JP2015100849A - Solder material and bonding structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solder material that can form a solder part having excellent thermal fatigue characteristics.SOLUTION: This invention relates to a solder material. When content (mass%) of Ag, Bi, Cu, and In in the solder material are set as [Ag], [Bi], [Cu], and [In], Ag of 0.3≤[Ag]<4.0 (excluding the case of Ag being 0.5 mass%, 1.0 mass%), Bi of 0≤[Bi]≤1.0, and Cu of 0.2≤[Cu]≤1.2 are contained. In the range of 0.2≤[Cu]<0.5, In in the range of 6.0≤[In]≤6.8 is contained. In the range of 0.5≤[Cu]≤1.0, In in the range of 5.2+(6-(1.55×[Cu]+4.428)≤[In]≤6.8 is contained. In the range of 1.0<[Cu]≤1.2, In in the range of 5.2≤[In]≤6.8 is contained. The balance is only Sn of 87 mass% or more.

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、及びこのはんだ材料が用いられた接合構造体に関する。   The present invention relates to a solder material in a solder paste or the like mainly used for soldering an electronic circuit board, and a joint structure using the solder material.

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。しかしながら、ECU(Engine Control Unit)、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、高い接合信頼性が必要とされるので、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基板電極が利用される場合がある。一例として、図14に、Au基板電極931、932を有する電子回路基板930と、Cu部品電極921を有する電子部品920及びAu部品電極941を有する電子部品940とが、はんだ付けによって接合された接合構造体900を形成している断面図を示す。この接合構造体900において、電子回路基板930のAu基板電極931と、電子部品920のCu部品電極921とは、はんだ部911によって接合されている。また、電子回路基板930のAu基板電極932と、電子部品940のAu部品電極941とは、はんだ部912によって接合されている。そして、上記のはんだ部911、912は、Sn−Ag−Bi−Inの組成を持つはんだ材料によって形成されている。   In an electronic circuit board, generally, a Cu substrate electrode whose electrode material is Cu is often used. However, in-vehicle products such as ECUs (Engine Control Units), DC / DC converters, inverters, and headlamps require high bonding reliability. Therefore, Au flash plating is performed by flash processing that performs thin plating in a short time. An applied Au substrate electrode may be used. As an example, in FIG. 14, an electronic circuit board 930 having Au substrate electrodes 931 and 932, an electronic component 920 having a Cu component electrode 921, and an electronic component 940 having an Au component electrode 941 are joined by soldering. Sectional drawing which forms the structure 900 is shown. In this bonded structure 900, the Au substrate electrode 931 of the electronic circuit substrate 930 and the Cu component electrode 921 of the electronic component 920 are bonded by the solder portion 911. Further, the Au substrate electrode 932 of the electronic circuit board 930 and the Au component electrode 941 of the electronic component 940 are joined by the solder portion 912. And said solder part 911,912 is formed of the solder material which has a composition of Sn-Ag-Bi-In.

このように、電子回路基板930と電子部品920、940とのはんだ付けには、4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(例えば、特許文献1、2参照)。このようなはんだ材料では、温度変化に伴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、固溶効果を利用した技術によって高められている。ここに、固溶とは、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。   Thus, a solder material having a composition of Sn—Ag—Bi—In composed of four kinds of elements is used for soldering the electronic circuit board 930 and the electronic components 920 and 940 (for example, (See Patent Documents 1 and 2). In such a solder material, thermal fatigue characteristics relating to fatigue failure caused by thermal stress accompanying temperature change are enhanced by a technique using a solid solution effect. Here, solid solution is a technique in which a part of metal atoms arranged in a lattice form is replaced with a different kind of metal atom and the lattice material is distorted so that the solder material is hardly deteriorated.

上記の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、熱疲労特性が高められている。具体的には、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6質量%Inなどの組成のはんだ材料が利用されている。ここに、Ag及びBiも添加されているが、Agは析出強化による合金強度の向上及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。   In the solder material having the above Sn—Ag—Bi—In composition, In is dissolved in the Sn lattice to improve thermal fatigue characteristics. Specifically, a solder material having a composition such as Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6 mass% In is used. Ag and Bi are also added here, but Ag is added to improve the alloy strength and lower the melting point by precipitation strengthening, and Bi is added to lower the melting point.

特許第3040929号公報Japanese Patent No. 3040929 特開2010−179336号公報JP 2010-179336 A

しかしながら、Au基板電極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。   However, in the case of soldering to the Au substrate electrode, it has been found that a solder material having a composition of Sn—Ag—Bi—In does not necessarily have a sufficiently high thermal fatigue characteristic.

本発明者らは、その理由を次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。例えば、はんだ付け後におけるはんだ材料の組成が、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6質量%Inの場合と、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−5.5質量%Inの場合とを比較すると、温度サイクル試験のサイクル数はそれぞれ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。   The present inventors have analyzed the reason as follows. That is, in a solder material having a composition of Sn—Ag—Bi—In, the thermal fatigue characteristics change depending on the In content. The thermal fatigue characteristics here are the number of cycles in which the occurrence of cracks is not confirmed by cross-sectional observation of the solder part after the temperature cycle test is carried out under the test conditions of −40 ° C./150° C. (reliability test conditions for in-vehicle products). It shows with. For example, the composition of the solder material after soldering is Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6 mass% In and Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Comparing with the case of Bi-5.5 mass% In, the number of cycles in the temperature cycle test is 2300 cycles and 2150 cycles, respectively, and the number of cycles (thermal fatigue characteristics) also decreases as In decreases.

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6質量%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6質量%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による固溶効果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。   The alloy strength related to thermal fatigue characteristics increases as the In content increases, but becomes maximum when the In content is approximately 6% by mass, and decreases when the In content exceeds this. That is, when the In content is about 6% by mass, the number of cycles in the temperature cycle test is high, so that the thermal fatigue characteristics are the highest. Therefore, in order to effectively use the solid solution effect of In, it is desirable to control the In content of the solder material more accurately.

Au基板電極は、Cu電極の上に膜厚1〜5μmのNiめっきが施され、さらにこのNiめっきの上に膜厚0.03〜0.07μmのAuフラッシュめっきが施された構造を有している。そして、加熱を伴うはんだ付けの際にAuがSn−Ag−Bi−Inの中に溶け込み、Niめっきが露出する。Niめっきは90質量%Ni及び10質量%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が生成される。すると、熱疲労特性の向上に寄与する、Snの格子に固溶されているInが減少し、実質的なIn含有率が減少する。   The Au substrate electrode has a structure in which Ni plating with a film thickness of 1 to 5 μm is applied on the Cu electrode, and further Au flash plating with a film thickness of 0.03 to 0.07 μm is applied on the Ni plating. ing. Then, Au is melted into Sn—Ag—Bi—In during soldering with heating, and Ni plating is exposed. Ni plating has a composition of 90 mass% Ni and 10 mass% P, and since In and P are highly reactive, In reacts with P to produce a compound InP having an In-P composition. The As a result, the amount of In dissolved in the Sn lattice, which contributes to the improvement of thermal fatigue characteristics, decreases, and the substantial In content decreases.

ここで、はんだ付け後のIn含有率が減少するAu基板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の組成を持ったはんだ材料のIn含有率を増加させた場合には、Au基板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には、Au部品電極を有するものと、Cu部品電極を有するものとが混在しているため、この2種類では、はんだ材料のIn含有率の変化が異なり、Cu部品電極ではIn含有率の減少量が少なく、In過多で熱疲労特性が減少する。このように、単にAu基板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。   Here, in order to increase the thermal fatigue characteristics of the Au substrate electrode in which the In content after soldering decreases, the In content of the solder material having the Sn-Ag-Bi-In composition before soldering is increased. In such a case, the thermal fatigue characteristics of the Au substrate electrode are enhanced. However, since electronic components mounted on one electronic circuit board are mixed with those having an Au component electrode and those having a Cu component electrode, these two types of In content of solder material The change is different, and in the Cu component electrode, the amount of decrease in In is small, and thermal fatigue characteristics are reduced due to excessive In. As described above, even if the In content of the solder material before soldering is simply increased to prevent the decrease in In after soldering the Au substrate electrode, the thermal fatigue characteristics of the Cu component electrode are decreased. Therefore, it was necessary to examine means other than the addition of In.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、電子回路基板と電子部品とをはんだ付けにより接合する際にAu電極とCu電極とが混在していても、良好な熱疲労特性を有するはんだ部を形成することが可能なはんだ材料及び接合構造体を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above points, and has good thermal fatigue characteristics even when an Au electrode and a Cu electrode are mixed when an electronic circuit board and an electronic component are joined by soldering. An object of the present invention is to provide a solder material and a joint structure capable of forming a solder part.

本発明に係るはんだ材料は、
前記はんだ材料におけるAg、Bi、Cu、Inの含有率(質量%)をそれぞれ[Ag]、[Bi]、[Cu]、[In]とすると、
0.3≦[Ag]<4.0のAg(ただし、Agが0.5質量%、1.0質量%の場合は除く)と、
0≦[Bi]≦1.0のBiと、
0.2≦[Cu]≦1.2のCuとを含み、
0.2≦[Cu]<0.5の範囲内では、
6.0≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
0.5≦[Cu]≦1.0の範囲内では、
5.2+(6−(1.55×[Cu]+4.428))≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
1.0<[Cu]≦1.2の範囲内では、
5.2≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
残部は、87質量%以上のSnのみであることを特徴とする。
The solder material according to the present invention is:
When the content (mass%) of Ag, Bi, Cu, and In in the solder material is [Ag], [Bi], [Cu], and [In],
0.3 ≦ [Ag] <4.0 Ag (except when Ag is 0.5 mass% and 1.0 mass%),
Bi of 0 ≦ [Bi] ≦ 1.0,
0.2 ≦ [Cu] ≦ 1.2 and Cu,
Within the range of 0.2 ≦ [Cu] <0.5,
Including In in the range of 6.0 ≦ [In] ≦ 6.8,
Within the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
5.2+ (6- (1.55 × [Cu] +4.428)) ≦ [In] ≦ 6.8 including In,
Within the range of 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
Including In in the range of 5.2 ≦ [In] ≦ 6.8,
The balance is characterized by only 87 mass% or more of Sn.

本発明に係る接合構造体は、
基板電極を有する電子回路基板と、
部品電極を有する電子部品とを備え、
前記基板電極と前記部品電極のうちの少なくとも一方がAu電極であり、
前記基板電極と前記部品電極とが、前記はんだ材料によって接合されていることを特徴とする。
The bonded structure according to the present invention is
An electronic circuit board having a substrate electrode;
An electronic component having a component electrode,
At least one of the substrate electrode and the component electrode is an Au electrode,
The substrate electrode and the component electrode are joined by the solder material.

本発明によれば、電子回路基板と電子部品とをはんだ付けにより接合する際にAu電極とCu電極とが混在していても、良好な熱疲労特性を有するはんだ部を形成することが可能である。   According to the present invention, it is possible to form a solder portion having good thermal fatigue characteristics even when an Au electrode and a Cu electrode are mixed when an electronic circuit board and an electronic component are joined by soldering. is there.

本発明のはんだ材料におけるCu含有率とIn含有率との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between Cu content rate and In content rate in the solder material of this invention. Cu含有率の上限を考慮する前の、本発明のはんだ材料におけるCu含有率とIn含有率との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between Cu content rate and In content rate in the solder material of this invention before considering the upper limit of Cu content rate. 本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Inが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%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。It is a graph which shows the reliability test result of the alloy with the composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi with which In was added for demonstrating the solder material of embodiment in this invention. . (a)はAu電極を示す模式的な断面図、(b)はCu電極を示す模式的な断面図である。(A) is typical sectional drawing which shows Au electrode, (b) is typical sectional drawing which shows Cu electrode. 電極とはんだ材料との接合後におけるIn含有率を測定する様子を示すものであり、(a)ははんだ付け前の概略説明図、(b)ははんだ付け後の概略説明図である。It shows a state of measuring the In content after joining the electrode and the solder material, (a) is a schematic explanatory diagram before soldering, (b) is a schematic explanatory diagram after soldering. 本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料を利用して、Cu電極及び2種類のAu電極に対するはんだ付けが行われた後の、それぞれのはんだ部の内部におけるIn含有率の分析結果を示すグラフである。A Cu electrode using a solder material having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In for explaining the solder material of the embodiment of the present invention. 4 is a graph showing an analysis result of In content in each solder part after soldering to two kinds of Au electrodes. 本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Cuが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料を利用して、2種類のAu電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ部の内部におけるIn含有率の分析結果を示すグラフである。For explaining the solder material according to the embodiment of the present invention, a solder material having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In added with Cu is used. And it is a graph which shows the analysis result of In content rate inside a solder part after soldering with respect to two types of Au electrodes was performed. 本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Cuが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料の固相線及び液相線を示すグラフである。In order to explain the solder material of the embodiment of the present invention, the solidification of the solder material having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In to which Cu is added. It is a graph which shows a phase line and a liquidus line. 本発明における実施形態の接合構造体の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the joining structure of embodiment in this invention. (a)は、電子回路基板のAu基板電極と、電子部品のCu部品電極とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図、(b)は、電子回路基板のAu基板電極と、電子部品のCu部品電極とのはんだ付け後の様子を模式的に示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows typically the mode before soldering of Au board | substrate electrode of an electronic circuit board, and Cu component electrode of an electronic component, (b) is Au board | substrate electrode of an electronic circuit board, electronic It is sectional drawing which shows typically the mode after soldering with Cu component electrodes of components. (a)は、電子回路基板のCu基板電極と、電子部品のAu部品電極とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図、(b)は、電子回路基板のCu基板電極と、電子部品のAu部品電極とのはんだ付け後の様子を模式的に示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows typically the mode before soldering with Cu board | substrate electrode of an electronic circuit board, and Au component electrode of an electronic component, (b) is Cu board | substrate electrode of an electronic circuit board, and electronic It is sectional drawing which shows typically the mode after soldering with Au component electrodes of components. (a)は、電子回路基板のAu基板電極と、電子部品のAu部品電極とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図、(b)は、電子回路基板のAu基板電極と、電子部品のAu部品電極とのはんだ付け後の様子を模式的に示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows typically the mode before soldering of Au board | substrate electrode of an electronic circuit board, and Au component electrode of an electronic component, (b) is Au board | substrate electrode of an electronic circuit board, and electronic It is sectional drawing which shows typically the mode after soldering with Au component electrodes of components. (a)は、電子回路基板のCu基板電極と、電子部品のCu部品電極とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図、(b)は、電子回路基板のCu基板電極と、電子部品のCu部品電極とのはんだ付け後の様子を模式的に示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows typically the mode before soldering of Cu board | substrate electrode of an electronic circuit board, and Cu component electrode of an electronic component, (b) is Cu board | substrate electrode of an electronic circuit board, and electronic It is sectional drawing which shows typically the mode after soldering with Cu component electrodes of components. 従来のはんだ材料を使用した接合構造体の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the joining structure using the conventional solder material.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

まず図3を参照しながら、本実施形態のはんだ材料に関する原理について説明する。   First, the principle regarding the solder material of this embodiment will be described with reference to FIG.

図3は、本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Inが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%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。   FIG. 3 is a graph showing reliability test results of an alloy having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi to which In is added for explaining the solder material according to the embodiment of the present invention. It is a graph to show.

図3に示すグラフの横軸のIn含有率は、はんだ付け後にはんだ部に固溶している、より具体的には、Snの格子に固溶しているInについての実質的なIn含有率である。   The In content on the horizontal axis of the graph shown in FIG. 3 is solid solution in the solder portion after soldering, more specifically, the substantial In content of In in solid solution in the Sn lattice. It is.

図3に示すグラフの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(Flame Retardant Grade)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。   The number of test cycles on the vertical axis of the graph shown in FIG. 3 is the FR5 board in which the chip capacitor of 1608 size (1.6 mm × 0.8 mm) is mounted and the FR grade (Flame Retardant Grade) is FR-5 grade. After the temperature cycle test was carried out under the test conditions of −40 ° C./150° C., the number of cycles in which generation of cracks was not confirmed by cross-sectional observation of the solder portion.

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、車載基準として、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十分に満たされていることとする。   In a reliability test of an in-vehicle product mounted in the vicinity of an automobile engine, a required number of cycles of 2000 cycles or more is required as an in-vehicle standard. Here, it is assumed that the thermal fatigue characteristics are sufficiently satisfied when the number of cycles is 2000 cycles or more.

図3に示すグラフによれば、はんだ付け後にはんだ部に固溶しているIn含有率が5.5質量%(2150サイクル)、6.0質量%(2300サイクル)及び6.5質量%(2200サイクル)である場合には2000サイクル以上であり、In含有率が5.0質量%以下又は7.0質量%以上である場合には2000サイクル未満であることが分かる。   According to the graph shown in FIG. 3, the In content dissolved in the solder part after soldering is 5.5 mass% (2150 cycles), 6.0 mass% (2300 cycles), and 6.5 mass% ( 2200 cycles) is 2000 cycles or more, and when the In content is 5.0% by mass or less or 7.0% by mass or more, it is understood that the number is less than 2000 cycles.

さらに図3には、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次式の二次関数のグラフとして図示されている。   Further, in FIG. 3, the approximate curve is illustrated as a graph of a quadratic function of the following equation obtained by using the above numerical data.

Figure 2015100849
Figure 2015100849

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5.2〜6.8質量%であり、管理幅はおよそ±0.8質量%である。   Therefore, the range of In content that can secure the number of cycles of 2000 cycles or more, which is the vehicle-mounted standard, is approximately 5.2 to 6.8% by mass, and the management width is approximately ± 0.8% by mass.

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±0.5質量%であるので、In含有率の中央値は5.7(=5.2+0.5)質量%以上6.3(=6.8−0.5)質量%以下であることが望ましい。   Since the variation range of the In content of the solder alloy in mass production is approximately ± 0.5 mass%, the median value of the In content is 5.7 (= 5.2 + 0.5) mass% or more and 6.3. (= 6.8-0.5) It is desirable that it is below mass%.

次に、図4〜図6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。この影響を調べるため、Au電極40及びCu電極50として、図4(a)(b)に示すような測定用に準備された試料を用いた。   Next, the effect of P contained in the Ni plating will be described with reference mainly to FIGS. In order to investigate this influence, samples prepared for measurement as shown in FIGS. 4A and 4B were used as the Au electrode 40 and the Cu electrode 50.

図4(a)はAu電極40を示す模式的な断面図であり、図4(b)はCu電極50を示す模式的な断面図である。   4A is a schematic cross-sectional view showing the Au electrode 40, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing the Cu electrode 50.

図5(a)(b)は、電極3とはんだ材料1との接合後におけるIn含有率を測定する様子を示す概略説明図である。電極3はAu電極又はCu電極であり、はんだ材料1はSn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持つものである。図5(a)は電極3上に供給されたはんだ材料1を加熱する前の状態を示し、図5(b)は電極3上に供給されたはんだ材料1を加熱し、溶融してぬれ広がった後のはんだ部2の状態を示す。   FIGS. 5A and 5B are schematic explanatory views showing a state in which the In content after the electrode 3 and the solder material 1 are joined is measured. The electrode 3 is an Au electrode or a Cu electrode, and the solder material 1 has a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In. 5A shows a state before the solder material 1 supplied onto the electrode 3 is heated, and FIG. 5B shows a state where the solder material 1 supplied onto the electrode 3 is heated and melted to spread out. The state of the solder part 2 after having been shown is shown.

一般的に使用されているAu電極40は、図4(a)に示すように、Cu電極10と、このCu電極10の上に施されたNiめっき20と、さらにこのNiめっき20の上に施されたAuフラッシュめっき30とを備えている。この場合、Cu電極10は膜厚35μmのCu箔で形成されている。Niめっき20は、膜厚1〜5μmであり、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施される。Auフラッシュめっき30は、膜厚0.03〜0.07μmである。他方、Cu電極50は、図4(b)に示すように、膜厚35μmのCu箔で形成されている。上記のようなAu電極40及びCu電極50は、電子回路基板の基板電極として使用されたり、あるいは電子部品の部品電極として使用されたりする。本明細書では、Au電極40及びCu電極50が、電子回路基板の基板電極として使用される場合、それぞれAu基板電極及びCu基板電極という場合があり、電子部品の部品電極として使用される場合、それぞれAu部品電極及びCu部品電極という場合がある。   As shown in FIG. 4A, the commonly used Au electrode 40 includes a Cu electrode 10, Ni plating 20 applied on the Cu electrode 10, and further on the Ni plating 20. And Au flash plating 30 applied. In this case, the Cu electrode 10 is formed of a Cu foil having a thickness of 35 μm. The Ni plating 20 has a film thickness of 1 to 5 μm and is applied as electroless plating that does not require energization like electroplating. The Au flash plating 30 has a film thickness of 0.03 to 0.07 μm. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the Cu electrode 50 is formed of a Cu foil having a film thickness of 35 μm. The Au electrode 40 and the Cu electrode 50 as described above are used as a substrate electrode of an electronic circuit board or as a component electrode of an electronic component. In this specification, when the Au electrode 40 and the Cu electrode 50 are used as a substrate electrode of an electronic circuit board, they may be referred to as an Au substrate electrode and a Cu substrate electrode, respectively, and when used as a component electrode of an electronic component, They may be referred to as Au component electrodes and Cu component electrodes, respectively.

そして、試料として準備したAu電極は2種類である。1つ目のAu電極は、Niめっきの膜厚が5μmであり、Auフラッシュめっきの膜厚が0.07μmである。これは、基板側又は部品側の一方がAu電極である場合を想定している。2つ目のAu電極は、Niめっきの膜厚が10μmであり、Auフラッシュめっきの膜厚が0.07μmである。これは、基板側と部品側の両方がAu電極であり、Pの影響が最大となる場合を想定している。はんだ付け時に、はんだ材料が溶融して液体になると、AuとNiは瞬時に拡散してはんだ材料と反応するため、Pを含むNiの厚みを2倍にすることで、基板側と部品側の両方がAu電極である場合を模擬することができる。   There are two types of Au electrodes prepared as samples. The first Au electrode has a Ni plating thickness of 5 μm and an Au flash plating thickness of 0.07 μm. This assumes the case where one of the substrate side or the component side is an Au electrode. The second Au electrode has a Ni plating thickness of 10 μm and an Au flash plating thickness of 0.07 μm. This assumes the case where both the substrate side and the component side are Au electrodes, and the influence of P is maximized. At the time of soldering, if the solder material melts and becomes a liquid, Au and Ni instantaneously diffuse and react with the solder material. Therefore, by doubling the thickness of Ni containing P, the substrate side and the component side The case where both are Au electrodes can be simulated.

そして、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料を、図5(a)に示すように、平面視で直径φ=5mmの円形及び厚さt=0.15mmの形状で電極3の上に供給した。この電極3は、上記の2種類のAu電極、及びCu電極である。その後、はんだ材料1が供給された電極3を240℃のホットプレートの上で30秒間加熱した後、室温で徐冷すると、はんだ材料1は図5(b)に示すような形状のはんだ部2となった。   Then, a solder material having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In, as shown in FIG. Were supplied on the electrode 3 in the shape of a circle and a thickness t = 0.15 mm. The electrode 3 is the above-described two kinds of Au electrode and Cu electrode. Thereafter, when the electrode 3 supplied with the solder material 1 is heated on a hot plate at 240 ° C. for 30 seconds and then slowly cooled at room temperature, the solder material 1 has a solder portion 2 having a shape as shown in FIG. It became.

上記のようにしてはんだ部2の試料を得た。次にこのはんだ部2の縦断面が出現するように研磨し、この縦断面の中央部を、EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy)を利用する方法で分析することによって、In含有率を測定した。ここに、中央部とは、はんだ部2の厚さBの1/2の位置であって、かつ、はんだ部2のぬれ広がり幅Aの1/2の位置に対応する部分である。   A sample of the solder part 2 was obtained as described above. Next, it grind | polished so that the vertical cross section of this solder part 2 might appear, and the In content rate was measured by analyzing the center part of this vertical cross section by the method of using EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy). . Here, the central portion is a portion corresponding to a position of 1/2 of the thickness B of the solder portion 2 and corresponding to a position of 1/2 of the wetting spread width A of the solder portion 2.

図6は、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料を利用して、Cu電極及び2種類のAu電極に対するはんだ付けを行った後の、それぞれのはんだ部の内部におけるIn含有率の分析結果を示すグラフである。   FIG. 6 shows the soldering of a Cu electrode and two kinds of Au electrodes using a solder material having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In. It is a graph which shows the analysis result of In content in the inside of each solder part after performing.

熱疲労特性の向上に寄与するSnの格子に固溶している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6.0質量%から減少しており、Cu電極については5.9質量%であり、Niめっきの膜厚が5μmのAu電極については5.1質量%であり、Niめっきの膜厚が10μmのAu電極についても5.1質量%である。   The substantial In content of In dissolved in the Sn lattice, which contributes to the improvement of thermal fatigue properties, has decreased from the initial In content of 6.0% by mass. It is 5.9% by mass for an Au electrode having a Ni plating film thickness of 5 μm, and 5.1% by mass for an Au electrode having a Ni plating film thickness of 10 μm.

Au電極については、Auが加熱の際にはんだ材料の内部へ拡散し、Auフラッシュめっきの下に形成されている90質量%Ni及び10質量%Pの組成を持ったNiめっきが露出する。   As for the Au electrode, Au diffuses into the solder material when heated, and Ni plating having a composition of 90 mass% Ni and 10 mass% P formed under the Au flash plating is exposed.

そうすると、はんだ材料に含まれるSnはNiと反応してNiSn化合物が生成されるため、Niめっきのはんだ材料の側でNi含有率が低下してP含有率が高くなる。Pの濃化した部分では、はんだ材料と接する単位面積当たりのPが多くなるため、化合物InPの生成量が多くなり、Snの格子に固溶していた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。 Then, Sn contained in the solder material reacts with Ni to produce a Ni 3 Sn 4 compound, so that the Ni content decreases on the Ni plating solder material side and the P content increases. In the portion where P is concentrated, P per unit area in contact with the solder material increases, so the amount of compound InP generated increases, and the amount of In dissolved in the Sn lattice decreases. The substantial In content is greatly reduced as compared with the Cu electrode.

このため、車載基準に対応したIn含有率の範囲は、上述のようにおよそ5.2〜6.8質量%であるので、上記のAu電極の場合は車載基準を満足しない。   For this reason, since the range of In content corresponding to the vehicle-mounted standard is approximately 5.2 to 6.8% by mass as described above, the Au electrode does not satisfy the vehicle-mounted standard.

なお、Niめっきの比重は7.9g/cmであるので、Niめっきに含まれるPの質量は、Niめっきの膜厚T及び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の質量はNiめっきの膜厚Tに比例して変動する。 In addition, since the specific gravity of Ni plating is 7.9 g / cm 3 , the mass of P contained in the Ni plating is 7.9 × T × using the Ni plating film thickness T and the Ni plating area S. It can be calculated by S × 0.1, and the mass of P contained in the Ni plating varies in proportion to the film thickness T of the Ni plating.

このような現象を踏まえて、本発明者らは、InP化合物の生成量の増加の原因であるPの濃化を抑制するために、NiSn化合物の生成量を減少させることが有効であることを見出した。 In light of such a phenomenon, the present inventors have effectively reduced the amount of Ni 3 Sn 4 compound produced in order to suppress the concentration of P, which is the cause of the increase in the amount of InP compound produced. I found out.

Snと金属間化合物を生成する元素としてZn、Co、Mn等があるが、それらの元素の中から効果の高い元素として見出されたものが、以下で説明するように、Snと反応してCuSn化合物を生成する、Cuである。 There are Zn, Co, Mn, and the like as elements that form an intermetallic compound with Sn. Among these elements, those found as effective elements react with Sn as described below. generating a Cu 6 Sn 5 compound, a Cu.

ここで、図7及び図8を参照しながら、本実施形態であるはんだ材料についてさらに具体的に説明する。   Here, the solder material according to the present embodiment will be described more specifically with reference to FIGS. 7 and 8.

図7は、本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Cuが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料を利用して、Niめっきの膜厚が5μmと10μmの2種類のAu電極に対するはんだ付けを行った後の、はんだ部の内部におけるIn含有率の分析結果を示すグラフである。2種類のAu電極のAuフラッシュめっきの膜厚は0.07μmである。   FIG. 7 has a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In to which Cu is added for explaining the solder material of the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the analysis result of In content in the inside of a solder part, after soldering with respect to two types of Au electrodes whose film thickness of Ni plating is 5 micrometers and 10 micrometers using a solder material. The film thickness of the Au flash plating of the two types of Au electrodes is 0.07 μm.

また図8は、本発明における実施形態のはんだ材料を説明するための、Cuが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料の固相線601及び液相線602を示すグラフである。   Further, FIG. 8 has a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In added with Cu for explaining the solder material of the embodiment in the present invention. 5 is a graph showing a solid phase line 601 and a liquid phase line 602 of the solder material.

まず、図7を主として参照しながら、Cu含有率の下限について説明する。   First, the lower limit of the Cu content will be described with reference mainly to FIG.

ここでは、上述の方法と同様な方法で分析を行い、Au電極とのはんだ付けを行った後のIn含有率の測定を行った。   Here, the analysis was performed by the same method as described above, and the In content after the soldering with the Au electrode was measured.

はんだ材料の試料は、次のようにして作製した。   A sample of solder material was produced as follows.

まず、セラミック製のるつぼ内に89.5gのSnを投入し、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上記のるつぼを静置した。   First, 89.5 g of Sn was put into a ceramic crucible, and the above crucible was left in an electric jacket heater whose temperature was adjusted to 500 ° C.

次にSnが溶融したことを確認した後に6.0gのInを上記のるつぼに投入し、3分間の撹拌を行った。   Next, after confirming that Sn was melted, 6.0 g of In was put into the crucible and stirred for 3 minutes.

次に0.5gのBiを上記のるつぼに投入し、3分間の撹拌をさらに行った。   Next, 0.5 g of Bi was put into the crucible and further stirred for 3 minutes.

次に3.5gのAgを上記のるつぼに投入し、3分間の撹拌をさらに行った。   Next, 3.5 g of Ag was put into the crucible and further stirred for 3 minutes.

次に所定量のCuを上記のるつぼに投入し、3分間の撹拌をさらに行った。   Next, a predetermined amount of Cu was put into the crucible and further stirred for 3 minutes.

なお、ここで使用しているSn、Bi、Ag、Cu各々の元素には、ごく微量の不純物が含まれている。   Note that each of the elements Sn, Bi, Ag, and Cu used here contains a very small amount of impurities.

その後、上記のるつぼを電気式ジャケットヒータの中から取り出して、25℃の水が満たされた容器に浸漬し、冷却を行った。   Thereafter, the crucible was taken out from the electric jacket heater and immersed in a container filled with water at 25 ° C. to cool.

図7において、Niめっきの膜厚が5μmのAu電極の場合のプロットを「△」で示す。Niめっきの膜厚が5μmのAu電極に対してはんだ付けを行った後のIn含有率は、(1)Cu含有率がゼロである場合は5.1質量%であるが、(2)Cu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)Cu含有率が0.4質量%である場合は5.2質量%となり、そして(4)Cu含有率が0.9質量%になると5.99質量%になる。このように、Cu含有率がゼロから0.9質量%まで変化する場合、In含有率は5.1質量%から5.99質量%まで変化する。   In FIG. 7, “Δ” indicates a plot in the case of an Au electrode having a Ni plating film thickness of 5 μm. The In content after soldering to an Au electrode with a Ni plating film thickness of 5 μm is (1) 5.1 mass% when the Cu content is zero, but (2) Cu As the content increases, the decrease in In is suppressed, so that it increases. (3) When the Cu content is 0.4% by mass, it becomes 5.2% by mass, and (4) the Cu content is If it becomes 0.9 mass%, it will be 5.99 mass%. Thus, when the Cu content varies from zero to 0.9 mass%, the In content varies from 5.1 mass% to 5.99 mass%.

図7において、Niめっきの膜厚が10μmのAu電極の場合のプロットを「○」で示す。Niめっきの膜厚が10μmのAu電極に対してはんだ付けを行った後のIn含有率は、(1)Cu含有率がゼロである場合は5.1質量%であるが、(2)Cu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)Cu含有率が0.5質量%である場合は5.21質量%となり、そして(4)Cu含有率が0.9質量%になると5.83質量%になる。このように、Cu含有率がゼロから0.9質量%まで変化する場合、In含有率は5.1質量%から5.83質量%まで変化する。   In FIG. 7, a plot in the case of an Au electrode having a Ni plating film thickness of 10 μm is indicated by “◯”. The In content after soldering to an Au electrode with a Ni plating film thickness of 10 μm is (1) 5.1 mass% when the Cu content is zero, but (2) Cu When the content increases, the decrease in In is suppressed, so that it increases. (3) When the Cu content is 0.5% by mass, it becomes 5.21% by mass, and (4) the Cu content is When it becomes 0.9 mass%, it will be 5.83 mass%. Thus, when the Cu content varies from zero to 0.9 mass%, the In content varies from 5.1 mass% to 5.83 mass%.

Niめっきの膜厚が5μmである場合と10μmである場合とを比較すると、基板電極と部品電極の両方がAu電極であることを想定したNiめっきの膜厚が10μmの方がIn含有率の変化量が大きいため、Cu含有率の下限値は、Niめっきの膜厚が10μmである場合の数値で算出することが望ましい。   Comparing the case where the Ni plating film thickness is 5 μm and the case where it is 10 μm, it is assumed that both the substrate electrode and the component electrode are Au electrodes, and the Ni plating film thickness is 10 μm. Since the amount of change is large, it is desirable to calculate the lower limit value of the Cu content by a numerical value when the Ni plating film thickness is 10 μm.

Cu含有率が0.5質量%から0.9質量%であるときの数値を用いて、Niめっきの膜厚が10μmである場合の数値で近似直線を描くと、次式で表される一次関数のグラフが得られる。   Using the numerical value when the Cu content is 0.5 mass% to 0.9 mass%, when an approximate straight line is drawn with the numerical value when the Ni plating film thickness is 10 μm, the primary expression represented by the following formula: A graph of the function is obtained.

Figure 2015100849
Figure 2015100849

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5.2質量%以上のIn含有率を確保するためには、Cu含有率が0.50質量%以上であることが望ましい。Cu含有率が0.50質量%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5.2質量%以上となり、車載基準の信頼性を満たすことができる。   Therefore, in order to secure the In content of 5.2% by mass or more necessary for satisfying the on-vehicle standard even in combination with the Au electrode, the Cu content is preferably 0.50% by mass or more. . If the Cu content is 0.50% by mass or more, the In content after soldering is 5.2% by mass or more even in combination with the Au electrode, and the reliability of the on-vehicle standard can be satisfied.

以上においては、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料が利用される場合について説明したが、Cu含有率が0.50質量%である場合のIn含有率の変化量は0.8質量%であるため、例えば、Sn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−5.5質量%Inの組成を持ったはんだ材料が利用される場合は、はんだ付け後のIn含有率が4.7質量%となり、車載基準の信頼性を満たすことができない。このように、Cu含有率とIn含有率との間には相関関係がある。すなわち、図7に示すように、Cu含有率が0.5質量%以上であり、1.0質量%以下である場合には上記の近似直線で示される相関があるが、Cu含有率が0.5質量%未満の場合及び1.0質量%を超える場合には相関がない。   In the above description, the case where the solder material having the composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In is used has been described. However, the Cu content is 0.50. Since the amount of change in the In content when it is mass% is 0.8 mass%, for example, it has a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-5.5 mass% In. When a solder material is used, the In content after soldering is 4.7% by mass, and the on-vehicle standard reliability cannot be satisfied. Thus, there is a correlation between the Cu content and the In content. That is, as shown in FIG. 7, when the Cu content is 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less, there is a correlation indicated by the above approximate line, but the Cu content is 0%. There is no correlation in the case of less than 0.5 mass% and in the case of exceeding 1.0 mass%.

図2に本発明のはんだ材料におけるCu含有率とIn含有率との関係を示す。以下では、はんだ材料におけるAg、Bi、Cu、Inの含有率(質量%)をそれぞれ[Ag]、[Bi]、[Cu]、[In]という場合がある。   FIG. 2 shows the relationship between the Cu content and the In content in the solder material of the present invention. Hereinafter, the content (mass%) of Ag, Bi, Cu, and In in the solder material may be referred to as [Ag], [Bi], [Cu], and [In], respectively.

In含有率の下限値は、Cu含有率の範囲を3つに分け、各範囲ごとに定まる。   The lower limit value of the In content is determined for each range by dividing the range of the Cu content into three.

すなわち、0<[Cu]<0.5の範囲では、6.0≦[In]である。   That is, 6.0 ≦ [In] in the range of 0 <[Cu] <0.5.

また、0.5≦[Cu]≦1.0の範囲では、5.2+(6−(1.55×[Cu]+4.428))≦[In]である。   In the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0, 5.2+ (6- (1.55 × [Cu] +4.428)) ≦ [In].

また、1.0<[Cu]の範囲では、5.2≦[In]である。   In the range of 1.0 <[Cu], 5.2 ≦ [In].

他方、In含有率の上限値も、Cu含有率の範囲を3つに分け、各範囲ごとに定まる。   On the other hand, the upper limit value of the In content is also determined for each range by dividing the range of the Cu content into three.

すなわち、0<[Cu]<0.5の範囲では、[In]≦7.6である。   That is, [In] ≦ 7.6 in the range of 0 <[Cu] <0.5.

また、0.5≦[Cu]≦1.0の範囲では、[In]≦6.8+(6−(1.55×[Cu]+4.428))である。   In the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0, [In] ≦ 6.8 + (6- (1.55 × [Cu] +4.428)).

また、1.0<[Cu]の範囲では、[In]≦6.8である。   In the range of 1.0 <[Cu], [In] ≦ 6.8.

以上、Au電極を含む組み合わせについて述べてきたが、Cu電極の場合はInと反応する化合物が存在しないため、In含有率は低下しない。図13(a)は、電子回路基板200のCu基板電極220と、電子部品のCu部品電極320とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図である。このときCu基板電極220とCu部品電極320との間に、Sn−Ag−Bi−In−Cuの組成を持ったはんだ材料100が介在されている。図13(b)は、電子回路基板200のCu基板電極220と、電子部品のCu部品電極320とのはんだ付け後の様子を模式的に示す断面図である。このときCu基板電極220とはんだ部110との間にCuSn化合物120が生成される。同様の化合物120がCu部品電極320とはんだ部110との間にも生成される。このCuSn化合物120の生成にInは関与しないため、はんだ材料100中のIn含有率の低下は発生しない。なお、図13(a)(b)において電子部品は図示省略している。 As described above, the combination including the Au electrode has been described. However, in the case of the Cu electrode, since a compound that reacts with In does not exist, the In content does not decrease. FIG. 13A is a cross-sectional view schematically showing a state before soldering between the Cu substrate electrode 220 of the electronic circuit board 200 and the Cu component electrode 320 of the electronic component. At this time, a solder material 100 having a composition of Sn—Ag—Bi—In—Cu is interposed between the Cu substrate electrode 220 and the Cu component electrode 320. FIG. 13B is a cross-sectional view schematically showing a state after soldering between the Cu substrate electrode 220 of the electronic circuit board 200 and the Cu component electrode 320 of the electronic component. At this time, a Cu 6 Sn 5 compound 120 is generated between the Cu substrate electrode 220 and the solder part 110. A similar compound 120 is also generated between the Cu component electrode 320 and the solder part 110. Since In does not participate in the formation of the Cu 6 Sn 5 compound 120, the In content in the solder material 100 does not decrease. In FIGS. 13A and 13B, electronic components are not shown.

上記のように、Au電極を含まない組み合わせに、本発明のはんだ材料を用いると、In含有率が低下しないため、Cu含有率が1.0質量%以下では、In含有率が車載基準の6.8質量%を超える場合が発生する。したがって、Au電極を含む組み合わせと、含まない組み合わせの両方に本発明のはんだ材料を使用できるようにするためには、Cu含有率が1.0質量%以下の範囲で、In含有率を6.8質量%以下に制限する必要がある。   As described above, when the solder material of the present invention is used in a combination that does not include an Au electrode, the In content does not decrease. Therefore, when the Cu content is 1.0% by mass or less, the In content is 6 on the vehicle-mounted standard. When exceeding 8% by mass occurs. Therefore, in order to be able to use the solder material of the present invention for both the combination including the Au electrode and the combination not including the Au electrode, the In content is 6.% within the range where the Cu content is 1.0 mass% or less. It is necessary to limit the amount to 8% by mass or less.

次に、図8を主として参照しながら、Cu含有率の上限について説明する。   Next, the upper limit of the Cu content will be described with reference mainly to FIG.

すなわち、Cu含有率が大きすぎると、液相線602の温度が上昇するので、はんだ材料の溶融性が低下してぬれ広がり性が悪くなりやすい。   That is, if the Cu content is too high, the temperature of the liquidus line 602 increases, so that the meltability of the solder material is lowered and the wettability is likely to deteriorate.

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199〜201℃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、Cu含有率が0.7質量%を超えると上昇し、Cu含有率が1.2質量%である場合は216℃であり、Cu含有率が1.4質量%である場合は228℃である。   More specifically, although the solidus temperature represented by the solidus 601 is stable in the range of 199 to 201 ° C., the liquidus temperature represented by the liquidus 602 is Cu When the content exceeds 0.7% by mass, the temperature rises. When the Cu content is 1.2% by mass, the temperature is 216 ° C., and when the Cu content is 1.4% by mass, the temperature is 228 ° C.

ここに、固相線温度は、固体の状態から加熱されたはんだ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はんだ合金がすべて溶け終わる温度である。   Here, the solidus temperature is a temperature at which the solder alloy heated from the solid state starts to melt, and the liquidus temperature is a temperature at which all the solder alloy heated from the solid state finishes melting.

表1は、Cuが添加されたSn−3.5質量%Ag−0.5質量%Bi−6.0質量%Inの組成を持ったはんだ材料において、Cu含有率とぬれ広がりとの関係を示している。具体的には、Cu含有率が0.2質量%、0.5質量%、0.7質量%、1.0質量%、1.2質量%、1.4質量%、1.7質量%である場合について、Au電極上でのぬれ広がりの評価を行った。   Table 1 shows the relationship between Cu content and wetting spread in a solder material having a composition of Sn-3.5 mass% Ag-0.5 mass% Bi-6.0 mass% In to which Cu is added. Show. Specifically, Cu content is 0.2 mass%, 0.5 mass%, 0.7 mass%, 1.0 mass%, 1.2 mass%, 1.4 mass%, 1.7 mass%. In the case of the above, the wetting spread on the Au electrode was evaluated.

上述のように、Niめっきに含まれるPの質量はNiめっきの膜厚Tに比例して変動する。ここでは、Niめっきの膜厚が下限に接近してPの含有率は最小であり、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いる。よって、Niめっきの膜厚が1μmであるように作製した試料について、JIS Z 3197「はんだ付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ぬれ広がり率の測定を行った。   As described above, the mass of P contained in the Ni plating varies in proportion to the film thickness T of the Ni plating. Here, it is assumed that the Ni plating film thickness approaches the lower limit, the P content is minimum, and the wetting spreadability is not good from this viewpoint. Therefore, the wet spread rate was measured by the spread test method defined in JIS Z 3197 “Flux Test Method for Soldering” for the sample prepared so that the Ni plating film thickness was 1 μm.

Figure 2015100849
Figure 2015100849

表1において、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。   In Table 1, regarding the wetting spread evaluation, “◯” indicates that the wetting spread ratio is 90% or more, and “△” indicates that the wetting spread ratio is 85% or more and less than 90%. “×” indicates that the wetting spread rate is less than 85%.

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、Cu含有率が1.2質量%以下であることが望ましい。   Therefore, in order to guarantee a wetting spread ratio of 90% or more which is important for good soldering, it is desirable that the Cu content is 1.2 mass% or less.

図1は、図2にCu含有率の上限値である1.2質量%を追加し、本発明のはんだ材料のCu含有率とIn含有率との関係を示している。すなわち、図1において、斜線部分の領域が、本発明のはんだ材料のCu含有率とIn含有率とを満たしている。ただし、斜線部分の領域は、実線を含み、破線及び白点(○)は含まない。   FIG. 1 shows the relationship between the Cu content and the In content of the solder material of the present invention by adding 1.2% by mass, which is the upper limit of the Cu content, to FIG. That is, in FIG. 1, the shaded area satisfies the Cu content and the In content of the solder material of the present invention. However, the shaded area includes a solid line and does not include a broken line and a white dot (◯).

表2は、Au基板電極とAu部品電極との組み合わせにおける、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実施例1、2、参考例3、実施例4〜8、参考例9、実施例10〜13及び比較例1〜4について示し、信頼性判定及び強度判定の結果も示している。   Table 2 shows the relationship between various compositions of the solder material before soldering and changes in the In content of the solder material after soldering in the combination of the Au substrate electrode and the Au component electrode. 3, Examples 4 to 8, Reference Example 9, Examples 10 to 13, and Comparative Examples 1 to 4, and the results of reliability determination and strength determination are also shown.

強度判定に関しては、はんだ材料の引張強度を基準として、「○」は60MPa以上を満たしており、0.9mm×0.8mmまでのチップ部品に使えることを、「◎」は65MPa以上を満たしており、QFP(Quad Flat Package)、BGA(Ball Grid Array)等の大型半導体部品に使えることを、「◎◎」は70MPa以上を満たしており、アルミ電解コンデンサ、モジュール部品等の大型部品に使えることを、「◎◎◎」は75MPa以上を満たしており、コイル、トランス等の重量部品に使えることを示している。なお、引張強度は、JIS Z 2201の4号試験片で測定している。   Regarding strength determination, “○” satisfies 60 MPa or more based on the tensile strength of the solder material, and can be used for chip parts up to 0.9 mm × 0.8 mm, “◎” satisfies 65 MPa or more. It can be used for large semiconductor parts such as QFP (Quad Flat Package) and BGA (Ball Grid Array), and “◎◎” satisfies 70 MPa or more, and can be used for large parts such as aluminum electrolytic capacitors and module parts. “◎◎◎” satisfies 75 MPa or more, and indicates that it can be used for heavy parts such as coils and transformers. In addition, the tensile strength is measured with the No. 4 test piece of JIS Z 2201.

Figure 2015100849
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In含有率が変化した後の残量については、Au電極に対するはんだ付けを行った後の、はんだ部の内部におけるIn含有率の分析を、EDXを利用して行うことにより測定した。   The remaining amount after the change in the In content was measured by analyzing the In content in the solder portion after soldering to the Au electrode by using EDX.

In含有率変化についての判定に関しては、「○」ははんだ付けを行った後のIn含有率が5.2〜6.8質量%の範囲に含まれていることを示しており、「×」はIn含有率が5.2質量%未満の範囲であることを示している。   Regarding the determination about the change in In content, “◯” indicates that the In content after soldering is included in the range of 5.2 to 6.8% by mass, and “×”. Indicates that the In content is in a range of less than 5.2% by mass.

信頼性判定に関しては、車載商品の信頼性試験において、温度サイクル試験のサイクル数が2000サイクル以上又は2250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、「○」は基準を満足していることを示しており、「×」は基準を満足していないことを示している。   Regarding reliability determination, in the reliability test of in-vehicle products, “○” satisfies the standard, based on the fact that the number of cycles of the temperature cycle test satisfies the required specifications of 2000 cycles or more, or 2250 cycles or more. "X" indicates that the standard is not satisfied.

実施例1、2、参考例3、実施例4〜8、参考例9、実施例10〜13の信頼性判定の結果から、Sn−Ag−Bi−Inの組成を持ったはんだ材料に所定量のCu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分かる。よって、実施例1、2、参考例3、実施例4〜8、参考例9、実施例10〜13はいずれも、2000サイクル以上の要求仕様を満たすことが確認された。   From the results of reliability determination in Examples 1, 2, Reference Example 3, Examples 4-8, Reference Example 9, and Examples 10-13, a predetermined amount of solder material having a composition of Sn-Ag-Bi-In was used. It can be seen that the reduction of In content was suppressed by containing Cu. Therefore, it was confirmed that Examples 1, 2, Reference Example 3, Examples 4-8, Reference Example 9, and Examples 10-13 all satisfy the required specifications of 2000 cycles or more.

比較例1〜4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を行っていないので、はんだ付け後のIn含有率が4.7〜5.1質量%(In含有率変化は−0.8質量%)であったことから、2000サイクル以上の要求仕様を満たさないことが確認された。   In Comparative Examples 1 to 4, since an effective element was not added to suppress a decrease in the In content, the In content after soldering was 4.7 to 5.1% by mass (In content The change was -0.8% by mass), and it was confirmed that the required specifications of 2000 cycles or more were not satisfied.

次に表3は、Au基板電極とCu部品電極との組み合わせにおける、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実施例14、15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜26及び比較例5〜8について示し、信頼性判定及び強度判定の結果も示している。各種判定に関しては、上述の表2と同様である。   Next, Table 3 shows the relationship between various compositions of the solder material before soldering and changes in the In content of the solder material after soldering in Examples 14 and 15, in the combination of the Au substrate electrode and the Cu component electrode. Reference Example 16, Examples 17 to 21, Reference Example 22, Examples 23 to 26 and Comparative Examples 5 to 8 are shown, and the results of reliability determination and strength determination are also shown. The various determinations are the same as in Table 2 above.

Figure 2015100849
Figure 2015100849

実施例14、15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜26の信頼性判定の結果から、Sn−Ag−Bi−Inの組成を持ったはんだ材料に所定量のCu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分かる。よって、実施例14、15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜26はいずれも、2000サイクル以上の要求仕様を満たすことが確認された。実施例14、15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜26は、Au基板電極とCu部品電極との組み合わせであるが、Cu基板電極とAu部品電極との組み合わせについても、同様の結果が得られるものと考えられる。   From the results of reliability determination in Examples 14 and 15, Reference Example 16, Examples 17 to 21, Reference Example 22 and Examples 23 to 26, a predetermined amount of solder material having a composition of Sn-Ag-Bi-In was used. It can be seen that the reduction of In content was suppressed by containing Cu. Therefore, it was confirmed that Examples 14 and 15, Reference Example 16, Examples 17 to 21, Reference Example 22, and Examples 23 to 26 all satisfy the required specifications of 2000 cycles or more. Examples 14 and 15, Reference Example 16, Examples 17 to 21, Reference Example 22 and Examples 23 to 26 are combinations of an Au substrate electrode and a Cu component electrode. Similar results are expected to be obtained for combinations.

比較例5〜8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を行っていないので、はんだ付け後のIn含有率が4.7〜5.1質量%(In含有率変化は−0.8質量%)であったことから、2000サイクル以上の要求仕様を満たさないことが確認された。   In Comparative Examples 5 to 8, since an effective element was not added to suppress a decrease in the In content, the In content after soldering was 4.7 to 5.1% by mass (In content The change was -0.8% by mass), and it was confirmed that the required specifications of 2000 cycles or more were not satisfied.

次に表4は、Au基板電極とAu部品電極との組み合わせにおける、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実施例27、参考例28、実施例29〜31、参考例32、実施例33〜38、参考例39について示し、信頼性判定及び強度判定の結果も示している。各種判定に関しては、上述の表2と同様である。   Next, Table 4 shows the relationship between various compositions of the solder material not containing Bi and the change in In content in the combination of the Au substrate electrode and the Au component electrode in Example 27, Reference Example 28, and Examples 29 to 29. 31, Reference Example 32, Examples 33 to 38, and Reference Example 39 are shown, and the results of reliability determination and strength determination are also shown. The various determinations are the same as in Table 2 above.

Figure 2015100849
Figure 2015100849

表4の実施例27、参考例28、実施例29〜31、参考例32、実施例33〜38、参考例39においては、信頼性判定の結果が全て2000サイクル以上の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分かる。Biは、はんだ材料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の含有率は大きな影響を与えない。   In Example 27, Reference Example 28, Examples 29-31, Reference Example 32, Examples 33-38, and Reference Example 39 in Table 4, the reliability determination results all satisfy the criteria of 2000 cycles or more. From this, it can be seen that even if the solder material does not contain Bi, it does not affect the change in the In content. Bi is added to adjust the melting temperature of the solder material, and the Bi content does not significantly affect the thermal fatigue characteristics of the solder material.

表2〜表4の実施例1、2、参考例3、実施例4〜8、参考例9、実施例10〜15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜27、参考例28、実施例29〜31、参考例32、実施例33〜38、参考例39に示す信頼性判定の結果から、Au電極及びCu電極に対するはんだ付けにおいて、車載商品の信頼性評価を満足するためには、はんだ付け前のSn−Ag−Bi−Inの組成を持ったはんだ材料は、次の関係を満たしている。   Examples 1 to 2 in Tables 2 to 4, Reference Example 3, Examples 4 to 8, Reference Example 9, Examples 10 to 15, Reference Example 16, Examples 17 to 21, Reference Example 22, Example 23 to 27, Reference Example 28, Examples 29-31, Reference Example 32, Examples 33-38, and Reference Example 39, reliability evaluation of in-vehicle products in soldering to Au and Cu electrodes In order to satisfy the above, the solder material having the Sn-Ag-Bi-In composition before soldering satisfies the following relationship.

すなわち、0.3≦[Ag]≦4.0のAgと、
0≦[Bi]≦1.0のBiと、
0<[Cu]≦1.2のCuとを含んでいる。
そして、0<[Cu]<0.5の範囲内では、
6.0≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
0.5≦[Cu]≦1.0の範囲内では、
5.2+(6−(1.55×[Cu]+4.428))≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
1.0<[Cu]≦1.2の範囲内では、
5.2≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
残部は、87質量%以上のSnのみであれば、はんだ付け後の信頼性判定の基準(2000サイクル以上)を満足することが可能となる。
That is, 0.3 ≦ [Ag] ≦ 4.0 Ag,
Bi of 0 ≦ [Bi] ≦ 1.0,
Cu of 0 <[Cu] ≦ 1.2 is included.
And in the range of 0 <[Cu] <0.5,
Including In in the range of 6.0 ≦ [In] ≦ 6.8,
Within the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
5.2+ (6- (1.55 × [Cu] +4.428)) ≦ [In] ≦ 6.8 including In,
Within the range of 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
Including In in the range of 5.2 ≦ [In] ≦ 6.8,
If the balance is only Sn of 87% by mass or more, it becomes possible to satisfy the criteria for reliability determination after soldering (2000 cycles or more).

また、実施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。既に説明しているが、熱疲労特性は、Snに対するInの固溶作用により向上しているため、In含有率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。   Moreover, the content rate of Ag which comprises the solder material in embodiment is determined for the following reasons. As already described, since the thermal fatigue characteristics are improved by the solid solution action of In with Sn, the thermal fatigue characteristics vary greatly depending on the In content. However, since Ag does not dissolve in Sn, thermal fatigue characteristics do not change greatly.

またAg含有率は、はんだ材料の融点に影響を与えることから、Ag含有率が4質量%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4質量%とした。またAg含有率が小さくなると、AgSn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0.3質量%とした。 In addition, since the Ag content affects the melting point of the solder material, if the Ag content exceeds 4 mass%, the melting point becomes 235 ° C. or more, and the wetting spread during soldering deteriorates and cannot be used. Therefore, the maximum value of the Ag content is 4% by mass. Further, when the Ag content is decreased, the amount of Ag 3 Sn deposited on the Sn phase is decreased and the mechanical strength characteristics are lowered. Therefore, the minimum value of the Ag content is set to 0.3% by mass.

次に、実施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4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1質量%を超えると偏析量が多くなり、合金が脆くなるため使用できない。よって、Bi含有率の最大値は1質量%とした。   Next, the content rate of Bi which comprises the solder material in embodiment is determined for the following reasons. As described in Table 4, the minimum value can be zero because it does not affect the thermal fatigue characteristics of the solder material. Further, since Bi has a property of segregating inside the solder alloy, if it exceeds 1% by mass, the amount of segregation increases and the alloy becomes brittle and cannot be used. Therefore, the maximum Bi content is set to 1% by mass.

以上から、Ag及びBiははんだ材料の熱疲労特性に大きな影響を与えないため、Sn−Ag−Bi−Inの組成を持ったはんだ材料でのIn含有率の効果は、Sn−Ag−InやSn−Bi−Inの組成を持ったはんだ材料でも同様に扱うことができると考える。ただし、Sn−Bi−Inの組成を持ったはんだ材料では、Ag含有率がゼロであるので機械的強度が低下するおそれがある。   From the above, since Ag and Bi do not significantly affect the thermal fatigue characteristics of the solder material, the effect of the In content in the solder material having the composition of Sn-Ag-Bi-In is Sn-Ag-In and It is considered that a solder material having a composition of Sn—Bi—In can be handled similarly. However, in a solder material having a composition of Sn—Bi—In, since the Ag content is zero, the mechanical strength may be reduced.

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電極のはんだ付けに好適に用いることができる。この場合のAu電極は、Au基板電極でもAu部品電極でもいずれでもよい。またNiめっきは、3〜15質量%のP、好ましくは5〜10質量%のP、残部はNiの組成を持っている。   As is clear from the above description, the solder material of the present invention can be suitably used for soldering an Au electrode having Ni plating containing P. In this case, the Au electrode may be either an Au substrate electrode or an Au component electrode. The Ni plating has a composition of 3 to 15% by mass of P, preferably 5 to 10% by mass of P, and the balance is Ni.

また上記のはんだ材料は、
0.3≦[Ag]≦4.0のAgと、
0≦[Bi]≦1.0のBiと、
0<[Cu]≦1.2のCuとを含んでいる。
Also, the above solder material is
0.3 ≦ [Ag] ≦ 4.0 Ag,
Bi of 0 ≦ [Bi] ≦ 1.0,
Cu of 0 <[Cu] ≦ 1.2 is included.

そして、0<[Cu]<0.5の範囲内では、
6.0≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
0.5≦[Cu]≦1.0の範囲内では、
5.2+(6−(1.55×[Cu]+4.428))≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
1.0<[Cu]≦1.2の範囲内では、
5.2≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
残部は、87質量%以上のSnのみである。
And in the range of 0 <[Cu] <0.5,
Including In in the range of 6.0 ≦ [In] ≦ 6.8,
Within the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
5.2+ (6- (1.55 × [Cu] +4.428)) ≦ [In] ≦ 6.8 including In,
Within the range of 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
Including In in the range of 5.2 ≦ [In] ≦ 6.8,
The balance is only 87% by mass or more of Sn.

上記のはんだ材料をCu電極のはんだ付けに用いる場合には、In含有率が低下しない。そのため、上記のはんだ材料は、Cu基板電極とCu部品電極との組み合わせにも好適に使用することができる。このように、本発明のはんだ材料によれば、電子回路基板と電子部品とをはんだ付けにより接合する際にAu電極とCu電極とが混在していても、良好な熱疲労特性を有するはんだ部を形成することが可能である。   When the above-described solder material is used for soldering the Cu electrode, the In content does not decrease. Therefore, said solder material can be used conveniently also for the combination of Cu board | substrate electrode and Cu component electrode. As described above, according to the solder material of the present invention, even when the Au electrode and the Cu electrode are mixed when the electronic circuit board and the electronic component are joined by soldering, the solder portion having good thermal fatigue characteristics. Can be formed.

Cu含有率の下限値は、電極のCu喰われ防止のため微量のCuが含有されていればよいが、QFP、BGA等の大型半導体部品が使える、引張強度が65MPa以上を満たす0.5質量%以上が好ましい。   The lower limit of the Cu content is only required to contain a small amount of Cu in order to prevent Cu erosion of the electrode, but a large semiconductor component such as QFP or BGA can be used, and 0.5 mass satisfying a tensile strength of 65 MPa or more. % Or more is preferable.

特に、0.5〜3.8質量%のAgと、
0.2〜1.0質量%のBiと、
6.0〜6.8質量%のInと、
0.2〜1.2質量%のCuとを含み、
残部は、87.2質量%以上のSnのみであるはんだ材料が好ましい。
In particular, 0.5 to 3.8% by mass of Ag,
0.2-1.0 mass% Bi;
6.0-6.8% by mass of In,
0.2 to 1.2% by mass of Cu,
The balance is preferably a solder material containing only 87.2% by mass or more of Sn.

このはんだ材料の具体例としては、例えば、表2の実施例2、参考例3、実施例5〜8、11が挙げられる。これらのはんだ材料は、より厳しい信頼性判定の基準(2250サイクル以上)を満足している。   Specific examples of this solder material include, for example, Example 2 in Table 2, Reference Example 3, and Examples 5 to 8 and 11. These solder materials satisfy stricter criteria for reliability determination (2250 cycles or more).

また、1.8〜3.8質量%のAgと、
0.2〜1.0質量%のBiと、
6.0〜6.7質量%のInと、
0.8〜1.2質量%のCuとを含み、
残部は、87.3質量%以上のSnのみであるはんだ材料がより好ましい。
Moreover, 1.8-3.8 mass% Ag,
0.2-1.0 mass% Bi;
6.0 to 6.7% by mass of In;
0.8 to 1.2% by mass of Cu,
The balance is more preferably a solder material containing only 87.3 mass% or more of Sn.

このはんだ材料の具体例としては、例えば、表2の実施例5、6、8、11が挙げられる。これらのはんだ材料は、より厳しい信頼性判定の基準(2250サイクル以上)を満足し、かつ、引張強度も70MPa以上を満たしている。   Specific examples of this solder material include Examples 5, 6, 8, and 11 in Table 2. These solder materials satisfy more stringent criteria for reliability determination (2250 cycles or more) and have a tensile strength of 70 MPa or more.

また、3.5〜3.8質量%のAgと、
0.6〜1.0質量%のBiと、
6.0〜6.1質量%のInと、
1.1〜1.2質量%のCuとを含み、
残部は、87.9質量%以上のSnのみであるはんだ材料がさらに好ましい。
Moreover, 3.5-3.8 mass% Ag,
0.6-1.0 mass% Bi;
6.0-6.1 mass% In,
1.1 to 1.2% by mass of Cu,
The balance is more preferably a solder material containing only 87.9% by mass or more of Sn.

このはんだ材料の具体例としては、例えば、表2の実施例5、11が挙げられる。これらのはんだ材料は、より厳しい信頼性判定の基準(2250サイクル以上)を満足し、かつ、引張強度も75MPa以上を満たしている。   Specific examples of this solder material include Examples 5 and 11 in Table 2. These solder materials satisfy stricter criteria for reliability determination (2250 cycles or more) and also have a tensile strength of 75 MPa or more.

またBiを含まない場合には、
0.5〜3.2質量%のAgと、
6.0〜6.8質量%のInと、
0.6〜1.1質量%のCuとを含み、
残部は、88.9質量%以上のSnのみであるはんだ材料が好ましい。
If Bi is not included,
0.5-3.2 mass% Ag,
6.0-6.8% by mass of In,
0.6 to 1.1% by mass of Cu,
The balance is preferably a solder material containing only 88.9% by mass or more of Sn.

このはんだ材料の具体例としては、例えば、表4の実施例30、参考例32、実施例34、37、38が挙げられる。これらのはんだ材料は、より厳しい信頼性判定の基準(2250サイクル以上)を満足している。   Specific examples of this solder material include, for example, Example 30 in Table 4, Reference Example 32, and Examples 34, 37, and 38. These solder materials satisfy stricter criteria for reliability determination (2250 cycles or more).

またBiを含まない場合には、
2.8〜3.2質量%のAgと、
6.0〜6.2質量%のInと、
0.85〜1.1質量%のCuとを含み、
残部は、89.5質量%以上のSnのみであるはんだ材料がより好ましい。
If Bi is not included,
2.8 to 3.2 mass% Ag,
6.0-6.2 mass% In,
0.85 to 1.1 mass% Cu,
The balance is more preferably a solder material containing only 89.5% by mass or more of Sn.

このはんだ材料の具体例としては、例えば、表4の実施例30、34、38が挙げられる。これらのはんだ材料は、より厳しい信頼性判定の基準(2250サイクル以上)を満足し、かつ、引張強度も70MPa以上を満たしている。   Specific examples of this solder material include, for example, Examples 30, 34, and 38 in Table 4. These solder materials satisfy more stringent criteria for reliability determination (2250 cycles or more) and have a tensile strength of 70 MPa or more.

本発明の接合構造体は、基板電極を有する電子回路基板と、部品電極を有する電子部品とを備えている。ここで、電子回路基板としては、例えば、各種のFRグレード(Flame Retardant Grade)の絶縁基板にパターン形成されたものが挙げられる。また電子部品としては、例えば、チップ部品や、QFP(Quad Flat Package)、BGA(Ball Grid Array)等の大型半導体部品や、アルミ電解コンデンサ、モジュール部品等の大型部品や、コイル、トランス等の重量部品などが挙げられる。   The bonded structure of the present invention includes an electronic circuit board having a substrate electrode and an electronic component having a component electrode. Here, as an electronic circuit board, what was pattern-formed on the insulation board | substrate of various FR grades (Flame Retardant Grade) is mentioned, for example. Electronic components include, for example, chip components, large semiconductor components such as QFP (Quad Flat Package) and BGA (Ball Grid Array), large components such as aluminum electrolytic capacitors and module components, and weights of coils, transformers, etc. Examples include parts.

上記の接合構造体において、基板電極と部品電極のうちの少なくとも一方はAu電極である。例えば、基板電極がAu電極(Au基板電極)、部品電極がCu電極(Cu部品電極)の場合、基板電極がCu電極(Cu基板電極)、部品電極がAu電極(Au部品電極)の場合、基板電極がAu電極(Au基板電極)、部品電極がAu電極(Au部品電極)の場合が挙げられる。   In the above bonded structure, at least one of the substrate electrode and the component electrode is an Au electrode. For example, when the substrate electrode is an Au electrode (Au substrate electrode), the component electrode is a Cu electrode (Cu component electrode), the substrate electrode is a Cu electrode (Cu substrate electrode), and the component electrode is an Au electrode (Au component electrode), The substrate electrode is an Au electrode (Au substrate electrode), and the component electrode is an Au electrode (Au component electrode).

そして、上記の接合構造体において、基板電極と部品電極とが、本発明のはんだ材料によって接合されている。本発明のはんだ材料は、上述のように、表2〜表4の実施例1、2、参考例3、実施例4〜8、参考例9、実施例10〜15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜27、参考例28、実施例29〜31、参考例32、実施例33〜38、参考例39に示す信頼性判定の結果から、Au電極及びCu電極に対するはんだ付けにおいて、車載商品の信頼性評価を満足している。したがって、電子回路基板と電子部品とをはんだ付けにより接合する際にAu電極とCu電極とが混在していても、良好な熱疲労特性を有するはんだ部を形成することが可能である。なお、はんだ材料に含まれているCuの含有率は、Au電極のNiめっきが含むPの含有率に応じて適宜変更することが可能である。   And in said joining structure, the board | substrate electrode and the component electrode are joined by the solder material of this invention. As described above, the solder material of the present invention includes Examples 1 and 2 in Tables 2 to 4, Reference Example 3, Examples 4 to 8, Reference Example 9, Examples 10 to 15, Reference Example 16, and Examples. 17-21, Reference Example 22, Examples 23-27, Reference Example 28, Examples 29-31, Reference Example 32, Examples 33-38, and the results of reliability determination shown in Reference Example 39 indicate that the Au electrode and Cu In soldering to electrodes, the reliability evaluation of in-vehicle products is satisfied. Therefore, even when the Au electrode and the Cu electrode are mixed when the electronic circuit board and the electronic component are joined by soldering, it is possible to form a solder portion having good thermal fatigue characteristics. In addition, the content rate of Cu contained in the solder material can be appropriately changed according to the content rate of P included in the Ni plating of the Au electrode.

図9に本発明における実施形態の接合構造体700の模式的な断面図を示す。接合構造体700は、Au基板電極731、732を有する電子回路基板730と、Cu部品電極721を有する電子部品720及びAu部品電極741を有する電子部品740とが、はんだ付けによって接合されている。この接合構造体700において、電子回路基板730のAu基板電極731と、電子部品720のCu部品電極721とは、はんだ部711によって接合されている。また、電子回路基板730のAu基板電極732と、電子部品740のAu部品電極741とは、はんだ部712によって接合されている。そして、上記のはんだ部711、712は、Sn−Ag−Bi−In−Cu又はSn−Ag−In−Cuの組成を持つ、本発明のはんだ材料によって形成されている。表2〜表4の実施例1、2、参考例3、実施例4〜8、参考例9、実施例10〜15、参考例16、実施例17〜21、参考例22、実施例23〜27、参考例28、実施例29〜31、参考例32、実施例33〜38、参考例39に示す信頼性判定の結果からも明らかなように、上記の接合構造体700は、車載商品の信頼性試験の要求仕様を満たすものである。上記の接合構造体700において、Au基板電極731、732がCu基板電極であってもよい。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a bonding structure 700 according to an embodiment of the present invention. In the bonding structure 700, an electronic circuit board 730 having Au substrate electrodes 731 and 732, an electronic component 720 having a Cu component electrode 721, and an electronic component 740 having an Au component electrode 741 are bonded by soldering. In this bonded structure 700, the Au substrate electrode 731 of the electronic circuit board 730 and the Cu component electrode 721 of the electronic component 720 are bonded by the solder portion 711. Further, the Au substrate electrode 732 of the electronic circuit board 730 and the Au component electrode 741 of the electronic component 740 are joined by a solder portion 712. And said solder part 711,712 is formed of the solder material of this invention which has a composition of Sn-Ag-Bi-In-Cu or Sn-Ag-In-Cu. Examples 1 to 2 in Tables 2 to 4, Reference Example 3, Examples 4 to 8, Reference Example 9, Examples 10 to 15, Reference Example 16, Examples 17 to 21, Reference Example 22, Example 23 to 27, Reference Example 28, Examples 29 to 31, Reference Example 32, Examples 33 to 38, and Reference Example 39, as is clear from the reliability determination results, It meets the requirements for reliability testing. In the bonding structure 700 described above, the Au substrate electrodes 731 and 732 may be Cu substrate electrodes.

図10(a)は、電子回路基板200のAu基板電極210と、電子部品のCu部品電極320とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図である。Au基板電極210は、電子回路基板200の側から、Cu電極211、Niめっき212、Auフラッシュめっき213とを備えている。このときAu基板電極210とCu部品電極320との間に、Sn−Ag−Bi−In−Cuの組成を持ったはんだ材料100が介在されている。図10(b)は、電子回路基板200のAu基板電極210と、電子部品のCu部品電極320とのはんだ付け後のはんだ部110の様子を模式的に示す断面図である。Au基板電極210は、Pを含むNiめっき212を有しているが、はんだ付け後にAu基板電極210とはんだ部との間には、(Cu0.7,Ni0.3Sn等の(Cu,Ni)Sn化合物130が生成される。この(Cu,Ni)Sn化合物130がはんだ材料100中のIn含有率の低下を防ぐことに役立つ。他方、Cu部品電極320とはんだ部110との間には、CuSn化合物120が生成される。このCuSn化合物120の生成にInは関与しないため、はんだ材料100中のIn含有率の低下は発生しない。なお、図10(a)(b)において電子部品は図示省略している。 FIG. 10A is a cross-sectional view schematically showing a state before soldering between the Au substrate electrode 210 of the electronic circuit board 200 and the Cu component electrode 320 of the electronic component. The Au substrate electrode 210 includes a Cu electrode 211, a Ni plating 212, and an Au flash plating 213 from the electronic circuit substrate 200 side. At this time, a solder material 100 having a composition of Sn—Ag—Bi—In—Cu is interposed between the Au substrate electrode 210 and the Cu component electrode 320. FIG. 10B is a cross-sectional view schematically showing a state of the solder part 110 after soldering between the Au substrate electrode 210 of the electronic circuit board 200 and the Cu component electrode 320 of the electronic component. The Au substrate electrode 210 has a Ni plating 212 containing P. Between the Au substrate electrode 210 and the solder portion after soldering, (Cu 0.7 , Ni 0.3 ) 6 Sn 5, etc. (Cu, Ni) Sn compound 130 is produced. This (Cu, Ni) Sn compound 130 is useful for preventing a decrease in the In content in the solder material 100. On the other hand, a Cu 6 Sn 5 compound 120 is generated between the Cu component electrode 320 and the solder part 110. Since In does not participate in the formation of the Cu 6 Sn 5 compound 120, the In content in the solder material 100 does not decrease. Note that the electronic components are not shown in FIGS.

図11(a)は、電子回路基板200のCu基板電極220と、電子部品のAu部品電極310とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図である。Au部品電極310は、電子部品の側から、Cu電極311、Niめっき312、Auフラッシュめっき313とを備えている。このときCu基板電極220とAu部品電極310との間に、Sn−Ag−Bi−In−Cuの組成を持ったはんだ材料100が介在されている。図11(b)は、電子回路基板200のCu基板電極220と、電子部品のAu部品電極310とのはんだ付け後のはんだ部110の様子を模式的に示す断面図である。Au部品電極310は、Pを含むNiめっき312を有しているが、はんだ付け後にAu部品電極310とはんだ部110との間には、(Cu0.7,Ni0.3Sn等の(Cu,Ni)Sn化合物130が生成される。この(Cu,Ni)Sn化合物130がはんだ材料100中のIn含有率の低下を防ぐことに役立つ。他方、Cu基板電極220とはんだ部110との間には、CuSn化合物120が生成される。このCuSn化合物120の生成にInは関与しないため、はんだ材料100中のIn含有率の低下は発生しない。なお、図11(a)(b)において電子部品は図示省略している。 FIG. 11A is a cross-sectional view schematically showing a state before soldering between the Cu substrate electrode 220 of the electronic circuit board 200 and the Au component electrode 310 of the electronic component. The Au component electrode 310 includes a Cu electrode 311, an Ni plating 312, and an Au flash plating 313 from the electronic component side. At this time, a solder material 100 having a composition of Sn—Ag—Bi—In—Cu is interposed between the Cu substrate electrode 220 and the Au component electrode 310. FIG. 11B is a cross-sectional view schematically showing the state of the solder portion 110 after soldering between the Cu substrate electrode 220 of the electronic circuit board 200 and the Au component electrode 310 of the electronic component. The Au component electrode 310 has an Ni plating 312 containing P. Between the Au component electrode 310 and the solder part 110 after soldering, (Cu 0.7 , Ni 0.3 ) 6 Sn 5 is provided. (Cu, Ni) Sn compound 130 is produced. This (Cu, Ni) Sn compound 130 is useful for preventing a decrease in the In content in the solder material 100. On the other hand, a Cu 6 Sn 5 compound 120 is generated between the Cu substrate electrode 220 and the solder part 110. Since In does not participate in the formation of the Cu 6 Sn 5 compound 120, the In content in the solder material 100 does not decrease. In FIGS. 11A and 11B, electronic components are not shown.

図12(a)は、電子回路基板200のAu基板電極210と、電子部品のAu部品電極310とのはんだ付け前の様子を模式的に示す断面図である。Au基板電極210は、電子回路基板200の側から、Cu電極211、Niめっき212、Auフラッシュめっき213とを備えている。Au部品電極310は、電子部品の側から、Cu電極311、Niめっき312、Auフラッシュめっき313とを備えている。このときAu基板電極210とAu部品電極310との間に、Sn−Ag−Bi−In−Cuの組成を持ったはんだ材料100が介在されている。図12(b)は、電子回路基板200のAu基板電極210と、電子部品のAu部品電極310とのはんだ付け後のはんだ部110の様子を模式的に示す断面図である。Au基板電極210は、Pを含むNiめっき212を有しているが、はんだ付け後にAu基板電極210とはんだ部110との間には、(Cu0.7,Ni0.3Sn等の(Cu,Ni)Sn化合物130が生成される。同様に、Au部品電極310は、Pを含むNiめっき312を有しているが、はんだ付け後にAu部品電極310とはんだ部110との間には、(Cu0.7,Ni0.3Sn等の(Cu,Ni)Sn化合物130が生成される。この(Cu,Ni)Sn化合物130がはんだ材料100中のIn含有率の低下を防ぐことに役立つ。なお、図12(a)(b)において電子部品は図示省略している。 FIG. 12A is a cross-sectional view schematically showing a state before soldering between the Au substrate electrode 210 of the electronic circuit board 200 and the Au component electrode 310 of the electronic component. The Au substrate electrode 210 includes a Cu electrode 211, a Ni plating 212, and an Au flash plating 213 from the electronic circuit substrate 200 side. The Au component electrode 310 includes a Cu electrode 311, an Ni plating 312, and an Au flash plating 313 from the electronic component side. At this time, a solder material 100 having a composition of Sn—Ag—Bi—In—Cu is interposed between the Au substrate electrode 210 and the Au component electrode 310. FIG. 12B is a cross-sectional view schematically showing the state of the solder part 110 after soldering the Au substrate electrode 210 of the electronic circuit board 200 and the Au component electrode 310 of the electronic component. The Au substrate electrode 210 has a Ni plating 212 containing P, but (Cu 0.7 , Ni 0.3 ) 6 Sn 5 between the Au substrate electrode 210 and the solder part 110 after soldering. (Cu, Ni) Sn compound 130 is produced. Similarly, the Au component electrode 310 has a Ni plating 312 containing P. However, between the Au component electrode 310 and the solder part 110 after soldering, (Cu 0.7 , Ni 0.3 ) A (Cu, Ni) Sn compound 130 such as 6 Sn 5 is produced. This (Cu, Ni) Sn compound 130 is useful for preventing a decrease in the In content in the solder material 100. In FIGS. 12A and 12B, electronic components are not shown.

本発明におけるはんだ材料及び接合構造体は、電子回路基板と電子部品とをはんだ付けにより接合する際にAu電極とCu電極とが混在していても、良好な熱疲労特性を有するはんだ部を形成することが可能である。例えば、はんだ付けに用いるソルダーペースト等に好適に利用することができる。   The solder material and the joining structure in the present invention form a solder portion having good thermal fatigue characteristics even when Au electrodes and Cu electrodes are mixed when the electronic circuit board and the electronic component are joined by soldering. Is possible. For example, it can be suitably used for solder paste used for soldering.

Claims (2)

はんだ材料であって、
前記はんだ材料におけるAg、Bi、Cu、Inの含有率(質量%)をそれぞれ[Ag]、[Bi]、[Cu]、[In]とすると、
0.3≦[Ag]<4.0のAg(ただし、Agが0.5質量%、1.0質量%の場合は除く)と、
0≦[Bi]≦1.0のBiと、
0.2≦[Cu]≦1.2のCuとを含み、
0.2≦[Cu]<0.5の範囲内では、
6.0≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
0.5≦[Cu]≦1.0の範囲内では、
5.2+(6−(1.55×[Cu]+4.428))≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
1.0<[Cu]≦1.2の範囲内では、
5.2≦[In]≦6.8の範囲内のInを含み、
残部は、87質量%以上のSnのみであることを特徴とする、
はんだ材料。
Solder material,
When the content (mass%) of Ag, Bi, Cu, and In in the solder material is [Ag], [Bi], [Cu], and [In],
0.3 ≦ [Ag] <4.0 Ag (except when Ag is 0.5 mass% and 1.0 mass%),
Bi of 0 ≦ [Bi] ≦ 1.0,
0.2 ≦ [Cu] ≦ 1.2 and Cu,
Within the range of 0.2 ≦ [Cu] <0.5,
Including In in the range of 6.0 ≦ [In] ≦ 6.8,
Within the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
5.2+ (6- (1.55 × [Cu] +4.428)) ≦ [In] ≦ 6.8 including In,
Within the range of 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
Including In in the range of 5.2 ≦ [In] ≦ 6.8,
The balance is only 87 mass% or more of Sn,
Solder material.
基板電極を有する電子回路基板と、
部品電極を有する電子部品とを備え、
前記基板電極と前記部品電極のうちの少なくとも一方がAu電極であり、
前記基板電極と前記部品電極とが、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、
接合構造体。
An electronic circuit board having a substrate electrode;
An electronic component having a component electrode,
At least one of the substrate electrode and the component electrode is an Au electrode,
The substrate electrode and the component electrode are joined by the solder material according to claim 1,
Bonding structure.
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