JP6578393B2 - Lead-free solder alloy, electronic circuit mounting board, and electronic control device - Google Patents

Lead-free solder alloy, electronic circuit mounting board, and electronic control device Download PDF

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Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金、電子回路実装基板及び電子制御装置に関する。   The present invention relates to a lead-free solder alloy, an electronic circuit mounting substrate, and an electronic control device.

プリント配線板やモジュール基板といった電子回路基板に形成される導体パターンに電子部品を接合する方法として、はんだ合金を用いたはんだ接合方法がある。以前はこのはんだ合金には鉛が使用されていた。しかし環境負荷の観点からRoHS指令等によって鉛の使用が制限されたため、近年では鉛を含有しない、所謂鉛フリーはんだ合金によるはんだ接合方法が一般的になりつつある。   As a method for joining an electronic component to a conductor pattern formed on an electronic circuit board such as a printed wiring board or a module board, there is a solder joining method using a solder alloy. Previously, this solder alloy used lead. However, since the use of lead is restricted by the RoHS directive or the like from the viewpoint of environmental load, a solder joining method using a so-called lead-free solder alloy which does not contain lead is becoming common in recent years.

この鉛フリーはんだ合金としては、例えばSn−Cu系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系及びSn−Zn系はんだ合金等がよく知られている。その中でもテレビ、携帯電話等に使用される民生用電子機器や自動車に搭載される車載用電子機器には、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金が多く使用されている。
鉛フリーはんだ合金は、鉛含有はんだ合金と比較してはんだ付性が多少劣る。しかしフラックスやはんだ付装置の改良によってこのはんだ付性の問題はカバーされている。そのため、例えば車載用電子回路実装基板であっても、自動車の車室内のように寒暖差はあるものの比較的穏やかな環境下に置かれるものにおいては、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部でも大きな問題は生じていない。
As this lead-free solder alloy, for example, Sn—Cu, Sn—Ag—Cu, Sn—Bi, and Sn—Zn solder alloys are well known. Among them, Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy is often used in consumer electronic devices used for televisions, mobile phones, etc. and in-vehicle electronic devices mounted on automobiles.
A lead-free solder alloy is somewhat inferior in solderability compared to a lead-containing solder alloy. However, this solderability problem is covered by improvements in flux and soldering equipment. Therefore, Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy is used, for example, in an in-vehicle electronic circuit mounting board that is placed in a relatively mild environment with a difference in temperature as in the interior of an automobile. Even the solder joints formed in this way do not cause any major problems.

しかし近年では、例えば電子制御装置に用いられる電子回路実装基板のように、エンジンコンパートメントへの配置、エンジンへの直載、モーターとの機電一体化されたものへの配置の検討及び実用化がなされている。これらは寒暖差が激しく(例えば−30℃から115℃、−40℃から125℃といった寒暖差)、加えて振動負荷を受けるような過酷な環境下にある。このような寒暖差の非常に激しい環境下では、電子回路実装基板において、実装された電子部品と基板(本明細書において単に「基板」という場合は、導体パターン形成前の板、導体パターンが形成され電子部品と電気的接続が可能な板、及び電子部品が搭載された電子回路実装基板のうち電子部品を含まない板部分のいずれかであり、場合に応じて適宜いずれかを指し、この場合は「電子部品が搭載された電子回路実装基板のうち電子部品を含まない板部分」を指す。)との線膨張係数の差によるはんだ接合部の熱変位とこれに伴う応力が発生し易い。そしてこの寒暖差による塑性変形の繰り返しは、はんだ接合部に亀裂を引き起こし易い。
更に、時間の経過と共にはんだ接合部に繰り返し与えられる応力は、発生した亀裂の先端付近に集中するため、当該亀裂ははんだ接合部の深部まで横断的に進展し易くなる。このように著しく進展した亀裂は、電子部品と基板上に形成された導体パターンとの電気的接続の切断を引き起こしてしまう。特に激しい寒暖差に加え電子回路実装基板に振動が負荷される環境下にあっては、上記亀裂及びその進展は更に発生し易い。
However, in recent years, for example, electronic circuit mounting boards used in electronic control devices have been studied and put into practical use, such as placement in an engine compartment, direct mounting on an engine, and placement in an electromechanical integration with a motor. ing. These have a severe temperature difference (for example, a temperature difference of −30 ° C. to 115 ° C., −40 ° C. to 125 ° C.) and a severe environment in which they are subjected to a vibration load. In such an environment where the temperature difference is extremely severe, in the electronic circuit mounting substrate, the mounted electronic component and the substrate (in the case of simply referred to as “substrate” in this specification, the board before the conductor pattern formation, the conductor pattern is formed. Is a board that can be electrically connected to the electronic component, and a board portion that does not include the electronic component among the electronic circuit mounting board on which the electronic component is mounted. Indicates a plate portion not including an electronic component among electronic circuit mounting boards on which electronic components are mounted.) Thermal displacement of the solder joint due to a difference in linear expansion coefficient and stress associated therewith are likely to occur. And the repetition of the plastic deformation due to the temperature difference tends to cause a crack in the solder joint.
Furthermore, since the stress repeatedly applied to the solder joint as time passes concentrates near the tip of the crack that has occurred, the crack easily propagates transversely to the deep part of the solder joint. The crack that has progressed remarkably in this way causes a break in the electrical connection between the electronic component and the conductor pattern formed on the substrate. In particular, in an environment in which vibration is loaded on the electronic circuit mounting board in addition to a severe temperature difference, the cracks and their progress are more likely to occur.

そのためこのような過酷な環境下においては、Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金で形成されたはんだ接合部では亀裂発生及び亀裂進展が起こり易く、十分な信頼性を確保できないという問題があった。   Therefore, in such a harsh environment, there is a problem in that cracks and cracks are likely to occur at a solder joint formed of Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy, and sufficient reliability cannot be ensured.

また、車載用電子回路基板に搭載されるQFP(Quad Flat Package)、SOP(Small Outline Package)といった電子部品のリード部分には、従来、Ni/Pd/AuめっきやNi/Auめっきのされた部品が多用されていた。しかし近年の電子部品の低コスト化や基板のダウンサイジング化に伴い、リード部分をSnめっきに替えた電子部品やSnめっきされた下面電極をもつ電子部品の検討及び実用化がなされている。
はんだ接合時において、Snめっきされた電子部品は、Snめっき及びはんだ接合部に含まれるSnとリード部分や前記下面電極に含まれるCuとの相互拡散を発生させ易い。この相互拡散により、はんだ接合部と前記リード部分や前記下面電極との界面付近の領域(以下、本明細書においては「界面付近」という。)にて、金属間化合物であるCuSn層が凸凹状に大きく成長する。前記CuSn層は元々硬くて脆い性質を有する上に、凸凹状に大きく成長したCuSn層は更に脆くなる。そのため、特に上述の過酷な環境下においては、前記界面付近ははんだ接合部と比較して亀裂が発生し易く、また発生した亀裂はこれを起点として一気に進展するため、電気的短絡が生じ易い。
従って、今後は上述の過酷な環境下でNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いた場合であっても前記界面付近における亀裂進展抑制効果を発揮し得る鉛フリーはんだ合金への要望も大きくなることが予想される。
In addition, the lead parts of electronic parts such as QFP (Quad Flat Package) and SOP (Small Outline Package) mounted on a vehicle-mounted electronic circuit board are conventionally Ni / Pd / Au plated parts or Ni / Au plated parts. Was heavily used. However, with the recent cost reduction of electronic components and downsizing of substrates, electronic components having lead portions replaced with Sn plating and electronic components having Sn-plated bottom electrodes have been studied and put into practical use.
At the time of soldering, the Sn-plated electronic component is likely to cause mutual diffusion between Sn contained in the Sn plating and solder joint and the Cu contained in the lead portion and the lower electrode. Due to this interdiffusion, the Cu 3 Sn layer, which is an intermetallic compound, is formed in a region near the interface between the solder joint and the lead portion or the lower electrode (hereinafter referred to as “near the interface” in this specification). Grows greatly in an uneven shape. The Cu 3 Sn layer is originally hard and brittle, and the Cu 3 Sn layer that has grown greatly in an uneven shape is further brittle. Therefore, particularly in the above-mentioned severe environment, cracks are likely to occur near the interface as compared with the solder joints, and the cracks that have occurred start at once, so that an electrical short circuit is likely to occur.
Therefore, in the future, even when using electronic parts that are not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating under the harsh environment described above, lead-free that can exhibit the effect of suppressing crack growth near the interface The demand for solder alloys is also expected to increase.

また近年の車載用電子回路実装基板は、コストの削減や重量の軽減及びレイアウトの自由化を目的としてそのダウンサイジング化が広く検討され始めている。そしてこれを実現する手法の1つとして、はんだ接合部のうち所謂フィレット部の体積を減らす手法が用いられるようになっている。
即ち、従来のはんだ接合部は、図1に示すようにフィレット部が電子部品の側面を覆いつつ、なだらかな裾広がりの形状となるように形成されるのが一般的であった。一方、近年においては、図2に示すようにフィレット部の電子部品の側面を覆う部分を少なくして傾きの大きい形状とすることでフィレット部の体積を削減する方法や、電子部品の側面を覆う部分のない(フィレット部がない)構造とする方法が採用されつつある。
はんだ接合部のフィレット部の体積を削減すれば、電子部品の高密度実装及びダウンサイジング化は実現し得る。しかしフィレット部の体積が小さくなればなるほど、はんだ接合部の強度も低下し得るため、特に寒暖差が非常に大きく振動が負荷されるような過酷な環境下においては、フィレット部の体積の大きいはんだ接合部よりもフィレット部の体積の小さいはんだ接合部の方が亀裂進展抑制効果は劣り易いという問題がある。
In recent years, downsizing of on-vehicle electronic circuit mounting boards has begun to be widely studied for the purpose of cost reduction, weight reduction, and layout freedom. As one method for realizing this, a method for reducing the volume of the so-called fillet portion of the solder joint portion is used.
That is, the conventional solder joint portion is generally formed so that the fillet portion covers the side surface of the electronic component and has a gently flared shape as shown in FIG. On the other hand, in recent years, as shown in FIG. 2, a method of reducing the volume of the fillet part by reducing the part of the fillet part that covers the side surface of the electronic component to have a large inclination, or covering the side surface of the electronic component. A method of adopting a structure having no part (no fillet part) is being adopted.
If the volume of the fillet portion of the solder joint portion is reduced, high-density mounting and downsizing of electronic components can be realized. However, the smaller the volume of the fillet part, the lower the strength of the solder joint part. Therefore, especially in a severe environment where the temperature difference is very large and vibration is applied, the solder with a large fillet part volume is required. There is a problem in that the solder joint portion having a smaller volume of the fillet portion is more inferior in crack growth suppressing effect than the joint portion.

これまでもSn−Ag−Cu系はんだ合金にAg、Bi、In及びSbといった元素を添加することによりはんだ接合部の強度とこれに伴う熱疲労特性を向上させ、これにより上記はんだ接合部の亀裂進展を抑制する方法はいくつか開示されている(特許文献1から特許文献3参照)。   So far, by adding elements such as Ag, Bi, In, and Sb to Sn-Ag-Cu solder alloys, the strength of the solder joints and the thermal fatigue characteristics associated therewith are improved, thereby cracking the solder joints. Several methods for suppressing progress have been disclosed (see Patent Document 1 to Patent Document 3).

特許第5024380号公報Japanese Patent No. 5024380 特許第5349703号公報Japanese Patent No. 5349703 特開2016−26879号公報JP 2016-26879 A

ここで、近年の車載用電子回路実装基板は、微小電子部品の使用や高密度実装が検討・採用されつつある。このような電子回路実装基板には耐熱性の低い電子部品と熱容量の大きい大型電子部品とが混載されるケースもあり、この場合に融点の高いはんだ合金を用いてはんだ付けを行うと、電子部品の機能劣化やはんだ合金の未溶融発生の虞があるため、はんだ付け時の加熱温度をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下にしたい、という要望は多い。   Here, the use of microelectronic components and high-density mounting are being studied and adopted for recent on-vehicle electronic circuit mounting boards. In such electronic circuit mounting boards, there are cases in which electronic components with low heat resistance and large electronic components with large heat capacity are mixedly mounted. In this case, when soldering is performed using a solder alloy having a high melting point, electronic components Therefore, there is a great demand for the heating temperature during soldering to be equal to or lower than that of Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy.

Biを添加した鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け時の加熱温度をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下にでき、またその強度を向上し得る。
しかしこのような鉛フリーはんだ合金は延伸性が悪化する虞があり、その含有量によっては脆性が強まるというデメリットがある。
The lead-free solder alloy to which Bi is added can make the heating temperature at the time of soldering equal to or lower than that of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy, and can improve the strength.
However, such a lead-free solder alloy has a possibility that the stretchability is deteriorated, and there is a demerit that the brittleness is increased depending on the content.

またSbやInを添加した鉛フリーはんだ合金は、当該鉛フリーはんだ合金の原子配列の格子にSbやInが入り込みSnと置換するため、当該原子配列の格子にゆがみが発生し、Snマトリックスが強化され、鉛フリーはんだ合金の強度が向上し得る。そのため、このような鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部は、高い亀裂進展抑制効果を有し得る。
しかし特にSbは、その添加により鉛フリーはんだ合金の固相線温度・液相線温度を上昇させるため、はんだ付け時においてSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等の加熱条件とすると、鉛フリーはんだ合金の未溶融現象が発生する虞がある。またInは単価の高い合金元素であるため、鉛フリーはんだ合金の価格を上昇させ得る。
また上述の通り、使用する電子部品の耐熱条件や熱容量によっては、はんだ付け時の加熱条件をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下に設定せざるを得ない場合もある。
In addition, lead-free solder alloys containing Sb or In are distorted in the lattice of the atomic arrangement because Sb or In enters into the lattice of the atomic arrangement of the lead-free solder alloy and replaces Sn, thereby strengthening the Sn matrix. As a result, the strength of the lead-free solder alloy can be improved. Therefore, a solder joint formed using such a lead-free solder alloy can have a high crack growth suppressing effect.
However, in particular, Sb increases the solidus temperature and liquidus temperature of the lead-free solder alloy due to its addition. Therefore, if the heating conditions are the same as those of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy at the time of soldering, lead-free There is a risk of unmelting of the solder alloy. In addition, since In is an alloy element having a high unit price, the price of the lead-free solder alloy can be increased.
In addition, as described above, depending on the heat resistance condition and heat capacity of the electronic component to be used, the heating condition at the time of soldering may have to be set equal to or lower than that of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy.

またNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いてはんだ接合をした場合、前記界面付近にて金属間化合物であるCuSn層が凸凹状に大きく成長するため、この界面付近における亀裂進展の抑制は難しい。 In addition, when solder bonding is performed using an electronic component that is not plated with Ni / Pd / Au or Ni / Au, the Cu 3 Sn layer, which is an intermetallic compound, grows greatly in an uneven shape near the interface. It is difficult to suppress crack growth near this interface.

しかし、はんだ接合部の亀裂進展抑制効果とはんだ付け時の加熱温度の抑制の両立やフィレット部の体積の小さいはんだ接合部の亀裂進展抑制については、上記特許文献においては言及も示唆もされていない。   However, there is no mention or suggestion in the above-mentioned patent literature about the crack growth suppression effect of the solder joint and the suppression of the heating temperature at the time of soldering and the crack progress suppression of the solder joint with a small fillet volume. .

本発明は上記課題を解決するものであり、はんだ付け時の加熱条件をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下にし得ると共に、寒暖の差が激しく振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部の亀裂進展を抑制でき、且つNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いてはんだ接合をした場合においても前記界面付近における亀裂進展を抑制することのできる鉛フリーはんだ合金、電子回路実装基板及び電子制御装置を提供することをその目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problem, and the heating conditions during soldering can be made equal to or lower than those of Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy, and the environment is severe such that the difference in temperature is intense and vibration is loaded. The crack growth of the solder joint can be suppressed even under the condition, and the crack growth near the interface is suppressed even when soldering is performed using an electronic component that is not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating. It is an object of the present invention to provide a lead-free solder alloy, an electronic circuit mounting board, and an electronic control device.

(1)本発明の鉛フリーはんだ合金は、2.5質量%以上4質量%以下のAgと、0.6質量%以上0.75質量%以下のCuと、2質量%以上6質量%以下のBiと、0.01質量%以上0.04質量%以下のNiと、0.01質量%以上0.04質量%以下のCoとを含み、残部がSnからなり、Ni及びCoの合計含有量が0.05質量%以下であることをその特徴とする。 (1) The lead-free solder alloy of the present invention comprises 2.5% by mass to 4% by mass of Ag, 0.6% by mass to 0.75% by mass Cu, and 2% by mass to 6% by mass. Bi, 0.01 mass% or more and 0.04 mass% or less of Ni, and 0.01 mass% or more and 0.04 mass% or less of Co, with the balance being Sn, the total content of Ni and Co The amount is 0.05% by mass or less.

(2)上記(1)に記載の構成にあって、Agの含有量は2.5質量%以上3.8質量%以下であることをその特徴とする。 (2) In the configuration described in (1) above, the Ag content is 2.5% by mass or more and 3.8% by mass or less.

(3)上記(1)または(2)に記載の構成にあって、Biの含有量は3質量%以上4.5質量%以下であることをその特徴とする。 (3) In the configuration described in (1) or (2) above, the Bi content is 3% by mass or more and 4.5% by mass or less.

(4)上記(1)から(3)のいずれか1に記載の構成にあって、Niの含有量は0.02質量%以上0.04質量%以下であり、Coの含有量は0.01質量%以上0.03質量%以下であることを特徴とする。 (4) In the configuration described in any one of (1) to (3) above, the Ni content is 0.02 mass% or more and 0.04 mass% or less, and the Co content is 0.00. It is 01 mass% or more and 0.03 mass% or less.

(5)上記(1)から(4)のいずれか1に記載の構成にあって、本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にP、Ga及びGeの少なくともいずれかを合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことをその特徴とする。 (5) In the configuration according to any one of (1) to (4) above, the lead-free solder alloy of the present invention further includes at least one of P, Ga, and Ge in a total amount of 0.001% by mass. It is characterized by containing 0.05% by mass or less.

(6)上記(1)から(5)のいずれか1に記載の構成にあって、本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にFe、Mn、Cr及びMoの少なくともいずれかを合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことをその特徴とする。 (6) In the configuration according to any one of (1) to (5) above, the lead-free solder alloy of the present invention further includes at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo in total 0.001. It is characterized by containing at least 0.05% by mass and less than mass%.

(7)本発明のソルダペーストは、粉末状の鉛フリーはんだ合金であって上記(1)から(6)のいずれか1に記載の鉛フリーはんだ合金と、ベース樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスを有することをその特徴とする。 (7) The solder paste of the present invention is a powdered lead-free solder alloy, the lead-free solder alloy according to any one of (1) to (6), a base resin, a thixotropic agent, and an activity It is characterized by having a flux containing an agent and a solvent.

(8)本発明の電子回路実装基板は、上記(1)から(6)のいずれか1に記載の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有することをその特徴とする。 (8) The electronic circuit mounting board of the present invention is characterized by having a solder joint formed by using the lead-free solder alloy described in any one of (1) to (6) above.

(9)本発明の電子制御装置は、上記(8)に記載の電子回路実装基板を有することをその特徴とする。 (9) The electronic control device of the present invention is characterized by having the electronic circuit mounting board described in (8) above.

本発明の鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け時の加熱条件をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下にし得ると共に、寒暖の差が激しく振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部の亀裂進展を抑制でき、且つNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品を用いてはんだ接合をした場合においても前記界面付近における亀裂進展を抑制することができ、このようなはんだ接合部を有する電子回路実装基板及び電子制御装置は、過酷な環境下においても高い信頼性を発揮することができる。   The lead-free solder alloy of the present invention can reduce the heating condition during soldering to the same level or lower as that of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy, and can be used in a severe environment where the difference in temperature is intense and vibration is loaded. Propagation of cracks near the interface can be suppressed even when soldering is performed using electronic parts that are not plated with Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating. The electronic circuit mounting board and the electronic control device having such a solder joint portion can exhibit high reliability even in a harsh environment.

フィレット部が電子部品の側面を覆いつつ、なだらかな裾広がりの形状となるように形成されたはんだ接合部を有する電子回路実装基板の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the electronic circuit mounting board | substrate which has a solder joint part formed so that a fillet part may cover the side surface of an electronic component, and it may become a shape of a gentle hem-expansion. フィレット部の電子部品の側面を覆う部分を少なくし、その傾きが大きくなるように形成されたはんだ接合部を有する電子回路実装基板の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the electronic circuit mounting board | substrate which has a solder joint part formed so that the part which covers the side surface of the electronic component of a fillet part may be decreased, and the inclination may become large.

以下、本発明の鉛フリーはんだ合金、電子回路実装基板及び電子制御装置の一実施形態を詳述する。なお、本発明が以下の実施形態に限定されるものではないことはもとよりである。   Hereinafter, an embodiment of a lead-free solder alloy, an electronic circuit mounting board, and an electronic control device of the present invention will be described in detail. Of course, the present invention is not limited to the following embodiments.

(1)鉛フリーはんだ合金
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Agを含有させることができる。鉛フリーはんだ合金にAgを添加することにより、そのSn粒界中にAgSn化合物を析出させ、機械的強度を付与することができる。
(1) Lead-free solder alloy The lead-free solder alloy of this embodiment can contain Ag. By adding Ag to the lead-free solder alloy, an Ag 3 Sn compound can be precipitated in the Sn grain boundary, and mechanical strength can be imparted.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Agの含有量を2.5質量%以上4質量%以下とすることで、鉛フリーはんだ合金の延伸性を良好にしつつ、機械的強度、耐熱衝撃性及びこれを用いて形成されるはんだ接合部の耐熱疲労特性を向上させることができる。   In the lead-free solder alloy of the present embodiment, the mechanical strength, thermal shock resistance, and resistance of the lead-free solder alloy are improved while the Ag content is 2.5 mass% or more and 4 mass% or less. It is possible to improve the heat fatigue resistance of the solder joint formed using this.

またAgの含有量を2.5質量%以上3.8質量%以下とすると、鉛フリーはんだ合金の強度と延性のバランスをより良好にできる。特に好ましいAgの含有量は、3質量%以上3.8質量%以下である。   Further, when the Ag content is 2.5 mass% or more and 3.8 mass% or less, the balance between the strength and ductility of the lead-free solder alloy can be improved. The particularly preferable Ag content is 3% by mass or more and 3.8% by mass or less.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Cuを含有させることができる。鉛フリーはんだ合金にCuを添加することにより、そのSn粒界中にCuSn化合物を析出させ、鉛フリーはんだ合金の耐熱衝撃性を向上させることができる。 The lead-free solder alloy of this embodiment can contain Cu. By adding Cu to the lead-free solder alloy, a Cu 6 Sn 5 compound can be precipitated in the Sn grain boundary, and the thermal shock resistance of the lead-free solder alloy can be improved.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Cuの含有量を0.6質量%以上0.75質量%以下とすることで、その延伸性を阻害することなく耐熱衝撃性を向上させることができる。更には、これを用いて形成されるはんだ接合部の前記界面付近におけるCuSn化合物の集中析出を抑制することができ、その接合信頼性をより向上させることができる。
またCuの含有量を0.7質量%以上0.75質量%以下とすると、鉛フリーはんだ合金の耐熱衝撃性及びはんだ接合部の接合信頼性を更に向上させることができる。
The lead-free solder alloy of this embodiment can improve the thermal shock resistance without inhibiting the stretchability by setting the Cu content to 0.6 mass% or more and 0.75 mass% or less. Furthermore, it is possible to suppress the concentrated precipitation of the Cu 6 Sn 5 compound in the vicinity of the interface of the solder joint portion formed using this, and the joint reliability can be further improved.
When the Cu content is 0.7 mass% or more and 0.75 mass% or less, the thermal shock resistance of the lead-free solder alloy and the bonding reliability of the solder joint can be further improved.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Biを含有させることができる。鉛フリーはんだ合金にBiを添加することにより、Snの結晶格子の一部がBiに置換されてその結晶格子に歪みが発生する。そしてこの結晶中の転位に必要なエネルギーが増大することにより、このような鉛フリーはんだ合金を用いて形成するはんだ接合部の金属組織が固溶強化されると共に、ヤング率を高め得る。そのため、当該はんだ接合部が長期間に渡り寒暖差による外部応力を受ける場合であっても、はんだ接合部の変形を抑制し、良好な耐外部応力性を発揮し得る。   Bi can be contained in the lead-free solder alloy of this embodiment. By adding Bi to the lead-free solder alloy, a part of the Sn crystal lattice is replaced with Bi, and distortion occurs in the crystal lattice. And by increasing the energy required for dislocations in this crystal, the metal structure of the solder joint formed using such a lead-free solder alloy can be strengthened by solid solution and the Young's modulus can be increased. Therefore, even when the solder joint is subjected to external stress due to temperature difference over a long period of time, deformation of the solder joint can be suppressed and good external stress resistance can be exhibited.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Biの含有量を2質量%以上6質量%以下とすることで、上記固溶強化の効果を向上させると共に、その延伸性を阻害することなく機械的強度、耐熱衝撃性及び接合信頼性を向上させることができる。なおBiは鉛フリーはんだ合金の延伸性を阻害し得る合金元素であるが、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Bi及び他の合金元素の含有バランス等を図ることにより、その延伸性を阻害することなく亀裂進展抑制効果を向上し得る。   The lead-free solder alloy of this embodiment improves the effect of the solid solution strengthening by making the Bi content 2% by mass or more and 6% by mass or less, and mechanical strength without hindering the stretchability. Further, the thermal shock resistance and the bonding reliability can be improved. Bi is an alloy element that can hinder the extensibility of a lead-free solder alloy. However, the lead-free solder alloy of the present embodiment inhibits the extensibility by improving the balance of Bi and other alloy elements. The crack growth inhibiting effect can be improved without doing so.

またBiの含有量を2質量%以上4.5質量%以下とすると、鉛フリーはんだ合金の固溶強化の効果、機械的強度、耐熱衝撃性及び接合信頼性を更に向上させることができる。更に好ましいBiの含有量は3質量%以上4.5質量%以下である。   When the Bi content is 2 mass% or more and 4.5 mass% or less, the effect of solid solution strengthening, mechanical strength, thermal shock resistance and bonding reliability of the lead-free solder alloy can be further improved. The Bi content is more preferably 3% by mass or more and 4.5% by mass or less.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Ni及びCoを含有させることができる。鉛フリーはんだ合金にNi及びCoを添加することにより、はんだ付け時に溶融した鉛フリーはんだ合金中に微細な(Cu,Ni,Co)Snが形成され、溶融しているはんだ中に分散する。そしてこの(Cu,Ni,Co)Snの存在により、このような鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部は良好な亀裂進展抑制効果を発揮し、更にその耐熱疲労特性を向上させることができる。また、Ni/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされていない電子部品をはんだ接合する場合であっても、はんだ付け時にNi及びCoが前記界面付近に移動して微細な(Cu,Ni,Co)Snを形成するため、その界面付近におけるCuSn層の成長を抑制することができ、前記界面付近の亀裂進展抑制効果を向上させることができる。 The lead-free solder alloy of this embodiment can contain Ni and Co. By adding Ni and Co to the lead-free solder alloy, fine (Cu, Ni, Co) 6 Sn 5 is formed in the molten lead-free solder alloy during soldering and dispersed in the molten solder. . Due to the presence of (Cu, Ni, Co) 6 Sn 5 , the solder joint formed using such a lead-free solder alloy exhibits a good crack growth suppressing effect and further improves its thermal fatigue resistance. Can be made. Further, even when an electronic component that has not been subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating is joined by solder, Ni and Co move to the vicinity of the interface during soldering and become fine (Cu, Ni, Since Co) 6 Sn 5 is formed, the growth of the Cu 3 Sn layer in the vicinity of the interface can be suppressed, and the crack growth suppressing effect in the vicinity of the interface can be improved.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Niの含有量を0.01質量%以上0.04質量%以下、Coの含有量を0.01質量%以上0.04質量%以下とし、これらの合計含有量を0.05質量%以下とすることで、はんだ付け時に(Cu,Ni,Co)Snが十分に形成され、また溶融しているはんだ中及び前記界面付近にバランスよく分散し得るため、形成されるはんだ接合部における亀裂進展抑制効果及び耐熱疲労特性、並びに前記界面付近の亀裂進展抑制効果をより一層向上させることができる。
また本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ni及びCoの含有量を上記範囲とすることで、はんだインゴット中におけるSn、Cu、Ni及びCoから構成される針状物質の生成を抑制し得る。そのため、これを粉末化した際の針状物質の析出を抑制し、当該粉末化された鉛フリーはんだ合金を含むソルダペーストの印刷抜け性の低下を抑制することができる。
The lead-free solder alloy of the present embodiment has a Ni content of 0.01% by mass or more and 0.04% by mass or less, and a Co content of 0.01% by mass or more and 0.04% by mass or less. By setting the content to 0.05% by mass or less, (Cu, Ni, Co) 6 Sn 5 is sufficiently formed at the time of soldering and can be dispersed in a balanced manner in the molten solder and in the vicinity of the interface. Therefore, it is possible to further improve the crack growth suppressing effect and the thermal fatigue resistance in the solder joint to be formed, and the crack growth suppressing effect near the interface.
Moreover, the lead-free solder alloy of this embodiment can suppress the production | generation of the acicular material comprised from Sn, Cu, Ni, and Co in a solder ingot by making content of Ni and Co into the said range. Therefore, precipitation of the needle-like substance at the time of pulverizing this can be suppressed, and a decrease in the printing omission of the solder paste containing the pulverized lead-free solder alloy can be suppressed.

またNiの含有量を0.02質量%以上0.04質量%以下、Coの含有量を0.01質量%以上0.03質量%以下とすると、鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部における亀裂進展抑制効果及び耐熱疲労特性、並びに前記界面付近の亀裂進展抑制効果を更に向上させることができる。
即ち、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、NiとCoとを併用し、Niの含有量、Coの含有量及びこれらの合計量を調整することで、上記効果の向上を実現し得るものである。
なお、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、他の合金元素の含有量のバランスを図ることにより、Ni及びCoの含有量を0.04質量%以下とした場合において上記効果を更に向上し得る。
A solder formed using a lead-free solder alloy when the Ni content is 0.02 mass% or more and 0.04 mass% or less, and the Co content is 0.01 mass% or more and 0.03 mass% or less. It is possible to further improve the crack growth suppressing effect and the heat fatigue property at the joint, and the crack growth suppressing effect near the interface.
That is, the lead-free solder alloy of the present embodiment can realize the improvement of the above effect by using Ni and Co together and adjusting the Ni content, the Co content, and the total amount thereof. is there.
In addition, the lead-free solder alloy of this embodiment can further improve the above effect when the content of Ni and Co is 0.04% by mass or less by balancing the content of other alloy elements. .

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、P、Ga及びGeの少なくとも1種を含有させることができる。P、Ga及びGeの少なくとも1種を添加することで、鉛フリーはんだ合金の酸化を防止することができる。
本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、P、Ga及びGeの少なくとも1種の合計含有量を0.001質量%以上0.05質量%以下とすることで、鉛フリーはんだ合金の溶融温度(液相線温度)の上昇及びこれを用いて形成されるはんだ接合部のボイド発生を抑制しつつ、鉛フリーはんだ合金の酸化防止効果を向上させることができる。
Further, the lead-free solder alloy of this embodiment can contain at least one of P, Ga, and Ge. By adding at least one of P, Ga and Ge, oxidation of the lead-free solder alloy can be prevented.
The lead-free solder alloy of the present embodiment has a total content of at least one of P, Ga, and Ge of 0.001 mass% or more and 0.05 mass% or less, so that the melting temperature of the lead-free solder alloy (liquid It is possible to improve the oxidation-preventing effect of the lead-free solder alloy while suppressing the rise of the phase wire temperature) and the generation of voids in the solder joints formed using the same.

更に本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Fe、Mn、Cr及びMoの少なくとも1種を含有させることができる。Fe、Mn、Cr及びMoの少なくとも1種を添加することで、鉛フリーはんだ合金を用いて形成される亀裂進展抑制効果を向上させることができる。
本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Fe、Mn、Cr及びMoの少なくとも1種の合計含有量を0.001質量%以上0.05質量%以下とすることで、鉛フリーはんだ合金の溶融温度(液相線温度)の上昇及びこれを用いて形成されるはんだ接合部のボイド発生を抑制しつつ、はんだ接合部の亀裂進展抑制効果をより向上させることができる。
Furthermore, the lead-free solder alloy of this embodiment can contain at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo. By adding at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo, it is possible to improve the effect of suppressing crack propagation formed using a lead-free solder alloy.
The lead-free solder alloy of the present embodiment is such that the total content of at least one of Fe, Mn, Cr and Mo is 0.001% by mass or more and 0.05% by mass or less, so that the melting temperature of the lead-free solder alloy While suppressing the rise of (liquidus temperature) and the generation of voids in the solder joint formed using the same, the crack progress suppressing effect of the solder joint can be further improved.

なお、本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、その効果を阻害しない範囲において、他の成分(元素)、例えばCd、Tl、Se、Au、Ti、Si、Al、Mg、Zn等を含有させることができる。また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、当然ながら不可避不純物も含まれるものである。   In addition, the lead-free solder alloy of this embodiment contains other components (elements) such as Cd, Tl, Se, Au, Ti, Si, Al, Mg, Zn, and the like as long as the effect is not hindered. be able to. In addition, the lead-free solder alloy of this embodiment naturally includes unavoidable impurities.

また本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、その残部はSnからなることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the remainder of the lead-free solder alloy of this embodiment is made of Sn.

本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、その液相線温度が220℃以下であることが好ましい。当該液相線温度を220℃以下とすることにより、はんだ付け時の加熱温度をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下にし得る。   The lead-free solder alloy of this embodiment preferably has a liquidus temperature of 220 ° C. or lower. By setting the liquidus temperature to 220 ° C. or lower, the heating temperature at the time of soldering can be made equal to or lower than that of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy.

本実施形態のはんだ接合部の形成は、例えばフロー方法、はんだボールによる実装、ソルダペーストを用いたリフロー方法等、はんだ接合部を形成できるものであればどのような方法を用いても良い。なおその中でも特にソルダペーストを用いたリフロー方法が好ましく用いられる。   For the formation of the solder joint portion of the present embodiment, any method may be used as long as the solder joint portion can be formed, such as a flow method, mounting with a solder ball, and a reflow method using a solder paste. Of these, a reflow method using solder paste is particularly preferred.

(2)ソルダペースト
このようなソルダペーストとしては、例えば粉末状にした前記鉛フリーはんだ合金とフラックスとを混練しペースト状にすることにより作製される。
(2) Solder paste Such a solder paste is produced by, for example, kneading the powdered lead-free solder alloy and flux into a paste.

このようなフラックスとしては、例えばベース樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスが用いられる。   As such a flux, for example, a flux containing a base resin, a thixotropic agent, an activator, and a solvent is used.

前記ベース樹脂としては、例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジン、水添ロジン、重合ロジン、不均一化ロジン、アクリル酸変性ロジン、マレイン酸変性ロジン等のロジン誘導体を含むロジン系樹脂;アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニル、酢酸ビニル等の少なくとも1種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂;エポキシ樹脂;フェノール樹脂等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて用いることができる。
これらの中でもロジン系樹脂、その中でも特に酸変性されたロジンに水素添加をした水添酸変性ロジンが好ましく用いられる。また水添酸変性ロジンとアクリル樹脂の併用も好ましい。
Examples of the base resin include rosin resins including rosin derivatives such as rosin such as tall oil rosin, gum rosin and wood rosin, hydrogenated rosin, polymerized rosin, heterogeneous rosin, acrylic acid modified rosin and maleic acid modified rosin; Acid, methacrylic acid, various esters of acrylic acid, various esters of methacrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid, maleic anhydride, maleic acid ester, maleic anhydride ester, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylamide, methacrylic acid Examples include acrylic resins obtained by polymerizing at least one monomer such as amide, vinyl chloride, vinyl acetate; epoxy resins; phenol resins. These can be used alone or in combination.
Of these, rosin resins, particularly hydrogenated acid-modified rosin obtained by hydrogenating acid-modified rosin, are preferably used. A combined use of a hydrogenated acid-modified rosin and an acrylic resin is also preferred.

前記ベース樹脂の酸価は10mgKOH/g以上250mgKOH/g以下であることが好ましい。また前記ベース樹脂の配合量はフラックス全量に対して10質量%以上90質量%以下であることが好ましい。   The acid value of the base resin is preferably 10 mgKOH / g or more and 250 mgKOH / g or less. Moreover, it is preferable that the compounding quantity of the said base resin is 10 to 90 mass% with respect to the flux whole quantity.

前記チキソ剤としては、例えば水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸類が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記チキソ剤の配合量は、フラックス全量に対して3質量%以上15質量%以下であることが好ましい。   Examples of the thixotropic agent include hydrogenated castor oil, fatty acid amides, and oxy fatty acids. These can be used alone or in combination. The blending amount of the thixotropic agent is preferably 3% by mass or more and 15% by mass or less with respect to the total amount of the flux.

前記活性剤としては、例えば有機アミンのハロゲン化水素塩等のアミン塩(無機酸塩や有機酸塩)、有機酸、有機酸塩、有機アミン塩等を配合することができる。更に具体的には、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩、酸塩、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸、マロン酸、ドデカン二酸等が挙げられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記活性剤の配合量は、フラックス全量に対して5質量%以上15質量%以下であることが好ましい。   Examples of the activator include amine salts (inorganic acid salts and organic acid salts) such as organic amine hydrogen halide salts, organic acids, organic acid salts, organic amine salts, and the like. More specifically, diphenylguanidine hydrobromide, cyclohexylamine hydrobromide, diethylamine salt, acid salt, succinic acid, adipic acid, sebacic acid, malonic acid, dodecanedioic acid and the like can be mentioned. These can be used alone or in combination. The blending amount of the activator is preferably 5% by mass or more and 15% by mass or less with respect to the total amount of the flux.

前記溶剤としては、例えばイソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、グリコールエーテル等を使用することができる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記溶剤の配合量は、フラックス全量に対して20質量%以上40質量%以下であることが好ましい。   As said solvent, isopropyl alcohol, ethanol, acetone, toluene, xylene, ethyl acetate, ethyl cellosolve, butyl cellosolve, glycol ether etc. can be used, for example. These can be used alone or in combination. The amount of the solvent is preferably 20% by mass or more and 40% by mass or less based on the total amount of the flux.

前記フラックスには、鉛フリーはんだ合金の酸化を抑える目的で酸化防止剤を配合することができる。この酸化防止剤としては、例えばヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。その中でも特にヒンダードフェノール系酸化防止剤が好ましく用いられる。これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。前記酸化防止剤の配合量は特に限定されないが、一般的にはフラックス全量に対して0.5質量%以上5質量%程度以下であることが好ましい。   In the flux, an antioxidant can be blended for the purpose of suppressing oxidation of the lead-free solder alloy. Examples of the antioxidant include hindered phenolic antioxidants, phenolic antioxidants, bisphenolic antioxidants, and polymer-type antioxidants. Among these, a hindered phenol antioxidant is particularly preferably used. These can be used alone or in combination. The blending amount of the antioxidant is not particularly limited, but generally it is preferably about 0.5% by mass or more and about 5% by mass or less with respect to the total amount of the flux.

前記フラックスには、ハロゲン、つや消し剤、消泡剤及び無機フィラー等の添加剤を加えてもよい。
前記添加剤の配合量は、フラックス全量に対して10質量%以下であることが好ましい。またこれらの更に好ましい配合量はフラックス全量に対して5質量%以下である。
Additives such as halogens, matting agents, antifoaming agents and inorganic fillers may be added to the flux.
The blending amount of the additive is preferably 10% by mass or less with respect to the total amount of the flux. Moreover, these more preferable compounding quantities are 5 mass% or less with respect to the flux whole quantity.

前記鉛フリーはんだ合金の合金粉末とフラックスとの配合比率は、はんだ合金:フラックスの比率で65:35から95:5であることが好ましい。より好ましい配合比率は85:15から93:7であり、特に好ましい配合比率は87:13から92:8である。   The blending ratio of the alloy powder of the lead-free solder alloy and the flux is preferably 65:35 to 95: 5 in the ratio of solder alloy: flux. A more preferred blending ratio is 85:15 to 93: 7, and a particularly preferred blending ratio is 87:13 to 92: 8.

なお前記合金粉末の粒子径は1μm以上40μm以下であることが好ましく、5μm以上35μm以下であることがより好ましく、10μm以上30μm以下であることが特に好ましい。   The particle diameter of the alloy powder is preferably 1 μm or more and 40 μm or less, more preferably 5 μm or more and 35 μm or less, and particularly preferably 10 μm or more and 30 μm or less.

(3)はんだ接合部
本実施形態のはんだ接合部は、例えば前記ソルダペーストを基板上の所定位置に印刷し、これを例えば220℃から250℃の温度でリフローを行うことにより形成される。なお、このリフローにより基板上にははんだ接合部とフラックスを由来としたフラックス残さが形成される。
(3) Solder joint part The solder joint part of this embodiment is formed by, for example, printing the solder paste at a predetermined position on the substrate and performing reflowing at a temperature of, for example, 220 ° C to 250 ° C. This reflow forms a solder residue and a flux residue derived from the flux on the substrate.

またこのようなはんだ接合部を有する電子回路実装基板は、例えば基板上の所定の位置に電極及び絶縁層を形成し、所定のパターンを有するマスクを用いて本実施形態のソルダペーストを印刷し、当該パターンに適合する電子部品を所定の位置に搭載し、これをリフローすることにより作製される。   In addition, the electronic circuit mounting substrate having such a solder joint part is formed with electrodes and insulating layers at predetermined positions on the substrate, for example, and the solder paste of this embodiment is printed using a mask having a predetermined pattern, An electronic component that conforms to the pattern is mounted at a predetermined position and is reflowed.

このようにして作製された電子回路実装基板は、前記電極上にはんだ接合部が形成され、当該はんだ接合部は当該電極と電子部品とを電気的に接合する。そして前記基板上には、少なくともはんだ接合部に接着するようにフラックス残さが付着している。   In the electronic circuit mounting board thus manufactured, a solder joint is formed on the electrode, and the solder joint electrically joins the electrode and the electronic component. And on the said board | substrate, the flux residue has adhered so that it may adhere | attach to a solder joint part at least.

なお本実施形態のはんだ接合部は、図1に示すようなはんだ接合部30、即ち、フィレット部が電子部品の側面を覆いつつ、なだらかな裾広がりの形状となるように形成されたものでも良く、また図2に示すようなはんだ接合部40、即ち、フィレット部の電子部品の側面を覆う部分(フィレット部の体積)が少なく傾きの大きい形状となるように形成されたものでも良い。更には、本実施形態のはんだ接合部は、フィレット部のないもの、即ち電子部品の側面を覆うはんだ接合部がないような構成のものであっても良い。   In addition, the solder joint part of this embodiment may be formed so that the solder joint part 30 as shown in FIG. 1, that is, the fillet part covers the side surface of the electronic component and has a gently flared shape. Also, the solder joint portion 40 as shown in FIG. 2, that is, a portion that covers the side surface of the electronic component of the fillet portion (volume of the fillet portion) is small and has a shape with a large inclination. Furthermore, the solder joint part of the present embodiment may have a structure without a fillet part, that is, a structure with no solder joint part covering the side surface of the electronic component.

即ち、本実施形態の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部は、フィレット部が電子部品の側面を覆いつつなだらかな裾広がりの形状となるように形成されたはんだ接合部であっても、フィレット部の電子部品の側面を覆う部分(フィレット部の体積)が少なくその傾きの大きい形状となるように形成されたはんだ接合部であっても、そのいずれにおいても良好な亀裂進展抑制効果を発揮し得る。従って、本実施形態のはんだ接合部は、フィレット部の体積が小さい、若しくはフィレット部がないような形状であっても寒暖差が非常に大きく振動が負荷されるような過酷な環境下において使用することができる。   In other words, the solder joint formed using the lead-free solder alloy of the present embodiment is a solder joint formed so that the fillet portion has a gently flared shape while covering the side surface of the electronic component. Even if it is a solder joint part formed so that the part (volume of the fillet part) covering the side surface of the electronic component of the fillet part is small and the inclination is large, the crack growth suppressing effect is good in any of them. Can be demonstrated. Therefore, the solder joint part of the present embodiment is used in a severe environment in which the volume of the fillet part is small or the shape has no fillet part and the temperature difference is very large and vibration is applied. be able to.

このように、本実施形態のはんだ接合部は、その形状(フィレット部の体積)を問わず良好なはんだ亀裂進展抑制効果を発揮でき、寒暖差の激しい環境下で使用する電子回路実装基板における電子部品の高密度実装及びダウンサイジング化を実現し得る。
また上述の通り、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け時の加熱条件をSn−3Ag−0.5Cuはんだ合金と同等以下に設定し得るため、はんだ接合部を形成する基板や搭載する電子部品の選択肢を広げることができる。
As described above, the solder joint portion according to the present embodiment can exhibit a good solder crack progress suppressing effect regardless of its shape (volume of the fillet portion), and is an electron in an electronic circuit mounting board used in an environment with a severe temperature difference. High-density mounting of components and downsizing can be realized.
In addition, as described above, the lead-free solder alloy of the present embodiment can set the heating condition during soldering to be equal to or lower than that of the Sn-3Ag-0.5Cu solder alloy. The options for electronic components can be expanded.

そしてこのようなはんだ接合部を有する電子回路実装基板は、車載用電子回路実装基板といった高い信頼性の求められる電子回路実装基板にも好適に用いることができる。   And the electronic circuit mounting board | substrate which has such a solder joint part can be used suitably also for the electronic circuit mounting board | substrate with which high reliability is calculated | required, such as a vehicle-mounted electronic circuit mounting board | substrate.

またこのような電子回路実装基板を組み込むことにより、信頼性の高い電子制御装置が作製される。   Further, by incorporating such an electronic circuit mounting substrate, a highly reliable electronic control device is manufactured.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳述する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to these examples.

フラックスの作製
以下の各成分を混練し、実施例及び比較例に係るフラックスを得た。
水添酸変性ロジン(製品名:KE−604、荒川化学工業(株)製) 51質量%
硬化ひまし油 6質量%
ドデカン二酸 10質量%
マロン酸 1質量%
ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩 2質量%
ヒンダードフェノール系酸化防止剤(製品名:イルガノックス245、BASFジャパン(株)製) 1質量%
ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル 29質量%
Production of Flux The following components were kneaded to obtain fluxes according to Examples and Comparative Examples.
Hydrogenated acid-modified rosin (product name: KE-604, manufactured by Arakawa Chemical Industries, Ltd.) 51% by mass
Hardened castor oil 6% by mass
10% by weight of dodecanedioic acid
Malonic acid 1% by mass
Diphenylguanidine hydrobromide 2% by mass
Hindered phenol antioxidant (Product name: Irganox 245, manufactured by BASF Japan Ltd.) 1% by mass
Diethylene glycol monohexyl ether 29% by mass

ソルダペーストの作製
前記フラックス11質量%と、表1から表2に記載の各鉛フリーはんだ合金の粉末(粉末粒径20μmから38μm)89質量%とを混合し、実施例1から実施例21及び比較例1から18に係る各ソルダペーストを作製した。
なお、実施例及び比較例の各鉛フリーはんだ合金の液相線温度を表1及び表2に併記する。
Preparation of Solder Paste 11% by mass of the flux and 89% by mass of each lead-free solder alloy powder (powder particle size 20 μm to 38 μm) listed in Tables 1 to 2 were mixed, and Example 1 to Example 21 and Each solder paste according to Comparative Examples 1 to 18 was prepared.
In addition, the liquidus temperature of each lead-free solder alloy of an Example and a comparative example is written together in Table 1 and Table 2.

Figure 0006578393
Figure 0006578393

Figure 0006578393
Figure 0006578393

(1)シェア強度試験
以下の用具を用意した。
・3.2mm×1.6mmのサイズのチップ部品(Ni/Snめっき)
・上記当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジスト及び前記チップ部品を接続する電極(1.6mm×0.55mm)とを備えたプリント配線板(各ソルダペーストにつき2枚ずつ)
・上記パターンを有する厚さ150μmのメタルマスク
1種のソルダペーストにつき2枚の前記プリント配線板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペーストを印刷し、それぞれ前記チップ部品を搭載した。
その後、リフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各プリント配線板を加熱して、図2に示すようなフィレット部の体積が少なくその傾きが大きい形状のはんだ接合部を有する各電子回路実装基板を作製した。この際のリフロー条件は、プリヒートを170℃から190℃で110秒間、ピーク温度を240℃とし、200℃以上の時間が65秒間、220℃以上の時間が45秒間、ピーク温度から200℃までの冷却速度を3℃から8℃/秒とし、酸素濃度は1500±500ppmに設定した。
次に、使用したソルダペースト毎に1枚の前記各電子回路実装基板を−40℃(30分間)から125℃(30分間)の条件に設定した冷熱衝撃試験装置(製品名:ES−76LMS、日立アプライアンス(株)製)を用い、冷熱衝撃サイクルを1,000サイクル繰り返す環境下に曝した後これを取り出した。
そして、使用したソルダペースト毎に、前述の冷熱衝撃サイクルを与えた各電子回路実装基板とこれを与えなかった各電子回路実装基板それぞれのチップ部品のシェア強度をオートグラフ(製品名:EZ−L−500N、(株)島津製作所製)を用いて測定した。
なお、当該シェア強度の測定条件はJIS規定C60068−2−21に準拠した。また当該シェア強度の測定に際しては、ジグは端面が平坦で部品寸法と同等以上の幅を持つせん断ジグとし、せん断ジグをチップ部品側面に突き当てて所定のせん断速度で各電子回路実装基板に平行な力を加え、最大試験力を求めてこの値をシェア強度とした。また当該測定におけるせん断高さは部品高さの1/4以下とし、せん断速度は5mm/分とした。なお、各電子回路実装基板における評価チップ数は5個とした。
冷熱衝撃サイクルを与えなかった各電子回路実装基板のシェア強度の平均値をS0、冷熱衝撃サイクルを与えた電子回路実装基板のシェア強度の平均値をS1とし、以下の計算式に基づいてシェア強度低下率を算出した。各実施例及び各比較例におけるS0、S1及びシェア強度低下率の値を表3及び4に示す。
シェア強度低下率=(S0−S1)/S0×100
(1) Shear strength test The following tools were prepared.
・ Chip components with a size of 3.2 mm × 1.6 mm (Ni / Sn plating)
A printed wiring board (two for each solder paste) including a solder resist having a pattern capable of mounting the chip component of the size and an electrode (1.6 mm × 0.55 mm) for connecting the chip component.
-Metal mask with a thickness of 150 μm having the above pattern Each solder paste was printed on two printed wiring boards per one kind of solder paste using the metal mask, and the chip component was mounted on each of the printed wiring boards.
Thereafter, each printed wiring board is heated using a reflow furnace (product name: TNP-538EM, manufactured by Tamura Seisakusho Co., Ltd.) so that the volume of the fillet portion is small as shown in FIG. Each electronic circuit mounting board having a solder joint was produced. The reflow conditions at this time are: preheating from 170 ° C. to 190 ° C. for 110 seconds, peak temperature of 240 ° C., time of 200 ° C. or higher for 65 seconds, time of 220 ° C. or higher for 45 seconds, peak temperature to 200 ° C. The cooling rate was 3 ° C. to 8 ° C./second, and the oxygen concentration was set to 1500 ± 500 ppm.
Next, a thermal shock test apparatus (product name: ES-76LMS, in which each of the electronic circuit mounting substrates is set to -40 ° C. (30 minutes) to 125 ° C. (30 minutes) for each solder paste used. Hitachi Appliances Co., Ltd.) was used and exposed to an environment where the thermal shock cycle was repeated 1,000 cycles, and then this was taken out.
Then, for each solder paste used, the autograph (product name: EZ-L) shows the strength of each chip component of each electronic circuit mounting board to which the above-described thermal shock cycle is applied and each electronic circuit mounting board to which this is not applied. -500N, manufactured by Shimadzu Corporation).
In addition, the measurement conditions of the said shear strength were based on JIS specification C60068-2-21. When measuring the shear strength, the jig is a shear jig with a flat end face and a width equal to or greater than the component dimensions. The jig is abutted against the side of the chip part and parallel to each electronic circuit mounting board at a predetermined shear rate. The maximum test force was calculated and this value was taken as the shear strength. In addition, the shear height in the measurement was ¼ or less of the component height, and the shear rate was 5 mm / min. The number of evaluation chips on each electronic circuit mounting board was five.
The average value of the shear strength of each electronic circuit mounting board that was not given the thermal shock cycle was S0, the average value of the shear strength of the electronic circuit mounting board that was given the thermal shock cycle was S1, and the shear strength based on the following formula The reduction rate was calculated. Tables 3 and 4 show the values of S0, S1 and the shear strength reduction rate in each example and each comparative example.
Share strength reduction rate = (S0−S1) / S0 × 100

(2)シェア強度試験
3.2mm×1.6mmのサイズのチップ部品(Ni/Snめっき)を実装できるパターンを有するソルダレジスト及び前記チップ部品を接続する電極(1.6mm×1.2mm)とを備えたプリント配線板(各ソルダペーストにつき2枚ずつ)を用い、図1に示すような形状のはんだ接合部を形成する以外は上記(1)シェア強度試験と同じ条件にて各電子回路実装基板を作製してシェア強度を測定し、シェア強度低下率を算出した。各実施例及び各比較例におけるS0、S1及びシェア強度低下率の値を表3及び4に示す。
(2) Shear strength test A solder resist having a pattern capable of mounting a chip component (Ni / Sn plating) having a size of 3.2 mm × 1.6 mm and an electrode (1.6 mm × 1.2 mm) connecting the chip component Each printed circuit board is mounted under the same conditions as in the above (1) shear strength test, except that a printed wiring board (two per solder paste) is used and a solder joint having a shape as shown in FIG. 1 is formed. A substrate was prepared, the shear strength was measured, and the shear strength reduction rate was calculated. Tables 3 and 4 show the values of S0, S1 and the shear strength reduction rate in each example and each comparative example.

(3)SnめっきSONはんだ亀裂試験
以下の用具を用意した。
・6mm×5mm×0.8tmmサイズの1.3mmピッチSON(Small Outline Non−leaded package)部品(端子数8ピン、製品名:STL60N3LLH5、STMicroelectronics社製)
・上記SON部品を実装できるパターンを有するソルダレジスト及び前記SON部品を接続する電極(メーカー推奨設計に準拠)とを備えたプリント配線板
・上記パターンを有する厚さ150μmのメタルマスク
前記プリント配線板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペーストを印刷し、それぞれに前記SON部品を搭載した。
その後、リフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各プリント配線板を加熱して、図1に示すようなはんだ接合部を有する各電子回路実装基板を作製した。この際のリフロー条件は、プリヒートを170℃から190℃で110秒間、ピーク温度を240℃とし、200℃以上の時間が65秒間、220℃以上の時間が45秒間、ピーク温度から200℃までの冷却速度を3℃から8℃/秒とし、酸素濃度は1,500±500ppmに設定した。
次に、−40℃(30分間)から125℃(30分間)の条件に設定した冷熱衝撃試験装置(製品名:ES−76LMS、日立アプライアンス(株)製)を用い、冷熱衝撃サイクルを2,000、3,000サイクル繰り返す環境下に前記各電子回路実装基板をそれぞれ曝した後これを取り出し、各試験基板を作製した。
次いで各試験基板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂(製品名:エポマウント(主剤及び硬化剤)、リファインテック(株)製)を用いて封止した。更に湿式研磨機(製品名:TegraPol−25、丸本ストルアス(株)製)を用いて各試験基板に実装された前記SON部品の中央断面が分かるような状態とし、はんだ接合部に発生した亀裂がはんだ接合部を完全に横断して破断に至っているか否かについて走査電子顕微鏡(製品名:TM−1000、(株)日立ハイテクノロジーズ製)を用いて観察した。
この観察に基づき、はんだ接合部とSON部品の電極の界面(の金属間化合物)に発生した亀裂に分けて以下のように評価した。その結果を表3及び表4に表す。なお、各冷熱衝撃サイクルにおける評価SON数は20個とし、SON1個あたりゲート電極の1端子を観察し、合計20端子の断面を確認した。
(3) Sn plating SON solder crack test The following tools were prepared.
・ 1.3mm pitch SON (Small Outline Non-leaded package) parts of 6mm x 5mm x 0.8tmm (8 pins, product name: STL60N3LLH5, manufactured by STMicroelectronics)
A printed wiring board having a solder resist having a pattern capable of mounting the SON component and an electrode (compliant with the manufacturer's recommended design) for connecting the SON component. A metal mask having the pattern having a thickness of 150 μm on the printed wiring board. Each solder paste was printed using the metal mask, and the SON component was mounted on each solder paste.
Thereafter, each printed wiring board is heated using a reflow furnace (product name: TNP-538EM, manufactured by Tamura Corporation) to produce each electronic circuit mounting board having a solder joint as shown in FIG. did. The reflow conditions at this time are: preheating from 170 ° C. to 190 ° C. for 110 seconds, peak temperature of 240 ° C., time of 200 ° C. or higher for 65 seconds, time of 220 ° C. or higher for 45 seconds, peak temperature to 200 ° C. The cooling rate was 3 ° C. to 8 ° C./second, and the oxygen concentration was set to 1,500 ± 500 ppm.
Next, using a thermal shock test apparatus (product name: ES-76LMS, manufactured by Hitachi Appliances Co., Ltd.) set to -40 ° C. (30 minutes) to 125 ° C. (30 minutes), the thermal shock cycle is 2, Each of the electronic circuit mounting substrates was exposed to an environment where 000 and 3,000 cycles were repeated, and then taken out to prepare each test substrate.
Subsequently, the target part of each test board | substrate was cut out, and this was sealed using the epoxy resin (Product name: Epomount (main agent and hardening | curing agent), the refine tech Co., Ltd. product). Furthermore, using a wet polishing machine (product name: TegraPol-25, manufactured by Marumoto Struers Co., Ltd.), the cracks occurred in the solder joints so that the center cross section of the SON component mounted on each test board can be seen. Was observed using a scanning electron microscope (product name: TM-1000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) as to whether or not the solder joint part completely crossed and reached the fracture.
Based on this observation, evaluation was performed as follows by dividing into cracks that occurred at the interface (intermetallic compound) between the solder joint and the electrode of the SON component. The results are shown in Tables 3 and 4. Note that the number of SONs evaluated in each thermal shock cycle was 20, and one terminal of the gate electrode was observed per SON, and the cross section of a total of 20 terminals was confirmed.

◎:3,000サイクルまで前記界面を完全に横断する亀裂が発生しない
○:2,001から3,000サイクルの間で前記界面を完全に横断する亀裂が発生
×2,000サイクルまでの間で前記界面を完全に横断する亀裂が発生
A: Cracks completely crossing the interface are not generated until 3,000 cycles. O: Cracks completely crossing the interface are generated between 2,001 to 3,000 cycles. Cracks completely crossing the interface

(3)針状物質の確認
2Lのステンレスビーカーに実施例及び比較例に係るはんだ合金のインゴット50g、硬化ひまし油890g及び水添酸変性ロジン(製品名:KE−604、荒川化学工業(株)製)10gを入れ、マントルヒーターを用いてこれを加熱した。
前記ステンレスビーカーの内容物の温度を計測し、これが160℃に達した時点でホモジナイザー((株)エスエムテー製)を使用して2000rpmの回転条件にて前記内容物の攪拌を開始した。そして前記内容物の温度が270℃に到達した時点でその加熱を停止し、前記ホモジナイザーの回転条件を10,000rpmに変更して前記内容物を5分間撹拌した。
その後、前記ホモジナイザーの回転を停止させ、前記内容物を室温まで冷却した。次いで、前記内容物のうち、硬化ひまし油中に沈降した各はんだ合金の粉末を取り出して酢酸エチルで硬化ひまし油が除去されるまで洗浄した。そして洗浄後の各はんだ合金の粉末を実体顕微鏡にて観察し、その状態を以下の基準にて評価した。
○:針状物質の発生なし
×:針状物質の発生あり
(3) Confirmation of needle-like substance 50 g of solder alloy ingot and 890 g of hardened castor oil and hydrogenated acid-modified rosin (product name: KE-604, manufactured by Arakawa Chemical Industries, Ltd.) in a 2 L stainless beaker ) 10 g was added and heated using a mantle heater.
The temperature of the contents of the stainless beaker was measured, and when the temperature reached 160 ° C., stirring of the contents was started using a homogenizer (manufactured by SMT Co., Ltd.) at a rotational speed of 2000 rpm. Then, when the temperature of the contents reached 270 ° C., the heating was stopped, the rotation condition of the homogenizer was changed to 10,000 rpm, and the contents were stirred for 5 minutes.
Thereafter, the rotation of the homogenizer was stopped, and the contents were cooled to room temperature. Next, the solder alloy powder settled in the hardened castor oil was taken out of the contents and washed with ethyl acetate until the hardened castor oil was removed. And the powder of each solder alloy after washing | cleaning was observed with the stereomicroscope, and the state was evaluated on the following references | standards.
○: No acicular substance is generated ×: Acicular substance is generated

Figure 0006578393
Figure 0006578393

Figure 0006578393
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以上に示す通り、実施例に係る鉛フリーはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部は、フィレット部が電子部品の側面を覆いつつなだらかな裾広がりの形状となるように形成されたものであっても、フィレット部の電子部品の側面を覆う部分が少なくその傾きが大きい形状となるように形成されたものであっても、いずれにおいても寒暖の差が激しく振動が負荷されるような過酷な環境下での良好な亀裂抑制効果及びシェア強度の低下抑制効果を発揮し得ることが分かる。また実施例に係る鉛フリーはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部は、プリント配線板の電極にNi/Pd/AuめっきやNi/Auめっきがなされておらずとも、前記界面付近における亀裂進展抑制効果を発揮し得る。
更に言えば、実施例に係る鉛フリーはんだ合金は、良好な亀裂抑制効果を奏しシェア強度の低下を抑制しつつ、針状物質の生成をも抑制できることが分かる。
As described above, the solder joint portion formed using the lead-free solder alloy according to the embodiment is formed so that the fillet portion has a gently flared shape while covering the side surface of the electronic component. However, even in cases where the fillet part has a small part covering the side surface of the electronic component and has a large inclination, it is a harsh environment where the difference between cold and warm is intense and vibration is applied in any case. It can be seen that a good crack suppressing effect and a shear strength lowering suppressing effect can be exhibited. In addition, the solder joint formed by using the lead-free solder alloy according to the example suppresses crack propagation near the interface even when the printed wiring board electrode is not subjected to Ni / Pd / Au plating or Ni / Au plating. It can be effective.
Furthermore, it can be seen that the lead-free solder alloy according to the example can suppress the generation of acicular substances while exhibiting a good crack suppressing effect and suppressing a decrease in shear strength.

従って、このようなはんだ接合部を有する電子回路実装基板は、そのはんだ接合部の形状、即ちフィレット部の体積の大小を問わず車載用電子回路実装基板といった寒暖差が激しく且つ高い信頼性の求められる電子回路実装基板にも好適に用いることができる。更にこのような電子回路実装基板は、より一層高い信頼性が要求される電子制御装置に好適に使用することができる。   Therefore, an electronic circuit mounting board having such a solder joint has a severe temperature difference and requires high reliability, such as an in-vehicle electronic circuit mounting board, regardless of the shape of the solder joint, that is, the volume of the fillet. It can also be suitably used for an electronic circuit mounting substrate. Furthermore, such an electronic circuit mounting board can be suitably used for an electronic control device that is required to have higher reliability.

100,200 電子回路実装基板
10 基板
11 電極
12 絶縁層
20 電子部品
30,40 はんだ接合部
31,41 フラックス残さ
100, 200 Electronic circuit mounting substrate 10 Substrate 11 Electrode 12 Insulating layer 20 Electronic component 30, 40 Solder joint 31, 41 Flux residue

Claims (9)

2.5質量%以上4質量%以下のAgと、0.6質量%以上0.75質量%以下のCuと、2質量%以上6質量%以下のBiと、0.01質量%以上0.04質量%以下のNiと、0.01質量%以上0.04質量%以下のCoとを含み、残部がSnからなり、
Ni及びCoの合計含有量が0.05質量%以下であることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
2.5 mass% or more and 4 mass% or less of Ag, 0.6 mass% or more and 0.75 mass% or less of Cu, 2 mass% or more and 6 mass% or less of Bi, and 0.01 mass% or more and 0.0. Containing 04% by mass or less of Ni and 0.01% by mass or more and 0.04% by mass or less of Co, with the balance being Sn,
A lead-free solder alloy characterized in that the total content of Ni and Co is 0.05% by mass or less.
Agの含有量が2.5質量%以上3.8質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1, wherein the Ag content is 2.5 mass% or more and 3.8 mass% or less. Biの含有量が3質量%以上4.5質量%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1 or 2, wherein the Bi content is 3% by mass or more and 4.5% by mass or less. Niの含有量が0.02質量%以上0.04質量%以下であり、Coの含有量が0.01質量%以上0.03質量%以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。   The Ni content is 0.02% by mass or more and 0.04% by mass or less, and the Co content is 0.01% by mass or more and 0.03% by mass or less. 4. The lead-free solder alloy according to any one of 3 above. 更にP、Ga及びGeの少なくともいずれかを合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。   5. The lead-free solder alloy according to claim 1, further comprising at least one of P, Ga, and Ge in a total amount of 0.001% by mass to 0.05% by mass. . 更にFe、Mn、Cr及びMoの少なくともいずれかを合計で0.001質量%以上0.05質量%以下含むことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free product according to any one of claims 1 to 5, further comprising at least one of Fe, Mn, Cr, and Mo in a total amount of 0.001% by mass or more and 0.05% by mass or less. Solder alloy. 粉末状の鉛フリーはんだ合金であって請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金と、
ベース樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスを有することを特徴とするソルダペースト。
A lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 6, which is a powdered lead-free solder alloy,
A solder paste comprising a flux containing a base resin, a thixotropic agent, an activator, and a solvent.
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有することを特徴とする電子回路実装基板。   An electronic circuit mounting board having a solder joint formed by using the lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 6. 請求項8に記載の電子回路実装基板を有することを特徴とする電子制御装置。

An electronic control device comprising the electronic circuit mounting board according to claim 8.

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