JP2017087237A - はんだ合金およびそれを用いた実装構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｇを実質的に含まず、かつ、リードを有しない電子部品のはんだ付けに使用された場合であっても最高１５０℃の高温環境における耐熱疲労特性に優れたはんだ合金を提供する。【解決手段】Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５０．６６［Ｓｂ］＋４．１６≦［Ｉｎ］≦６．００．５≦［Ｃｕ］≦１．２０．１≦［Ｂｉ］≦０．５（式中、［Ｓｂ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＳｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）を満たす、はんだ合金。【選択図】図２

Description

本発明は、主として電子回路基板への電子部品のはんだ付けに用いられるはんだ合金およびそれを用いた実装構造体に関するものである。

はんだ付けに用いられるはんだ合金として鉛含有はんだ（例えばＳｎ−３８Ｐｂ）が長年使用されてきたが、鉛の毒性に対する懸念から、近年、はんだ合金の鉛フリー化が行われてきている。はんだ合金の融点、濡れ性、耐熱疲労特性などの観点から、鉛フリーはんだ合金としてＳｎ−Ａｇ系はんだが広く用いられており、特にＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕが標準的に用いられている。

鉛フリーはんだ合金を用いて、回路基板上の電極部に電子部品の電極部がはんだ合金（はんだ接合部）で接合された実装構造体においては、はんだ接合部の機械的特性および耐熱疲労特性が高いことが求められる。より詳細には下記の通りである。
上記実装構造体の構成部材のうち、はんだ合金は電子部品（より詳細には電子部品の端子電極等）や回路基板と比較して融点が低いため、例えば約１００℃以上の高温環境において、はんだ接合部の機械的特性が顕著に低下し得る。
また、はんだ合金は他の構成部材に比較して弾性率が小さいため、温度変化に伴う構成部材間の線膨張係数の違いによるひずみや、振動、衝撃による負荷がはんだ接合部に集中的に加わり得る。特に、構成部材間の線膨張係数の違いによるひずみが繰り返し加わることにより、はんだ接合部にクラックが発生し得、これは断線を招くことが懸念され得る。
そのため、上記実装構造体に使用されるはんだ合金では、温度変化によって発生する繰り返しひずみに対する耐熱疲労特性が高いことが求められ、機械的特性として特に高温環境での高い強度と延性が必要とされる。

上述したＳｎ−Ａｇ系はんだ合金に含まれるＡｇは貴金属であるため、Ａｇの削減を目指す動きがあるものの、Ａｇ含有量の低下は、融点の上昇、濡れ性の低下を招き得、特にはんだ接合部の耐熱疲労特性低下の問題を生じ得るため、現在でも広くＡｇが使用されているのが現状である。

そのような状況下、Ａｇを含まない鉛フリーはんだ合金として、特許文献１には、０．１〜２．５重量％Ｃｕと残部Ｓｎからなる合金中に、１〜１５重量％Ｂｉと１〜１５重量％Ｉｎが添加され、好ましくは更にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅからなる群より選ばれた少なくとも１種が添加されている鉛フリーはんだ合金が開示されている。

特許第３３６３３９３号公報

特許文献１に記載の従来の鉛フリーはんだ合金では、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎのみが必須成分であり、Ｃｕを０．１〜２．５重量％添加することより耐熱疲労特性を向上させ、ＢｉおよびＩｎをいずれも１〜１５重量％添加することによりＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金の融点を低下させ、更にＮｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅからなる群より選ばれた少なくとも１種を添加することにより機械的強度を向上させているとされている。特許文献１の実施例によれば、かかる従来の鉛フリーはんだ合金を用いて、接合用のリードを有するＱＦＰ（Quad Flat Package）をプリント基板のランドにはんだ付けした場合、最高１２５℃の耐熱疲労試験において９６０〜１３８０サイクルまでクラックの発生が抑制された旨が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の従来の鉛フリーはんだ合金では、常温での機械的強度が向上しているが、高温環境での機械的強度は言及されておらず、また、高温環境での延性は乏しい。そのため、ＱＦＰのようにリードを有する電子部品では、温度変化時の線膨張係数差によるひずみを吸収することができるため、耐熱疲労特性が優れるものの、チップ抵抗やチップコンデンサのようなリードを有しない電子部品では、ひずみがはんだに集中するうえ、ひずみを吸収することができないため、クラックが生じてしまう。よって、特許文献１に記載の従来の鉛フリーはんだ合金は、リードを有しない電子部品のはんだ付けに使用される場合を考慮すると、十分な特性を有するものとは言えない。

加えて、近年の電子機器の小型化により電子機器の発熱密度が上昇しているため、電子機器使用中にはんだ接合部が達する最高温度が上昇しており、特に自動車用電子機器においては最高１５０℃の耐熱疲労特性が求められている。しかしながら、特許文献１に記載の従来の鉛フリーはんだ合金では、実施例に記載の１２５℃より高い温度環境での耐熱疲労特性の確保は困難である。

本発明は、上記のような課題を解決するべくなされたものであり、Ａｇを実質的に含まず、かつ、リードを有しない電子部品のはんだ付けに使用された場合であっても最高１５０℃の高温環境における耐熱疲労特性に優れたはんだ合金を提供することを目的とする。

本発明の１つの要旨によれば、
Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５
０．６６×［Ｓｂ］＋４．１６≦［Ｉｎ］≦６．０
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２
０．１≦［Ｂｉ］≦０．５
（式中、［Ｓｂ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＳｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
を満たす、はんだ合金が提供される。

本発明の１つの態様において、はんだ合金は、以下の式：
１．３３×［Ｓｂ］＋３．８３≦［Ｉｎ］≦０．６７×［Ｓｂ］＋４．６７
を更に満たす。

本発明の上記はんだ合金は、少なくともＳｂが固溶したγ相およびβ−Ｓｎ相を含む合金組織を有するものであり得る。

本発明のもう１つの要旨によれば、電子部品が回路基板に実装された実装構造体であって、電子部品の電極部と回路基板の電極部とが、本発明の上記はんだ合金によって接合されている、実装構造体が提供される。

尚、本発明において「はんだ合金」とは、その金属組成が、列挙した金属で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量金属を含んでいてもよい。はんだ合金は、任意の形態を有し得、例えば単独で、または金属以外の他の成分（例えばフラックスなど）と一緒に、はんだ付けに使用され得る。

本発明によれば、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉから成るはんだ合金において、Ｓｎを除く各元素につき所定の含有率を選択することによって、Ａｇを実質的に含まず、かつ、リードを有しない電子部品のはんだ付けに使用された場合であっても最高１５０℃の高温環境における機械的特性（より詳細には強度および延性）に優れ、ひいては耐熱疲労特性に優れたはんだ合金が実現される。

そのため、特にリードを持たないチップ抵抗やチップコンデンサのような電子部品においても、延性の低下に伴うクラックによる断線を抑制することができるため、Agを含まず耐熱疲労特性に優れたはんだ接合部を形成することが可能となる。

本発明の実施形態におけるはんだ合金の組織状態を模式的に表す図である。 本発明の実施形態にて説明したはんだ合金の示差走査熱量計測定の結果を表すグラフであり、点Ａおよび点Ｂは変態温度を表す。 本発明の実施形態におけるはんだ合金を用いて得られる実装構造体を示す概略模式断面図である。

以下、本発明の１つの実施形態におけるはんだ合金およびこれを用いた実装構造体について、図面を参照しながら詳述する。

尚、本明細書中、はんだ合金を構成する元素記号に［ ］を付したものは、はんだ合金中の当該元素の含有率（質量％）を意味するものとする。
また、本明細書中、はんだ合金の金属組成を説明するのに、Ｓｎ以外の金属元素の直前に数値または数値範囲を示すことがあるが、これは、当該技術分野において一般的に使用されているように、金属組成中に占める各元素の質量％（＝重量％）を数値または数値範囲で示しており、残部がＳｎから成ることを意味する。

本発明の１つの実施形態において、はんだ合金は、Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５
０．６６［Ｓｂ］＋４．１６≦［Ｉｎ］≦６．０
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２
０．１≦［Ｂｉ］≦０．５
（式中、［Ｓｂ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＳｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
を満たす。

本発明者らは、はんだ合金の高温環境での機械的特性について研究開発を行った結果、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金においてＳｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれをある特定の範囲で、とりわけＩｎとＳｂを特定の関係を満たす範囲で含有させることにより、これまでに明らかでなかった高温環境での機械的特性（代表的には１５０℃での機械的強度および延性）が著しく改善されることを独自に見いだし、本発明を完成するに至った。

そこで、先に本発明のはんだ合金における各元素の含有率の有効性についてそれぞれ説明する。

（Ｉｎ含有率、Ｓｂ含有率）
まず、はんだ合金におけるＩｎ含有率およびＳｂ含有率について説明する。

Ｉｎは、はんだ合金の強度および高温での延性を向上させる。
Ｓｎを主成分とするはんだ合金では、Ｉｎ含有率が約１５質量％以下の低Ｉｎ含有率領域において、ＳｎにＩｎが固溶した合金（β−Ｓｎ相）を形成する。
固溶とは、母金属の結晶格子中の一部が固溶元素に原子レベルで置き換わる現象である。一般的に固溶元素の効果は、母金属元素と固溶元素の原子径の差により母元素の結晶格子にひずみを発生させることによって、応力負荷時に転移などの結晶欠陥の移動を抑制することができる。その結果、金属の強度を向上させることができる一方、応力負荷時の延性は低下する。固溶によるはんだ合金の強度向上は、固溶元素の含有率が大きいほど大きくなる。
しかしながら、Ｓｎ系はんだにＩｎを固溶させた場合は、Ｉｎ含有率にもよるが、温度を次第に高くしていった場合（図１を参照のこと）、約１００℃以上に高くなるころから、β−Ｓｎ相から、異なる構造のγ相（ＩｎＳｎ_４）への相変態が進む。つまり、異なる２相が同程度共存する状態（γ＋β−Ｓｎ）となる。この２相共存状態になることで、粒界でのすべりの寄与が大きくなり、高温での延性は向上する。
一方で、Ｉｎ含有率が大きい場合、β−Ｓｎ相からγ相への変態が過剰に発生する。この場合、γ相とβ−Ｓｎ相の結晶格子構造の体積が異なるため、繰り返し熱サイクルがかかることではんだ合金の自己変形が生じる。これは、はんだ接合部内部における破断や、異なるはんだ接合部間の短絡を生じさせるため問題となる。

Ｓｂは、Ｓｎ−Ｉｎ系合金における変態温度を上昇させる。
これは、Ｓｂ含有によって合金組織の状態が変化するためである。Ｓｂ含有率が比較的小さい場合、ＳｂはＳｎ−Ｉｎ系合金においてＩｎと同様にＳｎに固溶する。更にＳｂ含有率が大きくなると、Ｉｎと化合物（ＩｎＳｎ）を形成して合金組織中に析出する。
Ｉｎと共にＳｂがＳｎに固溶することにより、温度変化時のＳｎやＩｎの元素の移動が抑制され、β−Ｓｎ相とγ相の変態開始温度を変化させる。
はんだ合金の機械的特性は、Ｓｂが固溶することで、Ｉｎ固溶と同様にはんだ合金の強度を向上させる。加えて、後述するが、ある特定のＩｎ含有率の際に見られる高温での延性向上を、Ｓｂの固溶は更に促進することを、本発明者らは新たに見出している。
更にＳｂ含有率が大きくなると、結晶組織間にピンのようにＩｎＳｎが析出し、変形を抑制する。一方で、ＩｎＳｂの析出により延性は低下するため、耐熱疲労特性向上には過度のＩｎＳｂの析出は不適である。

本発明においては、以下に説明するようにＣｕ含有率およびＢｉ含有率をそれぞれ所定範囲に限定しつつ、Ｉｎ含有率とＳｂ含有率を特定の関係を満たすように選択しており、これにより、高温環境での機械的特性（代表的には１５０℃での機械的強度および延性）を著しく改善することが可能となっている。

図１は、本実施形態におけるはんだ合金の組織状態を模式的に表す図である。本実施形態において、β−Ｓｎ相およびγ相は、いずれも、かかる相中に少なくともＳｂが固溶しているものと認められる。しかしながら、本発明はかかる実施形態に限定されない。例えば、γ相は、上述のように約１００℃以上に高くなるころから生じ得、より低温においてはγ相の存在を必須としない点に留意されたい。

（Ｃｕ含有率）
Ｃｕは、はんだ付け時の融点の低下および被接合部材の材質の選択性向上の目的で含有している。

はんだ付けにおける被接合部材としては、母材のＣｕまたはＮｉに、各種めっきやプリフラックス処理を施されたものが主である。
このうち、被接合部材の母材がＮｉの場合は、Ｉｎを含みかつＣｕを含まないまたは少量含むはんだ合金を用いてはんだ付けを行った際に、界面反応層（Ｎｉ_３Ｓｎ_４）においてＩｎが一部取り込まれる。そのため、はんだ付け後のはんだ接合部の機械的特性の変化が生じる。被接合部材の母材がＮｉの場合、界面反応層に一部取り込まれる量だけＩｎを予め多く含有する必要がある。しかしながら、実際の回路基板においては、一枚の回路基板上に様々な電子部品が搭載されるため、母材がＣｕ、Ｎｉそれぞれの電子部品が搭載される場合には、Ｉｎ含有率の予めの調整は困難である。
しかし、はんだ合金に一定量のＣｕを含有することで、はんだ付け時にはんだ合金中のＣｕが界面反応層にＣｕ_６Ｓｎ_５系の合金層を形成し、Ｉｎの取り込みを防ぐことができ、被接合部材の選択性が向上する。
このような効果を発現するためには、Ｃｕ含有率が０．５質量％以上であることが望ましい。よって、Ｃｕ含有率の下限値は０．５質量％である。

他方、Ｃｕを過剰に含有すると、融点が上昇するため、１．２質量％以下であることが望ましい。

よって、本発明のはんだ合金では、Ｃｕ含有率を０．５質量％以上、１．２質量％以下とする。

（Ｂｉ含有率）
Ｂｉは、はんだ材料の機械的強度の向上と融点の低下の目的で含有している。はんだ合金中では、Ｂｉ含有率が比較的小さい場合はβ−Ｓｎに固溶し、Ｂｉ含有率が大きくなるとＢｉまたはＢｉ化合物が析出する形で存在する。

Ｂｉ含有による機械的強度の向上の効果が得られるには、Ｂｉを０．１質量％以上含有している必要があり、Ｂｉ含有率は０．１質量％以上であることが望ましい。

他方、Ｂｉ含有率が大きくなると、機械的強度の向上と共に、延性が低下する。延性の低下を抑制するために、Ｂｉ含有率は０．５質量％以下であることが望ましい。

よって、本発明のはんだ合金では、Ｂｉ含有率を０．１質量％以上、０．５質量％以下とする。

以下、本発明の効果を明確にするために、所定の組成を有するはんだ合金（試料）を作製し、評価を行った。

まず、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ合金（ＢｉおよびＣｕを上述した範囲で更に含有する）について、Ｓｂ含有率による高温環境での強度および延性への影響を明確にするために、表１に示す金属組成を有するはんだ合金を作製し評価した。表１中、比較例１−４として、従来の一般的なＳｎ−Ａｇ系はんだ合金であるＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕについても作製し、高温環境での機械的特性の測定結果を併せて示す（以下の表においても同様とする）。

（表中、「bal.」は残部を表し、記号「−」は実質的に存在しないことまたは判定の対象外であることを表す。以下の表においても同様とする。）

本実施形態で評価した試料は、次の方法で作製するものとした。
はんだ合金に含有されるＳｎおよび他の各元素をそれぞれの含有率となるように、かつ合計で１００ｇとなるように秤量した。
秤量したＳｎを、セラミック製のるつぼ内に投入し、５００℃の温度および窒素雰囲気に調整して、電気式ジャケットヒータの中に設置した。
Ｓｎが溶融したことを確認した後、他の元素を融点の低い順に投入し、１種の元素を投入する毎に３分間攪拌した。
その後、るつぼを電気式ジャケットヒータから取り出して、２５℃の水が満たされた容器に浸漬して冷却し、これによりはんだ合金を作製した。

変態温度
β−Ｓｎとγの相変態が急激に進行する温度である変態温度を評価するために、上記で作製したはんだ合金を１０ｍｇ取り出し、示差走査熱量測定（Differential Scanning Calorimetry：DSC）を行った。測定時の昇温レートは１０℃／分とし、２５℃から２５０℃までの範囲で測定した。
図２は、実施例１−３のはんだ合金と比較例１−１のはんだ合金の測定結果を示している。示差操作熱量計曲線の変曲点（変態点）である点Ａおよび点Ｂの温度を読み取ることで、その変態温度を測定することができる。Ｓｂを含まない比較例１−１のはんだ合金では点Ａから変態温度が１５９℃となるのに対し、Ｓｂを１．０質量％含む実施例１−３のはんだ合金では点Ｂから変態温度が１７９℃に上昇していることが確認できる。
表１に示す他の実施例および比較例につき同様にして測定した変態温度を表１に併せて示す。なお、比較例１−４においては明確な変態温度を示さなかった。

高温環境での機械的特性（１５０℃での引張強度および伸び）
次に、はんだ合金の高温環境での機械的特性として強度および延性（それぞれ１５０℃での引張強度および伸び）を評価するために、引張試験片を用いて１５０℃環境での引張試験を行った。引張試験片は、上記で作製したはんだ合金をるつぼに投入し、電気式ジャケットヒータで２５０℃に加熱して溶融させ、引張試験片形状に加工されたグラファイト製の鋳型に流し込むことにより作製した。引張試験片は、直径３ｍｍ、長さ１５ｍｍのくびれ部を有する丸棒形状を有するものとした。１５０℃での引張試験の結果から、引張試験機のストロークひずみおよび引張応力を測定し、これらの最大値をそれぞれ伸び（破断伸び）および引張強度として測定した。結果を表１に併せて示す。

評価
変態温度が１５０℃以上、かつ機械的特性として強度を表す引張強度と延性を表す伸びの双方が比較例１−４の場合と比較して改善されている場合を判定「○」、特に１５０℃での伸びが比較例１−４の場合と比較して２倍以上改善されている場合を判定「◎」とし、本発明の効果が発現されているとしている。変態温度が１５０℃未満、引張強度および伸びの値が比較例１−４の場合の値未満のいずれかに該当する場合を判定「×」とする。

実施例１−１〜１−４に示すように、Ｓｂを０．５０〜１．２５質量％で含有する場合に変態温度が１５０℃以上、かつ強度（引張強度）および延性（伸び）が改善されており、本発明の効果が発現されている。他方、比較例１−１および１−２に示すＳｂ含有率が０．２５質量％以下の場合は、１５０℃での延性（伸び）は良好であるものの、Ａｇが含まれていないことにより強度が比較例１−４の場合より低くなっているため、判定は「×」である。比較例１−３に示すＳｂ含有率が１．５質量％の場合、ＩｎＳｂの生成が顕著になり、高温での延性が悪化し、判定は「×」である。
なお、これら実施例および比較例から、Ｉｎ含有率が５．０質量％である場合、いずれも変態温度は１５０℃以上であることが分かる。

表１に示す結果より、Ｓｂ含有率は０．５質量％以上、１．２５質量％以下の範囲である場合に本発明の効果を発現することが分かる。

次に、Ｉｎ含有率の影響を明確にするために、表２に示す金属組成を有するはんだ合金を作製し評価した。Ｓｂ含有率は上述の最小である０．５０質量％とし、はんだ合金の作製方法および評価方法は上述したものと同様である。

表２に示すように、Ｓｂ含有率が０．５質量％の場合、Ｉｎ含有率が４．５質量％〜６．０質量％の実施例２−１〜２−４の場合、変態温度が１５０℃以上であり、かつ１５０℃での引張強度および伸びがいずれも比較例１−４の場合と比較して向上している。
Ｉｎ含有率が小さい比較例２−１の場合、伸びは向上するものの、引張強度が十分でなく、判定は「×」である。また、Ｉｎ含有率の増加と共に変態温度は低下し、Ｉｎ含有率が６．５質量％である比較例２−２の場合には、１５０℃での引張強度および伸びはいずれも良好であるが、変態温度が１５０℃未満であるため、判定は「×」である。

次に、表３に示すような、Ｓｂ含有率の上限である１．２５質量％とした場合のはんだ合金を作製し評価した。はんだ合金の作製方法および評価方法は上述したものと同様である。

表３に示すように、Ｉｎ含有率の減少と共に変態温度は上昇し、Ｉｎ含有率が４．５質量％以下である比較例３−１および３−２においては明確な変態温度を示さなかった。引張強度および伸びの機械的特性に着目すると、Ｉｎ含有率がそれぞれ４．０質量％および４．５質量％の比較例３−１および３−２の場合、Ｉｎ含有率の減少と共に伸びは減少し、１５０℃での伸びが比較例１−４の場合より小さいため判定は「×」である。また、Ｉｎ含有率が５．５質量％の実施例３−２を境に、Ｉｎ含有率の増加と共に伸びは減少し、Ｉｎ含有率が６．５質量％の比較例３−２では１５０℃での伸びが比較例１−４の場合より小さいため判定は「×」である。

表２、３に示すそれぞれの結果を基に、本発明の効果を発現するＩｎ含有率の範囲（より詳細にはＳｂ含有率に対するＩｎ含有率の関係）は次のようになる。

Ｓｂ含有率が最小の０．５質量％の場合、Ｉｎ含有率が４．５質量％〜６．０質量％において本発明の効果が見られ、またＳｂ含有率が最大の１．２５質量％の場合、Ｉｎ含有率が５．０質量％〜６．０質量％において本発明の効果が見られる。Ｉｎ含有率の最小値はＳｂ含有率の増加と共に増加する。このことから、Ｉｎ含有率の最小値とＳｂ含有率の関係を線形近似すると、次の式１を満たす必要がある（なお、ａおよびｂは、Ｓｂ含有率［Ｓｂ］を横軸に、Ｉｎ含有率［Ｉｎ］を縦軸にとった直交座標系における直線の傾きおよび切片を表し、以下も同様である）。
（式１）
４．５＝０．５ａ＋ｂ
５．０＝１．２５ａ＋ｂ

表２〜３および式１を解くことから、Ｉｎ含有率とＳｂ含有率との関係は、次の式Ａを満たすものとして表される。
０．６６［Ｓｂ］＋４．１６≦［Ｉｎ］≦６．０ ・・・Ａ
但し、Ｓｂ含有率は、上述した説明から、下記の式を満たすことに留意されたい。
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５

また、本発明の効果が大きかった実施例２−１、２−２、３−２から、本発明の効果が大きくなる好ましい条件は次のように考えられる。

Ｓｂ含有率が０．５質量％の場合は、Ｉｎ含有率が最小４．５質量％の場合に本発明の効果が大きく、Ｓｂ含有率が１．２５質量％の場合は、Ｉｎ含有率が最小５．５質量％である。このことから、Ｉｎ含有率の最小値とＳｂ含有率の関係は、次の式２を満たす必要がある。
（式２）
４．５＝０．５ａ＋ｂ
５．５＝１．２５ａ＋ｂ

実施例２−１、２−２、３−２および式２を解くことから、Ｉｎ含有率の最小値とＳｂ含有率との関係は、次の式Ｂ１を満たすものとして表される。
１．３３［Ｓｂ］＋３．８３≦［Ｉｎ］ ・・・Ｂ１

Ｓｂ含有率が０．５質量％の場合は、Ｉｎ含有率が最大５．０質量％の場合に本発明の効果が大きく、Ｓｂ含有率が１．２５質量％の場合は、Ｉｎ含有率が最大５．５質量％である。このことから、Ｉｎ含有率の最大値とＳｂ含有率の関係は、次の式３を満たす必要がある。
（式３）
５．０＝０．５ａ＋ｂ
５．５＝１．２５ａ＋ｂ

実施例２−１、２−２、３−２および式３を解くことから、Ｉｎ含有率の最大値とＳｂ含有率との関係は、次の式Ｂ２を満たすものとして表される。
［Ｉｎ］≦０．６７［Ｓｂ］＋４．６７ ・・・Ｂ２

式２および式３より、Ｉｎ含有率とＳｂ含有率との関係は、次の式Ｂを満たすものとして表される。
１．３３［Ｓｂ］＋３．８３≦［Ｉｎ］≦０．６７［Ｓｂ］＋４．６７
但し、Ｓｂ含有率は、上述した説明から、下記の式を満たすことに留意されたい。
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５

以上のようにして決定した各元素の含有率に基づいて、表４に示す金属組成を有する実施例および比較例のはんだ合金を作製し、耐熱疲労特性を評価した。はんだ合金の作製方法は上述したものと同様である。なお、表４中、従来例１〜４として、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕを添加したはんだ合金についても作製し、同様に耐熱疲労特性を評価した。

耐熱疲労特性の評価にあたっては、電子部品が回路基板に実装された実装構造体であって、電子部品の電極部と回路基板の電極部とが、本実施形態のはんだ合金によって接合されている実装構造体を作製した。より詳細には、図３に示すように、本実施形態の実装構造体１００は、回路基板１０１の表面に電極部として形成された回路基板電極（例えばランド）１０２に、チップ抵抗１０３の電極部（図示せず）が、本実施形態のはんだ合金から形成されたはんだ接合部１０４により接合されている。

耐熱疲労特性の評価方法は次の通りである。
まず、作製したはんだ合金を、粒径数十μｍのはんだ粉に加工し、はんだ粉とフラックス（有機溶剤、ロジン、還元成分、チキソ剤から構成される）とを９０：１０の重量比となるように秤量し、これらを混練することではんだペーストを作製した。このはんだペーストを、厚さ１５０μｍのメタルマスクを用いて回路基板１０１上の回路基板電極１０２に印刷した。印刷したはんだペースト上に、チップ抵抗１０３を搭載し、最高２４０℃の条件でリフロー加熱を行い、回路基板電極１０１とチップ抵抗１０３とをはんだ接合部１０４を形成して接合することで、実装構造体を作製した。使用した回路基板１０１の回路基板電極１０２の母材は、ＣｕおよびＮｉであった。
このようにして作製した実装構造体を−４０℃／１５０℃の温度サイクル試験に付して、２０００サイクル後のはんだ接合部１０４の変形を目視観察した。目視観察で変形が認められなかった場合に電気的接続の評価を行い、初期との抵抗値の変化が１０％以上あったものを電気的不良「あり」とし、変化が無かったものまたは１０％未満であったものを電気的不良「なし」として判定した。なお、表４の電気的不良欄における「−」は評価を行わなかったことを示す。

表４に示すように、上述のようにして決定したはんだ合金の組成範囲に含まれる実施例４−１〜４−１０では、はんだ接合部の自己変形が発生せず、かつ、短絡や断線の電気的不良が発生しなかった。
他方、Ｉｎ、Ｓｂ含有率が異なる比較例４−１〜４−３、４−５、４−６では、はんだ接合部の電気的不良が発生し、Ｓｂ含有率が比較的小さくＩｎ含有率が過度に大きい比較例４−４およびＳｂを含まずＩｎ含有率が過度に大きい従来例４では、はんだ接合部の自己変形が発生した。
Ｃｕを含有しない比較例４−７では、回路基板電極の母材がＮｉの場合に断線が発生した。
また、Ｃｕ含有率が１．５質量％の比較例４−８、Ｂｉを含有しない比較例４−９、Ｂｉ含有率が１．０質量％の比較例４−１０、Ａｇを含む従来の一般的なはんだ合金である比較例１−４、ならびに従来例１〜３では、電気的不良が発生した。

従って、表１〜４に示す評価結果から、
Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５
０．６６［Ｓｂ］＋４．１６≦［Ｉｎ］≦６．０
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２
０．１≦［Ｂｉ］≦０．５
（式中、［Ｓｂ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＳｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
を満たす、はんだ合金において、本発明の効果を奏することが確認された。

本実施形態のはんだ合金は、好ましくは、Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５
１．３３［Ｓｂ］＋３．８３≦［Ｉｎ］≦０．６７［Ｓｂ］＋４．６７
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２
０．１≦［Ｂｉ］≦０．５
（式中、［Ｓｂ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＳｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
を満たす。

本実施形態のはんだ合金は、少なくともＳｂが固溶したγ相およびβ−Ｓｎ相を含む合金組織で構成され得る。

以上から理解されるように、本発明のはんだ合金は、Ａｇを実質的に含まず、かつ、リードを有しない電子部品のはんだ付けに使用された場合であっても最高１５０℃の高温環境における耐熱疲労特性に優れたはんだ接合部を形成することが可能となる。

本発明の実装構造体は、電子部品の電極部と回路基板の電極部とが、前述のはんだ合金によって接合されていることを特徴とする。これによれば、最高１５０℃の環境においても、耐熱疲労特性により優れた接合を有する実装構造体を提供することができる。

電子部品および回路基板には任意のものを使用することが可能である。電子部品の電極部および回路基板の電極部は、任意の適切な導電性材料から成っていてよく、これらは、被接合部材として上述したように、Ｃｕおよび／またはＮｉを含むものであってもよい。電子部品の電極部はリードを有していても、有していなくてもよく、いずれの場合にも（リードを有しない電子部品であっても）最高１５０℃の高温環境における耐熱疲労特性に優れた接合を有する実装構造体を提供することができる。また、はんだ合金は、任意の形態を有し得、単独で（例えば粉末、糸ハンダ、溶融液、プリフォームはんだなどの形態で）、またはフラックスなどと一緒に（例えばはんだペーストやヤニ入りはんだなどの形態で）、はんだ付けに使用され得る。はんだ付けの条件は、適宜選択され得る。

本発明のはんだ合金および実装構造体は、Ａｇを実質的に含まずに、１５０℃の高温環境においても機械的特性（より詳細には強度および延性）に優れたはんだ接合部を実現することが可能であり、例えば、エンジンルームなどの高温環境で長期間の電気的導通確保が求められる自動車電装品の実装構造体等に利用するために有用である。

１００ 実装構造体
１０１ 回路基板
１０２ 回路基板電極
１０３ チップ抵抗
１０４ はんだ接合部

Claims (4)

1. Ｓｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：
   ０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５
   ０．６６［Ｓｂ］＋４．１６≦［Ｉｎ］≦６．０
   ０．５≦［Ｃｕ］≦１．２
   ０．１≦［Ｂｉ］≦０．５
   （式中、［Ｓｂ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＳｂ、Ｉｎ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
   を満たす、はんだ合金。
2. 以下の式：
   １．３３［Ｓｂ］＋３．８３≦［Ｉｎ］≦０．６７［Ｓｂ］＋４．６７
   を更に満たす、請求項１に記載のはんだ合金。
3. 少なくともＳｂが固溶したγ相およびβ−Ｓｎ相を含む合金組織を有する、請求項１または２に記載のはんだ合金。
4. 電子部品が回路基板に実装された実装構造体であって、電子部品の電極部と回路基板の電極部とが、請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ合金によって接合されている、実装構造体。

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