JP2018171656A - 鉛フリーはんだ合金と車載電子回路 - Google Patents

Abstract

【課題】温度サイクル特性に優れ、衝突などの衝撃に強い鉛フリーはんだ合金、及び車載電子回路装置の提供。
【解決手段】Ａｇが１〜４質量％、Ｃｕが０．６〜０．８質量％、Ｓｂが１〜５質量％、Ｎｉが０．０１〜０．２質量％、残部がＳｎの鉛フリーはんだ合金。
【効果】低温が−４０℃、高温が１２５℃というような厳しい温度サイクル特性に長期間耐えられるだけでなく、縁石への乗り上げや前の車との衝突などで発生する外部からの力に対しても長期間に耐える事が可能なはんだ合金およびそのはんだ合金を使用した車載電子回路装置を得ることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、温度サイクル特性に優れ、衝突などの衝撃に強い鉛フリーはんだ合金と、車載電子回路装置とに関する。

自動車には、プリント回路基板（以降プリント基板という）に半導体やチップ抵抗部品などの電子部品をはんだ付けした電子回路（以下、車載電子回路という）が搭載されている。車載電子回路は、エンジン、パワーステアリング、ブレーキ等を電気的に制御する装置に使用されており、そのような装置は自動車の走行にとって非常に重要な保安部品となっている。特に、燃費向上のためにコンピューターで自動車の走行、特にエンジンの作動を制御する電子回路を備えた、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と呼ばれる車載電子回路装置は、長期間に渡って故障がなく安定した状態で稼働できるものでなければならない。このＥＣＵは、一般的にエンジン近傍に設置されているものが多く、使用環境としては、かなり厳しい。本明細書では、この車載電子回路装置を単に「ＥＣＵ」ともいい、「ＥＣＵ電子回路装置」ともいう。

このような車載電子回路が設置されるエンジン近傍は、エンジンの回転時には１２５℃以上という非常な高温となる。一方、エンジンの回転を止めたときには外気温度、例えば北米やシベリヤなどの寒冷地であれば冬季に−４０℃以下という低温になる。従って、車載電子回路は エンジンの運転とエンジンの停止の繰り返しで−４０℃以下〜＋１２５℃以上というヒートサイクルに曝される。

車載電子回路がそのように温度が大きく変化する環境に長期間置かれると、電子部品とプリント基板がそれぞれ熱膨張・収縮を起こす。しかしながら、主にセラミックスでできている電子部品の線熱膨張係数とガラスエポキシ基板できているプリント基板の線熱膨張係数の差が大きいため、上記環境下での使用中に一定の熱変位が電子部品とプリント基板とを接合しているはんだ付け部（以下、「はんだ接合部」という。）に起こり、はんだ接合部にはそのような温度変化によって繰り返し応力（ストレス）が加わる。すると、そのようなストレスで、最終的にははんだ接合部の接合界面等が破断してしまう。電子回路では、はんだ接合部が完全破断しないまでも９９％以下のクラック率でもはんだ接合部にクラックが入ることによって、電気的には導通しているとしても、回路の抵抗値が上昇して、誤動作することも考えられる。はんだ接合部にクラックが発生して、車載電子回路装置、特にＥＣＵが誤動作を起こすことは、避けなければならない。このように、車載電子回路装置、特にＥＣＵにとって温度サイクル特性が特に重要であり、それに使用されるはんだ接合部、つまりはんだ合金も考えられる限りの厳しい温度条件でも使用できることが要求される。

この使用条件の厳しい、車載電子回路装置、特にＥＣＵ用のはんだとして、Ａｇ：２．８〜４質量％、Ｂｉ：１．５〜６質量％、Ｃｕ：０．８〜１．２質量％、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏからなる群から選んだ少なくとも１種を合計量で０．００５〜０．０５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする車載用鉛フリーはんだ（ＷＯ２００９／０１１３４１Ａ、特許文献１）等が開示されている。

また、単なるはんだ合金組成として、主成分としてのＳｎ（錫）に加えて、１０重量％またはそれ未満のＡｇ（銀）、１０重量％またはそれ未満のＢｉ（ビスマス）、１０重量％またはそれ未満のＳｂ（アンチモン）および３重量％またはそれ未満のＣｕ（銅）を含んでなる合金を含んでなり、合金がさらに、１．０重量％またはそれ未満のＮｉ（ニッケル）を含んでなるはんだ物質（特開２００６−５２４５７２号公報、特許文献２）も開示されている。

ＷＯ２００９／０１１３４１Ａ 特開２００６−５２４５７２号公報

ハイブリッド自動車や電気自動車の普及に見られるように、自動車に於けるメカ部品から電子部品への移行は進んでおり、それに伴いサイズの余裕があった自動車用の電子回路でも小型化が求められている。そのため、従来はリフローソルダリングの後、フローソルダリングではんだ付けされていた車載電子回路が、近年は両面ともソルダぺーストで面実装する両面リフローはんだ付けされることが当然となっている。これは車載電子回路の高密度化をもたらし、これまで見られなかったクラックモードの不具合が現れるようになった。

ところで、特許文献１の発明は厳しい環境での寿命が長いはんだ合金を開示したものであったが、自動車は輸送手段として用いられるものであるので、一箇所に静置されることは少なく、道路等で使用される事が多い。このような道路で使用されるときは、悪路により車載電子回路装置には常時振動が加わり、また縁石への乗り上げや前の車との衝突など、車載電子回路装置は外部からの力が加わる事が多く発生する。車の衝突でも大事故であれば、車載電子回路装置ごと交換することが多いが、単なる接触事故では車の外装の交換だけで済まされることが多く、車載電子回路装置には、厳しい環境に耐えられるだけでなく、外部からの加わる力にも耐えられ無ければならない。

特に、最近の自動車は、電気自動車やハイブリッド自動車の普及など、電子化が進み、車載電子回路装置も小型化、高密度化が進んできた。そのため、車載電子回路のはんだ接合部のはんだ量も減少し、例えば、３２１６サイズのチップ部品では、はんだ接合部のはんだ量が片側で標準１．３２ｍｇであるのに対し、車載電子回路用では片側で０．２８ｍｇ未満という微細なはんだ量しかない。そのため、従来の電子回路では図１のようにチップ部品側面にはんだフィレット部分が突き出しているが、車載電子回路のはんだ接合部では図２のようにチップ部品側面にはんだフィレットがほとんどない。よって、車載電子回路のはんだ接合部では、図２のようにほぼ一直線にクラックが伝播するという新たなクラックモードが生じ、誤動作をもたらすことが問題となってきた。

本発明が解決しようとする課題は、低温が−４０℃、高温が１２５℃というような厳しい温度サイクル特性に長期間耐えられるだけでなく、縁石への乗り上げや前の車との衝突などで発生する外部からの力に対しても長期間に耐える事が可能なはんだ合金およびそのはんだ合金を使用した車載電子回路装置を開発することである。

本発明者らは、長期間の温度サイクル後の外部からの力に耐えるには、Ｓｎ相に固溶する元素を添加して固溶強化型の合金を作ることが有効なこと、固溶析出強化型の合金を作るにはＳｂが最適な元素であること、さらにＳｎマトリックス中のＳｂの添加は微細なＳｎＳｂ金属間化合物が形成され、析出分散強化の効果も現すことを見い出し、本発明を完成させた。

本発明は、Ａｇが１〜４質量％、Ｃｕが０．６〜０．８質量％、Ｓｂが１〜５質量％、Ｎｉが０．０１〜０．２質量％、残部がＳｎの鉛フリーはんだ合金である。さらに、Ｂｉを１．５〜５．５質量％を添加しても良い。さらに、ＣｏおよびＦｅから選択された元素を少なくとも１種を合計で０．００１〜０．１質量％添加しても良い。

ここに、本発明にかかる合金の冶金学的組織上の特徴は、はんだ合金がＳｎマトリックス中にＳｂが固溶している組織からなり、該組織は、例えば１２５℃の高温ではＳｂが安定して固溶した状態を呈するが、温度低下に伴って、Ｓｎマトリックスに対してＳｂが、徐々に、過飽和状態で固溶するようになり、そして、例えば−４０℃という低温では、ＳｎＳｂ金属間化合物としてＳｂが析出する組織である。

さらに本発明は、上述のはんだ合金を使ってはんだ付けを行って得た車載電子回路およびそのような電子回路を備えた車載電子回路装置である。
ここに、「車載」または「車載用」というのは、自動車に搭載されるということであり、具体的には、過酷な使用環境、すなわち、−４０℃から１２５℃という温度環境に繰り返し曝されて使用されても所定の特性を確保でき、自動車に搭載可能であるということである。より具体的には、そのような温度環境下でも３０００サイクルのヒートサイクル試験に耐え得て、その条件下でも外部からの力を評価するシェア試験に対して耐性を有するということである。

本発明のはんだ合金が、温度サイクルに曝された後も微細なＳｂの析出物を作り、化合物の粗大化といった組織劣化が生じない理由は次のように考えられる。
リフローはんだ付けで接合する車載用はんだ合金は、低温は冷寒地、高温はエンジンルームを模式して、−４０℃〜＋１２５℃の温度サイクル試験が課せられる。本発明のはんだ合金では、添加したＳｂが、例えば１２５℃という高温状態でＳｎマトリックス中に再固溶し、例えば−４０℃という低温状態でＳｎＳｂ金属間化合物が析出するという工程が繰り返されることによって、ＳｎＳｂ金属間化合物の粗大化が止まり、温度サイクル試験を実施する中で、一度粗大化したＳｎＳｂ金属化合物も高温側でＳｎマトリックス中に再溶解するので、微細なＳｎＳｂ金属間化合物が形成され、析出分散強化型のはんだ合金が維持させる。

ところが、Ｓｂの量を、５質量％を超えて、例えば８質量％添加すると、温度サイクル試験の初期でのＳｎＳｂ化合物の粒径が大きく微細にならず、また、液相線温度が上昇するので、はんだ合金に添加したＳｂが高温側でも再溶解せずに元のＳｎＳｂの結晶粒のままである。したがって、上述のような温度サイクル下での使用を繰り返えしても微細なＳｎＳｂ金属間化合物が形成することはない。

さらに、Ｓｂの量を５質量％を超えて添加すると、はんだ合金の液相線温度が上昇してしまうので、リフロー加熱の温度を上昇させないとはんだ付けすることができない。このように、リフロー条件を上昇させるとプリント基板の表面に配線させているＣｕがはんだ中に溶融して、Ｃｕ₆Ｓｎ₅等のＳｎＣｕの金属間化合物層がプリント基板とのはんだ付け部に厚く形成され易くなり、プリント基板とはんだ接合部が破壊され易くなる。

本発明において、はんだ合金中に添加したＳｂは、はんだ合金のＳｎマトリックス中にＳｎＳｂという化合物の形で微細な析出物となり、−４０〜＋１２５℃の温度サイクルを３０００サイクル近く繰り返しても、Ｓｎマトリックス中でＳｎＳｂ金属間化合物の微細析出物の状態を維持することができる。このことにより、セラミックス等の電子部品とはんだ接合部の界面に発生し易いクラックをＳｎＳｂの析出物が邪魔する。

本発明によれば、上述の温度サイクル試験経過後であっても、Ｓｎマトリックス中のＳｎＳｂ金属間化合物の粒子径は、試験開始前の粒径のＳｎＳｂ金属間化合物の粒子とほぼ同じ０．６μｍ以下であり、粗大化が抑制された粒径となる。したがって、はんだ中に部分的にクラックが入っても、微細なＳｎＳｂ金属間化合物がそのようなクラックの伝播を阻害することで、クラックがはんだの内部に広がることを抑制できる。

本発明にかかるはんだ合金は、−４０℃から＋１２５℃の温度サイクル試験を３０００サイクル近く繰り返しても、微量なはんだ量のはんだ接合部にもクラックが発生せず、また、クラックが発生した場合においても、クラックがはんだ中を伝播することを抑制した、優れた温度サイクル特性を発揮できる。
本発明にかかるはんだ合金を、微少なはんだ量で、はんだフィレットがほとんどなく薄いはんだ接合部を有する車載電子回路のはんだ付けに用いることで、−４０から＋１２５℃の温度サイクルに曝される使用環境下で使用しても、はんだ接合部にクラックが発生せず、例えクラックが発生したとしても、はんだ中を伝播することが抑制されるため、信頼性の高い車載電子回路および車載電子回路装置を得ることができる。
また、本発明のはんだ合金は、接合界面で発生するクラックも抑制されており、特にＥＣＵ装置のはんだ付けに適した特性を有している。

従来の電子回路のはんだ接合部周辺の模式図である。 本願の車載電子回路のはんだ接合部周辺の模式図である。 本発明のはんだ合金（実施例５）の温度サイクル試験における３０００サイクル後のＳｎＳｂ金属間化合物の状態を撮った電子顕微鏡写真である。 比較例のはんだ合金（比較例４）の温度サイクル試験における３０００サイクル後のＳｎＳｂ金属間化合物の状態を撮った電子顕微鏡写真である。 クラック率の算出方法を示した模式図である。 表２より、Ｓｂ含有量（Ｂｉ無し）に対して、クラック発生率とシェア強度残存率をプロットしたグラフである。 表２より、Ｂｉ含有量に対して、クラック発生率をプロットしたグラフである。 表２より、Ｂｉ含有量に対して、シェア強度残存率をプロットしたグラフである。

本発明のはんだ合金に添加されるＳｂが１質量％未満では、Ｓｂ量が少なすぎてＳｎマトリックス中にＳｂが分散する形態が現れず、さらに固溶強化の効果も現れない。さらに、はんだ接合部のシェア強度も低くなる。また、Ｓｂが５質量％を超えるようなＳｂの添加では、液相線温度が上昇するので、炎天下のエンジン稼働時等に現れる１２５℃を超す高温時にＳｂが再溶融しないので、ＳｎＳｂ金属間化合物の粗大化が進み、はんだ中にクラックが伝播することを抑制することができない。さらに、液相線温度が上がると実装時の温度ピークが上がるので、プリント基板の表面に配線されているＣｕがはんだ中に溶融して、Ｃｕ₆Ｓｎ₅等のＳｎＣｕの金属間化合物層がプリント基板とのはんだ付け部に厚く形成され易くなり、プリント基板とはんだ接合部が破壊され易くなる。
したがって、本発明のＳｂの量は１〜５質量％であり、好ましくは３〜５質量％である。後述するＢｉが配合される場合には、Ｓｂの量は３超〜５％が好ましい。

本発明のはんだ合金では、はんだ中におけるクラックの発生と伝播を抑制すると共に、セラミック部品とはんだ接合部のはんだ接合界面でのクラックの発生も抑制している。例えば、Ｃｕランドにはんだ付けするとＣｕ_６Ｓｎ_５の金属間化合物がＣｕランドとの接合界面に発生するが、本発明のはんだ合金はＮｉを０．０１〜０．２質量％含有しており、この含有しているＮｉは、はんだ付け時にはんだ付け界面部分に移動して、Ｃｕ₆Ｓｎ₅ではなく（ＣｕＮｉ）₆Ｓｎ₅が発生して、界面の（ＣｕＮｉ）₆Ｓｎ₅の金属間化合物層のＮｉ濃度が高くなる。これにより、はんだ付け界面にＣｕ₆Ｓｎ₅よりも微細で、粒径が揃った（ＣｕＮｉ）₆Ｓｎ₅の金属間化合物層が形成される。微細な（ＣｕＮｉ）₆Ｓｎ₅の金属間化合物層は、界面から伝播するクラックを抑制する効果を有する。これは、Ｃｕ₆Ｓｎ₅のような大きな粒径がある金属間化合物層では、発生したクラックが大きな粒径に沿って伝播するので、クラックの進展が早い。ところが粒径が微細なときは、発生したクラックの応力が多くの粒径方向に分散するので、クラックの進展を遅くすることができる。

このように、本発明のはんだ合金では、Ｎｉを添加することで、はんだ付け界面付近に発生する金属間化合物層の金属間化合物を微細化して、クラックの発生を抑制するとともに、一旦発生したクラックの伝播を抑制する働きをしている。そのため、本発明のはんだ合金は接合界面からのクラックの発生や伝播の抑制も可能である。
Ｎｉの量が０．０１質量％未満では、はんだ付け界面のＮｉの量が少ないため、はんだ接合部界面の改質効果が不十分であるためクラック抑止効果がなく、Ｎｉの量が０．２質量％を超えてしまうと、液相線温度が上昇するため、本発明に添加したＳｂの再溶融が発生せず、微細なＳｎＳｂ金属間化合物の粒径維持の効果を阻害してしまう。
したがって、本発明のＮｉの量は、０．０１〜０．２質量％が好ましく、より好ましくは０．０２〜０．１質量％である。さらに好ましくは、０．０２〜０．０８％である。

本発明に添加されているＡｇは、はんだのぬれ性向上効果とはんだマトリックス中にＡｇ３Ｓｎの金属間化合物のネットワーク状の化合物を析出させて、析出分散強化型の合金を作り、温度サイクル特性の向上を図る効果が発揮される。
本発明のはんだ合金で、Ａｇの含有量が１質量％未満では、はんだのぬれ性の向上効果が発揮されず、Ａｇ_３Ｓｎの析出量が少なくなり、金属間化合物のネットワークが強固とはならない。また、Ａｇの量が４質量％より多くなると、はんだの液相線温度が上昇して、本発明にしたがって添加したＳｂの再溶融が起らず、ＳｎＳｂ金属間化合物の微細化の効果を阻害してしまう。
したがって、本発明に添加するＡｇの量は、１〜４質量％が好ましい。より好ましくは、Ａｇの量が３．２〜３．８質量％である。

本発明のはんだ合金に添加されているＣｕは、Ｃｕランドに対するＣｕ食われ防止効果とはんだマトリックス中に微細なＣｕ₆Ｓｎ₅の化合物を析出させて温度サイクル特性を向上させる効果がある。
本発明のはんだ合金のＣｕが０．６質量％未満では、Ｃｕランドに対するＣｕ食われ防止が現れず、Ｃｕが０．８質量％を超えて添加するとＣｕ_６Ｓｎ_５の金属間化合物が接合界面にも多く析出するので、振動等でのクラックの成長が早くなってしまう。

本発明のはんだ合金では、Ｂｉを添加することで、さらに温度サイクル特性を向上させることができる。本発明で添加したＳｂは、ＳｎＳｂ金属間化合物を析出して析出分散強化型の合金を作るだけでなく、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てＳｎマトリックスを強化することで、温度サイクル特性を向上させる効果も有している。このときに、はんだ中にＢｉが入っていると、ＢｉがＳｂと置き換わるので、さらに温度サイクル特性を向上させることができる。ＢｉはＳｂより原子量が大きく、原子配列の格子を歪ませる効果が大きいからである。また、Ｂｉは、微細なＳｎＳｂ金属間化合物の形成を妨げることがなく、析出分散強化型のはんだ合金が維持される。
本発明のはんだ合金に添加するＢｉの量が、１．５質量％未満ではＳｂとの置換が起き難く、微細なＳｎＳｂ金属間化合物の量が少なくなるため、温度サイクル向上効果が現れない、また、Ｂｉの量が５．５質量％を超えて添加するとはんだ合金自体の延性が低くなって堅く硬く、もろくなるので、振動等でのクラックの成長が早くなってしまう。
本発明のはんだ合金に添加するＢｉの量は、１．５〜５．５質量％が好ましく、より好ましいのは、３〜５質量％のときである。さらに好ましくは、３．２〜５．０質量％である。

さらに、本発明のはんだ合金では、ＣｏまたはＦｅ、またはその両方を添加することで、本発明のＮｉの効果を高めることができる。特に、Ｃｏは優れた効果を現す。
本発明のはんだ合金に添加するＣｏとＦｅの量は、合計量で、０．００１質量％未満では接合界面に析出して界面クラックの成長を防止する効果が現れず、０．１質量％を超えて添加されると界面に析出する金属間化合物層が厚くなり、振動等でのクラックの成長が早くなってしまう。
本発明に添加するＣｏまたはＦｅ、その両方を添加する量は、０．００１〜０．１質量％が好ましい。

本発明にかかるはんだ合金は、これまでの説明からも明らかなように、ヒートサイクル性に優れており、はんだ中のクラックの発生や伝播が抑制されるから、絶えず振動を受けている状態で使用される自動車用、つまり車載用として使用されても、クラックの成長や進展が促進されることはない。したがって、そのような特に顕著な特性を備えていることから、本発明にかかるはんだ合金は、自動車に搭載する電子回路のはんだ付けに特に適していることがわかる。

ここに、本明細書でいう「ヒートサイクル性にすぐれている」とは、後述する実施例でも示すように−４０℃以下＋１２５℃以上というヒートサイクル試験を行っても、３０００サイクル後のクラック発生率が９０％以下であり、同じく、３０００サイクル後のシェア強度残存率が、３０％以上を言う。

このような特性は、上記ヒートサイクル試験のような非常に過酷な条件で使用されても、車載電子回路が破断しない、つまり使用不能あるいは誤動作をもたらさないことを意味しており、特にＥＣＵ用のはんだ付けに用いられるはんだ合金としては信頼性の高いはんだ合金である。さらに、本発明のはんだ合金は、温度サイクル経過後のシェア強度残存率に優れている。つまり、長期間使用しても衝突や振動等の外部から加わる外力に対してシェア強度等の外力に対する耐性が低下しない。
このように、本発明にかかるはんだ合金は、より特定的には、車載電子回路のはんだ付けに用いられ、あるいは、ＥＣＵ電子回路のはんだ付けに用いられて優れたヒートサイクル性を発揮するはんだ合金である。

「電子回路」とは、それぞれが機能を持っている複数の電子部品の電子工学的な組み合わせによって、全体として目的とする機能を発揮させる系（システム）である。
ここにそのような電子回路を構成する電子部品としては、チップ抵抗部品、多連抵抗部品、ＱＦＰ、ＱＦＮ、パワートランジスタ、ダイオード、コンデンサなどが例示される。これらの電子部品を組み込んだ電子回路は基板上に設けられ、電子回路装置を構成するのである。

本発明において、そのような電子回路装置を構成する基板、例えばプリント配線基板は特に制限されない。またその材質も特に制限されないが、耐熱性プラスチック基板（例：高Ｔｇ低ＣＴＥであるＦＲ−４）が例示される。プリント配線基板はＣｕランド表面をアミンやイミダゾール等の有機物（OSP: Organic Surface Protection）で処理したプリント回路基板が好ましい。

本発明に係る鉛フリーはんだの形状は、微細なはんだ部の接合に用いられるので、リフローはんだ付けに用いられ、ソルダペーストとして使用させるのが通常であるが、ボール状、ペレットもしくはワッシャーなどの形状のはんだプリフォームとして用いられても良い。

表１では、表１の各はんだ合金について、液相線温度、温度サイクル試験の初期値と１５００サイクル後のＳｎＳｂ粒径、クラック率を測定を以下の方法で測定した。

（はんだの溶融試験）
表１の各はんだ合金を作製して、はんだの溶融温度を測定した。測定方法は、固相線温度はＪＩＳ Ｚ３１９８−１に準じて行った。液相線温度は、ＪＩＳ Ｚ３１９８−１を採用せずに、ＪＩＳ Ｚ３１９８−１の固相線温度の測定方法と同様のＤＳＣによる方法で実施した。
結果を表１の液相線温度に示す。

（温度サイクル試験）
表１のはんだ合金をアトマイズしてはんだ粉末とした。松脂、溶剤、活性剤、チキソ剤、有機酸等からなるはんだ付けフラックスと混和して、各はんだ合金のソルダペーストを作製した。ソルダペーストは、６層のプリント基板（材質：ＦＲ−４）に１５０μｍのメタルマスクで印刷した後、３２１６のチップ抵抗器をマウンターで実装して、最高温度２３５℃、保持時間４０秒の条件でリフローはんだ付けをし、試験基板を作製した。
各はんだ合金ではんだ付けした試験基板を低温−４０℃、高温＋１２５℃、保持時間３０分の条件に設定した温度サイクル試験装置に入れ、初期値、１５００サイクル後に各条件で温度サイクル試験装置から取り出し、３５００倍の電子顕微鏡で観察して、はんだ合金のＳｎマトリックス中のＳｎＳｂ金属間化合物の粒子の平均粒径を測定した。
結果を表１のクラック率とＳｎＳｂ粒径に示す。
ここで、表１中の※１はＳｎＳｂ金属間化合物が見えず測定ができなかったことを示し、※２ははんだの液相線温度が高く、リフロー条件の２３５℃でははんだ付けできなかったことを示す。

（クラック率）
クラック発生率は、クラックが想定クラック長さに対して、クラックが生じた領域がどの程度かの指標となる。ＳｎＳｂの粒径測定後に、１５０倍の電子顕微鏡を用いて、クラックの状態を観察して、クラックの全長を想定し、クラック率を測定した。
クラック率（％）＝ クラック長さの総和 ×１００
想定線クラック全長
ここに、「想定線クラック全長」とは、完全破断のクラック長さをいう。
クラック率は、図５に示した複数のクラック７の長さの合計を、クラック予想進展経路８の長さで割った率である。
結果は、表１に記載する。

表１からは、温度サイクル試験の１５００サイクル後も、ＳｎＳｂの結晶粒が粗大化せずに、初期値と変わらないままの状態で維持されていることがわかる。

図３に、実施例５のはんだ合金について、３５００倍の電子顕微鏡で撮った、温度サイクル試験における３０００サイクル後のＳｎＳｂ金属間化合物７の状態を示す。実施例５のＳｎＳｂ金属間化合物は微細であり、はんだ中に万遍なく散在している。そのため、クラックが入っても、ＳｎＳｂ金属間化合物にクラックが入るのを阻害する。

図４に比較例４のはんだ合金について、３５００倍の電子顕微鏡で撮った、温度サイクル試験における３０００サイクル後のＳｎＳｂ金属間化合物７の状態を示す。比較例のＳｎＳｂ金属間化合物は肥大しており、ＳｎＳｂ金属間化合物の中のクラックの発生を抑制できない。

次に、表２では、表２の各はんだ合金について、温度サイクル試験での３０００サイクル後のクラック発生率とシェア強度残存率を測定した。クラック発生率の測定方法は、表１と同じだが、サイクル数は３０００サイクルとした。シェア強度残存率の測定方法は以下の通りである。

（シェア強度残存率）
シェア強度残存率は、初期状態のはんだ付け部のシェア強度に対して温度サイクル試験にどの程度の強度が維持されているかの指標となる。
シェア強度試験は、継手強度試験機ＳＴＲ‐１０００を用いて、室温下で、試験速度６ｍｍ／ｍｉｎ、試験高さは５０μｍの条件で行った。
結果はまとめて表２に示す。

表２より、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂ系のはんだ合金について、Ｓｂ含有量に対して、クラック発生率とシェア強度残存率をプロットしたグラフを図６に示す。Ｓｂ量が本発明の範囲内である１．０〜５．０％の時に、クラック発生率は９０％以下で、且つ、シェア強度残存率は３０％以上であり、本発明のはんだ合金によって、温度サイクル特性に優れ、衝突などの衝撃に強いはんだ合金が得られる。

表２より、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂ−Ｂｉ系のはんだ合金に対して、Ｂｉ含有量に対して、Ｓｂ量別に、クラック発生率をプロットしたグラフを図７に示す。Ｂｉ量が本発明の範囲内である１．５〜５．５％で、且つ、Ｓｂ量が１〜５％の時に、クラック発生率が９０％以下となり、温度サイクル特性に優れ、クラック発生を抑制することができる。

表２より、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂ−Ｂｉ系のはんだ合金に対して、Ｂｉ含有量に対して、Ｓｂ量別に、シェア強度残存率をプロットしたグラフを図８に示す。Ｂｉ量が本発明の範囲内である１．５〜５．５％で、且つ、Ｓｂ量が１〜５％の時に、シェア強度残存率が３０％以上となり、衝突などの衝撃に強く、クラック発生を抑制することができる。

結論として、本願発明のはんだ合金は、−４０〜＋１２５℃の自動車のＥＣＵ基板に必要な過酷な温度条件でも、ＳｎＳｂの結晶粒が粗大化せずに、初期値と変わらないままの状態で維持されており、その結果としてはんだ中から発生するクラックの発生も、他のはんだ合金に比較して少なくすることができる。

本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、リフローソルダリングだけでなく、フローソルダリングの形状であるインゴット状、棒状、線状のはんだや、マニュアルソルダリングの形状である脂入りはんだなどとしても良い。

１ チップ部品
２ はんだ合金
３ 基板
４ Ｃｕランド
５ 金属間化合物層
６ クラック進展経路
７ ＳｎＳｂ金属間化合物
８ クラック予想進展経路

Claims (9)

1. Ａｇ：１〜４質量％、Ｃｕ：０．６〜０．８質量％、Ｓｂ：１〜５質量％、Ｎｉ：０．０１〜０．２質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
2. さらに、Ｂｉ：１．５〜５．５質量％を含有する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。
3. さらに、ＣｏおよびＦｅから選択された元素を少なくとも１種を合計で０．００１〜０．１質量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の鉛フリーはんだ合金。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金であって、温度サイクル試験の３０００サイクル後の初期値に対するシェア強度残存率が３０％以上であることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金であって、Ｃｕ−ＯＳＰ処理を施した基板と接合されることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金からなるはんだ接合部を有する車載電子回路。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金からなるはんだ接合部を有するＥＣＵ電子回路。
8. 請求項６に記載の電子回路を備えた車載電子回路装置。
9. 請求項７に記載のＥＣＵ電子回路を備えたＥＣＵ電子回路装置。