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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-04-13
(45)【発行日】2022-04-21
(54)【発明の名称】鉛フリーはんだ合金及びはんだ継手
(51)【国際特許分類】
B23K 35/26 20060101AFI20220414BHJP
C22C 13/00 20060101ALI20220414BHJP
【ＦＩ】
B23K35/26 310A
C22C13/00
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2017211763
(22)【出願日】2017-11-01
(65)【公開番号】P2019084534
(43)【公開日】2019-06-06
【審査請求日】2020-09-08
(73)【特許権者】
【識別番号】592025786
【氏名又は名称】株式会社日本スペリア社
(73)【特許権者】
【識別番号】511158731
【氏名又は名称】ザ ユニバーシティ オブ クイーンズランド
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｔｉｙ ｏｆ Ｑｕｅｅｎｓｌａｎｄ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔ Ｌｕｃｉａ Ｂｒｉｓｂａｎｅ ＱＬＤ ４０７２ Ａｕｓｔｒａｌｉａ
(74)【代理人】
【識別番号】100114557
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 英仁
(74)【代理人】
【識別番号】100078868
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 登夫
(72)【発明者】
【氏名】西村 哲郎
(72)【発明者】
【氏名】野北 和宏
(72)【発明者】
【氏名】シン フー タン
(72)【発明者】
【氏名】モホッド アリフ アヌアー モホッド サーレ
(72)【発明者】
【氏名】スチュワート マクドナルド
【審査官】小川 進
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－２５４２９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／０２３４４０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００５／０９０６２２（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ３５／２６
Ｃ２２Ｃ １３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
０．１～３．５質量％のＡｇ、２．０超過～７．６質量％のＣｕ、０超過～２質量％のＭｇを含み、残部がＳｎであることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項2】
Ａｇを３．００質量％、Ｃｕを５．００質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項3】
Ｍｇを０超過～０．２質量％含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項4】
Ｍｇを０．０２５～０．０５質量％含むことを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項5】
請求項１から４の何れか一つに記載の鉛フリーはんだ合金を用いて接合されているはんだ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Ｍｇを含む鉛フリーはんだ合金及び該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に関する。
【背景技術】
【0002】
２００６年から電子機器における鉛使用の規制が始まり、これによって、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系のはんだ合金が最も広く普及されたはんだ合金として浮上した。しかし、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだにおいては、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物（ＩＭＣ）の粗粒が形成され、これは、はんだ接合の機械的安全性において最も大きい問題の一つである。
【0003】
すなわち、Ｃｕ６Ｓｎ５は鉛フリーはんだに形成される主な金属間化合物である。Ｓｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕの高温はんだ合金はＡｌ基板の接合によく使われるが、Ｃｕ６Ｓｎ５がはんだバルクに形成される。Ｓｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕの高温はんだ合金は従来のはんだ合金に比べてＣｕの含有量が高いので、はんだバルクにおけるＣｕ６Ｓｎ５の体積分率は一層高い。
【0004】
また、特許文献１においては、共晶Ｓｎ－Ｃｕ－Ａｇ系鉛フリーはんだ材料に実質的に溶解しない元素を含む微粒子を添加し、接合部の金属組織をより微細化することについて開示されており、前記元素として選択的にＡｌが採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００５－３１９４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一方、Ｓｎ-ｘＡｇ-ｙＣｕ系合金（ｘは１～３．８重量％、ｙは１重量％未満）に微量のＡｌを添加した場合の影響については広く研究がされている。しかし、ｘが０でなく、ｙがはるかに高い５重量％である、高温Ｓｎ-ｘＡｇ-ｙＣｕ系はんだ合金に対する研究は報告されていない。そこで、本発明の発明者らは、Ｓｎ-ｘＡｇ-ｙＣｕ系合金に対して微量のＭｇを添加した場合の影響に着目した。
【0007】
本発明は、斯かる事情に鑑みてされたものであり、その目的とするところは、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金に微量のＭｇを添加することによって、はんだ合金（はんだバルク）及びはんだ継手の機械的特性（例えば、接続強度等）を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、０．１～３．５重量％のＡｇ、０．７～７．６重量％のＣｕ、０超過～２重量％のＭｇを含み、残部がＳｎであることを特徴とする。
【0009】
本発明にあっては、鉛フリーはんだ合金が、０．１～３．５重量％のＡｇ、０．７～７．６重量％のＣｕ、０超過～２重量％のＭｇ、及び、残部のＳｎからなり、Ｍｇの添加によって、はんだ合金の機械的特性が改善される。
【0010】
本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕを２．０～７．７重量％含むことを特徴とする。
【0011】
本発明にあっては、鉛フリーはんだ合金が、Ｃｕを２．０～７．７重量％含むことが更に好ましい。
【0012】
本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ａｇを３．００重量％、Ｃｕを５．００重量％含むことを特徴とする。
【0013】
本発明にあっては、鉛フリーはんだ合金が、Ａｇを３．００重量％、Ｃｕを５．００重量％含むことが更に好ましい。
【0014】
本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ｍｇを０超過～０．２重量％含むことを特徴とする。
【0015】
本発明にあっては、鉛フリーはんだ合金が、Ｍｇを０超過～０．２重量％含むことが更に好ましい。
【0016】
本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ｍｇを０．０２５～０．０５重量％含むことを特徴とする。
【0017】
本発明にあっては、鉛フリーはんだ合金が、Ｍｇを０．０２５～０．０５重量％含むことが更に好ましい。
【0018】
本発明に係るはんだ継手は、前述の発明の何れか一つに記載の鉛フリーはんだ合金を用いて接合されている。
【0019】
本発明にあっては、例えば、２つの被接合部材の接合に、上述した鉛フリーはんだ合金が用いられている。すなわち、斯かる２つの被接合部材の間に、前記鉛フリーはんだ合金のはんだバルクが介在し、夫々の被接合部材が斯かるはんだバルクと接合している。前記鉛フリーはんだ合金は、上述したように機械的特性に優れているので、斯かるはんだ継手の接合強度を高めることができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金に微量のＭｇを添加して、機械的特性を改善する。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本実施の形態に係る継手を概略的に説明する説明図である。
【図2】はんだ継手のＭｇ添加はんだ合金の微細構造を４０倍で観察した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）／反射電子像（ＢＳＥ）である。
【図3】はんだ継手のＭｇ添加はんだ合金の微細構造を６００倍で観察したＳＥＭ/ＢＳＥである。
【図4】はんだ継手のＭｇ添加はんだ合金の微細構造を１２００倍で観察したＳＥＭ/ＢＳＥである。
【図5】Ｍｇの添加量に対するＣｕ６Ｓｎ５デンドライトの特性長さをプロットしたグラフである。
【図6】Ｍｇを微量添加したＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕ合金のＳＥＭ/ＢＳＥである。
【図7】Ｍｇの添加量に対する、各サンプルでのＳｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶の過冷量及びＣｕ６Ｓｎ５の核生成温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下に、本発明の実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金及びはんだ継手について、図面に基づいて詳述する。
【0023】
本実施の形態に係るはんだ継手においては、例えば、純アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）基板に、Ｍｇが添加されたＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金のはんだ付けを行った。
【0024】
すなわち、本実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕを５重量％含み、Ａｇを３重量％含んでおり、Ｍｇが例えば０超過～２重量％添加され、残部をＳｎにしている。すなわち、本実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金はＭｇが添加されたＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ合金である。
【0025】
本実施の形態において、Ｍｇが添加されたＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ合金は、市販のＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕ合金とＳｎ‐２Ｍｇ母合金とを黒鉛るつぼ内で混合した混合物を炉内で４５０℃に加熱してから、６０分間炉内に放置することによって得られた。
【0026】
このような、Ｍｇの添加されたＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系はんだ合金を用いて、例えば、Ａｌ基板へのはんだ付けを行い、本実施の形態に係るはんだ継手を作成した。図１は本実施の形態に係る継手を概略的に説明する説明図である。
【0027】
はんだ継手３において、各Ａｌ基板２は、例えば、幅３ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ２５ｍｍである短冊状を有している。両Ａｌ基板２がその長手方向に連なるように、両Ａｌ基板２の端部同士が、Ｍｇの添加されたＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ合金１（以下、単にＭｇ添加はんだ合金１と言う。）によって接合されている。この際、各Ａｌ基板２は先端から約６ｍｍの範囲にＭｇ添加はんだ合金１が介在している。
【0028】
このように製作されたはんだ継手３のＭｇ添加はんだ合金１（はんだバルク）部分の微細構造を観察した。斯かる微細構造の観察は、ＳＥＭ／（エネルギー分散形Ｘ線分光器）ＥＤS装置（日立製ＴＭ３０３０）を用いて行われた。ＳＥＭを用いて観察した本実施の形態に係るはんだ継手３の微細構造を図２及び図３に示す。図２ははんだ継手３のＭｇ添加はんだ合金の微細構造を４０倍で観察した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）/反射電子像（ＢＳＥ）であり、図３ははんだ継手３のＭｇ添加はんだ合金の微細構造を６００倍で観察したＳＥＭ/ＢＳＥである。また、図４ははんだ継手３のＭｇ添加はんだ合金の微細構造を１２００倍で観察したＳＥＭ/ＢＳＥである。なお、図２～図４において、濃い色の部分はＣｕ６Ｓｎ５デンドライトであり、背景におけるより薄色部分はＳｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶マトリックスである。
【0029】
Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの特性長さは、ＳＥＭ上で各サンプルに対して少なくとも５つのＣｕ６Ｓｎ５デンドライトを測定し、最長値を選択した。これは、最大値がＣｕ６Ｓｎ５一次デンドライトの成長における変化の具合を表すのにおいて最も適しているからである。
【0030】
観察の結果、Ｍｇが少なくとも２重量％添加されるまでは、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの長さが短くなり、共晶のＡｇ３Ｓｎが微細化することが分かった。以下に、観察結果の一部を示す。
【0031】
図２Ａ、図３Ａ、図４ＡはＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕ合金に０．０２５重量％のＭｇが添加された場合であり、図２Ｂ、図３Ｂ、図４ＢはＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕ合金に０．１重量％のＭｇが添加された場合であり、図２Ｃ、図３Ｃ、図４ＣはＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕ合金に０．２重量％のＭｇが添加された場合である。
【0032】
【0033】
また、図２及び図３から分かるように、Ｍｇの添加量が増加するにつれて、Ｃｕ６Ｓｎ５一次デンドライトの長さは著しく短くなり、Ｃｕ６Ｓｎ５二次デンドライトの成長も抑制されている。そして、図４から分かるように、Ｍｇの添加量が増加するにつれて、共晶のＡｇ３Ｓｎが微細化している。
【0034】
図５は、Ｍｇの添加量に対するＣｕ６Ｓｎ５デンドライトの特性長さをプロットしたグラフである。
【0035】
図５から分かるように、Ｍｇの添加量が増加することにつれて、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの微細構造（長さ）が顕著に微細化される。０．０２５重量％～０．０５重量％のＭｇを添加するまでは、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの微細構造は微細化が急激に進み、微細化を続ける。しかし、Ｍｇの添加量が０．０５重量％を超えた場合、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの長さは少しずつ増加する。この場合においても、Ｍｇを添加していない場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの微細構造は微細化している。図５には図示しないが、Ｍｇの添加量が２重量%であるまでは、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの長さは増加を続ける。
【0036】
以上のことから、Ｍｇの添加によってＣｕ６Ｓｎ５デンドライトの長さを抑制するためには、Ｍｇを０超過～２重量％添加すれば良い。好ましくは、Ｍｇを０超過～０．２重量％添加すれば良い。更には、Ｍｇの添加量を０．０２５重量％～０．０５重量％にすることがより好ましい。
【0037】
図６は、Ｍｇを微量添加したＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕ合金のＳＥＭ/ＢＳＥである。また、図６では、Ｍｇ添加はんだ合金１（はんだバルク）において、Ｍｇを多量に含む粒子（以下、Ｍｇリッチ粒子という。）を示している。更に、図６においては、斯かるＭｇリッチ粒子に対するＥＤＳの分析結果を共に示している。
【0038】
図６に示すように、Ｍｇリッチ粒子はＣｕ６Ｓｎ５デンドライトと接触して形成されている。すなわち、これらＭｇリッチ粒子はＣｕ６Ｓｎ５の成長における不均一核生成サイトとしての役割をなす。その結果、Ｃｕ６Ｓｎ５デンドライトの粒子（長さ）が微細化されている。
なお、このようなＭｇリッチ粒子はＭｇ２Ｓｎ又はＭｇＯであると推測される。
なお、このようなＭｇリッチ粒子はＭｇ２Ｓｎ又はＭｇＯであると推測される。
【0039】
このように微細化されたＣｕ６Ｓｎ５デンドライトは、はんだ継手３（はんだバルク）の機械的性質を改善する。すなわち、本実施の形態に係るはんだ継手３のように、微量のＭｇが添加されたＳｎ-３重量％Ａｇ-５重量％Ｃｕはんだ合金を用いて接合を行った場合、接合強度を高めることができる。
【0040】
図４には、Ｓｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶マトリックス内における微細な板状のＡｇ３Ｓｎ金属間化合物が示されている。図４に依れば、０．１重量％以上のＭｇが添加されると、Ｓｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶の微細構造が顕著に微細化していることが分かる。
【0041】
これに鑑みると、０．１重量％以上のＭｇ添加の場合、Ｃｕ６Ｓｎ５粒子サイズ（デンドライト長さ）が大きくなることは（図５参照）、ＭｇがＳｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶に対して高い親和力を有ることに起因すると考えられ、その結果、Ｓｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶の微細化が優先的に起きる。
【0042】
図７は、Ｍｇの添加量に対する、各サンプルでのＳｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶の過冷量（ΔＴ）及びＣｕ６Ｓｎ５の核生成温度変化を示すグラフである。図７において、「○」点を結ぶ実線はＳｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶の過冷量（左縦軸）の変化を示しており、「●」点を結ぶ破線はＣｕ６Ｓｎ５の核生成温度変化（右縦軸）を示している。
【0043】
図７に示すように、Ｍｇの添加量が増加するにつれて、過冷量は減少する。詳しくは、Ｍｇが０．０２５重量％添加されるまでは、過冷量は急激に減少する。以降、Ｍｇの添加量が増加するにつれて、過冷量は徐々に減少を続ける。
【0044】
一般に、Ａｌが添加された合金においては、過冷量の減少がＡｇ３Ｓｎ共晶の形成を抑制すると言われている。しかし、本実施の形態においては、その逆の結果が得られた。すなわち、Ｍｇを添加することによって過冷量が減少するものの、過冷量の減少はＳｎ／Ａｇ３Ｓｎ共晶の微細構造の微細化をもたらしている（図４参照）。
【0045】
また、図７に示すように、Ｍｇの添加量を徐々に増加させた場合、Ｍｇの添加量が少ない初期のみ、Ｃｕ６Ｓｎ５の核生成温度が上昇している。詳しくは、Ｍｇが０．１重量％添加されるまでは、Ｃｕ６Ｓｎ５の核生成温度は上昇し、Ｍｇの添加量が０．１重量％であるときに最高点になる。その後、Ｍｇの添加につれてＣｕ６Ｓｎ５の核生成温度は下降し、Ｍｇの添加量が０．２重量％であるときは、Ｍｇが添加されていない場合と同程度の核生成温度となる。
【0046】
以上の記載のように、本実施の形態に係るはんだ継手３（Ｍｇ添加はんだ合金１）においては、Ｍｇが０超過～２重量％添加された場合、好ましくは、０超過～０．２重量％添加された場合、より好ましくは、Ｍｇが０．０２５～０．０５重量％添加された場合、生成されるＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物（デンドライト）の長さを抑制し、更に共晶のＡｇ３Ｓｎを微細化できるので、接合強度を含む機械的特性を高めることができる。
【0047】
以上においては、Ａｇが３重量％であってＣｕが５重量％である場合を例に挙げて説明したが、本実施の形態はこれに限るものでない。Ａｇは０．１～３．５重量％範囲であれば良く、Ｃｕは０．７～７．６重量％範囲であれば良い。更に、Ｃｕについては、２．０～７．６重量％であることが好ましい。
【符号の説明】
【0048】
１ Ｍｇ添加はんだ合金
２ 基板
３ はんだ継手
２ 基板
３ はんだ継手
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】