特許 7287733 表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-29

(45)【発行日】2023-06-06

(54)【発明の名称】表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 1/02 20060101AFI20230530BHJP

   B23K 35/26 20060101ALI20230530BHJP

   B23K 35/40 20060101ALI20230530BHJP

   C22C 13/00 20060101ALI20230530BHJP

   C22C 13/02 20060101ALI20230530BHJP

【ＦＩ】

C22C1/02 503N

B23K35/26 310A

B23K35/40 340Z

C22C13/00

C22C13/02

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022188771

(22)【出願日】2022-11-25

【審査請求日】2022-11-25

(31)【優先権主張番号】202111453089.3

(32)【優先日】2021-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】522462421

【氏名又は名称】東莞市千島金属錫品有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＤＯＮＧＧＵＡＮ ＣＩＴＹ ＴＨＯＵＳＡＮＤ ＩＳＬＡＮＤ ＭＥＴＡＬ ＦＯＩＬ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． ２ ａｎｄ Ｎｏ． ６， Ｘｉｎｌｏｎｇ Ｒｏａｄ， Ｔａｎｇｘｉａ Ｔｏｗｎ， Ｄｏｎｇｇｕａｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２３０００， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】黄守友

(72)【発明者】

【氏名】張毅

(72)【発明者】

【氏名】叶橋生

(72)【発明者】

【氏名】黄義栄

【審査官】祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１１１０８８４４６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００５－２４６４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２７７２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１５１３８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６２７１１８７（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７９８４１１０（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０１５３５８７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ １／０２

Ｂ２３Ｋ ３５／２６

Ｂ２３Ｋ ３５／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップＳ１と、
シリコン粉末を鋼製の容器内に振り入れ、十分に混合するように撹拌して、第１の段階の混合液を形成するステップＳ２と、
第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行い、銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップＳ３と、
第２の段階の混合液を第１の段階の温度まで降温させてからニッケル粉末を加えて再撹拌するステップＳ４と、
アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、２６０℃～３６０℃の条件で酸素及び不純物を除去するステップＳ５と、
撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップＳ６とを含み、
前記鉛フリーハンダは、重量％で、シリコン粉末０．０５％～０．１％、ニッケル粉末０．１％～１％、銅粉末１．５％～９％、アンチモン粉末２％～１１％、残量の錫で構成され、
前記第１の段階では２６０℃～３６０℃まで昇温させ、第２の段階では６４０℃～６８０℃まで昇温させ、
前記アンモニウムクロリド溶液の重量はハンダ原料の総重量の０．４％～０．８％を占め、アンモニウムクロリド溶液の質量分率は４０％～４６％である、
ことを特徴とする表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法。

【請求項2】

前記シリコン粉末が０．０８％で、ニッケル粉末が０．６％で、銅粉末が８％で、アンチモン粉末が１０％で、残量が錫である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の段階の混合液の撹拌時間は１５ｍｉｎ～２０ｍｉｎであり、第２の段階の混合液の撹拌時間は２５ｍｉｎ～３５ｍｉｎであり、再撹拌の時間は１５ｍｉｎ～２５ｍｉｎである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ハンダ付け材料製造の分野に関し、特に表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ハンダ付けは、溶接とも呼ばれ、金属、又はプラスチックなどの他の熱可塑性材料を加熱、高温又は高圧で接合する製造工程及び技術であり、従来技術において、電子工業のハンダ付け材料は、主に錫鉛合金を主成分とし、錫鉛合金は優れたハンダ付け性能を有するが、鉛は有毒な物質であり、体内に入った後、骨に蓄積され、かつ排出されにくいことにより、作業者の鉛中毒が起こる。技術の発展に伴い、電子製品の組立及びハンダ付けは次第に鉛フリーハンダ化製造に移行しつつある。しかし、従来の鉛フリーハンダは、ハンダ付け後のハンダバンプの表面硬度が不十分（ブリネル硬度が約２１である）であるため、ハンダの変形抵抗性能が悪く、ハンダ剥離が発生しやすい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、上記背景技術で提起された問題を解決するための、表面拡散硬化の鉛フリーハンダの製造方法を提供する。

【0004】

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術案を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法は、
設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップＳ１と、
シリコン粉末を鋼製の容器内に振り入れ、十分に混合するように撹拌して、第１の段階の混合液を形成するステップＳ２と、
第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行い、銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップＳ３と、
第２の段階の混合液を第１の段階の温度まで降温させてからニッケル粉末を加えて再撹拌するステップＳ４と、
アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、高温で酸素及び不純物を除去するステップＳ５と、
撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップＳ６とを含み、
前記鉛フリーハンダは、重量％で、シリコン粉末０．０５％～０．１％、ニッケル粉末０．１％～１％、銅粉末１．５％～９％、アンチモン粉末２％～１１％、残量の錫で構成される。

【0006】

選択可能に、前記第１の段階において２６０℃～３６０℃まで昇温し、第２の段階において６４０℃～６８０℃まで昇温する。

【0007】

選択可能に、前記シリコン粉末が０．０８％で、ニッケル粉末が０．６％で、銅粉末が８％で、アンチモン粉末が１０％で、残量が錫である。

【0008】

選択可能に、アンモニウムクロリド溶液の重量はハンダ原料の総重量の０．４％～０．８％を占め、アンモニウムクロリド溶液の質量分率は４０％～４６％である。

【0009】

選択可能に、第１の段階の混合液の撹拌時間は１５ｍｉｎ～２０ｍｉｎであり、第２の段階の混合液の撹拌時間は２５ｍｉｎ～３５ｍｉｎであり、再撹拌の時間は１５ｍｉｎ～２５ｍｉｎである。

【0010】

選択可能に、ステップＳ５において、２６０℃～３６０℃の条件で酸素及び不純物を除去する。

【発明の効果】

【0011】

従来技術と比較して、本発明の有益な効果は次のとおりである。
本発明のハンダは安全で環境にやさしく、ハンダのハンダバンプの表面のブリネル硬度が２６まで向上した。これは、シリコン粉末を加えて錫液と２６０℃～３６０℃で混合してから温度を６４０℃～６８０℃まで上げた場合、比較的緻密な微細孔を形成することができるためであり、こうすると、銅やアンチモンの分散充填が容易になり、強化材の金属組織構造を改善すると共に、混合材料の内部及び表面を分散硬化させ、製造されたハンダのハンダバンプの表面硬度を向上させることができる。また、ニッケルを加えて再撹拌することにより、ハンダのハンダバンプの硬度及び耐食性をさらに向上させることができる。走査型電子顕微鏡やエネルギー分散分光装置でハンダバンプを観察すると、その外表面が滑らかで平坦であることを発見できる。外観から見ると、ハンダバンプの表面が特に明るく、ハンダバンプは丸々で、連続的にハンダ付けされていない。使用時に、基材（ソリッド材）との親和性がより良くなり、溶接継ぎ目が滑らかで綺麗である。従って、当該鉛フリーハンダは、従来の、鉛フリーハンダの表面硬度が不十分である等の技術的問題を効果的に解決することができる。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施例を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明確で完全に説明し、明らかに、説明された実施例は、すべての実施例ではなく、本発明の実施例の一部にすぎない。当業者が創造的な働きなしに得た他の実施例は、いずれの本発明の保護範囲に属すべきである。

【0013】

本発明は次の技術案を提供する。
（実施例１）

【0014】

表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法は、
設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップＳ１と、
シリコン粉末を鋼製の容器内に振り入れ、十分に混合するように撹拌して、第１の段階の混合液を形成するステップＳ２と、
第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行い、銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップＳ３と、
第２の段階の混合液を第１の段階の温度まで降温させてからニッケル粉末を加えて再撹拌するステップＳ４と、
アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、高温で酸素及び不純物を除去するステップＳ５と、
撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップＳ６とを含む。

【0015】

具体的には、前記鉛フリーハンダは、重量％で、シリコン粉末０．０６％、ニッケル粉末０．５％、銅粉末３％、アンチモン粉末６％、残量の錫で構成される。

【0016】

具体的には、前記第１の段階では２８０℃まで昇温させ、第２の段階では６５０℃まで昇温させ、ステップＳ５において、２８０℃の条件で酸素及び不純物を除去する。

【0017】

具体的には、前記アンモニウムクロリド溶液の重量は、ハンダ原料の総重量の０．５％を占め、アンモニウムクロリド溶液の質量分率は４２％である。

【0018】

具体的には、ステップＳ５は次のとおりであり、アンモニウムクロリド溶液をステップＳ４によって製造された金属混合液の表面に２８０℃の条件でゆっくり加える際に、多量のガスが発生するため、撹拌しながら加える必要があり、それにより、アンモニウムクロリド溶液を金属溶液と混合して反応させ、少量の酸化スラグが発生して気化することにより、金属中の酸素及び不純物ガスが除去され、微量の不純物は酸化スラグに伴って金属液の表面に浮上し、静置した後にストレーナーで掬い取る。

【0019】

具体的には、前記第１の段階の混合液の撹拌時間は１８ｍｉｎであり、第２の段階の混合液の撹拌時間は２８ｍｉｎであり、再撹拌の時間は１８ｍｉｎである。

【0020】

本実施例では、鉛フリーハンダの製造に使用される各物質の重量は、シリコン粉末０．０６ｋｇ、ニッケル粉末０．５ｋｇ、銅粉末３ｋｇ、アンチモン粉末６ｋｇ、錫９０．４４ｋｇ、アンモニウムクロリド溶液０．５ｋｇである。
（実施例２）

【0021】

実施例１とほぼ同じであり、若干異なる点は次のとおりである。

【0022】

前記鉛フリーハンダは、重量％で、前記シリコン粉末０．０８％、ニッケル粉末０．６％、銅粉末８％、アンチモン粉末１０％、残量の錫で構成される。

【0023】

前記第１の段階では３３５℃まで昇温させ、第２の段階では６６０℃まで昇温させ、ステップＳ５において、３３５℃の条件で酸素及び不純物を除去する。

【0024】

前記アンモニウムクロリド溶液の重量はハンダ原料の総重量の０．６％を占め、アンモニウムクロリド溶液の質量分率は４５％である。

【0025】

前記第１の段階の混合液の撹拌時間は１６ｍｉｎであり、第２の段階の混合液の撹拌時間は３０ｍｉｎであり、再撹拌の時間は２０ｍｉｎである。

【0026】

本実施例では、鉛フリーハンダの製造に使用される各物質の重量は、シリコン粉末０．０８ｋｇ、ニッケル粉末０．６ｋｇ、銅粉末８ｋｇ、アンチモン粉末１０ｋｇ、錫８１．３２ｋｇ、アンモニウムクロリド溶液０．６ｋｇである。
（実施例３）

【0027】

実施例１とほぼ同じであり、若干異なる点は次のとおりである。

【0028】

具体的には、前記鉛フリーハンダは、重量％で、シリコン粉末０．０７％、ニッケル粉末１％、銅粉末７％、アンチモン粉末８％、残量の錫で構成される。

【0029】

前記第１の段階では３５０℃まで昇温させ、第２の段階では６７０℃まで昇温させ、ステップＳ５において、３５０℃の条件で酸素及び不純物を除去する。

【0030】

前記アンモニウムクロリド溶液の重量はハンダ原料の総重量の０．７％を占め、アンモニウムクロリド溶液の質量分率は４４％である。

【0031】

前記第１の段階の混合液の撹拌時間は１９ｍｉｎであり、第２の段階の混合液の撹拌時間は３３ｍｉｎであり、再撹拌の時間は２２ｍｉｎである。

【0032】

本実施例では、鉛フリーハンダの製造に使用される各物質の重量は、シリコン粉末０．０７ｋｇ、ニッケル粉末１ｋｇ、銅粉末７ｋｇ、アンチモン粉末８ｋｇ、錫８３．９３ｋｇ、アンモニウムクロリド溶液０．７ｋｇである。

【0033】

本発明では、実施例２のステップＳ２を省略すると共に、ステップＳ３から第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行うことを省略し、他の条件はそのままであり、即ち製造方法は、
設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップＳ１と、
銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップＳ２と、
続いて、ニッケル粉末を加えて再撹拌するステップＳ３と、
アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、高温で酸素及び不純物を除去するステップＳ４と、
撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップＳ５とを含む。

【0034】

それにより、ハンダＡを製造し、このハンダＡを用いて３０ブロックの配線基板に対してハンダ付けを行い、各ブロックから１つの点をランダムに抽出する。標準ＤＬ／Ｔ８６８－２００４に応じてハンダ付けジョイントに対してブリネル硬度試験を行い、具体的な結果は表１に示すとおりである。

【0035】

【表1】

【0036】

本発明では、実施例２のステップＳ２を省略し、他の条件はそのままであり、即ち製造方法は、
設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップＳ１と、
第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行い、銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップＳ２と、
第２の段階の混合液を第１の段階の温度まで降温させてからニッケル粉末を加えて再撹拌するステップＳ３と、
アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、高温で酸素及び不純物を除去するステップＳ４と、
撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップＳ５とを含む。

【0037】

それにより、ハンダＢを製造し、このハンダＢで３０ブロックの配線基板をハンダ付けし、各ブロックから１つの点をランダムに抽出する。標準ＤＬ／Ｔ８６８－２００４に応じてハンダ付けジョイントに対してブリネル硬度試験を行い、具体的な結果は表２に示すとおりである。

【0038】

【表2】

【0039】

本発明では、実施例２のステップＳ３から第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行うことを省略し、他の条件はそのままであり、即ち製造方法は、
設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップＳ１と、
シリコン粉末を鋼製の容器内に振り入れ、十分に混合するように撹拌して、第１の段階の混合液を形成するステップＳ２と、
銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップＳ３と、
続いて、ニッケル粉末を加えて再撹拌するステップＳ４と、
アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、高温で酸素及び不純物を除去するステップＳ５と、
撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップＳ６とを含む。

【0040】

それにより、ハンダＣを製造し、このハンダＣで３０ブロックの配線基板をハンダ付けし、各ブロックから１つの点をランダムに抽出する。標準ＤＬ／Ｔ８６８－２００４に応じてハンダ付けジョイントに対してブリネル硬度試験を行い、具体的な結果は表３に示すとおりである。

【0041】

【表3】

【0042】

本発明では、それぞれ実施例１、２、３の方法でハンダを製造し、実施例毎に１０部ずつ、合計３０部のハンダＤを製造し、続いて、１０部ずつハンダ付けされた１０ブロックの配線基板に対応し、合計３０ブロックの配線基板をハンダ付けし、各ブロックから１つの点をランダムに抽出する。標準ＤＬ／Ｔ８６８－２００４に応じてハンダ付けジョイントに対してブリネル硬度試験を行い、具体的な結果は表４に示すとおりである。

【0043】

【表4】

【0044】

従来のＳｎ－３．２Ａｇ－０．５Ｃｕ鉛フリーハンダを比較例１として、同じハンダで３０ブロックの配線基板をハンダ付けし、各ブロックから１つの点をランダムに抽出する。標準ＤＬ／Ｔ８６８－２００４に応じてハンダ付けジョイントに対してブリネル硬度試験を行い（ＨＢ－３０００型のブリネル硬度試験機を用いて試験する）、具体的な結果は表５に示すとおりである。

【0045】

【表5】

【0046】

上記表５から分かるように、試験により、既存の比較例１の鉛フリーハンダのハンダバンプの表面のブリネル硬度が２１で、上下に変化するが、変化幅が小さく、全体的に２１に維持される。

【0047】

表１と表５との比較から分かるように、液体に溶解された錫にシリコン粉末を加えず、且つ混合液の温度を第１の段階から第２の段階に昇温させずに製造したハンダＡは、試験により、当該ハンダのハンダバンプの表面のブリネル硬度は大体２２．２であり、つまり、当該ハンダの表面のブリネル硬度は従来技術よりある程度向上したが、著しくない。

【0048】

表２と表５との比較から分かるように、液体に溶解された錫にシリコン粉末を加えずに、混合液の温度を第１の段階から第２の段階に昇温させて製造したハンダＢは、試験により、当該ハンダのハンダバンプの表面のブリネル硬度は大体２２．４であり、つまり、当該ハンダの表面のブリネル硬度は従来技術よりある程度向上したが、著しくない。

【0049】

表３と表５との比較から分かるように、液体に溶解された錫にシリコン粉末を加えるが、混合液の温度を第１の段階から第２の段階に昇温させずに製造したハンダＣは、試験により、当該ハンダの表面のブリネル硬度は大体２２．６であり、つまり、当該ハンダの表面のブリネル硬度は従来技術よりある程度向上したが、同様に、著しくない。

【0050】

上記表１、表２、表３をそれぞれ比較し、製造されたハンダ表面のブリネル硬度の平均も２２に維持され、その結果は表５と比べ、表面の硬度の向上が著しくない。

【0051】

表２及び表３と表５との比較から分かるように、液体に溶解された錫にシリコン粉末を加え、混合液の温度を第１の段階から第２の段階に昇温させて製造したハンダＤは、ハンダのハンダバンプの表面のブリネル硬度を２６に向上させルことができ、上下に変化するが、変化幅が小さく、全体的に２６に維持される。これは、シリコン粉末を加えて錫液と（２６０℃～３６０℃）混合してから温度を（６４０℃～６８０℃）上げた場合、比較的緻密な微細孔を形成することができるためであり、こうすると、銅やアンチモンの分散充填が容易になり、強化材の金属組織構造を改善すると共に、混合材料の内部及び表面を分散硬化させ、製造されたハンダのハンダバンプの表面硬度を向上させることができる。また、ニッケルを加えて再撹拌することにより、ハンダのハンダバンプの硬度及び耐食性をさらに向上させることができる。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）やエネルギー分散分光装置（ＥＤＳ）でハンダバンプを観察すると、その外表面が滑らかで平坦であることを発見できる。外観から見ると、ハンダバンプの表面が特に明るく、ハンダバンプは丸々で、連続的にハンダ付けされていない。使用時に、基材（ソリッド材）との親和性がより良くなり、溶接継ぎ目が滑らかで綺麗である。従って、本発明の鉛フリーハンダは、従来の、鉛フリーハンダの表面硬度が不十分である等の技術的問題を効果的に解決することができる。

【0052】

本発明の実施例を示して説明したが、当業者であれば、本発明の原理と趣旨から逸脱せずに、これらの実施例に対して様々な変更、修正、置き換え、変形を行うことができ、本発明の範囲は添付された特許請求の範囲及びその等価物により限定されることを理解されたい。

【要約】      （修正有）

【課題】表面拡散硬化型の鉛フリーハンダの製造方法を提供する。
【解決手段】方法は、設定された重量配合比で原料を秤量し、錫を鋼製の容器内に入れ、鋼製容器を中間周波数炉に置いて第１の段階の昇温を行って、錫を液体に溶解させるステップと、シリコン粉末を鋼製の容器内に振り入れ、十分に混合するように撹拌して、第１の段階の混合液を形成するステップと、第１の段階の混合液に対して第２の段階の昇温を行い、銅粉末、アンチモン粉末を振り入れ、十分に混合するように撹拌し続けて、第２の段階の混合液を形成するステップと、第２の段階の混合液を第１の段階の温度まで降温させてからニッケル粉末を加えて再撹拌するステップと、アンモニウムクロリド溶液を鋼製の容器に入れ、高温で酸素及び不純物を除去するステップと、撹拌済みのハンダを金型内に注ぎ入れ、必要なハンダを得るステップとを含む。
【選択図】なし