JP5590272B1 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents
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Abstract
InおよびBiの含有量を最適化した上で、SbおよびNiの含有量を調整した。この結果、本発明に係るはんだ合金は、質量%で、Inが:1.0〜7.0%であり、Biが1.5〜5.5%であり、Agが1.0〜4.0%であり、Niが0.01〜0.2%であり、Sbが0.01〜0.15%であり、残部Snから成る合金組成を有する。
Description
(1)質量%で、In:1.0〜7.0%、Bi:1.5〜5.5%、Ag:1.0〜4.0%、Ni:0.01〜0.2%、Sb:0.01〜0.15%、および残部Snから成る合金組成を有する鉛フリーはんだ合金。
(6)上記(5)に記載のはんだ継手を備える車載電子回路。
In:1.0〜7.0%
Inの含有量は1.0〜7.0%である。Inは、βSn中に固溶し、機械的特性を高める。このため、Inははんだ合金の引張強度を高める。Inの含有量が1.0%未満であると、はんだ合金の引張強度が改善されず、また、ヒートサイクル後にクラックの進展を抑制できない。Inの含有量が7.0越え10.0%以下である場合、βSnがγSnに変態し、ヒートサイクル試験後にはんだ合金自体が外部応力とは無関係に変形し、隣接する電極間がショートしてしまう。また、Inが7.0%より多いと、コストが上がる他、固相線温度が下がりすぎるためにヒートサイクル試験ではんだ合金が溶融してしまう。Inの含有量が10%より多いと、引張強度が劣化する。Inの含有量は、好ましくは1.0〜6.5%であり、より好ましくは1.0〜6.0%である。
Biの含有量は1.5〜5.5%である。BiはβSn中に固溶し、機械的特性を高める。このため、Biははんだ合金の引張強度を高める。また、Biは、ヒートサイクル性を向上させ、液相線温度を低下させる。Biの含有量が1.5%未満であると、Biを添加した効果が発揮されない。Biの含有量が5.5%より多いと、Biが過飽和固溶することによりはんだ合金が脆化する。Biの含有量は、より好ましくは2.5〜4.0%である。
Agの含有量は1.0〜4.0%である。Agは、Ag3Snなどの金属間化合物を析出させるため、はんだ合金の引張強度を高める。また、Agは、ヒートサイクル性向上に寄与するとともに、はんだ付け時にはんだ付け部に対する濡れ性を向上させる。Agの含有量が1.0%未満であると、Agを添加する効果を発揮することができない。Agの含有量が4.0%より多く添加されても、引張強度が大幅に向上しない。また、液相線温度が上昇し、はんだ付け性が低下する。更に、高価なAgの添加量が多くなることは経済的に好ましくない。Agの含有量は、好ましくは1.0〜3.0%であり、より好ましくは2.0〜3.0%である。
Niの含有量は0.01〜0.2%であり、Sbの含有量は0.01〜0.15%である。NiおよびSbは、はんだ接合界面に形成された金属間化合物の結晶粒の微細化を促進させることにより、ヒートサイクル試験によるクラックの発生及び進展を抑制し、はんだ継手の接合強度および延性を維持する。これらの含有量がそれぞれ0.01未満であると、前述の効果が得られない。Niの含有量が0.2%より多く、または/およびSbの含有量が0.15%より多いと、延性が劣化する。Niの含有量は、好ましくは0.02〜0.08%であり、より好ましくは0.03〜0.07%である。Sbの含有量は、好ましくは0.03〜0.09%であり、より好ましくは0.05〜0.08%である。
各はんだ合金から、2.5×2.5×0.5mmのはんだペレットが調製された。はんだペレットはCuパット上に搭載された後、245℃でリフローが行われ、はんだバンプが作製された。このはんだバンプは、−40℃と+125℃にそれぞれ10分ずつ保持する条件に設定したヒートサイクル槽に投入され、200サイクルと800サイクル繰り返すヒートサイクル環境に曝された。その後、断面SEM写真によりはんだバンプの変形の有無が目視で観察された。
チップ抵抗は、110mm×110mm×1.6mmtのガラスエポキシ基板(日立化成製、MCL−E−67、FR−4)に各はんだ合金を用いて20個の電極に各々搭載された。この基板は、245℃でリフローが行われ、チップ抵抗が基板に接合され、はんだ継手が形成された。この基板は、−40℃と+125℃にそれぞれ30分ずつ保持する条件に設定されたヒートサイクル槽に投入された。この条件を1サイクルとして、1000サイクル、2000サイクルおよび3000サイクル繰り返すヒートサイクル試験が行われた。
そして、クラック進展率が20個のうち1つも50%を超えていないものが良とされ、20個のうち1つでも50%を超えたものが不良とされた。なお、本実施例では、図1に示す左右の電極のうち、クラック進展率の大きい方がその部品のクラック進展率とされた。また、クラックがチップ抵抗11とはんだ13との接合界面などに発生したボイドに到達している場合、そのボイドはクラックとみなされた。
・引張試験
引張強度はJISZ3198−2に準じて測定された。表1に記載の各はんだ合金について、金型に鋳込み、ゲージ長が30mm、直径8mmの試験片が作製された。作製された試験片は、Instron社製のType5966により、室温で、6mm/minのストロークで引張られ、試験片が破断したときの強度が計測された。また、試験前の断面積S0に対する試験片の破断部分の断面積S1の割合から、延性(絞り)が計測された。本発明では、引張強度が73MPa以上であり、かつ、延性が18%以上である場合、実用上問題ないレベルと判断された。
比較例2のはんだ合金は、Inの含有量が比較例1より多いために引張強度が75MPaを示した。しかし、比較例2のはんだ合金は、Inの含有量が1.0%未満である。このため、比較例2のはんだ合金を用いたはんだ継手は、接合界面の金属間化合物の微細化が見られず、クラック進展率が不良であった。
また、特許文献1で具体的に開示されている比較例9では、Biの含有量が少ないため、Inの含有量が12%であるにもかかわらず引張強度が劣った。
Claims (6)
- 質量%で、In:1.0〜7.0%、Bi:1.5〜5.5%、Ag:1.0〜4.0%、Ni:0.01〜0.2%、Sb:0.01〜0.15%、および残部Snから成る合金組成を有する鉛フリーはんだ合金。
- 質量%で、In:1.0〜6.5%、Bi:2.5〜4.0%である、請求項1に記載の鉛フリーはんだ合金。
- 請求項1または2に記載の鉛フリーはんだ合金を含有するはんだペースト。
- 請求項1または2に記載の鉛フリーはんだ合金からなるプリフォーム材。
- 請求項1または2項に記載の鉛フリーはんだ合金からなるはんだ継手。
- 請求項5に記載のはんだ継手を備える車載電子回路。
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