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技術 アルミニウム接合用はんだ合金

出願人 日本アルミット株式会社
発明者 澤村貞門田崇五十嵐岳夫前田由紀雄金子和彦
出願日 2012年9月28日 (7年9ヶ月経過) 出願番号 2012-217837
公開日 2014年4月21日 (6年2ヶ月経過) 公開番号 2014-069218
状態 特許登録済
技術分野 はんだ付・ろう付材料 溶融はんだ付 印刷回路に対する電気部品等の電気的接続
主要キーワード 酸化物発生量 棒はんだ 電気化学的腐食 リフローはんだ付 接合用はんだ フローはんだ付 溶融はんだ合金 融点低下
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この項目の情報は公開日時点(2014年4月21日)のものです。
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課題

はんだ合金酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるSn−Zn系アルミニウム接合用はんだ合金を提供する。

解決手段

SnにZnを10.0〜30.0重量%、Alを0.1〜3.0重量%添加したアルミニウム用接合用はんだ合金。強度改善元素として、Ag、Sb、Ni、Co、Fe、Crなどを添加したり、融点低下元素として、Bi、Inなどを添加したり、酸化防止元素として、P、Ga、Geなどを添加したりすることもできる。

概要

背景

従来、アルミニウム材接合する際に用いられる、アルミニウム接合用はんだ合金(以下、アルミニウム用はんだ)として、Zn−Al系、Sn−Zn系、Cd−Zn系はんだ合金(JIS Z 3281)が広く用いられており、その中でもSn−Znは融点が低いことで知られている。
JIS Z 3281 1996 アルミニウム用はんだ

アルミニウム用はんだは、アルミニウムおよびその合金同士、あるいは、アルミニウムと異種金属の接合に利用される。一般の電子機器の接合に用いられるSn−Pbはんだ合金、Sn−Ag−Cu鉛フリーはんだ合金とは異なり、使用法には多くの注意が必要である。これは、アルミニウムは、銅、鉄と比べて反応性が強く、表面に強固な酸化膜を生成し、除去しにくいことや、アルミニウムはんだ接合部に電気化学的腐食を起こしやすいためである。

アルミニウムおよびその合金は、軽量で加工性耐食性も良いことから、航空・宇宙産業、近年では、省エネルギーの観点から、自動車産業などに盛んに利用されており、アルミニウムおよびその合金同士、あるいは、アルミニウムと異種金属のはんだ接合技術についても、大変注目を集めている。

アルミニウム用はんだの中でも、Sn−Zn系はんだ合金は、融点が低い点が特徴であり、耐熱性が低い部材に用いられる。JIS Z 3281では、Sn−9Zn(融点約199℃)、Sn−15Zn(融点約250℃)、Sn−20Zn(融点約280℃)が規定されている。

しかしながら、Sn−Zn系アルミニウム用はんだは、Znの反応性が高いため、はんだ付を行う際、はんだ合金が溶融するとZnが選択的に酸化され、多くの酸化物が発生する。多くの酸化物が発生するとはんだ付性極端に低下するため、はんだ付不良が発生しやすくなる。

概要

はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるSn−Zn系アルミニウム接合用はんだ合金を提供する。SnにZnを10.0〜30.0重量%、Alを0.1〜3.0重量%添加したアルミニウム用接合用はんだ合金。強度改善元素として、Ag、Sb、Ni、Co、Fe、Crなどを添加したり、融点低下元素として、Bi、Inなどを添加したり、酸化防止元素として、P、Ga、Geなどを添加したりすることもできる。なし

目的

Sn−Zn系アルミニウム用はんだは、はんだ合金が酸化しやすく、はんだ付性が悪いという欠点があった。
そこで、本発明は、Sn−Zn系でありながら、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるアルミニウム用はんだを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

Znが10.0〜30.0重量%、Alが0.1〜3.0重量%、および残部がSnおよび不可避不純物より成るアルミニウム接合用はんだ合金

請求項2

前記アルミニウム接合用はんだ合金の強度改善元素として、Agおよび/またはSbを3.0重量%以下含有する請求項1記載のアルミニウム接合用はんだ合金。

請求項3

前記アルミニウム接合用はんだ合金の強度改善元素として、Ni、Co、Fe、Crから成る群から選んだ1種または2種以上を合計で0.2重量%以下含有する請求項1または2記載のアルミニウム接合用はんだ合金。

請求項4

前記アルミニウム接合用はんだ合金の融点低下元素として、Biおよび/またはInを3.0重量%以下含有する請求項1または2記載のアルミニウム接合用はんだ合金。

請求項5

前記アルミニウム接合用はんだ合金の酸化防止元素として、P、Ga、Geから成る群から選んだ1種または2種以上を合計で0.3重量%以下含有する請求項1または2記載のアルミニウム接合用はんだ合金。

技術分野

0001

本発明は、はんだ合金酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるSn−Zn系アルミニウム接合用はんだ合金に関する。

背景技術

0002

従来、アルミニウム材接合する際に用いられる、アルミニウム接合用はんだ合金(以下、アルミニウム用はんだ)として、Zn−Al系、Sn−Zn系、Cd−Zn系はんだ合金(JIS Z 3281)が広く用いられており、その中でもSn−Znは融点が低いことで知られている。
JIS Z 3281 1996 アルミニウム用はんだ

0003

アルミニウム用はんだは、アルミニウムおよびその合金同士、あるいは、アルミニウムと異種金属の接合に利用される。一般の電子機器の接合に用いられるSn−Pbはんだ合金、Sn−Ag−Cu鉛フリーはんだ合金とは異なり、使用法には多くの注意が必要である。これは、アルミニウムは、銅、鉄と比べて反応性が強く、表面に強固な酸化膜を生成し、除去しにくいことや、アルミニウムはんだ接合部に電気化学的腐食を起こしやすいためである。

0004

アルミニウムおよびその合金は、軽量で加工性耐食性も良いことから、航空・宇宙産業、近年では、省エネルギーの観点から、自動車産業などに盛んに利用されており、アルミニウムおよびその合金同士、あるいは、アルミニウムと異種金属のはんだ接合技術についても、大変注目を集めている。

0005

アルミニウム用はんだの中でも、Sn−Zn系はんだ合金は、融点が低い点が特徴であり、耐熱性が低い部材に用いられる。JIS Z 3281では、Sn−9Zn(融点約199℃)、Sn−15Zn(融点約250℃)、Sn−20Zn(融点約280℃)が規定されている。

0006

しかしながら、Sn−Zn系アルミニウム用はんだは、Znの反応性が高いため、はんだ付を行う際、はんだ合金が溶融するとZnが選択的に酸化され、多くの酸化物が発生する。多くの酸化物が発生するとはんだ付性が極端に低下するため、はんだ付不良が発生しやすくなる。

発明が解決しようとする課題

0007

Sn−Zn系アルミニウム用はんだは、はんだ合金が酸化しやすく、はんだ付性が悪いという欠点があった。
そこで、本発明は、Sn−Zn系でありながら、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させるアルミニウム用はんだを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために、本発明は、Znが10.0〜30.0重量%、Alが0.1〜3.0重量%、および残部がSnおよび不可避不純物より成るアルミニウム用はんだである。

発明の効果

0009

本発明によれば、従来のSn−Zn系アルミニウム用はんだに所定の濃度のAlを添加することで、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を大きく向上させることが可能となる。
Alは、Znよりも酸化しやすい性質を持っており、Sn−Zn系アルミニウム用はんだにAlを添加することにより、はんだ付性低下の原因であったZnの酸化が抑制される。アルミニウム用はんだは、Znの含有が10.0〜30.0重量%であるために、Alの添加量が0.1重量%未満であると、はんだ合金の酸化抑制効果はほとんどなく、はんだ付性を向上させることはない。また、Alの添加量が3.0重量%超であると、酸化抑制効果は期待できるものの、はんだ合金の液相線温度が上昇し、はんだ付性低下の原因となりうるために好ましくない。

0010

SnにZnを10.0〜30.0重量%以下、Alを0.1〜3.0重量%以下添加したSn−Zn系アルミニウム用はんだは、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を大きく向上させる効果があるものの、はんだ接合部に大きな強度が要求される場合、必ずしも十分ではない。このような場合、機械的特性を改善し、はんだ接合部の強度を向上させる元素として、Ag、Sb、Ni、Co、Fe、Crなどの金属元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。これらの金属元素は、主成分であるSnに固溶、あるいは金属間化合物を形成して機械的特性を改善する効果がある。しかし、添加量が多いと液相線温度が上昇するため、Agおよび/またはSbの添加量は3.0重量%以下、Ni、Co、Fe、Crの添加量については、合計で0.2重量%以下がそれぞれ望ましい。

0011

また、はんだ付温度を低くする必要がある場合、例えば、プリント基板に搭載した電子部品熱劣化を抑制する目的で、融点低下元素として、Bi、Inなどの金属元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。しかし、Biの添加量が多いとはんだ合金の脆性増してしまい、耐衝撃性の低下が懸念される。さらに、Inは高価な金属元素のため、Biおよび/またはInの添加量は、3.0重量%以下が望ましい。

0012

さらに、はんだ付時のはんだ合金のさらなる酸化を防ぐ目的で、P、Ga、Geなどの酸化防止元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。しかし、添加量が多いと、はんだ合金の脆化やはんだ付性が低下してしまうため、P、Ga、Geの添加量については、合計で0.3重量%以下がそれぞれ望ましい。

実施例

0013

以下、本発明を、その実施例に基づいて説明する。
表1、および表2に示したSn−Zn系にAl、Ag、Sb、Ni、Co、Fe、Cr、Bi、In、P、Ga、Geを添加したアルミニウム用はんだを作製し、はんだ付性試験、および酸化物発生試験を実施した。
はんだ付性試験は、ウエティングバランス法により、はんだ合金のぬれ時間(ゼロクロスタイム)を測定することで評価を行った。ウエッティングバランス法は、JIS Z 3197:2012に準拠し、溶融させたはんだ合金に、フラックスを塗布した試験用アルミ板(厚さ0.3mm×幅10mm×長さ30mm)を10秒浸漬させ、このときのゼロクロスタイムを測定した。試験温度溶融はんだ合金の温度)は、330℃にて実施した。試験結果を表3に示す。

0014

酸化物(ドロス)発生試験は、小型はんだ槽を用い、表1、および表2に示したアルミニウム用はんだを30分間放置させ、その際に発生した酸化物(ドロス)を量することで評価を行った。試験温度(溶融はんだ合金の温度)は、300℃、330℃、350℃、400℃にて実施し、Alの添加量が3.0重量%のアルミニウム用はんだのみ、330℃、350℃、400℃にて実施した。試験結果を表4に示す。

0015

(表1)アルミニウム用はんだの組成

0016

(表2)アルミニウム用はんだの組成

0017

(表3)ウエッティングバランス法試験、酸化物発生試験結果

0018

表1、および表2の比較例に示した、従来のSn−Zn系アルミニウム用はんだのぬれ時間(ゼロクロスタイム)は、0.45秒〜0.54秒となった。その一方で、表1、および表2の実施例に示した、Sn−Zn系にAl、Ag、Sb、Ni、Co、Fe、Cr、Bi、In、P、Ga、Geを添加したアルミニウム用はんだのぬれ時間は、0.28秒〜0.45秒となり、ぬれ時間の大幅な短縮が確認された。

0019

表1、および表2の比較例に示した、従来のSn−Zn系アルミニウム用はんだの酸化物(ドロス)発生量は、300℃のとき、1.24〜1.43g、330℃のとき、1.35〜1.55g、350℃のとき、2.15〜2.54g、400℃のとき、4.43〜4.92gであった。その一方で、表1、および表2の実施例に示した、Sn−Zn系にAl、Ag、Sb、Ni、Co、Fe、Cr、Bi、In、P、Ga、Geを添加したアルミニウム用はんだの酸化物発生量は、300℃のとき、0.18〜0.41g、330℃のとき、0.21〜0.45g、350℃のとき、0.20〜0.48g、400℃のとき、0.25〜0.48gとなり、酸化物発生量の大幅な減少が確認された。

0020

以上の結果、SnにZnを10.0〜30.0重量%以下、Alを0.1〜3.0重量%以下添加したSn−Zn系アルミニウム用はんだは、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させることが明らかとなった。また、SnにZnを10.0〜30.0重量%以下、Alを0.1〜3.0重量%以下添加し、強度改善元素として、Agおよび/またはSbを3.0重量%以下、Ni、Co、Fe、Crを合計で0.2重量%以下、融点低下元素として、Biおよび/またはInを3.0重量%以下、酸化防止元素として、P、Ga、Geを合計で0.3重量%以下添加しても、はんだ合金の酸化を抑制し、はんだ付性を向上させる特性に変化がない事も明らかとなった。

0021

本発明のアルミニウム用はんだは、やに入りはんだソルダペースト棒はんだ線状はんだなどに用いることができる。また、フローはんだ付法、デイップはんだ付法、リフローはんだ付法、レーザーはんだ付法、超音波はんだ付法、摩擦はんだ付法、マニュアルソルダリング(手はんだ付)法、様々なはんだ付法において使用可能である。

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