷重応力の関係を示す。

【００７１】ここで、最大荷重歪み（ＰｅａｋＳｔｒ
ａｉｎ）、最大荷重応力（ＰｅａｋＳｔｒｅｓｓ）は、
引っ張り試験に際して、はんだ試料にかかる荷重が最大
となったときの歪みあるいは応力である。また、破断歪
み（ＦｒａｃｔｕｒｅＳｔｒａｉｎ）、破断応力（Ｆ
ｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓ）は、試料が切断された
ときの歪みあるいは応力である。

【００７２】この場合、歪みが大きければ延び易く、応
力が大きければ強度が強いことを意味する。また、最大
荷重歪みと破断歪みがほぼ同じであり、また、これらの
値が小さく、さらに応力が大きい値である場合には、強
度は強いが脆いことを意味する。

【００７３】まず、図９及び図１０は、Ｚｎ組成比と機
械的強度の関係である。このうち図１０を見ると、応力
については、Ｚｎ組成比が大きくなる程増大し、強度の
点ではＺｎ組成比が大きい方が有利であるのが示唆され
る。しかし、図９で示す歪みについては、Ｚｎ組成比が
１０重量％になると、最大荷重歪みが略０になり、ほと
んど延びが得られなくなる。

【００７４】このことから、機械的強度の点からのＺｎ
組成比の適正範囲は、１０重量％以下である。なお、先
の濡れ性の検討から求められたＺｎ組成比の適正範囲は
３〜１０重量％であり、これと併せるとＺｎ組成比は３
〜１０重量％であるのが望ましい。

【００７５】次に、図１１及び図１２は、Ｂｉ組成比と
機械的強度の関係である。このうち図１２を見ると、応
力は、Ｂｉ組成比が大きくなる程増大し、強度の点では
Ｂｉ組成比が大きい方が望ましいことがわかる。しか
し、図１１で示す歪みについては、Ｂｉ組成比が４重量
％を越えると、最大荷重歪みと破断応力が近づいてくる
とともに両者の値が小さくなる。また、この４重量％を
越える範囲では応力が大きいので、はんだが脆くなる。

【００７６】したがって、機械的強度の点からのＢｉ組
成比の適正範囲は、４重量％以下であり、これは先の濡
れ性の検討から求められたＢｉ組成比と一致するもので
ある。但し、Ｂｉ組成比が小さくなると、はんだの溶融
温度が高くなり、また強度も小さくなるので、この下限
は０．５重量％である。

【００７７】続いて、図１３及び図１４は、Ｉｎ組成比
と機械的強度の関係である。まず、図１４で示す応力
は、Ｉｎ組成比が２重量％以下の範囲で最大荷重応力の
変化が見られるものの、あまりＩｎ組成比に依存した変
化が見られず、どの組成比であっても十分な応力が得ら
れる。一方、図１３で示す歪みについては、Ｉｎ組成比
が０．５重量％近辺において小さく、１重量％以上の範
囲では値の変化は見られるが、歪みの大きさは十分であ
る。

【００７８】このことから、機械的強度の点からのＩｎ
組成比の適正範囲は１重量％以上である。また、先の濡
れ性の検討から求められたＩｎ組成比の適正範囲は１〜
４重量％であり、これと併せるとＩｎ組成比は１〜４重
量％とするのが望ましい。

【００７９】さらに、図１５及び図１６は、Ａｇ組成比
と機械的強度の関係である。このうち、図１５で示す歪
みについては、Ａｇ組成比が０．１〜１．０重量％の範
囲にピークがあり、Ａｇ組成比が２．０重量％を越える
と小さい値になり、伸びが悪くなる。そして、さらにＡ
ｇ組成比が増加すると、最大荷重歪みと破断歪みの値が
近づき、またこの組成範囲では応力も大きい値であるた
め、はんだが脆くなる。

【００８０】したがって、機械的強度の点からのＡｇ組
成比の適正範囲は２重量％以下、好ましくは１重量％以
下である。

【００８１】なお、先の濡れ性の検討から求められたＡ
ｇ組成比の適正範囲は０．１〜１重量％であり、これと
併せるとＡｇ組成比は０．１〜１重量％とする必要があ
る。

【００８２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のはんだ材料は、所定の組成比とされたＳｎ−Ｚｎ−
Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料、またはこのはんだ材料
にＣｕが添加されたＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃ
ｕ系はんだ材料である。このはんだ材料は、溶融温度が
錫−鉛はんだと同程度であるので、現行の錫−鉛はんだ
のはんだ付けプロセスをそのまま使用することができ
る。また、濡れ性が良く、機械的強度も優れるので、良
好なはんだ付け性が得られるとともに配線の信頼性も向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料、
錫−鉛はんだ材料、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材
料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料について、示
差熱分析で測定される温度特性を示す特性図である。

【図２】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料、
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料、錫
−鉛はんだ材料、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材
料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料について、ウ
ェッティング・バランス法による濡れ性を示す特性図で
ある。

【図３】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料、
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料、錫
−鉛はんだ材料、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材
料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料について、歪
みと応力の関係を示す特性図である。

【図４】ウェッティング・バランス法で測定される典型
的な濡れ性を示す模式図である。

【図５】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料の
Ｚｎ組成比と、ゼロクロスタイム及び濡れ力Ｆ′の関係
を示す特性図である。

【図６】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料の
Ｂｉ組成比と、ゼロクロスタイム及び濡れ力Ｆ′の関係
を示す特性図である。

【図７】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料の
Ｉｎ組成比と、ゼロクロスタイム及び濡れ力Ｆ′の関係
を示す特性図である。

【図８】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料の
Ａｇ組成比と、ゼロクロスタイム及び濡れ力Ｆ′の関係
を示す特性図である。

【図９】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料の
Ｚｎ組成比と、最大荷重歪み及び破断歪みの関係を示す
特性図である。

【図１０】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＺｎ組成比と、最大荷重応力及び破断応力の関係を示
す特性図である。

【図１１】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＢｉ組成比と、最大荷重歪み及び破断歪みの関係を示
す特性図である。

【図１２】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＢｉ組成比と、最大荷重応力及び破断応力の関係を示
す特性図である。

【図１３】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＩｎ組成比と、最大荷重歪み及び破断歪みの関係を示
す特性図である。

【図１４】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＩｎ組成比と、最大荷重応力及び破断応力の関係を示
す特性図である。

【図１５】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＡｇ組成比と、最大荷重歪み及び破断歪みの関係を示
す特性図である。

【図１６】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系はんだ材料
のＡｇ組成比と、最大荷重応力及び破断応力の関係を示
す特性図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇ系合金よ
りなり、Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇの組成比が、３．０重量％≦Ｚｎ≦１０．０重量％０．５重量％≦Ｂｉ≦４．０重量％１．０重量％≦Ｉｎ≦４．０重量％０．１重量％≦Ａｇ≦１．０重量％であり、残部が実質的に錫からなることを特徴とするは
んだ材料。
【請求項２】Ｃｕが３．０重量％以下の範囲で添加さ
れていることを特徴とする請求項１記載のはんだ材料。