当日配布資料（2.43MB）

新技術説明会
於
2014.10.31
JST東京本部別館ホール
高温対応の鉛フリーはんだ合金
の設計と特性評価
広島大学工学研究科
教授松木一弘
学生
小西卓磨
特任助教 ○ 許哲峰
助教崔龍範
神戸大学
教授末次憲一郎
緒言
RoHS指令
Pb-Sn合金の特徴
・柔軟性濡れ性良好
・融点が適度
人体に取り込まれると
頭痛、感覚異常などを引
き起こす
2006年7月1日より、以下を含む電気・電子機器の販売を禁止
1. 鉛,1000ppm
2. 水銀,1000ppm
3. カドミウム,100ppm
4. 六価クロム,1000ppm
5. ポリ臭化ビフェニル,1000ppm
6. ポリ臭化ジフェニルエール,1000ppm
Sn-37Pb 低融点共晶はんだ(183℃)→Bi42Sn(138℃)
高温用はんだ Pb-(5-10)Sn
濡れ性・信頼度・コスト
実用的な代替合金は開発されていない
適応除外
・高温溶接タイプのはんだ
・医療機器
・蛍光ランプの水銀
高温用はんだ 260-400℃
リフロー方式の本加熱温度を超えるため(固相線温度)
ポリマー基板のガラス転移温度を避けるため(液相線温度)
Au系合金(ex.Au-Sn系:約300℃) 優れたクリープ特性コストが高い
Zn系合金(ex.Zn-Sn系:約350~400℃) コストは安い
強腐食性
Bi系合金(約270℃) コストが安い・適度な融点結晶構造が複雑で低延性
緒言
近年、森永先生らは、分子軌道法の一種であるDV-Xαクラスター法を用いて求めた電子
パラメータとAl系、Mg系合金の機械的特性が良い相関があることが研究された。よって、
DV-Xαクラスター法が合金設計に適応すると報告された。
本研究室では、この手法が
Zn系合金の設計への適応性
を検討した。
高温用はんだの中でも高温で
使用されるZn系合金を設計
Fig. Cluster model of Zn alloy.
UTS>200MPa
Elong>5%
Designed
Zn-10Al-0.5Sn
Designed
Zn-10Al-2Sn
Zn-4Al-7Sn
Fig. Relation of between Tensile strength or Elongation
and ⊿Mk of Zn-Al-Cu-Mg system alloy.
Bi系合金の⊿Mkの計算
⊿Mk＝Σ｛｜Mki-MkBi｜×Xi ｝
・Mki：合金添加元素iのs軌道エネルギー準位
・MkBi：Bi元素のｓ軌道エネルギー準位
・Xi：i元素のモル分率
○ Bi ● Additional element
Fig. Cluster model of Bi alloy.
Alloys(wt.%)
UTS(MPa)
Elongation(%)
⊿Mk
Bi-42Sn
55
50
2.03
Bi-38Sn
56
35
1.88
Table. Mk levels of additional elements
Elements
Mk(eV)
Bi
0.92
Bi-42Sn-1Ag
60
40
2.07
Ag
4.63
Bi-41Sn-1Ag
50
60
2.03
Sn
4.54
Bi-43Sn
65
20
2.07
既報Bi-X合金の⊿MKと機械的特性の関係
75
Bi-Sn 共晶温度
139℃
75
60
60
45
45
30
30
UTS
Elongation
15
Elongation(%)
Tensile strength, σUTS/MPa
90
15
0
0
1.8
1.85
1.9
1.95
⊿Mk
2
2.05
2.1
Fig. Relation of between Tensile strength or Elongation and ⊿Mk of Bi-Sn system alloy.
研究目的: ・迅速かつ適切な合金設計手法の確立
・Bi系合金の高温用はんだ合金への適応
実験合金の組成と⊿Mkの計算
Table. Mk levels of additional elements
Elements
Mk(eV)
Elements
Table. ⊿Mk of Bi-Ag/Cu/Zn system alloys
Mk(eV)
Bi
0.92
Si
1.09
Ag
4.63
Li
6.82
Cu
3.47
Tl
6.10
Sn
4.54
B
0.65
Be
2.46
⊿Mkの範囲:0.00~0.34
Alloys(mass.%)
⊿Mk
Pure Bi
0.00
Bi-2.5Ag
0.18
Bi-5Ag
0.34
Bi-0.5Cu
0.04
Bi-3.72Zn
0.16
実験の流れ
・実験合金組成決定
・合金作製
縦型電気炉（200V 5.5kW）410℃
・組織観察
光学顕微鏡
・機械的特性
引張試験
セラミック製の棒で均一に撹拌し1h保持
引張試験クロスヘッドスピード0.5mm/min、
初期ひずみ速度3×10-4s-1
・機械的特性と電子パラメーターの関係
試料作製:溶解凝固
Bi-0.5Cu合金の光学顕微鏡写真
(b)
(a)
Primary Cu
Eutectic
grain
Eutectic
phase
400μm
200μm
Figs. Optical micrographs of Bi-0.5Cu on magnifications of (a)50,(b)100.
設計合金の引張試験結果
Stress, σ/MPa
30
Bi-3.72Zn
Bi-2.5Ag
25 Bi-5Ag
15
Bi-0.5Cu
15
Pure Bi
10
5
0
0
1
2
3
4
5
31
32
33
Strain, ε(%)
Fig. Stress-strain curves for experimental alloys.
作製合金の機械的特性と
電子パラメーターの関係
Sn-37Pb
Bi-2Ag-0.5Cu
Bi-5Ag-0.5Cu
Table. Bi三元系合金の⊿Mk
Fig. Relation between tensile strength or elongation
and ΔMk of Bi system alloys.
Alloys(mass.%)
⊿Mk
Bi-2Ag-0.5Cu
0.18
Bi-5Ag-0.5Cu
0.379
Bi-2/5Ag-0.5Cu合金の OM像
(a) Bi-2Ag-0.5Cu
(b) Bi-5Ag-0.5Cu
Fig. Optical micrographs of (a)Bi-2Ag-0.5Cu and(b)Bi-5Ag-0.5Cu .
Bi三元系合金の引張試験結果
30
Bi-5Ag-0.5Cu
Stress,σ/MPa
25
20
Bi-2Ag-0.5Cu
15
Pure Bi
10
5
0
0
1
2
3
4
5
Strain,ε(%)
Fig. Stress-strain curves for experimental alloys.
Bi三元系合金の引張試験結果
●
●
Binary alloys
Ternary alloys
Fig. Relation between tensile strength or elongation and ΔMk of Bi system alloys.
DSC試験結果
Bi-2Ag-0.5Cu
263.4℃
280℃
265.3℃
500
350
450
300
400
⊿T 16.6
250
Heating
DSC,μV
DSC,μV
290℃
Bi-5Ag-0.5Cu
200
150
350
Heating
⊿T 24.7
300
250
200
100
150
50
100
200
250
Temperature,T/℃
300
200
250
300
Temperature,T/℃
Figs.DSC curves of Bi-2/5Ag-0.5Cu alloys.
Hardness of Rockwell on B scale
ロックウェル硬さ試験
60
3元系合金
55
50
45
40
Alloys
Fig. Result of Rockwell hardness test for binary system alloys
Hardness of Rockwell on B scale
⊿Mkと硬さの関係
60
55
50
45
40
0
0.1
0.2
0.3
0.4
ΔMk
Fig. Relation of between HRB and ⊿Mk of Bi system alloy.
まとめ
二元系のものは二相合金、三元系のものは三相合金の組織を呈した。
(1) 二元系合金の引張強さと破断伸びに関してはBi-2.5Agで26MPaと4.1%、ま
たBi-5Agで23.8MPaと0.64%の値が示された。両合金の引張強度の差は認めら
れず、破断伸びはAg量の増加で減少した。一方、Bi-0.5Cuの引張強さと破断伸
びは15.5MPaと33.3%の値を示した。また、Bi-3.72Znの引張強さと破断伸びは
28.1MPaと2.1%であった。三元系合金の引張強さと破断伸びに関しては、Bi2Ag-0.5Cuで16.5MPaと2.9%、Bi-5Ag-0.5Cuで27.3MPaと1.67%であった。
(2) 0~0.379の範囲で⊿Mkを変化させた実験合金の破断伸びは、0.04の⊿Mk
値において35％の最大値を示した。一方、引張強さは0~0.16の⊿Mkの範囲で
10~25MPaへと単調に増加し、その後一定となった。
(3) 純Bi、Bi-2.5/5Ag、Bi-0.5Cu、Bi-2/5Ag-0.5Cu、Bi-3.72Zn合金の硬さは、ロッ
クウェルBスケールで44~53の値を示し、⊿Mk値が0~0.379範囲で増加すること
で硬度が増加した。
(4) DSC試験からBi-2Ag-0.5Cuの固相線温度は263.4℃であり, これは当初の高
温用はんだの温度領域を満たすことがわかる。
本技術に関する知的財産権
発明の名称: はんだ材料および接合構造体
出願番号:
2013-250521
出願人:
国立大学法人広島大学
発明者:
松木一弘
お問い合わせ先
広島大学: 産学・地域連携センター
知的財産部門
知的財産マネージャー
堀豊司(ほりとよし)
TEL:
082-257-5918
e-mail:
[email protected]
住所:
〒734-8551
広島市南区霞１－２－３

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