JP2019195849A - Lead-free solder alloy, electronic circuit substrate, and electronic controller - Google Patents

Lead-free solder alloy, electronic circuit substrate, and electronic controller Download PDF

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Abstract

To provide: a lead-free solder alloy that suppresses cracking propagation at a solder joint part even in an environment where variation in temperature is extreme and vibration is applied, and restricts voids at the solder joint part which easily occur when mounting an electronic component onto a CuOSP substrate, and that suppresses cracking propagation near a boundary surface caused by growth of a CuSn layer which easily occurs when mounting an electronic component not plated with Ni/Pd/Au or Ni/Au on a substrate; an electronic circuit substrate that includes the solder joint part formed using said lead-free solder alloy; and an electronic controller.SOLUTION: There is provided a lead-free solder alloy containing: 1-4 mass% of Ag; 1-5 mass% of Sb; 0.01-0.03 mass% of Ni; and the balance consisting of Sn.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及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.

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。従来、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。
In order to join an electronic component 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 is employed. Conventionally, lead has been generally used 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及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及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への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、上記亀裂及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及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はんだ合金への要望は、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 (cooling / heating difference), and in addition, the placement and implementation of electronic circuit boards under harsh environments that are subject to vibrational loads have been made. Under such an environment where the temperature difference is very severe, thermal displacement of the solder joint and stress accompanying it due to the difference in coefficient of linear expansion between the mounted electronic component and the substrate are likely to occur. Repeated plastic deformation due to temperature difference tends to cause cracks in the solder joints, and stress applied repeatedly over time concentrates near the crack tip, so the cracks cross to the deep part of the solder joints. It becomes 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 crack and its development are more likely to occur.
Therefore, as the number of in-vehicle electronic circuit boards and electronic control devices placed in the harsh environment described above increases, the demand for solder alloys that can exhibit sufficient crack growth suppression effects is expected to increase in the future. Is done.

また、車載用電子回路基板としては銅箔を施した基板の表面に水溶性プリフラックス処理(Organic Solderbility Preservative)を施した基板(以下、本明細書においては「CuOSP基板」という。)が広く用いられている。当該CuOSP基板ははんだ合金のぬれ広がり性に劣るため、これに電子部品を搭載する場合、当該基板上に形成されたはんだ接合部にボイドが発生し易いという問題がある。そのため、CuOSP基板への電子部品搭載に用いられる場合であってもボイドの発生を抑制する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, as an in-vehicle electronic circuit board, a board (hereinafter referred to as “CuOSP board” in this specification) in which a surface of a copper foil-coated board is subjected to a water-soluble preflux treatment (Organic Solderability Preservative) is widely used. It has been. Since the CuOSP substrate is inferior in wettability of the solder alloy, when an electronic component is mounted on the CuOSP substrate, there is a problem that voids are likely to be generated in a solder joint formed on the substrate. Therefore, it is expected that the demand for a solder alloy that suppresses the generation of voids will increase even when used for mounting electronic components on a CuOSP substrate.

更には、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及び実用化がなされている。
このような例えばリード部分を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は、Snめっき及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。そのため、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し易い。この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。よって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めっきの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はんだ合金への要望も大きくなることが予想される。
Furthermore, lead parts of electronic components such as QFP (Quad Flat Package) and SOP (Small Outline Package) mounted on a vehicle-mounted electronic circuit board have been conventionally plated with Ni / Pd / Au or Ni / Au. Many parts were 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 Sn-plated bottom electrodes have been studied and put into practical use.
Such an electronic component having, for example, a lead portion replaced with Sn plating or an electronic component having a Sn-plated bottom electrode is composed of Sn contained in the Sn plating and solder joint portion and Cu contained in the lead portion and the bottom electrode. Interdiffusion is likely to occur. Therefore, the Cu 3 Sn layer, which is an intermetallic compound, is uneven in a region in the vicinity of the interface between the solder joint and the lead portion or the lower electrode (hereinafter referred to as “near the interface” in this specification). Easy to grow. This Cu 3 Sn layer is originally hard and brittle, and the Cu 3 Sn layer that has grown greatly in a concavo-convex shape becomes even more 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, and thus an electrical short circuit is likely to occur.
Therefore, in the future, even in the case of using electronic parts that are not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating under the severe environment described above, a solder alloy that can exhibit the effect of suppressing crack propagation near the interface The demand for is expected to increase.

これまでもはんだ接合部における亀裂進展抑制を目的として、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るためにSn−Ag−Cu系はんだ合金にAgやBiといった元素を添加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8参照)。   In the past, for the purpose of suppressing crack growth in the solder joint, a method of adding an element such as Ag or Bi to the Sn—Ag—Cu based solder alloy in order to improve the strength of the solder joint and the accompanying thermal fatigue characteristics has been proposed. Some are disclosed (see Patent Document 1 to Patent Document 8).

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 特許第3353640号公報Japanese Patent No. 3353640

例えばはんだ合金に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。
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Bi等の添加による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。
For example, when Bi is added to a 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.
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 the case of a vehicle-mounted substrate placed in an environment where there is a great difference in temperature and temperature, the effect of suppressing crack growth is not sufficient only by increasing the strength by adding Bi or the like as in the prior art. Appearance of suppression methods is desired.

また例えばはんだ合金にNiを添加することで、はんだの熱疲労特性を向上したり、金属間化合物(CuSn)の生成を抑制することはできるものの、一方でNiを多く(例えば0.5質量%)入れた場合、はんだ接合部にボイドが発生し易くなるという問題も生じる。 Further, for example, by adding Ni to the solder alloy, the thermal fatigue characteristics of the solder can be improved or the formation of intermetallic compounds (Cu 3 Sn) can be suppressed, but on the other hand, the amount of Ni is increased (for example, 0.5 Mass%), voids are likely to occur at the solder joints.

更には上記従来技術には、CuOSP基板上への電子部品搭載時に発生し易いはんだ接合部のボイド抑制、及び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基板上に搭載する場合に特に発生し易いCuSn層の成長による界面付近の亀裂進展の抑制については言及されていない。 Furthermore, in the above-described conventional technology, voids in solder joints that are likely to occur when electronic components are mounted on a CuOSP substrate, and electronic components that are not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating are mounted on the substrate. There is no mention of suppression of crack growth near the interface due to the growth of the Cu 3 Sn layer, which is particularly likely to occur.

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CuOSP基板上への電子部品搭載時に発生し易いはんだ接合部のボイドを抑制、及び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基板上に搭載する場合に発生し易いCuSn層の成長による界面付近の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及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-mentioned problems, and can suppress the crack progress of the solder joint even in a severe environment where the difference in temperature is intense and the vibration is loaded, and when the electronic component is mounted on the CuOSP substrate. Suppresses voids in solder joints that are likely to occur, and near the interface due to the growth of Cu 3 Sn layer, which is likely to occur when electronic parts that are not plated with Ni / Pd / Au or Ni / Au are mounted on a substrate It is an object of the present invention to provide a lead-free solder alloy capable of suppressing crack propagation, and an electronic circuit board and an electronic control device having a solder joint formed using the lead-free solder alloy.

(1)本発明の鉛フリーはんだ合金は、Agを1質量%以上4質量%以下と、Sbを1質量%以上5質量%以下と、Niを0.01質量%以上0.03質量%以下含み、残部がSnからなることをその特徴とする。 (1) In the lead-free solder alloy of the present invention, Ag is 1% by mass to 4% by mass, Sb is 1% by mass to 5% by mass, and Ni is 0.01% by mass to 0.03% by mass. And the remainder is made of Sn.

(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、Sbの含有量が3質量%以上5質量%以下であることをその特徴とする。 (2) In the configuration described in (1) above, the lead-free solder alloy of the present invention is characterized in that the Sb content is 3% by mass or more and 5% by mass or less.

(3)上記(1)または(2)に記載の構成にあって、本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にBiを4.5質量%以下含むことをその特徴とする。 (3) In the configuration described in the above (1) or (2), the lead-free solder alloy of the present invention is characterized in that it further contains Bi of 4.5% by mass 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、本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にCoを0.001質量%以上0.15質量%以下含むことをその特徴とする。 (4) In the configuration described in any one of (1) to (3) above, the lead-free solder alloy of the present invention further includes Co in an amount of 0.001% by mass to 0.15% by mass. Its features.

(5)上記(4)に記載の構成にあって、本発明の鉛フリーはんだ合金は、Coの含有量が0.008質量%以上0.01質量%以下であることをその特徴とする。 (5) In the configuration described in (4) above, the lead-free solder alloy of the present invention is characterized in that the Co content is 0.008 mass% or more and 0.01 mass% or less.

(6)上記(1)から(5)のいずれか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、更にInを6質量%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, the lead-free solder alloy according to the present invention further includes 6 mass% or less of In.

(7)上記(1)から(6)のいずれか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、更にP、Ga、及びGeの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことをその特徴とする。 (7) In the configuration described in any one of (1) to (6) above, the lead-free solder alloy of the present invention further includes at least one of P, Ga, and Ge in a total amount of 0.001 mass. % To 0.05% by mass or less.

(8)上記(1)から(7)のいずれか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、更にFe、Mn、Cr、及びMoの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことをその特徴とする。 (8) In the configuration described in any one of (1) to (7) above, the lead-free solder alloy of the present invention further includes at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo in a total of 0.00. It is characterized by containing 001 mass% or more and 0.05 mass% or less.

(9)本発明の電子回路基板は、上記(1)から(8)のいずれか1に記載の本発明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。 (9) The electronic circuit board of the present invention has a solder joint formed by using the lead-free solder alloy according to any one of (1) to (8) above. .

(10)本発明の電子制御装置は、上記(9)に記載の電子回路基板を有することをその特徴とする。 (10) The electronic control device of the present invention is characterized by having the electronic circuit board described in (9) 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及び電子制御装置は、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、且つCuOSP基板上への電子部品搭載時に発生し易いはんだ接合部のボイドを抑制、及び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基板上に搭載する場合に発生し易いCuSn層の成長による界面付近の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 an electronic circuit board and electronic control device having a solder joint formed using the lead-free solder alloy are subjected to a severe environment in which a difference in temperature is intense and vibration is loaded. Can suppress crack growth in solder joints, suppress voids in solder joints that are likely to occur when electronic components are mounted on a CuOSP substrate, and have no Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating It is possible to suppress the crack growth near the interface due to the growth of the Cu 3 Sn layer that is likely to occur when the component is mounted on the substrate.

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. 本発明の実施例及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及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及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質量%以上4質量%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質量%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及び耐熱衝撃性が低下するので好ましくない。またAgの含有量が4質量%を超えると、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質量%以上3.8質量%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質量%以上3.8質量%以下である。
(1) Lead-free solder alloy The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 1 mass% or more and 4 mass% 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 mass, precipitation of the Ag 3 Sn compound is small, and the mechanical strength and thermal shock resistance of the lead-free solder alloy are lowered, which is not preferable. On the other hand, if the content of Ag exceeds 4% by mass, 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.
If the Ag content is 2% by mass or more and 3.8% by mass or less, the balance between the strength and the stretchability of the lead-free solder alloy can be improved. A more preferable Ag content is 2.5% by mass or more and 3.8% by mass or less.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、1質量%以上5質量%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、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。Sbの含有量を2質量%以上4質量%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% by mass to 5% by mass 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 solder alloy. When the Sb content is 2% by mass or more and 4% by mass or less, the effect of suppressing crack propagation 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、十分な靱性及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 optimal 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, ε-Ag 3 (Sn, Sb) compound precipitates at the Sn grain boundary, thereby preventing the crack deformation occurring in the solder joint 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 difference in temperature is high for a long time. 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、はんだ合金の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鉛フリー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る場合であっ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 within the above range can improve the strength without deteriorating the stretchability of the solder alloy, so that sufficient toughness against external stress can be secured and the residual stress is also reduced. be able to.
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, the lead-free solder alloy of the present embodiment has Sb added in the above range, so even if it contains an element that affects the extensibility of the solder alloy such as Bi, its own extensibility is hardly hindered. Therefore, even if it is a case where it exposes to the above severe environments for a long time, the electrode peeling phenomenon of an electronic component can also be suppressed.

但しSbの含有量が5質量%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 content of Sb exceeds 5% by mass, 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.

本実施形態における鉛フリーはんだ合金は、その構成により、Sbの含有量を1質量%以上5質量%以下としても、鉛フリーはんだ合金の溶融温度の過度な上昇を抑制し、また形成されるはんだ接合部に良好な強度を付与する。そのため、本実施形態の鉛フリーはんだ合金においては、Biをその必須組成とせずとも、形成されるはんだ接合部の亀裂進展抑制効果を十分に発揮することが可能となる。   The lead-free solder alloy according to the present embodiment suppresses an excessive increase in the melting temperature of the lead-free solder alloy even if the Sb content is 1% by mass or more and 5% by mass or less depending on the configuration, and the solder formed Gives the joint good strength. Therefore, in the lead-free solder alloy of the present embodiment, it is possible to sufficiently exhibit the crack growth suppressing effect of the formed solder joint portion without using Bi as its essential composition.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、0.01質量%以上0.15質量%以下のNiを含有させることができる。
鉛フリーはんだ合金にCuを添加しない場合、当該合金の溶融粘度を下げることができるため、これを用いて形成したはんだ接合部ではフラックスを起因とするガスが排出され易く、ボイドとして残留し難い。しかし溶融した鉛フリーはんだ合金側にCuがないことから、電極にあるCuが上記溶融はんだ合金側に拡散し易くなり、界面付近におけるCuSn層がより一層成長し易くなるという問題がある。
しかし本実施形態の鉛フリーはんだ合金の構成であれば、上記範囲でNiを添加することにより、これにCuを添加せずとも溶融した鉛フリーはんだ合金への電極側のCuの過度な拡散を抑制することができ、且つ界面付近において微細な(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。
The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.01 mass% or more and 0.15 mass% or less of Ni.
When Cu is not added to the lead-free solder alloy, the melt viscosity of the alloy can be lowered. Therefore, in solder joints formed using the alloy, the gas caused by the flux is easily discharged and hardly remains as a void. However, since there is no Cu on the molten lead-free solder alloy side, there is a problem that Cu in the electrode is easily diffused to the molten solder alloy side, and the Cu 3 Sn layer near the interface is further easily grown.
However, with the configuration of the lead-free solder alloy of this embodiment, by adding Ni in the above range, excessive diffusion of Cu on the electrode side to the molten lead-free solder alloy without adding Cu to this can be achieved. It can be suppressed, and fine (Cu, Ni) 6 Sn 5 is formed in the vicinity of the interface and dispersed in the base metal, so that crack propagation at the solder joint is suppressed and its thermal fatigue resistance is improved. Can be made.

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。 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.

ここでNiは溶融したはんだ合金の凝固するタイミングを早めるため、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易くなり、フィレット中にガスによる穴(ボイド)が発生し易い。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。
しかし本実施形態の鉛フリーはんだ合金においては、Niの含有量を上記範囲内として他の元素との含有量のバランスを図ることにより、このようなボイドの発生を抑制することができる。
Here, Ni accelerates the timing of solidification of the melted solder alloy. Therefore, in the fillet of the solder joint portion to be formed, the gas that tried to escape outside during melting of the solder alloy tends to solidify while remaining in it. , Gas holes are likely to occur in the fillet. 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.
However, in the lead-free solder alloy of this embodiment, the occurrence of such voids can be suppressed by keeping the Ni content within the above range and balancing the content with other elements.

また上述の通り本実施形態の鉛フリーはんだ合金にはCuが含有されていないため、Niの添加によりはんだ接合部における亀裂の進展を抑制しつつ、CuOSP基板のようなはんだぬれ広がり性に劣る基板であっても上記ボイドの発生を抑制することができる。   In addition, since the lead-free solder alloy of this embodiment does not contain Cu as described above, a substrate having poor solder wettability such as a CuOSP substrate while suppressing the progress of cracks in the solder joint by adding Ni. Even so, the generation of the voids can be suppressed.

但しNiの含有量が0.01質量%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0.15質量%を超える場合、特にフィレットにおいて上述したボイドが発生し易くなるため好ましくない。   However, when the Ni content is less than 0.01% by mass, the modification effect of the intermetallic compound becomes insufficient, and therefore, it is difficult to sufficiently obtain the crack suppressing effect near the interface. Further, when the Ni content exceeds 0.15% by mass, the above-described voids are likely to occur in the fillet, which is not preferable.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Niに加え0.001質量%以上0.15質量%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への電極側のCuの過度な拡散を抑制することができ、界面付近において微細な(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及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。 The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 0.001% by mass or more and 0.15% by mass or less 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 adding Ni is enhanced and excessive diffusion of Cu on the electrode side into the molten lead-free solder alloy is suppressed. In the vicinity of the interface, fine (Cu, Co) 6 Sn 5 is formed and dispersed in the base material. It is possible to improve the heat fatigue resistance of the solder joint even in a severe environment.

また、Coを添加した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。 In addition, the lead-free solder alloy to which Co is added enhances the above-described effect by adding 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.

ここでCoはNiと同様に溶融したはんだ合金の凝固するタイミングを早めるため、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易くなり、フィレット中にガスによる穴(ボイド)が発生し易い。このフィレット中のボイドは、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。
しかし本実施形態の鉛フリーはんだ合金においては、Coの含有量を上記範囲内としてNiを含む他の元素との含有量のバランスをとることにより、このようなボイドの発生を抑制することができる。
Here, Co, like Ni, accelerates the timing of solidification of the melted solder alloy, so that in the formed solder joint fillet, the gas that tried to escape to the outside during melting of the solder alloy remained in it. It becomes easy to solidify, and the hole (void) by a gas tends to generate | occur | produce in a fillet. The voids in the fillet deteriorate the heat fatigue characteristics of the solder joint in an environment with a severe temperature difference.
However, in the lead-free solder alloy of this embodiment, the occurrence of such voids can be suppressed by keeping the Co content within the above range and balancing the content with other elements including Ni. .

またCoはNiと併せてはんだ接合部における亀裂の進展を抑制することができるため、はんだ合金にCuを添加しないことによる弊害を更に抑制しつつ、CuOSP基板のようなはんだぬれ広がり性に劣る基板であっても上記ボイドの発生を抑制することができる。   In addition, since Co can suppress the progress of cracks in the solder joint portion together with Ni, the substrate having poor solder wettability such as a CuOSP substrate while further suppressing adverse effects caused by not adding Cu to the solder alloy. Even so, the generation of the voids can be suppressed.

但し、Coの含有量が0.001質量%未満であると、Coによる前記金属間化合物の改質効果は不十分となる。   However, when the Co content is less than 0.001% by mass, the effect of modifying the intermetallic compound by Co becomes insufficient.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、4.5質量%以下のBiを添加することができる。
本実施形態における鉛フリーはんだ合金においては、Biをこの範囲内で添加することにより、はんだ合金の延伸性を阻害することなく、良好な耐熱衝撃性を保つことができる。但しBiの含有量が4.5質量%を超えると鉛フリーはんだ合金の延伸性が阻害され、また耐熱衝撃性が低下するので好ましくない。
なお、Biの含有量を3質量%以上4質量%以下とした場合、その延伸性を阻害することなく、耐熱衝撃性を更に向上することができる。
4.5 mass% or less Bi can be added to the lead-free solder alloy of this embodiment.
In the lead-free solder alloy in this embodiment, by adding Bi within this range, good thermal shock resistance can be maintained without hindering the stretchability of the solder alloy. However, if the Bi content exceeds 4.5% by mass, the stretchability of the lead-free solder alloy is hindered and the thermal shock resistance is lowered, which is not preferable.
When the Bi content is 3% by mass or more and 4% by mass or less, the thermal shock resistance can be further improved without inhibiting the stretchability.

ここで本実施形態の鉛フリーはんだ合金にAgとSbとNiとBiとCoとを含有させる場合、AgとSbとNiとBiとCoのそれぞれの含有量(質量%)は下記式(A)から(C)の全てを満たすことが好ましい。
(A)3.6≦Ag含有量+Sb含有量≦9.0
(B)0.17<(Ag含有量/3)+(Bi含有量/4.5)≦2.10
(C)0<(Ni含有量/0.15)+(Co含有量/0.15)≦1.3
AgとSbとNiとBiとCoの含有量を上記範囲内とすることで、過酷な環境下におけるはんだ接合部の亀裂進展の抑制効果、CuOSP基板上への電子部品搭載時に発生し易いはんだ接合部のボイドの抑制効果、及び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基板上に搭載する場合に発生し易いCuSn層の成長による界面付近の亀裂進展の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 Ag, Sb, Ni, Bi, and Co are contained in the lead-free solder alloy of the present embodiment, the content (mass%) of Ag, Sb, Ni, Bi, and Co is expressed by the following formula (A). To (C) are preferably satisfied.
(A) 3.6 ≦ Ag content + Sb content ≦ 9.0
(B) 0.17 <(Ag content / 3) + (Bi content / 4.5) ≦ 2.10
(C) 0 <(Ni content / 0.15) + (Co content / 0.15) ≦ 1.3
By controlling the content of Ag, Sb, Ni, Bi, and Co within the above range, the effect of suppressing crack growth in solder joints under harsh environments, solder joints that are likely to occur when electronic components are mounted on a CuOSP substrate Suppression of crack growth near the interface due to growth of Cu 3 Sn layer that is likely to occur when electronic parts not plated with Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating are mounted on a substrate Any of the effects can be exerted in a balanced manner, and the reliability of the solder joint can be further improved.

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、6質量%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、及び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。
但しInの含有量が6質量%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質量%以下であり、1質量%から2質量%が特に好ましい。
The lead-free solder alloy of this embodiment can contain 6% by mass 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 also SnSnIn and InSb compounds are formed and precipitated at the Sn grain boundaries. It has the effect of suppressing slip deformation at grain boundaries.
However, if the content of In exceeds 6% by mass, the extensibility of the lead-free solder alloy is hindered, and γ-InSn 4 is formed during a long period of time in a harsh environment where the difference in temperature is high. The lead-free solder alloy is not preferable because it self-deforms.
In addition, the more preferable content of In is 4% by mass or less, and 1% by mass to 2% by mass is particularly preferable.

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、P、Ga、及びGeの少なくとも1種を0.001質量%以上0.05質量%以下含有させることができる。この範囲内でP、Ga、及び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質量%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 mass% or more and 0.05 mass% or less of at least 1 sort (s) 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 the content of these exceeds 0.05% by mass, the melting temperature of the lead-free solder alloy is increased, 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、及びMoの少なくとも1種を0.001質量%以上0.05質量%以下含有させることができる。この範囲内でFe、Mn、Cr、及び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質量%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 mass% or more and 0.05 mass% or less of at least 1 sort (s) 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 the content of these exceeds 0.05% by mass, the melting temperature of the lead-free solder alloy is increased, 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、80.1質量%以上97.99質量%以下である。   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 80.1 mass% or more and 99.99 mass% or less.

本実施形態のはんだ接合部の形成は、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。   For the formation of the solder joint portion of this embodiment, any method may be used as long as it can form the solder joint portion, such as a flow method, mounting with a solder ball, and a reflow method using a solder paste composition. . 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、例えば合成樹脂と、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 synthetic resin, a thixotropic agent, an activator, and a solvent is used.

前記合成樹脂としては、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及び水添ロジン、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。
Examples of the synthetic 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 acid ester, maleic anhydride ester, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylamide, methacrylic acid Examples include acrylic resins obtained by polymerizing at least one monomer such as amide, vinyl chloride, vinyl acetate; epoxy resins; phenol resins. 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.

前記合成樹脂の酸価は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質量%以上90質量%以下であることが好ましい。   The acid value of the synthetic resin is preferably 10 mgKOH / g or more and 250 mgKOH / g or less, and the blending amount thereof is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less with respect to the total 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質量%以上15質量%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 blending amount of the thixotropic agent is preferably 3% by mass or more and 15% by mass or less with respect to 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質量%以上15質量%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 mass or more and 15% by mass or less 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質量%以上40質量%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 mass or more and 40% by mass 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質量%以上5質量%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% by mass or more and about 5% by mass or less with respect to the total amount of the 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、消泡剤及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質量%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質量%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 mass or less with respect to the total amount of the flux. Moreover, these more preferable compounding quantities are 5 mass% or less with respect to the flux whole quantity.

なお、本実施形態のソルダペースト組成物においては、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、塩化ビニルおよび酢酸ビニルの少なくとも1種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂、カルボキシル基を有するロジン系樹脂とダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合してなる誘導体化合物の少なくともいずれかの樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含み、これを加熱して形成するフラックス固化物に−40℃/30分〜125℃/30分を1サイクルとする冷熱衝撃試験を2000サイクル与えた後の前記フラックス固化物の接着力が0.2N/mm以上となるフラックスが好ましく用いられる。なお、当該接着力は、規格番号JIS C60068−2−21に準拠して測定する。 In the solder paste composition of this embodiment, 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, anhydrous Acrylic resin obtained by polymerizing at least one monomer of maleic acid ester, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylamide, methacrylamide, vinyl chloride and vinyl acetate, rosin resin having carboxyl group and dimer acid derivative flexible alcohol compound -40 ° C./30 minutes to 125 ° C. in a flux solidified product containing at least one resin of a derivative compound obtained by dehydration condensation, a thixotropic agent, an activator, and a solvent. / 200 thermal shock test with 30 minutes as one cycle Adhesion of the flux solidified after given cycles flux is preferably used as a 0.2 N / mm 2 or more. In addition, the said adhesive force is measured based on standard number JISC60068-2-21.

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。また基板1がCuOSP基板であった場合にも、はんだ接合部6におけるボイドの発生を抑制することができる。
更には、本実施形態の電子回路基板100は、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。
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 addition, even when the substrate 1 is a CuOSP substrate, the generation of voids in the solder joint 6 can be suppressed.
Furthermore, the electronic circuit board 100 of the present embodiment is near the interface between the solder joint 6 and the electronic component 4 even when the electronic component 4 is not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating. It is also possible to exert an effect of suppressing crack propagation in.

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及び電極部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及びフラックス残渣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、実施例及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、実施例及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質量%
硬化ひまし油 6質量%
ドデカン二酸 10質量%(製品名:SL−12、岡村製油(株)製)
マロン酸 1質量%
ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩 2質量%
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質量%
ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル 29質量%
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 mass
Hardened castor oil 6% by mass
10% by mass of dodecanedioic acid (product name: SL-12, manufactured by Okamura Oil Co., Ltd.)
Malonic acid 1% by mass
Diphenylguanidine hydrobromide 2% by mass
Hindered phenol antioxidant (Product name: Irganox 245, manufactured by BASF Japan Ltd.) 1% by mass
Diethylene glycol monohexyl ether 29% by mass

ソルダペースト組成物の作製
前記フラックス11.0質量%と、表1及び表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質量%とを混合し、実施例1から実施例27及び比較例1から17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 mass of the flux was mixed with 89.0% by mass of each lead-free solder alloy powder (powder particle size of 20 μm to 38 μm) listed in Tables 1 and 2. Each solder paste composition according to 1 to Example 27 and Comparative Examples 1 to 17 was 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及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(CuOSP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(主剤及び硬化剤)、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及び表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 for connecting the chip component (1.6 mm × 1.2 mm) A glass epoxy substrate (CuOSP substrate) having a thickness of 150 μm and a 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). Furthermore, wet polishing machine (Product name: TegraPol-25, Marumoto Struers Co., Ltd.,
Whether or not the cracks generated in the formed solder joints have completely crossed the solder joints and led to breakage. These were observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) and evaluated according to the following criteria. The results are shown in Tables 3 and 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及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(CuOSP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及び表4に表す。
・ 2.0 × 1.2mm chip parts (chip B)
2.0 × 1.2 mm size chip component (Ni / Sn plating), a solder resist having a pattern capable of mounting the chip component of the size, and an electrode for connecting the chip component (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 (CuOSP substrate) provided with the above was used, and evaluated by the same method. The results are shown in Tables 3 and 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及び前記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(CuOSP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(1)はんだ亀裂試験と同じ条件にて前記ガラスエポキシ基板をリフロー及び冷熱衝撃を与え、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(主剤及び硬化剤)、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部品の端子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部品の電極の界面及びその付近以外の部分を指す。以下同じ。なお表3及び表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及び表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 (CuOSP substrate) having a solder resist having a pattern on which the SON component can be mounted and an electrode (compliant with the manufacturer's recommended design) for connecting the SON component, and a 150 μm thick metal mask having the same pattern 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 substrate is reflowed and cooled under the same conditions as in the above (1) solder crack test except that each glass epoxy substrate is placed in an environment where the thermal shock cycle is repeated 1,000, 2,000, and 3,000 cycles. Each test substrate was produced by applying an impact.
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 polisher (product name: TegraPol-25, manufactured by Marumoto Struers Co., Ltd.), the terminal central section of the SON component mounted on each test substrate was made clear, and the solder joint was generated. It was observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) as to whether or not the crack completely crossed the solder joint and reached a 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. And in Table 4, it is simply referred to as “base metal”.) Evaluation was made as follows by dividing into cracks occurring at the interface between the solder joint and the electrode of the SON part (intermetallic compound). . The results are shown in Tables 3 and 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。
はんだ接合部形成後の各ガラスエポキシ基板(CuOSP基板)を−40℃(30分間)から150℃(30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(1)はんだ亀裂試験と同じ条件にて、3.2×1.6mmチップ部品(チップA)搭載及び2.0×1.2mmチップ部品(チップB)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(主剤及び硬化剤)、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及び表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.
Liquid bath type thermal shock test equipment (product name: ETAC WINTECH LT80, Enomoto) in which each glass epoxy board (CuOSP board) after solder joint formation was set to a condition of -40 ° C. (30 minutes) to 150 ° C. (30 minutes) 3.2 × 1. Under the same conditions as the above (1) solder crack test except that the thermal shock cycle is exposed to an environment where 1,000, 2,000, and 3,000 cycles are repeated. Test substrates mounted with 6 mm chip components (chip A) and 2.0 × 1.2 mm chip components (chip B) were produced.
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, using a wet polishing machine (product name: TegraPol-25, manufactured by Marumoto Struers Co., Ltd.), the chip parts mounted on each test board are in a state where the central cross section of the chip parts can be seen, and the formed solder joints Whether or not the generated crack completely crosses the solder joint and reaches the fracture is observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and is based on the following criteria. evaluated. The results are shown in Tables 3 and 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
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及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(CuOSP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各試験基板を作製した。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20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及び表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 2.0 × 1.2 mm size chip component (Ni / Sn plating), solder resist having a pattern on which the chip component of the size can be mounted, and an electrode for connecting the chip component (1.25 mm) A glass epoxy substrate (CuOSP substrate) provided with a × 1.0 mm) 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. Each test substrate on which the chip component was mounted was formed. 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, 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 region 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 Tables 3 and 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、Cuを添加せずとも、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、はんだ接合部及び前記界面付近における亀裂進展抑制効果と共に、はんだ合金のぬれ広がり性に劣るCuOSP基板を用いた場合であっても、電極下及びフィレットの双方においてボイドの抑制効果も発揮し得る。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。
またNiとCoとを併用した実施例14から実施例27においては、特にフィレットのボイド抑制効果が良好であることが分かる。
As described above, the solder joint formed using the lead-free solder alloy according to the embodiment can be used without adding Cu even in a severe environment where the difference in temperature and temperature is intense and vibration is loaded. Regardless of the size of the chip and whether the electrode is Ni / Pd / Au plated or Ni / Au plated, the solder alloy has an effect of suppressing crack growth at the solder joint and in the vicinity of the interface. Even when a CuOSP substrate having poor wettability is used, a void suppressing effect can be exhibited both under the electrode and in the fillet. 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 Examples 14 to 27 using Ni and Co in combination, it can be seen that the void suppression effect of the fillet is particularly good.

以上、本発明の鉛フリーはんだ合金は、車載用電子回路基板といった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 lead-free solder alloy of the present invention can be suitably used for an electronic circuit board that is required to have high reliability, such as a vehicle-mounted 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 (10)

Agを1質量%以上4質量%以下と、Sbを1質量%以上5質量%以下と、Niを0.01質量%以上0.03質量%以下含み、残部がSnからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。   Ag is 1% by mass to 4% by mass, Sb is 1% by mass to 5% by mass, Ni is 0.01% by mass to 0.03% by mass, and the balance is Sn. Lead-free solder alloy. Sbの含有量が3質量%以上5質量%以下であ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。   The lead-free solder alloy according to claim 1, wherein the Sb content is 3 mass% or more and 5 mass% or less. 更にBiを4.5質量%以下含む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。   Furthermore, Bi is contained 4.5 mass% or less, The lead-free solder alloy of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. 更にCoを0.001質量%以上0.15質量%以下含む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, further comprising 0.001% by mass to 0.15% by mass of Co. Coの含有量が0.008質量%以上0.01質量%以下であることを特徴とする請求項4に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 4, wherein the Co content is 0.008 mass% or more and 0.01 mass% or less. 更にInを6質量%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-free solder alloy according to any one of claims 1 to 5, further comprising 6 mass% or less of In. 更にP、Ga、及びGeの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことを特徴とする請求項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。   The lead-free solder according to any one of claims 1 to 6, further comprising at least one of P, Ga, and Ge in a total of 0.001 mass% to 0.05 mass%. alloy. 更にFe、Mn、Cr、及びMoの少なくとも1種を合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことを特徴とする請求項1から請求項7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 7, further comprising at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo in a total amount of 0.001% by mass or more and 0.05% by mass or less. Free solder alloy. 請求項1から請求項8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 using the lead-free solder alloy according to claim 1. 請求項9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 9.
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