高温用無鉛はんだ合金の設計と開発

keywords.jpg合金設計,高温はんだ,特性予測,電子論アプローチ 

松木 一弘 

KAZUHIRO MATSUGI

division.jpg工学研究院 材料・生産加工部門 機械材料工学講座

position.jpg教授

研究概要

研究の背景

欧州環境規制(ELV,RoHS)が叫ばれているが,高温用はんだ合金へは適用除外の見直し可能性が出てきた.事実,高温用無鉛はんだ開発には目途がない.そこで研究責任者が提唱してきた合金設計技術を適用し,電子パラメータの有効性に立脚し,材料のミクロ物性とマクロ特性相関を明らかにしたマルチスケールでの新しい材料設計技術を確立し,高温はんだに具備すべき特性を満足する合金を迅速,正確かつ低コストで開発する.

研究内容

2-1) 合金の合金系と組成決定:比較的安価かつ入手や廃棄容易であること、Pb含有合金融点に近い,Zn系選定した.Zn系材料開発は長い歴史が有るものの,迅速,正確かつ低コストが達成される電子パラメータ使用の理論計算は世界初である.
2-2) 固相線温度と引張強度・破断伸びの測定・濡れ性評価:
各元素の素材より溶解・凝固法でインゴットを作製し,示差熱分析用や引張試験用の試験片を旋盤加工して,固相線温度と引張強度・破断伸び,さらに濡れ性の目標値到達を確認する.

成果

電子パラメータによるZn合金の引張特性制御):Zn系合金は高温用はんだ合金として有望である.しかし,高温はんだ用合金に要求される機械特性および融点特性を満足するZn合金の組成比を決定する技術は未だ確立されていない.Znクラスターを想定し中心位置の元素を種々変化させ,各種元素のs軌道エネルギー準位を計算し,合金の場合は組成平均としてΔMkと表示する.Zn-10Al-0.02Mg-0~13.5Cu合金(出典,二宮隆二,「マグネシウム合金と亜鉛合金の機械的性質と合金設計」,豊橋技術科学大学 博士論文,1995年1月)のΔMkと引張特性の関係を図1に示した.ΔMkは,引張強度および延性と相関していることがわかる.具体的には,ΔMkが0.07以上であれば,引張強度は200 MPa以上になると予測される.一方,ΔMkが0.16以下であれば延性は5%以上になると予測される.10%Al系のみばかりでなく4および16%Al系合金の強度も図1の強度
曲線を満足し,Zn基であれば多元系であってもΔMkによる予測が可能であると言える.本図を用いて設計した合金(Zn-Al-Sn)2種は強度,破断伸び共に推定値に従った.つまり,マイクロメートルオーダーの合金組織と密接に相関有る引張強度と延性は,ΔMkによって予測が可能である.

実用化に向けて(想定業界・用途、課題、企業への期待など)

①必要性:EU高温はんだの規制が平成26年に再度見直しが実施されることに伴う国内対応版.
②重要性:欧州輸出規制に対応するには,高温はんだの開発事業は重要.環境改善課題.
③緊急性:欧州規制の見直しが迫っており,本開発はわが国産業界にとり喫緊の課題.
④独創性:電子合金理論を用いる事は,正確さと迅速さと安価さに関し全世界で画期的.ミクロな基礎的な物性と,マクロの現象を関連つけて,全スケールを取り扱った独自の材料物性予測の合金開発法は世界初.

本研究の特徴・優位性

高温はんだ用合金に要求される機械特性および温度特性を満足するZn合金の組成を決定する技術は未だ確立されていない.このため,新規の高温はんだ用Zn合金を開発する場合や,既にある高温はんだ用Zn合金の諸特性をさらに改良したい場合には,Zn合金の諸特性に及ぼす各合金元素の種類及び添加量の影響を評価する多大な時間とコストを費やした試験を行ない,得られた結果に基づいて高温はんだ用合金に適した合金組成を決定するという,いわゆる試行錯誤的な方法が採用されている.固体物理論に基づく基本的なアプローチである電子合金理論を用いる事は,正確さと迅速さと安価さに関して全世界で画期的なものであり,類を他に見ない.

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高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法およびその利用(特願2011-069511)

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