JPH10291087A - 高強度鉛無含有はんだ材 - Google Patents

高強度鉛無含有はんだ材

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JPH10291087A
JPH10291087A JP9362345A JP36234597A JPH10291087A JP H10291087 A JPH10291087 A JP H10291087A JP 9362345 A JP9362345 A JP 9362345A JP 36234597 A JP36234597 A JP 36234597A JP H10291087 A JPH10291087 A JP H10291087A
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Singapore Asahi Chemical and Solder Industries Pte Ltd
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Singapore Asahi Chemical and Solder Industries Pte Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた物理特性を有する、鉛を含有しな
いはんだ合金の提供。 【解決手段】 従来の６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合
金より強度的に優れた、鉛無含有のはんだ合金は、Ｓｎ
−Ｃｕ−Ｇａ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｇａ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｃｕ−
Ｇａ−Ｉｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉ
ｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｓｅ／Ｔｅ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ
−Ｂｉ−Ｓｅ／Ｔｅ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｇａ等
の組成からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低い液相線(liqui
dus)温度と高強度により広範囲の応用を有する、錫を基
にした、鉛無含有のはんだ合金に関する。それらは、金
属の接合材として、特に、電子工学における相互連結や
超小型電子回路の相互接合に、利用される重要なこと
は、本発明の組成物は、従来の有毒な鉛を含んだはんだ
に代わって、作業の安全性を向上させ、環境にやさしい
製造工程の実施を可能にするということである。さら
に、本発明による材質は、将来のマイクロチップ回路に
おいて求められる相互連結される材質の増大された要求
に応じることができる、改良された強度をもたらす。
【０００２】
【従来技術及びその課題】鉛を含んだはんだ合金は、過
去十数年の間、相互連結材として、電気的に、熱的に、
且つ、機械的に、回路構成要素を結合するものとして、
エレクトロニクスにおける代表的接合技術として利用さ
れて来た。電子プリント配線回路の構成要素用に、典型
的な基質(substrates)上での生産性の良さと濡れ(wetti
ng)挙動のため、共晶に近いＳｎ（錫）とＰｂ（鉛）の
はんだが選択されて来た。しかしながら、回路の構成要
素の密度が増大し、電力消費も増大したため、より強度
のあるはんだが最近求められている。加えて、環境と健
康面での関心のため、鉛の使用を禁止したりこれに課税
したりする法令は、鉛無含有の合金を発展させる別の強
力な推進力になっている。
【０００３】はんだにおいて鉛に取って代わるために
は、新しい合金が鉛を含むはんだと匹敵する相移行(tra
nsition)温度（液相線と固相線温度）を持たなければな
らない。さらに、鉛無含有のはんだは、許容できる電気
と熱の伝導率と、熱膨張係数を含む、適当な物理的性質
を持たなければならない。その上、鉛無含有のはんだ
は、回路構成要素と基板の基質(substrate)に対して冶
金学的適合性があり、且つ、許容できる機械的特性と、
環境安定性を有していなければならない。
【０００４】或る鉛無含有のはんだ合金組成物は既知で
あるが（文献として参照：ジェニー・エス・ファン著、
「モダン・ソルダー・テクノロジー・フォー・コンペテ
ィティブ・エレクトロニクス・マニュファクチュアリン
グ」マグロー・ヒル、ニューヨーク、１９９６年、４８
３〜５０８頁）、これらの組成物は、強度が劣り、物理
的特性の適合性に欠け、或いは、主要な構成要素が自然
界に存在しないために十分なものではない。１つの特に
知られる鉛無含有のはんだ組成物は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ
の合金からなり、Ｃｕを含んでもよいが（米国特許第5,
538,686号）、結果としての固溶体性と分散強化性は、
不十分である。
【０００５】
【発明の目的】従って、新しく改良されたはんだ組成物
を提供することが本発明の主な目的である。付随的に安
全性をもたらし、環境問題を回避できるように、鉛無含
有の新しく改良されたはんだ組成物を提供することが本
発明の目的である。本発明のさらなる目的は、はんだ組
成物が従来の鉛を含んだはんだと同様の、或いはより優
れた物理的な性質を持つことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
め、本発明のはんだ組成物は、錫、銅、及びガリウムを
含む鉛無含有の合金からなる。加えて、その合金は、さ
らに、インジウム、亜鉛、セレン、及び／又は、テルル
を含んでもよい。好ましくは、錫は、少なくとも合金組
成物の約７５重量％を構成するであろう。また、好まし
くは、銅は、合金の０．１から９．５重量％、ガリウム
は、０．０１から５．０重量％の間を構成するであろ
う。より好ましくは、錫は、少なくとも合金の８５重量
％に含まれるであろう。また、より好ましくは、銅は、
合金組成物の０．３から４．５重量％を構成し、ガリウ
ムは、０．０５から１．０重量％を構成するであろう。
【０００７】本発明のさらなる好適実施形態において、
０から６重量％のインジウム、０から９重量％の亜鉛、
０から１．０重量％のセレン、又はテルルのいずれかを
含むであろう。特に、好適な実施形態において、インジ
ウムは、合金組成物の中に０．１から１０．０重量％で
存在する。本発明によるさらなる好適実施形態におい
て、少なくとも、インジウムと亜鉛（１．０から１９．
０重量％の間）が合金組成物に存在する。
【０００８】本発明の別の実施形態において、鉛無含有
のはんだ合金組成物は、錫、銅、又は銀、及びインジウ
ムからなり、任意に、セレン、又はテルルを含んでもよ
い。さらに、組成物は、任意に、亜鉛、ガリウム、又は
ビスマスを含むことができる。好適には、組成物は、少
なくとも７５重量％のＳｎ、０．１から９．５重量％の
Ｃｕ、０．１から０．８重量％のＡｇ、０．１から１
０．０重量％のＩｎを含むであろう。さらに他の実施形
態では、鉛無含有の合金組成物は、錫、銀、ビスマス、
セレン、又はテルルからなり、任意に、ガリウムを含む
ことができる。好適には、その組成物は、少なくとも７
５重量％のＳｎ、０．５から６．５重量％のＡｇ、０．
５から８．０重量％のＢｉ、そして、０．１から５．０
重量％のＳｅ、及び／又は、Ｔｅを含むであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】Ｓｎ（少なくとも７５、好ましく
は８５重量％）、Ｃｕ（０．３から４．５重量％の
間）、及びＧａ（０．０５から１．０重量％の間）を含
んだ鉛無含有のはんだ合金組成物は、（ＡＳＴＭ Ｅ８
−９６による）４０ＭＰａ、好ましくは、４５ＭＰａ、
さらに好ましくは、５０ＭＰａを超える引っ張り(tensi
le)特性を有する。さらに、強度を増したり、液相線温
度を低くするというような様々な目的のために、当該合
金は、また、１つ又はそれ以上の次の元素を含んでもよ
い：Ｉｎ（６．０重量％以下）、Ｚｎ（９．０重量％以
下）、ＳｅとＴｅのいずれか（１．０重量％以下）。ま
た、特に、ここで説明される発明のはんだ合金はこれら
の引っ張り特性をもたらす。さらに、本発明の鉛無含有
のはんだ合金は、従来の６０Ｓｎ／４０Ｐｂ（重量％）
合金のものを超える引っ張り特性を有する。強度を増す
というような様々な目的のために、合金はＳｅ、Ｔｅ、
又はＺｎを含んでもよい。
【００１０】Ｓｎ（少なくとも８５．０重量％）、Ｃｕ
（０．３から４．５重量％の間）、Ｇａ（０．０５から
１．０重量％の間）、Ｉｎ（１．０から６．０重量％の
間）、Ｚｎ（８．０から９．０重量％の間）を含む鉛無
含有のはんだ合金は、従来の６０Ｓｎ／４０Ｐｂ（重量
％）合金のものをはるかに超える引っ張り特性を有す
る。強度を増すというような様々な目的のために、合金
は１．０重量％以下のＳｅ或いはＴｅのいずれかを含ん
でもよい。
【００１１】Ｓｎ（少なくとも９０．０重量％）、Ｃｕ
（２．０から５．０重量％の間）、及びＩｎ（１．０か
ら６．０重量％の間）を含む鉛無含有のはんだ合金は、
従来の６０Ｓｎ／４０Ｐｂ（重量％）合金のものを超え
る引っ張り特性を有する。強度を増すというような様々
な目的のために、合金は１．０重量％以下のＳｅ、又は
Ｔｅのいずれかを含んでもよい。
【００１２】Ｓｎ（少なくとも８５．０重量％）、Ａｇ
（０．１から０．８重量％の間）、及びＩｎ（１．０か
ら６．０重量％の間）を含む鉛無含有のはんだ合金は、
従来の６０Ｓｎ／４０Ｐｂ（重量％）合金のものをはる
かに超える引っ張り特性を有する。強度を増し、液相線
温度を低くするというような様々な目的のために、合金
は１つ又はそれ以上の次の元素を含んでもよい：Ｚｎ
（９．０重量％以下）、Ｇａ（１．０重量％以下）、Ｓ
ｅかＴｅのいずれか（１．０重量％以下）。Ｓｎ（少な
くとも８５．０重量％）、Ａｇ（１．５と４．５重量％
の間）、Ｂｉ（１．０と８．０重量％の間）、及びＳｅ
又はＴｅいずれか（０．０５と１．０重量％の間）を含
む鉛無含有のはんだ合金は、従来の６０Ｓｎ−４０Ｐｂ
（重量％）合金のものをはるかに越える引っ張り特性を
もつ。さらに強度を増したり、液相線温度を低くすると
いう様々な目的のために、合金は１．０重量％以下のＧ
ａを含んでもよい。
【００１３】Ｓｎ（少なくとも８５．０重量％）、Ａｇ
（１．５と４．５重量％の間）、Ｉｎ（１．０と６．０
重量％の間）、Ｂｉ（１．０と８．０重量％の間）、及
びＳｅ又はＴｅいずれか（０．０５と１．０重量％の
間）を含む鉛無含有のはんだ合金は、従来の６０Ｓｎ−
４０Ｐｂ（重量％）合金のものをはるかに越える引っ張
り特性をもつ。さらに強度を増したり、液相線温度を低
くするという様々な目的のために、合金は１．０重量％
以下のＧａを含んでもよい。
【００１４】Ｓｎ（少なくとも８５．０重量％）、Ａｇ
（１．５と４．５重量％の間）、Ｉｎ（１．０と６．０
重量％の間）、Ｂｉ（１．０と８．０重量％の間）、及
びＧａ（０．０５と１．０重量％の間）を含む鉛無含有
のはんだ合金は、従来の６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）
合金のものをはるかに越える引っ張り特性をもつ。
【００１５】
【実施例】以下の実施例は、本発明を例示するためのも
のであり、その範囲を限定する意図はない。 実施例１ ６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の鋳造が、箱形炉の
中に合金を作る元素を含んでいる不活性ガスの容器を置
き、予想される溶解温度に炉を温めることによって行わ
れた。容器は、熱電対と、溶融物を酸化から守るためア
ルゴンを供給するチューブへのアクセスをもたらす蓋で
密閉された。溶融物は、均質度を向上させるため定期的
に攪拌され、最後に引っ張り特性用のサンプルを作るた
めに、アルミニウムのモールドに注がれた。室温での引
っ張り試験が、１分当たり１ｍｍのテスト速度で行われ
た。３０ＭＰａの０．２％耐力(offset yield strengt
h)と、３７ＭＰａの破断（引っ張り）強度(ultimate te
nsile strength)が計測された。９５．３Ｓｎ−４．０
Ｃｕ−０．５Ｇａ−０．２Ｓｅ（重量％）合金が、上記
説明と実質上同じ方法で作製されテストされた。４２Ｍ
Ｐａの０．２％耐力（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合
金の耐力を４０％超える）と４９ＭＰａの破断強度（６
０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の破断強度を３２％超
える）が測定された。
【００１６】実施例２ ９１．１Ｓｎ−３．９Ｃｕ−１．０Ｇａ−４．０Ｉｎ
（重量％）合金が、実施例１で説明されたものと実質上
同じ方法で作製されテストされた。いずれも４８ＭＰａ
の０．２％耐力と破断強度（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量
％）合金の耐力と破断強度をそれぞれ６０％と３０％超
える）が測定された。
【００１７】実施例３ ８６．２Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．５Ｇａ−４．０Ｉｎ−
８．６Ｚｎ（重量％）合金が、実施例１で説明されたも
のと実質上同じ方法で作製されテストされた。６３ＭＰ
ａの０．２％耐力（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金
の耐力を１１０％と、８６．０Ｓｎ−５．０Ｉｎ−９．
０Ｚｎ合金の耐力（５５ＭＰａ）を１５％超える）と７
３ＭＰａの破断強度（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合
金の破断強度を９７％と、８６．０Ｓｎ−５．０Ｉｎ−
９．０Ｚｎ合金の破断強度（６２ＭＰａ）を１８％超え
る）が測定された。
【００１８】実施例４ ９２．８Ｓｎ−３．０Ｃｕ−４．０Ｉｎ−０．２Ｓｅ
（重量％）と９１．８Ｓｎ−４．０Ｃｕ−４．０Ｉｎ−
０．２Ｓｅ（重量％）の合金が、実施例１で説明された
ものと実質上同じ方法で作製されテストされた。４０と
４６ＭＰａのそれぞれの０．２％耐力（６０Ｓｎ−４０
Ｐｂ（重量％）合金の耐力を３３と５３％超える）と、
４７と４８ＭＰａのそれぞれの破断強度（６０Ｓｎ−４
０Ｐｂ（重量％）合金の破断強度を２７と３０％超え
る）が測定された。
【００１９】実施例５ ８６．９Ｓｎ−０．５Ａｇ−４．０Ｉｎ−８．６Ｚｎ
（重量％）合金が、実施例１で説明されたものと実質上
同じ方法で作製されテストされた。５６ＭＰａの０．２
％耐力（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の耐力を８
７％超える）と、６４ＭＰａの破断強度（６０Ｓｎ−４
０Ｐｂ（重量％）合金の破断強度を７３％超える）が測
定された。
【００２０】実施例６ ８９．９Ｓｎ−３．１Ａｇ−６．５Ｂｉ−０．５Ｓｅ
（重量％）合金が、実施例１で説明されたものと実質上
同じ方法で作製されテストされた。６０ＭＰａの０．２
％耐力（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の耐力を１
００％超える）と、８２ＭＰａの破断強度（６０Ｓｎ−
４０Ｐｂ（重量％）合金の破断強度を１２２％超える）
が測定された。
【００２１】実施例７ ８７．８Ｓｎ−３．２Ａｇ−４．０Ｉｎ−４．５Ｂｉ−
０．５Ｓｅ（重量％）と８７．３Ｓｎ−３．２Ａｇ−
４．０Ｉｎ−４．５Ｂｉ−１．０Ｓｅ（重量％）の合金
が、実施例１で説明されたものと実質上同じ方法で作製
されテストされた。７２と６４ＭＰａのそれぞれの０．
２％耐力（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の耐力を
１４０と１１３％超える）と、８４と７７ＭＰａのそれ
ぞれの（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の破断強度
を１２７と１０８％超える）が測定された。
【００２２】実施例８ ８７．５Ｓｎ−３．２Ａｇ−４．０Ｉｎ−４．５Ｂｉ−
０．８Ｇａ（重量％）合金が、実施例１で説明されたも
のと実質上同じ方法で作製されテストされた。７５ＭＰ
ａの０．２％耐力（６０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金
の耐力を１５０％超える）と７７ＭＰａの破断強度（６
０Ｓｎ−４０Ｐｂ（重量％）合金の破断強度を１０８％
超える）が測定された。
【００２３】以上のことから、本発明によれば、上記の
目的が完全に達成される鉛無含有のはんだ合金組成物が
提供される。本発明は、特定の実施形態について説明さ
れたが、数多くの変更の可能性が当業者には明らかであ
る。従って、特許請求の範囲に包含される限り、そのよ
うな変更も、本発明の範囲に含まれるものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596174101 シンガポール・アサヒ・ケミカル・アン ド・ソルダー・インダストリーズ・ピーテ ィーイー・リミテッド Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ａｓａｈｉ Ｃｈｅ ｍｉｃａｌ ＆ Ｓｏｌｄｅｒ Ｉｎｄｕ ｓｔｉｒｅｓ Ｐｔｅ．Ｌｔｄ. シンガポール国 2260 パンダン・ロード 47 (72)発明者 ジェニー・エス・ファン アメリカ合衆国オハイオ州クヤホガ、モア ランド・ヒルズ、スリー・ケーブルノー ル・ライン（番地なし) (72)発明者 ホルガー・ジェイ・ケーニッヒスマン アメリカ合衆国オハイオ州クヤホガ、オー クウッド、ソロン・ロード 26463

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｓｎ、Ｃｕ、及びＧａからなる、鉛無含
    有の合金はんだ組成物。
  2. 【請求項２】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約０．
    １から９．５重量％のＣｕ、及び約０．０１から５．０
    重量％Ｇａを含む、請求項１の鉛無含有のはんだ合金組
    成物。
  3. 【請求項３】 前記合金が、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｅ、及びＴ
    ｅ、又はそれらの混合物からなるグループから選択され
    た元素をも含む、請求項１のはんだ合金組成物。
  4. 【請求項４】 前記合金が、次の１つ、又はそれ以上の
    元素を含む、請求項１の合金はんだ組成物：約０から
    ６．０重量％のＩｎ、約０から９．０重量％のＺｎ、及
    び１．０重量％以下のＳｅ、又はＴｅ。
  5. 【請求項５】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約０．
    １から９．５重量％のＣｕ、約０．０１から５．０重量
    ％のＧａ、及び約０．１から１０．０重量％Ｉｎの合金
    からなる、鉛無含有のはんだ組成物。
  6. 【請求項６】 前記合金が、Ｓｅ、及びＴｅの少なくと
    も一方を５．０重量％以下で含む、請求項５のはんだ組
    成物。
  7. 【請求項７】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約０．
    １から９．５重量％のＣｕ、約０．０１から５．０重量
    ％のＧａ、約０．１から１０．０重量％のＩｎ、及び約
    １．０から１９．０重量％のＺｎを含む鉛無含有の合金
    からなる、はんだ組成物。
  8. 【請求項８】 前記合金が、Ｓｅ、及びＴｅの少なくと
    も一方を５．０重量％以下で含む、請求項７のはんだ組
    成物。
  9. 【請求項９】 実質的に、少なくとも７５重量％のＳ
    ｎ、約０．１から９．５重量％のＣｕ、約０．１から１
    ０．０重量％のＩｎからなる、はんだ組成物。
  10. 【請求項１０】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約
    ０．１から９．５重量％のＣｕ、約０．１から１０．０
    重量％のＩｎを含み、Ａｇを含まない鉛無含有の合金か
    らなる、はんだ組成物。
  11. 【請求項１１】 前記合金が、Ｓｅ、及びＴｅの少なく
    とも一方を５．０重量％以下で含む、請求項１０のはん
    だ組成物。
  12. 【請求項１２】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約
    ０．１から０．８重量％のＡｇ、約０．１から１０．０
    重量％のＩｎを含む鉛無含有の合金からなる、はんだ組
    成物。
  13. 【請求項１３】 前記合金が、次の１つ、又はそれ以上
    の元素を含む、請求項１２の合金はんだ組成物：約９．
    ０重量％以下のＺｎ、約１６．０重量％以下のＧａ、及
    び約１．０重量％以下のＳｅ、又はＴｅ。
  14. 【請求項１４】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約
    ０．５から６．５重量％のＡｇ、約０．５から８．０重
    量％の間のＢｉ、約０．０１から５．０重量％の間のＳ
    ｅ又はＴｅを含む鉛無含有の合金からなる、はんだ組成
    物。
  15. 【請求項１５】 前記合金が、５．０重量％以下のＧａ
    をも含む、請求項１４のはんだ組成物。
  16. 【請求項１６】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約
    ０．５から６．５重量％のＡｇ、約０．１から１０．０
    重量％のＩｎ、約０．５から８．０重量％のＢｉ、約
    ０．０１から５．０重量％のＳｅ又はＴｅを含む、鉛無
    含有のはんだ合金からなる、はんだ組成物。
  17. 【請求項１７】 前記合金が約５．０重量％までのＧａ
    を含む、請求項１６による製品。
  18. 【請求項１８】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約
    ０．５から６．５重量％のＡｇ、約０．１から１０．０
    重量％のＩｎ、約０．５から８．０重量％のＢｉ、約
    ０．０１から５．０重量％のＧａを含む、鉛無含有のは
    んだ合金からなる、はんだ組成物。
  19. 【請求項１９】 ペースト、クリーム、又はプレフォー
    ム、ワイヤー、リボン、又はバーの形状である、請求項
    １のはんだからなる製品。
  20. 【請求項２０】 少なくとも約７５重量％のＳｎ、約
    ０．１から８．０重量％のＡｇと約０．１から１０．０
    重量％のＩｎを含み、Ｃｏを含まない、鉛無含有の合金
    からなる、はんだ組成物。
JP36234597A 1996-12-12 1997-12-12 高強度鉛無含有はんだ材 Expired - Lifetime JP3330072B2 (ja)

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US08/764293 1996-12-12
US08/764,293 US5985212A (en) 1996-12-12 1996-12-12 High strength lead-free solder materials

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Cited By (4)

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