JP2020049543A

JP2020049543A - はんだ材料

Info

Publication number: JP2020049543A
Application number: JP2018184789A
Authority: JP
Inventors: 維彦平井; Sumihiko Hirai; 功基大森; Koki Omori; 駿人諸伏; Hayato MOROFUSHI
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02
Also published as: WO2020066164A1; US20210283726A1; CN112334268A

Abstract

【課題】はんだ材料の機械特性のバラツキを、極低温下であっても小さくする。【解決手段】はんだ材料は、０．５〜２．５％（重量％。以下同じ）未満のＡｇ、０．３〜０．５％のＣｕ、５．５〜６．４％のＩｎ、０．５〜１．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎである。又は、２．５〜３．３％のＡｇ、０．３〜０．５％のＣｕ、２．５〜５．５％未満のＩｎ、０．５〜１．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎである。２．５〜３．３％のＡｇ、０．３〜０．５％のＣｕ、５．５〜６．４％のＩｎ、１．４超〜３．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであってもよい。いずれのはんだ材料にも、Ｂｉは実質的に含まれていない。【選択図】図４

Description

本発明は、物体同士を接合する際に接合材として用いられるはんだ材料に関する。

トランジスタやダイオード、サイリスタ等の電子部品は、はんだ材料を介して基板に接合される。はんだ材料としては、従来、鉛（Ｐｂ）を主成分とするものが用いられていたが、近年の環境保護意識の高まりから、Ｐｂを含有しない、いわゆるＰｂフリーはんだ材料に代替されつつある。

Ｐｂフリーはんだ材料は、スズ（Ｓｎ）を主成分とするとともに、析出強化を促す銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）を副成分として含有する。さらに、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）を添加することによって固溶強化がなされることが知られている。例えば、特許文献１には、Ａｇ：２．５〜４．５重量％、Ｃｕ：０．２〜２．５重量％、Ｉｎ：１２重量％以下、Ｓｂ：２重量％以下を含み、残部がＳｎであるはんだ材料が開示され、特許文献２には、Ａｇ：１．４〜７．１重量％、Ｃｕ：０．５〜１．３重量％、Ｉｎ：０．２〜９．０重量％、Ｓｂ：０．４〜２．７重量％を含み、残部がＳｎであるはんだ材料が開示されている。場合によっては、さらにビスマス（Ｂｉ）が添加されることもある。

特開２００２−１２００８５号公報国際公開第１９９７／００９４５５号

上記のような電子部品が接合された基板は、例えば、自動車に搭載されてエンジンを制御する車載用エンジンコントロールユニットを構成する。ここで、自動車は、酷寒環境下で使用されることもあれば、酷暑環境下で使用されることもある。このため、広い温度範囲での動作保証が求められる。

しかしながら、公知のＰｂフリーはんだ材料は、特に極低温環境下での機械特性にバラツキがあることが認められる。従って、酷寒環境下で自動車を用いる場合に車載用エンジンコントロールユニットの製品寿命にバラツキが生じる懸念がある。このように、従来技術に係るはんだ材料には、極低温環境下で使用する際の信頼性が十分ではないという不都合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、極低温時であっても安定した機械特性を示し、このために極低温環境下で使用する場合であっても十分な信頼性を得ることが可能なはんだ材料を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、Ａｇ：０．５〜２．５重量％未満、Ｃｕ：０．３〜０．５重量％、Ｉｎ：５．５〜６．４重量％、Ｓｂ：０．５〜１．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるとともに、Ｂｉを実質的に含まないはんだ材料が提供される。なお、例えば、「０．３〜０．５重量％」は「０．３重量％以上０．５重量％以下の範囲内」であることを意味し、「０．５〜２．５重量％未満」は「０．５重量％以上２．５重量％未満の範囲内」であることを意味する。その他の数値範囲についても同様である。

本発明の別の一実施形態によれば、Ａｇ：２．５〜３．３重量％、Ｃｕ：０．３〜０．５重量％、Ｉｎ：２．５〜５．５重量％未満、Ｓｂ：０．５〜１．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるとともに、Ｂｉを実質的に含まないはんだ材料が提供される。

本発明のまた別の一実施形態によれば、Ａｇ：２．５〜３．３重量％、Ｃｕ：０．３〜０．５重量％、Ｉｎ：５．５〜６．４重量％、Ｓｂ：１．４超〜３．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるとともに、Ｂｉを実質的に含まないはんだ材料が提供される。ここで、「１．４超〜３．４重量％」は「１．４重量％よりも大きく３．４重量％以下」であることを表す。

以上挙げた３つの組成のいずれかとすることで、低融点のはんだ材料とすることができる。低融点であることから、接合時にはんだ材料に付与する温度を低くすることが可能である。従って、接合する物体、例えば、電子部品に熱的ダメージが加わることを低減することができる。

しかも、固溶元素の添加が少量であることから双晶変形が起こり難く、且つ過共晶物が生成することが抑制されるので、機械特性のバラツキが小さくなる。このために接合部の寿命のバラツキが小さくなり、その結果、接合品の製品寿命が安定する。このため、信頼性が向上する。以上については、後に詳述する。

上記したように、本発明に係るはんだ材料は、Ｂｉを実質的に含まない。これにより、機械特性が安定したはんだ材料となる。なお、ここでいう「実質的に含まない」とは、不可避的に混入する量に留まり、それを超える量は含まないことを表す。

本発明によれば、所定量のＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、ＳｂとＳｎを含み、且つ実質的にＢｉを含まない組成ではんだ材料を構成するようにしている。このため、低融点で且つ機械特性のバラツキが小さなはんだ材料を得ることができる。従って、接合品に加わる熱ダメージを低減することができるとともに、製品寿命のバラツキを抑制して信頼度を向上させることができる。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４のはんだ材料（試験片）の成分及びその組成比、物性値を示した図表である。図２Ａ〜図２Ｃは、それぞれ、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０のはんだ材料の応力−歪み曲線である。図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれ、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４のはんだ材料の応力−歪み曲線である。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４のはんだ材料の引張強度と、そのバラツキを示すグラフである。

以下、本発明に係るはんだ材料につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、重量％を単に「％」とも表す。

第１実施形態〜第３実施形態に係るはんだ材料はいずれも、Ｓｎを主成分とし、且つ析出強化を促すＡｇ及びＣｕを含有するとともに、Ｉｎ、Ｓｂがさらに添加されたいわゆるＰｂフリーはんだ材料である。

第１実施形態に係るはんだ材料は、０．５〜２．５％未満のＡｇ、０．３〜０．５％のＣｕ、５．５〜６．４％のＩｎ、０．５〜１．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎである合金からなる。

また、第２実施形態に係るはんだ材料は、２．５〜３．３％のＡｇ、０．３〜０．５％のＣｕ、２．５〜５．５％未満のＩｎ、０．５〜１．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎである合金からなる。

さらに、第３実施形態に係るはんだ材料は、２．５〜３．３％のＡｇ、０．３〜０．５％のＣｕ、５．５〜６．４％のＩｎ、１．４超〜３．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎである合金からなる。

Ａｇを含む組成とすることにより、析出強化が促される。ここで、Ａｇが３．０％、３．５％であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｂ合金の試験片に対し、−４０℃の環境下で引張試験を複数回行うことによって得られた引張強度をプロットすると、Ａｇが３．５％であるとき、３．０％のときに比して引張強度のバラツキが大きいことが分かる。

この理由は、Ａｇが３．５％であるときにはＳｎ−Ａｇの共晶組成であることから、亜共晶物、共晶物、過共晶物が混在した組織となっているためであると推察される。このため、Ａｇは共晶組成とならないように３．３％以下に設定される。これにより組織中に亜共晶物、共晶物、過共晶物が混在することが回避され、引張強度のバラツキを抑制することができるからである。このような理由から、Ａｇは、第１実施形態においては０．５〜２．５％未満、第２実施形態及び第３実施形態においては２．５〜３．３％に設定される。

０．３％以上のＣｕも同様に、析出強化が促される。その一方で、Ｓｎ−Ｃｕの共晶組成、すなわち、Ｃｕが概ね０．７％である場合、亜共晶、共晶、過共晶が混在した組織となり、引張強度にバラツキが生じるようになる。これを回避するべく、Ｃｕは０．５％以下に設定される。

また、Ｉｎを添加することにより、固溶強化が促進されるとともにはんだ材料の融点が低くなる。すなわち、このはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ及びＣｕのみを含有するＰｂフリーはんだ材料に比して低融点である。このため、電子部品を基板に接合する際等に低温で融解する。

その一方で、Ｓｎに過剰のＩｎを添加するとＳｎの変態点が低くなる。例えば、１２５℃以上ではγ相（ＩｎＳｎ₄）に変態する。このような副生相は、はんだ材料の機械特性にバラツキが生じる一因となる。そこで、これを回避するべく、Ｉｎは最大でも６．４％に設定される。この場合、はんだ材料に双晶変形が起こることがないからである。すなわち、Ｉｎは、第１実施形態及び第３実施形態では５．５〜６．４％、第２実施形態では２．５〜５．５％未満に設定される。

さらに、０．５％以上のＳｂを添加することにより、固溶強化が促進される。また、Ｉｎとともに液相中にＩｎＳｎ₄とβ−Ｓｎが生成し、これにより結晶粒が微細となるために多方位化する。すなわち、はんだ材料は、異方性をほとんど示さない。換言すれば、等方性に近似することができる。

Ｓｎに対するＳｂの割合を１．０％〜３．０％の範囲内とした合金からなる試験片を用い、−４０℃の環境下で引張試験を行ったときの応力−歪み曲線を求めると、Ｓｂの割合が大きくなるにつれて引張強度が大きくなるものの、引張強度のバラツキが大きくなる結果が得られる。さらに３．４％超としたとき、応力−歪み曲線に、応力が急激に低下・上昇する箇所、すなわち、乱れが出現することが認められる。この理由は、固溶元素が多量であるためにすべり変形ができず、その結果として双晶変形が起こり易くなるためであると推察される。これを回避するべく、Ｓｂは、双晶変形が起こり難い３．４％以下に設定される。すなわち、Ｓｂは、第１実施形態及び第２実施形態では０．５〜１．４％、第３実施形態では１．４超〜３．４％に設定される。

また、Ｓｎに対するＢｉの割合を１．０％、２．０％、３．０％とした合金からなる試験片を用い、−４０℃の環境下で引張試験を行ったときの応力−歪み曲線を求めると、１．０％であっても引張強度のバラツキが大きくなるとともに、２．０％であっても応力−歪み曲線に乱れが出現することが認められる。この理由は、Ｂｉを添加した場合、Ｓｎに比して双晶変形が顕著に起こり易くなるためであると考えられる。このため、第１実施形態〜第３実施形態のいずれにおいても、Ｂｉの実質的な添加量を０とする。

第１実施形態〜第３実施形態のような組成とすることにより、融点が低く引張強度のバラツキが抑制されたはんだ材料が得られる。従って、先ず、リフローでの低温溶融及び接合が可能となるので、例えば、電子部品を基板に接合する際、電子部品が受ける熱的ダメージを低減することができる。

また、引張強度のバラツキが小さいので、該はんだ材料を用いて接合された接合部の寿命が、バラツキの少ない安定したものとなる。従って、信頼性が向上する。しかも、接合品（例えば、車載用エンジンコントロールユニット等）の製品寿命のバラツキが抑制されるので、該接合品の設計自由度が向上し、高密度化や小型化を図ることができる。

図１にＮｏ．１〜Ｎｏ．１４として示すように、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂの組成比、すなわち、重量割合を種々変更することで、はんだ材料（合金）からなる１４種の試験片をそれぞれ複数個作製した。Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１が第１実施形態、Ｎｏ．７及びＮｏ．８が第２実施形態、Ｎｏ．１２及びＮｏ．１４が第３実施形態に対応する。その他は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂのいずれかの組成比が第１実施形態〜第３実施形態の各はんだ材料と相違する比較例である。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４の各試験片につき、−４０℃の環境下で引張試験を複数回行った。Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２及びＮｏ．１４の応力−歪み曲線を、各回で線種を相違させて図２Ａ〜図３Ｃに示す。これら図２Ａ〜図３Ｃから、実施例の試験片では、応力−歪み曲線に乱れがないことが分かる。

また、引張試験の結果から、各試験片につき、引張強度及びそのバラツキの平均を求めた。結果を、図１に併せて示すとともに図４にグラフとして示す。図４中のプロットに付した各数字が、試験片の番号に対応する。図１及び図４から、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２及びＮｏ．１４が、引張強度が比較的大きく、且つ応力が略一致して引張強度のバラツキが小さいことが分かる。

これに対し、図４に示すように、比較例では、試験毎に応力が異なるために引張強度のバラツキが大きかった。すなわち、第１実施形態〜第３実施形態に基づく組成にすることにより、−４０℃という極低温において引張強度（機械特性）が安定したはんだ材料が得られる。

−４０℃での引張強度が３８ＭＰａを下回ったＮｏ．２（比較例）と、Ｎｏ．７（第２実施形態）について結晶方位解析を行い、シュミット因子を算出した。その結果、シュミット因子は、引張強度のバラツキが大きいＮｏ．２が、バラツキが小さいＮｏ．７に比して小さかった。このことから、バラツキの主要因は、結晶方位に異方性があるためであると推察される。

しかも、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２及びＮｏ．１４では、融点がいずれも２１０℃を下回る。このことは、実施例のはんだ材料が比較的低温で容易に溶融することを意味する。

さらに、比較例の各試験片について組織の顕微鏡観察を行うと、双晶変形が起こっていることが確認された。このことから、比較例における引張強度のバラツキが大きい理由は、双晶変形が起こっているためであると推察される。

これに対し、実施例では、上記したように−４０℃の環境下でも安定した引張強度を示し、さらに、顕微鏡観察を行っても双晶変形は認められなかった。このことから、組成を上記の範囲内とし、且つＢｉを実質的に０とすることによって、引張強度のバラツキが小さなはんだ材料が得られることが明らかである。

Claims

Ａｇ：０．５〜２．５重量％未満、Ｃｕ：０．３〜０．５重量％、Ｉｎ：５．５〜６．４重量％、Ｓｂ：０．５〜１．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるとともに、Ｂｉを実質的に含まないことを特徴とするはんだ材料。
Ａｇ：２．５〜３．３重量％、Ｃｕ：０．３〜０．５重量％、Ｉｎ：２．５〜５．５重量％未満、Ｓｂ：０．５〜１．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるとともに、Ｂｉを実質的に含まないことを特徴とするはんだ材料。
Ａｇ：２．５〜３．３重量％、Ｃｕ：０．３〜０．５重量％、Ｉｎ：５．５〜６．４重量％、Ｓｂ：１．４超〜３．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるとともに、Ｂｉを実質的に含まないことを特徴とするはんだ材料。