CN114144534A

CN114144534A - 电子控制装置

Info

Publication number: CN114144534A
Application number: CN202080052047.6A
Authority: CN
Inventors: 池田靖; 山下志郎
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-08-05
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2040-05-11
Also published as: CN114144534B; US20220295642A1; WO2021024568A1; JP2021027178A

Abstract

本发明的电子控制装置具备电路基板、电子零件、以及接合电路基板及电子零件的接合部，接合部以Sn为主成分，Bi与Sb的含有比例的合计为3重量％以上，不含In，Ag含有率为3～3.9重量％。

Description

电子控制装置

技术领域

本发明涉及电子控制装置。

背景技术

RoHS指令和ELV指令限制了汽车中搭载的电子控制装置中所含的铅的使用。因此，通过以Sn-3Ag-0.5Cu(重量％)为主的无铅焊料来推进无铅化。为了提高焊料的接合部处的接合性，业界在研究向焊料中追加添加元素的方法。专利文献1中揭示了一种焊料组合物，其由锡-银-铜系焊料合金和金属氧化物以及/或者金属氮化物构成，其特征在于，所述焊料合金由锡、银、锑、铋、铜以及镍构成，而且将不可避免地混入的杂质中所含的锗去除而不含锗，相对于所述焊料组合物的总量而言，所述银的含有比例超过1.0质量％且不到1.2质量％，所述锑的含有比例为0.01质量％以上且10质量％以下，所述铋的含有比例为0.01质量％以上且3.0质量％以下，所述铜的含有比例为0.1质量％以上且1.5质量％以下，所述镍的含有比例为0.01质量％以上且1.0质量％以下，所述金属氧化物及/或金属氮化物的含有比例超过0质量％且为1.0质量％以下，所述锡的含有比例为剩余的比例。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2015-20181号公报

发明内容

发明要解决的问题

随着汽车的电子化、EV化、机电一体化的要求的提高，认为车载电子控制装置搭载于发动机周边、马达周边等高温部的机会在增加。本发明的发明者等人注意到，以往在以上高温区域内，Sn-3Ag-0.5Cu等无铅焊料所形成的接合部耐热性不足，可能无法获得充分的接合可靠性。此外，在用于车载电子控制装置的组装的封装零件的动向中，使用移动产品中用得较多的无鸥翼的无引线零件的机会也在增加，由于零件的形状，获得接合可靠性的困难程度也在增加。专利文献1记载的发明对于热疲劳破坏能获得效果，但无法抑制在高温区域内凸显出来的孔洞破坏。上述以外的课题、构成及效果将通过以下具体实施方式的说明来加以明确。

解决问题的技术手段

本发明的第1形态的电子控制装置具备电路基板、电子零件、以及接合所述电路基板及所述电子零件的接合部，所述接合部以Sn为主成分，Bi与Sb的含有比例的合计为3重量％以上，不含In，Ag含有率为3～3.9重量％。

发明的效果

根据本发明，能够抑制热疲劳破坏及孔洞破坏。

附图说明

图1为电子控制装置的截面图。

图2为接合部的放大图。

图3为说明接合部的组成中的Bi和Sb的含有率的图。

图4为说明接合部的组成中的In的含有率的图。

图5为说明接合部的组成中的Ag的含有率的第1图。

图6为说明接合部的组成中的Ag的含有率的第2图。

图7为说明接合部的组成中的理想的Bi的含有率的图。

图8为说明实验的图。

图9为说明实验的图。

图10为说明接合部处的金属间化合物的理想的粒径的图。

图11为实施例及比较例的一览表。

图12为现有构成下的接合部的放大图。

图13为现有构成下的接合部的X射线照片。

具体实施方式

在以下的实施方式中，在提到要素的数等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明示的情况以及在原理上明显限定于特定数的情况等以外，并不限定于该特定数，也可为特定数以上或以下。

此外，在以下的实施方式中，关于其构成要素(也包括要素步骤等)，除了特别明示的情况以及在原理上明显认为是必需的情况等以外，并非一定是必需的，这是不言而喻的。

此外，在以下的实施方式中，在针对构成要素等而提到“由A构成”、“由A所构成”、“具有A”、“包含A”时，除了特别明示只是该要素的情况等以外，并不排除这以外的要素，这是不言而喻的。同样地，在以下的实施方式中，在提到构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别明示的情况以及在原理上明显认为并非如此的情况等以外，是将实质上近似或类似于该形状等的形状等包括在内的。这对于上述数值及范围等也是一样的。

下面，根据附图，对本发明的实施方式进行详细说明。再者，在用于说明实施方式的所有图中，对具有同一功能的构件标注同一符号并省略其重复的说明。此外，为了使得附图易于理解，即便是平面图，有时也会带上影线。

-实施方式-

下面，参考图1～图13，对电子控制装置的实施方式进行说明。在本实施方式中，组成的比例以质量％来表示。其中，在实验中，重量％的精度是到小数点第二位，不到0.01％的组成因未能测定出来所以记作0％。此外，不可避免的杂质的混入是被容许的。

(构成)

图1为本发明的电子控制装置1的截面图。电子控制装置1例如是搭载于汽车的车体等当中的ECU(Electronic Control Unit)。电子控制装置1能以机电一体的方式构成。电子控制装置1具备电路基板6、带引线零件21、无引线零件22、BGA零件23以及插装零件24。再者，以下有时也将带引线零件21、无引线零件22、BGA零件23以及插装零件24统称为电子零件20。带引线零件21的引线的形状任意，例如为鸥翼状。电子零件20通过接合部4与电路基板6接合。

图2为无引线零件22上的接合部4的放大图。各电子零件20具有实施了镀Ni的端子2。在电路基板6的表面配置有电极5，在电极5与无引线零件22的端子2之间配置接合部4及金属间化合物3。接合部4以Sn(锡)为主成分，Bi(铋)与Sb(锑)的含有比例的合计为3重量％以上，不含In(铟)，Ag(银)含有率为3～3.9重量％。电极5为纯Cu、以Cu为主成分的合金以及Cu镀层中的任一种。下面，对接合部4为上述组成的理由进行说明。

(实验值)

图3为说明接合部4的组成中的Bi和Sb的含有率的图。图3所示的值为实验值，是通过发明者等人的实验得到的。图3的横轴以重量％来表示Bi与Sb的含有率的合计，纵轴表示循环试验后的接合比例。在循环试验中，实施1000循环的使环境温度在-40℃与150℃之间交替变化的温度循环试验，评价伴随对接合部4的热疲劳破坏造成的龟裂发展而来的、还接合在一起的面积的比例。接合比例越大也就是越接近100％，表示对热疲劳破坏的耐性越高。得知，在Bi和Sb的含有比例为3重量％处有拐点，当超过3重量％时，获得高可靠性。

再者，Bi和Sb都是第15族元素，同样地进入作为接合部4的主成分的Pb的晶体结构内。因此理论上推导出只须评价Bi和Sb的总量即可而不问两者的比率。

图4为说明接合部4的组成中的In的含有率的图。图4所示的X射线照片是通过发明者等人的实验得到的。图4为表示将Sn-Cu系接合部4在200℃下暴露1000小时的情况下的In添加的影响的X射线照片。在图示右侧的添加了In的情况下，促进了接合部4的反应而生成了孔洞103，导致接合部界面劣化。另一方面，在图示左侧的不添加In的情况下，未生成孔洞。因此得知，接合部4中不希望添加In。

图5为说明接合部4的组成中的Ag的含有率的第1图。图5所示的图是为了说明而对石田等人的论文(石田求，各种元素对锡的机械性质及耐蚀性产生的影响，日本金属学会志1944年8卷8号p.389-396)中记载的图酌情进行加工得到的。图5为表示Ag含有率与机械强度的关系的图。当Ag的含有率从0％起增加时，拉伸强度增加，在3重量％下达到峰值，在3重量％以上保持高水平。

图6为说明接合部4的组成中的Ag的含有率的第2图。图6所示的图是为了说明而对文献(Thaddeus B.Massalski，Binary Alloy Phase diagram，p.71)中记载的图酌情进行加工得到的。图6为Sn-Ag二元系状态图，横轴表示Ag的含有率，纵轴表示摄氏温度。例如横轴的左端表示Ag为零也就是Sn本身的特性。图6所示的固相线温度是焊料开始熔化的温度。图6所示的液相线温度是焊料熔化完毕的温度。若该温度差较大，则焊接后冷却的焊料的凝固收缩时容易在接合部4产生缩孔。在产生了缩孔的情况下，有可能成为热疲劳破坏造成的龟裂发展的起点，所以导致接合部4的可靠性降低。

如图6所示，Ag含有率3.5％、220度为共晶点，当Ag含有率增加时，固相线温度与液相线温度的差增大。在本实施方式中，以两者的差为10度的Ag含有率3.9％为阈值。结合参考图5说明过的Ag含有率的下限得知，Ag含有率较理想为3％～3.9％。

图7为说明接合部4的组成中的理想的Bi的含有率的图。图7所示的图是通过发明者等人的实验得到的。图7的横轴表示Bi含有率，纵轴表示高温蠕变试验下的孔洞破坏率。在高温蠕变试验中，在150度的环境下跨960小时施加600g的荷载。再者，图7所示的标绘中，只有左上所示的以中空点线表示的标绘是以往所使用的Sn-3Ag-0.5Cu的试验结果。

如图7所示，随着Bi的含有率增加，孔洞破坏率处于增加的倾向。当Bi的含有率达到2.5％时，看起来孔洞破坏率暂时饱和，但在2.5重量％以上，孔洞破坏率与Bi含有率成比例地增加。当Bi含有率进一步增加时，孔洞破坏率升高到Sn-3Ag-0.5Cu以上。因此，接合部4的Bi含有率较理想为不到2.5重量％。

考察图3和图7的结果如下。首先，孔洞破坏的原因在于，对晶界的应力负荷导致变形发展下去，在组织晶界中产生空腔也就是蠕变孔洞。关于蠕变孔洞，为了缓和晶界的应力，较有效为对Sn系焊接部添加赋予高温下的蠕变变形能的Sb和Bi。这已通过图3进行了展示。但如图7所示，添加Bi会产生不良影响。这是Bi向接合部界面的偏析造成的。当Bi向接合部界面偏析时，Bi含有率局部性地升高、熔点降低。当熔点降低时，所导入的空位浓度升高，因此容易产生蠕变孔洞。因此，可以通过使焊料不含Bi来较大程度地抑制孔洞破坏。

图8～图10为说明接合部4处的金属间化合物的理想的粒径的图。图8～图9为说明实验的图。图9所示的图是通过发明者等人的实验得到的。在该实验中，如图8所示，使用宽度5mm的2个长方体的试验片D1和D2，利用接合部4将它们的端部5mm彼此接合在一起。图9展示接合后的试验片。接合部4的厚度为100μm～150μm。再者，在图9的纵深方向上，如图8所示，接合部4连绵5mm。以下，从图示横向的视点P1和图示纵向的视点P2利用X射线拍摄并评价该接合部4。

在本实验中，操作接合剖面、接合后的高温保持、构件的金属化合理化以及用于焊接的焊料组成的合理化，生成了4组接合部4的金属间化合物的粒径。并且，实施在150℃下沿剪切方向施加600g荷载的可靠性试验，对试验实施后的视点P1及视点P2下的接合部4的X射线照片进行比较。再者，本实验中的金属间化合物可单独为Cu-Sn化合物，也可单独为Ni-Sn化合物，也能以任意比例包含Cu-Sn化合物与Ni-Sn化合物。

图10为表示试验结果的图，展示了生成4个接合部4来实施可靠性试验之前的金属间化合物、金属间化合物的粒径、以及可靠性试验后的孔洞生成状况。金属间化合物是视点P1下得到的X射线图像，孔洞生成状况是在视点P1和视点P2下分别拍摄到的。其中，如图10的最下部所示，比例尺各不相同。图10中，随着往图示下侧前进，粒径增大。在最上层所示的粒径为1μm以下的情况下，观察到大量孔洞。再者，在图10的图示右端的视点P1下，为了明示所生成的孔洞而记载有箭头。

图10的第2层之后所示的实验结果中，粒径为2μm以上，得知与粒径不到2μm的最上层相比孔洞大幅减少而有孔洞的抑制效果。在金属间化合物的粒径较小的情况下，认为容易发生应力的集中而容易生成孔洞。相对于此，若金属间化合物的粒径较大，则不易发生应力的集中，从而抑制孔洞的生成。要增大金属间化合物的粒径，需要在接合剖面的合理化、接合后的高温保持、构件的金属化合理化、用于焊接的焊料组成的合理化等几个方面想办法。作为对构件的金属化的优化，可列举向纯Cu电路基板接合具有进行了镀Ni的端子的零件的方法或者将端子的金属化设为镀Ni/Cu的方法等。此外，作为对用于焊接的焊料组成的优化，可列举将Cu的含有率提高到1重量％以上等。

电路基板6的电极5为纯Cu、以Cu为主成分的合金以及Cu镀层中的任一种，电子零件20的端子2镀Ni，因此在焊接时，电极5的Cu在焊料中扩散而与Sn反应，生成Cu-Sn化合物及Ni-Sn化合物。该变得粗大的Cu-Sn化合物及Ni-Sn化合物附着在电子零件的端子的Ni镀层上，因此获得粗大的也就是粒径较大的金属间化合物。

(实施例)

图11为实施例及比较例的一览表。图11的上半部分所示的P1～P10为实施例，图11的下半部分所示的C1～C8为比较例。如图11所示，在各实施例及比较例中，各元素在接合部中的含有率、金属化的有无以及金属间化合物的粒径不一样。图11所示的所谓金属化，是表示搭载零件的端子的金属化的有无，在未实施镀敷处理而为纯铜也就是铜裸露的情况下记载“-”，实施了镀镍的记载“Ni”。再者，所有实施例及比较例中，电路基板侧都未作金属化，为纯铜。此外，各元素的含有率的单位为重量％，金属间化合物的粒径的单位为μm。其中，重量％的精度只到小数点第二位，例如记作0％的栏也可能是含量不到0.01％。

图11右端的3列展示疲劳破坏耐性、孔洞破坏耐性以及接合部界面稳定性的评价结果。该评价是与Sn-3Ag-0.5Cu焊料所形成的接合部的比较。在可靠性比Sn-3Ag-0.5Cu焊料所形成的接合部高的情况下评价为“OK”，在可靠性比Sn-3Ag-0.5Cu焊料所形成的接合部低的情况下评价为“NG”。

实施例P1～P10得到的可靠性均比Sn-3Ag-0.5Cu焊料所形成的接合部高。这是前文所述的效果带来的结果。比较例C1中未添加Bi和Sb，热疲劳破坏耐性及孔洞破坏耐性的评价为NG。比较例C2～C6中添加了Bi和Sb，因此热疲劳破坏耐性为“OK”，但由于Bi含有率超过了2.5重量％以及接合部界面上形成的金属间化合物的粒径不到2μm，因此孔洞破坏耐性为“NG”。比较例C7、C8中含有In，因此接合部界面稳定性评价为“NG”。

根据上述实施方式，获得以下作用效果。

(1)电子控制装置1具备电路基板6、电子零件20、以及接合电路基板6及电子零件20的接合部4。接合部4以Sn为主成分，如图3所示，Bi与Sb的含有比例的合计为3重量％以上，如图4所示，不含In，如图5-6所示，Ag含有率为3～3.9重量％。因此，如图11的实施例P1～P10所示，能够抑制热疲劳破坏及孔洞破坏。

(2)接合部4的Bi含有率如图7所示较理想为不到2.5重量％。如图10所示，形成于电子零件20与接合部4的界面的金属间化合物较理想为粒径在2μm以上，包含Cu-Sn化合物及Ni-Sn化合物中的至少一种。因此如图7所示，由于不到2.5重量％，所以含有Bi带来的、对孔洞破坏率的不良影响是有限的，而且如图10所示，由于粒径较大，因此孔洞生成得到抑制。

(3)接合部4不含Bi。因此如图7所示，完全没有含有Bi带来的、对孔洞破坏率的不良影响。

(4)电路基板4的电极5为纯Cu、以Cu为主成分的合金以及Cu镀层中的任一种，电子零件20的端子电极具有Ni镀层。因此，在焊接时，电路基板的Cu在焊料中扩散而与Sn反应，生成Cu-Sn化合物及Ni-Sn化合物，使得金属间化合物的粒径增大，孔洞生成得到抑制。

(5)电子零件20之一为无引线零件22，电子控制装置1为机电一体的构成。因此，即便电子控制装置1搭载有容易发生热疲劳破坏和孔洞破坏问题的无引线零件22，在因机电一体而暴露在高温中的环境下也能抑制热疲劳破坏及孔洞破坏两方，能够获得高可靠性。

图12为使用Sn-3Ag-0.5Cu的无引线零件22的接合部4Z的放大图。图13为使用Sn-3Ag-0.5Cu的无引线零件22的接合部4Z的X射线照片。在使用Sn-3Ag-0.5Cu的情况下，在无引线零件22的接合部4Z中容易发生热疲劳破坏和孔洞破坏。如图12所示，从接合部4Z的焊脚端部发展出龟裂的是疲劳破坏，生成于端子界面附近的是孔洞破坏。如图13所示，孔洞破坏是沿无引线零件22的端子接合部的界面连绵产生孔洞的破坏模式。孔洞破坏是在电子控制装置1这样的在相对严酷的温度条件下使用的产品的无引线零件22的接合部4Z中凸显出来的破坏模式。以往，通常认为电子控制零件的焊接部是以疲劳破坏为主的破坏模式，使用科芬曼森定律来预测寿命而进行产品的寿命设计。但孔洞破坏的机制不同于热疲劳破坏，无法利用科芬曼森定律来预测寿命。因此，对于使用本实施方式中展示的方法来抑制孔洞破坏有较大意义。

(变形例1)

电子控制装置1只要包含带引线零件21、无引线零件22、BGA零件23以及插装零件24中的至少1种即可。

上述各实施方式及变形例也可各自组合。上文中，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内思索的其他形态也包含在本发明的范围内。

下面的优先权基础申请的揭示内容以引用文的形式并入本文：

日本专利申请2019-144061(2019年8月5日申请)。

符号说明

1…电子控制装置

2…端子

3…金属间化合物

4…接合部

5…电极

6…电路基板

22…无引线零件。

Claims

1.一种电子控制装置，其特征在于，具备：

电路基板；

电子零件；以及

接合部，其接合所述电路基板及所述电子零件，

所述接合部以Sn为主成分，Bi与Sb的含有比例的合计为3重量％以上，不含In，Ag含有率为3～3.9重量％。

2.根据权利要求1所述的电子控制装置，其特征在于，

所述接合部的Bi含有率不到2.5重量％，

形成于所述电子零件与所述接合部的界面的金属间化合物的粒径为2μm以上，包含Cu-Sn化合物及Ni-Sn化合物中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的电子控制装置，其特征在于，

所述接合部不含Bi。

4.根据权利要求1所述的电子控制装置，其特征在于，

所述电路基板的电极为纯Cu、以Cu为主成分的合金以及Cu镀层中的任一种，

所述电子零件的端子电极具有Ni镀层。

5.根据权利要求1所述的电子控制装置，其特征在于，

所述电子零件为无引线零件，所述电子控制装置为机电一体的构成。