JP2018058121A - Lead-free solder alloy, electronic circuit board and electronic control device - Google Patents

Lead-free solder alloy, electronic circuit board and electronic control device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free solder alloy capable of inhibiting crack progress of a solder joint part even under such rough environments where a temperature difference is huge and vibration is loaded and also capable of restraining crack progress in the vicinity of interface of an electronic part and the solder joint part even when solder-joining using a non-plated electronic part, and to provide an electronic circuit board and an electronic control device.SOLUTION: There is provided a lead-free solder alloy comprising in wt.%: more than 2-3.1% Ag, 1% or less Cu, 3-5% Sb, 3.1-3.2% Bi, 0.01-0.25% Ni, 0.001-0.25% Co and the balance Sn. The crack completely crossing the solder joint part using the lead-free solder alloy does not generate even when applying 2,000 times of cold heat shock cycle to the solder joint part using a liquid tank type cold heat impact tester set to a condition of -40°C (for 5 min.) to 150°C (for 5 min.).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金、並びに当該鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有する電子回路基板および電子制御装置に関する。   The present invention relates to a lead-free solder alloy, and an electronic circuit board and an electronic control device having a solder joint formed using the lead-free solder alloy.

従来より、プリント配線板やシリコンウエハといった基板上に形成される電子回路に電子部品を接合する際には、はんだ合金を用いたはんだ接合方法が採用されている。このはんだ合金には鉛を使用するのが一般的であった。しかし環境負荷の観点からRoHS指令等によって鉛の使用が制限されたため、近年では鉛を含有しない、所謂鉛フリーはんだ合金によるはんだ接合方法が一般的になりつつある。
この鉛フリーはんだ合金としては、例えばSn−Cu系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系、Sn−Zn系はんだ合金等がよく知られている。その中でもテレビ、携帯電話等に使用される民生用電子機器や自動車に搭載される車載用電子機器には、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金が多く使用されている。
鉛フリーはんだ合金は、鉛含有はんだ合金と比較してはんだ付性が多少劣るものの、フラックスやはんだ付装置の改良によってこのはんだ付性の問題はカバーされている。そのため、例えば車載用電子回路基板であっても、自動車の車室内のように寒暖差はあるものの比較的穏やかな環境下に置かれるものにおいては、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部でも大きな問題は生じていない。
Conventionally, when an electronic component is joined to an electronic circuit formed on a substrate such as a printed wiring board or a silicon wafer, a solder joining method using a solder alloy has been employed. It was common to use lead for this solder alloy. However, since the use of lead is restricted by the RoHS directive or the like from the viewpoint of environmental load, a solder joining method using a so-called lead-free solder alloy which does not contain lead is becoming common in recent years.
As this lead-free solder alloy, for example, Sn—Cu, Sn—Ag—Cu, Sn—Bi, and Sn—Zn solder alloys are well known. Among them, Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy is often used in consumer electronic devices used for televisions, mobile phones, etc. and in-vehicle electronic devices mounted on automobiles.
Although the lead-free solder alloy is somewhat inferior in solderability as compared with the lead-containing solder alloy, the problem of solderability is covered by the improvement of the flux and the soldering apparatus. For this reason, for example, even in an in-vehicle electronic circuit board, a Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy is used in an in-vehicle electronic circuit board that is placed in a relatively mild environment although there is a difference in temperature. There is no major problem with the solder joints formed.

しかし近年では、例えば電子制御装置に用いられる電子回路基板のように、エンジンコンパートメントやエンジン直載、モーターとの機電一体化といった寒暖差が特に激しく(例えば−30℃から110℃、−40℃から125℃、−40℃から150℃といった寒暖差)、加えて振動負荷を受けるような過酷な環境下での電子回路基板の配置の検討および実用化がなされている。このような寒暖差の非常に激しい環境下では、実装された電子部品と基板との線膨張係数の差によるはんだ接合部の熱変位およびこれに伴う応力が発生し易い。そして寒暖差による塑性変形の繰り返しははんだ接合部に亀裂を引き起こし易く、更に時間の経過と共に繰り返し与えられる応力は上記亀裂の先端付近に集中するため、当該亀裂ははんだ接合部の深部まで横断的に進展し易くなる。このように著しく進展した亀裂は、電子部品と基板上に形成された電子回路との電気的接続の切断を引き起こしてしまう。特に激しい寒暖差に加え電子回路基板に振動が負荷される環境下にあっては、上記亀裂およびその進展は更に発生し易い。
そのため、上述の過酷な環境下に置かれる車載用電子回路基板および電子制御装置が増える中で、十分な亀裂進展抑制効果を発揮し得るSn−Ag−Cu系はんだ合金を用いたソルダペースト組成物への要望は、今後ますます大きくなることが予想される。
However, in recent years, for example, electronic circuit boards used in electronic control devices, the temperature difference between the engine compartment, the engine directly mounted, and the electromechanical integration with the motor is particularly severe (for example, from −30 ° C. to 110 ° C., from −40 ° C. 125 ° C, -40 ° C to 150 ° C (temperature difference between heat and cold)), and in addition, the arrangement and implementation of electronic circuit boards have been studied in a harsh environment that is subject to vibration load. Under such an environment where the temperature difference is very severe, thermal displacement of the solder joint and stress associated therewith are likely to occur due to the difference in the coefficient of linear expansion between the mounted electronic component and the board. Repeated plastic deformation due to temperature difference tends to cause cracks in the solder joints, and stress applied repeatedly over time concentrates near the tip of the crack, so the cracks cross to the deep part of the solder joints. Easy to progress. The crack that has progressed remarkably in this way causes the disconnection of the electrical connection between the electronic component and the electronic circuit formed on the substrate. In particular, in an environment in which vibration is loaded on the electronic circuit board in addition to a severe temperature difference, the cracks and their progress are more likely to occur.
Therefore, a solder paste composition using a Sn—Ag—Cu based solder alloy capable of exhibiting a sufficient crack growth suppressing effect in an increasing number of on-vehicle electronic circuit boards and electronic control devices placed in the harsh environment described above. The demand for is expected to increase in the future.

また、車載用電子回路基板に搭載されるQFP(Quad Flat Package)、SOP(Small Outline Package)といった電子部品のリード部分には、従来、Ni/Pd/AuめっきやNi/Auめっきのされた部品が多用されていた。しかし近年の電子部品の低コスト化や基板のダウンサイジング化に伴い、リード部分をSnめっきに替えた電子部品やSnめっきされた下面電極をもつ電子部品の検討および実用化がなされている。
はんだ接合時において、Snめっきされた電子部品は、Snめっきおよびはんだ接合部に含まれるSnとリード部分や前記下面電極に含まれるCuとの相互拡散を発生させ易い。この相互拡散により、はんだ接合部と前記リード部分や前記下面電極との界面付近の領域(以下、本明細書においては「界面付近」という。)にて、金属間化合物であるCuSn層が凸凹状に大きく成長する。前記CuSn層は元々硬くて脆い性質を有する上に、凸凹状に大きく成長したCuSn層は更に脆くなる。そのため、特に上述の過酷な環境下においては、前記界面付近ははんだ接合部と比較して亀裂が発生し易く、また発生した亀裂はこれを起点として一気に進展するため、電気的短絡が生じ易い。
従って、今後は上述の過酷な環境下でNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いた場合であっても前記界面付近における亀裂進展抑制効果を発揮し得る鉛フリーはんだ合金への要望も大きくなることが予想される。
In addition, the lead parts of electronic parts such as QFP (Quad Flat Package) and SOP (Small Outline Package) mounted on a vehicle-mounted electronic circuit board are conventionally Ni / Pd / Au plated parts or Ni / Au plated parts. Was heavily used. However, with the recent cost reduction of electronic components and downsizing of substrates, electronic components having lead portions replaced with Sn plating and electronic components having a Sn-plated bottom electrode have been studied and put into practical use.
At the time of soldering, the Sn-plated electronic component is likely to cause mutual diffusion between Sn contained in the Sn plating and solder joint and Cu contained in the lead portion and the lower electrode. Due to this interdiffusion, the Cu 3 Sn layer, which is an intermetallic compound, is formed in a region near the interface between the solder joint and the lead portion or the lower electrode (hereinafter referred to as “near the interface” in this specification). Grows greatly in an uneven shape. The Cu 3 Sn layer is originally hard and brittle, and the Cu 3 Sn layer that has grown greatly in an uneven shape is further brittle. Therefore, particularly in the above-mentioned severe environment, cracks are likely to occur near the interface as compared with the solder joints, and the cracks that have occurred start at once, so that an electrical short circuit is likely to occur.
Therefore, in the future, even when using electronic parts that are not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating under the harsh environment described above, lead-free that can exhibit the effect of suppressing crack growth near the interface The demand for solder alloys is also expected to increase.

これまでもSn−Ag−Cu系はんだ合金にAgやBiといった元素を添加することによりはんだ接合部の強度とこれに伴う熱疲労特性を向上させ、これにより上記はんだ接合部の亀裂進展を抑制する方法はいくつか開示されている(特許文献1から特許文献7参照)。   Until now, by adding elements such as Ag and Bi to the Sn—Ag—Cu based solder alloy, the strength of the solder joint and the accompanying thermal fatigue characteristics are improved, thereby suppressing the crack propagation of the solder joint. Several methods are disclosed (see Patent Document 1 to Patent Document 7).

特開平5−228685号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-228685 特開平9−326554号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-326554 特開2000−190090号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-190090 特開2000−349433号公報JP 2000-349433 A 特開2008−28413号公報JP 2008-28413 A 国際公開パンフレットWO2009/011341号International Publication Pamphlet WO2009 / 011341 特開2012−81521号公報JP 2012-81521 A

はんだ合金にBiを添加した場合、Biははんだ合金の原子配列の格子に入り込みSnと置換することで原子配列の格子を歪ませる。これによりSnマトリックスが強化され、合金強度が向上するため、Biの添加によるはんだ亀裂進展特性の一定の向上は見込まれる。   When Bi is added to the solder alloy, Bi enters the lattice of the atomic arrangement of the solder alloy and substitutes Sn to distort the atomic arrangement of the lattice. As a result, the Sn matrix is strengthened and the alloy strength is improved, so that a certain improvement in the solder crack growth characteristics due to the addition of Bi is expected.

しかしBiの添加により高強度化した鉛フリーはんだ合金は延伸性が悪化し、脆性が強まるというデメリットがある。出願人がBiを添加した従来の鉛フリーはんだ合金を用いて基板とチップ抵抗部品とをはんだ接合しこれを寒暖差の激しい環境下に置いたところ、チップ抵抗部品側にあるフィレット部分において、チップ抵抗部品の長手方向に対して約45°の方向から亀裂が直線状に入り電気的短絡が発生した。従って、特に寒暖の差の激しい環境下に置かれる車載用基板においては従来のような高強度化のみでは亀裂進展抑制効果は十分ではなく、高強度化に加え新たな亀裂進展抑制方法の出現が望まれる。   However, a lead-free solder alloy that has been strengthened by the addition of Bi has the demerit that extensibility deteriorates and brittleness increases. When the applicant soldered the substrate and the chip resistor component using a conventional lead-free solder alloy to which Bi was added and placed it in an environment with a severe temperature difference, the chip in the fillet portion on the chip resistor component side The crack entered a straight line from the direction of about 45 ° with respect to the longitudinal direction of the resistance component, and an electrical short circuit occurred. Therefore, in particular, in automotive boards placed in an environment where there is a great difference in temperature, the effect of suppressing crack growth is not sufficient only by increasing the strength as in the past, and in addition to increasing the strength, a new crack growth suppressing method has emerged. desired.

またNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いてはんだ接合をした場合、前記界面付近にて金属間化合物であるCuSn層が凸凹状に大きく成長するため、この界面付近における亀裂進展の抑制は難しい。 In addition, when solder bonding is performed using an electronic component that is not plated with Ni / Pd / Au or Ni / Au, the Cu 3 Sn layer, which is an intermetallic compound, grows greatly in an uneven shape near the interface. It is difficult to suppress crack growth near this interface.

本発明は上記課題を解決するものであり、寒暖の差が激しく、振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部の亀裂進展を抑制でき、且つNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いてはんだ接合をした場合においても前記界面付近における亀裂進展を抑制することのできる鉛フリーはんだ合金、並びに当該鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有する電子回路基板および電子制御装置を提供することをその目的とする。   The present invention solves the above-described problems, and can suppress the crack progress of the solder joint even under a severe environment where the difference between the temperature and the temperature is intense and the vibration is applied, and Ni / Pd / Au plating or Ni / Lead-free solder alloy capable of suppressing crack growth in the vicinity of the interface even when soldered using electronic parts not plated with Au, and solder joint formed using the lead-free solder alloy An object of the present invention is to provide an electronic circuit board and an electronic control device having a section.

(1)本発明の鉛フリーはんだ合金は、Agを2重量%超3.1重量%以下と、Cuを1重量%以下と、Sbを3重量%以上5重量%以下と、Biを3.1重量%以上3.2重量%以下と、Niを0.01重量%以上0.25重量%以下と、Coを0.001重量%以上0.25重量%以下含み残部がSnからなる鉛フリーはんだ合金であって、3.2×1.6mmチップ部品および2.0×1.2mmチップ部品と基板とをそれぞれ接合する前記鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部に対し−40℃(5分間)から150℃(5分間)の条件に設定した液槽式冷熱衝撃試験装置を用いて冷熱衝撃サイクルを2,000回与えた場合であっても前記はんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しないことをその特徴とする。 (1) In the lead-free solder alloy of the present invention, Ag is more than 2% by weight and 3.1% by weight or less, Cu is 1% by weight or less, Sb is 3% by weight or more and 5% by weight or less, and Bi is 3. Lead-free consisting of 1 wt% to 3.2 wt%, Ni from 0.01 wt% to 0.25 wt%, Co from 0.001 wt% to 0.25 wt%, the balance being Sn -40 to a solder joint formed by using the lead-free solder alloy, which is a solder alloy and joins a 3.2 × 1.6 mm chip component and a 2.0 × 1.2 mm chip component to a substrate, respectively. Even when a thermal shock cycle is applied 2,000 times using a liquid bath type thermal shock test apparatus set at a temperature of 150 ° C. (5 minutes) to 150 ° C. (5 minutes), the solder joint is completely traversed. The feature is that no cracks occur.

(2)上記(1)に記載の構成にあって、本発明の鉛フリーはんだ合金は、Agを2重量%超3.1重量%以下と、Cuを1重量%以下と、Sbを3重量%以上5重量%以下と、Biを3.1重量%以上3.2重量%以下と、Niを0.01重量%以上0.25重量%以下と、Coを0.001重量%以上0.25重量%以下含み残部がSnからなり、AgとCuとSbとBiとNiとCoのそれぞれの含有量(重量%)が下記式(A)から(D)の全てを満たし、3.2×1.6mmチップ部品および2.0×1.2mmチップ部品と基板とをそれぞれ接合する前記鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部に対し−40℃(5分間)から150℃(5分間)の条件に設定した液槽式冷熱衝撃試験装置を用いて冷熱衝撃サイクルを2,000回与えた場合であっても前記はんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しないことをその特徴とする。
1.6≦Ag含有量+(Cu含有量/0.5)≦5.9 … A
0.85≦(Ag含有量/3)+(Bi含有量/4.5)≦ 2.10 … B
3.6 ≦ Ag含有量+Sb含有量≦ 8.9 … C
0<(Ni含有量/0.25)+(Co含有量/0.25)≦1.19 …D
(2) In the configuration described in (1) above, the lead-free solder alloy of the present invention has Ag more than 2% by weight and 3.1% by weight, Cu is less than 1% by weight, and Sb is 3% by weight. % To 5% by weight, Bi from 3.1% to 3.2% by weight, Ni from 0.01% to 0.25% by weight, and Co from 0.001% to 0.02% by weight. The balance is 25% by weight or less, and the balance is Sn, and the contents (% by weight) of Ag, Cu, Sb, Bi, Ni and Co satisfy all of the following formulas (A) to (D). -40 ° C. (5 minutes) to 150 ° C. (5 ° C.) for a solder joint formed by using the lead-free solder alloy for joining a 1.6 mm chip component and a 2.0 × 1.2 mm chip component and a substrate, respectively. The thermal shock cycle using the liquid tank type thermal shock test equipment set to the condition of Even when it is applied 2,000 times, it is characterized in that a crack that completely crosses the solder joint does not occur.
1.6 ≦ Ag content + (Cu content / 0.5) ≦ 5.9 A
0.85 ≦ (Ag content / 3) + (Bi content / 4.5) ≦ 2.10 B
3.6 ≦ Ag content + Sb content ≦ 8.9… C
0 <(Ni content / 0.25) + (Co content / 0.25) ≦ 1.19... D

(3)上記(1)または(2)のいずれかに記載の構成にあって、Niの含有量は0.01重量%以上0.03重量%以下であることをその特徴とする。 (3) In the constitution described in either (1) or (2) above, the Ni content is 0.01% by weight or more and 0.03% by weight or less.

(4)上記(1)から(3)のいずれか1に記載の構成にあって、Coの含有量が0.001重量%以上0.008重量%以下であることをその特徴とする。 (4) In the configuration described in any one of (1) to (3) above, the Co content is 0.001 wt% or more and 0.008 wt% or less.

(5)上記(1)から(4)のいずれか1に記載の構成にあって、更にP、Ga、およびGeの少なくとも1種を合計で0.001重量%以上0.05重量%以下含むことをその特徴とする。 (5) In the configuration described in any one of (1) to (4) above, further includes at least one of P, Ga, and Ge in a total of 0.001 wt% to 0.05 wt% It is characterized by that.

(6)上記(1)から(5)のいずれか1に記載の構成にあって、更にFe、Mn、Cr、およびMoの少なくとも1種を合計で0.001重量%以上0.05重量%以下含むことをその特徴とする。 (6) In the configuration described in any one of (1) to (5) above, at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo is further added in a total of 0.001 wt% or more and 0.05 wt% The following features are included.

(7)本発明の電子回路基板は、上記(1)から(6)のいずれか1に記載の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有することをその特徴とする。 (7) The electronic circuit board of the present invention is characterized by having a solder joint formed using the lead-free solder alloy described in any one of (1) to (6) above.

(8)本発明の電子制御装置は、上記(7)に記載の電子回路基板を有することをその特徴とする。 (8) The electronic control device of the present invention is characterized by having the electronic circuit board described in (7) above.

本発明の鉛フリーはんだ合金、並びに当該鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有する電子回路基板および電子制御装置は、寒暖の差が激しく、振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部の亀裂進展を抑制でき、またNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いてはんだ接合をした場合においても、前記界面付近における亀裂進展を抑制することができる。   The lead-free solder alloy of the present invention, and the electronic circuit board and electronic control device having a solder joint formed using the lead-free solder alloy have a severe environment in which a difference in temperature is intense and vibration is loaded. Can suppress crack growth at the solder joints even underneath, and suppresses crack growth near the interface even when soldering is performed using electronic parts that are not plated with Ni / Pd / Au or Ni / Au can do.

本発明の一実施形態に係り、電子回路基板の一部を表した部分断面図。1 is a partial cross-sectional view illustrating a part of an electronic circuit board according to an embodiment of the present invention. 本発明の比較例に係る試験基板において、チップ部品のフィレット部にボイドが発生した断面を表す電子顕微鏡写真。The electron micrograph showing the cross section in which the void generate | occur | produced in the fillet part of a chip component in the test board | substrate which concerns on the comparative example of this invention. 本発明の実施例および比較例に係る試験基板において、チップ部品の電極下の領域およびフィレットが形成されている領域を表す、X線透過装置を用いてチップ部品側から撮影した写真。The photograph taken from the chip component side using the X-ray transmissive apparatus showing the area | region under the electrode of a chip component, and the area | region in which the fillet is formed in the test board which concerns on the Example and comparative example of this invention.

以下、本発明の鉛フリーはんだ合金、並びに電子回路基板および電子制御装置の一実施形態を詳述する。なお、本発明が以下の実施形態に限定されるものではないことはもとよりである。   Hereinafter, an embodiment of a lead-free solder alloy, an electronic circuit board, and an electronic control device of the present invention will be described in detail. Of course, the present invention is not limited to the following embodiments.

(1)鉛フリーはんだ合金
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、1重量%以上3.1重量%以下のAgを含有させることができる。Agを添加することにより、鉛フリーはんだ合金のSn粒界中にAgSn化合物を析出させ、機械的強度を付与することができる。
但し、Agの含有量が1重量%未満の場合、AgSn化合物の析出が少なく、鉛フリーはんだ合金の機械的強度および耐熱衝撃性が低下するので好ましくない。またAgを3.1重量%を超えて添加しても引っ張り強度は大幅には向上せず、飛躍的な耐熱疲労特性の向上には結びつかない。また高価なAgの含有量を増やすことは経済的に好ましくない。更にAgの含有量が4重量%を超える場合、鉛フリーはんだ合金の延伸性が阻害され、これを用いて形成されるはんだ接合部が電子部品の電極剥離現象を引き起こす虞があるので好ましくない。
またAgの含有量を2重量%以上3.1重量%以下とすると、鉛フリーはんだ合金の強度と延伸性のバランスをより良好にできる。更に好ましいAgの含有量は2.5重量%以上3.1重量%以下である。
(1) Lead-free solder alloy The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 1 wt% or more and 3.1 wt% or less of Ag. By adding Ag, the Ag 3 Sn compound can be precipitated in the Sn grain boundary of the lead-free solder alloy, and mechanical strength can be imparted.
However, when the Ag content is less than 1% by weight, the Ag 3 Sn compound is less precipitated, and the mechanical strength and thermal shock resistance of the lead-free solder alloy are lowered, which is not preferable. Moreover, even if Ag is added in an amount exceeding 3.1% by weight, the tensile strength is not significantly improved, and it does not lead to a dramatic improvement in thermal fatigue resistance. It is economically undesirable to increase the content of expensive Ag. Furthermore, when the Ag content exceeds 4% by weight, the stretchability of the lead-free solder alloy is hindered, and a solder joint formed using this may cause an electrode peeling phenomenon of an electronic component, which is not preferable.
Further, when the Ag content is 2% by weight or more and 3.1% by weight or less, the balance between strength and stretchability of the lead-free solder alloy can be improved. A more preferable Ag content is 2.5 wt% or more and 3.1 wt% or less.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、1重量%以下のCuを含有させることができる。この範囲でCuを添加することで、電子回路のCuランドに対するCu食われ防止効果を発揮すると共に、Sn粒界中にCuSn化合物を析出させることにより鉛フリーはんだ合金の耐熱衝撃性を向上させることができる。なお、Cuの含有量を0.5重量%から1重量%とすると良好なCu喰われ防止効果を発揮することができる。特にCuの含有量が0.7重量%以下の場合、Cuランドに対するCu食われ防止効果を発揮することができると共に、溶融時の鉛フリーはんだ合金の粘度を良好な状態に保つことができ、リフロー時におけるボイドの発生を抑制し、形成するはんだ接合部の耐熱衝撃性を向上することができる。更には、溶融した鉛フリーはんだ合金のSn結晶粒界に微細なCuSnが分散することで、Snの結晶方位の変化を抑制し、はんだ接合形状(フィレット形状)の変形を抑制することができる。
なおCuの含有量が1重量%を超えると、はんだ接合部の電子部品および電子回路基板との界面近傍にCuSn化合物が析出し易くなり、接合信頼性やはんだ接合部の延伸性を阻害する虞があるため好ましくない。
The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 1 wt% or less of Cu. By adding Cu in this range, the effect of preventing Cu erosion to Cu lands of electronic circuits is exhibited, and the thermal shock resistance of the lead-free solder alloy is improved by precipitating Cu 6 Sn 5 compounds in Sn grain boundaries. Can be improved. When the Cu content is 0.5 wt% to 1 wt%, a good Cu erosion prevention effect can be exhibited. In particular, when the Cu content is 0.7% by weight or less, the Cu erosion preventing effect on the Cu land can be exhibited, and the viscosity of the lead-free solder alloy at the time of melting can be kept in a good state. Generation | occurrence | production of the void at the time of reflow can be suppressed, and the thermal shock resistance of the solder joint part to form can be improved. Furthermore, fine Cu 6 Sn 5 is dispersed in the Sn grain boundary of the molten lead-free solder alloy, thereby suppressing changes in Sn crystal orientation and suppressing deformation of the solder joint shape (fillet shape). Can do.
If the Cu content exceeds 1% by weight, the Cu 6 Sn 5 compound is likely to be deposited near the interface between the electronic component and the electronic circuit board in the solder joint, thereby improving the joint reliability and the stretchability of the solder joint. Since there exists a possibility of inhibiting, it is not preferable.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、1重量%以上5重量%以下のSbを含有させることができる。この範囲でSbを添加することで、Sn−Ag−Cu系はんだ合金の延伸性を阻害することなくはんだ接合部の亀裂進展抑制効果を向上させることができる。特にSbの含有量を2重量%以上4重量%以下とすると、亀裂進展抑制効果を更に向上させることができる。   The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 1 wt% or more and 5 wt% or less of Sb. By adding Sb within this range, it is possible to improve the crack growth suppressing effect of the solder joint without inhibiting the stretchability of the Sn—Ag—Cu solder alloy. In particular, when the Sb content is 2% by weight or more and 4% by weight or less, the crack growth suppressing effect can be further improved.

ここで、寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝されるという外部応力に耐えるには、鉛フリーはんだ合金の靭性(応力−歪曲線で囲まれた面積の大きさ)を高め、延伸性を良好にし、且つSnマトリックスに固溶する元素を添加して固溶強化をすることが有効であると考えられる。そして、十分な靱性および延伸性を確保しつつ、鉛フリーはんだ合金の固溶強化を行うためにはSbが最適な元素となる。
即ち、実質的に母材(本明細書においては鉛フリーはんだ合金の主要な構成要素を指す。以下同じ。)をSnとする鉛フリーはんだ合金に上記範囲でSbを添加することで、Snの結晶格子の一部がSbに置換され、その結晶格子に歪みが発生する。そのため、このような鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部は、Sn結晶格子の一部のSb置換により前記結晶中の転移に必要なエネルギーが増大してその金属組織が強化される。更には、Sn粒界に微細なSnSb、ε−Ag(Sn,Sb)化合物が析出することにより、Sn粒界のすべり変形を防止することではんだ接合部に発生する亀裂の進展を抑制し得る。
Here, in order to withstand the external stress of being exposed to a harsh environment for a long time in a severe temperature difference, the toughness of lead-free solder alloy (the size of the area surrounded by the stress-strain curve) is increased and stretched. It is considered effective to enhance the solid solution by adding an element which dissolves in the Sn matrix and dissolves in the Sn matrix. Then, Sb is an optimum element for solid solution strengthening of the lead-free solder alloy while ensuring sufficient toughness and stretchability.
That is, by adding Sb in the above range to a lead-free solder alloy having Sn as a base material (in this specification, the main constituent elements of a lead-free solder alloy; the same shall apply hereinafter), Sn A part of the crystal lattice is replaced with Sb, and distortion occurs in the crystal lattice. Therefore, in the solder joint formed using such a lead-free solder alloy, the energy necessary for transition in the crystal is increased by Sb substitution of a part of the Sn crystal lattice, and the metal structure is strengthened. . Furthermore, the fine SnSb and ε-Ag 3 (Sn, Sb) compound precipitates on the Sn grain boundary, thereby preventing the deformation of cracks occurring in the solder joints by preventing the sliding deformation of the Sn grain boundary. obtain.

また、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金に比べ、上記範囲でSbを添加した鉛フリーはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部の組織は、寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝した後もSn結晶が微細な状態を確保しており、亀裂が進展しにくい構造であることを確認した。これはSn粒界に析出しているSnSb、ε−Ag(Sn,Sb)化合物が寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝した後においてもはんだ接合部内に微細に分散しているため、Sn結晶の粗大化が抑制されているものと考えられる。即ち、上記範囲内でSbを添加した鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部は、高温状態ではSnマトリックス中へのSbの固溶が、低温状態ではSnSb、ε−Ag(Sn,Sb)化合物の析出が起こるため、寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝された場合にも、高温下では固溶強化、低温下では析出強化の工程が繰り返されることにより、優れた耐冷熱衝撃性を確保し得ると考えられる。 Compared to Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy, the structure of the solder joint formed using the lead-free solder alloy with Sb added in the above range is exposed to harsh environments where the temperature difference is severe for a long time. After that, it was confirmed that the Sn crystal had a fine structure and the crack was difficult to progress. This is because the SnSb and ε-Ag 3 (Sn, Sb) compounds precipitated at the Sn grain boundaries are finely dispersed in the solder joint even after being exposed to a harsh environment where the temperature difference is severe. Therefore, it is thought that the coarsening of the Sn crystal is suppressed. That is, in the solder joint portion using the lead-free solder alloy with Sb added within the above range, Sb solid solution in the Sn matrix is high temperature state, SnSb, ε-Ag 3 (Sn, Sb) in the low temperature state. Since precipitation of compounds occurs, even when exposed to harsh environments where there is a great difference in temperature, the process of solid solution strengthening at high temperatures and precipitation strengthening at low temperatures is repeated, resulting in excellent cold resistance. It is thought that impact properties can be secured.

さらに、上記範囲でSbを添加した鉛フリーはんだ合金は、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金に対して延伸性を低下させずにその強度を向上させることができるため、外部応力に対する十分な靱性を確保でき、残留応力も緩和することができる。ここで、延伸性の低いはんだ合金を用いて形成されたはんだ接合部を寒暖の差の激しい環境下に置いた場合、繰り返し発生する応力は当該はんだ接合部の電子部品側に蓄積し易くなる。そのため、深部亀裂は電子部品の電極近傍のはんだ接合部にて発生することが多い。この結果、この亀裂近傍の電子部品の電極に応力が集中してしまい、はんだ接合部が電子部品側の電極を剥離してしまう現象が生じ得る。しかし本実施形態のはんだ合金は上記範囲でSbを添加したことにより、Biといったはんだ合金の延伸性に影響を及ぼす元素を含有させてもそれ自体の延伸性が阻害され難く、よって上述のような過酷な環境下に長時間曝された場合であっても電子部品の電極剥離現象をも抑制することができる。   Furthermore, the lead-free solder alloy to which Sb is added in the above range can improve the strength of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy without lowering the stretchability, so that it has sufficient toughness against external stress. Can be secured, and the residual stress can be reduced. Here, when a solder joint formed using a solder alloy having low stretchability is placed in an environment where there is a great difference in temperature, the stress generated repeatedly is likely to accumulate on the electronic component side of the solder joint. Therefore, deep cracks often occur at solder joints near the electrodes of electronic components. As a result, a stress may be concentrated on the electrode of the electronic component near the crack, and a phenomenon may occur in which the solder joint peels off the electrode on the electronic component side. However, since the solder alloy of this embodiment contains Sb within the above range, even if an element that affects the extensibility of the solder alloy such as Bi is contained, the extensibility of the solder alloy is hardly hindered. Even when exposed to a harsh environment for a long time, the electrode peeling phenomenon of electronic components can be suppressed.

但し、Sbの含有量が5重量%を超えると、鉛フリーはんだ合金の溶融温度が上昇してしまい、高温下でSbが再固溶しなくなる。そのため、寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝した場合、SnSb、ε−Ag(Sn,Sb)化合物による析出強化のみが行われるため、時間の経過と共にこれらの金属間化合物が粗大化し、Sn粒界のすべり変形の抑制効果が失効してしまう。またこの場合、鉛フリーはんだ合金の溶融温度の上昇により電子部品の耐熱温度も問題となるため、好ましくない。 However, if the Sb content exceeds 5% by weight, the melting temperature of the lead-free solder alloy increases, and Sb does not re-dissolve at high temperatures. Therefore, when exposed to a harsh environment where the difference between the temperature and the temperature is severe, only precipitation strengthening by the SnSb, ε-Ag 3 (Sn, Sb) compound is performed, so that these intermetallic compounds become coarse over time. And the effect of suppressing slip deformation at the Sn grain boundary is lost. Further, in this case, the heat resistance temperature of the electronic component becomes a problem due to an increase in the melting temperature of the lead-free solder alloy, which is not preferable.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、0.5重量%以上4.5重量%以下のBiを含有させることができる。本実施形態の鉛フリーはんだ合金の構成であれば、この範囲内でBiを添加することにより、鉛フリーはんだ合金の延伸性に影響を及ぼすことなく、その強度を向上させると共にSb添加により上昇した溶融温度を低下させることができる。即ち、BiもSbと同様にSnマトリックス中へ固溶するため、鉛フリーはんだ合金を更に強化することができる。但し、Biの含有量が4.5重量%を超えると鉛フリーはんだ合金の延伸性を低下させて脆性が強まるため、寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝された際、当該鉛フリーはんだ合金により形成されたはんだ接合部には深部亀裂が生じ易くなるため好ましくない。
またBiの含有量を2重量%以上4.5重量%以下とすると、はんだ接合部の強度をより向上させることができる。また後述するNiおよび/またはCoと併用する場合、Biの好ましい含有量は3.1重量%以上4.5重量%以下である。
The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.5 wt% or more and 4.5 wt% or less of Bi. If it is the structure of the lead-free solder alloy of this embodiment, by adding Bi within this range, the strength of the lead-free solder alloy will be improved without affecting the stretchability of the lead-free solder alloy and increased by the addition of Sb. The melting temperature can be lowered. That is, since Bi also dissolves into the Sn matrix in the same manner as Sb, the lead-free solder alloy can be further strengthened. However, if the Bi content exceeds 4.5% by weight, the extensibility of the lead-free solder alloy is lowered and the brittleness is increased. Therefore, when the Bi is exposed to a harsh environment where the temperature difference is severe, It is not preferable because a deep crack is likely to occur in a solder joint formed by a free solder alloy.
If the Bi content is 2 wt% or more and 4.5 wt% or less, the strength of the solder joint portion can be further improved. Moreover, when using together with Ni and / or Co mentioned later, preferable content of Bi is 3.1 weight% or more and 4.5 weight% or less.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、0.01重量%以上0.25重量%以下のNiを含有させることができる。本実施形態の鉛フリーはんだ合金の構成であれば、この範囲でNiを添加することにより、溶融した鉛フリーはんだ合金中に微細な(Cu,Ni)Snが形成されて母材中に分散するため、はんだ接合部における亀裂の進展を抑制し、更にその耐熱疲労特性を向上させることができる。
また、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ni/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品をはんだ接合する場合であっても、はんだ接合時にNiが前記界面付近に移動して微細な(Cu,Ni)Snを形成するため、その界面付近におけるCuSn層の成長を抑制することができ、前記界面付近の亀裂進展抑制効果を向上させることができる。
The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.01 wt% or more and 0.25 wt% or less of Ni. If it is the structure of the lead-free solder alloy of this embodiment, by adding Ni in this range, fine (Cu, Ni) 6 Sn 5 is formed in the molten lead-free solder alloy, and in the base material Since it disperse | distributes, the progress of the crack in a solder joint part can be suppressed, and also the heat-resistant fatigue characteristic can be improved.
In addition, the lead-free solder alloy of the present embodiment allows Ni to move to the vicinity of the interface at the time of soldering even when soldering an electronic component that is not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating. Since the fine (Cu, Ni) 6 Sn 5 is formed, the growth of the Cu 3 Sn layer in the vicinity of the interface can be suppressed, and the crack growth suppressing effect in the vicinity of the interface can be improved.

但し、Niの含有量が0.01重量%未満であると、前記金属間化合物の改質効果が不十分となるため、前記界面付近の亀裂抑制効果は十分には得られ難い。またNiの含有量が0.25重量%を超えると、従来のSn−3Ag−0.5Cu合金に比べて過冷却が発生し難くなり、はんだ合金が凝固するタイミングが早くなってしまう。そのため、形成されるはんだ接合部のフィレットでは、はんだ合金の溶融中に外に抜け出ようとしたガスがその中に残ったまま凝固してしまい、フィレット中にガスによる穴(ボイド)が発生してしまうケースが確認される。このフィレット中のボイドは、特に−40℃から140℃、−40℃〜150℃といった寒暖差の激しい環境下においてはんだ接合部の耐熱疲労特性を低下させてしまう。
なお、上述の通りNiはフィレット中にボイドを発生し易いものであるが、本実施形態の鉛フリーはんだ合金の構成においては、Niと他の元素との含有量のバランスから、Niを0.25重量%以下含有させても上記ボイドの発生を抑制することができる。
However, if the content of Ni is less than 0.01% by weight, the effect of modifying the intermetallic compound becomes insufficient, so that the crack suppressing effect near the interface is not sufficiently obtained. On the other hand, if the Ni content exceeds 0.25% by weight, it becomes difficult for supercooling to occur as compared with the conventional Sn-3Ag-0.5Cu alloy, and the timing at which the solder alloy solidifies becomes earlier. Therefore, in the fillet of the solder joint portion to be formed, the gas that tried to escape to the outside during melting of the solder alloy is solidified while remaining in it, and a hole (void) due to the gas is generated in the fillet. The case that ends up is confirmed. The voids in the fillet deteriorate the heat-resistant fatigue characteristics of the solder joint particularly in an environment where the temperature difference is severe, such as -40 ° C to 140 ° C and -40 ° C to 150 ° C.
As described above, Ni is likely to generate voids in the fillet. However, in the configuration of the lead-free solder alloy of this embodiment, Ni is reduced to a value of 0.1 from the balance of the content of Ni and other elements. Even when the content is 25% by weight or less, the generation of the voids can be suppressed.

またNiの含有量を0.01重量%以上0.15重量%以下とすると良好な前記界面付近の亀裂進展抑制効果および耐熱疲労特性を向上しつつ、ボイド発生の抑制を向上させることができる。   Further, when the Ni content is 0.01% by weight or more and 0.15% by weight or less, it is possible to improve the suppression of void generation while improving the crack growth suppressing effect and heat fatigue resistance near the interface.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Niに加え0.001重量%以上0.25重量%以下のCoを含有させることができる。本実施形態の鉛フリーはんだ合金の構成であれば、この範囲でCoを添加することにより、Ni添加による上記効果を高めると共に溶融した鉛フリーはんだ合金中に微細な(Cu,Co)Snが形成されて母材中に分散するため、はんだ接合部のクリープ変形の抑制および亀裂の進展を抑制しつつ、特に寒暖差の激しい環境下においてもはんだ接合部の耐熱疲労特性を向上させることができる。また、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ni/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品をはんだ接合する場合であっても、Ni添加による上記効果を高めると共に、Coがはんだ接合時に前記界面付近に移動して微細な(Cu,Co)Snを形成するため、その界面付近におけるCuSn層の成長を抑制することができ、前記界面付近の亀裂進展抑制効果を向上させることができる。 The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.001 wt% or more and 0.25 wt% or less of Co in addition to Ni. If it is the structure of the lead-free solder alloy of this embodiment, by adding Co in this range, the above-mentioned effect by addition of Ni is enhanced and fine (Cu, Co) 6 Sn 5 is contained in the molten lead-free solder alloy. Is formed and dispersed in the base metal, it is possible to improve the thermal fatigue resistance of the solder joints, especially in environments with severe temperature differences, while suppressing creep deformation and crack growth in the solder joints. it can. In addition, the lead-free solder alloy of the present embodiment enhances the above-described effect due to the addition of Ni even when soldering an electronic component that is not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating. Since it moves to the vicinity of the interface during solder bonding to form fine (Cu, Co) 6 Sn 5 , it is possible to suppress the growth of the Cu 3 Sn layer in the vicinity of the interface and to suppress the crack propagation in the vicinity of the interface. Can be improved.

但し、Coの含有量が0.001重量%未満であると、前記金属間化合物の改質効果が不十分となるため、前記界面付近の亀裂抑制効果は十分には得られ難い。またCoの含有量が0.25重量%を超えると、従来のSn−3Ag−0.5Cu合金に比べて過冷却が発生し難くなり、はんだ合金が凝固するタイミングが早くなってしまう。そのため、形成されるはんだ接合部のフィレットでは、はんだ合金の溶融中に外に抜け出ようとしたガスがその中に残ったまま凝固してしまい、フィレット中にガスによるボイドが発生してしまうケースが確認される。このフィレット中のボイドは、特に寒暖差の激しい環境下においてはんだ接合部の耐熱疲労特性を低下させてしまう。
なお、上述の通りCoはフィレット中にボイドを発生し易いものであるが、本実施形態の鉛フリーはんだ合金の構成においては、Coと他の元素との含有量のバランスから、Coを0.25重量%以下含有させても上記ボイドの発生を抑制することができる。
However, when the Co content is less than 0.001% by weight, the modification effect of the intermetallic compound becomes insufficient, and therefore, the crack suppression effect near the interface is hardly obtained. On the other hand, if the Co content exceeds 0.25% by weight, it is difficult for supercooling to occur as compared with the conventional Sn-3Ag-0.5Cu alloy, and the timing at which the solder alloy solidifies becomes earlier. Therefore, in the fillet of the solder joint portion to be formed, there is a case in which the gas that tried to escape outside during melting of the solder alloy is solidified while remaining in it, and a void due to the gas is generated in the fillet. It is confirmed. The voids in the fillet deteriorate the thermal fatigue characteristics of the solder joint, particularly in an environment where the temperature difference is severe.
As described above, Co easily generates voids in the fillet. However, in the configuration of the lead-free solder alloy of this embodiment, Co is reduced to 0. 0 from the balance of the contents of Co and other elements. Even when the content is 25% by weight or less, the generation of the voids can be suppressed.

またCoの含有量を0.001重量%以上0.15重量%以下とすると良好な亀裂進展抑制効果および耐熱疲労特性を向上しつつ、ボイド発生の抑制を向上させることができる。   Further, when the Co content is 0.001% by weight or more and 0.15% by weight or less, it is possible to improve the suppression of void generation while improving the good crack growth suppressing effect and heat fatigue resistance.

ここで本実施形態の鉛フリーはんだ合金にNiとCoとを併用する場合、AgとCuとSbとBiとNiとCoのそれぞれの含有量(重量%)は下記式(A)から(D)の全てを満たすことが好ましい。
1.6≦Ag含有量+(Cu含有量/0.5)≦5.9 … A
0.85≦(Ag含有量/3)+(Bi含有量/4.5)≦ 2.10 … B
3.6 ≦ Ag含有量+Sb含有量≦ 8.9 … C
0<(Ni含有量/0.25)+(Co含有量/0.25)≦1.19 …D
AgとCuとSbとBiとNiとCoの含有量を上記範囲内とすることで、はんだ接合部の延伸性阻害および脆性増大の抑制、はんだ接合部の強度および熱疲労特性の向上、フィレット中に発生するボイドの抑制、寒暖の差が激しい過酷な環境下におけるはんだ接合部の亀裂進展抑制、Ni/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品のはんだ接合時における前記界面付近の亀裂進展抑制効果のいずれもをバランスよく発揮させることができ、はんだ接合部の信頼性を一層向上させることができる。
Here, when Ni and Co are used together in the lead-free solder alloy of the present embodiment, the contents (% by weight) of Ag, Cu, Sb, Bi, Ni, and Co are expressed by the following formulas (A) to (D). It is preferable to satisfy all of the above.
1.6 ≦ Ag content + (Cu content / 0.5) ≦ 5.9 A
0.85 ≦ (Ag content / 3) + (Bi content / 4.5) ≦ 2.10 B
3.6 ≦ Ag content + Sb content ≦ 8.9… C
0 <(Ni content / 0.25) + (Co content / 0.25) ≦ 1.19... D
By making the contents of Ag, Cu, Sb, Bi, Ni and Co within the above ranges, the stretchability of the solder joints is inhibited and the increase in brittleness, the strength and thermal fatigue characteristics of the solder joints are improved, and the fillet In the vicinity of the interface at the time of solder jointing of electronic parts not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating Thus, it is possible to exert a well-balanced effect of suppressing the crack propagation, and to further improve the reliability of the solder joint.

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、6重量%以下のInを含有させることができる。この範囲内でInを添加することにより、Sbの添加により上昇した鉛フリーはんだ合金の溶融温度を低下させると共に亀裂進展抑制効果を向上させることができる。即ち、InもSbと同様にSnマトリックス中へ固溶するため、鉛フリーはんだ合金を更に強化することができるだけでなく、AgSnIn、およびInSb化合物を形成しこれをSn粒界に析出させることでSn粒界のすべり変形を抑制する効果を奏する。
本発明のはんだ合金に添加するInの含有量が6重量%を超えると、鉛フリーはんだ合金の延伸性を阻害すると共に、寒暖の差が激しい過酷な環境下に長時間曝されている間にγ−InSnが形成され、鉛フリーはんだ合金が自己変形してしまうため好ましくない。
なお、Inのより好ましい含有量は、4重量%以下であり、1重量%から2重量%が特に好ましい。
The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 6% by weight or less of In. By adding In within this range, it is possible to lower the melting temperature of the lead-free solder alloy that has been raised by the addition of Sb and to improve the crack growth suppressing effect. That is, since In dissolves in the Sn matrix as well as Sb, not only can the lead-free solder alloy be further strengthened, but AgSnIn and InSb compounds are formed and precipitated at the Sn grain boundaries. It has the effect of suppressing slip deformation at grain boundaries.
When the content of In added to the solder alloy of the present invention exceeds 6% by weight, the stretchability of the lead-free solder alloy is hindered, and while being exposed to a harsh environment where the temperature difference is severe for a long time. Since γ-InSn 4 is formed and the lead-free solder alloy is self-deformed, it is not preferable.
The more preferable content of In is 4% by weight or less, and 1% by weight to 2% by weight is particularly preferable.

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、P、Ga、およびGeの少なくとも1種を0.001重量%以上0.05重量%以下含有させることができる。この範囲内でP、Ga、およびGeの少なくとも1種を添加することにより、鉛フリーはんだ合金の酸化を防止することができる。但し、これらの含有量が0.05重量%を超えると鉛フリーはんだ合金の溶融温度が上昇し、またはんだ接合部にボイドが発生し易くなるため好ましくない。   Moreover, the lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.001 wt% or more and 0.05 wt% or less of at least one of P, Ga, and Ge. By adding at least one of P, Ga, and Ge within this range, oxidation of the lead-free solder alloy can be prevented. However, if these contents exceed 0.05% by weight, the melting temperature of the lead-free solder alloy rises, or voids are likely to be generated in the soldered joint, which is not preferable.

更に本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Fe、Mn、Cr、およびMoの少なくとも1種を0.001重量%以上0.05重量%以下含有させることができる。この範囲内でFe、Mn、Cr、およびMoの少なくとも1種を添加することにより、鉛フリーはんだ合金の亀裂進展抑制効果を向上させることができる。但し、これらの含有量が0.05重量%を超えると鉛フリーはんだ合金の溶融温度が上昇し、またはんだ接合部にボイドが発生し易くなるため好ましくない。 Furthermore, the lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.001 wt% or more and 0.05 wt% or less of at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo. By adding at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo within this range, the effect of suppressing crack growth of the lead-free solder alloy can be improved. However, if these contents exceed 0.05% by weight, the melting temperature of the lead-free solder alloy rises, or voids are likely to be generated in the soldered joint, which is not preferable.

なお、本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、その効果を阻害しない範囲において、他の成分(元素)、例えばCd、Tl、Se、Au、Ti、Si、Al、Mg、Zn等を含有させることができる。また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、当然ながら不可避不純物も含まれるものである。   In addition, the lead-free solder alloy of this embodiment contains other components (elements) such as Cd, Tl, Se, Au, Ti, Si, Al, Mg, Zn, and the like as long as the effect is not hindered. be able to. In addition, the lead-free solder alloy of this embodiment naturally includes unavoidable impurities.

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、その残部はSnからなることが好ましい。なお好ましいSnの含有量は、79.8重量%以上97.49重量%未満である。   Moreover, it is preferable that the remainder of the lead-free solder alloy of this embodiment is made of Sn. In addition, preferable Sn content is 79.8 weight% or more and less than 97.49 weight%.

本実施形態のはんだ接合部の形成方法は、例えばフロー方法、はんだボールによる実装、ソルダペースト組成物を用いたリフロー方法等、はんだ接合部を形成できるものであればどのような方法を用いても良い。なおその中でも特にソルダペースト組成物を用いたリフロー方法が好ましく用いられる。   Any method can be used for forming the solder joints of the present embodiment as long as the solder joints can be formed, such as a flow method, mounting with solder balls, and a reflow method using a solder paste composition. good. Of these, a reflow method using a solder paste composition is particularly preferred.

(2)ソルダペースト組成物
このようなソルダペースト組成物としては、例えば粉末状にした前記鉛フリーはんだ合金とフラックスとを混練しペースト状にすることにより作製される。
(2) Solder paste composition Such a solder paste composition is produced, for example, by kneading the powdered lead-free solder alloy and a flux into a paste.

このようなフラックスとしては、例えば樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスが用いられる。   As such a flux, for example, a flux containing a resin, a thixotropic agent, an activator, and a solvent is used.

前記樹脂としては、例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジンおよび水添ロジン、重合ロジン、不均一化ロジン、アクリル酸変性ロジン、マレイン酸変性ロジン等のロジン誘導体を含むロジン系樹脂;アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニル、酢酸ビニル等の少なくとも1種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂;エポキシ樹脂;フェノール樹脂等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて用いることができる。
これらの中でもロジン系樹脂、その中でも特に酸変性されたロジンに水素添加をした水添酸変性ロジンが好ましく用いられる。また水添酸変性ロジンとアクリル樹脂の併用も好ましい。
Examples of the resin include rosin resins including rosin derivatives such as tall oil rosin, gum rosin, wood rosin and the like and hydrogenated rosin, polymerized rosin, heterogeneous rosin, acrylic acid modified rosin, maleic acid modified rosin; acrylic acid , Methacrylic acid, various esters of acrylic acid, various esters of methacrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid, maleic anhydride, maleic anhydride ester, maleic anhydride ester, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylamide, methacrylamide An acrylic resin obtained by polymerizing at least one monomer such as vinyl chloride or vinyl acetate; an epoxy resin; a phenol resin, or the like. These can be used alone or in combination.
Of these, rosin resins, particularly hydrogenated acid-modified rosin obtained by hydrogenating acid-modified rosin, are preferably used. A combined use of a hydrogenated acid-modified rosin and an acrylic resin is also preferred.

前記樹脂の酸価は10mgKOH/g以上250mgKOH/g以下であることが好ましく、その配合量はフラックス全量に対して10重量%以上90重量%以下であることが好ましい。   The acid value of the resin is preferably 10 mgKOH / g or more and 250 mgKOH / g or less, and the blending amount thereof is preferably 10% by weight or more and 90% by weight or less with respect to the total amount of the flux.

前記チキソ剤としては、例えば水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸類が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記チキソ剤の配合量は、フラックス全量に対して3重量%以上15重量%以下であることが好ましい。   Examples of the thixotropic agent include hydrogenated castor oil, fatty acid amides, and oxy fatty acids. These can be used alone or in combination. The amount of the thixotropic agent is preferably 3% by weight or more and 15% by weight or less based on the total amount of the flux.

前記活性剤としては、例えば有機アミンのハロゲン化水素塩等のアミン塩(無機酸塩や有機酸塩)、有機酸、有機酸塩、有機アミン塩を配合することができる。更に具体的には、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩、酸塩、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記活性剤の配合量は、フラックス全量に対して5重量%以上15重量%以下であることが好ましい。   Examples of the activator include amine salts (inorganic acid salts and organic acid salts) such as organic amine hydrogen halide salts, organic acids, organic acid salts, and organic amine salts. More specifically, diphenylguanidine hydrobromide, cyclohexylamine hydrobromide, diethylamine salt, acid salt, succinic acid, adipic acid, sebacic acid and the like can be mentioned. These can be used alone or in combination. The blending amount of the activator is preferably 5% by weight to 15% by weight with respect to the total amount of the flux.

前記溶剤としては、例えばイソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、グリコールエーテル等を使用することができる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
前記溶剤の配合量は、フラックス全量に対して20重量%以上40重量%以下であることが好ましい。
As said solvent, isopropyl alcohol, ethanol, acetone, toluene, xylene, ethyl acetate, ethyl cellosolve, butyl cellosolve, glycol ether etc. can be used, for example. These can be used alone or in combination.
The amount of the solvent is preferably 20% by weight or more and 40% by weight or less based on the total amount of the flux.

前記フラックスには、鉛フリーはんだ合金の酸化を抑える目的で酸化防止剤を配合することができる。この酸化防止剤としては、例えばヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。その中でも特にヒンダードフェノール系酸化剤が好ましく用いられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記酸化防止剤の配合量は特に限定されないが、一般的にはフラックス全量に対して0.5重量%以上5重量%程度以下である
ことが好ましい。
In the flux, an antioxidant can be blended for the purpose of suppressing oxidation of the lead-free solder alloy. Examples of the antioxidant include hindered phenolic antioxidants, phenolic antioxidants, bisphenolic antioxidants, and polymer-type antioxidants. Of these, hindered phenol-based oxidizing agents are particularly preferably used. These can be used alone or in combination. The blending amount of the antioxidant is not particularly limited, but generally it is preferably about 0.5 wt% or more and about 5 wt% or less with respect to the total flux.

前記フラックスには、その他の樹脂、並びにハロゲン、つや消し剤、消泡剤および無機フィラー等の添加剤を加えてもよい。
前記添加剤の配合量は、フラックス全量に対して10重量%以下であることが好ましい。またこれらの更に好ましい配合量はフラックス全量に対して5重量%以下である。
You may add other resin and additives, such as a halogen, a delustering agent, an antifoamer, and an inorganic filler, to the said flux.
The blending amount of the additive is preferably 10% by weight or less based on the total amount of the flux. Moreover, these more preferable compounding quantities are 5 weight% or less with respect to the flux whole quantity.

前記鉛フリーはんだ合金とフラックスとの配合比率は、はんだ合金:フラックスの比率で65:35から95:5であることが好ましい。より好ましい配合比率は85:15から93:7であり、特に好ましい配合比率は87:13から92:8である。   The blending ratio of the lead-free solder alloy and the flux is preferably 65:35 to 95: 5 in the ratio of solder alloy: flux. A more preferred blending ratio is 85:15 to 93: 7, and a particularly preferred blending ratio is 87:13 to 92: 8.

(3)電子回路基板
本実施形態の電子回路基板の構成を図1を用いて説明する。本実施形態の電子回路基板100は、基板1と、絶縁層2と、電極部3と、電子部品4と、はんだ接合体10とを有する。はんだ接合体10は、はんだ接合部6とフラックス残渣7とを有し、電子部品4は、外部電極5と、端部8を有する。
基板1としては、プリント配線板、シリコンウエハ、セラミックパッケージ基板等、電子部品の搭載、実装に用いられるものであればこれらに限らず基板1として使用することができる。
電極部3は、はんだ接合部6を介して電子部品4の外部電極5と電気的に接合している。
またはんだ接合部6は、本実施形態に係るはんだ合金を用いて形成されている。
(3) Electronic circuit board The structure of the electronic circuit board of this embodiment is demonstrated using FIG. The electronic circuit board 100 of this embodiment includes a substrate 1, an insulating layer 2, an electrode part 3, an electronic component 4, and a solder joint body 10. The solder joint body 10 has a solder joint portion 6 and a flux residue 7, and the electronic component 4 has an external electrode 5 and an end portion 8.
The substrate 1 can be used as the substrate 1 as long as it is used for mounting and mounting electronic components such as a printed wiring board, a silicon wafer, and a ceramic package substrate.
The electrode portion 3 is electrically joined to the external electrode 5 of the electronic component 4 via the solder joint portion 6.
Moreover, the solder joint part 6 is formed using the solder alloy which concerns on this embodiment.

このような構成を有する本実施形態の電子回路基板100は、はんだ接合部6が亀裂進展抑制効果を発揮する合金組成であるため、はんだ接合部6に亀裂が生じた場合であってもその亀裂の進展を抑制し得る。特に電子部品4にNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない場合であっても、はんだ接合部6と電子部品4との界面付近における亀裂進展抑制効果をも発揮することができる。またこれにより電子部品4の電極剥離現象をも抑制することができる。   Since the electronic circuit board 100 according to the present embodiment having such a configuration has an alloy composition in which the solder joint portion 6 exhibits an effect of suppressing crack propagation, the crack is generated even when the solder joint portion 6 is cracked. Can suppress the progress of In particular, even when the electronic component 4 is not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating, the effect of suppressing crack propagation near the interface between the solder joint 6 and the electronic component 4 can also be exhibited. . Thereby, the electrode peeling phenomenon of the electronic component 4 can also be suppressed.

このような電子回路基板100は、例えば以下のように作製される。
先ず、所定のパターンとなるように形成された絶縁層2および電極部3を備えた基板1上に、前記ソルダペースト組成物を上記パターンに従い印刷する。
次いで印刷後の基板1上に電子部品4を実装し、これを230℃から260℃の温度でリフローを行う。このリフローにより基板1上にはんだ接合部6およびフラックス残渣7を有するはんだ接合体10が形成されると共に、基板1と電子部品4とが電気的接合された電子回路基板100が作製される。
Such an electronic circuit board 100 is manufactured as follows, for example.
First, the solder paste composition is printed according to the above pattern on a substrate 1 provided with an insulating layer 2 and an electrode portion 3 formed to have a predetermined pattern.
Next, the electronic component 4 is mounted on the printed board 1 and reflowed at a temperature of 230 ° C. to 260 ° C. By this reflow, the solder joint 10 having the solder joint 6 and the flux residue 7 is formed on the substrate 1, and the electronic circuit board 100 in which the substrate 1 and the electronic component 4 are electrically joined is manufactured.

またこのような電子回路基板100を組み込むことにより、本実施形態の電子制御装置が作製される。   In addition, by incorporating such an electronic circuit board 100, the electronic control device of this embodiment is manufactured.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳述する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to these examples.

フラックスの作製
以下の各成分を混練し、実施例および比較例に係るフラックスを得た。
水添酸変性ロジン(製品名:KE−604、荒川化学工業(株)製) 51重量%
硬化ひまし油 6重量%
ドデカン二酸 10重量%(製品名:SL−12、岡村製油(株)製)
マロン酸 1重量%
ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩 2重量%
ヒンダードフェノール系酸化防止剤(製品名:イルガノックス245、BASFジャパン(株)製) 1重量%
ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル 29重量%
Production of Flux The following components were kneaded to obtain fluxes according to Examples and Comparative Examples.
Hydrogenated acid-modified rosin (product name: KE-604, manufactured by Arakawa Chemical Industries, Ltd.) 51% by weight
Hardened castor oil 6% by weight
10% by weight of dodecanedioic acid (product name: SL-12, manufactured by Okamura Oil Co., Ltd.)
Malonic acid 1% by weight
Diphenylguanidine hydrobromide 2% by weight
Hindered phenolic antioxidant (Product name: Irganox 245, manufactured by BASF Japan Ltd.) 1% by weight
Diethylene glycol monohexyl ether 29% by weight

ソルダペースト組成物の作製
前記フラックス11.0重量%と、表1から表2に記載の各鉛フリーはんだ合金の粉末(粉末粒径20μmから38μm)89.0重量%とを混合し、実施例22、25から31、参考例1から21、23、24および比較例1から19に係る各ソルダペースト組成物を作製した。
Preparation of Solder Paste Composition 11.0% by weight of the flux was mixed with 89.0% by weight of each lead-free solder alloy powder (powder particle size 20 μm to 38 μm) listed in Tables 1 and 2. The solder paste compositions according to 22, 25 to 31, Reference Examples 1 to 21, 23, 24 and Comparative Examples 1 to 19 were prepared.

(1)はんだ亀裂試験(−40℃から125℃)
・3.2mm×1.6mmチップ部品(チップA)
3.2mm×1.6mmのサイズのチップ部品(Ni/Snめっき)と、当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジストおよび前記チップ部品を接続する電極(1.6mm×1.2mm)とを備えたガラスエポキシ基板と、同パターンを有する厚さ150μmのメタルマスクを用意した。
前記ガラスエポキシ基板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペースト組成物を印刷し、それぞれ前記チップ部品を搭載した。
その後、リフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各ガラスエポキシ基板を加熱してそれぞれに前記ガラスエポキシ基板と前記チップ部品とを電気的に接合するはんだ接合部を形成し、前記チップ部品を実装した。この際のリフロー条件は、プリヒートを170℃から190℃で110秒間、ピーク温度を245℃とし、200℃以上の時間が65秒間、220℃以上の時間が45秒間、ピーク温度から200℃までの冷却速度を3℃から8℃/秒とし、酸素濃度は1500±500ppmに設定した。
次に、−40℃(30分間)から125℃(30分間)の条件に設定した冷熱衝撃試験装置(製品名:ES−76LMS、日立アプライアンス(株)製)を用い、冷熱衝撃サイクルを1,000、1,500、2,000、2,500、3,000サイクル繰り返す環境下に前記各ガラスエポキシ基板をそれぞれ曝した後これを取り出し、各試験基板を作製した。
次いで各試験基板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂(製品名:エポマウント(主剤および硬化剤)、リファインテック(株)製)を用いて封止した。更に湿式研磨機(製品名:TegraPol−25、丸本ストルアス(株)、製)を用いて各試験基板に実装された前記チップ部品の中央断面が分かるような状態とし、形成されたはんだ接合部に発生した亀裂がはんだ接合部を完全に横断して破断に至っているか否かを走査電子顕微鏡(製品名:TM−1000、(株)日立ハイテクノロジーズ製)を用いて観察し、以下の基準にて評価した。その結果を表3および表4に表す。なお、各冷熱衝撃サイクルにおける評価チップ数は10個とした。
◎:3,000サイクルまではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しない
○:2,501から3,000サイクルの間ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
△:2,001から2,500サイクルの間ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
×:2,000サイクル未満ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
(1) Solder crack test (-40 ° C to 125 ° C)
・ 3.2mm × 1.6mm chip parts (chip A)
A chip component (Ni / Sn plating) having a size of 3.2 mm × 1.6 mm, a solder resist having a pattern capable of mounting the chip component of the size, and an electrode (1.6 mm × 1.2 mm) connecting the chip component And a 150 μm-thick metal mask having the same pattern were prepared.
Each solder paste composition was printed on the glass epoxy substrate using the metal mask, and the chip component was mounted on each of the solder paste compositions.
Thereafter, using a reflow furnace (product name: TNP-538EM, manufactured by Tamura Seisakusho Co., Ltd.), each of the glass epoxy substrates is heated to electrically bond the glass epoxy substrate and the chip component to each other. A part was formed, and the chip component was mounted. The reflow conditions at this time are: preheating from 170 ° C. to 190 ° C. for 110 seconds, peak temperature of 245 ° C., time of 200 ° C. or higher for 65 seconds, time of 220 ° C. or higher for 45 seconds, peak temperature to 200 ° C. The cooling rate was 3 ° C. to 8 ° C./second, and the oxygen concentration was set to 1500 ± 500 ppm.
Next, using a thermal shock test apparatus (product name: ES-76LMS, manufactured by Hitachi Appliances Co., Ltd.) set to -40 ° C. (30 minutes) to 125 ° C. (30 minutes), the thermal shock cycle is 1, Each glass epoxy substrate was exposed to each other in an environment where 000, 1,500, 2,000, 2,500, and 3,000 cycles were repeated, and then taken out to prepare each test substrate.
Subsequently, the target part of each test board | substrate was cut out, and this was sealed using the epoxy resin (Product name: Epomount (main agent and hardening | curing agent), the refine tech Co., Ltd. product). Further, a solder joint formed by using a wet polishing machine (product name: TegraPol-25, manufactured by Marumoto Struers Co., Ltd.) so that the center cross section of the chip component mounted on each test substrate can be seen. Was observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) to determine whether or not the cracks generated in the sample completely crossed the solder joint and led to the fracture. And evaluated. The results are shown in Table 3 and Table 4. The number of evaluation chips in each thermal shock cycle was 10.
A: No crack that completely traverses the solder joint until 3,000 cycles. O: A crack that completely traverses the solder joint occurs between 2,501 and 3,000 cycles. Δ: 2,001 to 2 , Cracks that completely traverse the solder joints occur during 500 cycles ×: cracks that completely traverse the solder joints occur in less than 2,000 cycles

・2.0×1.2mmチップ部品(チップB)
2.0×1.2mmのサイズのチップ部品(Ni/Snめっき)と、当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジストおよび前記チップ部品を接続する電極(1.25mm×1.0mm)とを備えたガラスエポキシ基板を用いた以外は3.2mm×1.6mmチップ部品と同じ条件にて試験基板を作成し、且つ同じ方法にて評価した。その結果を表3および表4に表す。
・ 2.0 × 1.2mm chip parts (chip B)
A chip part (Ni / Sn plating) having a size of 2.0 × 1.2 mm, a solder resist having a pattern capable of mounting the chip part of the size, and an electrode for connecting the chip part (1.25 mm × 1.0 mm) A test substrate was prepared under the same conditions as those of a 3.2 mm × 1.6 mm chip component except that a glass epoxy substrate provided with the above was used, and evaluated by the same method. The results are shown in Table 3 and Table 4.

(2)SnめっきSONにおけるはんだ亀裂試験
6mm×5mm×0.8tmmサイズの1.3mmピッチSON(Small Outline Non−leaded package)部品(端子数8ピン、製品名:STL60N3LLH5、STMicroelectronics社製)と、当該SON部品を実装できるパターンを有するソルダレジストおよび前記SON部品を接続する電極(メーカー推奨設計に準拠)とを備えたガラスエポキシ基板と、同パターンを有する厚さ150μmのメタルマスクを用意した。
前記ガラスエポキシ基板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペースト組成物を印刷し、それぞれに前記SON部品を搭載した。その後、冷熱衝撃サイクルを1,000、2,000、3,000サイクル繰り返す環境下に各ガラスエポキシ基板を置く以外は上記はんだ亀裂試験(1)と同じ条件にて前記ガラスエポキシ基板に冷熱衝撃を与え、各試験基板を作製した。
次いで各試験基板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂(製品名:エポマウント(主剤および硬化剤)、リファインテック(株)製)を用いて封止した。更に湿式研磨機(製品名:TegraPol−25、丸本ストルアス(株)製)を用いて各試験基板に実装された前記SON部品の中央断面が分かるような状態とし、はんだ接合部に発生した亀裂がはんだ接合部を完全に横断して破断に至っているか否かについて走査電子顕微鏡(製品名:TM−1000、(株)日立ハイテクノロジーズ製)を用いて観察した。この観察に基づき、はんだ接合部について、はんだ母材(本明細書においてはんだ母材とは、はんだ接合部のうちSON部品の電極の界面およびその付近以外の部分を指す。以下同じ。なお表3および表4においては単に「母材」と表記する。)に発生した亀裂と、はんだ接合部とSON部品の電極の界面(の金属間化合物)に発生した亀裂に分けて以下のように評価した。その結果を表3および表4に表す。なお、各冷熱衝撃サイクルにおける評価SON数は20個とし、SON1個あたりゲート電極の1端子を観察し、合計20端子の断面を確認した。
(2) Solder crack test in Sn-plated SON 1.3 mm pitch SON (Small Outline Non-leaded package) parts with 6 mm x 5 mm x 0.8 tmm size (8 pins, product name: STL60N3LLH5, manufactured by STM Microelectronics) A glass epoxy substrate provided with a solder resist having a pattern on which the SON component can be mounted and an electrode (according to the manufacturer's recommended design) for connecting the SON component, and a 150 μm thick metal mask having the same pattern were prepared.
Each solder paste composition was printed on the glass epoxy substrate using the metal mask, and the SON component was mounted on each of the solder paste compositions. Thereafter, the glass epoxy board was subjected to a thermal shock under the same conditions as in the solder crack test (1) except that each glass epoxy board was placed in an environment where the thermal shock cycle was repeated 1,000, 2,000, and 3,000 cycles. Each test substrate was prepared.
Subsequently, the target part of each test board | substrate was cut out, and this was sealed using the epoxy resin (Product name: Epomount (main agent and hardening | curing agent), the refine tech Co., Ltd. product). Furthermore, using a wet polishing machine (product name: TegraPol-25, manufactured by Marumoto Struers Co., Ltd.), the cracks occurred in the solder joints so that the center cross section of the SON component mounted on each test board can be seen. Was observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) as to whether or not the solder joint part completely crossed and reached the fracture. Based on this observation, with respect to the solder joint portion, the solder base material (in this specification, the solder base material refers to the portion other than the interface of the electrode of the SON component and the vicinity thereof in the solder joint portion. In Table 4, it is simply described as “base metal”.) Evaluation was performed as follows by dividing into cracks occurring at the interface between the solder joint and the electrode of the SON component (intermetallic compound). . The results are shown in Table 3 and Table 4. Note that the number of SONs evaluated in each thermal shock cycle was 20, and one terminal of the gate electrode was observed per SON, and the cross section of a total of 20 terminals was confirmed.

・はんだ母材に発生した亀裂
◎:3,000サイクルまではんだ母材を完全に横断する亀裂が発生しない
○:2,001から3,000サイクルの間ではんだ母材を完全に横断する亀裂が発生
△:1,001から2,000サイクルの間ではんだ母材を完全に横断する亀裂が発生
×:1,000サイクル未満ではんだ母材を完全に横断する亀裂が発生
-Cracks that occurred in the solder base material ◎: No cracks that completely traverse the solder base material until 3,000 cycles ○: Cracks that completely traverse the solder base material between 2,001 and 3,000 cycles Occurrence Δ: A crack that completely traverses the solder base material occurs between 1,001 and 2,000 cycles. ×: A crack that completely traverses the solder base material occurs in less than 1,000 cycles.

・はんだ接合部とSON部品の電極の界面に発生した亀裂
◎:3,000サイクルまで前記界面を完全に横断する亀裂が発生しない
○:2,001から3,000サイクルの間で前記界面を完全に横断する亀裂が発生
△:1,001から2,000サイクルの間で前記界面を完全に横断する亀裂が発生
×:1,000サイクル未満で前記界面を完全に横断する亀裂が発生
・ A crack that occurred at the interface between the solder joint and the electrode of the SON part ◎: No crack that completely traverses the interface until 3,000 cycles ○: The interface was completely completed between 2,001 to 3,000 cycles Δ: A crack that completely crosses the interface between 1,001 and 2,000 cycles is generated. ×: A crack that completely crosses the interface is generated in less than 1,000 cycles.

(3)はんだ亀裂試験(−40℃から150℃)
車載用基板等は寒暖差の非常に激しい過酷な環境下に置かれるため、これに用いられるはんだ合金は、このような環境下においても良好な亀裂進展抑制効果を発揮することが求められる。そのため、本実施例に係るはんだ合金がこのようなより過酷な条件下においても当該効果を発揮し得るかどうかを明確にすべく、液槽式冷熱衝撃試験装置を用いて−40℃から150℃の寒暖差におけるはんだ亀裂試験を行った。その条件は以下のとおりである。
先ずはんだ接合部形成後の各ガラスエポキシ基板を−40℃(5分間)から150℃(5分間)の条件に設定した液槽式冷熱衝撃試験装置(製品名:ETAC WINTECH LT80、楠本(株)製)を用いて冷熱衝撃サイクルを1,000、2,000、3,000サイクル繰り返す環境下に曝す以外は上記はんだ亀裂試験(1)と同じ条件にて、3.2×1.6mmチップ部品搭載および2.0×1.2mmチップ部品搭載の各試験基板を作製した。
次いで各試験基板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂(製品名:エポマウント(主剤および硬化剤)、リファインテック(株)製)を用いて封止した。更に湿式研磨機(製品名:TegraPol−25、丸本ストルアス(株)、製)を用いて各試験基板に実装された前記チップ部品の中央断面が分かるような状態とし、形成されたはんだ接合部に発生した亀裂がはんだ接合部を完全に横断して破断に至っているか否かを走査電子顕微鏡(製品名:TM−1000、(株)日立ハイテクノロジーズ製)を用いて観察し、以下の基準にて評価した。その結果を表3および表4に表す。なお、各冷熱衝撃サイクルにおける評価チップ数は10個とした。
◎:3,000サイクルまではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しない
○:2,001から3,000サイクルの間ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
△:1,001から2,000サイクルの間ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
×:1,000サイクル未満ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
(3) Solder crack test (-40 ° C to 150 ° C)
Since in-vehicle boards and the like are placed in a severe environment where the temperature difference is extremely severe, it is required that the solder alloy used therein exhibits a good crack growth suppressing effect even in such an environment. Therefore, in order to clarify whether or not the solder alloy according to the present embodiment can exhibit the effect even under such severe conditions, it is −40 ° C. to 150 ° C. using a liquid tank type thermal shock test apparatus. The solder crack test in the temperature difference of was conducted. The conditions are as follows.
First, a liquid bath type thermal shock test apparatus (product name: ETAC WINTECH LT80, Enomoto Co., Ltd.) in which each glass epoxy board after solder joint formation was set to conditions of -40 ° C. (5 minutes) to 150 ° C. (5 minutes). 3.2 × 1.6 mm chip component under the same conditions as in the solder crack test (1) except that the thermal shock cycle is exposed to an environment where 1,000, 2,000, and 3,000 cycles are repeated. Each test substrate mounted and mounted with 2.0 × 1.2 mm chip components was prepared.
Subsequently, the target part of each test board | substrate was cut out, and this was sealed using the epoxy resin (Product name: Epomount (main agent and hardening | curing agent), the refine tech Co., Ltd. product). Further, a solder joint formed by using a wet polishing machine (product name: TegraPol-25, manufactured by Marumoto Struers Co., Ltd.) so that the center cross section of the chip component mounted on each test substrate can be seen. Was observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) to determine whether or not the cracks generated in the sample completely crossed the solder joint and led to the fracture. And evaluated. The results are shown in Table 3 and Table 4. The number of evaluation chips in each thermal shock cycle was 10.
A: No crack that completely crosses the solder joint until 3,000 cycles ○: A crack that completely crosses the solder joint occurs between 2,001 to 3,000 cycles Δ: 1,001 to 2 Cracks that completely traverse the solder joints occur during 1,000 cycles ×: Cracks that completely traverse the solder joints occur in less than 1,000 cycles

(4)ボイド試験
上記はんだ亀裂試験(1)と同じ条件にて、3.2×1.6mmチップ部品搭載および2.0×1.2mmチップ部品搭載の各試験基板を作製した。
次いで各試験基板の表面状態をX線透過装置(製品名:SMX−160E、(株)島津製作所製)で観察し、各試験基板中40箇所のランドにおいて、チップ部品の電極下の領域(図3の破線で囲った領域(a))に占めるボイドの面積率(ボイドの総面積の割合。以下同じ。)とフィレットが形成されている領域(図3の破線で囲った領域(b))に占めるボイドの面積率の平均値を求め、それぞれについて以下のように評価した。その結果を表3および表4に表す。
◎:ボイドの面積率の平均値が3%以下であって、ボイド発生の抑制効果が極めて良好
○:ボイドの面積率の平均値が3%超5%以下であって、ボイド発生の抑制効果が良好
△:ボイドの面積率の平均値が5%超8%以下であって、ボイド発生の抑制効果が十分
×:ボイドの面積率の平均値が8%を超え、ボイド発生の抑制効果が不十分
(4) Void test Under the same conditions as the solder crack test (1), each test substrate mounted with a 3.2 × 1.6 mm chip component and a 2.0 × 1.2 mm chip component was prepared.
Next, the surface state of each test substrate was observed with an X-ray transmission device (product name: SMX-160E, manufactured by Shimadzu Corporation), and the area under the electrode of the chip component (see FIG. 3 is the void area ratio (ratio of the total area of voids; the same applies hereinafter) and the area where fillets are formed (area (b) surrounded by broken lines in FIG. 3). The average value of the area ratio of voids in each was obtained and evaluated for each as follows. The results are shown in Table 3 and Table 4.
A: The average value of the void area ratio is 3% or less and the effect of suppressing the generation of voids is very good. ○: The average value of the void area ratio is more than 3% and 5% or less, and the effect of suppressing the generation of voids. △: The average value of the void area ratio is more than 5% and 8% or less, and the effect of suppressing the generation of voids is sufficient. ×: The average value of the void area ratio exceeds 8%, and the effect of suppressing the generation of voids insufficient

以上に示す通り、実施例に係る鉛フリーはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部は、寒暖の差が激しく振動が負荷されるような過酷な環境下にあっても、そのチップのサイズを問わず、また電極にNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがされているといないとを問わず、はんだ接合部および前記界面付近における亀裂進展抑制効果を発揮し得る。特に液槽式冷熱衝撃試験装置を用いて寒暖の差を−40℃から150℃とした非常に過酷な環境下においても、実施例のはんだ接合部は良好な亀裂抑制効果を奏することが分かる。
特にNiとCoとを併用した実施例18から実施例31においては、いずれの条件下にあっても良好なはんだ接合部および前記界面付近の亀裂進展抑制効果を発揮し得る。
また、例えば実施例19や実施例22のようにNiやCoを0.25重量%含有させた場合であっても、フィレットにおけるボイドの発生を抑制することができる。
従って、このようなはんだ接合部を有する電子回路基板は車載用電子回路基板といった寒暖差が激しく且つ高い信頼性の求められる電子回路基板にも好適に用いることができる。
更にこのような電子回路基板は、より一層高い信頼性が要求される電子制御装置に好適に使用することができる。
As described above, the solder joint formed by using the lead-free solder alloy according to the embodiment can be used regardless of the size of the chip even in a harsh environment where the difference in temperature is intense and vibration is applied. In addition, regardless of whether the electrode is Ni / Pd / Au plated or Ni / Au plated, it is possible to exert a crack growth suppressing effect in the vicinity of the solder joint and the interface. In particular, it can be seen that the solder joints of the examples have a good crack suppression effect even in a very severe environment where the difference in temperature is -40 ° C. to 150 ° C. using a liquid tank type thermal shock test apparatus.
In particular, in Examples 18 to 31 in which Ni and Co are used in combination, a good solder joint and crack growth suppressing effect near the interface can be exhibited under any conditions.
Moreover, even if it is a case where 0.25 weight% of Ni and Co are contained like Example 19 and Example 22, generation | occurrence | production of the void in a fillet can be suppressed, for example.
Therefore, an electronic circuit board having such a solder joint can be suitably used for an electronic circuit board that has a severe temperature difference and requires high reliability, such as an in-vehicle electronic circuit board.
Furthermore, such an electronic circuit board can be suitably used for an electronic control device that requires higher reliability.

1 基板
2 絶縁層
3 電極部
4 電子部品
5 外部電極
6 はんだ接合部
7 フラックス残渣
8 端部
10 はんだ接合体
100 電子回路基板

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 Insulating layer 3 Electrode part 4 Electronic component 5 External electrode 6 Solder joint part 7 Flux residue 8 End part 10 Solder joint body 100 Electronic circuit board

Claims (8)

Agを2重量%超3.1重量%以下と、Cuを1重量%以下と、Sbを3重量%以上5重量%以下と、Biを3.1重量%以上3.2重量%以下と、Niを0.01重量%以上0.25重量%以下と、Coを0.001重量%以上0.25重量%以下含み残部がSnからなる鉛フリーはんだ合金であって、
3.2×1.6mmチップ部品および2.0×1.2mmチップ部品と基板とをそれぞれ接合する前記鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部に対し−40℃(5分間)から150℃(5分間)の条件に設定した液槽式冷熱衝撃試験装置を用いて冷熱衝撃サイクルを2,000回与えた場合であっても前記はんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しないことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
Ag is more than 2% by weight and 3.1% by weight or less, Cu is 1% by weight or less, Sb is 3% by weight or more and 5% by weight or less, Bi is 3.1% by weight or more and 3.2% by weight or less, A lead-free solder alloy comprising 0.01 wt% or more and 0.25 wt% or less of Ni, and 0.001 wt% or more and 0.25 wt% or less of Co, the balance being Sn,
From −40 ° C. (5 minutes) to a solder joint formed using the lead-free solder alloy for joining a 3.2 × 1.6 mm chip component and a 2.0 × 1.2 mm chip component and a substrate, respectively. Even when the thermal shock cycle is applied 2,000 times using a liquid bath type thermal shock test apparatus set at 150 ° C. (5 minutes), cracks that completely traverse the solder joint are not generated. Lead-free solder alloy characterized by
Agを2重量%超3.1重量%以下と、Cuを1重量%以下と、Sbを3重量%以上5重量%以下と、Biを3.1重量%以上3.2重量%以下と、Niを0.01重量%以上0.25重量%以下と、Coを0.001重量%以上0.25重量%以下含み残部がSnからなり、AgとCuとSbとBiとNiとCoのそれぞれの含有量(重量%)が下記式(A)から(D)の全てを満たし、
3.2×1.6mmチップ部品および2.0×1.2mmチップ部品と基板とをそれぞれ接合する前記鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部対し−40℃(5分間)から150℃(5分間)の条件に設定した液槽式冷熱衝撃試験装置を用いて冷熱衝撃サイクルを2,000回与えた場合であっても前記はんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しないことを特徴とする請求項1に記載の鉛フリーはんだ合金。
1.6≦Ag含有量+(Cu含有量/0.5)≦5.9 … A
0.85≦(Ag含有量/3)+(Bi含有量/4.5)≦ 2.10 … B
3.6 ≦ Ag含有量+Sb含有量≦ 8.9 … C
0<(Ni含有量/0.25)+(Co含有量/0.25)≦1.19 …D
Ag is more than 2% by weight and 3.1% by weight or less, Cu is 1% by weight or less, Sb is 3% by weight or more and 5% by weight or less, Bi is 3.1% by weight or more and 3.2% by weight or less, Ni is 0.01 wt% or more and 0.25 wt% or less, Co is 0.001 wt% or more and 0.25 wt% or less, and the balance is Sn, and each of Ag, Cu, Sb, Bi, Ni and Co The content (% by weight) of the following satisfies all of the following formulas (A) to (D),
From −40 ° C. (5 minutes) to 150 for solder joints formed using the lead-free solder alloy that joins the 3.2 × 1.6 mm chip component and the 2.0 × 1.2 mm chip component and the substrate, respectively. Even when the thermal shock cycle is applied 2,000 times using a liquid bath type thermal shock test apparatus set to the condition of ℃ (5 minutes), the crack that completely crosses the solder joint is not generated. The lead-free solder alloy according to claim 1.
1.6 ≦ Ag content + (Cu content / 0.5) ≦ 5.9 A
0.85 ≦ (Ag content / 3) + (Bi content / 4.5) ≦ 2.10 B
3.6 ≦ Ag content + Sb content ≦ 8.9… C
0 <(Ni content / 0.25) + (Co content / 0.25) ≦ 1.19... D
Niの含有量が0.01重量%以上0.03重量%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1 or 2, wherein the Ni content is 0.01% by weight or more and 0.03% by weight or less. Coの含有量が0.001重量%以上0.008重量%以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the Co content is 0.001 wt% or more and 0.008 wt% or less. 更にP、Ga、およびGeの少なくとも1種を合計で0.001重量%以上0.05重量%以下含むことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder according to any one of claims 1 to 4, further comprising at least one of P, Ga, and Ge in a total amount of 0.001 wt% or more and 0.05 wt% or less. alloy. 更にFe、Mn、Cr、およびMoの少なくとも1種を合計で0.001重量%以上0.05重量%以下含むことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead according to any one of claims 1 to 5, further comprising at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo in a total amount of 0.001 wt% to 0.05 wt%. Free solder alloy. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有することを特徴とする電子回路基板   An electronic circuit board comprising a solder joint formed by using the lead-free solder alloy according to claim 1. 請求項7に記載の電子回路基板を有することを特徴とする電子制御装置。

An electronic control device comprising the electronic circuit board according to claim 7.

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