Foundation of Material Scientific Guide to Soldering Tadashi OSAWA* * Department of Mechanical Engineering, College of Science and Engineering, Aoyama
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(2) 表1.界. 図1.固. 面 エ ネ ル ギ の変 化 と接 触 角 の 変化. 体 表 面上 の 液 滴 の形 状 と表 面張 力. る。ぬ れ は,は ん だ 付 け にお け る最 も基 本 的 な 因 子 で あ り, ぬ れ を伴 わ な い は ん だ 付 け は あ り得 な い 。 一般 に ,固 体 の 表 面 に液 体 が あ る と き,固 体 表 面 の 一 部 は液 体 と固 体 の界 面 に な っ て い る。 こ の よ う に,液 体 表 面. しか し,γs,γl,γlsは母 材 お よ び は ん だ に特 有 な物 性 値. の 一 部 が 液 体/固 体 の 界面 で 置 き換 え られ る現 象 を ぬ れ. で あ り,一 定 の 温 度 と一 定 の 圧 力 の も とで は 一 定 の 値 に な. とい い,固 体 表 面 が 液 体 で ぬ ら され た,と い う。 は ん だ付. る。 と こ ろが,母. け に お い て は,溶 け た は ん だ が 液 体 に,母 材 が 固体 にそ れ. の使 用 に よ っ てγsやγlを 変 化 させ る こ とが 可 能 に な る 。. ぞ れ 相 当 す る。. (1)母 材 の表 面 張 力 γ,の変 化. 固体 表 面 に液 滴 を置 く と,図1の. よ う に,固 体 と液 体 の. 性 質 に よ っ て一 定 の 形 状 に な る。 こ の場 合,液 が 接 す る点 に お け る液 体 表 面 と,固 体/液 す 角 θを 接 触 角(contact. angle)と. とい う. 。 図1に. 体 と固 体 と. 体 の界 面 との な. 称 し,ぬ れ の 尺 度,す. な わ ち,ぬ れ 性 の 指 標 に さ れ る。 一 般 に ,θ<90ﾟの 場合 を ぬれる ぬれ ない. 材 に対 す る加 工 処 理 や 適 切 な フ ラ ッ ク ス. 母 材 の表 面 張 力 γ,がは ん だ 付 け性 に及 ぼ す 影 響 に つ い て の 実験 例 と して,強 加 工 母 材 の 焼 鈍 軟 化 と溶 融 は ん だ の ぬ れ性(拡. が り性)と. の 関 係 を 図2に 示 す3)。母 材 の 表 面 エ. ネ ル ギ γ、 が 大 き い 強 加 工 母 材 上 で の 拡 が り性 は,再 結 晶 し てγsが小 さ くなっ た 母 材 上 で の そ れ よ り も大 きい こ とが 明. ,θ>90ﾟの. 場合 を. お い て,γs,γl,γlsの力 学 的 平. らか で あ る。 した が っ て,母 材 を 強加 工 す る こ と は,は ん だ付 け 性 を改 善 す る1つ の 方 法 で あ る とい え る 。 こ こで,金 属 に加 工 を加 えた り,熱 処 理 を 施 した りす る. 衡 条 件 か ら,つ ぎの 関 係 が 成 り立 つ 。 〓(1). こ と に よ っ て,表. 面 エ ネ ル ギ γ、 が どの よ う に変 化 す る の か. γ s:固 体 の 表 面 張 力. を 金 属 結 晶 構 造 との 関連 に お い て 考 察 す る と次 の よ う に な. γl :液 体 の 表 面 張 力. る 。 金属 は そ れ ぞ れ 固有 の 結 晶 構 造 を有 して お り,そ の結. γls :液 体/固 体 の 界 面 張 力. 晶 面 に応 じた 表 面 エ ネ ル ギ を もっ て い る。 金 属 に圧 延 や 引. θ:接 触 角. 抜 き な ど の塑 性 加 工 を施 す と,個 々 の 結 晶 粒 が 加 工 方 向 に 並 ん で 特 定 の 結 晶 面 だ け が 規 則 的 に 配 列 す る,い わ ゆ る 集. (1)式を ヤ ング の 式 とい う。 ま た,(1)式 か ら. 合 組 織(texture)を 〓(2). が 得 ら れ,Aを. 付 着 張 力 とい う。 付 着 張 力Aは 固 体 と液 体. 有 す る ように なる。圧 延加 工 に よっ. て 得 られ る集 合 組 織 は 圧 延 集 合 組 織(rolling. texture)と. 呼 ば れ る。 さ ら に,塑 性 加 工 集 合 組 織 を有 す る 金 属 を焼 鈍. とが 接 触 す る こ と に よ っ て 固 体 表 面 が 消 失 して 新 た に 固. す る こ とに よっ て,塑 性 加 工 に よる もの とは 異 な る別 の 集. 体/液 体 の 界 面 が 生 じる 際 の 自 由エ ネ ル ギ の減 少 を表 す こ. 合 組 織,す. な わ ち,再. 結 晶 集 合 組 織(recrystallization. とに な る か ら,ぬ れ の 程 度 はAの 値 か ら判 断 す る の が 合 理 的 で あ る。 しか し,一 般 に は,接 触 角 の 大 小 が よ り直 感 的 で あ る の で,接 触 角 θが ぬ れ性 を 表 す 尺 度 に され る。 こ こで,は. ん だ 付 け に お け るぬ れ性 に及 ぼす 主 な 因子 と. して,溶 融 は ん だ お よ び 母 材 の 表 面 エ ネ ル ギ,は ん だ/母 材 の 金 属 学 的相 互 反 応,は. ん だ の還 元作 用 を あ げ る こ とが. で き る1)。 4.1.1表. 面 エ ネ ル ギ の影 響. ぬ れ の 程 度 はγs,γl,γlsの 相 対 的な大 きさに よって決 ま る が,そ. れ ぞ れ の 表 面 張 力(γ)の. の変 化 を表1に 表1よ. 変 化 に対 す る 接 触 角 θ. まとめて示す。. り,ぬ れ を 良 くす るた め に は接 触 角 θを減 少 さ せ. れ ば よ い の で,γlま た はγlsを 小 さ くす る か,あ. る い は,γ 、. を大 き くす れ ば よ い こ とが わ か る。 は ん だ付 け にお け る ぬ れ性 を改 善 す るた め に は,こ 重 要 に な る。. れ らの こ と を考 慮 す る こ とが 図2.強. 加 工 母 材 の焼 鈍 軟化 とはん だ の拡 が り との関 係. エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.5No.3(2002)305.
(3) texture)を. 生 ず る。. こ こ で,結. の 母 材 金 属 とが 直 接 に接 す る の で,そ. 晶 構 造 が 面 心 立 方 格 子(fcc)で. に お い て は,強. あ るCu母 材. 圧 延 された圧 延 集合 組織 の優 先 結 晶面 は. (金 属 問化 合 物)の. の 界 面 で は合 金 層. 形 成 や,母 材 の 溶 解 反 応 が 起 こ る。 そ. の 結 果,γlやγlsが変 化 し,は ん だ の ぬ れ性 も変 化 す る 。 固. (110)で. あ り,こ れ を200〜400℃ で焼 鈍 した もの の そ れ は. 体 金 属 に対 す る液 体 金 属 の 見 か け の ぬ れ性 は,そ. (100)と. な る。 結 晶 学 に よれ ば,面 心 立 方 構 造 で は(110). い だ の 金 属 学 的 相 互 反応 を考 慮 に 入 れ て比 較 す る と,一 般. の表 面 エ ネ ル ギ は(100)の. そ れ よ りも大 きい4)。した が っ. て,は ん だ の拡 が り性(拡. が り面 積)は. 表面 エネ ルギの大. れ らの あ. に 固 溶 体 や 金 属 問化 合 物 を形 成 す る組 み 合 わ せ の もの が 見 か け の ぬ れ性 が よ い5)。. きい圧 延 母 材 で 大 き く,表 面 エ ネ ル ギ の 小 さ い 再 結 晶 母 材. 4.1.3は. で 小 さ くな る。 焼 鈍 温 度 が さ ら に 高 くな っ て 二 次 再 結 晶 が. は ん だ の ぬ れ 性 は,そ れ 自 身 の 還 元 作 用 に よ っ て も影 響. 形 成 され た母 材 で は,は ん だ は大 き く成 長 した あ る特 定 の. され,特. 結 晶 粒 で あ る(110)に. 示す。. 優 先 して ぬ れ る た め に,拡. が り面. 積 は 一 次 再 結 晶組 織 の 母 材 よ りもや や 大 き くな る 。 これ に 対 して,結 Fe母 材 で は,圧. んだの還元作 用の影響. に 酸 化 膜 を有 す る母 材 に 対 し て特 異 な ぬ れ 様 式 を. 図4に. 晶 構 造 が 体 心 立 方 格 子(bcc)で. ある. 延 母 材 にお い て 表 面 エ ネ ル ギ の大 きい. 純Sn,お. よ びLi,Na,Pを. 微 量 添 加 し た 溶 融Sn. 合 金 の 酸 化Cu板 上 で の 拡 が り性 を示 す が,酸 化 膜(Cu2O) を 還 元 す る 作 用 の 大 きいLi,Na,Pを. 含 む も の は 明 らか に. (100)が 優 先 方 位 と な り,再 結 晶 が 進 む500〜600℃ で の焼. 純Snよ. 鈍 母 材 で は 表 面 エ ネ ル ギ の 小 さい(110)が. りが 単 に表 面 張 力 の み か らで は解 析 で き な い こ と を 明 白 に. 優 先方位 とな. る。 そ れ ゆ え,は ん だ の拡 が り面 積 は 表 面 エ ネ ル ギ の 大 き い 圧 延 母 材 で 大 き く,表 面 エ ネ ル ギ の小 さ い焼 鈍 母 材 で小 さ くな る 。 二 次 再 結 晶 化 した 母 材 で は 表 面 エ ネ ル ギ の 大 き い,あ. る特 定 の 結 晶粒 で あ る(100)へ. り も拡 が り性 が よい6)。こ の こ と は,は. んだの拡 が. 示 して い る 。 酸 化 膜(Cu2O)のSn,Li,Na,Pと. の反応 は次 の よ う. に な る。. 優 先 的 に拡 が る よ. うになる。 こ の よ う に,溶 融 は ん だ の 拡 が り性(ぬ. れ 性)は. 母材 の. 金 属 組 織 に大 き く影 響 さ れ,圧 延 集 合 組 織 お よ び 再 結 晶 集 合 組 織 に も とづ く母 材 表 面 エ ネ ル ギ の 変 化 と よ く対 応 し, は ん だ の 拡 が り面 積 と母 材 の優 先 結 晶面,す. な わ ち,結. 晶. エ ネ ル ギ との あ い だ に 関連 性 が あ る こ とが 明 らか で あ る。. (3)式 の 反 応 が 右 に 進 む か,左. に 進 む か は,そ. あ り,例 え ば,水 素 気 流 中 に. る こ とが で きる 。. は,た. と え ば330℃ で は,そ. 生 成 自由 エ ネル ギ. れ ぞ れ‑109350cal/mol,‑125000. cal/mol,‑79400cal/mol,‑291300cal/molで. あ り,い. あ る 液 体 の 表 面 張 力 は 水 素 との あ い だ の 界 面 張 力 γlgであ. れ もCu2Oの. る。 した が っ て,は ん だ付 け に お け る溶 融 は ん だ の 表 面 張. 絶 対 値 が 大 き い)。 こ の こ と か ら,(3)式. 力 は使 用 され る フ ラ ッ ク ス の種 類 や 雰 囲気 の 種 類 に よ っ て. に 進 み,酸. 変 化 す る こ と に な る 。 つ ま り,図3に. 4に お い て,酸. 示 す ように、溶融 は. れ ぞれ の. 酸 化 物 の 生 成 自 由 エ ネ ル ギ△F0の 大 小 か ら 定 性 的 に 判 定 す. こ こ で,SnO2,Li2O,Na2O,P2O5の. (2)溶 融 は ん だ のγlの変 化 γlは厳 密 に は液 体 が 接 し て い る他 の 相 と の あ い だ の 界 面 張 力(interfacial tension)で. 〓(3). そ れ の‑30800cal/molよ. 化 膜(Cu2O)が. り小 さ い(負. ず. の値 の. の 反 応 は右 の 方 向. 還 元 さ れ る こ とが わ か る 。 図. 化 物 生 成 自由 エ ネ ル ギ の 小 さ い 元 素 を添 加. ん だ が 溶 融 した フ ラ ック ス で 覆 わ れ れ ば 界 面 張 力γlfが 変化. し た も の ほ ど 酸 化Cu板. し,は ん だ の ぬ れ性 に も影 響 す る よ うに な る。 表2に. そ の 元 素 に よる 酸 化 膜 を還 元 す る作 用 が 大 き くな る た め と. 各種. 雰 囲 気 にお け るSnお よ びSn‑Pb系 は ん だ の 界 面 張 力 を 示 す が,フ. ラ ッ クス お よび 雰 囲気 の 影 響 が 明 らか で あ る 。. 4.1.2金. 属 学 的 相 互作 用 の影 響. 融 フ ラ ック ス で覆 わ れ た はん だ の表(界)面. 表2.Sn‑Pb系. 考 え られ る。 4.2毛. 流 し 込 む こ と で あ る の で,は. 融 は ん だ を接 合 母 材 間 隙 に ん だの. 間隙流入. が,は. ん. 張力. は ん だ と各 種 フ ラ ックス との 間の 界 而張 力. 図4.各. 306エ. 管現象. は ん だ 付 け の 基 本 原 理 が,溶. は ん だ付 け で は 液 体 と して の 溶 融 は ん だ と,固 体 と し て. 図3.溶. 上 で の 拡 が り性 が 良 く な る 理 由 は,. レ ク トロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.5No.3(2002). 種Sn合 金 の酸 化Cu板 上 での 拡 が り性(340℃,Ar雰. 囲 気).
(4) だの. ぬ れ. と と も に,最. い ま,水. も重 要 な 因 子 に な っ て い る。. の 中 に 細 い ガ ラ ス 管 を 浸 す と,水. 中 を 上 昇 す る が,こ. が ガ ラ ス管 の. の 現 象 は 毛 管 現 象(capillary. nomenon,capillarity)と. phe‑. 呼 ば れ る。 毛 管 上 昇 の 駆 動 力 は. 属 へ の 溶 解 反 応 で あ る。 した が っ て 溶 融 は ん だ に対 して 溶 解 度 を有 す る 母 材 金 属 は,は ん だ に溶 食 され る こ とに な る。 液 体 金 属 へ の 固 体 金 属 の 溶 解 反 応 に はNernst‑Brunner の 式 が 適 用 され る。. 水 の 表 面 張 力 で あ る。 こ こ で,水. 母 材 が 溶 解 す る こ とで あ り,現 象 的 に は 固体 金 属 の 液 体 金. と ガ ラ ス 管 の 接 触 点 で は,水. に 関 す る力 の垂 〓(6). 直 上 向 き 成 分 は,水. の 表 面 張 力 をγlとす る と,単. た りγl cosθで あ り,ガ 全 体 で 考 え れ ば,そ. 位 長 さあ. n:溶 解 時 間tに お け る溶 質 濃度. ラ ス 管 と接 触 し て い る 円 周(2πr). の 合 力 は2πrγl cosθ と な る 。 ま た,上. 昇 し て い る(つ. り上 げ ら れ て い る)水. は 上 昇 高 さ)で. あ り,こ. の 重 量 は πρgHr2(H. れ が 表 面 張 力 に よ る上 向 き の力 と. 釣 り合 っ て い る 。 2πrγlcosθ=π ρgHr2 こ れ よ り,Hは. ns:溶 質 の 飽 和 濃 度 V:溶. 液 の体 積. A:反. 応界面積. K:溶. 解 速度恒数. (6)式は 固 体 金属 が 液 体 金 属 に 直 接 に 溶 解 す る 場 合 の 反. 次 式 で与 え られ る。. 応 式 で あ り,そ の 界 面 に 金 属 間化 合 物 な どの 異 質 相 が 存 在 〓(4). す る場 合 に は溶 解 現 象 が 複 雑 に な る。 た と え ば,固. 体Cu. と液 体Snと の 間 の 溶 解 現 象 で は,溶 解 の 律 速 段 階 と して 次 の3つ. γl:水 の 表 面 張 力. が 考 え られ る 。. θ:接 触 角. (1) Cuが 金 属 間化 合 物 層 の 中 を拡 散 す る段 階. ρ:水 の密 度. (2) Cuが 金 属間 化 合 物 層 か ら液 体Snへ 溶 け 出 す 界 面 反 応 の段 階. g:重 力 の 加 速 度 r:管 の 半 径. (3) Cuが 液 体Snの 中 を拡 散 す る段 階 のガ. こ こ でCu‑Sn系 二 元 合 金 で は η相,ε 相,δ 相 な どの 金 属間. ラス 板 に狭 い す き 間 を 設 け て 浸 した 場 合 に も同 様 に水 が 上. 化 合 物 を形 成 す る た め に,そ の 溶 解 速 度 は 温 度 条 件 に よ っ. 昇 し,そ の 間 隙(す. て 異 な り,液 体Snに 接 す る金 属 問 化 合 物 が η相 で あ る と き. また,細. い 管 だ け で な く,図5に. き間)をdと. 示 す よ うに,2枚. す れ ば, 〓(5). と,そ れ が ε相 で あ る と き とで は 溶解 の律 速段 階 が 異 な る。 ま た,(6)式 か ら,溶 解 速 度 は 溶 質 の 濃 度(ns‑n)に. の 関 係 が 得 られ る。. 比. 例 す る こ とか ら,こ れ を は ん だ 溶 食 の 防 止 に 適 用 す る と,. これ らの 関 係 は,は ん だ 付 け に お い て も見 られ る。 つ ま. は ん だ 中 の 母 材 成 分 を高 め る こ と,す な わ ち,母 材 成 分 を. り,上 記 の例 で 水 に相 当 す る の が 溶 融 は ん だ で あ る。 しか. 含 有 す る は ん だ を用 い る こ とが 有 効 な方 法 と な る。 この こ. ら ば,溶 融 は ん だ は狭 い す き間 を どれ ほ ど上 昇 す る の だ ろ. とか ら,Agめ. う か 。(5)式 に 示 さ れ る よ う に,は. た め に は,少. ん だ の 上 昇 高 さ は,は. ん だ の 表 面 張 力 とす き間 に大 き く依 存 す るが,た す き 間 が0.1mmの2枚. とえ ば,. の 平 行 な黄 銅 板 で は理 論 値 は90mm. に も な る 。 しか し,実 際 に は 上 昇 高 さ は50〜60mmほ. どに. っ き部 材 やCu母 材 の は ん だ 溶 食 を 防 止 す る 量 のAgやCuを. に及 ぼ すSn‑Pb共 晶 は ん だ,お よびAg入 溶 解 速 度恒 数 と温 度 との 関係(ア. な り,す き間 が 小 さ い ほ ど理 論 値 と実 測 値 との 差 が 大 き く. し た も の で あ る が,Ag入. な る1)。そ の 理 由 と し て,フ. エ ネ ル ギ(直 線 の 勾 配)が. ラ ッ ク ス の 巻 き込 み,フ. クス お よび は ん だ の粘 性 抵 抗,あ. ラッ. るい は酸 化 物 な どの 介 在. 物 の 影 響 が 考 え られ る 。 4.3は. 含 有 す るAg入. りは ん だ やCu. 入 りは ん だ を用 い れ ば よ い こ と に な る。 図6はAgの. りは ん だ の 影 響 を,. レ ニ ウ ス プ ロ ッ ト)を 示. りは ん だ に対 す る 溶 解 の 活 性 化 大 き くな り,Ag添. 加 に よる溶. 食 防止 効 果 が 明 らか で あ る7)。 な お,溶 融 は ん だ に よ る母 材 の 溶 食 は め っ き皮 膜 や 細 線. ん だ溶 食. は ん だ溶 食 と は,は ん だ 付 け の 過 程 で溶 融 は ん だ の 中 へ. 図5.平. 行2板 間 へ の 液体 の 上 昇(毛 管 上 昇). 溶食. 図6.Ag溶. 食 に お け る溶解 速 度 の 温度 依 存 性. エ レ ク トロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.5No.3(2002)307.
(5) Cij :濃 度. な どが 溶 解 消 失 す る ば か りで な く,過 度 の 溶 食 は,は ん だ の流 動 性 を悪 く した り,凝 固時 に 母 材 成 分 と は ん だ とが 金 属 問 化 合 物 と な っ て 析 出 す る の で 好 ま しい こ とで は な い 。 析 出 す る 金 属 問 化 合 物 はAuSn4,AuSn2,AuSn,あ はAu,Pb,AuPb,な. るい. ど で あ る。 こ れ らの 化 合 物 は 大 変 に 脆. t:時 間 (7)式か ら,形 成 さ れ る合 金 層 の 厚 さWjは 反 応 時 間tに 対 して放 物 線 則(反 応 時 間 の平 方 根 に比 例 す る)を が 明 らか で あ る。 また,合. とるこ と. 金 層 は 固体 金 属 と溶 融 金 属 との. い の で,こ れ らの 化 合 物 を含 む は ん だ は脆 くな り,さ らに,. 反 応 に よ っ て の み形 成 さ れ る の で は な く,固 体 金 属 と 固体. 化 合 物 は母 材 と は ん だ の 界 面 に形 成 され や す い た め に,は. 金 属 との 反 応 に よ っ て も形 成 さ れ た り,成 長 し た りす る 。. ん だ付 け部 が 振 動 や 曲 げ に 弱 くな り,界 面 は く離 が 起 きや. つ ま り,は ん だ付 け 時 に合 金 層 の 少 な い 健 全 な接 合 部 で あ. す くな る 。 こ の よ う な理 由 か ら,AuやAuめ. っ て も,そ れ が 高 温 の 環 境 に 置 か れ た場 合 に は合 金 層 が 新. っ き部 材 を は. ん だ付 けす る場 合 に は特 別 な注 意 が 必 要 に な る。 4.4合 金 層の成長 一 般 に は ん だ付 け部 に は 合 金 層(金. し く形 成 され た り,成 長 した りす る9)。 4.5は. 属 問化 合 物)が. 形成. ん だ付 け部 の疲 労. 金 属 疲 労 と は,破 壊 応 力 以 下 の 小 さ な 応 力 が 長 時 間 に わ. さ れ る 。 合 金 層 の 過 度 の 形 成 は,は ん だ 付 け 部 の 機 械 的 性. た っ て 繰 り返 し負 荷 され た と きに お こ る 破 壊 現 象 で あ る 。. 質,化. この 現 象 は,は. 学 的 性 質,電 気 的性 質 に悪 い 影 響 を与 え,特 に マ イ. ん だ付 け に お い て も見 られ,特. にマイ クロ. ク ロ ソル ダ リ ン グで は,は ん だ付 け 部 に 占 め る合 金 層 の 割. ソ ル ダ リ ン グ に お け る は ん だ付 け 部 故 障 の 大 きな原 因 に な. 合 が 大 き くな る の で,そ. っている。. の影響が 誇張 される ようになる。. は ん だ 付 け界 面 に形 成 され る合 金 層 は,は ん だ 成 分 の 原. は ん だ付 け部 の疲 労 破 壊 の 多 くは,は ん だ と母 材 との 熱. 子 が 母 材 の 中へ 拡 散 した り,あ る い は母 材 金 属 の 原 子 が は. 膨 張 差 に起 因 す る 熱 疲 労 で あ る。 は ん だ の 熱 膨 張 係 数 は,. ん だ の 中 へ 拡 散 す る こ とに よ っ て形 成 さ れ る 。 は ん だ付 け. 表3に 示 す よ う に,銅 や 黄 銅 よ りも大 きい の で,こ. の 過 程 で 形 成 され る合 金 層 の 種 類 は,関 与 す る母 材 とは ん. 部 材 の は ん だ 付 け 部 に加 熱 と冷 却 が 繰 り返 され れ ば,引 張. れ らの. だ の 成 分 に よ っ て 平 衡 状 態 図 か らあ る程 度 予 測 す る こ とが. と圧 縮 の 繰 り返 し応 力 が 負 荷 され,疲 労 の 原 因 に な る 。 は. で きる 。 しか し,形 成 さ れ る合 金 層 が 平 衡 状 態 図 に お け る. ん だ付 け 部 の 疲 労 破 壊 に及 ぼ す 主 な 因子 と して,は. も の と必 ず し も一 致 しな い 場 合 や,平. 分,は. 衡 状 態 図 に存 在 しな. い もの で あ る場 合 も ま れ に あ る。. あ る 場 合,j番. 目 の 層 の 厚 さ は,そ. ん だ 付 け部 の フ ィ レ ッ トの 形 状 が あ げ られ る 。. 4.5.1は. 合 金層 の成 長 は拡 散 支 配 で あ る 。 い ま,N個. の合金層 が. の厚 さ を相 境 界 の 移 動. 差 と考 え れ ば次 の 関 係 式 が 成 り立 つ8)。. んだ成. んだ成分 の影響. 疲 労 に 及 ぼ す は ん だ の 影 響 と して は,は ん だ 自 身 の 疲 労 特 性,は れ,中. ん だ と母 材 との 界 面 の性 質,熱 膨 張 係 数 に 影 響 さ. で も は ん だ 自身 の 疲 労 特 性 の 影 響 が 大 き い。 各種 は. ん だ の耐 疲 労 特 性 の 相 対 比 較 を 表4に 示 す が,共. 晶合 金 の. よ うな2相 か らな る合 金 は単 相合 金 よ りも疲 労 強 さが劣 る10)。 〓(7). 4.5.2は. んだの金属 組織の影響. は ん だ 合 金 は融 点 が低 い の で,室 温 に お い て も時 効 の 影 響 が 表 れ,金 属 組 織 が 変 化 す る 。 は ん だ付 け 部 の 金 属 組 織 Wj:j層 の厚 さ. の 変 化 は疲 労 特 性 に も影 響 す る 。 一 般 に,は ん だ付 け 部 の. Dij:反 応 系i,jに お け る1(ま た はj)の 拡 散 係 数 Kij :定 数 表3.Sn‑Pb系. 308エ. 金 属 組 織 が粗 大 な もの は疲 労 強 さが 劣 る 。 た と え ば,Sn‑ Pb系 共 晶 は ん だ の 層 状 組 織 に お け る α相 とβ相 と の 距 離. レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.5No.3(2002). は ん だお よび 主 な電 子材 料 の熱 膨 張係 数.
(6) 表4.各. 種 は ん だの 耐疲 労 特 性(相 対 比 較). げ る こ とが で き る。 そ れ らの 内容 に つ い て は 紙 面 数 の都 合 か ら割 愛 す る。 6.お. わ りに. こ れ か ら の電 子 工 業 に お い て は,は ん だ 付 け技 術,特 に, マ イ ク ロ ソ ル ダ リ ン グ技 術 が 電 子 機 器 の 組 立 工 程 にお け る 不 可 欠 な生 産 技 術 と し て 位 置 づ け られ る こ と は確 か で あ る。 そ の 結 果,マ. イ ク ロ ソル ダ リ ン グに 課 せ られ る役 割 も. ます ます 重 くな り,特 に微 小 接 合 部 の 信 頼 性 向上 が 何 に も ま して 重 要 に な る と思 わ れ る 。 マ イ ク ロ ソ ル ダ リ ン グ の信 頼 性 は,は. ん だ付 け にか か わ る現 象 を徹 底 的 に 追 及 し,そ. の 結 果 を 考 慮 に入 れ た は ん だ 付 け 技 術 を確 立 す る こ と に よ って 初 め て 確 保 され る も の と考 え られ る 。(2002.2.14‑受 理) (間 隔)が. 大 きい もの ほ ど,す な わ ち,粗 大 組 織 の も の ほ. ど疲 労 強 さが 小 さ くな る 。. 文. また 共 晶合 金 の 凝 固 組 織 は冷 却 条 件 に依 存 し,層 状 組 織 の α相 とβ相 との距 離Xと,冷 (一 定)の. 却 速 度Rと の あ い だ にX2R=C. 関 係 が あ る11)。そ れ ゆ え,は. 大澤. 直:. 2). AWS. Committee. ん だ付 け後 の急 冷. は 金 属 組 織 を微 細 に し,疲 労 強 さ を 向 上 させ る 。 4.5.3フ. 1). Manual•h,. 3). ィ レ ッ ト形 状 の 影 響. 大澤. 3rd.. p.494,. 阿 部 秀 夫:. ス タ ン ドオ フ 高 さ(は ん だ 付 け ラ ン ドとチ ップ 部 品 との 間. 5). A.Bondi:•gThe. ん だ付 け ラ ン ドの 大 き さが 重 要 な因 子 に な る11)。 タ ン ドオ フ 高 さが 大 きけ れ ば,フ. ィ レ ッ トに. る。 さ ら に実 稼 動 に お い て チ ップ 部 品 に ジ ュー ル熱 が 発 熱. 6). 7). ッ プ部 品 と プ. ら生 ず る ひ ず み を小 さ く し,耐 疲 労 強 さに 有 利 に働 く。 ま. 8). 9). 大 き くな り,結 果 的 に 疲 労 強 さ が 大 き くな る 。. Some. 10). 電 子 工 業 に お け る は ん だ 付 け,特 に マ イ ク ロ ソ ル ダ リ ン. ロ ソル ダ リ ン グで は,ぬ れ 性,合 金 層 形 成 ,は ん だ 溶 食 な. 直:. of. No,5,. 1967. Liquid. Metals. of. Solid. p.417,1953. 液 体錫 の 固体 銅 へ の ぬ れ性 につ い Vol.35,. No.5,. p.865,. C.A.MacKay:•gSilver. Silver. Loaded. 1971. Scavenging. Solders•h,. Weld.J.,. of. Growth. J.Nuc.Mat.,. P.J.Kay. and. Vol.3,. p.21,. Inhibi-. Vol.64,. p.86s,. Basis. Alloys•h,Trans.. Inst.. to. Inst.. J.K.Hagge:•gPredicting Carriers. Using Pack.. Met.. Fatigue Manson-Coffin Sympo.,. Diffusion. of. Vol.54, Solder. Mounted Met.. Re., Life. Intermetallic with. Fini.,. Surface. Swedish.. of. Materials. Fatigue. Reference. of. 1961 Growth. Common. H.A.H.Steen:•gThermal. Electr.. the. C.A.MacKay:•gThe on. Re.Rep.IM-1837, 11). Aspects. Layers•h,. Special. グ で は,接 合 部 が 微 小 に な り,か つ 高 密 度 化 され る につ れ. イク. 澤. G.V.Kidson:•gSome. Tin-Lead. ん だ 付 け に お け る 問 題点. 問 題 と な っ て 表 れ る よ うに な っ て きた 。 す な わ ち,マ. ,コ ロ ナ 社,. Vol.52,. and. Compounds. て,従 来 に は ほ と ん ど問 題 に さ れ な か っ た こ とが,重 大 な. ,日 本 金 属 学 会 誌, VoL.44,. 1985. リ ン ト配 線 板 の はん だ付 け ラ ン ドの 大 き さ も疲 労 強. さ に影 響 し,そ れ が 大 きい ほ ど破 壊 に要 す る せ ん断 応 力 が. 5.は. 1975. Spreading. R.K.Bulwith of. Soldering:•gBrazing. 圧 延 銅 板 お よ び 圧 延 鋼 板 の は ん だ付. ,日 本 金 属 学 会 誌,. tion. and. 金属組 織学 序論. 川 勝 一 郎,大 て. リ ン ト配 線板 との温 度 差 が 小 さ く な り,こ れ が 熱 膨 張 差 か. た,プ. AWS,. 勝 一 郎:. Surfaces•h,Chem.Rev.,. 作 用 す る せ ん 断 ひ ず み が 小 さ くな っ て疲 労 強 さが 大 き くな. タ ン ドオ フ高 さ が 大 き けれ ば,チ. Brazing. ,工 業 調 査 会, 2000. 1980. 4). す るが,ス. ed.. 直,川. よ っ て 引 き起 こ さ れ る変 形 に大 き な影 響 を 及 ぼ し,特 に,. ,ス. on. 性 にお よぼす 焼鈍 の影響. は ん だ 付 け 部 の フ ィ レ ッ ト形 状 の影 響 は,熱 サ イ ク ル に. 隔)と,は 一般 に. 献. は ん だ 付 の 基 礎 と応 用. Tin. and. p.68,1976 Joints. with. Components•h, 1983 of. Leadless. Equations•h,Proc.. Chip Intern.. p.199,1982. どの は ん だ付 け に か か わ る 諸 現 象 が 顕 著 に な り,か つ 増 長 さ れ る よ う に な り,そ れ らが は ん だ付 け 欠 陥 の発 生 お よ び は ん だ付 け故 障 の 原 因 に な る 場 合 が 多 くな って い る 。 マ イ ク ロ ソ ル ダ リ ン グ に お け る問 題 点 と して,(1)は ん だ 付 け 設 計 に 関 す る事 項,(2)は ん だ 付 け 母 材 に 関 す る 事 項, (3)は ん だ付 け 材 料(は. ん だ,フ. ラ ッ ク ス)に. 関 す る 事 項,. 大 澤 直(お おさわ ただ し) 昭 和15年 生 まれ 。 昭和38年,山. 形 大 学理 学 部 化. 学 科 卒業 。 工 学博 士 。 現 在,青 山学 院大 学 理 工 学 部 にお い て,金 属 材 料 の低 温 溶 接,特 に ろ う 付 け お よ び はん だ付 けに お け る界 面 現象 の研 究 に 従事 。. (4)は ん だ付 け 工 程 に 関 す る事 項,(5)は ん だ 付 け検 査 に 関 す る事 項,(6)は ん だ付 け 機 器 の使 用 環 境 に 関 す る事 項,を. あ. エ レ ク トロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol. .5 No.3(2002)309.
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