JP2011005510A - はんだ合金および電子回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛含有はんだと同等以上の疲労寿命を持つ鉛フリーはんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板を提供する。
【解決手段】はんだ合金５は、Ｓｎを９０質量％以上含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の添加元素を含み、かつ添加元素以外の不可避不純物を０．０１質量％未満含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板に関するものである。

地下水の汚染などによってＰｂ（鉛）の毒性が問題となり、電気・電子製品へのＰｂの使用を制限する動きが世界的に展開されている。その中で、これまで電子機器の配線基板への部品実装あるいは半導体素子と基材との接合に広く用いられていたＳｎ（スズ）−Ｐｂ系はんだが、Ｓｎ―Ａｇ（銀）系、Ｓｎ−Ｚｎ（亜鉛）系などのＳｎ基Ｐｂ非含有合金に置き換えられている。

これらのＳｎ基Ｐｂ非含有合金は、従来最も多く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系合金に比較的近い物理特性を持っているために選択されている。しかしながら、融点の他、機械的特性に関してもＳｎ基Ｐｂ非含有合金とＳｎ−Ｐｂ系合金との間には無視できない差異がある。特にひずみが大きく作用する場合、具体的には１％以上の非弾性ひずみが作用する場合、従来のＰｂ含有合金に比してＳｎ基Ｐｂ非含有合金の疲労寿命が劣ることが問題になっている。

たとえば特開２００２−１８５８９号公報（特許文献１）では、Ｓｎ基合金に対して、Ａｇを０．１〜４質量％、Ｃｕおよび／またはＳｂを合計で３質量％以下、Ｂｉ、ＩｎおよびＺｎからなる群から選ばれた１種または２種以上を合計で０．５〜５質量％含有する鉛フリーはんだ合金が提案されている。この鉛フリーはんだ合金では、はんだ付け性が改善されると記載されている。

特開２００２−１８５８９号公報

しかし、上記公報の鉛フリーはんだ合金では、はんだ付け性が改善された場合であっても、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだに少量のＳｂを添加した合金に比較して疲労寿命が劣るという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、鉛含有はんだと同等以上の疲労寿命を持つ鉛フリーはんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板を提供することである。

本発明の一のはんだ合金は、Ｓｎを９０質量％以上含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の添加元素を含み、かつ添加元素以外の不可避不純物を０．０１質量％未満含んでいる。

本発明の他のはんだ合金は、Ｓｎを９０質量％以上含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１質量％以上１質量％未満含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含んでいる。

本発明によれば、不可避不純物を０．０１質量％未満にするか、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の元素が合計で０．０１質量％以上１質量％未満含まれているため、はんだ合金の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

本発明の実施の形態１および２におけるはんだ合金を用いた電子回路基板を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１および２におけるはんだ合金を用いた電子回路基板を概略的に示す断面図であって、温度サイクル試験後のはんだ合金の疲労き裂の状態を示す断面図である。 比較例におけるはんだ合金を用いた電子回路基板を概略的に示す断面図であって、温度サイクル試験後のはんだ合金の疲労き裂の状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に、本発明の実施の形態１のはんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板の構成について説明する。

図１を参照して、本実施の形態の電子回路基板１０は、プリント基板１と、金属電極２と、電子部品３と、はんだ合金５とを主に有している。電子回路基板１０では、電子部品３の両端部に形成された電極４がはんだ合金５を介してプリント基板１上に形成された金属電極２と接合されている。これにより電子部品３がプリント基板１に実装されている。

プリント基板１は、たとえばガラスエポキシからなっている。その板厚は、たとえば１．６ｍｍに形成されている。金属電極２は、たとえばＣｕ（銅）製の電極パッドからなっている。その厚さは、たとえば０．０５ｍｍに形成されている。電子部品３は、たとえばセラミクス製抵抗器からなっている。その寸法は、たとえば、全長５ｍｍ、全幅２．５ｍｍ、高さ１．５ｍｍに形成されている。電極４は、たとえば銀ガラスの表面にＮｉ（ニッケル）めっきが施され、さらにその上にＳｎめっきが施されて形成されている。

はんだ合金５は、たとえばプリント基板１に電子部品３を実装するために用いられる鉛フリーはんだである。はんだ合金５は、高純度の各元素をアーク溶解することにより構成されている。はんだ合金５は、Ｓｎを９０質量％以上含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の添加元素を含み、かつ添加元素以外の不可避不純物を０．０１質量％未満含んでいる。

また、はんだ合金５は、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎと、不可避不純物とが合計で０．０１質量％未満であることが好ましい。また、はんだ合金５は、Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含んでいることが好ましい。

次に、本実施の形態のはんだ合金の疲労寿命について説明する。
本実施の形態のはんだ合金５の疲労寿命は、温度サイクル試験におけるはんだ合金５の疲労き裂によって測定される。具体的には、気相式の温度サイクル試験機を用いて温度サイクル試験が行なわれる。温度サイクル試験機は、たとえば低温側が−４０℃、高温側が１２５℃になるように調整される。低温および高温のそれぞれの保持時間がたとえば３０分ずつとなるような温度条件にて温度サイクル試験が行われる。温度サイクル試験は、たとえば低温および高温にそれぞれ１回ずつ晒すことを１サイクルとして１０００サイクル繰り返される。疲労き裂６がはんだ合金５を貫通した場合に疲労寿命が尽きたものとする。

図２を参照して、はんだ合金５の疲労き裂６は、電極４の下方近傍で止まり、はんだ合金５を貫通しない。したがって、従来の鉛フリーはんだとは異なり、疲労き裂６の長さは極めて短く、破断に至るまでにはまだ十分な残存寿命がある。疲労寿命は、従来の鉛フリーはんだの２倍から３倍となる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のはんだ合金５によれば、Ｓｎが９０質量％以上含まれ、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の添加元素を含み、かつ添加元素以外の不可避不純物を０．０１質量％未満含んでいる。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

はんだ合金５の不可避不純物の比率を下げることにより、Ｓｎ結晶の内部欠陥が減少してＳｎ結晶の機械的特性が改善されることが、はんだ合金５の疲労寿命を向上することができる要因の一つであると思われる。

また、はんだ合金５は、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎと、不可避不純物とが合計で０．０１質量％未満である。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

また、はんだ合金５は、Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含んでいる。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

本実施の形態の電子回路基板１０によれば、電子部品３と、上記のはんだ合金５を介して電子部品３に接合された金属電極２とを備えている。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができるので、電子回路基板１０の寿命を向上することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２のはんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板は、実施の形態１と比較して、はんだ合金の構成が主に異なっている。

最初に本実施の形態のはんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板の構成について説明する。

図１を参照して、本実施の形態の電子回路基板１０のはんだ合金５は、Ｓｎを９０質量％以上含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１質量％以上１質量％未満含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含んでいる。

また、はんだ合金５は、残部がＡｇおよびＣｕの少なくともいずれかからなることが好ましい。また、はんだ合金５は、Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含むことが好ましい。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態のはんだ合金の疲労寿命についても実施の形態１と同様の温度サイクル試験におけるはんだ合金５の疲労き裂によって測定される。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のはんだ合金５によれば、Ｓｎを９０質量％以上含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１質量％以上１質量％未満含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含んでいる。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の活性元素が不純物と結びついて金属組織内から不純物を除去することによる金属バルクの高純度化が、はんだ合金５の疲労寿命を向上することができる要因の一つであると思われる。

また、はんだ合金５は、残部がＡｇおよびＣｕの少なくともいずれかからなっている。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

また、はんだ合金５は、Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含んでいる。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができる。

本実施の形態の電子回路基板１０によれば、電子部品３と、上記のはんだ合金５を介して電子部品３に接合された金属電極２とを備えている。これにより、はんだ合金５の機械的特性が改善され疲労寿命を向上することができるので、電子回路基板１０の寿命を向上することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１のはんだ合金の疲労寿命を測定するために、温度サイクル試験を行なった。

まず、ガラスエポキシ製のプリント基板１を準備した。その板厚は１．６ｍｍである。プリント基板１上には金属電極２であるＣｕ（銅）製の金属パッドが形成されている。その厚さは０．０５ｍｍである。電子部品３であるセラミクス製抵抗器の両端部には電極４が形成されている。セラミクス製抵抗器は、全長５ｍｍ、全幅２．５ｍｍ、高さ１．５ｍｍである。電極４は、銀ガラスの表面にＮｉめっきが施され、さらにその上にＳｎめっきが施されて形成されている。Ｃｕ（銅）製の金属パッドと電極４とをはんだ合金５を用いてはんだ付けした。これにより、図１に示すように、はんだ合金５を用いた電子回路基板１０を作製した。

はんだ合金５は、Ａｇを３質量％、Ｃｕを０．５質量％、その他の不可避不純物を０．００５質量％含み、残りはＳｎで構成した。はんだ合金５は、高純度の各元素をアーク溶解することにより構成した。

このはんだ合金５について、温度サイクル試験を行った。具体的には、気相式の温度サイクル試験機を用いて、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃になるように調整した。低温および高温のそれぞれの保持時間が３０分ずつとなるような温度条件にて温度サイクル試験を行った。低温および高温にそれぞれ１回ずつ晒すことを１サイクルとして１０００サイクル繰り返した。

図２を参照して、試験の結果、疲労き裂６は、電極４の下方近傍で止まり、はんだ合金５を貫通しないことがわかった。

さらに、Ｓｎを９０質量％以上含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の添加元素を含み、かつ添加元素以外の不可避不純物を０．０１質量％未満含んだはんだ合金５について、上記と同様の試験を行なった。

また、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎと、不可避不純物とが合計で０．０１質量％未満であるはんだ合金５について、上記と同様の試験を行なった。また、Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含んだはんだ合金５について、上記と同様の試験を行なった。

その試験の結果、上記と同様に疲労き裂６は、電極４の下方近傍で止まり、はんだ合金５を貫通しないことがわかった。

比較例として、Ａｇを３質量％、Ｃｕを０．５質量％含み、その他の不可避不純物を０．１質量％含み、残りはＳｎで構成されたはんだ合金５を作成した。その他の構成および試験条件は同様にして、温度サイクル試験を行なった。図３を参照して、その試験の結果、疲労き裂６は、はんだ合金５を貫通したことがわかった。

なお、Ｐｂが５５質量％、Ａｇが１質量％、Ｓｂが１質量％、残部がＳｎと不可避不純物からなる鉛含有はんだ合金であれば、その他の構成および試験条件は同様にして、温度サイクル試験を行なった場合、ほとんど疲労き裂６を発生することがない。しかしながら、従来の鉛フリーはんだである比較例のはんだ合金５では、ＡｇやＣｕを添加することによってＳｎの機械的特性が改善されても、破断に至る疲労き裂６の発生を防止することは困難である。

したがって、実施例１のはんだ合金５では、従来の鉛フリーはんだである比較例のはんだ合金５とは異なり、疲労き裂６の長さは極めて短く、破断に至るまでにはまだ十分な残存寿命があることがわかった。疲労寿命は、従来の鉛フリーはんだの２倍から３倍となることがわかった。

ＡｇまたはＣｕを含み、Ｓｎが９０質量％以上であるＳｎ基鉛フリーはんだ合金で、不可避不純物が０．０１質量％未満のはんだ合金であれば上記と同様の寿命改善効果を持つことがわかった。Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎを含む鉛フリーはんだ合金の場合であっても、不可避不純物を０．０１質量％未満に抑制することで同様の寿命改善効果を得られることがわかった。

（実施例２）
実施例２のはんだ合金の疲労寿命を測定するために、温度サイクル試験を行なった。

実施例２は、実施例１と比較してはんだ合金５の構成が異なっている。はんだ合金５は、Ａｇを３質量％、Ｃｕを０．５質量％、Ｔｉを０．１質量％含み、残りは主にＳｎで構成した。その他の構成および試験条件は同様にして、温度サイクル試験を行なった。

図２を参照して、試験の結果、疲労き裂６は、電極４の下方近傍で止まり、はんだ合金５を貫通しないことがわかった。

さらに、Ｓｎを９０質量％以上含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１質量％以上１質量％未満含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含んだはんだ合金５について、上記と同様の試験を行なった。

また、残部がＡｇおよびＣｕの少なくともいずれかからなるはんだ合金５について、上記と同様の試験を行なった。Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含むはんだ合金５について、上記と同様の試験を行なった。

その試験の結果、上記と同様に疲労き裂６は、電極４の下方近傍で止まり、はんだ合金５を貫通しないことがわかった。

したがって、実施例２のはんだ合金５では、従来の鉛フリーはんだである上記の比較例のはんだ合金５とは異なり、疲労き裂６の長さは極めて短く、破断に至るまでにはまだ十分な残存寿命があることがわかった。疲労寿命は、従来の鉛フリーはんだの２倍から３倍となることがわかった。

ＡｇまたはＣｕを含み、Ｓｎが９０質量％以上であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅのうち少なくとも１種または複数の元素が合計で０．０１質量％以上１質量％未満含まれているＳｎ基鉛フリーはんだ合金であれば上記と同様の寿命改善効果を持つことがわかった。Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎを含む鉛フリーはんだ合金の場合であっても、合計で０．０１質量％以上１質量％未満のＴｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅが添加されていれば同様の寿命改善効果を得られることがわかった。

上記では、鉛フリーはんだ合金の用途として、ガラスエポキシ製プリント基板にセラミクス製抵抗器を実装する場合について説明したが、これに限定されない。本発明のはんだ合金によれば、はんだ合金を用いて接続するあらゆる継ぎ手において上記と同様の疲労寿命の改善効果が得られる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、はんだ合金およびそのはんだ合金を用いた電子回路基板に特に有利に適用され得る。

１ プリント基板、２ 金属電極、３ 電子部品、４ 電極、５ はんだ合金、６ 疲労き裂、１０ 電子回路基板。

Claims (7)

1. Ｓｎを９０質量％以上含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の添加元素を含み、かつ前記添加元素以外の不可避不純物を０．０１質量％未満含む、はんだ合金。
2. Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎと、前記不可避不純物とが合計で０．０１質量％未満である、請求項１に記載のはんだ合金。
3. Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含む、請求項１または２に記載のはんだ合金。
4. Ｓｎを９０質量％以上含み、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、ＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１質量％以上１質量％未満含み、残部がＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含む、はんだ合金。
5. 前記残部がＡｇおよびＣｕの少なくともいずれかからなる、請求項４に記載のはんだ合金。
6. Ａｇを０．３質量％以上５質量％以下含み、Ｃｕを０．３質量％以上１．５質量％以下含む、請求項４または５に記載のはんだ合金。
7. 電子部品と、
   請求項１〜６のいずれかのはんだ合金を介して前記電子部品に接合された金属電極とを備えた、電子回路基板。

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