JP2012223784A - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

Abstract

【課題】高温環境で使用した場合でも、耐熱疲労特性に優れた鉛フリーはんだ合金を提供する。
【解決手段】Ａｇ１．５〜４．０ｗｔ％、Ｂｉ１．０〜２．５ｗｔ％、Ｚｎ０．１〜０．５ｗｔ％、Ｎｉ０．０５〜０．１ｗｔ％を含み、不可避不純物を除いた残部がＳｎである鉛フリーはんだ合金は、例えば、基板電極１０２と電子部品電極１０５とを電気的に接合するはんだ接合部１０６に利用可能であり、はんだ合金の機械的強度を向上し、１２５℃の高温環境における耐熱疲労特性を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として電子回路基板への電子部品のはんだ付けに用いられる鉛フリーはんだ合金に関するものである。

電子回路基板への電子部品のはんだ付けに用いられる融点250℃以下のはんだ合金として、従来の鉛含有はんだ(Sn-37wt%Pb)に変わり、鉛を含まない鉛フリーはんだ合金が実用化されている。

はんだ材料に求められる特性としては、融点、機械的強度、はんだ付けされた電子回路基板を搭載した電子機器の使用中の温度変化に伴う熱疲労に対する耐性(耐熱疲労特性)などがある。現在広く使用されている鉛フリーはんだは、85℃以下の民生機器で求められる特性を満足しており、鉛はんだからの代替が進んでいる。

しかしながら、民生機器と比較して使用温度が高い製品、例えば自動車に搭載される製品の使用環境温度である最大125℃の温度環境下で使用された場合、熱による損傷が進行しやすくはんだ合金接合部に亀裂が発生するため、125℃における長期信頼性が不十分であるという問題がある。そのため、民生電気機器と比較して高耐熱、長寿命が求められる一部の産業分野では、未だに例外として鉛含有はんだ合金が使用されている。

高耐熱、長寿命が求められる産業分野である自動車業界では、電装化の進展により、自動車に搭載される電子回路基板の数は急激に増加しており、そのため、125℃の自動車の高温環境で使用可能で、耐熱疲労特性を有した新たな鉛フリーはんだ合金が必要とされている。

従来の鉛フリーはんだ合金として、Sn-Ag-Cu系の鉛フリーはんだ合金がある(例えば、特許文献1参照）。従来の構成は、Ag 3.0％超5.0wt％以下、Cu0.5〜3.0wt％、さらに必要により、Sb 5％以下、および残部がSnの組成を有することを特徴としており、Ag、Cu添加によって耐熱疲労特性を改善している。

特開平5-50286号公報

しかしながら、上記従来の構成では、一般的な民生機器の使用温度範囲(≦85℃)では問題なく使用できるが、自動車に搭載される製品の使用環境温度である最大125℃の温度環境下では、熱応力が大きく劣化が進行しやすいため、部品や基板の構成によっては125℃の高温環境では耐熱疲労特性がまだ不十分であるという問題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、125℃の高温環境における耐熱疲労特性を更に向上させた鉛フリーはんだ合金を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の本発明の鉛フリーはんだ合金は、Agを1.5〜4.0wt%、Biを1.0〜2.5wt%、Znを0.1〜0.5wt%、Niを0.05〜0.1wt%含み、不可避不純物を除いた残部がSnである合金組成を有している。

また、第２の本発明の鉛フリーはんだ合金は、Agを1.5〜4.0wt%、Biを1.5〜2.5wt%、Znを0.4〜0.5wt%、Niを0.05〜0.1wt%含み、不可避不純物を除いた残部がSnである合金組成を有している。

また、第３の本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にSnの一部を置き換えて、P, Cu, Ge, Co, Ti, Sb, Gaのうち1種または2種以上を0.05wt%以下含む、上記第１又は第２の本発明の鉛フリーはんだ合金である。

本構成によって、Bi、Znの添加量が偏析を発生させるほど大きくなく、かつ母相のSn相にBi、Zn、Niが固溶し、はんだ合金を強化することができる。また、Ni添加によるぬれ性向上により、基板電極との密着性が向上するため、接合強度が向上する。

以上のように、本発明の鉛フリーはんだ合金によれば、はんだ合金の機械的強度の向上と添加元素の析出の抑制を実現できるため、125℃の高温環境で使用可能であり、かつ良好な耐熱疲労特性を有し長期信頼性を確保した鉛フリーはんだ合金を提供することができる。

本発明の実施の形態1における耐熱疲労特性評価用実装構造体を示す図

以下本発明の実施の形態について説明する。

本発明の鉛フリーはんだ合金の一例は、Snを主成分とするSn-Ag-Bi-Zn-Ni系はんだ合金である。この鉛フリーはんだ合金における各元素の組成は次の範囲である。

即ち、Bi1.0〜2.5wt%、Zn0.1〜0.5wt%、Ag1.5〜4.0wt%、Ni0.05〜0.1wt%、不可避不純物を除いた残部がSnである。

本発明の鉛フリーはんだ合金の一例は、組成により異なるが、いずれの場合も融点220℃以下のはんだ合金であり、電子回路基板への電子部品のはんだ付けに用いることができる。以下で、それぞれの元素の組成について説明する。

ｉ）まず、Biについて説明する。

Biは母相のSn相の結晶格子中に固溶し、はんだ合金を強化することで接合部の信頼性を向上させる。

固溶による強化の効果は、Biの添加量が多いほど大きくなるが、Sn相に固溶できるBi量には上限があり、2.5wt%より多い場合では、はんだ合金中で固溶できないBiの偏析が生じる。Biが偏析した場合、偏析したBi相は硬く脆い金属組織であるため、熱疲労が付加された際にBi相とSn相との硬さの差により、Bi相とSn相の界面を起点として亀裂が発生する。また、1.0wt%より少ない場合はBi固溶量が少ないため、はんだ合金の強化による耐熱疲労特性向上効果が小さい。そのため、Biの添加量は1.0wt%〜2.5wt%とした。

ｉｉ）次に、Znについて説明する。

Znの添加量は0.1〜0.5wt%である。

Znは、母相のSn相の結晶格子中に固溶する固溶強化の効果によって、はんだ合金の信頼性を向上させる。

Znの添加量が0.5wt%より多い場合、Znの偏析が生じる。Znは腐食しやすい金属であり、熱疲労時に偏析したZn相が腐食の起点となり劣化しやすくなる。特に、高温環境では腐食が発生しやすい。また、0.1wt%より少ない場合はZn固溶量が少なく、はんだ合金の強化による耐熱疲労特性向上効果が小さい。そのため、Znの添加量は0.1wt%〜0.5wt%とした。

ｉｉｉ）次に、Niについて説明する。

Niも固溶強化の効果があり、さらにはんだ付け時のぬれ性を向上させる効果があり、はんだ合金の信頼性を向上させる。

Niを0.1wt%より多く添加した場合、Niの偏析が生じる。また、Niを添加するとはんだ合金の融点が上昇し、その量は0.1wt%添加した場合で10℃程度である。つまり、Niを多量に添加すると電子回路基板への電子部品のはんだ付けに用いられるはんだ合金の融点としては高くなりすぎるため、0.1wt%以下とすることが望ましい。また、Niの添加量が0.05wt%より小さい場合は、その効果が小さく、耐熱疲労特性の向上が不十分である。そのため、Niの添加量は0.05〜0.1wt%とした。

ｉｖ）最後に、Agについて説明する。

AgはSn結晶界面にAg₃Sn化合物を析出し、合金を強化する効果がある。

Agが1.5wt%より少ない場合、Ag₃Sn化合物の析出量が少なく、合金強化の効果が十分でないことが従来技術により明らかである。また、Agを4.0wt%より多くすると、析出するAg₃Sn化合物が粗大化するため、合金強化の効果が小さくなり、また、合金の融点が上昇する問題が生じてしまう。そのため、Ag量は1.5〜4.0wt%とした。

本発明では、はんだ合金の組成を以上のようにし、残部は不可避不純物を除いてSnである。
（実施の形態１）
本実施の形態について、図表を用いながら説明する。

まず、表1に示すような組成の鉛フリーはんだ合金の検証を行った。Zn添加量の影響を明らかにするために、Bi2.0wt%、Ag3.0wt%、Ni0.05wt%とし、Zn添加量を0、0.5、1.0wt%と変化させ、残部がSnであるはんだ合金を作製し、作製したはんだ合金を用いて電子部品を実装して125℃環境での耐熱疲労特性を評価した。（N数＝２）

鉛フリーはんだ合金の作製方法について説明する。

まず、Sn、Ag、Bi、Zn、Niの粒を、所定の含有量(総量50g)となるように電子天秤を用いて計量し、セラミックるつぼに投入した。次に、このるつぼ内の金属粒を約400℃で溶融させ、攪拌しながら約10min保持した。その後、溶融したはんだ合金をトレーに移して冷却し、はんだ合金のインゴットを得た。次に、作製したはんだインゴットを用いて、3216サイズのチップコンデンサ部品をはんだ付けし、ヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験の条件は、自動車搭載機器で一般的な-40℃/125℃、各30minである。

図1は、本発明の実施の形態において、ヒートサイクル試験を行うために作製した実装構造体108の概略図である。101は基板、102は基板電極、103はレジスト、104は電子部品、105は電子部品電極、106ははんだ接合部、108は実装構造体を示している。

電子部品104の実装方法について説明する。

まず、作製したはんだ合金のインゴットから一部分を切り出し、電子天秤で約0.002gとなるよう計量を行った。そして、基材がガラスエポキシ(FR-4)である基板101の表面に置かれた、材質がCuの基板電極102上に、切り出したはんだ合金を載置した。さらに、はんだ合金表面の酸化膜を除去するために、切り出したはんだ合金の表面にフラックスを塗布した。なお、本実施の形態で用いたフラックスは、市販のSn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu用のフラックスである。はんだ合金およびフラックスを載置した基板101を、約250℃まで加熱し、載置したはんだ合金を溶融させた。溶融したはんだ合金上に電子部品104を載置して、20sec保持した後基板101を冷却し、基板101上の基板電極102と電子部品104の電子部品電極105との間を接合するはんだ接合部106を形成し、実装構造体108を作製した。

次に、断面研磨を行い断面観察用の試料を作製し、はんだ接合部106の組織を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。

SEMで観察した際に、結晶粒が偏析している場合、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて結晶粒の成分を確認した。

最後に、偏析が確認されなった試料について、-40/125℃、各30minのヒートサイクル試験を行った。

なお、従来の構成に近い構成であるSn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cuの組成を有するはんだ合金を用いてこのような実装構造体108を作製した場合、ヒートサイクル試験500cyc後に、はんだ接合部の微少な亀裂の発生が見られる場合もあった。

表1に示すはんだ合金を検証した結果、試料1-1、1-2の実装構造体108では偏析が見られなかったが、Znを1.0wt%含有した試料1-3では偏析が見られた。EDXの測定結果から、偏析相にはZnが多く含まれていることが確認された。

この結果から、Zn添加量を0.5wt%以下にすることで、Znの偏析を抑制することが出来ることが確認された。

偏析が確認されなった試料1-1、1-2について、-40/125℃、各30minのヒートサイクル試験を行った。なお、本実施の形態において、500cycで微小クラックの発生が無く、亀裂が発生していない場合に本発明の効果が発現されているとした。

その結果、表1に示すように、Znを添加しなかった試料1-1の実装構造体108では、500cycの時点で亀裂が発生していたのに対し、Znを0.5wt%添加した試料1-2の実装構造体108では1000cyc後も微小クラックの発生が無く、亀裂が発生しておらず、良好な耐熱疲労特性を有していた。

次に、Znを0〜0.6wt%との間で、0.1wt%ずつ変化させた場合の特性に与える影響を明らかにするために、表2に示すようなZn含有量のはんだ合金のインゴットを作製した。その他の構成、評価方法については、実施の形態と同様である。

3216サイズチップコンデンサ部品を実装したはんだ接合部の偏析を確認したところ、Zn量が0.6wt%の試料2-7では偏析が見られ、EDXの測定結果から、偏析相にはZnが多く含まれていることが確認された。

ヒートサイクル試験を行ったところ、Znを含まない試料2-1を除く全ての試料で500cyc後の亀裂の発生は見られず、良好な耐熱疲労特性を有していた。特に、Zn量が0.4wt%、0.5wt%と多い試料2-5、2-6では1000cyc後も亀裂の発生が見られなかった。

このことから、本発明の効果を発現するZn量は0.1〜0.5wt%であり、望ましくは0.4〜0.5wt%である。

次に、Bi添加量の影響を明らかにするために、表3に示すようなはんだ合金の評価を行った。

Ag3.0wt%、Zn0.5wt%、Ni0.05wt%とし、Bi添加量を0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0wt%と変化させ、残部がSnであるはんだ合金を作製し、作製したはんだ合金を用いて電子部品を実装して125℃環境に対する耐熱疲労特性を評価した。その他の構成、評価方法については、Zn添加量の検証の場合と同様である。

3216サイズチップコンデンサ部品を実装したはんだ接合部106のBiの偏析を確認したところ、Bi含有量が0.5、1.0、1.5、2.0、2.5wt%のはんだ合金では、偏析は見られなかった。しかしながら、Bi含有量が3.0wt%のはんだ合金(試料3-6)でのはんだ接合部106は偏析が見られ、その偏析成分はBiであった。このことから、Bi含有量は2.5wt%以下とすることが必要である。

偏析が確認されなった試料3-1〜3-5でヒートサイクル試験を行った結果、表3に示すように、Biが0.5wt%と少ないはんだ合金試料3-1では、500cycの時点で亀裂が発生していたのに対し、Bi量が1.0〜2.5wt%の試料3-2〜3-5の実装構造体108では500cyc後も亀裂が発生しておらず、特にBi含有量が1.5〜2.5wt%の試料3-3〜3-5では1000cyc後も亀裂が発生しておらず、優れた耐熱疲労特性を有していた。

このことから、本発明の効果を発現するBi量は1.0〜2.5wt%であり、望ましくは1.5〜2.5wt%である。

次に、Ni添加量の影響を明らかにするために、表4に示すような組成のはんだ合金の評価を行った。

Ag3.0wt%、Bi2.0wt%、Zn0.5wt%とし、Ni添加量を0、0.05、0.1wt%と変化させ、残部がSnであるはんだ合金を作製し、作製したはんだ合金を用いて電子部品を実装して125℃環境に対する耐熱疲労特性を評価した。その他の構成、評価方法については、Zn、Bi添加量の検証の場合と同様である。

3216サイズチップコンデンサ部品を実装したはんだ接合部の偏析を確認したところ、Ni量が0.15wt%の試料4-4では偏析が見られ、EDXの測定結果から、偏析相にはNiが多く含まれていることが確認された。

ヒートサイクル試験500cyc後の亀裂の発生を確認したところ、Niを含有しない試料4-1では、亀裂が発生していた。Niをそれぞれ0.05wt%、0.1wt%含有した試料4-2、4-3の実装構造体108では、1000cyc後も亀裂は確認されなかった。

このことから、本発明の効果を発現するNi量は0.05〜0.1wt%である。

なお、本実施の形態では、Agの添加量を3.0wt%に固定しているが、Agの添加量が1.5〜4.0wt%の間であれば、Sn結晶界面にAg₃Sn化合物を析出して合金を強化する効果が同様に発現されることが従来技術により明らかである。Agが1.5wt%より少ない場合、Ag₃Sn化合物の析出量が少なく、合金強化の効果が十分でない。また、Agを4.0wt%より多くすると、析出するAg₃Sn化合物が粗大化するため、合金強化の効果が小さくなり、また、合金の融点が上昇する問題が生じてしまう。

このことから、本発明の効果を発現するAg量は1.5〜4.0wt%である。

本実施の形態から、Bi1.0wt%〜2.5wt%、Zn0.1〜0.5wt%、Ag1.5〜4.0wt%、Ni0.05〜0.1wt%を含み、不可避不純物を除いた残部がSnの鉛フリーはんだ合金を用いれば、はんだ接合部の耐熱疲労特性を向上し、125℃の高温環境下での長期信頼性を確保することが可能であることが確認された。

本発明の鉛フリーはんだ合金を産業利用する場合、耐熱疲労特性以外にはんだ付けに利用する際に求められる、融点やぬれ性などの特性から考えると、特にBi2.0wt%、Zn0.5wt%、Ag3.0wt%、Ni0.05wt%を含み、不可避不純物を除いた残部がSnとした場合が、本発明の効果を最も効果的に発現し、かつ実用上最も有効である組成であるといえる。

尚、上記実施の形態では、鉛フリーはんだ合金の組成をSn-Ag-Bi-Zn-Niの五元系としたが、例えばぬれ性を向上させるために、Sn-Ag-Bi-Zn-Niの五元系に、さらにSnの一部を置き換えてP, Cu, Ge, Co, Ti, Sb, Gaのうち1種または2種以上を、それぞれについて0wt%より多く、且つ0.05wt%以下の微量を添加してもよい。

本発明の鉛フリーはんだ合金は、はんだ合金の機械的強度の向上によってはんだ接合部の耐熱疲労特性を向上し、125℃の高温環境下での耐熱疲労特性を向上させているという特徴を有し、自動車搭載機器に使用される電子回路基板に電子部品を接合する際のはんだ付け材料等の用途にも適用できる。

101 基板
102 基板電極
103 レジスト
104 電子部品
105 電子部品電極
106 はんだ接合部
108 実装構造体

Claims (3)

1. Ag1.5〜4.0wt%、Bi1.0〜2.5wt%、Zn0.1〜0.5wt%、Ni0.05〜0.1wt%を含み、不可避不純物を除いた残部がSnである鉛フリーはんだ合金。
2. Ag1.5〜4.0wt%、Bi1.5〜2.5wt%、Zn0.4〜0.5wt%、Ni0.05〜0.1wt%を含み、不可避不純物を除いた残部がSnである鉛フリーはんだ合金。
3. 更にSnの一部を置き換えてP, Cu, Ge, Co, Ti, Sb, Gaのうち1種または2種以上を0.05wt%以下含む、請求項１又は２に記載の鉛フリーはんだ合金。

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