JP5849422B2 - Pb-free solder - Google Patents

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Description

本発明は、Pbを含まないPbフリーはんだに関する。   The present invention relates to a Pb-free solder containing no Pb.

電子回路モジュール部品は、複数の電子部品をはんだによって基板に実装して、ひとまとまりの機能を持った電子部品としたものである。このような電子部品を電子機器の基板に実装する場合、電子回路モジュール部品の端子電極と電子機器の基板の端子電極とをはんだで接合する。従来は、電子部品及び電子回路モジュール部品の接合にSnPb系材料のはんだが使用されてきたが、環境問題を背景としてPbフリー化が進み、自動車関連や特殊な場合を除いてPbフリーはんだが使用されている。   The electronic circuit module component is a component in which a plurality of electronic components are mounted on a substrate with solder to have a single function. When such an electronic component is mounted on a substrate of an electronic device, the terminal electrode of the electronic circuit module component and the terminal electrode of the substrate of the electronic device are joined with solder. Conventionally, SnPb-based material solder has been used to join electronic components and electronic circuit module components. However, Pb-free solder has been used against the background of environmental issues, and Pb-free solder is used except for automobile-related and special cases. Has been.

はんだを用いて電子回路モジュール部品を基板に実装する際に、はんだを溶融させるためにリフローが必要になる。このリフローの際に、電子回路モジュール部品内の電子部品と基板とを接合しているはんだが溶融して飛散したり、はんだが移動したりすることがある。これを回避するため、電子回路モジュール部品を基板に実装する際のリフロー温度で溶融しないはんだを用いて電子回路モジュール部品内の電子部品と基板とを接合する必要がある。例えば、特許文献1には、Agを10〜25質量%、Cuを5〜10質量%、残部はSn及び不可避的不純物からなる粉末はんだ材料が記載されている。   When an electronic circuit module component is mounted on a substrate using solder, reflow is required to melt the solder. During this reflow, the solder joining the electronic component in the electronic circuit module component and the substrate may melt and scatter or the solder may move. In order to avoid this, it is necessary to join the electronic component in the electronic circuit module component and the substrate using solder that does not melt at the reflow temperature when the electronic circuit module component is mounted on the substrate. For example, Patent Document 1 describes a powder solder material composed of 10 to 25% by mass of Ag, 5 to 10% by mass of Cu, and the balance of Sn and inevitable impurities.

特開2007−268569号公報(0013)Japanese Patent Laying-Open No. 2007-268568 (0013) 特開平5−154687号公報JP-A-5-154687 特開2005−319470号公報JP 2005-319470 A

特許文献1のはんだは、強度及び耐熱性に優れるため、当該はんだを用いることにより端子電極同士の接合強度が向上するとともに、接合の耐熱性も向上する。しかし、近年の電子回路モジュール部品は、電子部品の端子電極と基板の端子電極との接合に、さらなる強度及び耐熱性が求められている。また、はんだによる接合において、端子電極同士を確実に接合して両者の接合の信頼性を向上させるためには、溶融したはんだと端子電極とのぬれ性がよいことが求められる。本発明は、Pbフリーはんだが溶融後固化した後における強度及び耐熱性を向上させるとともに、溶融したPbフリーはんだと端子電極とのぬれ性を改善することを目的とする。   Since the solder of patent document 1 is excellent in intensity | strength and heat resistance, while using the said solder, while the joint strength of terminal electrodes improves, the heat resistance of joining also improves. However, in recent electronic circuit module components, further strength and heat resistance are required for joining the terminal electrodes of the electronic components and the terminal electrodes of the substrate. Moreover, in joining by solder, in order to join terminal electrodes reliably and to improve the reliability of both joining, it is calculated | required that the wettability of the molten solder and a terminal electrode is good. The object of the present invention is to improve the strength and heat resistance after the Pb-free solder is solidified after melting, and to improve the wettability between the molten Pb-free solder and the terminal electrode.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らはPbフリーはんだについて鋭意研究を重ねた結果、少なくともSnを含む第1金属材料と、少なくともNi−Fe合金を含む第2金属材料とを組み合わせることにより、端子電極同士の接合強度及び耐熱性が向上することを見出した。しかし、Ni−Fe合金は、接合強度及び耐熱性の向上に効果はあるが、ぬれ性を低下させることが判明した。本発明者らは、この点について研究した結果、溶融したはんだ中に存在するNi−Fe合金は、第1金属材料への拡散速度が大きいことが原因であることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present inventors have conducted extensive research on Pb-free solder. As a result, the first metal material containing at least Sn and the second metal containing at least a Ni-Fe alloy. It has been found that the bonding strength and heat resistance between the terminal electrodes are improved by combining the materials. However, it has been found that the Ni—Fe alloy is effective in improving the bonding strength and heat resistance, but reduces the wettability. As a result of studies on this point, the present inventors have found that the Ni—Fe alloy present in the molten solder is caused by a high diffusion rate into the first metal material. The present invention has been completed based on such findings.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、Snを主成分とする第1金属粒子と、Ni−Fe合金を主成分とするコア粒子の表面が、SnまたはSnと合金を作る金属を主成分とする少なくとも1つの被覆層で覆われた第2金属粒子と、を含むことを特徴とするPbフリーはんだである。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a method in which the surface of the first metal particle mainly composed of Sn and the core particle mainly composed of Ni—Fe alloy is Sn or Sn and alloy. And a second metal particle covered with at least one coating layer mainly composed of a metal for forming a Pb-free solder.

このPbフリーはんだは、最初に溶融したときには、被覆層がSn相に拡散して金属間化合物を作る。このため、Pbフリーはんだが溶融している間においては、NiのSn相への拡散及び両者の反応が抑制される。その結果、Pbフリーはんだは、溶融中におけるぬれ性の低下が抑制される。このようなPbフリーはんだを用いて電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合すると、溶融したPbフリーはんだが端子電極にフィレットを形成するので、端子電極同士を確実に接合して両者の接合の信頼性を向上させることができる。   When this Pb-free solder is first melted, the coating layer diffuses into the Sn phase to form an intermetallic compound. For this reason, while the Pb-free solder is melted, the diffusion of Ni into the Sn phase and the reaction of both are suppressed. As a result, in the Pb-free solder, a decrease in wettability during melting is suppressed. When such a Pb-free solder is used to join the terminal electrode of the electronic component and the terminal electrode of the circuit board, the molten Pb-free solder forms a fillet on the terminal electrode. The reliability of bonding can be improved.

また、このようなPbフリーはんだを用いて電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合すると、前記Pbフリーはんだが溶融した後、硬化して得られる接合金属の組織は、Ni−Fe合金を含む第1金属相と、Sn合金を主成分とした第1金属相の周りを囲む第2金属相と、Snを主成分とする第3金属相とが現れる。そして、接合金属は、Sn相にNi−Fe合金の異相が現れることによって強化されるとともに、融点が上昇するので、接合強度及び耐熱性が向上する。   Moreover, when the terminal electrode of an electronic component and the terminal electrode of a circuit board are joined using such Pb-free solder, the structure of the joining metal obtained by melting after the Pb-free solder is melted is Ni—Fe. A first metal phase containing an alloy, a second metal phase surrounding the first metal phase mainly composed of Sn alloy, and a third metal phase mainly composed of Sn appear. And since a joining metal is strengthened when the different phase of a Ni-Fe alloy appears in Sn phase, and melting | fusing point rises, joining strength and heat resistance improve.

本発明の望ましい態様として、前記コア粒子の表面と接する前記被覆層は、厚みが0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。コア粒子の表面に設けられる被覆層の厚みを前記の範囲とすることで、Pbフリーはんだが溶融したときのぬれ性を確保しつつ、溶融したPbフリーはんだが硬化して得られる接合金属の耐熱性を向上させることができる。また、Sn単層のような場合は、厚みが0.05μm以上2μm以下であることが好ましい。   As a desirable aspect of the present invention, the coating layer in contact with the surface of the core particles preferably has a thickness of 0.05 μm or more and 5 μm or less. By making the thickness of the coating layer provided on the surface of the core particles within the above range, the heat resistance of the joint metal obtained by curing the melted Pb-free solder while ensuring the wettability when the Pb-free solder is melted. Can be improved. In the case of a Sn single layer, the thickness is preferably 0.05 μm or more and 2 μm or less.

本発明の望ましい態様として、前記第2金属粒子は、前記被覆層を複数有することが好ましい。第2金属粒子が複数の被覆層を有することにより、それぞれの被覆層に異なる特性を与え、接合強度と耐熱性とぬれ性とをバランスよく向上させることができる。   As a desirable aspect of the present invention, it is preferable that the second metal particles have a plurality of the coating layers. When the second metal particles have a plurality of coating layers, different characteristics can be given to the respective coating layers, and the bonding strength, heat resistance, and wettability can be improved in a balanced manner.

本発明の望ましい態様として、最内の前記被覆層以外の被覆層の総厚みは0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。このようにすれば、Pbフリーはんだが溶融したときのぬれ性を確保しつつ、溶融したPbフリーはんだが硬化して得られる接合金属の耐熱性を向上させることができる。   As a desirable embodiment of the present invention, the total thickness of the coating layers other than the innermost coating layer is preferably 0.05 μm or more and 5 μm or less. In this way, it is possible to improve the heat resistance of the joining metal obtained by curing the melted Pb-free solder while securing the wettability when the Pb-free solder is melted.

本発明の望ましい態様として、最内の前記被覆層はCuを主成分とすることが好ましい。このようにすることで、溶融中のPbフリーはんだは、コア粒子の表面にCuとSnとの合金の層が形成されて、NiとSn相との反応が抑制される。その結果、得られた接合金属は、Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織を有することになるので、接合強度及び耐熱性が向上する。   As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the innermost coating layer is mainly composed of Cu. By doing in this way, in the molten Pb-free solder, an alloy layer of Cu and Sn is formed on the surface of the core particle, and the reaction between Ni and Sn phase is suppressed. As a result, the obtained bonding metal has a structure in which a Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase, so that the bonding strength and heat resistance are improved.

本発明の望ましい態様として、最外の前記被覆層はSnを主成分とすることが好ましい。このように、Snを主成分とする被覆層を最外とすることで、当該被覆層よりも内側の被覆層の酸化を抑制できる。   As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the outermost coating layer has Sn as a main component. Thus, the oxidation of the coating layer on the inner side of the coating layer can be suppressed by setting the coating layer mainly composed of Sn as the outermost layer.

本発明の望ましい態様として、Snを主成分とする前記被覆層は、前記コア粒子の表面と接しないことが好ましい。このようにすれば、Pbフリーはんだが溶融したときにおいて、溶融したSnとコア粒子との接触を抑制できるので、Sn相にNi−Fe合金が分散した組織を有する接合金属を得ることができる。   As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the coating layer containing Sn as a main component does not contact the surface of the core particle. In this way, when the Pb-free solder is melted, the contact between the melted Sn and the core particles can be suppressed, so that a joining metal having a structure in which the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase can be obtained.

本発明の望ましい態様として、前記コア粒子の平均粒子径は、10μm以上30μm以下であることが好ましい。このような範囲のコア粒子を用いれば、接合金属の接合強度及び耐熱性を向上させることができる。   As a desirable embodiment of the present invention, the average particle diameter of the core particles is preferably 10 μm or more and 30 μm or less. If the core particles in such a range are used, the bonding strength and heat resistance of the bonding metal can be improved.

本発明の望ましい態様として、前記Pbフリーはんだの全質量に対して、前記Ni−Fe合金の割合は10質量%以上30質量%以下であることが好ましい。Pbフリーはんだ中におけるNi−Fe合金の添加割合を上述の範囲とすることで、Pbフリーはんだの十分なぬれ性を確保した上で、接合強度及び耐熱性を向上させることができる。   As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the ratio of the Ni-Fe alloy is 10% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the total mass of the Pb-free solder. By setting the addition ratio of the Ni—Fe alloy in the Pb-free solder within the above range, it is possible to improve the bonding strength and heat resistance while ensuring sufficient wettability of the Pb-free solder.

本発明は、Pbフリーはんだが溶融後固化した後における強度及び耐熱性を向上させるとともに、溶融したPbフリーはんだと端子電極とのぬれ性を改善することができる。   The present invention can improve the strength and heat resistance after the Pb-free solder is solidified after being melted, and can improve the wettability between the melted Pb-free solder and the terminal electrode.

図1−1は、電子回路モジュール部品の断面図である。FIG. 1-1 is a cross-sectional view of an electronic circuit module component. 図1−2は、電子部品と基板との接続部を示す拡大図である。FIG. 1-2 is an enlarged view showing a connection portion between the electronic component and the substrate. 図2は、電子回路モジュール部品を電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing a state in which the electronic circuit module component is attached to a substrate such as an electronic device. 図3は、本実施形態に係るPbフリーはんだの概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram of Pb-free solder according to the present embodiment. 図4は、本実施形態に係るPbフリーはんだが有する第2金属粒子の拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of the second metal particles included in the Pb-free solder according to the present embodiment. 図5は、本実施形態に係るPbフリーはんだが有する第2金属粒子の他の例を示す拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view showing another example of the second metal particles included in the Pb-free solder according to the present embodiment. 図6は、本実施形態に係るPbフリーはんだが最初に溶融した後、硬化した状態の組織を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic view showing the structure in a state where the Pb-free solder according to the present embodiment is first melted and then hardened. 図7は、図6に示す組織が有する第1金属相及び第2金属相の模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a first metal phase and a second metal phase that the structure shown in FIG. 6 has. 図8は、第1金属粒子と被覆層を有さない第2金属粒子とを組み合わせたPbフリーはんだの概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram of Pb-free solder in which the first metal particles and the second metal particles having no coating layer are combined. 図9−1は、リフローの過程を示す模式図である。FIG. 9A is a schematic diagram illustrating a reflow process. 図9−2は、リフローの過程を示す模式図である。FIG. 9-2 is a schematic diagram illustrating a reflow process. 図9−3は、リフローの過程を示す模式図である。FIG. 9C is a schematic diagram illustrating a reflow process. 図10は、リフロー時における温度の時間に対する変化の一例を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a change in temperature with respect to time during reflow. 図11−1は、本実施形態に係るPbフリーはんだを用いた場合におけるリフローの過程を示す模式図である。FIG. 11A is a schematic diagram illustrating a reflow process when the Pb-free solder according to the present embodiment is used. 図11−2は、本実施形態に係るPbフリーはんだを用いた場合におけるリフローの過程を示す模式図である。FIG. 11B is a schematic diagram illustrating a reflow process when the Pb-free solder according to the present embodiment is used. 図11−3は、本実施形態に係るPbフリーはんだを用いた場合におけるリフローの過程を示す模式図である。FIG. 11C is a schematic diagram illustrating a reflow process when the Pb-free solder according to the present embodiment is used. 図12は、Pbフリーはんだのぬれ性を評価する際の説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram for evaluating the wettability of Pb-free solder. 図13は、Pbフリーはんだが溶融して硬化して得られた接合金属の接合強度を評価する際の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for evaluating the joint strength of the joint metal obtained by melting and hardening the Pb-free solder.

以下、本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。また、下記の実施形態で開示された構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, modes (embodiments) for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments do not limit the present invention. In addition, constituent elements disclosed in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in a so-called equivalent range. Furthermore, the components of the following embodiments can be combined as appropriate.

図1−1は、電子回路モジュール部品の断面図である。図1−2は、電子部品と基板との接続部を示す拡大図である。図2は、電子回路モジュール部品を電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。図1−1に示すように、電子回路モジュール部品1は、複数の電子部品2を回路基板3に実装して、ひとまとまりの機能を持つ電子部品としたものである。電子部品2は、回路基板3の表面に実装されていてもよいし、回路基板3の内部に実装されていてもよい。本実施形態において、電子回路モジュール部品1が有する電子部品2としては、例えば、コイルやコンデンサ、あるいは抵抗等の受動素子があるが、ダイオードやトランジスタ等の能動素子やIC(Integral Circuit)等も電子部品2として回路基板3の表面や回路基板3の内部に実装されていてもよい。また、電子部品2は、これらに限定されるものではない。   FIG. 1-1 is a cross-sectional view of an electronic circuit module component. FIG. 1-2 is an enlarged view showing a connection portion between the electronic component and the substrate. FIG. 2 is a side view showing a state in which the electronic circuit module component is attached to a substrate such as an electronic device. As shown in FIG. 1A, the electronic circuit module component 1 is an electronic component having a group of functions by mounting a plurality of electronic components 2 on a circuit board 3. The electronic component 2 may be mounted on the surface of the circuit board 3 or may be mounted inside the circuit board 3. In the present embodiment, the electronic component 2 included in the electronic circuit module component 1 includes, for example, a passive element such as a coil, a capacitor, or a resistor, but an active element such as a diode or a transistor, an IC (Integral Circuit), or the like can The component 2 may be mounted on the surface of the circuit board 3 or inside the circuit board 3. Moreover, the electronic component 2 is not limited to these.

図1−1に示すように、電子回路モジュール部品1は、電子部品2が実装される回路基板3と、電子部品2を覆う絶縁樹脂4と、絶縁樹脂4の表面を被覆するシールド層5と、を含む。なお、電子回路モジュール部品1は、シールド層5を有していなくてもよい。図1−2に示すように、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとは、接合金属10によって接合される。接合金属10は、本実施形態に係るPbフリーはんだが溶融した後、硬化した金属である。このような構造により、電子部品2が回路基板3に実装される。このように、接合金属10は、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tという二部材を接合するものである。   As illustrated in FIG. 1A, the electronic circuit module component 1 includes a circuit board 3 on which the electronic component 2 is mounted, an insulating resin 4 that covers the electronic component 2, and a shield layer 5 that covers the surface of the insulating resin 4. ,including. The electronic circuit module component 1 may not have the shield layer 5. As illustrated in FIG. 1B, the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 are joined by a joining metal 10. The bonding metal 10 is a metal that is hardened after the Pb-free solder according to the present embodiment is melted. With such a structure, the electronic component 2 is mounted on the circuit board 3. Thus, the joining metal 10 joins two members, the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3.

図1−1に示すように、電子回路モジュール部品1は、回路基板3の表面に実装された電子部品2が絶縁樹脂4で覆われる。電子回路モジュール部品1は、電子部品2が実装される側の回路基板3の表面(部品実装面という)も同時に絶縁樹脂4で覆われる。このように、電子回路モジュール部品1は、絶縁樹脂4で複数の電子部品2及び部品実装面を覆うことで、回路基板3及び複数の電子部品2を一体化するとともに、強度が確保される。   As shown in FIG. 1A, in the electronic circuit module component 1, the electronic component 2 mounted on the surface of the circuit board 3 is covered with an insulating resin 4. In the electronic circuit module component 1, the surface (referred to as component mounting surface) of the circuit board 3 on the side where the electronic component 2 is mounted is simultaneously covered with the insulating resin 4. Thus, the electronic circuit module component 1 covers the plurality of electronic components 2 and the component mounting surface with the insulating resin 4, thereby integrating the circuit board 3 and the plurality of electronic components 2 and ensuring the strength.

電子回路モジュール部品1は、複数の電子部品2を覆った絶縁樹脂4の表面に、シールド層5を有する。本実施形態において、シールド層5は導電材料(導電性を有する材料であり、本実施形態では金属)で構成されている。本実施形態では、シールド層5は単数の導電材料であってもよいし、複数の導電材料の層であってもよい。シールド層5は、絶縁樹脂4の表面を被覆することにより、絶縁樹脂4の内部に封入された電子部品2を電子回路モジュール部品1の外部からの高周波ノイズや電磁波等から遮蔽したり、電子部品2から放射される高周波ノイズ等を遮蔽したりする。このように、シールド層5は、電磁気シールドとして機能する。本実施形態において、シールド層5は、絶縁樹脂4の表面全体を被覆している。しかし、シールド層5は、電磁気シールドとして必要な機能を発揮できるように絶縁樹脂4を被覆すればよく、必ずしも絶縁樹脂4の表面全体を被覆する必要はない。したがって、シールド層5は、絶縁樹脂4の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。   The electronic circuit module component 1 has a shield layer 5 on the surface of an insulating resin 4 that covers the plurality of electronic components 2. In the present embodiment, the shield layer 5 is made of a conductive material (a material having conductivity, which is a metal in the present embodiment). In this embodiment, the shield layer 5 may be a single conductive material or a layer of a plurality of conductive materials. The shield layer 5 covers the surface of the insulating resin 4 to shield the electronic component 2 enclosed in the insulating resin 4 from high-frequency noise or electromagnetic waves from the outside of the electronic circuit module component 1, High frequency noise radiated from 2 is shielded. Thus, the shield layer 5 functions as an electromagnetic shield. In the present embodiment, the shield layer 5 covers the entire surface of the insulating resin 4. However, the shield layer 5 may be coated with the insulating resin 4 so as to exhibit a necessary function as an electromagnetic shield, and does not necessarily need to cover the entire surface of the insulating resin 4. Therefore, the shield layer 5 only needs to cover at least a part of the surface of the insulating resin 4.

電子回路モジュール部品1は、例えば、次のような手順で製造される。
(1)回路基板3の端子電極に本実施形態に係るPbフリーはんだを含むはんだペーストを印刷する。
(2)実装装置(マウンタ)を用いて電子部品2を回路基板3に載置する。
(3)電子部品2が搭載された回路基板3をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストに含まれる本実施形態に係るPbフリーはんだが溶融し、硬化する。そして、硬化後のPbフリーはんだ、すなわち接合金属10が、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとを接合する。
(4)電子部品2及び回路基板3の表面に付着したフラックスを洗浄する。
(5)絶縁樹脂4で電子部品2及び回路基板3を覆う。
The electronic circuit module component 1 is manufactured by the following procedure, for example.
(1) A solder paste containing Pb-free solder according to the present embodiment is printed on the terminal electrode of the circuit board 3.
(2) The electronic component 2 is mounted on the circuit board 3 using a mounting device (mounter).
(3) By putting the circuit board 3 on which the electronic component 2 is mounted into a reflow furnace and heating the solder paste, the Pb-free solder according to this embodiment included in the solder paste is melted and cured. Then, the cured Pb-free solder, that is, the bonding metal 10 bonds the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 together.
(4) The flux adhering to the surfaces of the electronic component 2 and the circuit board 3 is washed.
(5) Cover the electronic component 2 and the circuit board 3 with the insulating resin 4.

電子回路モジュール部品1の回路基板3は、部品実装面の反対側に、端子電極(モジュール端子電極)7を有する。モジュール端子電極7は、電子回路モジュール部品1が備える電子部品2の端子電極2Tと電気的に接続されるとともに、図2に示す、電子回路モジュール部品1が取り付けられる基板(例えば、電子機器の基板であり、以下、装置基板という)8の端子電極(装置基板端子電極)9とはんだ20によって接合される。このような構造により、電子回路モジュール部品1は、電子部品2と装置基板8との間で電気信号や電力をやり取りする。   The circuit board 3 of the electronic circuit module component 1 has terminal electrodes (module terminal electrodes) 7 on the side opposite to the component mounting surface. The module terminal electrode 7 is electrically connected to the terminal electrode 2T of the electronic component 2 included in the electronic circuit module component 1, and is a substrate (for example, a substrate of an electronic device) to which the electronic circuit module component 1 is attached as shown in FIG. The terminal electrode (device substrate terminal electrode) 9 and the solder 20 are connected to each other. With such a structure, the electronic circuit module component 1 exchanges electrical signals and power between the electronic component 2 and the device substrate 8.

図2に示す装置基板8は、電子回路モジュール部品1が実装される基板であり、例えば、電子機器(車載電子機器、携帯電子機器等)に搭載される。装置基板8に電子回路モジュール部品1を実装する場合、例えば、装置基板端子電極9にはんだ20を含むはんだペーストを印刷し、実装装置を用いて電子回路モジュール部品1を装置基板8に搭載する。そして、電子回路モジュール部品1が搭載された装置基板8をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストのはんだ20が溶融し、その後硬化することによりモジュール端子電極7と装置基板端子電極9とが接合される。その後、電子回路モジュール部品1や装置基板8の表面に付着したフラックスを洗浄する。   A device substrate 8 shown in FIG. 2 is a substrate on which the electronic circuit module component 1 is mounted. For example, the device substrate 8 is mounted on an electronic device (such as an in-vehicle electronic device or a portable electronic device). When mounting the electronic circuit module component 1 on the device substrate 8, for example, a solder paste containing solder 20 is printed on the device substrate terminal electrode 9, and the electronic circuit module component 1 is mounted on the device substrate 8 using a mounting device. Then, the device substrate 8 on which the electronic circuit module component 1 is mounted is placed in a reflow furnace and the solder paste is heated, so that the solder 20 of the solder paste is melted and then cured, thereby the module terminal electrode 7 and the device. The substrate terminal electrode 9 is joined. Thereafter, the flux adhering to the surfaces of the electronic circuit module component 1 and the device substrate 8 is washed.

現在多く使用されているPbフリーはんだの溶融温度は約220℃であるが、リフローにおける最高温度は240℃〜260℃程度である。電子回路モジュール部品1が有する電子部品2を回路基板3に実装する際に用いられるはんだは、上述したように、電子回路モジュール部品1が装置基板8へ実装される際にリフローされる。このため、前記リフローにおける温度で溶融しないはんだ(高温はんだ)が使用される。   The melting temperature of Pb-free solder, which is widely used at present, is about 220 ° C., but the maximum temperature in reflow is about 240 ° C. to 260 ° C. The solder used when the electronic component 2 included in the electronic circuit module component 1 is mounted on the circuit board 3 is reflowed when the electronic circuit module component 1 is mounted on the device substrate 8 as described above. For this reason, solder (high temperature solder) that does not melt at the temperature in the reflow is used.

Pbを使用するはんだには、溶融温度が300℃程度のはんだが存在する。しかし、現在のところ、Pbフリーはんだでは溶融温度が260℃以上かつ適切な特性を有するものは存在しない。このため、Pbフリーはんだを用いる場合、電子回路モジュール部品1が有する電子部品2の接合に用いるはんだと、電子回路モジュール部品1を装置基板8へ実装する際に用いるはんだとには、両者の溶融温度差が少ないものを使用せざるを得ない。   Solder using Pb includes solder having a melting temperature of about 300 ° C. However, at present, there is no Pb-free solder having a melting temperature of 260 ° C. or higher and appropriate characteristics. Therefore, when Pb-free solder is used, the solder used for joining the electronic component 2 included in the electronic circuit module component 1 and the solder used when mounting the electronic circuit module component 1 on the device substrate 8 are melted. You must use one with a small temperature difference.

電子回路モジュール部品1が有する電子部品2の接合に用いるはんだがリフロー時に再溶融すると、当該はんだの移動や、はんだフラッシュ(はんだの飛散)といった不具合が発生する。その結果、短絡や電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとの接触不良を招くおそれがある。このため、電子回路モジュール部品1の電子部品2を接合するはんだには、電子回路モジュール部品1を実装する際のリフロー時において再溶融しないもの、又は再溶融がはんだの移動やはんだフラッシュを招かない程度であるものを使用することが望まれている。溶融温度の高いはんだの代替として導電性接着材(Agペースト等)もあるが、機械的な強度が低く、電気抵抗も高く、コストも高い等の課題があり、Pbを用いたはんだの代替とはなっていない。本実施形態に係るPbフリーはんだは、電子回路モジュール部品1が有する電子部品2の接合に用いられるものであって、上述したような要求を満たすものである。   When the solder used for joining the electronic component 2 included in the electronic circuit module component 1 is remelted during reflow, problems such as movement of the solder and solder flash (solder scattering) occur. As a result, there is a possibility of causing a short circuit or poor contact between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3. For this reason, the solder that joins the electronic component 2 of the electronic circuit module component 1 does not remelt during reflow when the electronic circuit module component 1 is mounted, or remelting does not cause solder movement or solder flash. It is desirable to use what is to the extent. There are conductive adhesives (Ag paste, etc.) as an alternative to solder with a high melting temperature, but there are problems such as low mechanical strength, high electrical resistance, and high cost. It is not. The Pb-free solder according to the present embodiment is used for joining the electronic component 2 included in the electronic circuit module component 1 and satisfies the above-described requirements.

図3は、本実施形態に係るPbフリーはんだの概念図である。図4は、本実施形態に係るPbフリーはんだが有する第2金属粒子の拡大図である。本実施形態に係るPbフリーはんだ6は、使用前(最初に溶融する前)において、Snを主成分とする第1金属粒子6Aと、Ni−Fe合金を主成分とする第2金属粒子6Bと、を含む。主成分とは、物質を構成している成分のうち、最も多く含まれている成分である(以下同様)。本実施形態において、Pbフリーはんだ6は、第1金属粒子6Aと第2金属粒子6Bとの他にフラックスPEを含み、第1金属粒子6Aと第2金属粒子6BとがフラックスPEに混合され、分散された状態のはんだペーストである。Pbフリーはんだ6は、少なくとも第1金属粒子6Aと第2金属粒子6Bとを含んでいればよく、フラックスPEは必ずしも必要ではない。   FIG. 3 is a conceptual diagram of Pb-free solder according to the present embodiment. FIG. 4 is an enlarged view of the second metal particles included in the Pb-free solder according to the present embodiment. The Pb-free solder 6 according to the present embodiment includes a first metal particle 6A mainly composed of Sn and a second metal particle 6B mainly composed of a Ni-Fe alloy before use (before first melting). ,including. The main component is the most abundant component among the components constituting the substance (the same applies hereinafter). In the present embodiment, the Pb-free solder 6 includes a flux PE in addition to the first metal particles 6A and the second metal particles 6B, and the first metal particles 6A and the second metal particles 6B are mixed with the flux PE, This is a solder paste in a dispersed state. The Pb-free solder 6 only needs to include at least the first metal particles 6A and the second metal particles 6B, and the flux PE is not always necessary.

図4に示すように、第2金属粒子6Bは、Ni−Fe合金を主成分とする粒子(コア粒子)6BCの表面が、Snと合金を作る金属を主成分とする少なくとも1つの被覆層6BSで覆われている。被覆層6BSに含まれる、Snと合金を作る金属は、例えば、Cu、Ni、Au、Ag、Pd、Bi等がある。本実施形態では、Cuを用いている。図4中の符号Rcは、コア粒子6BCの直径を示し、符号Rsは、被覆層6BSの厚みを示す。   As shown in FIG. 4, the second metal particle 6B has at least one coating layer 6BS in which the surface of a particle (core particle) 6BC whose main component is a Ni—Fe alloy is a metal whose main component is Sn and an alloy. Covered with. Examples of the metal that forms an alloy with Sn contained in the coating layer 6BS include Cu, Ni, Au, Ag, Pd, and Bi. In this embodiment, Cu is used. The symbol Rc in FIG. 4 indicates the diameter of the core particle 6BC, and the symbol Rs indicates the thickness of the coating layer 6BS.

図5は、本実施形態に係るPbフリーはんだが有する第2金属粒子の他の例を示す拡大図である。図5に示すように、第2金属粒子6Bは、複数(本実施形態では2つ)のそれぞれ異なる種類の被覆層6BSa、6BSbを有していてもよい。被覆層6BSa、6BSbの数は2つに限定されるものではなく、3つ又は4つ又はそれ以上であってもよい。第2金属粒子6Bが複数の被覆層を有することにより、それぞれの被覆層に異なる特性を与え、接合強度と耐熱性とぬれ性とをバランスよく向上させることができる。図5中の符号Rsa、Rsbは、それぞれ被覆層6BSa、6Bsbの厚みを示す。また、図5中の符号Rsは、第2金属粒子6Bが有する被覆層の総厚みを示す。図5に示す例では、総厚みRsは、被覆層6BSaの厚みRsaと被覆層6BSbの厚みRsbとの和(Rsa+Rsb)になる。   FIG. 5 is an enlarged view showing another example of the second metal particles included in the Pb-free solder according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the second metal particle 6B may have a plurality (two in the present embodiment) of different types of coating layers 6BSa and 6BSb. The number of coating layers 6BSa and 6BSb is not limited to two, and may be three, four, or more. When the second metal particles 6B have a plurality of coating layers, different properties can be given to the respective coating layers, and the bonding strength, heat resistance, and wettability can be improved in a balanced manner. Symbols Rsa and Rsb in FIG. 5 indicate the thicknesses of the coating layers 6BSa and 6Bsb, respectively. Moreover, the symbol Rs in FIG. 5 indicates the total thickness of the coating layer of the second metal particle 6B. In the example shown in FIG. 5, the total thickness Rs is the sum (Rsa + Rsb) of the thickness Rsa of the coating layer 6BSa and the thickness Rsb of the coating layer 6BSb.

Pbフリーはんだ6はPbを含まないため、Snを主成分とする第1金属粒子6AもPbを含まない。本実施形態において、第2金属粒子6Bは、Ni−Fe合金を主成分としているが、他の成分を含んでいてもよい。このため、第2金属粒子6Bは、Ni−Fe合金を必須とし、この他にCo(コバルト)、Mo(モリブデン)、Cu(銅)、Cr(クロム)のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。   Since the Pb-free solder 6 does not contain Pb, the first metal particles 6A mainly containing Sn also do not contain Pb. In the present embodiment, the second metal particles 6B are mainly composed of a Ni—Fe alloy, but may contain other components. For this reason, the second metal particle 6 </ b> B requires a Ni—Fe alloy and may contain at least one of Co (cobalt), Mo (molybdenum), Cu (copper), and Cr (chromium). Good.

本実施形態において、第1金属粒子6Aとしては、Snを基材としたPbフリーはんだを用いる。より具体的には、第1金属粒子6Aとして、Sn−Ag(銀)系やSn−Cu(銅)系(Snが90質量%以上)のはんだ(Pbフリーはんだ)を用いる。例えば、第1金属粒子6Aとしては、Sn−3.5%Ag(錫−銀共晶はんだ、融点221℃)又はSn−3%Ag−0.5%Cu(錫−銀−銅はんだ、融点217〜219℃)又はSn−0.75%Cu(錫−銅共晶はんだ、融点227℃)を用いることができる。本実施形態において第1金属粒子6Aに用いるSnを基材としたPbフリーはんだは、Snが90質量%以上である。このようなはんだは、リフロー後における組織はSn相が大半を占めるので、一度溶融して硬化した後に複数回リフローをするとSn相が再溶融する。   In the present embodiment, Pb-free solder with Sn as a base material is used as the first metal particles 6A. More specifically, Sn-Ag (silver) -based or Sn-Cu (copper) -based (Sn is 90 mass% or more) solder (Pb-free solder) is used as the first metal particles 6A. For example, as the first metal particles 6A, Sn-3.5% Ag (tin-silver eutectic solder, melting point 221 ° C.) or Sn-3% Ag-0.5% Cu (tin-silver-copper solder, melting point) 217-219 ° C.) or Sn-0.75% Cu (tin-copper eutectic solder, melting point 227 ° C.) can be used. In the present embodiment, the Sn-based Pb-free solder used for the first metal particles 6A has Sn of 90% by mass or more. In such a solder, the Sn phase occupies most of the structure after reflow. Therefore, when the solder is melted once and hardened and then reflowed a plurality of times, the Sn phase is remelted.

本実施形態では、Pbフリーはんだ6が初めて溶融して硬化した後の組織を、Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織とする。図1に示す電子回路モジュール部品1の接合金属10は、このような組織となる。Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織は、Snが大半を占める組織と比較して強度が高くなる。このため、Pbフリーはんだ6を用いて、図1に示す電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとを接合した場合には、両者の接合強度が向上する。また、Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織は、Snが大半を占める組織と比較して耐熱性が高くなる。このため、接合金属10は、例えば、再度のリフロー等によって加熱された場合でも、自身の再溶融が抑制される。さらに、接合金属10に含まれるNiはSnと合金を作りやすいので、再度のリフロー時に接合金属10が加熱されると、NiがSn相に拡散してSnと合金を作る。その結果、加熱後の接合金属10は、Ni−Sn相を有する組織となり、加熱前と比較して融点が高くなる。このため、加熱された接合金属10は、さらに耐熱性が向上するので、再度のリフロー等によって加熱された場合でも、自身の再溶融をさらに抑制できる。また、Ni−Fe合金を主成分とする相(後述する第1金属相)は、Sn相に比べ硬い組織である。硬度の異なる組織が混在する接合金属10の組織は、より硬い相のNi−Fe合金を主成分とする相によるくさび効果が得られるために接合強度及び耐熱性が増加する。また、Ni−Fe合金を主成分とする相の周りに当該相よりも小さい第2の金属相(後述する第2金属相)を配置することにより、第2の金属相が硬度の異なる組織を接合する役割を果たすことができるとともに、クラックの伝播を抑制する効果もあり、接合強度及び耐熱性の向上に効果がある。   In this embodiment, the structure after the Pb-free solder 6 is melted and hardened for the first time is a structure in which a Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase. The joining metal 10 of the electronic circuit module component 1 shown in FIG. 1 has such a structure. The structure in which the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase has a higher strength than the structure in which Sn is predominant. For this reason, when the terminal electrode 2T of the electronic component 2 shown in FIG. 1 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 shown in FIG. In addition, the structure in which the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase has higher heat resistance than the structure in which Sn is predominant. For this reason, even when the joining metal 10 is heated by, for example, reflowing again, its own remelting is suppressed. Furthermore, since Ni contained in the bonding metal 10 can easily form an alloy with Sn, when the bonding metal 10 is heated during reflow, Ni diffuses into the Sn phase and forms an alloy with Sn. As a result, the bonded metal 10 after heating has a structure having a Ni—Sn phase, and has a higher melting point than before heating. For this reason, since the heat-resistant joining metal 10 improves further, even when it is heated by reflow etc. again, it can further suppress own remelting. Moreover, the phase (the 1st metal phase mentioned later) which has a Ni-Fe alloy as a main component is a structure | tissue harder than Sn phase. The structure of the bonding metal 10 in which structures having different hardnesses are mixed has a wedge effect due to a phase mainly composed of a harder phase Ni—Fe alloy, so that the bonding strength and heat resistance are increased. Further, by arranging a second metal phase (second metal phase described later) smaller than the phase around the phase mainly composed of the Ni—Fe alloy, the second metal phase has a structure with different hardness. In addition to being able to play the role of joining, it also has the effect of suppressing the propagation of cracks, and is effective in improving the joining strength and heat resistance.

NiはSn相への拡散速度が大きいため、第1金属粒子6Aと、Ni−Fe合金の金属粒子とを組み合わせたPbフリーはんだを用いると、当該Pbフリーはんだが最初に溶融したときにNiがSn相へ拡散して金属間化合物が生成される結果、溶融したPbフリーはんだの粘度が上昇して端子電極に対するぬれ性が低下することがある。その結果、リフロー時において、電子部品2のセルフアライメント機能の低下等の不具合が発生するおそれがある。   Since Ni has a high diffusion rate into the Sn phase, when Pb-free solder in which the first metal particles 6A and the metal particles of the Ni—Fe alloy are combined is used, when the Pb-free solder first melts, As a result of diffusion into the Sn phase and generation of an intermetallic compound, the viscosity of the molten Pb-free solder may increase and the wettability with respect to the terminal electrode may decrease. As a result, at the time of reflow, there is a possibility that problems such as a decrease in the self-alignment function of the electronic component 2 may occur.

本実施形態において、図3に示すPbフリーはんだ6は、Ni−Fe合金のコア粒子6BCの表面に被覆層6BSを設けている。被覆層6BSは、Snと合金を作る金属なので、Pbフリーはんだ6が最初に溶融したときには、被覆層6BSがSn相に拡散して金属間化合物を作る。このため、Pbフリーはんだ6が溶融している間においては、NiのSn相への拡散及び両者の反応が抑制される。その結果、Pbフリーはんだ6は、溶融中におけるぬれ性の低下が抑制されるので、リフロー時においては、電子部品2のセルフアライメント機能の低下等の不具合が抑制される。このため、電子回路モジュール部品1の歩留まりは向上するとともに、不良率は低下する。   In the present embodiment, the Pb-free solder 6 shown in FIG. 3 is provided with a coating layer 6BS on the surface of Ni—Fe alloy core particles 6BC. Since the coating layer 6BS is a metal that forms an alloy with Sn, when the Pb-free solder 6 is first melted, the coating layer 6BS diffuses into the Sn phase to form an intermetallic compound. For this reason, while the Pb-free solder 6 is melting, the diffusion of Ni into the Sn phase and the reaction between the two are suppressed. As a result, the Pb-free solder 6 is prevented from being reduced in wettability during melting, so that problems such as a decrease in the self-alignment function of the electronic component 2 are suppressed during reflow. For this reason, the yield of the electronic circuit module component 1 is improved and the defect rate is reduced.

本実施形態において、Pbフリーはんだ6は、第1金属粒子6A及び第2金属粒子6Bに加え、第3金属粒子を含んでいてもよい。この場合、第3金属粒子は、第2金属粒子6Bと同様に、Ni−Fe合金を主成分とする粒子(コア粒子)の表面が、Sn又はSnと合金を作る金属を主成分とする少なくとも1つの被覆層で覆われている。そして、第3金属粒子のコア粒子の平均粒子径は、第2金属粒子6Bのコア粒子6BCの平均粒子径よりも小さい。このようにすることで、Pbフリーはんだ6が溶融したときに、平均粒子径の大きい第2金属粒子6Bのコア粒子6BCは回路基板の端子電極近傍に沈降して、接合金属の耐熱性及び接合強度を向上させる。   In the present embodiment, the Pb-free solder 6 may include third metal particles in addition to the first metal particles 6A and the second metal particles 6B. In this case, like the second metal particle 6B, the third metal particle has at least the surface of the particle (core particle) whose main component is a Ni—Fe alloy as a main component, the metal that forms an alloy with Sn or Sn. It is covered with one coating layer. The average particle diameter of the core particles of the third metal particles is smaller than the average particle diameter of the core particles 6BC of the second metal particles 6B. By doing so, when the Pb-free solder 6 is melted, the core particles 6BC of the second metal particles 6B having a large average particle diameter are settled in the vicinity of the terminal electrodes of the circuit board, and the heat resistance and bonding of the bonding metal Improve strength.

同時に、平均粒子径の小さい第3金属粒子のコア粒子は、第2金属粒子のコア粒子6BCよりも回路基板の端子電極から離れた電子回路の端子電極側まで分布して、接合金属10の耐熱性及び接合強度を保持しつつ、溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性を向上させ、電子回路のセルフアライメント機能を発揮させる。その結果、接合金属10の接合強度及び耐熱性を向上させることができると同時に、Pbフリーはんだ6のぬれ性を向上させて電子回路のセルフアライメント機能を発揮させることができる。次に、接合金属10の組織を説明する。   At the same time, the core particles of the third metal particles having a small average particle diameter are distributed to the terminal electrode side of the electronic circuit farther from the terminal electrode of the circuit board than the core particles 6BC of the second metal particles, and the heat resistance of the bonding metal 10 is increased. The wettability of the molten Pb-free solder 6 is improved and the self-alignment function of the electronic circuit is exhibited while maintaining the properties and the bonding strength. As a result, the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 can be improved, and at the same time, the wettability of the Pb-free solder 6 can be improved and the self-alignment function of the electronic circuit can be exhibited. Next, the structure of the bonding metal 10 will be described.

図1に示す電子回路モジュール部品1は、Pbフリーはんだ6を用いた電子回路モジュール部品の製造方法により製造できる。まず、Pbフリーはんだ6、すなわち、Snを主成分とする第1金属粒子6Aと、Ni−Fe合金を主成分とするコア粒子6BCの表面が、Snと合金を作る金属を主成分とする少なくとも1つの被覆層6BSで覆われた第2金属粒子6Bと、を含むPbフリーはんだ6を、電子部品2の端子電極2Tと電子部品2が搭載される回路基板3の端子電極3Tとの間に設ける。次に、Pbフリーはんだ6を溶融させる。このような手順により、電子回路モジュール部品1が製造される。   The electronic circuit module component 1 shown in FIG. 1 can be manufactured by an electronic circuit module component manufacturing method using Pb-free solder 6. First, the surface of the Pb-free solder 6, that is, the first metal particles 6A containing Sn as a main component and the core particles 6BC containing Ni-Fe alloy as a main component is at least mainly composed of a metal that forms an alloy with Sn. Pb-free solder 6 including second metal particles 6B covered with one coating layer 6BS is interposed between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 on which the electronic component 2 is mounted. Provide. Next, the Pb-free solder 6 is melted. By such a procedure, the electronic circuit module component 1 is manufactured.

図6は、本実施形態に係るPbフリーはんだが最初に溶融した後、硬化した状態の組織を示す模式図である。図7は、図6に示す組織が有する第1金属相及び第2金属相の模式図である。図7の符号Raは、第1金属相11の代表寸法であり、符号Rbは、第2金属相12の代表寸法である。図1−1、図1−2に示す接合金属10は、Pbフリーはんだ6が最初に溶融した後、硬化することにより得られる。接合金属10の断面をEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)により分析すると、図6に示すような組織が観察された。すなわち、接合金属10は、図1に示す電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとの間に介在し、かつNi−Fe合金を主成分とする第1金属相11と、Sn合金を主成分とするとともに第1金属相11を囲む第2金属相12と、Snを主成分とする第3金属相13とを有する。そして、図7に示すように、接合金属10は、第1金属相11の代表寸法Raが、第2金属相の代表寸法Rbよりも大きい。本実施形態において、接合金属10は、AgとSnとを含むAg−Sn相14(AgSn)と、Fe相15とを有するが、これらを必ずしも有していなくてもよい。Ag−Sn相14は、Pbフリーはんだ6の第1金属粒子6AとしてAgを含むPbフリーはんだを用いた場合に、接合金属10の組織に現れる。 FIG. 6 is a schematic view showing the structure in a state where the Pb-free solder according to the present embodiment is first melted and then hardened. FIG. 7 is a schematic diagram of a first metal phase and a second metal phase that the structure shown in FIG. 6 has. Reference sign Ra in FIG. 7 is a representative dimension of the first metal phase 11, and reference sign Rb is a representative dimension of the second metal phase 12. The joining metal 10 shown in FIGS. 1-1 and 1-2 is obtained by hardening after the Pb-free solder 6 is first melted. When the cross section of the bonding metal 10 was analyzed by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer), a structure as shown in FIG. 6 was observed. That is, the bonding metal 10 is interposed between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 shown in FIG. 1, and the first metal phase 11 mainly composed of a Ni—Fe alloy, It has the 2nd metal phase 12 which has Sn alloy as a main component and surrounds the 1st metal phase 11, and the 3rd metal phase 13 which has Sn as a main component. As shown in FIG. 7, in the bonding metal 10, the representative dimension Ra of the first metal phase 11 is larger than the representative dimension Rb of the second metal phase. In the present embodiment, the bonding metal 10 includes the Ag—Sn phase 14 (Ag 3 Sn) containing Ag and Sn, and the Fe phase 15, but may not necessarily include these. The Ag—Sn phase 14 appears in the structure of the bonding metal 10 when Pb-free solder containing Ag is used as the first metal particles 6 </ b> A of the Pb-free solder 6.

このように、接合金属10は、その組織中にNi−Fe合金を含む第1金属相11が現れ、かつSn合金を主成分とする第2金属相12が第1金属相11の周りを囲んでいる。第2金属相12は、CuとSnとの合金、より具体的にはCuSnを含む複数の金属粒子で構成されている。接合金属10は、このような組織を有することにより、接合強度及び耐熱性が向上する。また、接合金属10の組織は、第2金属相12が第1金属相11の周りを囲んでいる。この構造は、Pbフリーはんだ6の第2金属粒子6Bの被覆層6BSに含まれる、Snと合金を作る金属(本実施形態ではCu)が、溶融したPbフリーはんだ6のSnと反応してSnとの化合物が作られた結果、得られたと考えられる。本実施形態において、第2金属相12はCu及びSnを含むが、さらにNiを含んでいてもよい。すなわち、第2金属相12は、CuとSnとNiとの合金であってもよい。 As described above, in the bonding metal 10, the first metal phase 11 including the Ni—Fe alloy appears in the structure, and the second metal phase 12 mainly composed of the Sn alloy surrounds the first metal phase 11. It is out. The second metal phase 12 is made of an alloy of Cu and Sn, more specifically, a plurality of metal particles including Cu 6 Sn 5 . Since the bonding metal 10 has such a structure, bonding strength and heat resistance are improved. In the structure of the bonding metal 10, the second metal phase 12 surrounds the first metal phase 11. In this structure, the metal (Cu in this embodiment) that forms an alloy with Sn contained in the coating layer 6BS of the second metal particles 6B of the Pb-free solder 6 reacts with the Sn of the molten Pb-free solder 6 to form Sn. It is thought that it was obtained as a result of the production of the compound. In the present embodiment, the second metal phase 12 includes Cu and Sn, but may further include Ni. That is, the second metal phase 12 may be an alloy of Cu, Sn, and Ni.

第2金属相12は、接合金属10の全体積に対して、0.7体積%以上10体積%以下である。第2金属相12は、主に第1金属相11の周りに現れるが、第2金属相12の割合が前記範囲であれば、第1金属相11の周りの全体を第2金属相12で囲むことができる。その結果、Pbフリーはんだ6の溶融中において、第1金属相11に含まれるNiのSn相への拡散を抑制できるので、ぬれ性の低下を抑制できる。Fe相15は、接合金属10中の全体積に対して、0.2体積%以上2体積%以下である。第3金属相13は、Snを90質量%以上含み、かつ断面が楕円形状であり、等価直径は10μmから20μmである。等価直径は、第3金属相13の面積をA、周囲長をCとしたとき、4×A/Cである。第3金属相13の代表寸法は、前記等価直径である。第3金属相13の代表寸法は、第2金属相12の代表寸法よりも大きい。また、第3金属相13は、接合金属10の全体積に対して、53体積%以上65体積%以下であることが好ましい。この範囲であれば、溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性及び接合金属10の接合強度を向上させることができる。   The second metal phase 12 is 0.7 volume% or more and 10 volume% or less with respect to the entire volume of the bonding metal 10. The second metal phase 12 mainly appears around the first metal phase 11. If the ratio of the second metal phase 12 is within the above range, the entire area around the first metal phase 11 is the second metal phase 12. Can be enclosed. As a result, since the diffusion of Ni contained in the first metal phase 11 into the Sn phase can be suppressed during the melting of the Pb-free solder 6, a decrease in wettability can be suppressed. The Fe phase 15 is 0.2 volume% or more and 2 volume% or less with respect to the total volume in the bonding metal 10. The third metal phase 13 includes 90 mass% or more of Sn, has an elliptical cross section, and has an equivalent diameter of 10 μm to 20 μm. The equivalent diameter is 4 × A / C, where A is the area of the third metal phase 13 and C is the perimeter. A representative dimension of the third metal phase 13 is the equivalent diameter. The representative dimension of the third metal phase 13 is larger than the representative dimension of the second metal phase 12. Moreover, it is preferable that the 3rd metal phase 13 is 53 volume% or more and 65 volume% or less with respect to the whole volume of the joining metal 10. FIG. Within this range, the wettability of the molten Pb-free solder 6 and the bonding strength of the bonding metal 10 can be improved.

接合金属10は、第2金属相12、第3金属相13及びFe相15を除いた残部が第1金属相11及びAg−Sn相14となる。接合金属10中における第2金属相12、第3金属相13等の体積割合(体積%)は、接合金属10の断面の画像から求める。すなわち、接合金属10の断面の所定面積中に占める、第2金属相12、第3金属相13等の面積の割合を求め、これをそれぞれの体積割合とする。   The remaining part of the bonding metal 10 excluding the second metal phase 12, the third metal phase 13, and the Fe phase 15 becomes the first metal phase 11 and the Ag—Sn phase 14. The volume ratio (volume%) of the second metal phase 12, the third metal phase 13, etc. in the bonding metal 10 is determined from the cross-sectional image of the bonding metal 10. That is, the ratio of the area of the second metal phase 12, the third metal phase 13, etc. in the predetermined area of the cross section of the bonding metal 10 is obtained, and this is set as the respective volume ratio.

次に、第1金属相11の代表寸法Raと第2金属相12の代表寸法Rbとが、接合強度及びぬれ性に与える影響を説明する。ここで、第1金属相11は断面形状が略円形であるため、代表寸法Raは、第1金属相11の直径(等価直径)を用いる。第2金属相12は、第1金属相11の周りを囲む複数の金属粒子なので、当該粒子の断面形状が略円形として識別できる場合には、代表寸法Rbは、前記粒子の直径(等価直径)を用いる。この場合、複数(例えば10個)の前記粒子の直径を平均した値を用いることが好ましい。第2金属相12の粒子の断面形状が略円形として識別できず、第2金属相12の断面形状が一つの層としてしか認識できない場合、代表寸法Rbは、前記層の厚みを用いる。   Next, the influence of the representative dimension Ra of the first metal phase 11 and the representative dimension Rb of the second metal phase 12 on bonding strength and wettability will be described. Here, since the first metal phase 11 has a substantially circular cross-sectional shape, the diameter (equivalent diameter) of the first metal phase 11 is used as the representative dimension Ra. Since the second metal phase 12 is a plurality of metal particles surrounding the first metal phase 11, the representative dimension Rb is the diameter (equivalent diameter) of the particles when the cross-sectional shape of the particles can be identified as a substantially circular shape. Is used. In this case, it is preferable to use a value obtained by averaging the diameters of a plurality of (for example, 10) particles. When the cross-sectional shape of the particles of the second metal phase 12 cannot be identified as a substantially circular shape and the cross-sectional shape of the second metal phase 12 can only be recognized as one layer, the representative dimension Rb uses the thickness of the layer.

第2金属相12の代表寸法Rbは0.2μm以上5μm以下が好ましい。Rbがこの範囲であれば、溶融したPbフリーはんだ6のSn相へのNiの拡散を適度に抑制して、接合金属10の組織中にNi−Fe合金の第1金属相11を残すことができるので、接合金属10の接合強度を向上させることができる。次に、第1金属相11の代表寸法Raは3μm以上25μm以下が好ましい。Raがこの範囲であれば、接合金属10の接合強度を向上させることができる。また、第1金属相11の代表寸法Raは、第2金属相12の代表寸法Rbよりも大きいことが好ましい。このようにすれば、溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性及び接合金属10の接合強度を向上させることができる。この場合、RaはRbの5倍以上であることがより好ましい。このようにすれば、前記ぬれ性及び前記接合強度をより向上させることができる。   The representative dimension Rb of the second metal phase 12 is preferably 0.2 μm or more and 5 μm or less. If Rb is within this range, the diffusion of Ni into the Sn phase of the molten Pb-free solder 6 is moderately suppressed, leaving the first metal phase 11 of the Ni—Fe alloy in the structure of the bonding metal 10. Therefore, the bonding strength of the bonding metal 10 can be improved. Next, the representative dimension Ra of the first metal phase 11 is preferably 3 μm or more and 25 μm or less. If Ra is within this range, the bonding strength of the bonding metal 10 can be improved. The representative dimension Ra of the first metal phase 11 is preferably larger than the representative dimension Rb of the second metal phase 12. In this way, the wettability of the molten Pb-free solder 6 and the bonding strength of the bonding metal 10 can be improved. In this case, Ra is more preferably 5 times or more of Rb. If it does in this way, the said wettability and the said joint strength can be improved more.

次に、図3に示すPbフリーはんだ6に含まれる第1金属粒子6A及び第2金属粒子6Bについて詳細に説明する。第1金属粒子6Aの平均粒子径は特に規定するものではないが、本実施形態においては、第1金属粒子6Aの平均粒子径(D50、以下同様)を30μm程度、より具体的には25μmから36μmの範囲としている。これは、チップ型電子部品の寸法が0603M(0.6mm×0.3mm)を実装する際におけるはんだペーストの印刷に対応できる大きさである。   Next, the first metal particles 6A and the second metal particles 6B included in the Pb-free solder 6 shown in FIG. 3 will be described in detail. The average particle diameter of the first metal particles 6A is not particularly specified, but in the present embodiment, the average particle diameter of the first metal particles 6A (D50, the same applies hereinafter) is about 30 μm, more specifically from 25 μm. The range is 36 μm. This is a size that can accommodate the printing of the solder paste when the chip-type electronic component has a size of 0603M (0.6 mm × 0.3 mm).

さらに小さいチップ型電子部品又はより大きいチップ型電子部品を実装する場合は、前記範囲に対して第1金属粒子6Aの平均粒子径を小さくしたり、大きくしたりすることが好ましい。例えば、0603Mよりも小さいチップ型電子部品に対しては、第1金属粒子6Aの平均粒子径を15μmから25μm(平均粒子径20μm程度)の範囲としたり、0603Mよりも大きいチップ型電子部品に対しては、第1金属粒子6Aの平均粒子径を25μmから45μm(平均粒子径35μm程度)の範囲としたりすることができる。なお、第1金属粒子6Aの平均粒子径が小さくなるにしたがって第1金属粒子6Aの表面積は大きくなる。その結果、第1金属粒子6Aは酸化しやすくなる傾向があるので、はんだペーストの印刷が可能な範囲で、第1金属粒子6Aの平均粒子径をできる限り大きくすることが好ましい。   When mounting a smaller chip-type electronic component or a larger chip-type electronic component, it is preferable to reduce or increase the average particle diameter of the first metal particles 6A with respect to the above range. For example, for a chip-type electronic component smaller than 0603M, the average particle diameter of the first metal particles 6A is in the range of 15 μm to 25 μm (average particle diameter of about 20 μm), or for a chip-type electronic component larger than 0603M. Thus, the average particle diameter of the first metal particles 6A can be in the range of 25 μm to 45 μm (average particle diameter of about 35 μm). Note that the surface area of the first metal particle 6A increases as the average particle diameter of the first metal particle 6A decreases. As a result, since the first metal particles 6A tend to be oxidized, it is preferable to increase the average particle diameter of the first metal particles 6A as much as possible within a range where the solder paste can be printed.

次に、Pbフリーはんだ6に含まれる第2金属粒子6Bの被覆層6BSが接合強度、耐熱性及びぬれ性に与える影響を説明する。図4、図5に示すコア粒子6BCの表面と接する被覆層6BS、6BSaは、厚みRs、Rsaが0.05μm以上2μm以下であることが好ましい。コア粒子6BCの表面に設けられる被覆層6BS、6BSaの厚みRs、Rsaを前記範囲とすることで、Pbフリーはんだ6が溶融したときのぬれ性を確保しつつ、接合金属10の耐熱性を向上、すなわち、再度のリフローにおける溶融(再溶融)を抑制できる。   Next, the effect of the coating layer 6BS of the second metal particles 6B included in the Pb-free solder 6 on the bonding strength, heat resistance, and wettability will be described. The covering layers 6BS and 6BSa in contact with the surface of the core particle 6BC shown in FIGS. 4 and 5 preferably have thicknesses Rs and Rsa of 0.05 μm or more and 2 μm or less. By setting the thicknesses Rs and Rsa of the coating layers 6BS and 6BSa provided on the surface of the core particle 6BC within the above range, the heat resistance of the bonding metal 10 is improved while ensuring the wettability when the Pb-free solder 6 is melted. That is, melting (remelting) in reflow can be suppressed.

図5に示すように、第2金属粒子6Bが複数の被覆層6BSa、6BSbを有する場合、最内の被覆層6BSa、すなわち、コア粒子6BCの表面と接する被覆層6BSa以外の被覆層6BSbのすべての厚み(図5に示す例ではRsb)は0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。このようにすれば、Pbフリーはんだ6が溶融したときのぬれ性を確保しつつ、接合金属10の耐熱性を向上、すなわち、再度のリフローにおける溶融(再溶融)を抑制できる。   As shown in FIG. 5, when the second metal particle 6B has a plurality of coating layers 6BSa and 6BSb, all of the coating layers 6BSa other than the innermost coating layer 6BSa, that is, the coating layer 6BSa in contact with the surface of the core particle 6BC. The thickness (Rsb in the example shown in FIG. 5) is preferably 0.05 μm or more and 5 μm or less. In this way, it is possible to improve the heat resistance of the bonding metal 10 while ensuring the wettability when the Pb-free solder 6 is melted, that is, to suppress melting (remelting) in reflow.

また、第2金属粒子6Bが複数の被覆層6BSa、6BSbを有する場合、最内の被覆層6BSaはCuを主成分とすることが好ましい。このようにすることで、溶融中のPbフリーはんだ6は、コア粒子6BCの表面にCuとSnとの合金、より具体的にはCuSnの層が形成されて、NiとSn相との反応が抑制される。その結果、接合金属10は、Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織を有することになるので、接合強度及び耐熱性が向上する。第2金属粒子6Bが複数の被覆層6BSa、6BSbを有する場合、最外の被覆層(図5に示す例では被覆層6BSb)は、Snを主成分とすることが好ましい。このようにすると、Pbフリーはんだ6が溶融したときには、第1金属粒子6AからのSnと第2金属粒子6Bとのなじみが向上するので、接合金属10のSn相にNi−Fe合金が分散しやすくなる。 Moreover, when the 2nd metal particle 6B has several coating layer 6BSa, 6BSb, it is preferable that innermost coating layer 6BSa has Cu as a main component. By doing so, the molten Pb-free solder 6 is formed with an alloy of Cu and Sn, more specifically, a layer of Cu 6 Sn 5 on the surface of the core particle 6BC. Reaction is suppressed. As a result, the bonding metal 10 has a structure in which a Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase, so that the bonding strength and heat resistance are improved. When the second metal particle 6B has a plurality of coating layers 6BSa and 6BSb, the outermost coating layer (the coating layer 6BSb in the example shown in FIG. 5) preferably contains Sn as a main component. In this way, when the Pb-free solder 6 is melted, the familiarity between the Sn from the first metal particles 6A and the second metal particles 6B is improved, so that the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase of the bonding metal 10. It becomes easy.

また、Snを主成分とする被覆層がコア粒子6BCと接していると、Pbフリーはんだ6が溶融したときには、第1金属粒子6AからのSnと第2金属粒子6Bの被覆層6BSとが溶融することにより、溶融したSnとコア粒子6BCとが接することになる。NiがSnに拡散する速度は速いため、溶融したSnとコア粒子6BCとが接すると、コア粒子6BC中のNiがSnに拡散して反応する結果、接合金属10のSn相にNi−Fe合金が分散した組織が形成されないことがある。このため、Snを主成分とする被覆層は、コア粒子6BCの表面と接しないことが好ましい。このようにすれば、Sn相にNi−Fe合金が分散した組織を有する接合金属10を得ることができる。また、Snを主成分とする被覆層を最外とすることで、当該被覆層よりも内側の被覆層の酸化を抑制できる。その結果、Pbフリーはんだ6が溶融したときのぬれ性を確保しつつ、Sn相へNi−Fe合金を均一に分散させることができるので、接合金属10の耐熱性及び接合強度を向上させることができる。   Further, when the coating layer containing Sn as a main component is in contact with the core particle 6BC, when the Pb-free solder 6 is melted, the Sn from the first metal particle 6A and the coating layer 6BS of the second metal particle 6B are melted. As a result, the melted Sn and the core particle 6BC come into contact with each other. Since the rate at which Ni diffuses into Sn is high, when molten Sn and the core particle 6BC come into contact with each other, Ni in the core particle 6BC diffuses into the Sn and reacts. In some cases, a dispersed structure may not be formed. For this reason, it is preferable that the coating layer which has Sn as a main component does not contact | connect the surface of the core particle 6BC. By doing so, it is possible to obtain the bonding metal 10 having a structure in which the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase. Moreover, the oxidation of the coating layer inside the said coating layer can be suppressed by making the coating layer which has Sn as a main component into the outermost part. As a result, the Ni—Fe alloy can be uniformly dispersed in the Sn phase while ensuring wettability when the Pb-free solder 6 is melted, so that the heat resistance and bonding strength of the bonding metal 10 can be improved. it can.

次に、第2金属粒子6Bのコア粒子6BCについて説明する。上述したように、コア粒子6BCは、Ni−Fe合金を主成分とする。コア粒子6BCの平均粒子径(D50、以下同様)が大きくなるにしたがって、Pbフリーはんだ6が溶融して硬化した後における融点の上昇が小さくなる傾向がある。このため、再度のリフローにおける不具合の発生が予想される。また、コア粒子6BCの平均粒子径が小さくなると、接合強度が低下する傾向がある。本実施形態において、コア粒子6BCの平均粒子径は、10μm以上30μm以下が好ましい。このような範囲のコア粒子6BCを用いれば、接合金属10の接合強度及び耐熱性を向上させることができる。   Next, the core particle 6BC of the second metal particle 6B will be described. As described above, the core particle 6BC has a Ni—Fe alloy as a main component. As the average particle size (D50, the same applies hereinafter) of the core particle 6BC increases, the melting point rises after the Pb-free solder 6 melts and hardens. For this reason, the occurrence of a problem in reflow is expected. Moreover, when the average particle diameter of the core particle 6BC becomes small, there exists a tendency for joining strength to fall. In the present embodiment, the average particle diameter of the core particles 6BC is preferably 10 μm or more and 30 μm or less. If the core particle 6BC in such a range is used, the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 can be improved.

次に、Pbフリーはんだ6の全質量(第1金属粒子6Aの質量と第2金属粒子6Bの質量との和)に対するNi−Fe合金の割合(添加割合)の影響を説明する。Pbフリーはんだ6は、第1金属粒子6Aと被覆層6BSを有さない第2金属粒子6Bとを組み合わせた場合、Ni−Fe合金の添加割合が小さくなると、接合金属10の接合強度及び耐熱性が向上しないおそれがある。このため、本実施形態では、Ni−Fe合金の添加割合を5質量%以上とし、接合強度及び耐熱性を確保する。   Next, the influence of the ratio (addition ratio) of the Ni—Fe alloy to the total mass of the Pb-free solder 6 (the sum of the mass of the first metal particles 6A and the mass of the second metal particles 6B) will be described. When the Pb-free solder 6 is combined with the first metal particles 6A and the second metal particles 6B not having the coating layer 6BS, the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 are reduced when the addition ratio of the Ni—Fe alloy is reduced. May not improve. For this reason, in this embodiment, the addition rate of a Ni-Fe alloy shall be 5 mass% or more, and joining strength and heat resistance are ensured.

また、Ni−Fe合金の添加割合が大きくなるほど、溶融時におけるぬれ性は低下する。そして、Ni−Fe合金の添加割合が35質量%を越えるとぬれ性が低下して、リフロー時における電子部品2のセルフアライメント効果が低下するおそれがある。このぬれ性の低下について簡単に説明する。   Moreover, the wettability at the time of melting falls, so that the addition ratio of a Ni-Fe alloy becomes large. And when the addition ratio of a Ni-Fe alloy exceeds 35 mass%, wettability will fall and there exists a possibility that the self-alignment effect of the electronic component 2 at the time of reflow may fall. This decrease in wettability will be briefly described.

図8は、第1金属粒子と被覆層を有さない第2金属粒子とを組み合わせたPbフリーはんだの概念図である。図9−1〜図9−3は、リフローの過程を示す模式図である。図10は、リフロー時における温度の時間に対する変化の一例を示す模式図である。図8に示すPbフリーはんだ106は、Snを主成分とする第1金属粒子106AとNi−Fe合金を主成分とする第2金属粒子106Bとを組み合わせ、これらとフラックスPEとを混ぜ合わせたものである。図9−1に示すように、第1金属粒子106Aと第2金属粒子106Bとを有するPbフリーはんだ106を、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとの間に設けた上で加熱する。すると、図9−2に示すように、加熱の進行とともにPbフリーはんだ106が溶融して溶融金属106Lとなった後、硬化することにより、図9−3に示すように電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとが接合される。   FIG. 8 is a conceptual diagram of Pb-free solder in which the first metal particles and the second metal particles having no coating layer are combined. FIGS. 9A to 9C are schematic diagrams illustrating a reflow process. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a change in temperature with respect to time during reflow. The Pb-free solder 106 shown in FIG. 8 is a combination of the first metal particles 106A mainly composed of Sn and the second metal particles 106B mainly composed of a Ni—Fe alloy and mixed with flux PE. It is. As shown in FIG. 9A, a Pb-free solder 106 having first metal particles 106A and second metal particles 106B is provided between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3. Heat on. Then, as shown in FIG. 9-2, as the Pb-free solder 106 is melted and becomes a molten metal 106L as the heating proceeds, the terminal electrode of the electronic component 2 is cured as shown in FIG. 2T and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 are joined.

リフロー時の温度変化は、例えば、図10に示すように、時間がt1、t2、t3、t4、t5と変化するにしたがって、温度(リフロー炉内の温度)θは、θ1からθ2、θ3、θ4、θ5、θ4と変化する。温度θ4は、Pbフリーはんだが溶融を開始する温度であり、温度θ5はリフロー時の最高温度である。時間t4において温度がθ4になると、Pbフリーはんだ106は溶融して、図9−2に示す溶融金属106Lとなる。溶融金属106Lは、電子部品2の端子電極2Tへ広がっていこうとする。このとき、Pbフリーはんだ106中の第2金属粒子106Bは、溶融したSnと表面が接する。第2金属粒子106Bは、Ni−Fe合金を主成分とするため、溶融したSnと接すると、NiがSnに拡散して合金を作る。NiがSnと合金を作り始めると、溶融金属106Lの粘度が上昇する。NiのSnへの拡散速度は速いため、溶融金属106Lが端子電極2Tへ広がる前に、溶融金属106Lの粘度上昇が始まってしまう。   For example, as shown in FIG. 10, the temperature change at the time of reflow is such that the temperature (temperature in the reflow furnace) θ changes from θ1 to θ2, θ3, as time changes to t1, t2, t3, t4, and t5. It changes as θ4, θ5, and θ4. The temperature θ4 is a temperature at which the Pb-free solder starts to melt, and the temperature θ5 is the maximum temperature during reflow. When the temperature becomes θ4 at time t4, the Pb-free solder 106 is melted to become a molten metal 106L shown in FIG. 9-2. The molten metal 106L attempts to spread to the terminal electrode 2T of the electronic component 2. At this time, the surface of the second metal particles 106B in the Pb-free solder 106 is in contact with the molten Sn. Since the second metal particle 106B has a Ni—Fe alloy as a main component, when it contacts with molten Sn, Ni diffuses into Sn to form an alloy. When Ni begins to form an alloy with Sn, the viscosity of the molten metal 106L increases. Since the diffusion rate of Ni into Sn is fast, the viscosity of the molten metal 106L starts to increase before the molten metal 106L spreads to the terminal electrode 2T.

その結果、溶融金属106Lの端子電極2Tへのぬれ広がりが少なくなる(ぬれ性の低下)。そして、溶融金属106Lが硬化すると、図9−3に示すように、電子部品2の端子電極2Tに対して、接合金属110によるフィレットFの形成が不十分となる。また、溶融金属106Lに内在したガスHは溶融金属106Lの外へ抜けにくくなるので、図9−3に示すように、溶融金属106Lが硬化して得られた接合金属110にボイドHaが形成されてしまう。さらに、溶融金属106Lのぬれ性が低下することにより、電子部品2のセルフアライメント機能が低下してしまう。   As a result, the wetting spread of the molten metal 106L to the terminal electrode 2T is reduced (decreasing wettability). When the molten metal 106L is cured, the fillet F is not sufficiently formed by the bonding metal 110 with respect to the terminal electrode 2T of the electronic component 2 as shown in FIG. Further, since the gas H existing in the molten metal 106L is difficult to escape to the outside of the molten metal 106L, as shown in FIG. 9-3, a void Ha is formed in the bonding metal 110 obtained by curing the molten metal 106L. End up. Furthermore, when the wettability of the molten metal 106L decreases, the self-alignment function of the electronic component 2 decreases.

図11−1〜図11−3は、本実施形態に係るPbフリーはんだを用いた場合におけるリフローの過程を示す模式図である。図11−1に示すように、Snを主成分とする第1金属粒子6AとNi−Fe合金を主成分とするコア粒子の表面に被覆層を有する第2金属粒子6Bとを有するPbフリーはんだ6を、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとの間に設けた上で加熱する。すると、図11−2に示すように、加熱の進行とともにPbフリーはんだ6が溶融して溶融金属6Lとなった後、硬化することにより、図11−3に示すように電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとが接合される。   FIGS. 11A to 11C are schematic diagrams illustrating a reflow process when the Pb-free solder according to the present embodiment is used. As shown in FIG. 11A, a Pb-free solder having first metal particles 6A mainly containing Sn and second metal particles 6B having a coating layer on the surface of core particles mainly containing Ni-Fe alloy. 6 is provided between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3, and then heated. Then, as shown in FIG. 11-2, as the Pb-free solder 6 is melted to become a molten metal 6L as the heating proceeds, the terminal electrode of the electronic component 2 is cured as shown in FIG. 2T and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 are joined.

図11−2に示す溶融金属6Lは、電子部品2の端子電極2Tへ広がっていこうとする。このとき、Pbフリーはんだ6中の第2金属粒子6Bは、Snと合金を作る金属を主成分とした被覆層6BSが、溶融したSnと接する。このため、第2金属粒子6Bは、NiのSnへの拡散が抑制されるので、溶融金属6Lの粘度上昇が抑制されて、溶融金属6Lは端子電極2Tへ広がっていく。このように、Pbフリーはんだ6は、第2金属粒子6Bが有する被覆層6BSによって、溶融したときにおけるぬれ性の低下が抑制される。その結果、溶融金属6Lが硬化すると、図11−3に示すように、電子部品2の端子電極2Tに対して、接合金属10によるフィレットFが形成される。また、溶融金属6Lに内在したガスHは、溶融金属6Lの粘度上昇が抑制される結果、溶融金属6Lの外へ抜けるので、図11−3に示すように、溶融金属6Lが硬化して得られた接合金属10には、ボイドがほとんど形成されない。さらに、溶融金属6Lのぬれ性の低下が抑制されるので、電子部品2のセルフアライメント機能が維持される。   The molten metal 6L shown in FIG. 11B tends to spread to the terminal electrode 2T of the electronic component 2. At this time, in the second metal particles 6B in the Pb-free solder 6, the coating layer 6BS mainly composed of a metal that forms an alloy with Sn is in contact with the molten Sn. For this reason, since the diffusion of Ni into Sn is suppressed in the second metal particles 6B, the increase in the viscosity of the molten metal 6L is suppressed, and the molten metal 6L spreads to the terminal electrode 2T. As described above, the Pb-free solder 6 is prevented from being deteriorated in wettability when melted by the coating layer 6BS of the second metal particle 6B. As a result, when the molten metal 6L is cured, a fillet F made of the bonding metal 10 is formed on the terminal electrode 2T of the electronic component 2 as shown in FIG. Further, since the gas H existing in the molten metal 6L escapes from the molten metal 6L as a result of suppressing the increase in the viscosity of the molten metal 6L, the molten metal 6L is obtained by curing as shown in FIG. Voids are hardly formed in the bonded metal 10 formed. Furthermore, since the deterioration of the wettability of the molten metal 6L is suppressed, the self-alignment function of the electronic component 2 is maintained.

これらの作用により、Pbフリーはんだ6を用いて電子部品2を回路基板3に実装した場合には、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとが接合金属10によって確実に接合されるので、信頼性が向上する。また、リフローの過程において、電子部品2のセルフアライメント機能が発揮されるので、回路基板3に実装された電子部品2の位置精度も向上する。   By these actions, when the electronic component 2 is mounted on the circuit board 3 using the Pb-free solder 6, the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 are securely bonded by the bonding metal 10. Therefore, reliability is improved. In addition, since the self-alignment function of the electronic component 2 is exhibited in the reflow process, the positional accuracy of the electronic component 2 mounted on the circuit board 3 is also improved.

このように、Pbフリーはんだ6は、コア粒子6BCの表面を被覆層6BSで覆うので、Ni−Fe合金の添加割合が大きくなっても、溶融時におけるぬれ性の低下が抑制される。このため、接合金属10の接合強度及び耐熱性を向上させるために、Ni−Fe合金の添加割合を30質量%程度に増加させても、Pbフリーはんだ6は十分なぬれ性が確保される。したがって、本実施形態では、Pbフリーはんだ6において、Ni−Fe合金の添加割合を5質量%以上30質量%以下とし、Pbフリーはんだ6の十分なぬれ性を確保した上で、接合強度及び耐熱性を向上させる。   Thus, since the Pb-free solder 6 covers the surface of the core particle 6BC with the coating layer 6BS, even when the addition ratio of the Ni—Fe alloy is increased, a decrease in wettability during melting is suppressed. For this reason, in order to improve the joining strength and heat resistance of the joining metal 10, even if the addition ratio of the Ni—Fe alloy is increased to about 30% by mass, the Pb-free solder 6 is ensured to have sufficient wettability. Therefore, in the present embodiment, in the Pb-free solder 6, the addition ratio of the Ni—Fe alloy is set to 5% by mass or more and 30% by mass or less, and sufficient wettability of the Pb-free solder 6 is ensured, and the joint strength and heat resistance are increased. Improve sexiness.

このPbフリーはんだ6を用いて回路基板3に電子部品2を実装する場合は、上述したように適切なセルフアライメント効果が得られる。このため、電子部品2の位置決めができる。また、接合金属10も、接合強度及び耐熱性も向上する。このため、Pbフリーはんだ6を用いて製造された電子回路モジュール部品1を再度リフローした場合でも、接合金属10の溶融は抑制される。その結果、電子回路モジュール部品1内におけるはんだフラッシュやはんだの移動が発生するおそれを低減できる。そして、Pbフリーはんだ6を用いた電子回路モジュール部品1は、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3Tとの接合不良等が発生するおそれを低減できるので、歩留及び信頼性が向上する。このように、Pbフリーはんだ6は、電子回路モジュール部品1に搭載される電子部品2の実装に好適である。   When the electronic component 2 is mounted on the circuit board 3 using the Pb-free solder 6, an appropriate self-alignment effect can be obtained as described above. For this reason, the electronic component 2 can be positioned. Further, the bonding metal 10 also improves the bonding strength and heat resistance. For this reason, even when the electronic circuit module component 1 manufactured using the Pb-free solder 6 is reflowed again, melting of the bonding metal 10 is suppressed. As a result, it is possible to reduce the possibility of solder flash and solder movement in the electronic circuit module component 1. Since the electronic circuit module component 1 using the Pb-free solder 6 can reduce the risk of a bonding failure between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3, etc., yield and reliability Will improve. As described above, the Pb-free solder 6 is suitable for mounting the electronic component 2 mounted on the electronic circuit module component 1.

また、Pbフリーはんだ6は、一旦溶融して硬化した後は融点が上昇するため、耐熱性が要求される部分の接合等にも有効である。この場合、Pbフリーはんだ6が最初に溶融するときの温度は、Sn系(Snを基材とするはんだであり、例えば、Sn−3.5%Agはんだ等)のはんだと同等(220℃程度)なので、接合時における作業性は、Sn系のはんだを用いた場合と同等である。   Further, since the melting point of the Pb-free solder 6 increases once it has been melted and cured, it is also effective for joining parts that require heat resistance. In this case, the temperature at which the Pb-free solder 6 is first melted is the same as that of Sn-based (Sn-based solder, for example, Sn-3.5% Ag solder) (about 220 ° C.). Therefore, the workability at the time of joining is equivalent to that when Sn-based solder is used.

第2金属粒子6Bのコア粒子6BCに含まれる酸素量をパラメータとして、Pbフリーはんだ6を溶融させた。その結果、コア粒子6BCに含まれる酸素の割合が1.5質量%を超えると、コア粒子6BCの表面および/または被覆層6BSの表面に酸化膜が形成され、Pbフリーはんだ6の溶融時に、Pbフリーはんだ6から第2金属粒子6Bが分離してしまった。このため、コア粒子6BCに含まれる酸素は、1.5質量%以下とすることが好ましい。分離を防ぐためには、酸素量はより少ないことが好ましく、この範囲とすることによって、接合金属10にNi−Feの第1金属相11を存在させて、接合強度及び耐熱性を向上させることができる。   The Pb-free solder 6 was melted using the amount of oxygen contained in the core particle 6BC of the second metal particle 6B as a parameter. As a result, when the ratio of oxygen contained in the core particle 6BC exceeds 1.5% by mass, an oxide film is formed on the surface of the core particle 6BC and / or the surface of the coating layer 6BS, and when the Pb-free solder 6 is melted, The second metal particles 6B were separated from the Pb-free solder 6. For this reason, it is preferable that the oxygen contained in core particle 6BC shall be 1.5 mass% or less. In order to prevent the separation, it is preferable that the amount of oxygen is smaller. By setting the amount in this range, the first metal phase 11 of Ni—Fe is present in the bonding metal 10 to improve the bonding strength and heat resistance. it can.

第2金属粒子6Bに占めるFeの割合は、8質量%以上あれば溶融後硬化したPbフリーはんだ6の融点の上昇が認められる。前記割合が5質量%以上であれば、溶融後硬化したPbフリーはんだ6の融点は、最初の溶融温度よりも高くなる。一方、16質量%を超えると、コストアップや、偏析、流動性の劣化といった恐れが出てくる一方で、添加量増分ほどには溶融温度上昇の効果は見込めない。したがって、第2金属粒子6Bに占めるFeの割合は、5質量%以上16質量%以下が好ましく、8質量%以上16質量%以下がより好ましい。   When the proportion of Fe in the second metal particles 6B is 8% by mass or more, an increase in the melting point of the Pb-free solder 6 cured after melting is observed. If the ratio is 5% by mass or more, the melting point of the Pb-free solder 6 cured after melting becomes higher than the initial melting temperature. On the other hand, if it exceeds 16% by mass, there is a risk of cost increase, segregation, and deterioration of fluidity, but the effect of increasing the melting temperature cannot be expected as the addition amount is increased. Therefore, the proportion of Fe in the second metal particles 6B is preferably 5% by mass to 16% by mass, and more preferably 8% by mass to 16% by mass.

第2金属粒子6Bのコア粒子6BCの粉末は、例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等の金属粉末製造方法によって作製される。その後、めっきやスパッタリング等によりコア粒子6BCの表面に被覆層6BSを形成する。第2金属粒子6Bの表面が酸化した状態で第1金属粒子6Aと組み合わされ、Pbフリーはんだ6とされた場合、Pbフリーはんだ6が溶融した状態においては、酸化膜の影響により第2金属粒子6Bの粉末が、硬化したPbフリーはんだ6の表面に集まってしまう。その結果、第1金属粒子6AからのSn相と第2金属粒子6Bの被覆層6BSからのSnと合金を作る金属との反応が促進されず、Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織の接合金属10が得られないおそれが高くなる。   The powder of the core particle 6BC of the 2nd metal particle 6B is produced by metal powder manufacturing methods, such as a water atomizing method and a gas atomizing method, for example. Thereafter, a coating layer 6BS is formed on the surface of the core particle 6BC by plating or sputtering. When the surface of the second metal particle 6B is oxidized and combined with the first metal particle 6A to form Pb-free solder 6, in the state where the Pb-free solder 6 is melted, the second metal particle is affected by the oxide film. The 6B powder collects on the surface of the cured Pb-free solder 6. As a result, the reaction between the Sn phase from the first metal particle 6A and the Sn metal from the coating layer 6BS of the second metal particle 6B and the metal forming the alloy is not promoted, and the Ni-Fe alloy is dispersed in the Sn phase. There is a high possibility that the bonding metal 10 is not obtained.

したがって、第2金属粒子6Bの製造過程において第2金属粒子6Bが酸化した場合、例えば、水素雰囲気中でこれを還元してから、第1金属粒子6Aと組み合わせる。このようにすることで、Pbフリーはんだ6は、最初の溶融中において、第1金属粒子6AからのSn相と第2金属粒子6Bの被覆層6BSからのSnと合金を作る金属との反応が促進される。その結果、Sn相にNi−Fe合金を分散させた組織の接合金属10が得られるので、接合金属10の接合強度及び耐熱性が向上する。   Therefore, when the second metal particle 6B is oxidized in the manufacturing process of the second metal particle 6B, for example, it is reduced in a hydrogen atmosphere and then combined with the first metal particle 6A. By doing so, the Pb-free solder 6 undergoes a reaction between the Sn phase from the first metal particles 6A and Sn from the coating layer 6BS of the second metal particles 6B and the metal forming the alloy during the first melting. Promoted. As a result, the bonding metal 10 having a structure in which the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase is obtained, so that the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 are improved.

コア粒子6BCを作製した後、例えば真空蒸着法、電気めっき法、無電解めっき法、バレルスパッタ法などによって、コア粒子6BCの表面に被覆層6BSを形成する。被覆層6BSを多層とする場合には、これらの方法を組み合わせて行ってもよい。例えば、電気めっき法は以下のようにして行われる。   After the core particle 6BC is produced, the coating layer 6BS is formed on the surface of the core particle 6BC by, for example, vacuum deposition, electroplating, electroless plating, barrel sputtering, or the like. When the coating layer 6BS is a multilayer, these methods may be combined. For example, the electroplating method is performed as follows.

(Cu被覆層の形成)所定の平均粒子径を有するNi−Feコア粒子に、めっきに先立ち脱塩処理を行う。次いで有機添加剤等を含む硫酸銅めっき浴槽中で、不溶性アノード電極を用い、Ni−Feコア粒子をカソードとして、電気めっきによりCu被覆層の形成をおこなう。Ni−Feコア粒子を、絶縁体の撹拌用ボールとともに絶縁体のケースに収容する。ケースは、めっき浴に対して不溶性であり、めっき液が置換できる構造(例えばかご)である。ケースを振動させることによって収容したNi−Feコア粒子を撹拌し、めっき液のエアバブリングを行いながら、Ni−Feコア粒子へまんべんなく被覆層が形成されるようにして電気めっきを行う。   (Formation of Cu coating layer) Desalting treatment is performed on Ni-Fe core particles having a predetermined average particle diameter prior to plating. Next, in a copper sulfate plating bath containing an organic additive or the like, a Cu coating layer is formed by electroplating using an insoluble anode electrode and Ni-Fe core particles as a cathode. Ni-Fe core particles are accommodated in an insulator case together with an insulator stirring ball. The case is insoluble in the plating bath and has a structure (for example, a cage) that can replace the plating solution. The Ni—Fe core particles accommodated by vibrating the case are stirred, and electroplating is performed so that a coating layer is uniformly formed on the Ni—Fe core particles while performing air bubbling of the plating solution.

(Sn被覆層の形成)CuとSnとの2層の被覆層を形成させるには、Cu被覆が形成されたNi−Fe粒子に対して錫めっきを行えばよい。上述した電気めっき法において、硫酸銅めっき浴槽に変えて錫めっき浴槽を用いることにより、Snの被覆層が形成される。   (Formation of Sn coating layer) In order to form two coating layers of Cu and Sn, tin plating may be performed on Ni-Fe particles on which Cu coating is formed. In the electroplating method described above, an Sn coating layer is formed by using a tin plating bath instead of the copper sulfate plating bath.

(評価例)
本実施形態に係るPbフリーはんだ6及び比較例に係るPbフリーはんだについて、溶融したPbフリーはんだのぬれ性、溶融後硬化して得られた接合金属の接合強度及び耐熱性を評価した。
(Evaluation example)
For the Pb-free solder 6 according to the present embodiment and the Pb-free solder according to the comparative example, the wettability of the molten Pb-free solder, the bonding strength and the heat resistance of the bonding metal obtained by curing after melting were evaluated.

図12は、Pbフリーはんだのぬれ性を評価する際の説明図である。溶融したPbフリーはんだのぬれ性は、電子部品2の端子電極2Tと回路基板3の端子電極3TとをPbフリーはんだで接合した際におけるフィレットFの高さ(ぬれ上がり高さ)hfで評価した。なお、本評価で使用した電子部品2は、寸法が2012Mである。溶融したPbフリーはんだのぬれ性が高い場合、前記Pbフリーはんだは電子部品2の端子電極2Tに広がりやすくなる。このため、フィレットFのぬれ上がり高さhfが大きい程、Pbフリーはんだのぬれ性は高いと判断できる。   FIG. 12 is an explanatory diagram for evaluating the wettability of Pb-free solder. The wettability of the molten Pb-free solder was evaluated by the height (wetting height) hf of the fillet F when the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the terminal electrode 3T of the circuit board 3 were joined by Pb-free solder. . The electronic component 2 used in this evaluation has a dimension of 2012M. When the wettability of the molten Pb-free solder is high, the Pb-free solder tends to spread to the terminal electrode 2T of the electronic component 2. For this reason, it can be determined that the wettability of the Pb-free solder is higher as the wetting height hf of the fillet F is larger.

ぬれ上がり高さhfは、回路基板3の端子電極3Tの表面から電子部品2の端子電極2TとフィレットFとの境界(ぬれ上がり端部)までの距離である。回路基板3の端子電極3Tからぬれ上がり端部までの距離を測定することが難しい場合、回路基板3の表面3PからフィレットFのぬれ上がり端部までの距離を測定して端子電極3Tの厚みttを減算してぬれ上がり高さhfを求めてもよい。ぬれ性は、ぬれ上がり高さhfが電子部品2の端子電極2Tの高さhcの70%以上を◎、50%以上70%未満を○、30%以上50%未満を△、30%未満を×とした。   The wetting height hf is the distance from the surface of the terminal electrode 3T of the circuit board 3 to the boundary (wetting end portion) between the terminal electrode 2T of the electronic component 2 and the fillet F. When it is difficult to measure the distance from the terminal electrode 3T of the circuit board 3 to the wet end, the distance tt of the terminal electrode 3T is measured by measuring the distance from the surface 3P of the circuit board 3 to the wet end of the fillet F. May be subtracted to obtain the wetting height hf. As for wettability, the wetting height hf is 70% or more of the height hc of the terminal electrode 2T of the electronic component 2, 50% or more but less than 70% ○, 30% or more but less than 50% △, less than 30% X.

図13は、Pbフリーはんだが溶融して硬化して得られた接合金属の接合強度を評価する際の説明図である。接合金属の強度は、シェア(せん断)試験により評価した。シェア(せん断)試験では、溶融後硬化したPbフリーはんだに対してせん断応力を負荷した。シェア試験は、図13に示すように、基板70の電極71にPbフリーはんだと電子部品2(寸法は0603M)とを乗せて溶融させ、電極71の表面で電子部品2と接合している試験片(硬化したPbフリーはんだ)72を対象とした。試験片72を有する基板70は、試験装置のテーブル73に取り付けられる。この状態で、テーブル73がシェアツール74に向かって移動する。このとき、テーブル73は、電子部品2の長手方向と直交する方向に移動するので、シェアツール74は、電子部品2の長手方向と直交する方向から電子部品2に衝突する。そして、試験片72がシェアツール74で破壊されるときの破断の様子を観察し、これによって接合強度を評価した。シェア試験には、ハイスピードボンドテスター(Dage社、Dage−4000HS)を用いた。試験速度Vは0.1mm/secとした。接合強度は、強度試験の破壊箇所で判断した。図13において、硬化した試験片72内で破壊せずに基板70又は電子部品2で破壊した場合には試験片72の強度は十分が高いとして◎、電極71と基板70との界面で破壊した場合には試験片72の強度は高いとして○、電子部品2の端子電極2Tとの界面近傍で破壊した場合には△、接合部のはんだ組織で破壊した場合には試験片72の強度が十分高くないとして×とした。   FIG. 13 is an explanatory diagram for evaluating the joint strength of the joint metal obtained by melting and hardening the Pb-free solder. The strength of the bonding metal was evaluated by a shear (shear) test. In the shear (shear) test, a shear stress was applied to the Pb-free solder cured after melting. In the shear test, as shown in FIG. 13, Pb-free solder and electronic component 2 (size 0603M) are put on the electrode 71 of the substrate 70 and melted, and the surface of the electrode 71 is joined to the electronic component 2. A piece (cured Pb-free solder) 72 was targeted. A substrate 70 having a test piece 72 is attached to a table 73 of a test apparatus. In this state, the table 73 moves toward the share tool 74. At this time, since the table 73 moves in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the electronic component 2, the shear tool 74 collides with the electronic component 2 from a direction orthogonal to the longitudinal direction of the electronic component 2. And the state of a fracture | rupture when the test piece 72 was destroyed with the shear tool 74 was observed, and joint strength was evaluated by this. A high speed bond tester (Dage, Dage-4000HS) was used for the shear test. The test speed V was 0.1 mm / sec. The bonding strength was judged at the location where the strength test was broken. In FIG. 13, when the substrate 70 or the electronic component 2 is broken without being broken in the cured test piece 72, it is assumed that the strength of the test piece 72 is sufficiently high, and broken at the interface between the electrode 71 and the substrate 70. In this case, the strength of the test piece 72 is assumed to be high, Δ when the test piece 72 is broken near the interface with the terminal electrode 2T of the electronic component 2, and the strength of the test piece 72 is sufficient when the test piece 72 is broken at the solder structure of the joint. It was set as x because it was not high.

耐熱性は、最初に溶融したPbフリーはんだが硬化して得られた接合金属を加熱することにより評価した。耐熱性は、接合金属をリフロー時の温度(240℃〜260℃)で加熱した際の吸熱量に基づいて評価した。吸熱量は、熱流束示差走査熱量計((株)島津製作所 DSC−50)を用いて測定した。吸熱量の絶対値が0J/gであれば接合金属は溶融しない。吸熱量があると、接合金属は溶融することになるが、吸熱量の絶対値が25J/gから35J/gの範囲であれば、接合金属が溶融したとしても、再度のリフロー時において、電子回路部品モジュールの絶縁樹脂にクラックが発生したり、はんだフラッシュその他の欠陥が発生したりすることはない。このため、耐熱性は、吸熱量の絶対値が25J/gよりも小さい場合には接合金属が溶融しない(○)、吸熱量の絶対値が25J/g以上35J/g以下である場合には接合金属の溶融が少ない(△)、吸熱量の絶対値が35J/gよりも大きい場合には接合金属が溶融した(×)と判定した。   The heat resistance was evaluated by heating the joining metal obtained by curing the first molten Pb-free solder. The heat resistance was evaluated based on the endothermic amount when the bonding metal was heated at the reflow temperature (240 ° C. to 260 ° C.). The endothermic amount was measured using a heat flux differential scanning calorimeter (Shimadzu Corporation DSC-50). If the absolute value of the endothermic amount is 0 J / g, the bonding metal does not melt. If there is an endothermic amount, the joining metal will melt, but if the absolute value of the endothermic amount is in the range of 25 J / g to 35 J / g, even if the joining metal is melted, the electrons will be re-flowed during reflow. There will be no cracks or solder flash or other defects in the insulating resin of the circuit component module. For this reason, when the absolute value of the endothermic amount is less than 25 J / g, the joining metal does not melt (◯), and when the absolute value of the endothermic amount is 25 J / g or more and 35 J / g or less. When the melting of the joining metal was small (Δ) and the absolute value of the endothermic amount was larger than 35 J / g, it was determined that the joining metal was melted (x).

まず、図7に示す接合金属10の第1金属相11の代表寸法Ra及び第2金属相12の代表寸法Rbについての評価を説明する。評価結果を表1、表2に示す。ぬれ性が△以下である場合、又はぬれ性と接合強度との少なくとも一方が×である場合、総合評価は×とした。ぬれ性及び接合強度が○である場合、総合評価は○とした。ぬれ性が◎、又は接合強度が○以上である場合、総合評価は◎とした。総合評価は○以上を許容とした。   First, the evaluation of the representative dimension Ra of the first metal phase 11 and the representative dimension Rb of the second metal phase 12 of the bonding metal 10 shown in FIG. 7 will be described. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2. When the wettability is Δ or less, or when at least one of the wettability and the bonding strength is x, the comprehensive evaluation is x. When the wettability and the bonding strength were ○, the overall evaluation was ○. When the wettability was ◎ or the bonding strength was ◯ or more, the overall evaluation was ◎. The overall evaluation allowed a value of ○ or higher.

表1は、接合金属10の組織における第1金属相11の代表寸法Ra、第2金属相12の代表寸法Rb、代表寸法比率(Ra/Rb)及び第3金属相13の比率(体積%)を変化させた場合の結果である。表1の結果は、図3に示す第1金属粒子6Aと第2金属粒子6Bとを含むPbフリーはんだ6において、第1金属粒子6A及び第2金属粒子6Bの成分、比率及び第2金属粒子6Bの被覆層6BSの材料及び寸法を変更することにより得た。表2は、表1におけるPbフリーはんだ6の第1金属粒子6Aの組成及び平均粒子径(D50)を示し、表3は、表1におけるPbフリーはんだ6の第2金属粒子6Bの組成及び平均粒子径(D50)を示している。表4は、表1におけるPbフリーはんだ6の被覆層6BSを示している。表2の符号、表3の符号、表4の番号は、それぞれ表1における第1金属粒子の符号、第2金属粒子の符号、被覆処理の番号に対応する。本実施形態では、総合評価が○を基準とし、○以上を可とした。   Table 1 shows the representative dimension Ra of the first metal phase 11, the representative dimension Rb of the second metal phase 12, the representative dimension ratio (Ra / Rb), and the ratio (volume%) of the third metal phase 13 in the structure of the bonding metal 10. It is a result when changing. The results of Table 1 show that in the Pb-free solder 6 including the first metal particles 6A and the second metal particles 6B shown in FIG. 3, the components and ratios of the first metal particles 6A and the second metal particles 6B and the second metal particles It was obtained by changing the material and dimensions of the 6B coating layer 6BS. Table 2 shows the composition and average particle diameter (D50) of the first metal particles 6A of the Pb-free solder 6 in Table 1, and Table 3 shows the composition and average of the second metal particles 6B of the Pb-free solder 6 in Table 1. The particle diameter (D50) is shown. Table 4 shows the coating layer 6BS of the Pb-free solder 6 in Table 1. The numbers in Table 2, the numbers in Table 3, and the numbers in Table 4 correspond to the numbers of the first metal particles, the numbers of the second metal particles, and the numbers of the coating process in Table 1, respectively. In the present embodiment, the overall evaluation is based on “◯” and “OK” or more is acceptable.

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表1の結果から、Rb≦Raであり、かつ1≦代表寸法比率(Ra/Rb)≦75である場合(試料No.1〜4、6〜9、11)に、接合金属10の耐熱性及び接合強度及び溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性に優れることが分かった。なお、表1には記載していないが、第2金属相12の代表寸法Rbが2μmで第1金属相11の代表寸法Raが1μm〜2μmである場合、ぬれ性は◎であるが接合強度は×であり、総合評価は×であった。   From the results of Table 1, when Rb ≦ Ra and 1 ≦ representative dimension ratio (Ra / Rb) ≦ 75 (sample Nos. 1-4, 6-9, 11), the heat resistance of the bonding metal 10 It was also found that the joint strength and the wettability of the molten Pb-free solder 6 were excellent. Although not shown in Table 1, when the representative dimension Rb of the second metal phase 12 is 2 μm and the representative dimension Ra of the first metal phase 11 is 1 μm to 2 μm, the wettability is ◎, but the bonding strength Was x, and the overall evaluation was x.

第2金属相12の代表寸法が0.2μm以上5μm以下であれば(試料No.1〜4、6〜9、11)、接合金属10の耐熱性及び接合強度及び溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性に優れることが分かった。また、第1金属相11の代表寸法が3μm以上25μm以下であれば、(試料No.1〜4、6〜9、11)、接合金属10の耐熱性及び接合強度及び溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性に優れることが分かった。試料No.5は、第1金属相11の代表寸法が上記範囲であるが、接合金属10に占める第3金属相13の割合が低いため、総合評価が低下したと考えられる。   If the representative dimension of the second metal phase 12 is 0.2 μm or more and 5 μm or less (Sample Nos. 1-4, 6-9, 11), the heat resistance and bonding strength of the bonding metal 10 and the molten Pb-free solder 6 It was found that the wettability was excellent. If the representative dimensions of the first metal phase 11 are 3 μm or more and 25 μm or less (Sample Nos. 1-4, 6-9, 11), the heat resistance and bonding strength of the bonding metal 10 and the molten Pb-free solder 6 It was found to be excellent in wettability. Sample No. 5, the representative dimension of the first metal phase 11 is in the above range, but it is considered that the overall evaluation was lowered because the proportion of the third metal phase 13 in the bonding metal 10 was low.

Pbフリーはんだ6の第2金属粒子6Bに被覆層6BSがない場合(試料No.14、15、16)、接合金属10には第1金属相11と第2金属相12との少なくとも一方が存在しない。この場合、耐熱性、ぬれ性、接合強度の少なくとも一つが低下し、総合評価は×であった。これらの試料で接合強度及び耐熱性が低下するのは、接合金属10の組織に第1金属相11及び第1金属相11の周りを囲む第1金属相11よりも代表寸法の小さい第2金属相12が現れないからであると考えられる。   When the coating layer 6BS is not present on the second metal particles 6B of the Pb-free solder 6 (Sample Nos. 14, 15, and 16), at least one of the first metal phase 11 and the second metal phase 12 is present in the bonding metal 10 do not do. In this case, at least one of heat resistance, wettability, and bonding strength decreased, and the overall evaluation was x. The bonding strength and heat resistance of these samples are decreased because the second metal having a representative dimension smaller than that of the first metal phase 11 surrounding the first metal phase 11 and the first metal phase 11 in the structure of the bonding metal 10. This is probably because phase 12 does not appear.

Pbフリーはんだ6は、第2金属粒子6Bが被覆層6BSを有している場合、被覆層6BSを有していない場合と比較して、接合金属10の耐熱性、ぬれ性、接合強度は高くなる(試料No.1〜13)。表1に示す評価結果の範囲では、被覆層6BSは少なくとも1層存在すればよい。また、被覆層6Sの最外層は、SnであってもCuであってもよい(例えば、試料No.3、4、7、8、9)。表1に示す評価結果の範囲では、被覆層5BSの総厚みは、0.5μm以上6μm以下であれば、耐熱性、ぬれ性、接合強度は高くなることが分かった。   The Pb-free solder 6 has higher heat resistance, wettability, and bonding strength when the second metal particles 6B have the coating layer 6BS than when the second metal particles 6B do not have the coating layer 6BS. (Sample Nos. 1 to 13). In the range of the evaluation results shown in Table 1, it is sufficient that at least one coating layer 6BS exists. Further, the outermost layer of the coating layer 6S may be Sn or Cu (for example, Sample Nos. 3, 4, 7, 8, and 9). In the range of the evaluation results shown in Table 1, it was found that when the total thickness of the coating layer 5BS is 0.5 μm or more and 6 μm or less, the heat resistance, wettability, and bonding strength are increased.

次に、図6に示す接合金属10に占める第3金属相13の割合が与える影響を説明する。表1の結果から、第3金属相13は、接合金属10の全体積に対して、52体積%以上70体積%未満である場合(試料No.1〜4、6〜9、11)に、接合金属10の接合強度及び耐熱性及びPbフリーはんだ6のぬれ性に優れることが分かった。試料No.14は、第3金属相13が上述した範囲であるが、第2金属相12が存在しないため、耐熱性、接合強度、ぬれ性に劣ったと考えられる。また、試料No.13は、1≦代表寸法比率(Ra/Rb)≦75であるが、Pbフリーはんだ6の第2金属粒子6Bの割合が低いため、接合金属10中における第1金属相11の割合が低下したことが、総合評価が低くなった原因であると考えられる。次に、図3に示すPbフリーはんだ6の評価について説明する。   Next, the influence given by the proportion of the third metal phase 13 in the bonding metal 10 shown in FIG. 6 will be described. From the result of Table 1, when the 3rd metal phase 13 is 52 volume% or more and less than 70 volume% with respect to the whole volume of the joining metal 10, (sample No. 1-4, 6-9, 11), It was found that the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 and the wettability of the Pb-free solder 6 were excellent. Sample No. 14 is the range in which the third metal phase 13 is described above, but since the second metal phase 12 does not exist, it is considered that the heat resistance, the bonding strength, and the wettability were inferior. Sample No. 13 is 1 ≦ representative dimension ratio (Ra / Rb) ≦ 75, but the ratio of the first metal phase 11 in the bonding metal 10 is decreased because the ratio of the second metal particles 6B of the Pb-free solder 6 is low. This is considered to be the reason why the overall evaluation was lowered. Next, evaluation of the Pb-free solder 6 shown in FIG. 3 will be described.

図3に示すPbフリーはんだ6のコア粒子6BCの組成及び寸法、被覆層6BSの材料及び寸法を変化させて、溶融したPbフリーはんだ6のぬれ性及び得られた接合金属10の耐熱性を評価した。評価結果を表5に示す。また、コア粒子6BCの組成及び寸法の詳細を表6に示す。表6中のコア粒子A、C、Dは、表5中のコア粒子A、C、Dに対応する。コア粒子6BCの径(粒子径)は平均粒子径(D50)であり、被覆層6BSを設ける前に計測した。コア粒子6BCの平均粒子径(D50)は、レーザー回折式粒度分布測定装置((株)島津製作所製 SALD−2200)を用いて測定した。耐熱性が○かつぬれ性が◎の場合、総合評価は◎とした。耐熱性が○かつぬれ性が○の場合、総合評価は○とした。耐熱性が△以下かつぬれ性が○以上の場合、総合評価は△とした。耐熱性が△以下かつぬれ性が△以下の場合、総合評価は×とした。総合評価は△以上を許容とした。なお、試料No.50は、第2金属粒子が被覆層を有さないものである。   The composition and dimensions of the core particles 6BC of the Pb-free solder 6 shown in FIG. did. The evaluation results are shown in Table 5. Details of the composition and dimensions of the core particle 6BC are shown in Table 6. Core particles A, C, and D in Table 6 correspond to core particles A, C, and D in Table 5. The diameter (particle diameter) of the core particle 6BC is an average particle diameter (D50), and was measured before the coating layer 6BS was provided. The average particle diameter (D50) of the core particle 6BC was measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device (SALD-2200, manufactured by Shimadzu Corporation). When the heat resistance was ○ and the wettability was ◎, the overall evaluation was ◎. When the heat resistance was ○ and the wettability was ○, the overall evaluation was ○. When the heat resistance was less than Δ and the wettability was more than ○, the overall evaluation was Δ. When the heat resistance was Δ or less and the wettability was Δ or less, the overall evaluation was x. The overall evaluation allowed Δ or more. Sample No. 50 is a thing in which a 2nd metal particle does not have a coating layer.

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試料No.29、30、31等の総合評価から、コア粒子6BCの表面と接する被覆層6BS、すなわち、第1層の厚みは、0.05μm以上2μm以下であることが好ましい。コア粒子6BCの表面に設けられる被覆層の厚みを前記範囲とすることで、Pbフリーはんだ6が溶融したときのぬれ性を確保しつつ、耐熱性を向上させることができる。試料No.18〜21、37〜40の総合評価から、第2金属粒子6Bが複数の被覆層を有する場合、最内の被覆層以外、すなわち、第2層よりも外側の被覆層の総厚みは0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。このようにすれば、Pbフリーはんだ6が溶融したときのぬれ性を確保しつつ耐熱性を向上させることができる。   Sample No. From the comprehensive evaluation of 29, 30, 31, etc., the thickness of the coating layer 6BS in contact with the surface of the core particle 6BC, that is, the first layer is preferably 0.05 μm or more and 2 μm or less. By setting the thickness of the coating layer provided on the surface of the core particle 6BC within the above range, heat resistance can be improved while ensuring wettability when the Pb-free solder 6 is melted. Sample No. From the comprehensive evaluation of 18 to 21 and 37 to 40, when the second metal particle 6B has a plurality of coating layers, the total thickness of the coating layers other than the innermost coating layer, that is, the outer side of the second layer is 0. It is preferable that it is 05 μm or more and 5 μm or less. In this way, it is possible to improve heat resistance while ensuring wettability when the Pb-free solder 6 is melted.

試料No.17〜21、37〜40、43の総合評価から、第2金属粒子6Bが複数の被覆層を有する場合、最内の被覆層(第1層)は、Cuを主成分とすることが好ましい。このようにすることで、ぬれ性及び耐熱性が向上する。また、試料No.18〜20、23、24〜27、37〜40の総合評価から、第2金属粒子6Bが複数の被覆層を有する場合、最外の被覆層(第2層)は、Snを主成分とすることが好ましい。このようにすると、Pbフリーはんだ6が溶融したときには、第1金属粒子6AからのSnと第2金属粒子6Bとのなじみが向上するので、接合金属10のSn相にNi−Fe合金が分散しやすくなる。また、試料No.18、19、23、26と、試料No.34、35とを比較すると、Snを主成分とする被覆層がコア粒子6BCの表面と接しない方(試料No.18、19、23、26)が総合評価は高い。このことから、Snを主成分とする被覆層は、コア粒子6BCの表面と接しない方が好ましい。このようにすれば、Sn相にNi−Fe合金が分散した組織を有する接合金属10を得ることができるので、Pbフリーはんだ6のぬれ性を確保しつつ、接合金属10の耐熱性を向上させることができる。   Sample No. From the comprehensive evaluation of 17 to 21, 37 to 40, and 43, when the second metal particle 6B has a plurality of coating layers, the innermost coating layer (first layer) preferably contains Cu as a main component. By doing in this way, wettability and heat resistance improve. Sample No. From the comprehensive evaluation of 18 to 20, 23, 24 to 27, and 37 to 40, when the second metal particle 6B has a plurality of coating layers, the outermost coating layer (second layer) is mainly composed of Sn. It is preferable. In this way, when the Pb-free solder 6 is melted, the familiarity between the Sn from the first metal particles 6A and the second metal particles 6B is improved, so that the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase of the bonding metal 10. It becomes easy. Sample No. 18, 19, 23, 26 and sample no. 34 and 35, the overall evaluation is higher in the case where the coating layer containing Sn as a main component does not contact the surface of the core particle 6BC (sample Nos. 18, 19, 23, and 26). For this reason, it is preferable that the coating layer containing Sn as a main component does not come into contact with the surface of the core particle 6BC. In this way, since the joining metal 10 having a structure in which the Ni—Fe alloy is dispersed in the Sn phase can be obtained, the heat resistance of the joining metal 10 is improved while ensuring the wettability of the Pb-free solder 6. be able to.

試料No.45、18〜21等の結果から、コア粒子6BCの平均粒子径は、10μm以上30μm以下であることが好ましい。このような範囲のコア粒子6BCを用いれば、接合金属10の接合強度及び耐熱性を向上させることができる。また、試料No.44、38、18〜21等の結果から、Pbフリーはんだ6の全質量に対して、Ni−Fe合金の割合は10質量%以上30質量%以下が好ましい。このような範囲であれば、接合金属10の接合強度及び耐熱性を向上させ、Pbフリーはんだ6のぬれ性も確保できる。   Sample No. From the results of 45, 18-21, etc., the average particle diameter of the core particles 6BC is preferably 10 μm or more and 30 μm or less. If the core particle 6BC in such a range is used, the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 can be improved. Sample No. From the results of 44, 38, 18-21, etc., the ratio of the Ni—Fe alloy is preferably 10% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the total mass of the Pb-free solder 6. Within such a range, the bonding strength and heat resistance of the bonding metal 10 can be improved, and the wettability of the Pb-free solder 6 can be secured.

以上のように、本発明に係るPbフリーはんだは、Pbフリーはんだが初めて溶融してから硬化した後に得られる接合金属の接合強度及び耐熱性を向上させることに有用である。   As described above, the Pb-free solder according to the present invention is useful for improving the bonding strength and heat resistance of the bonding metal obtained after the Pb-free solder is melted for the first time and then cured.

1 電子回路モジュール部品
2 電子部品
2T、3T 端子電極
3 回路基板
3P 表面
4 絶縁樹脂
5 シールド層
6BC コア粒子
6、106 Pbフリーはんだ
6A、106A 第1金属粒子
6B、106B 第2金属粒子
6BS、6BSa、6BSb 被覆層
6L、106L 溶融金属
7 モジュール端子電極
8 装置基板
9 装置基板端子電極
10 接合金属
11 第1金属相
12 第2金属層
13 第3金属相
14 Ag−Sn相
15 Fe相
70 基板
71 電極
72 試験片
73 テーブル
74 シェアツール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electronic circuit module component 2 Electronic component 2T, 3T Terminal electrode 3 Circuit board 3P Surface 4 Insulation resin 5 Shield layer 6BC Core particle | grains 6,106 Pb free solder 6A, 106A 1st metal particle 6B, 106B 2nd metal particle 6BS, 6BSa , 6BSb coating layer 6L, 106L Molten metal 7 Module terminal electrode 8 Device substrate 9 Device substrate terminal electrode 10 Bonding metal 11 First metal phase 12 Second metal layer 13 Third metal phase 14 Ag—Sn phase 15 Fe phase 70 Substrate 71 Electrode 72 Test piece 73 Table 74 Share tool

Claims (6)

Sn−Ag系合金またはSn−Cu系合金であって、Snが90質量%以上含まれる第1金属粒子と、
Ni−Fe合金として、Ni−10質量%Fe合金またはNi−20質量%Fe合金からなるコア粒子の表面が、SnまたはSnと金属間化合物を作る金属を主成分とする少なくとも1つの被覆層で覆われた第2金属粒子と、
を含み、
前記被覆層のうち、前記コア粒子の表面と接する層の厚みは0.5μm以上2μm以下であり、前記被覆層が複数層の場合、前記コア粒子の表面と接する層以外の層の総厚みは0.05μm以上5μm以下であることを特徴とするPbフリーはんだ。
A Sn-Ag-based alloy or a Sn-Cu-based alloy, wherein the first metal particles contain 90 mass% or more of Sn,
As the Ni—Fe alloy, the surface of the core particle made of Ni-10 mass% Fe alloy or Ni-20 mass% Fe alloy is at least one coating layer mainly composed of Sn or a metal that forms an intermetallic compound with Sn. Covered second metal particles;
Including
Of the coating layer, the thickness of the layer in contact with the surface of the core particle is 0.5 μm or more and 2 μm or less, and when the coating layer is a plurality of layers, the total thickness of the layers other than the layer in contact with the surface of the core particle is A Pb-free solder characterized by having a thickness of 0.05 μm or more and 5 μm or less.
最内の前記被覆層はCuを主成分とする請求項1に記載のPbフリーはんだ。   The Pb-free solder according to claim 1, wherein the innermost coating layer contains Cu as a main component. 最外の前記被覆層はSnを主成分とする請求項1に記載のPbフリーはんだ。   The Pb-free solder according to claim 1, wherein the outermost coating layer is mainly composed of Sn. Snを主成分とする前記被覆層は、前記コア粒子の表面と接しない請求項1に記載のPbフリーはんだ。   The Pb-free solder according to claim 1, wherein the coating layer containing Sn as a main component does not contact the surface of the core particle. 前記コア粒子の平均粒子径は、10μm以上30μm以下である請求項1から4のいずれか1項に記載のPbフリーはんだ。   5. The Pb-free solder according to claim 1, wherein an average particle diameter of the core particles is 10 μm or more and 30 μm or less. 請求項1から5のいずれか1項に記載のPbフリーはんだの全質量に対して、前記Ni−Fe合金の割合は10質量%以上30質量%以下であるPbフリーはんだ。   The Pb free solder whose ratio of the said Ni-Fe alloy is 10 to 30 mass% with respect to the total mass of the Pb free solder of any one of Claim 1 to 5.
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