JP2014046319A

JP2014046319A - はんだ材料および実装体

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Publication number: JP2014046319A
Application number: JP2012189489A
Authority: JP
Inventors: Akio Furusawa; 彰男古澤; Masahito Mori; 将人森; Hidetoshi Kitaura; 秀敏北浦; Kiyohiro Hine; 清裕日根
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-17
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: JP6023979B2

Abstract

【課題】Ａｕフラッシュめっきが短時間で薄いめっきを施すためのフラッシュ処理によって施されたＡｕ電極に対するはんだ付けにおいては、従来のはんだ材料は必ずしも十分に高い熱疲労特性を有しない。
【解決手段】Ｐを含むＮｉめっきを有するＡｕ部品電極のはんだ付けに利用されるはんだ材料であって、
５．６〜６．８ｍａｓｓ％のＩｎと、
０．３〜４．０ｍａｓｓ％のＡｇと、
０〜１．０ｍａｓｓ％のＢｉと、
０．０３５〜０．７ｍａｓｓ％のＣｏを含み、
残部は、８７．５ｍａｓｓ％以上のＳｎのみであることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、主として電子回路基板のはんだ付けに用いるソルダーペースト等におけるはんだ材料および実装体に関する。

電子回路基板においては、一般的に電極材質がＣｕであるＣｕ基板電極が利用される場合が多い。また電子回路基板に実装される一般的な電子部品では、ＣｕにＳｎめっきが施されたＣｕ部品電極が利用される。しかしながら、電動コンプレッサ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、ヘッドランプなどの車載商品においては、短時間で薄いめっきを施すフラッシュ処理によってＡｕフラッシュめっきが施されたＡｕ部品電極が利用される場合がある。その理由は、Ａｕ部品電極とはんだ材料との接合面においては、濡れ性が良好となるため大きなフィレットが形成させ接合信頼性が上がるからである。一例として、Ｃｕ基板電極を有した電子回路基板と、Ｃｕ部品電極やＡｕ部品電極を有した電子部品とがはんだ付けによって接合され実装体を形成している。その実装体の模式的な断面図を図９に示す。

実装体９００は、Ｃｕ基板電極９３１、９３２を有する電子回路基板９３０と、Ｃｕ基板電極９３１にＡｕ部品電極９２１を有する電子部品９２０、Ｃｕ基板電極９３２にＣｕ部品電極９４１を有する電子部品９４０と、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部９１１および９１２によって構成されている。

ここで用いられる電子回路基板９３０と電子部品９２０、９４０のはんだ付けには、四種類の元素からなるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料などが利用されている。（たとえば、特許文献１参照）。このようなはんだ材料では、温度変化にともなう熱応力に起因して発生する疲労破壊に関する熱疲労特性が、固溶強化メカニズムと呼ばれる技術によって高められている。ここに、固溶強化メカニズムとは、格子状に並んでいる金属原子の一部を異種の金属原子に置き替えてそのような格子を歪ませることによりはんだ材料を劣化しにくくする技術である。

前述されたＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料では、ＩｎがＳｎの格子に固溶させられており、熱疲労特性が高められ、具体的にはＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６ｍａｓｓ％Ｉｎなどの組成のはんだ材料が利用されている。ここに、ＡｇおよびＢｉが添加されているが、Ａｇは析出強化による合金強度の向上および低融点化のために添加されており、Ｂｉは低融点化のために添加されている。

特許第３０４０９２９号公報

しかしながら、Ａｕ部品電極９２１に対するはんだ付けの場合において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料は必ずしも十分に高い熱疲労特性を有しないことが判明した。一方、Ｃｕ部品電極９４１に対するはんだ付けの場合においては、熱疲労特性が高い状態で保たれていた。

本発明者らは、その理由をつぎのように分析している。すなわち、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料では、熱疲労特性がＩｎ含有率によって変化する。ここでの熱疲労特性は、温度サイクル試験が−４０℃／１５０℃の試験条件（車載商品の信頼性試験条件）で実施された後に、はんだ付け接合部の断面観察でクラックの発生が確認されないサイクル数で示す。たとえば、はんだ付け後におけるはんだ材料の組成が、Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６ｍａｓｓ％ＩｎとＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−５．５ｍａｓｓ％Ｉｎとを比較すると、温度サイクル試験のサイクル数は２３００サイクルと２１５０サイクルとなり、Ｉｎの減少に伴いサイクル数（熱疲労特性）も減少する。

熱疲労特性に関連する合金強度は、Ｉｎ含有率が増大すると増大していくが、Ｉｎ含有率がおよそ６ｍａｓｓ％であるときに最大となり、Ｉｎ含有率がこれを超えると減少していく。つまり、Ｉｎ含有率がおよそ６ｍａｓｓ％であるときに、温度サイクル試験のサイクル数が高くなることから熱疲労特性が最も高い。よって、Ｉｎによる固溶強化メカニズムを有効に活用するためには、はんだ材料のＩｎ含有率をより正確にコントロールすることが望ましい。

以下に詳細に説明する。まず、Ｃｕ部品電極とＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料との組み合わせでは、ＣｕとＩｎとは反応性が高くないので、熱疲労特性の向上に寄与するＳｎの格子に固溶させられているＩｎについてのＩｎ含有率ははんだ付けの際に変化しないため、熱疲労特性が高い状態で保たれる。

一方、Ａｕ部品電極は、膜厚１〜５μｍを持ったＮｉめっきがＣｕ電極の上に施され、更に、膜厚０．０３〜０．０７μｍを持ったＡｕフラッシュめっきがＮｉめっきの上に施された構造を有し、Ａｕが加熱をともなうはんだ付けの際にＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの中に溶け込み、Ｎｉめっきが露出する。そして、Ｎｉめっきは９０ｍａｓｓ％Ｎｉおよび１０ｍａｓｓ％Ｐの組成を持っており、ＩｎとＰとは反応性が高いので、ＩｎはＰと反応してＩｎ−Ｐの組成を持った化合物ＩｎＰを生成する。すると、熱疲労特性の向上に寄与する、Ｓｎの格子に固溶させられているＩｎが減少し、実質的なＩｎ含有率は減少する。

ここで、はんだ付け後のＩｎ含有率が減少するＡｕ部品電極の熱疲労特性を高めるために、はんだ付け前のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎのはんだ材料のＩｎ含有率を増加させた場合には、Ａｕ部品電極の熱疲労特性は高まる。しかしながら、１つの電子回路基板に実装される電子部品のはんだ付けに対して、作業性を考慮して同じはんだ材料を使用した場合、電子部品のＣｕ部品電極では、はんだ付け前のはんだ材料のＩｎ含有率からＩｎの増加分によっては、逆に熱疲労特性が減少する。このように、単にＡｕ部品電極のはんだ付け後のＩｎ減少を防止するために、はんだ付け前のはんだ材料のＩｎ含有率を増加させたとしても、逆にＣｕ部品電極の熱疲労特性が減少することから、Ｉｎの添加以外の手段を検討することが必要となった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極を有した電子部品とのはんだ付け後の実装体においても、Ａｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能なはんだ材料および実装体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の本発明は、Ｐを含むＮｉめっきを有するＡｕ部品電極のはんだ付けに利用されるはんだ材料であって、５．６〜６．８ｍａｓｓ％のＩｎと、０．３〜４．０ｍａｓｓ％のＡｇと、０〜１．０ｍａｓｓ％のＢｉと、０．０３５〜０．７ｍａｓｓ％のＣｏを含み、残部は、８７．５ｍａｓｓ％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料である。

第２の本発明は、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、第１の発明のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする、実装体である。

上記第１の発明の構成により、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能なはんだ材料を提供することができる。

また、上記第２の発明の構成により、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極が熱疲労特性を満たした実装体を提供することができる。

本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、Ｉｎが添加されたＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉの組成を持った合金の信頼性試験結果を示すグラフ試料として準備したＡｕ電極の構成を示す模式的な構成図試料として準備したＣｕ電極やＡｕ電極とＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金との接合後におけるＩｎ含有率を測定する概略説明図本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金を利用して、Ｃｕ電極およびＡｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、それぞれのはんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフ本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成に対してＣｏが添加された合金を利用して、Ａｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフ本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成に対してＣｏが添加された合金の固相線および液相線を示すグラフ本発明における実施の形態の実装体の模式的な断面図はんだ接合前後の基板電極とはんだ材料と部品電極との組成を示す模式的な構成図従来のはんだ材料を使用した実装体の模式的な断面図

以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
はじめに、図１を参照しながら、本実施の形態１のはんだ材料に関する原理について説明する。

なお、図１は、本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、Ｉｎが添加されたＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉの組成を持った合金の信頼性試験結果を示すグラフである。

図１において、横軸のＩｎ含有率は、はんだ付け後にはんだに固溶している、より具体的には、Ｓｎの格子に固溶させられている実質的なＩｎ含有率である。

縦軸の試験サイクル数は、１６０８サイズ（１．６ｍｍ×０．８ｍｍ）のチップコンデンサが実装された、ＦＲグレード（ＦｌａｍｅＲｅｔａｒｄａｎｔＧｒａｄｅ）がＦＲ−５グレードであるＦＲ５基板において、温度サイクル試験が−４０℃／１５０℃の試験条件で実施された後に、はんだ付け接合部の断面観察でクラックの発生が確認されなかったサイクル数である。

自動車のエンジン近傍に搭載する車載商品の信頼性試験においては、２０００サイクル以上のサイクル数が要求仕様において求められる。（ここでは、２０００サイクル以上のサイクル数の場合を熱疲労特性が満たされていることとする。）。

同サイクル数は、はんだ付け後にはんだに固溶しているＩｎ含有率が５．５ｍａｓｓ％（２１５０サイクル）、６．０ｍａｓｓ％（２３００サイクル）および６．５ｍａｓｓ％（２２００サイクル）である場合は２０００サイクル以上であるが、Ｉｎ含有率が５．０ｍａｓｓ％以下または７．０ｍａｓｓ％以上である場合は２０００サイクル未満である。

近似曲線が、上記の数値データを用いることによって得られる二次関数
（数１）
（試験サイクル数）
＝−４１０．７×（Ｉｎ含有率）²＋４９１９．６×（Ｉｎ含有率）−１２４４６
のグラフとして図示されている。

したがって、車載基準である２０００サイクル以上のサイクル数を確保することができるＩｎ含有率の範囲はおよそ５．２〜６．８ｍａｓｓ％であり、管理幅はおよそ±０．８ｍａｓｓ％である。

そして、大量生産におけるはんだ合金のＩｎ含有率の変動幅はおよそ±０．５ｍａｓｓ％であるので、Ｉｎ含有率は４．７（＝５．２−０．５）ｍａｓｓ％以上７．３（＝６．８＋０．５）ｍａｓｓ％以下でも良いが、５．７（＝５．２＋０．５）ｍａｓｓ％以上６．３（＝６．８−０．５）ｍａｓｓ％以下であることがより望ましい。

つぎに、図２〜図４を主として参照しながら、Ｎｉめっきに含まれるＰの影響について説明する。

ここで使用するＡｕ電極およびＣｕ電極は、測定用に準備された試料を用いる。

図２は、試料として準備したＡｕ電極の構成を示す模式的な構成図であり、図３は試料として準備したＣｕ電極やＡｕ電極とＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金との接合後におけるＩｎ含有率を測定する概略説明図である。

試料として準備したＡｕ電極は、Ｃｕ電極が膜厚３５μｍを持ったＣｕ箔であり、膜厚１〜５μｍを持ったＮｉめっきが電気めっきのように通電を要しない無電解めっきとしてＣｕ電極の上に施され、膜厚０．０３〜０．０７μｍを持ったＡｕフラッシュめっきがＮｉめっきの上に施された構造を有している。

たとえば、Ｎｉめっきの膜厚は３μｍであり、Ａｕフラッシュめっきの膜厚は０．０５μｍである。

Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持ったはんだ材料は、直径５ｍｍおよび厚さ０．１５ｍｍの形状でこれらＣｕ電極およびＡｕ電極の上にそれぞれ供給され、２４０℃のホットプレートの上で３０秒間加熱され、室温で徐冷される。

このようにして作成された試料は縦断面が出現するように研磨された断面の中央部が、ＥＤＸ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を利用する方法で分析され、Ｉｎ含有率が測定される。

ここに、中央部とは、はんだの厚さの１／２の位置であって、はんだのぬれ広がり幅の１／２の位置に対応する部分である。

図４は、Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金を利用して、Ｃｕ電極およびＡｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、それぞれのはんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフである。

測定された、熱疲労特性の向上に寄与するＳｎの格子に固溶させられているＩｎについての実質的なＩｎ含有率は、当初のＩｎ含有率である６．０ｍａｓｓ％から減少しており、Ｃｕ電極については５．９ｍａｓｓ％であり、Ａｕ電極についてはより小さい５．１ｍａｓｓ％である。

Ａｕ電極については、Ａｕが加熱の際にはんだ内部へ拡散し、Ａｕフラッシュめっきの下に形成されている９０ｍａｓｓ％Ｎｉおよび１０ｍａｓｓ％Ｐの組成を持ったＮｉめっきが露出する。

そして前述のように、ＩｎはＰと反応して化合物ＩｎＰを生成するので、Ｓｎの格子に固溶させられているＩｎが減少し、Ａｕ電極の場合の実質的なＩｎ含有率はＣｕ電極の場合と比較してより大きく減少してしまう。

このため、車載基準に対応したＩｎ含有率の範囲は前述されたようにおよそ５．２〜６．８ｍａｓｓ％であるので、上記のＡｕ電極は車載基準を満足しない。

なお、Ｎｉめっきの比重は７．９ｇ／ｃｍ³であるので、Ｎｉめっきに含まれるＰの重量は、Ｎｉめっきの膜厚ＴおよびＮｉめっきの面積Ｓを利用して、７．９×Ｔ×Ｓ×０．１により算出することができ、Ｎｉめっきに含まれるＰの重量はＮｉめっきの膜厚Ｔに比例して変動する。

このような現象を踏まえて、本発明者等は、Ｐに対してＩｎよりも容易に反応しやすい元素の添加がＩｎ含有率の減少を抑制するために有効であることを見出した。

数多くの元素の中からそのような元素として見出された元素が、以下で説明される、Ｐと反応してＣｏ₂Ｐ、ＣｏＰなどの化合物を生成する、Ｃｏ（コバルト）である。

ここで、図５および６を参照しながら、本実施の形態であるはんだ材料について具体的に説明する。

なお、図５は、本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成に対してＣｏが添加された合金を利用して、Ａｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフである。

また、図６は、本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成に対してＣｏが添加された合金の固相線６０１および液相線６０２を示すグラフである。

まず、図５を主として参照しながら、Ｃｏ含有率の下限について説明する。

ここでは、分析が前述された方法と同様な方法で行われ、Ａｕ電極とのはんだ付けが行われた後のＩｎ含有率の測定が行われる。

同試料は、つぎのようにして作成される。

８９．９ｇのＳｎが、セラミック製のるつぼ内に投入され、温度が５００℃に調整されている電気式ジャケットヒータの中に静置される。

６．０ｇのＩｎはＳｎが溶融したことが確認された後に投入され、３分間の撹拌が行われる。

０．５ｇのＢｉが投入され、３分間の撹拌がさらに行われる。

３．５ｇのＡｇが投入され、３分間の撹拌がさらに行われる。

０．１ｇのＣｏが投入され、３分間の撹拌がさらに行われる。

その後、るつぼは電気式ジャケットヒータから取り出されて２５℃の水が満たされた容器に浸漬され、冷却が行われる。

Ｉｎ含有率は、（１）Ｃｏ含有率がゼロである場合は５．１ｍａｓｓ％であるが、（２）Ｃｏ含有率が増大すると、Ｉｎの減少が抑制されるので、増大していき、（３）Ｃｏ含有率が０．２ｍａｓｓ％である場合は５．５９ｍａｓｓ％となり、そして（４）Ｃｏ含有率が０．４ｍａｓｓ％になるとほぼ６．０２ｍａｓｓ％になる。引き続き（５）Ｃｏ含有率が０．５ｍａｓｓ％、０．６ｍａｓｓ％、０．７ｍａｓｓ％、０．８ｍａｓｓ％としても、Ｉｎ含有率にほとんど変化は見られない。

Ｃｏ含有率が０ｍａｓｓ％から０．４ｍａｓｓ％であるときの数値を用いて近似直線を描くと、一次関数
（数２）
（Ｉｎ含有率）
＝２．２９×（Ｃｏ含有率）＋５．１２２
のグラフが得られる。

したがって、車載基準をＡｕ電極との組み合わせにおいても満足するために必要な５．２ｍａｓｓ％以上のＩｎ含有率を確保するためには、Ｃｏ含有率が０．０３５ｍａｓｓ％以上であることが望ましい。Ｃｏ含有率が０．０３５ｍａｓｓ％以上であれば、Ａｕ電極との組み合わせにおいても、はんだ付け後のＩｎ含有率が５．２ｍａｓｓ％以上となり、車載基準の信頼性を満たすことができる。

ただし、大量生産におけるはんだ合金のＩｎ含有率の変動幅はおよそ±０．５ｍａｓｓ％であるので、Ｉｎ含有率がそのために少し減少する場合がある。

このような場合においては、近似直線は、（数２）のグラフが大量生産における変動幅の下限である−０．５ｍａｓｓ％に相当する下方移動を受けた一次関数
（数３）
（Ｉｎ含有率）
＝２．２９×（Ｃｏ含有率）＋４．６２２
のグラフ（一点鎖線で図示されている）となり、Ｉｎ含有率はＣｏ含有率が０．０３５ｍａｓｓ％である場合は４．７ｍａｓｓ％である。

したがって、大量生産における変動幅の下限が考慮されると、５．２ｍａｓｓ％以上のＩｎ含有率を確保するためには、Ｃｏ含有率が少し余裕をもって０．２６ｍａｓｓ％以上（この数値は、（５．２−４．６２２）／２．２９＝０．２５２≒０．２６により算出）であることがより望ましい。

以上においては９０ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金が利用される場合について説明したが、Ｉｎの含有率とＣｏの含有率とは一定の比率で変わるので、Ｉｎ含有率が異なる場合もそれに応じて取り扱うことができる。

つぎに、図６を主として参照しながら、Ｃｏ含有率の上限について説明する。

すなわち、Ｃｏ含有率が大きすぎると、液相線温度が上昇するので、溶融性が低下してぬれ広がり性が悪くなりやすい。

より具体的に説明すると、固相線６０１によって表される固相線温度は２１０〜２２０℃の範囲にあって安定しているが、液相線６０２によって表される液相線温度は、Ｃｏ含有率が０．７ｍａｓｓ％を超えると上昇し、Ｃｏ含有率が０．９ｍａｓｓ％である場合は３２０℃であり、Ｃｏ含有率が１．６ｍａｓｓ％である場合は５００℃である。

ここに、固相線温度は固体の状態から加熱された合金が溶け始める温度であり、液相線温度は固体の状態から加熱された合金がすべて溶け終わる温度である。

表１はＣｏ含有率とぬれ広がりとの関係をＣｏ含有率が０．１ｍａｓｓ％、０．２ｍａｓｓ％、・・・、１．６ｍａｓｓ％である場合について説明しており、ぬれ広がりについての評価が行われている（その他の表についても同様であるが、数値データに付随する単位はｍａｓｓ％である）。

ここでは、Ｎｉめっきの膜厚が下限に接近してＰの含有量は最小であり、ぬれ広がり性はこの観点からは良好でないと想定されており、Ｎｉめっきの膜厚が１μｍであるように作成された試料について、ぬれ広がり率の測定がＪＩＳＺ３１９７「はんだ付け用フラックス試験方法」において規定されている広がり試験方法で行われる。

ぬれ広がりの評価に関しては、○はぬれ広がり率が９０％以上であることを示しており、△はぬれ広がり率が８５％以上で９０％未満であることを示しており、×はぬれ広がり率が８５％未満であることを示している。

したがって、良好なはんだ付けにとって重要な９０％以上のぬれ広がり率を保証するためには、Ｃｏ含有率が０．７ｍａｓｓ％以下であることが望ましい。

表２は、はんだ付け前のはんだ材料の各種組成と、はんだ付け後におけるはんだ材料のＩｎ含有率変化との関係を組成１〜４および比較例について説明しており、信頼性が判定されている。

Ｉｎ含有率変化についての残量は、Ａｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ内部におけるＩｎ含有率の分析を、ＥＤＸを利用して行うことにより測定される。

Ｉｎ含有率変化についての判定に関しては、○ははんだ付けが行われた後のＩｎ含有率が５．２〜６．８ｍａｓｓ％の範囲に含まれていることを示しており、×はＩｎ含有率が５．２ｍａｓｓ％未満の範囲であることを示している。

信頼性判定に関しては、車載商品の信頼性試験においての温度サイクル試験のサイクル数を２０００サイクル以上の要求仕様を満たしていることを基準として、○は基準が満足されることを示しており、×は基準が満足されないことを示している。

組成１〜４の信頼性判定から、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料にＣｏが含有されることにより、Ｉｎ含有率の減少が抑制されたことがわかる。

比較例においては、Ｉｎ含有率の減少を抑制するために有効な元素の添加が行われていないので、はんだ付け後のＩｎ含有率が５．１ｍａｓｓ％（Ｉｎ含有率変化は−０．９ｍａｓｓ％）であったことからそれについての判定は×である。

次に表３は、Ｂｉを含有していないはんだ材料の各種組成とＩｎ含有率変化との関係を組成５〜８について説明しており、信頼性が判定されている。各種判定に関しては、前述の表２と同様である。

この表３の組成５〜８においては、信頼性判定の結果が全て基準を満足しているから、はんだ材料にＢｉが含有されていなくとも、Ｉｎ含有率の変化に影響を与えないことがわかる。

はんだ材料のＢｉは、合金の溶融温度を調整するために加えられており、はんだ材料の熱疲労特性にＢｉ量は影響を与えない。

表２、表３の組成１〜８に信頼性判定の結果から、Ａｕ電極に対するはんだ付けにおいても車載商品の信頼性評価を満足するためには、Ｃｏ含有率が０．０３５ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下であることが望ましく、大量生産における変動幅の下限が考慮されると、Ｃｏ含有率が少し余裕をもって０．２６ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下であることがより望ましい。

また、実施の形態におけるはんだ材料を構成するＡｇの含有率は、以下の理由により決定している。前述にも説明しているが、熱疲労特性は、Ｓｎに対するＩｎの固溶強化作用により向上されているため、Ｉｎ量によって熱疲労特性は大きく変化する。しかしながらＡｇはＳｎに固溶しないため熱疲労特性は大きく変化しない。

また、Ａｇ量は、はんだ材料の融点に影響を与えることから、Ａｇの含有率が４ｍａｓｓ％を超えると融点が２３５℃以上になり、はんだ付け時のぬれ広がりが悪くなるため使用できない。よって、Ａｇ含有率の最大値は４ｍａｓｓ％とした。また、Ａｇの含有率が小さくなると、Ａｇ₃ＳｎのＳｎ相への析出量が少なくなり、機械的強度の特性が低下するため、Ａｇ含有率の最小値は０．３ｍａｓｓ％とした。

次に、実施の形態におけるはんだ材料を構成するＢｉの含有率は、以下の理由により決定している。最小値は、表３で説明したように、はんだ材料の熱疲労特性に影響を与えないことからゼロも可能である。またＢｉははんだ合金内部で偏析する性質を持つことから１ｍａｓｓ％を超えると偏析量が多くなり、合金が脆くなるために使用できない。よってＢｉ含有率の最大値は１ｍａｓｓ％とした。

以上からＡｇとＢｉははんだ材料の熱疲労特性に影響を与えないため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−ＩｎでのＩｎ含有率の効果は、Ｓｎ−Ａｇ−ＩｎやＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎでも同様に扱うことができると考える。

なお、はんだ材料の組成については、図５、図６において「Ｃｏ（例えば０．１ｍａｓｓ％）が添加された９０ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成」と表記しているが、これを表２、表３におけるはんだ材料の組成表記に置き換えると、「８９．９ｍａｓｓ％Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎ−０．１ｍａｓｓ％Ｃｏ」となり、Ｃｏの添加によりＳｎの含有量を減少させている。Ｉｎの含有率の変化にＳｎの微量の増減は影響を与えないと考えている。

以上の説明から明らかであるように、本発明のはんだ材料は、Ｐを含むＮｉめっきを有するＡｕ部品電極のはんだ付けに利用されるはんだ材料であって、５．６〜６．８ｍａｓｓ％のＩｎと、０．３〜４．０ｍａｓｓ％のＡｇと、０〜１．０ｍａｓｓ％のＢｉと、０．０３５〜０．７ｍａｓｓ％のＣｏを含み、残部は、８７．５ｍａｓｓ％以上のＳｎのみであることを特徴とする。

本発明の実装体は、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、前述のはんだ材料によって接合されていることを特徴とし、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能な実装体を提供することができる。

また、含まれているＣｏの量は、Ｎｉめっきが含むＰの量に応じた量であることが望ましい。

また、Ｃｕ電極とＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｃｏの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部は、ＣｕとＣｏで金属間化合物を形成することがないため、熱疲労特性の影響度は小さいと考えられる。

本発明における実施の形態の実装体の模式的な断面図を図７に示す。実装体７００は、Ｃｕ基板電極７３１、７３２を有する電子回路基板７３０と、基板電極７３１にＡｕ部品電極７２１を有する電子部品７２０、基板電極７３２にＣｕ部品電極７４１を有する電子部品７４０と、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｃｏの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部７１１および７１２によって接合されている。このような構成の実装体７００は、車載商品の信頼性試験の要求仕様を満たしたものである。

また、基板電極７３１および７３２がＡｕ電極であっても良い。

また、Ａｕ部品電極７２１とＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｃｏの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部７１１と基板電極７３１とのはんだ付け前後の模式的な構成図を図８に示す。図８の左側に示した図がはんだ付け前の構成を示し、矢印の先にある右側の図がはんだ付け後を示す。Ｐを含むＮｉめっきを有するＡｕ部品電極は、はんだ付け後にはんだ部に小さな丸印で示したＣｏＰの化合物が生成されている。このＣｏＰの化合物が生成されることにより、はんだ材料中のＩｎ含有率の低下を防ぐことに役立つ。

また今回は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料にＣｏを添加したが、このＣｏに代わってＭｏ（モリブデン）やＧａ（ガリウム）を用いても、はんだ材料中のＩｎ含有率の低下を防ぐことに役立つ。

本発明におけるはんだ材料および実装体は、Ａｕ部品電極に対するはんだ付けにおいても熱疲労特性を満たすことが可能であり、たとえば、電子回路基板のはんだ付けに用いるソルダーペースト等に利用するために有用である。

６０１固相線
６０２液相線
７００実装体
７１１、７１２はんだ部
７２０、７４０電子部品
７２１Ａｕ部品電極
７３０電子回路基板
７３１、７３２Ｃｕ基板電極
７４１Ｃｕ部品電極

Claims

Ｐを含むＮｉめっきを有するＡｕ部品電極のはんだ付けに利用されるはんだ材料であって、
５．６〜６．８ｍａｓｓ％のＩｎと、
０．３〜４．０ｍａｓｓ％のＡｇと、
０〜１．０ｍａｓｓ％のＢｉと、
０．０３５〜０．７ｍａｓｓ％のＣｏを含み、
残部は、８７．５ｍａｓｓ％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料。
Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、請求項１に記載のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする、実装体。