JP2013154354A - 電子回路モジュール部品 - Google Patents

Abstract

【課題】電子回路モジュール部品が有する電子部品の端子電極と、回路基板の端子電極とを接合する接合金属の耐熱性および繰返し曲げ強度を向上させること。
【解決手段】電子部品２と、電子部品２が搭載される回路基板３と、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとの間には、接合金属５が介在して両者を接合する。接合金属５は、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相に、ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相とが分散している。

【選択図】図４

Description

本発明は、Ｐｂフリーはんだを用いて製造される電子回路モジュール部品に関する。

電子回路モジュール部品は、複数の電子部品をはんだによって回路基板に実装して、ひとまとまりの機能を持った電子部品としたものである。このような電子回路モジュール部品を電子機器の基板に実装する場合、電子回路モジュール部品の端子電極と電子機器の基板の端子電極とをはんだで接合する。従来は、電子部品及び電子回路モジュール部品の接合にＳｎＰｂ系材料のはんだが使用されてきたが、環境問題を背景としてＰｂフリー化が進み、自動車関連や特殊な場合を除いてＰｂフリーはんだが使用されている。

はんだを用いて電子回路モジュール部品を電子機器の基板に実装する際に、はんだを溶融させるためにリフロー工程が必要になる。このリフロー工程の際に、電子回路モジュール部品内の電子部品と回路基板とを接合しているはんだが溶融して飛散したり、はんだが移動したりすることがある。これを回避するため、電子回路モジュール部品を電子機器の基板に実装する際のリフロー温度（おおよそ２６０℃）で溶融しない、もしくは溶融しても飛散や移動を起こさない、すなわち耐熱性を有するはんだを用いて電子回路モジュール部品内の電子部品と回路基板とを接合する必要がある。例えば、特許文献１には、Ａｇを１０質量％〜２５質量％、Ｃｕを５質量％〜１０質量％、残部はＳｎ及び不可避的不純物からなる粉末はんだ材料が記載されている。

特開２００７−２６８５６９号公報

特許文献１の粉末はんだ材料は、リフロー温度で完全に溶融させず、はんだ内に固液共存領域を作ることで高温状態でのはんだの流動を抑えようとするものである。当該はんだを用いることにより、リフロー温度で完全に液状となるはんだと比較して、端子電極同士の接合強度及び接合の耐熱性も向上する。しかし、当該はんだを、電子回路モジュール部品内の電子部品と回路基板との接合部に使用する場合、はんだ中の液相すなわちはんだが溶融する部分の比率が高いが故、依然としてはんだの飛散や移動の可能性がある。また、１０質量％〜２５質量％のＡｇを必要とすることから、はんだ材料のコストアップにつながるため、積極的に利用するには至らない。

また、電子部品や電子回路モジュール部品のはんだ接合部には様々な特性を有することが求められる。例えば、電子回路モジュール部品内の回路基板は、特性検査工程の検査装置や検査冶具に接続する際に、接続用コネクタ類の抜き差しが複数回繰り返され、取扱いの度に基板に曲げる力が加わる。電子回路モジュール部品に使用される回路基板は、軽薄化の狙いから厚みの薄い基板が多く使用されており、基板の曲げ応力に対して特に変形しやすく、はんだ接合部に大きな負荷がかかる。さらに、電子回路モジュール部品が実装された携帯端末用の基板は、筐体とのクリアランスの少ない限られたスペースに収納されるため、携帯端末用の基板に曲げ応力が発生しやすく、携帯端末用の基板に実装されている電子回路モジュール部品にも曲げ応力が伝わりやすい。そのため、電子回路モジュール部品のはんだ接合部には繰返し曲げ強度を有することが求められる。

そこで本発明では、電子回路モジュール部品が有する電子部品の端子電極と、回路基板の端子電極とを接合する接合金属の耐熱性および繰り返し曲げ強度を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らはＰｂフリーはんだ接合組織について鋭意研究を重ねた結果、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相と、ＢｉまたはＺｎを主成分とする第２相とが分散する組織により、はんだ接合組織の耐熱性と繰返し曲げ強度が向上することを見出した。

本発明の電子回路モジュール部品は、電子部品と、当該電子部品が搭載される回路基板と、前記電子部品の端子電極と前記回路基板の端子電極との間に、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相と、ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相と、を有する接合金属とを含むことを特徴とする電子回路モジュール部品である。

このように、電子回路モジュール部品内の接合金属が融点の高いＮｉ−Ｓｎ合金を主相とする組織であるため、接合金属の耐熱性が向上する。その結果、電子回路モジュール部品を実装する際に行われる再度のリフロー工程の温度（おおよそ２６０℃）によって接合部が加熱されても、電子回路モジュール部品内の接合金属の溶融が抑制される。また、ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相の存在が接合部の補強の役目をすることにより、繰返し曲げ強度が向上する。

また、本発明の電子回路モジュール部品が有する、前記ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相の割合は、前記接合金属部の断面積の１％以上３０％以下であることが好ましく、前記接合金属内において網目状に存在していることが好ましい。

主相間に、前記ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相が分散することにより、接合金属全体の硬さを緩和し、繰返し曲げ強度が向上する。さらにＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相が前記比率で存在すれば、接合金属内に網目状のより確実な分散構造が形成されるため、より一層繰返し曲げ強度が向上する。その結果、電子部品が接合された回路基板に曲げ応力が加わる場合も、電子回路モジュール部品内の接合金属の破壊を防ぐことができる。

さらに、本発明の電子回路モジュール部品は、前記接合金属に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第３相を有し、前記第３相は前記Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相を介して前期第２相に囲繞された構造であることが好ましい。

Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第３相は、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相と同様に融点の高い組織であるため、接合金属内に共存することにより接合金属の耐熱性が更に向上する。また前記第３相より前記主相を介して、その外周部分にＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相が囲繞する構造によって、繰返し曲げ強度が更に向上する。

本発明は、電子回路モジュール部品において、その電子回路モジュール部品が有する電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合する接合金属の、耐熱性及び繰返し曲げ強度を向上させることができる。

本発明の電子回路モジュール部品の好適な実施形態を模式的に示した断面図である。 図１の電子部品と回路基板との接続部を示す拡大図である。 図１の電子回路モジュール部品を電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。 本実施形態に係るＰｂフリーはんだが溶融した後、凝固した状態の組織を示す模式図である。 図４の一部分を拡大した模式図である。 本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。 本実施形態の変形例に係るＰｂフリーはんだの概念図である。 本実施形態の変形例に係るＰｂフリーはんだが有する第２金属粒子の拡大図である。 本実施形態に係る電子回路モジュール部品の電子部品と回路基板の接合部を形成する方法の手順を示すフローチャートである。 リフロー時における温度の時間変化の一例を示す図である。 本実施形態に係る電子回路モジュール部品の製造方法における熱処理を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されない。また、下記の実施形態で開示された構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態に係る電子回路モジュール部品の断面図である。図２は、電子部品と回路基板との接続部を示す拡大図である。図１における電子回路モジュール部品１は、電子部品２と、電子部品２が実装される回路基板３と、電子部品２を覆う絶縁樹脂４と、を含む。図２に示すように、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとは、接合金属５によって接合される。接合金属５は、Ｐｂフリーはんだが溶融した後、凝固した金属である。

図１における電子回路モジュール部品１は、複数の電子部品２を回路基板３に実装して、ひとまとまりの機能を持つ電子部品としたものである。電子部品２は、回路基板３の表面に実装されていてもよいし、回路基板３の内部に実装されていてもよい。本実施形態において、電子回路モジュール部品１が有する電子部品２としては、例えば、コイルやコンデンサ、あるいは抵抗等の受動素子があるが、ダイオードやトランジスタ等の能動素子やＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等も電子部品２として回路基板３の表面や回路基板３の内部に実装されてもよい。また、電子部品２は、これらに限定されるものではない。

また、図１における電子回路モジュール部品１は、回路基板３の表面に実装された電子部品２が絶縁樹脂４で覆われる。電子回路モジュール部品１は、電子部品２が実装される側の回路基板３の表面（部品実装面という）も同時に絶縁樹脂４で覆われる。このように、電子回路モジュール部品１は、絶縁樹脂４で複数の電子部品２及び部品実装面を覆うことで、回路基板３及び複数の電子部品２を一体化するとともに、強度が確保される。

電子回路モジュール部品１は、例えば、次のような手順で製造される。
（１）回路基板３の端子電極３Ｔに本実施形態に係るＰｂフリーはんだを含むはんだペーストを印刷する。
（２）実装装置（マウンタ）を用いて電子部品２を回路基板３に載置する。
（３）電子部品２が搭載された回路基板３をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストに含まれるＰｂフリーはんだが溶融し、凝固する。そして、凝固後のＰｂフリーはんだ、すなわち接合金属５が、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとを接合する。
（４）電子部品２及び回路基板３の表面に付着したフラックスを洗浄する。
（５）絶縁樹脂４で電子部品２及び回路基板３を覆う。

電子回路モジュール部品１の回路基板３は、部品実装面の反対側に、端子電極（モジュール端子電極）６を有する。モジュール端子電極６は、電子回路モジュール部品１が備える電子部品２の端子電極２Ｔと電気的に接続されるとともに、図３における電子回路モジュール部品１が取り付けられる基板（例えば、電子機器の基板であり、以下、装置基板という）７の端子電極（装置基板端子電極）８とはんだ９によって接合される。このような構造により、電子回路モジュール部品１は、電子部品２と装置基板７との間で電気信号や電力をやり取りする。

図３における装置基板７は、電子回路モジュール部品１が実装される基板であり、例えば、電子機器（車載電子機器、携帯電子機器等）に搭載される。装置基板７に電子回路モジュール部品１を実装する場合、例えば、装置基板端子電極８にはんだ９を含むはんだペーストを印刷し、実装装置を用いて電子回路モジュール部品１を装置基板７に搭載する。そして、電子回路モジュール部品１が搭載された装置基板７をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストが溶融し、その後凝固することによりモジュール端子電極６と装置基板端子電極８とがはんだ９により接合される。その後、電子回路モジュール部品１や装置基板７の表面に付着したフラックスを洗浄する。

現在多く使用されているＰｂフリーはんだの溶融温度は約２２０℃であるが、リフロー工程における最高温度は２４０℃〜２６０℃程度である。電子回路モジュール部品１が有する電子部品２を回路基板３に実装する際に用いられるはんだは、電子回路モジュール部品１が装置基板７へ実装される際にもリフローされる。このため、前記リフロー工程における温度で溶融しないはんだ（高温はんだ）が使用される。

Ｐｂを使用するはんだには、溶融温度が３００℃程度の高温はんだが存在する。しかし、現在のところ、Ｐｂフリーはんだでは溶融温度が２６０℃以上かつ適切な特性を有するものは存在しない。このため、Ｐｂフリーはんだを用いる場合、電子部品２を回路基板３へ実装する際に用いるはんだと、電子回路モジュール部品１を装置基板７へ実装する際に用いるはんだとには、両者の溶融温度差が少ないものを使用せざるを得ない。

電子回路モジュール部品１が有する電子部品２の接合に用いるはんだが、電子回路モジュール部品１が装置基板７へ実装される際のリフロー工程により溶融すると、当該はんだの移動や、はんだフラッシュ（はんだの飛散）といった不具合が発生する。その結果、電極間の短絡や電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとの接触不良を招くおそれがある。このため、電子回路モジュール部品１の電子部品２を接合するはんだには、電子回路モジュール部品１を実装する際のリフロー温度（おおよそ２６０℃）において溶融しないもの、又は溶融によるはんだの移動やはんだフラッシュを招かない程度であるものを使用することが望まれている。溶融温度の高いはんだの代替として導電性接着材（Ａｇペースト等）もあるが、機械的な強度が低く、電気抵抗も高く、コストも高い等の課題があり、Ｐｂを用いた高温はんだの代替とはなっていない。本実施形態に係る電子回路モジュール部品１が有する接合金属５は、Ｓｎを主成分としてＢｉまたはＺｎを含む第１金属粒子と、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだから得られるものであり、複数回目のリフロー工程における溶融が抑制されたものである。

図４は本実施形態に係るＰｂフリーはんだが溶融し、凝固した接合金属５の組織を示す模式図である。図５は前記接合金属５の一部分を拡大した模式図である。接合金属５は、Ｓｎを主成分としてＢｉまたはＺｎを含む第１金属粒子及びＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだが溶融した後、凝固することにより得られる。主成分とは、物質を構成している成分のうち、最も多く含まれている成分である（以下同様）。このＰｂフリーはんだについては後述する。

接合金属５の断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）により分析すると、図４に示すような組織が観察される。すなわち、接合金属５は、Ｎｉ−Ｓｎ合金（例えば、Ｎｉ_３Ｓｎ_４）を主成分とする主相１０に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第３相１１と、Ｓｎを主成分とするＳｎ相１２と、ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相１３が分散した組織を有している。主相１０と第３相１１及び第２相の溶融温度は、リフロー温度（２４０℃〜２６０℃）より高い。また、主相１０は一般的なはんだと比較して硬い組織であるが、第２相１３は主相１０よりも柔らかい組織である。接合金属５は、このような組織を有することにより、高い耐熱性と繰返し曲げ強度を有する。このため、接合金属５によって電子部品２が回路基板３に実装された電子回路モジュール部品１は、リフロー工程によって接合金属５が加熱されても、はんだの移動やはんだフラッシュが抑制される。また接合金属５によって電子部品２が実装された回路基板３は、製造工程や製品の使用時における基板曲げ応力に対して、主相１０の硬さを第２相１３が応力を受け持つ構造となり、繰返し曲げ強度が向上する。

Ｎｉ−Ｓｎ相の主相１０は、Ｎｉ_３Ｓｎ_４を主成分とするＮｉ−Ｓｎ系合金の相からなる。Ｎｉ−Ｆｅ相を主成分とする第３相１１中のＮｉと、Ｓｎ相１２中のＳｎからなる金属間化合物相であり、略球状のＮｉ−Ｆｅ相を主成分とする第３相１１の外側に成長する、第３相１１と略同心の略球状組織である。接合金属５にこのような主相１０があると耐熱性が向上し、再びリフロー温度（おおよそ２６０℃）によって接合金属が加熱されても、電子回路モジュール部品１内の接合金属５の溶融が抑制される。

また接合金属５は、略球状の第３相１１の周りに存在する略球状の主相１０と、その縁あるいは隣り合う略球状の主相１０の間に第２相１３が囲繞するように分布する網目構造になっている。このような３次元構造になっているため、接合金属５にかかる応力を第２相１３が受け持ち、繰返し曲げ強度が向上する。

接合金属５の断面中に、Ｎｉ−Ｆｅ相を主成分とする第３相１１は見えない、あるいは拡散により消失している場合もある。また主相１０は複数の第３相１１を中心にそれぞれ同心状に広がるので、互いに押されて略球状になっていない部分もある。

主相１０は、接合金属５の全体積に対して、５０体積％以上９０体積％以下が好ましく、７０体積％以上９０体積％以下がより好ましい。このような範囲であれば、接合金属５の耐熱性は十分に向上する。以下、各相の体積の求め方は、接合金属５の任意の断面を深さ方向に５μｍ間隔で研磨し、２０断面に対する各相の面積を積分し求める。主相１０が５０体積％より少ないと、溶融温度の低いＳｎ相１２の比率が多くなり、はんだの飛散や移動が発生しやすくなる。主相１０が５０体積％以上であれば接合金属５の耐熱性は向上し、７０体積％以上であればはんだの飛散や移動が十分に抑えられる。また、主相１０が９０体積％より多いと、固い組織の比率が多くなり、繰返し曲げ強度が低下する可能性がある。主相１０の代表寸法、すなわち、主相１０の直径は、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。この範囲であれば、接合金属の接合強度及び耐熱性が向上する。主相１０の代表寸法は図５における接合金属５の断面より、主相が第２相１３に囲繞される範囲で、第２相１３を含まない内接円の直径（Ｒ１０）を用いる。主相１０にＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする融点の高い第３相１１が現れることによって、接合金属５の接合強度と耐熱性が向上する。第３相１１の代表寸法は３μｍ以上２５μｍ以下が好ましいが、部分的には主相１０に完全に拡散してもよい。前記代表寸法がこの範囲であれば、接合金属５の接合強度と耐熱性を向上させることができる。第３相１１の代表寸法は図５における接合金属５の断面より、第３相１１の外接円の直径（Ｒ１１）を用いる。

接合金属５の全体積に対して、Ｓｎ相１２は４０体積％以下であることが好ましい。Ｓｎ相１２の割合がこのような範囲であれば、接合金属の耐熱性は十分に向上する。Ｓｎ相１２が４０体積％よりも多いと、溶融温度の低いＳｎ相１２の比率が多くなり、はんだの飛散や移動が発生しやすくなる。また前記Ｓｎ相１２の代表寸法は５０μｍ以下であることが好ましい。Ｓｎ相１２の代表寸法がこのような範囲であれば、接合金属５の耐熱性を十分に確保できる。Ｓｎ相１２の代表寸法は接合金属５の断面より、Ｓｎ相１２の外接円の直径（Ｒ１２）を用いる。

ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相１３は、ＢｉまたはＺｎを９０質量％以上含む相であり、融点が２６０℃以上のため接合金属５の耐熱性が向上する。また、Ｎｉ_３Ｓｎ_４を主成分とする主相１０よりも柔らかい組織のため、接合金属５の硬さが緩和される。

前記ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相１３は、接合金属５の断面積に対して、１％以上３０％以下であることが好ましく、５％以上３０％以下がより好ましい。主相１０よりも柔軟な相１３がこのような割合であれば、接合金属５の耐熱性及び繰返し曲げ強度は十分に向上する。第２相１３が１％よりも少ない場合、柔らかい組織の不足により繰り返し曲げ強度の向上傾向が少ない。第２相１３が５％以上であれば、接合金属５の繰返し曲げ強度は十分に向上し、反対に３０％よりも多い場合は、Ｂｉ相及びＺｎ相の結晶粒子が大きくなり、主相１０の間の網目状に存在する構造が得にくくなり、繰返し曲げ強度が低下する可能性がある。

前記第２相１３の代表寸法、すなわち、結晶粒子の直径は１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。このような代表寸法の第２相１３が、隣り合う主相１０の間に存在し、主相１０を囲繞するように３次元構造を呈することで、接合金属の繰返し曲げ強度が向上する。第２相１３の代表寸法は、図５の接合金属５の断面の結晶粒子の外接円の直径（Ｒ１３）を用いる。

主相１０、第３相１１、Ｓｎ相１２、第２相１３の代表寸法は、接合金属５の断面の画像から求める。すなわち、接合金属５の断面の、例えば任意の３箇所を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真撮影して得られた５００倍から１０００倍の画像から求めた。

前記第２相１３の割合は、接合金属５の任意の断面について５００倍から１０００倍の視野をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）により分析し、ＢｉまたはＺｎを主成分として９０質量％以上含む相が検出された部分の比率から求めた。

以降、図４に示す実施形態に係る組織を形成するにあたり、好ましいＰｂフリーはんだの例、および該Ｐｂフリーはんだを用いた製造方法について説明する。なお図４の組織を得るためのＰｂフリーはんだ及び製造方法は、本実施形態の記載内容に限定されない。図６は、本実施形態にかかるＰｂフリーはんだの概念図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ１５は、使用前（最初に溶融する前）において、Ｓｎを主成分としてＢｉ又はＺｎを含む第１金属粒子１５Ａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子１５Ｂと、を含む。本実施形態において、Ｐｂフリーはんだ１５は、第１金属粒子１５Ａと第２金属粒子１５Ｂとの他にフラックスＰＥを含み、第１金属粒子１５Ａと第２金属粒子１５ＢとがフラックスＰＥに混合され、分散された状態のはんだペーストである。Ｐｂフリーはんだ１５は、少なくとも第１金属粒子１５Ａと第２金属粒子１５Ｂとを含んでいればよく、フラックスＰＥは必ずしも必要ではない。

本発明の実施形態において、第１金属粒子１５Ａは、Ｓｎを主成分としてＢｉ又はＺｎの少なくともいずれか一つを含み、Ｓｎが８０質量％以上のＰｂフリーはんだを用いる。例えば、第１金属粒子１５Ａとしては、Ｓｎ−５質量％Ｂｉ（融点２１０℃〜２２５℃）又はＳｎ−９質量％Ｚｎ（融点１９９℃）を用いることができる。また、Ｓｎが８０質量％以上の範囲において、Ｐｂフリーはんだに含まれるその他の元素として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｐ、Ｇｅ、Ｉｎおよび不可避成分が含まれていてもよい。通常Ｂｉ及びＺｎはＳｎとの合金状態で用いるが、前記組成範囲で別途添加してもよい。

本発明の実施の形態にかかる第２金属粒子には、略球状のＮｉ−Ｆｅ合金粒子を用いる。前記Ｎｉ−Ｆｅ合金粒子は、たとえばＮｉ−１０質量％Ｆｅ合金と不可避不純物からなる。従って、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒのうち少なくとも一つを含んでいてもよい。また第２金属粒子中のＦｅの割合は、５〜１６質量％の範囲であればとくに本発明の構造が得られやすく好ましい。前記Ｎｉ−Ｆｅ合金粒子は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法などの噴霧法によって得られるが、水アトマイズ法は一般的に粒子表面が酸化しやすく、Ｎｉ−Ｆｅ合金表面が酸化していると、溶融させた際に前記第１金属粒子とのぬれが悪く、溶融状態の第１金属表面にはじかれてしまうため、Ｎｉ−Ｆｅ合金粒子はガスアトマイズ法で得ることが望ましい。しかし、酸化したＮｉ−Ｆｅ合金粒子や、水アトマイズ法で得たＮｉ−Ｆｅ合金粒子であっても、例えば水素雰囲気等の還元雰囲気中でＮｉ−Ｆｅ合金粒子表面の酸化物を還元処理することで、前記第１金属粒子にはじかれることなく用いることが可能である。

図７は、本実施形態の変形例にかかるＰｂフリーはんだの概念図である。図８は、本実施形態の変形例に係るＰｂフリーはんだが有する第２金属粒子の拡大図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ１５ａは、使用前（最初に溶融する前）において、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子１５Ａａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子１５Ｂａと、を含む。本実施形態において、Ｐｂフリーはんだ１５ａは、第１金属粒子１５Ａａと第２金属粒子１５Ｂａの他にフラックスＰＥを含む。フラックスＰＥについては、上述したＰｂフリーはんだ１５と同様である。図８に示すように、第２金属粒子１５Ｂａは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする粒子（コア粒子）１５ＢＣの表面が、Ｓｎと合金を作る金属を主成分とする被覆層１５ＢＳで覆われている。コア粒子１５ＢＣは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒのうち少なくとも一つを含んでいてもよい。被覆層１５ＢＳに含まれる、Ｓｎと合金を作る金属は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ等がある。このように、第２金属粒子１５Ｂａは、コア粒子１５ＢＣと被覆層１５ＢＳとを有していてもよい。

Ｐｂフリーはんだ１５、１５ａが有する１５Ａ、１５Ａａに用いるＳｎを基材とした第１金属粒子は、一度溶融して凝固した後に複数回リフローをすると再溶融する。本実施形態では、Ｓｎを主成分としてＢｉ又はＺｎを含む第１金属粒子１５Ａ、１５Ａａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子１５Ｂ又はＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とするコア粒子１５ＢＣを被覆層１５ＢＳで被覆した第２金属粒子１５Ｂａとを組み合わせたＰｂフリーはんだ１５、１５ａを用いる。そして、Ｐｂフリーはんだ１５、１５ａをリフロー処理にて溶融させ凝固させる。その後、必要に応じて凝固して得られた接合金属５に更に熱処理を施す。これによって、接合金属５は、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相１０に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ相１１とＳｎを主成分とするＳｎ相１２とＢｉ又はＺｎを主成分とする相１３が分散した組織となり、耐熱性及び繰返し曲げ強度が向上する。

図９は、本実施形態に係る電子回路モジュール部品の電子部品２と回路基板３の接合部を形成する方法の手順を示すフローチャートである。図１０は、リフロー時における温度の時間変化の一例を示す図である。図１１は、本実施形態に係る電子回路モジュール部品の製造方法における熱処理を説明するための図である。以下においては、図６に示すＰｂフリーはんだ１５を用いた例を説明するが、図７に示すＰｂフリーはんだ１５ａを用いてもよい。

本実施形態に係る電子回路モジュール部品の電子部品２と回路基板３の接合部を形成する方法により、図１に示す電子回路モジュール部品１を製造するにあたり、印刷等の手段を用いて、回路基板３の端子電極３Ｔの表面にＰｂフリーはんだ１５のはんだペーストを塗布する（ステップＳ１０１）。次に、回路基板３に電子部品２を載置する（ステップＳ１０２）。その後、電子部品２が搭載された回路基板３をリフロー炉でリフローする（ステップＳ１０３）。リフロー炉内における温度変化は、例えば、図１０に示すようなものである。温度θｍでＰｂフリーはんだ１５が溶融し始める。リフロー炉内の温度が最高温度θｍａｘに到達した後、前記温度は時間の経過とともに低下する。この過程で、溶融したＰｂフリーはんだ１５が凝固して、図１に示す接合金属５となる。接合金属５によって、電子部品２は回路基板３に固定される。

リフローが終了したら、電子部品２が搭載された回路基板３が洗浄される（ステップＳ１０４）。その後、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとの間に介在する接合金属５に対して熱処理が施される（ステップＳ１０５）。熱処理は、電子部品２が搭載された回路基板３を炉に入れて、凝固したＰｂフリーはんだ１５、すなわち接合金属５を所定の温度で所定の時間保持する処理であり、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相１０を増加させ、Ｓｎ相１２を減少させる場合に用いる工程である。リフロー処理後に接合金属５の組織が目的の範囲にある場合はステップＳ１０５は省略することができる。次に、この熱処理について説明する。

熱処理は、例えば、図１１に示すように、炉内の温度を初期温度θｓから所定の温度（以下、保持温度という）θｋまで上昇させた後、保持温度θｋで所定の時間Δｔだけ保持する。所定の時間Δｔは、ｔ１−ｔ２である。このようにすることで、接合金属５を保持温度θｋで所定の時間Δｔ保持する。所定の時間Δｔが経過したら、炉内の温度を低下させる。また、熱処理は、接合金属５の温度を、保持温度θｋまで段階的に上昇させてもよい。この熱処理により、接合金属５の組織を、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相１０に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第３相１１とＳｎを主成分とするＳｎ相１２とＢｉまたはＺｎのいずれかを主成分とする第２相１３が分散したものにする。

本実施形態に係る電子回路モジュール部品の電子部品と回路基板とを接合するＰｂフリーはんだの組成、及び電子部品と回路基板の接合部を形成する熱処理の条件を変更して、耐熱性評価用サンプル（電子回路モジュール部品）と、繰り返し曲げ強度評価用サンプル（導通試験用基板）を作製し、接合金属５の耐熱性、及び繰返し曲げ強度を評価した。Ｐｂフリーはんだの金属成分は、Ｐｂフリーはんだ１５に含まれる第１金属粒子及び第２金属粒子の種類により調整した。ここで第１金属粒子及び第２金属粒子の粒子径は最大２５μｍのものを使用し、第２金属粒子を添加する場合は、第２金属粒子の質量／（第１金属粒子の質量＋第２金属粒子の質量）×１００が一定（２７質量％）となるように添加量を決めた。また、ペースト状のＰｂフリーはんだとして使用しやすいように、ペースト粘度が１７０Ｐａ・ｓ〜２１０Ｐａ・ｓとなるように、フラックスＰＥの含有量を１１．５質量％±１質量％で調整したものを用いた。

耐熱性の評価に供するサンプル（電子回路モジュール部品）は、次のような手順で２０個作製し評価した。
（１）回路基板の端子電極に、後述する表１に示す各サンプルの組成のＰｂフリーはんだを含むはんだペーストを印刷した。
（２）実装装置を用いて電子部品としてチップ型抵抗素子を回路基板に載置した。
（３）電子部品が搭載された回路基板をリフロー炉に入れて、前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストに含まれる第１金属粒子が溶融し、凝固する。リフロー加熱の条件は図１０のような温度曲線となるように、ピーク温度θ_ｍａｘが表１に示す第１金属の種類により、各融点よりも２０℃高く設定し、第１金属粒子が完全に溶融するように設定した。凝固後のＰｂフリーはんだ、すなわち接合金属によって、電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合させた。
（４）電子部品及び回路基板の表面に付着したフラックスを洗浄した。
（５）接合金属の組織をサンプリングして観察し、目的とする組織を構成するように表１に示すような熱処理を施した。熱処理を行ったサンプルは、Ｂｉ相１３又はＺｎ相１３の量および存在する厚みの影響を確認するため、図１１に示す処理条件にて、θ_ｋを２４０℃として、Δｔを２ｍｉｎ、１５ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、９０ｍｉｎの処理を施した。
（６）絶縁樹脂で電子部品及び回路基板を覆った。電子部品及び回路基板を被覆する絶縁樹脂は、エポキシ樹脂にシリカフィラーを添加したものを用いた。そして、絶縁樹脂で電子部品及び回路基板を覆うように塗布し、真空槽内で熱プレス硬化した。その結果、電子部品が絶縁樹脂により封止された電子回路モジュール部品を２０個作製した。

繰返し曲げ強度の評価に供するサンプルは、電子回路モジュール部品の接合金属５と同等の金属組織にて、基板の繰返し曲げ試験による抵抗値変化を評価するために、導通試験用基板を作製した。導通試験用基板は、ＪＥＩＴＡ（一般社団法人、電子情報技術産業協会）規格 ＥＴ−７０４９／１０５Ａの試験方法に基づいて次のような手順で２０個作製し評価した。
（１）導通試験用基板の端子電極に、後述する表１に示す各サンプルの組成のＰｂフリーはんだを含むはんだペーストを印刷した。
（２）実装装置を用いて電気的導通の確認が可能な素子としてデイジーチェーンを導通試験用基板に載置した。
（３）デイジーチェーンが搭載された導通試験用基板をリフロー炉に入れて、前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストに含まれる第１金属粒子が溶融し、凝固する。そして、凝固後のＰｂフリーはんだ、すなわち接合金属によって、デイジーチェーンの端子電極と導通試験用基板の端子電極とを接合させた。リフロー加熱の条件は図１０のような温度曲線となるように、ピーク温度θ_ｍａｘが表１に示す第１金属の種類により、各融点よりも２０℃高く設定し、第１金属粒子が完全に溶融するように設定した。
（４）デイジーチェーン及び導通試験用基板の表面に付着したフラックスを洗浄した。（５）接合金属の組織を目的とする組織を構成するように表１に示すような熱処理を施した。熱処理を行ったサンプルは、Ｂｉ相１３又はＺｎ相１３の量および存在する厚みの影響を確認するため、図１１に示す処理条件にて、θ_ｋを２４０℃として、Δｔを２ｍｉｎ、１５ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、９０ｍｉｎの処理を施した。

耐熱性は次のようにして評価した。評価に供するサンプル（電子回路モジュール部品）をピーク温度２６０℃のリフロー炉に投入する。リフロー処理後の電子回路モジュール部品を透過Ｘ線装置の１００倍視野により観察し、電子部品と回路基板との接合部におけるはんだの移動を観察した。各水準２０個の評価サンプルの中で、接合金属（はんだ材料）が接合部以外に離散するような状況が観察された場合には×、離散していないが接合部の基板側との接合面が変化してしまったものは○、接合部の電子部品端子側の形状が変化していないものは◎とした。

繰返し曲げ強度は次のようにして評価した。表面実装部品の搭載面が凸になるように導通試験用基板を２ｍｍの深さに、１００回繰返し曲げたときに、導通試験用基板上に実装されたデイジーチェーンの端子電極と、導通試験用基板の端子電極との接合回路の電気抵抗値を測定し、各水準２０個の評価サンプルの中で、１００回以内に破断を伴う不導通が発生したもの、または導通抵抗値の変化率が初期の３０％を越えたものは×、導通抵抗値の変化率が５％〜３０％変化したものは○、導通抵抗値の変化率が５％未満のものを◎とした。

表１に各サンプルが有する第１金属粒子及び第２金属粒子の種類、熱処理の条件、主相の種類、第２相であるＢｉ相またはＺｎ相の量と厚み、そして評価結果を示す。Ｂｉ相及びＺｎ相の量については、接合金属５の任意の断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）にて成分分析し、ＢｉまたはＺｎが９０質量％以上である組織が接合金属５全体に占める比率である。また、Ｂｉ相及びＺｎ相の厚みについては接合金属５の断面画像から測定した。測定方法は、断面画像中の第３相１１に内接円を描き、２つの最近接する第３相１１の中心線上に第２相であるＢｉ相またはＺｎ相が現れる長さの割合を求めた。Ｂｉ相及びＺｎ相の厚みは（Ｂｉ相またはＺｎ相が第３相１１の中心線上に現れる距離）／（第３相１１の中心間距離）である。

比較例１、２は主相がＳｎ相であり、第２相であるＢｉ相またはＺｎ相が存在しない。このような接合組織の場合、柔軟なＳｎ相が主相のため繰返し曲げ強度は良好であるが、耐熱性評価試験ではんだ移動が発生する。

比較例３は主相がＮｉ−Ｓｎ相であり、融点の高い相が主相であるため、比較例１、２と比較して耐熱性が向上する。このように、組織中に融点の高い相が増加することにより、接合金属の耐熱性を向上させることができる。しかし、比較例３は硬い組織となり、繰返し曲げ強度が低下する。一方、実施例１〜１２は全てＮｉ−Ｓｎ相の主相の他に第２相であるＢｉ相またはＺｎ相が現れており、曲げ応力に対して補強の役割をすることにより、繰返し曲げ強度が向上する。

実施例７、８、１２は、実施例１、２、３、４と比較して組織中に第２相であるＢｉ相またはＺｎ相の量が多く、厚みが大きい。このように、析出するＢｉ相またはＺｎ相の量、及び厚みが多すぎると、第２相の結晶粒子が大きく成長し、主相のＮｉ−Ｓｎ相と不規則に存在するため、それぞれの相内や粒界にクラックが入りやすく、繰り返し曲げ強度がやや低下する。

実施例９、１０、１１、１２は、実施例１、２、３、４と同様に主相が融点の高いＮｉ−Ｓｎ相であり、第２相としてＢｉ相の代わりにＺｎ相が存在する。Ｚｎ相はＢｉ相と同様の役目をすることにより、耐熱性及び繰返し曲げ強度が向上する。これは接合金属５の組織が、融点の高い主相であるＮｉ−Ｓｎ相と、その間に硬さの異なるＺｎ相が現れた構造を呈したことにより、耐熱性が向上し、組織の硬さが緩和されたと考えられる。

実施例５、６、１１は実施例１、２、３、４、９、１０と比較して、第２相であるＢｉ相またはＺｎ相の量、及び厚みが少なく、融点の高いＮｉ−Ｓｎの主相の割合も少ないため、耐熱性が少し低下する。従って、耐熱性と繰返し曲げ強度の総合評価が◎となるのは、接合金属５の主相がＮｉ−Ｓｎ相であり、その間に第２相であるＢｉ相またはＺｎ相が現れ、第２相が網目状の構造を形成する実施例１、２、３、４、９、１０の条件である。このとき、接合金属５の断面積に対して、第２相１３の好ましい範囲は、１％以上３０％以下である。また、第２相１３の存在する幅として好ましい範囲は、最近接する第３相１１の中心間距離の１／２以下の割合である。

以上のように、本発明に係る電子回路モジュール部品は、はんだが溶融してから凝固した後に得られる接合金属の耐熱性、及び繰返し曲げ強度を向上させることに有用である。

１ 電子回路モジュール部品
２ 電子部品
２Ｔ、３Ｔ 端子電極
３ 回路基板
４ 絶縁樹脂
５ 接合金属
６ モジュール端子電極
７ 装置基板
８ 装置基板端子電極
９ はんだ
１０ 主相
１１ Ｎｉ−Ｆｅ相（第３相）
１２ Ｓｎ相
１３ Ｂｉ相またはＺｎ相（第２相）
Ｒ１０ 主相の代表寸法
Ｒ１１ Ｎｉ−Ｆｅ相（第３相）の代表寸法
Ｒ１２ Ｓｎ相の代表寸法
Ｒ１３ Ｂｉ相またはＺｎ相（第２相）の代表寸法
１５ Ｐｂフリーはんだ
１５Ａ、１５Ａａ 第１金属粒子
１５Ｂ、１５Ｂａ 第２金属粒子
ＰＥ フラックス
１５ＢＣ コア粒子
１５ＢＳ 被覆層

Claims (5)

1. 電子部品と、当該電子部品が搭載される回路基板と、前記電子部品の端子電極と前記回路基板の端子電極との間に、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相と、ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相と、を有する接合金属とを含むことを特徴とする電子回路モジュール部品。
2. 前記ＢｉまたはＺｎのいずれか一方を主成分とする第２相の割合は、前記接合金属部の断面積の１％以上３０％以下であり、前記接合金属内において網目状に存在していることを特徴とする請求項１の電子回路モジュール部品。
3. 前記接合金属に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第３相を有し、前記第３相は前記主相を介して前記第２相に囲繞された構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子回路モジュール部品。
4. 前記主相が、前記接合金属の全体積に対して、５０体積％以上９０体積％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子回路モジュール部品。
5. 前記接合金属中のＳｎ相が、前記接合金属の全体積に対して４０体積％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子回路モジュール部品。
   

Images