JP6708942B1 - はんだ合金、はんだペースト、プリフォームはんだ、はんだボール、線はんだ、脂入りはんだ、はんだ継手、電子回路基板および多層電子回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】中〜低温域でのソルダリングを含むステップ・ソルダリングに適し、かつ、機械的信頼性に優れるはんだ合金を提供する。このようなはんだ合金を含むはんだペースト、プリフォームはんだ、はんだボール、線はんだ、脂入りはんだおよびはんだ継手を提供する。このようなはんだ合金を用いた電子回路基板および多層電子回路基板を提供する。【解決手段】質量％で、Ｉｎを１３〜２２％、Ａｇを０．５〜２．８％、Ｂｉを０．５〜５．０％、Ｎｉを０．００２〜０．０５％含有し、残部がＳｎからなる合金組成を有する、はんだ合金。このはんだ合金を含む、はんだペースト、プリフォームはんだ、はんだボール、線はんだ、脂入りはんだおよびはんだ継手。このはんだ合金を用いた電子回路基板および多層電子回路基板。【選択図】図９

Description

本発明は、主成分がＳｎのはんだ合金、当該はんだ合金の用途、および、当該はんだ合金が用いられる電子回路基板に関する。

近年、環境に対する配慮から、鉛を含有しない鉛フリーはんだ合金が使用されている。鉛フリーはんだ合金としては、ＳＡＣ３０５（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）が挙げられる。ＳＡＣ３０５の融点は２２０℃程度である。ＳＡＣ３０５を用いたソルダリング中、リフロー炉の温度のピークは一般的に２５０℃程度の中温域に設定される。

一方で、小型化した電子部品への熱的負荷を抑制するため、低温域でのソルダリングも要求されている。低温域でのソルダリングには、低融点の鉛フリーはんだ合金が用いられる。このようなはんだ合金としては、Ｓｎ−５８ＢｉおよびＳｎ−５２Ｉｎが挙げられる。Ｓｎ−５８Ｂｉの融点は１４０℃程度である。Ｓｎ−５２Ｉｎのそれは１２０℃程度である。低温域でのソルダリング中、リフロー炉の温度のピークは一般的に１５０〜１６０℃に設定される。

ところで、多段階でソルダリングが行われるステップ・ソルダリングでは、上述した中温と低温の中間の温度域でソルダリングが行われることが予想される。このような中間温度域に融点を有する鉛フリーはんだ合金に関連する従来技術として、特許文献１が挙げられる。特許文献１は、Ｓｎ、ＡｇおよびＩｎの３元素からなる鉛フリーはんだ合金を開示する。この従来のはんだ合金は、１６７〜２１２℃の固相線温度と、１７９〜２１３℃の液相線温度とを有する。

また、本願に関連する従来技術として、特許文献２が挙げられる。特許文献２は、Ｓｎ、Ｉｎ、ＡｇおよびＣｕからなる鉛フリーはんだ合金を開示する。特許文献２は、これらの必須元素の含有量の異なるはんだ合金の例をいくつか開示する。これらの例の固相線温度は、何れも１２０℃程度である。

また、本願に関連する別の従来技術として、特許文献３が挙げられる。特許文献３は、０．５〜５質量％のＡｇと、０．５〜２０質量％のＩｎと、０．１〜３質量％のＢｉと、３質量％以下の添加元素と、残部のＳｎとからなる鉛フリーはんだ合金が記載されている。この添加元素は、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種である。特許文献３は、添加元素としてのＮｉが０．５および１．５重量％が含まれた合金の例を開示する。

特開平６−１５４７６号公報 特開２０１３−１９８９３７号公報 特開２００４−１８８４５３号公報

上述した中間温度域でのソルダリングを含むステップ・ソルダリングには、単に融点が低いだけの鉛フリーはんだ合金は不向きである。すなわち、Ｓｎ−５８Ｂｉに代表される低温系はんだ合金の融点以下の温度で溶融する性質は、低温系はんだ合金のソルダリングのステップにおいて再溶融するおそれがある。したがって、低温系はんだ合金の融点を下回る固相線温度を有する特許文献２のはんだ合金を、当該低温系はんだ合金のソルダリングのステップとは異なるステップのソルダリングに供することはできない。

また、特許文献３のはんだ合金は、融点に着目して開発されたものではない。そのため、中間温度域でのソルダリングに適したはんだ合金であるかどうかが分からない。

また、このようなステップ・ソルダリングに適したはんだ合金は、融点の要件を満たすだけではなく、機械的信頼性に優れていることも重要である。故に、これらの観点に着目したはんだ合金に対する開発の余地がある。

本発明の１つの目的は、中〜低温域でのソルダリングを含むステップ・ソルダリングに適し、かつ、機械的信頼性に優れるはんだ合金を提供することにある。本発明の別の目的は、このようなはんだ合金を含むはんだペースト、プリフォームはんだ、はんだボール、線はんだ、脂入りはんだおよびはんだ継手を提供することにある。本発明のまた別の目的は、このようなはんだ合金を用いた電子回路基板および多層電子回路基板を提供することにある。

本発明者らは、まず、ＳｎおよびＩｎの２元素からなるＳｎ−Ｉｎ系の合金から出発して検討を始めた。この合金は、Ｉｎの含有量が一定量以上になると、ＩｎとＳｎによるγ相と呼ばれる金属間化合物の相を形成する。ただし、このγ相は脆いことから、はんだ合金の延性を低下させるリスクがある。そこで、延性を低下させることなく所望の機械的特性を達成できるよう、Ｉｎの含有量は２０重量％前後に設定された。

Ｉｎの含有量の決定後、中〜低温域でのソルダリングに供されるはんだ合金として適切な融点を有する添加元素が検討された。その結果、Ｓｎ−Ｉｎ系の合金にＡｇ、ＢｉおよびＮｉが適量添加されることで、融点が最適な範囲に調整されるだけでなく、機械的特性も改善されることが見出された。以上の検討から、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｇ、ＢｉおよびＮｉの５元素を適量添加したはんだ合金が、上述した課題を解決する最適なはんだ合金であるという知見が得られた。

第１の発明は、次の特徴を有するはんだ合金である。
前記はんだ合金は、質量％で、Ｉｎを１３〜２２％、Ａｇを０．５〜２．８％、Ｂｉを０．５〜５．０％、Ｎｉを０．００２〜０．０５％含有し、残部がＳｎからなる合金組成を有する。

第２の発明は、第１の発明において更に次の特徴を有する。
前記合金組成が、更に、質量％で、Ｐ、ＧｅおよびＧａから選ばれる少なくとも１種を合計で０．０９％以下含有する。

第３の発明は、第１または第２の発明において更に次の特徴を有する。
前記合金組成が、更に、質量％で、Ｓｂを０．００５〜０．１％含有する。

第４の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つにおいて更に次の特徴を有する。
Ｉｎの含有量は１５〜２０％である。

第５の発明は、第４の発明において更に次の特徴を有する。
Ｉｎの含有量の上限は１７％である。

第６の発明は、第１〜５の発明のいずれか１つにおいて更に次の特徴を有する。
Ａｇの含有量が１．０〜２．５％である。

第７の発明は、第１〜６の発明のいずれか１つにおいて更に次の特徴を有する。
Ｂｉの含有量が１．０〜２．５％である。

第８の発明は、第１〜７の発明のいずれか１つにおいて更に次の特徴を有する。
Ｎｉの含有量が０．００３〜０．０４％である。

第９の発明は、第１〜８の発明のいずれか１つにおいて更に次の特徴を有する。
Ｉｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｎｉの含有量が下記（１）式を満たす。
０．９≦（Ｉｎ×Ｎｉ）×（Ａｇ＋Ｂｉ）≦３．４ ・・・（１）
（１）式中、Ｉｎ、Ｎｉ、Ａｇ、およびＢｉは、各元素の含有量を表す。

第１０の発明は、第１〜９の発明のいずれか１つにおいて更に次の特徴を有する。
前記はんだ合金の固相線温度は１６０℃以上である。
前記はんだ合金の液相線温度は２１０℃以下である。

第１１の発明は、第１０の発明において更に次の特徴を有する。
前記固相線温度は１６５℃以上である。
前記液相線温度は２００℃以下である。

第１２の発明は、はんだペーストである。
前記はんだペーストは、第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金からなる。

第１３の発明は、プリフォームはんだである。
前記プリフォームはんだは、第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金からなる。

第１４の発明は、はんだボールである。
前記はんだボールは、第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金からなる。

第１５の発明は、線はんだである。
前記線はんだは、第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金からなる。

第１６の発明は、脂入りはんだである。
前記脂入りはんだは、第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金からなる。

第１７の発明は、はんだ継手である。
前記はんだ継手は、第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金（第１〜１１の発明のいずれか１つのはんだ合金以外のはんだ合金を含まない）で構成される。

第１８の発明は、電子回路基板である。
前記電子回路基板は、第１７の発明のはんだ継手を用いて接合される。

第１９の発明は、第１８の発明において更に次の特徴を有する。
前記電子回路基板は、前記電子部品よりも高い耐熱温度を有する高耐熱性の電子部品を更に備える。
前記高耐熱性の電子部品は、別のはんだ継手を用いて前記電子回路基板に接合される。
前記別のはんだ継手は、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の液相線温度よりも高い融点を有する別のはんだ合金で構成される。

第２０の発明は、第１８の発明において更に次の特徴を有する。
前記電子回路基板は、前記電子部品よりも低い耐熱温度を有する低耐熱性の電子部品を更に備える。
前記低耐熱性の電子部品は、別のはんだ継手を用いて前記電子回路基板に接合される。
前記別のはんだ継手は、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の固相線温度よりも低い融点を有する別のはんだ合金で構成される。

第２１の発明は、多層電子回路基板である。
前記多層電子回路基板は、第１基板と、第２基板とを備える。
前記第１基板は、第１７の発明のはんだ継手を用いて接合される電子部品を備える。
前記第２基板は、前記第１基板に積層される。前記第２基板は、前記電子部品よりも高い耐熱温度を有する高耐熱性の電子部品を備える。
前記高耐熱性の電子部品と前記第２基板とは、別のはんだ継手を用いて接合される。
前記別のはんだ継手は、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の液相線温度よりも高い融点を有する別のはんだ合金で構成される。

第２２の発明は、多層電子回路基板である。
前記多層電子回路基板は、第１基板と、第２基板とを備える。
前記第１基板は、第１７の発明のはんだ継手を用いて接合される電子部品を備える。
前記第２基板は、前記第１基板に積層される。前記第２基板は、前記電子部品よりも低い耐熱温度を有する低耐熱性の電子部品を備える。
前記低耐熱性の電子部品と前記第２基板とは、別のはんだ継手を用いて接合される。
前記別のはんだ継手は、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の固相線温度よりも低い融点を有する別のはんだ合金で構成される。

Ｓｎ−Ｉｎ系の合金中のＩｎの含有量と、融点との関係を示した図である。 Ｓｎ−２０Ｉｎ−Ａｇ系の合金中のＡｇの含有量と、融点との関係を示した図である。 Ｓｎ−２０Ｉｎ−Ｂｉ系の合金中のＢｉの含有量と、融点との関係を示した図である。 電子回路基板の第１の例を示す模式図である。 電子回路基板の第２の例を示す模式図である。 多層電子回路基板の第１の例を示す模式図である。 多層電子回路基板の第２の例を示す模式図である。 実施例２および比較例２の断面ＳＥＭ写真である。 実施例３および比較例４の断面ＳＥＭ写真である。 実施例２および比較例２の断面ＳＥＭ写真である。 実施例３および比較例４の断面ＳＥＭ写真である。

本発明を以下に詳細に説明する。なお、本明細書において、はんだ合金に含有される元素の「％」は、特に指定しない限り「質量％」を表す。また、本明細書において、中〜低温域とは、１６０〜２１０℃の温度域を表す。中温域は、中〜低温域の上限（つまり、２１０℃）よりも高い温度域を表す。低温域は、中〜低温域の下限（つまり、１６０℃）よりも低い温度域を表す。また、本明細書において、融点とは、固相線温度または液相線温度を表す。

１．はんだ合金
本発明に係るはんだ合金は、Ｉｎを１３〜２２％、Ａｇを０．５〜２．８％、Ｂｉを０．５〜５．０％、Ｎｉを０．００２〜０．０５％含有し、残部がＳｎからなる合金組成を有する。以下、この合金組成を構成する元素と、それらの含有量について説明する。

１．１ Ｉｎ：１３〜２２％
Ｉｎは、はんだ合金の融点を下げる性質を有する。図１は、Ｓｎ−Ｉｎ系の合金中のＩｎの含有量と、融点との関係を示した図である。図１に示すように、Ｓｎ−Ｉｎ系の合金の融点は、Ｉｎの含有量が多くなるにつれて下がる傾向にある。ただし、Ｉｎの含有量が２０％よりも多くなると、固相線温度が急激に低下し始める。Ｉｎの含有量が２５％よりも多くなると、固相線温度が約１１７℃まで低下する。そのため、Ｉｎの含有量が２５％よりも多い合金をベースとするはんだ合金は、中温域でのソルダリングに供されるはんだ合金として適切でない。この点、Ｉｎの含有量の上限が２２％程度であれば、固相線温度の条件が満たされる。故に、この上限は２２％である。固相線温度の条件の充足性の観点からすると、好ましい上限は２１％であり、より好ましい上限は２０％である。

中〜低温域において、Ｉｎの含有量が５％よりも少ない合金は、β−Ｓｎ相と呼ばれるＳｎ−ｒｉｃｈの相を形成する。Ｉｎの含有量が５％よりも多くなると、合金は、γ相と呼ばれるＩｎＳｎ_４化合物の相を形成する。このγ相は、Ｉｎの含有量が５〜２５％で安定的に形成される。ただし、Ｉｎの含有量が少なくなると、温度変化に伴いγ相とβ−Ｓｎ相の間で相変態が生じるリスクがある。相変態が生じると、体積の変化による変形が起きるので、機械的信頼性が低下するリスクがある。この点、Ｉｎの含有量の下限が１３％であれば、この変形を抑えることができる。故に、この下限は１３％である。機械的信頼性の観点からすると、好ましい下限は、１５％である。

また、γ相は、ＳＡＣ３０５に比べると脆い性質を有する。そのため、γ相中のＩｎの含有量が多くなると、はんだ合金の延性が低下して機械的信頼性が低下するリスクがある。そのため、延性を確保する観点からすると、Ｉｎの含有量の上限は多すぎないことが好ましい。具体的な好ましい上限は、１７％である。

１．２ Ａｇ：０．５〜２．８％
Ａｇは、はんだ合金の融点を変える性質を有する。図２は、Ｓｎ−２０Ｉｎ−Ａｇ系の合金中のＡｇの含有量と、融点との関係を示した図である。図２に示すように、中〜低温域には液相線温度が位置する。この液相線温度は、Ａｇの含有量が２．８％以下では、含有量が多くなるにつれて下がる傾向にある。Ａｇの含有量が２．８％よりも多くなると、液相線温度が上昇に転ずる。そのため、Ａｇの含有量が２．８％よりも多くなると、Ｉｎの添加による融点の低下を妨げる可能性がある。故に、Ａｇの含有量の上限は２．８％である。液相線温度の上昇を抑える観点からすると、好ましい上限は、２．５％である。

Ａｇは、ＩｎとＡｇ_２Ｉｎ化合物を形成する。この金属間化合物の相が析出すると、はんだ合金の変形を抑えることができる。この効果を発揮させる観点から、Ａｇの含有量の下限は０．５％である。析出物を粗大化してこの効果を高める観点からすると、好ましい下限は、１．０％である。

１．３ Ｂｉ：０．５〜５．０％
Ｂｉは、はんだ合金の融点を下げる性質を有する。図３は、Ｓｎ−２０Ｉｎ−Ｂｉ系の合金中のＢｉの含有量と、融点との関係を示した図である。図３に示すように、中〜低温域には液相線温度が位置する。この液相線温度は、Ｂｉの含有量が多くなるにつれて下がる傾向にある。ただし、Ｂｉの含有量が多くなることで、はんだ合金の融点が下がり過ぎることは望ましくない。故に、Ｂｉの含有量の上限は５．０％である。液相線温度の低下を抑える観点からすると、好ましい上限は、２．５％である。

ＢｉはＳｎに一定量固溶する。Ｂｉが固溶することで、はんだ合金の変形を抑えることができる。この効果を発揮させる観点から、Ｂｉの含有量の下限は０．５％に設定された。好ましい下限は、１．０％である。また、Ｂｉの過度の固溶は、はんだ合金の延性を低下させるリスクがある。この観点からすると、Ｂｉの含有量の上限は多すぎないことが好ましい。具体的な好ましい上限は、２．５％である。

１．４ Ｎｉ
Ｎｉは、合金組織を微細化する性質を有する。合金組織が微細化されることで、はんだ合金の機械的特性が向上する。この効果を発揮させる観点から、Ｎｉの含有量の下限は０．００２％に設定された。好ましい下限は０．００３％であり、より好ましい下限は０．００４％である。一方、Ｎｉによる過剰な微細化は、はんだ合金の延性を低下させるリスクがある。加えて、Ｎｉの過剰な添加は、はんだ合金の液相線温度を上昇させる。この観点からすると、Ｎｉの含有量は多すぎないことが望ましい。故に、Ｎｉの含有量の上限は０．０５％である。好ましい上限は０．０４％であり、より好ましい上限は０．０３％である。

１．５ Ｓｎ：残部
本発明に係るはんだ合金の残部は、Ｓｎから構成される。また、はんだ合金には、上述した必須元素の他に、不可避的不純物が含まれていてもよい。不可避的不純物が含まれていても、はんだ合金による効果に影響はない。不可避的不純物としては、Ｐｂ、Ａｓが挙げられる。

１．６ 含有量の関係
本発明に係るはんだ合金において、Ｉｎ、Ａｇ、ＢｉおよびＮｉの各含有量は上述したとおりである。ただし、後述する実施例の結果から、これらの含有量の関係は、下記（１）式を満たしていることが好ましい。
０．９≦（Ｉｎ×Ｎｉ）×（Ａｇ＋Ｂｉ）≦３．４ ・・・（１）
（１）式中、Ｉｎ、Ｎｉ、Ａｇ、およびＢｉは、各元素の含有量（質量％）を表す。

Ｉｎ、Ａｇ、ＢｉおよびＮｉの含有量が上述した範囲内にあり、かつ、上記（１）式を満たすはんだ合金は、融点および機械的特性の観点から好ましい。なお、狙いとする融点および機械的特性の観点からすると、上記（１）式の上限は、２．５５であることがより好ましい。

２．その他の添加元素
本発明に係るはんだ合金には、上述した必須元素の他に、次の元素が任意に含まれていてもよい。この場合、任意の元素が添加されたはんだ合金の残部をＳｎが構成する。

２．１ Ｐ、ＧｅおよびＧａから選ばれる少なくとも１種：０．０９％以下
Ｐ、ＧｅおよびＧａは、Ｓｎの酸化を抑制するとともに、はんだ合金の濡れ性を改善する性質を有する。そのため、これらの元素は、本発明に係るはんだ合金に任意に添加される。特に本発明に係るはんだ合金をプリフォームはんだとして用いる場合は、その表面の変色を抑制することができるため、これらの元素から選ばれる少なくとも１種が添加されることが好ましい。

これらの元素から選ばれる少なくとも１種が添加される場合、その含有量の上限は合計で０．０９％である。合計で０．０９％を超えると、はんだ表面におけるはんだ合金の流動性が阻害される可能性がある。これらの元素の各含有量は特に限定されない。ただし、Ｐの好ましい含有量は、０．００３〜０．０５％である。Ｇｅの好ましい含有量は、０．００２〜０．０８％である。Ｇａの好ましい含有量は、０．００５〜０．０８％である。

２．２ Ｓｂ：０．００５〜０．１％
Ｓｂは、Ｎｉと同様に、合金組織を微細化する性質を有する。そのため、Ｓｂは、本発明のはんだ合金に任意に添加される。Ｓｂが添加される場合、その含有量は０．００５〜０．１％である。Ｓｂの含有量が０．００５％よりも少ないと、微細化効果が発揮されない。Ｓｂの含有量が０．１％よりも多いと、はんだ合金の液相線温度を上昇させる。

３．はんだ合金の融点
本発明に係るはんだ合金の融点は、中〜低温域内の温度であれば特に限定されない。ただし、本発明に係るはんだ合金の固相線温度は、１６０℃以上であることが好ましい。固相線温度が１６０℃以上であると、中〜低温域でのソルダリングを含むステップ・ソルダリングにおいて次の効果が期待される。すなわち、低温系はんだ合金のソルダリング中に、ソルダリング済みの本発明に係るはんだ合金が再溶融するのを防ぐことができる。低温系はんだ合金としては、Ｓｎ−５８ＢｉおよびＳｎ−５２Ｉｎが挙げられる。好ましい固相線温度は、１６５℃以上である。

また、本発明に係るはんだ合金の液相線温度は、２１０℃以下であることが好ましい。液相線温度が２１０℃以下であると、中〜低温域でのソルダリングを含むステップ・ソルダリングにおいて次の効果が期待される。すなわち、本発明に係るはんだ合金のソルダリング中に、ソルダリング済みの中温系または高温系はんだ合金が再溶融するのを防ぐことができる。中温系はんだ合金としては、ＳＡＣ３０５が挙げられる。高温系はんだ合金としては、Ｓｎ−９０Ｐｂのはんだ合金が挙げられる。好ましい液相線温度は、２００℃以下である。

４．はんだ合金の用途
４．１ はんだペースト
本発明に係るはんだ合金は、はんだペーストとして好適に用いられる。はんだペーストは、粉末状のはんだ合金と、ロジン系樹脂、活性剤、溶剤等を含むフラックスとを混合することにより製造される。フラックスは、当業界において一般的に用いられているものであれば、使用される材料やその配合比は特に限定されない。また、粉末状のはんだ合金とフラックスとの配合比（質量比）は、一般的に９０：１０である。ただし、この配合比は、はんだペーストの用途に応じて適宜調整される。

４．２ プリフォームはんだ
本発明に係るはんだ合金は、リボン形状、ディスク形状、ワッシャー形状、チップ形状、リング形状に成型されたプリフォームはんだとしても好適に用いられる。プリフォームはんだは、当業界において一般的に知られた方法により製造される。プリフォームはんだが有する形状は、上述した形状に限られず、その用途に応じて適宜変更される。プリフォームはんだは、その内部にフラックスを有していてもよい。プリフォームはんだは、その表面がフラックスでコーティングされていてもよい。

４．３ はんだボール
本発明に係るはんだ合金は、はんだボールとしても好適に用いられる。はんだボールは、例えばＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）などの半導体パッケージに半球状のバンプを形成するために使用される。はんだボールは、当業界において一般的に知られた方法により製造される。本発明に係るはんだ合金をはんだボールとして使用する場合、その直径は１〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。また、真球度は、０．９０以上が好ましく、０．９５以上がより好ましく、０．９９以上が最も好ましい。

４．４ 線はんだおよび脂入りはんだ
本発明に係るはんだ合金は、ワイヤー状に加工された線はんだとしても好適に用いられる。また、線はんだは、その内部にフラックスを有する脂入りはんだとしても好適に用いられる。線はんだおよび脂入りはんだは、はんだ鏝を用いたソルダリングに適している。線はんだおよび脂入りはんだは、当業界において一般的に知られた方法で製造される。

４．５ はんだ継手
本発明に係るはんだ合金は、はんだ継手としても好適に用いられる。はんだ継手は、半導体パッケージにおいてＩＣチップなどの電子部品と、プリント基板（例えば、インターポーザ）とを接続する。または、はんだ継手は、半導体パッケージと、プリント回路基板とを接合して接続する。はんだ継手は、接合箇所に形成される接続部である。はんだ継手は、一般的なソルダリング条件の下で形成される。

５．電子回路基板
本発明に係るはんだ合金がはんだ継手として機能する場合、このはんだ継手を介して電子部品が接合される電子回路基板は、本発明に係る電子回路基板に該当する。

５．１ 単層電子回路基板
図４は、本発明に係る電子回路基板の第１の例を示す模式図である。図４に示す基板１０は、電子部品１１および１２を備えている。基板１０は、例えば、プリント回路基板である。電子部品１１および１２は、例えば、ＩＣチップである。電子部品１１の最高使用温度は、中〜低温域の温度である。電子部品１２の最高使用温度は、中温域の下限（つまり、２１０℃）よりも高い温度である。つまり、電子部品１２の耐熱性は、電子部品１１のそれに比べて高い。

第１の例において、電子部品１１は、はんだ継手１３を介して基板１０に接合される。はんだ継手１３は、本発明に係るはんだ合金から構成される。一方、電子部品１２は、はんだ継手１４を介して基板１０に接合される。はんだ継手１４は、中温系または高温系はんだ合金から構成される。つまり、はんだ継手１４は、本発明に係るはんだ合金の液相線温度よりも高い融点（より正確には、固相線温度）を有する別のはんだ合金から構成される。

図５は、本発明に係る電子回路基板の第２の例を示す模式図である。なお、図５に示す電子部品１１およびはんだ継手１３は、図４に示した例と共通する。そのため、これらの説明については省略する。図５に示す基板２０は、電子部品２１を備えている。基板２０は、例えば、プリント回路基板である。電子部品２１は、例えば、ＩＣチップである。電子部品２１の最高使用温度は、低温域の下限（つまり、１６０℃）よりも低い温度である。つまり、電子部品２１の耐熱性は、電子部品１１のそれに比べて低い。

第２の例において、電子部品２１は、はんだ継手２２を介して基板２０に接合される。はんだ継手２２は、低温系はんだ合金から構成される。つまり、はんだ継手２２は、本発明に係るはんだ合金の固相線温度よりも低い融点（より正確には、液相線温度）を有する別のはんだ合金から構成される。

５．２ 多層電子回路基板
図６は、本発明に係る多層電子回路基板の第１の例を示す模式図である。図６に示す基板３０は、基板３１に基板３２およびインターポーザ３３が積層された多層基板である。基板３１は、例えば、プリント回路基板である。基板３２は、例えば、パッケージ基板である。基板３２は、インターポーザ３３と、電子部品３４とを備えている。本発明において、基板３２は第１基板に該当し、インターポーザ３３は第２基板に該当する。インターポーザ３３は、電子部品３５を備えている。

電子部品３４および３５は、例えば、ＩＣチップである。電子部品３４の最高使用温度は、中温域の下限よりも高い温度である。電子部品３５の最高使用温度は、中〜低温域の温度である。つまり、電子部品３４の耐熱性は、電子部品３５のそれに比べて高い。

第１の例において、電子部品３５は、はんだ継手３６を介してインターポーザ３３に接合される。はんだ継手３６は、本発明に係るはんだ合金から構成される。一方、電子部品３４は、はんだ継手３７を介して基板３２に接合される。はんだ継手３７は、基板３１と３２との接合、および、基板３２とインターポーザ３３との接合にも用いられる。はんだ継手３７は、中温系または高温系はんだ合金から構成される。つまり、はんだ継手３７は、本発明に係るはんだ合金の液相線温度よりも高い融点（より正確には、固相線温度）を有する別のはんだ合金から構成される。

図７は、本発明に係る多層電子回路基板の第２の例を示す模式図である。なお、図７に示す基板３１および３２と、インターポーザ３３とは図６に示した例と共通する。そのため、これらの説明については省略する。図７に示す基板４０は、電子部品４１を備えている。インターポーザ３３は、電子部品４１を備えている。

電子部品４１および４２は、例えば、ＩＣチップである。電子部品４１の最高使用温度は、中〜低温域の温度である。電子部品４２の最高使用温度は、低温域の下限よりも低い温度である。つまり、電子部品４２の耐熱性は、電子部品４１のそれに比べて低い。

第２の例において、電子部品４１は、はんだ継手４３を介して基板３２に接合される。はんだ継手４３は、本発明に係るはんだ合金から構成される。はんだ継手４３は、基板３１と３２との接合、および、基板３２とインターポーザ３３との接合にも用いられる。一方、電子部品４２は、はんだ継手４４を介してインターポーザ３３に接合される。はんだ継手４４は、低温系はんだ合金から構成される。つまり、はんだ継手４４は、本発明に係るはんだ合金の液相線温度よりも低い融点（より正確には、固相線温度）を有する別のはんだ合金から構成される。

６．その他
ステップ・ソルダリングでは、相対的に高い融点を有するはんだ合金を用いたソルダリングがより先に行われる。相対的に低い融点を有するはんだ合金を用いたソルダリングは、より後に行われる。ステップ・ソルダリングは、例えば、リフロー法を用いて行われる。リフローソルダリングでは、ソルダリングに供されるはんだ合金の液相線温度よりも５〜２０℃程度高い温度まで周囲温度を上昇させることが好ましい。その後、２〜３℃／ｓｅｃで周囲温度を冷却することが好ましい。このようなリフローソルダリングを行うことで、合金組織がより微細化する。この他の接合条件は、はんだ合金および接合対象の性質に応じて適宜調整される。

７．実施例
表１に示す合金組成からなるはんだ合金を調整し、これらはんだ合金の融点を測定した。また、これらのはんだ合金について、冷熱サイクル付きのシェア試験により信頼性を評価した。

７．１ 融点
固相線温度と液相線温度は、ＪＩＳ Ｚ ３１９８−１の測定方法と同様のＤＳＣ（Differential scanning calorimetry）による方法で実施した。固相線温度が１６０℃以上のサンプルは「〇」と評価し、１６０℃よりも低いサンプルは「×」と評価した。固相線温度が１６５℃以上のサンプルは「◎」と評価した。液相線温度が２１０℃以下のサンプルは「〇」と評価し、２１０℃よりも高いサンプルは「×」と評価した。液相線温度が２００℃以下のサンプルは「◎」と評価した。

７．２ 冷熱サイクル付きシェア試験
はんだ合金をアトマイズしてはんだ粉末を得た。このはんだ粉末をフラックスと混和してはんだペーストを作製した。このはんだペーストを、厚さ１００μｍのメタルマスクを用い、厚さが０．８ｍｍのプリント基板（材質：ＦＲ−４）に印刷した。このプリント基板にＢＧＡ部品を、マウンターを用いて実装した。そして、最高温度２００℃、保持時間６０秒の条件でリフローソルダリングを行い、基板サンプルを得た。

基板サンプルを低温−４０℃、高温＋１００℃、保持時間１０分の条件に設定したヒートサイクル試験装置に入れ、１０００サイクルの時点で取り出した。その後、この試験基板を、せん断強度測定装置（ＲＨＥＳＣＡ社製 ＳＴＲ−１０００）により、６ｍｍ／ｓｅｃの条件でシェア強度（Ｎ）を測定した。シェア強度が３０．００Ｎ以上であるサンプルは、実用上問題なく使用することができるレベルにあると判断して「○」と評価した。シェア強度が３０．００Ｎ未満であるサンプルは「×」と評価した。なお、融点の評価が「×」となったサンプルについては、シェア試験の対象外とした。

評価結果を表１に示す。

実施例１〜２５の融点の結果から、これらの実施例は、融点の条件を満たすことが分かった。実施例１は固相線温度が１８０℃であり、液相線温度は１９６℃であった。実施例２は固相線温度が１７３℃であり、液相線温度が１９５℃であった。実施例３は固相線温度が１６７℃であり、液相線温度が１９１℃であった。これらの結果は、主成分であるＳｎの融点を下げる性質を有するＩｎ、ＡｇおよびＢｉが適量添加されることで、狙いとする融点が実現されたことを証明している。また、シェア試験の結果から、これらの実施例は、冷熱サイクル耐性に優れることも分かった。これらの結果は、機械的特性を改善するＡｇ、ＢｉおよびＮｉが適量添加されることで、狙いとする機械的特性が実現されたことを証明している。

比較例１の融点の結果から、比較例１は、固相線温度が１５４℃となり、１６０℃を下回ることが分かった。この結果は、Ａｇの添加量が多くなるほど固相線温度が下がり続けることを示している。

比較例２〜４の融点およびシェア強度の結果から、これらの比較例は、融点の評価が良好であるものの、冷熱サイクル耐性に劣ることが分かった。シェア強度の結果は、Ｎｉの不添加が影響している可能性を示している。

比較例５、８〜１３の融点の結果から、これらの比較例は、液相線温度が２１０℃を上回ることが分かった。これらの結果は、Ｉｎの添加量が少ないと、液相線温度が十分に下がらないことを示している。また、比較例８〜１３の融点の結果は、Ｎｉの添加量が多すぎることで、液相線温度が上昇した可能性を示している。そして、この可能性は、比較例７、１４〜１７の液相線温度の結果と、比較例８〜１３のそれとが同じであったことから支持される。

比較例６の融点の結果から、比較例６は、固相線温度が１３５℃となり、１６０℃を下回ることが分かった。この結果は、Ｉｎの添加量が２５％よりも多くなると、固相線温度が急激に下がることを示している。

７．３ 合金組織の観察
比較例２〜４における考察を確認するため、実施例２および３のはんだ合金と、比較例２および４のはんだ合金とを調整した。比較例２のはんだ合金は、実施例２のそれからＮｉを除いた組成を有する。比較例４のはんだ合金は、実施例３のそれからＮｉを除いた組成を有する。

樹脂モールドを用いてこれらのはんだ合金を成型し、サンプルを得た。サンプルを半分程度研磨し、研磨箇所をＦＥ−ＳＥＭにて１０００倍の倍率で撮影した。図８は、実施例２および比較例２の断面ＳＥＭ写真である。図９は、実施例３および比較例４の断面ＳＥＭ写真である。図８および９から、Ｎｉを含有する実施例２または３の合金組織は、対応する比較例のそれに比べて微細化されることが分かった。この結果から、比較例２〜４において述べた考察が妥当である可能性が示された。なお、図８および９に示す黒色部は、研磨により失われた金属間化合物を表している。

また、これらのはんだ合金から調整したはんだ粉末を用い、基板サンプルを得た。基板サンプルの作製手法は、シェア試験でのそれに準じて行われた。そして、ＢＧＡ端子とプリント基板の接合界面を、ＦＥ−ＳＥＭにて１０００倍の倍率で撮影した。図１０は、実施例２および比較例２の断面ＳＥＭ写真である。図１１は、実施例３および比較例４の断面ＳＥＭ写真である。図１１および１２から、実施例２または３の合金組織の微細化は、ＢＧＡ端子の状態でも保たれることが分かった。この結果から、本発明に係るはんだ合金が、ＢＧＡ端子、およびはんだ継手として有用である可能性が示された。

１０、２０、３０、３１、４０ 基板
１１、１２、２１、３４、３５、４１、４２ 電子部品
１３、１４、２２、３６、３７、４３、４４ はんだ継手
３３ インターポーザ

Claims (22)

1. 質量％で、Ｉｎを１３〜２２％、Ａｇを０．５〜２．８％、Ｂｉを０．５〜５．０％、Ｎｉを０．００２〜０．０５％含有し、残部がＳｎからなる合金組成を有する、はんだ合金。
2. 前記合金組成は、更に、質量％で、Ｐ、ＧｅおよびＧａから選ばれる少なくとも１種を合計で０．０９％以下含有する、請求項１に記載のはんだ合金。
3. 前記合金組成は、更に、質量％で、Ｓｂを０．００５〜０．１％含有する、請求項１または２に記載のはんだ合金。
4. Ｉｎの含有量が１５〜２０％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ合金。
5. Ｉｎの含有量の上限が１７％である、請求項４に記載のはんだ合金。
6. Ａｇの含有量が１．０〜２．５％である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のはんだ合金。
7. Ｂｉの含有量が１．０〜２．５％である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のはんだ合金。
8. Ｎｉの含有量が０．００３〜０．０４％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のはんだ合金。
9. Ｉｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｎｉの含有量が下記（１）式を満たす、請求項１〜８のいずれか１項に記載のはんだ合金。
   ０．９≦（Ｉｎ×Ｎｉ）×（Ａｇ＋Ｂｉ）≦３．４ ・・・（１）
   （（１）式中、Ｉｎ、Ｎｉ、Ａｇ、およびＢｉは、各元素の含有量を表す。）
10. 固相線温度が１６０℃以上であり、液相線温度が２１０℃以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のはんだ合金。
11. 前記固相線温度が１６５℃以上であり、前記液相線温度が２００℃以下である、請求項１０に記載のはんだ合金。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金からなるはんだペースト。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金からなるプリフォームはんだ。
14. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金からなるはんだボール。
15. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金からなる線はんだ。
16. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金からなる脂入りはんだ。
17. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金（請求項１〜１１のいずれか１項に記載のはんだ合金以外のはんだ合金を含まない）で構成されるはんだ継手。
18. 請求項１７に記載のはんだ継手を用いて接合される電子部品を備える電子回路基板。
19. 前記電子部品よりも高い耐熱温度を有する高耐熱性の電子部品を更に備え、
    前記高耐熱性の電子部品が、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の液相線温度よりも高い融点を有する別のはんだ合金で構成される別のはんだ継手を用いて接合される、請求項１８に記載の電子回路基板。
20. 前記電子部品よりも低い耐熱温度を有する低耐熱性の電子部品を更に備え、
    前記低耐熱性の電子部品が、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の固相線温度よりも低い融点を有する別のはんだ合金で構成される別のはんだ継手を用いて接合される、請求項１８に記載の電子回路基板。
21. 請求項１７に記載のはんだ継手を用いて接合される電子部品を備える第１基板と、
    前記第１基板に積層され、前記電子部品よりも高い耐熱温度を有する高耐熱性の電子部品を備える第２基板と、を備え、
    前記高耐熱性の電子部品と前記第２基板とが、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の液相線温度よりも高い融点を有する別のはんだ合金で構成される別のはんだ継手を用いて接合される、多層電子回路基板。
22. 請求項１７に記載のはんだ継手を用いて接合される電子部品を備える第１基板と、
    前記第１基板に積層され、前記電子部品よりも低い耐熱温度を有する低耐熱性の電子部品を備える第２基板と、を備え、
    前記低耐熱性の電子部品と前記第２基板とが、前記はんだ継手を構成する前記はんだ合金の固相線温度よりも低い融点を有する別のはんだ合金で構成される別のはんだ継手を用いて接合される、多層電子回路基板。

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