JP6745453B2 - はんだ合金およびそれを用いた実装構造体 - Google Patents
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Description
0.5質量%以上、1.25質量%以下のSbと、
以下の式(I)または(II):
0.5≦[Sb]≦1.0の場合
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb] ・・・(I)
1.0<[Sb]≦1.25の場合
5.5≦[In]≦6.35+0.212[Sb] ・・・(II)
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成るはんだ合金が提供される。
Sb含有割合が0.5質量%以上、1.0質量%以下であり、In含有割合が前記式(I)を満たす、第1の本発明に記載のはんだ合金が提供される。
0.5≦[Sb]≦1.0と、
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb]
かつ[In]≦6.1と
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0.01質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成ることを特徴とする第1、2の本発明に記載のはんだ合金が提供される。
150℃以上において、少なくともSbが固溶したγ相およびβ−Sn相を含む合金組織を有する、第1の本発明または第2の本発明に記載のはんだ合金が提供される。
電子部品が回路基板に実装された実装構造体であって、電子部品の電極部と回路基板の電極部とが、第1〜4の本発明のいずれかに記載のはんだ合金によって接合されている、実装構造体が提供される。
0.5質量%以上、1.25質量%以下のSbと、
以下の式(I)または(II):
0.5≦[Sb]≦1.0の場合
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb] ・・・(I)
1.0<[Sb]≦1.25の場合
5.5≦[In]≦6.35+0.212[Sb] ・・・(II)
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成る。
はんだ合金に含有されるSn、Ag、Bi、In、Cu、Sbを、Agが3.5質量%、Biが0.5質量%、Inが6.0質量%、Cuが0.8質量%、Sbが0.5質量%、Coが0.016質量%、残部がSnとなり、合計で100gとなるように秤量した。
秤量したSnを、セラミック製のるつぼ内に投入し、500℃の温度および窒素雰囲気に調整して、電気式ジャケットヒータの中に設置した。
Snが溶融したことを確認した後、Inを投入し、3分間攪拌した。
Biを投入し、更に3分間攪拌した。
Agを投入し、更に3分間攪拌した。
Sbを投入し、更に3分間攪拌した。
Cuを投入し、更に3分間攪拌した。
Coを投入し、さらに3分間攪拌した。
その後、るつぼを電気式ジャケットヒータから取り出して、25℃の水が満たされた容器に浸漬して冷却し、これによりはんだ合金を作製した。
以下、これを「はんだ合金A」と称し、その合金組成はSn−3.5Ag−0.5Bi−6.0In−0.8Cu−0.5Sb−0.016Coで表される。
まず、はんだ合金におけるIn含有割合およびSb含有割合について説明する。
これは、Sb含有によって合金組織の状態が変化するためである。Sb含有割合が比較的小さい場合、SbはSn−In系合金においてInと同様にSnに固溶する。更にSb含有割合が大きくなると、Inと化合物(InSb)を形成して合金組織中に析出する。
Inと共にSbがSnに固溶することにより、温度変化時のSnやInの元素の移動が抑制され、β−Sn相とγ相の変態開始温度を変化させる。
はんだ合金の機械的特性は、Sbが固溶することで、In固溶と同様にはんだ合金の強度を向上させる。加えて、後述するが、ある特定のIn含有割合の際に見られる高温での延性向上を、Sbの固溶は更に促進することを、本発明者らは新たに見出している。
更にSb含有割合が大きくなると、結晶組織間にピンのようにInSbが析出し、変形を抑制する。一方で、InSbの析出により延性は低下するため、耐熱疲労特性向上には過度のInSbの析出は不適である。
75℃未満である場合を「×」として評価した。また、175℃における機械的特性(引
張強度および伸び)について、従来例1の場合と比較して改善されている場合を「○」、
同等またはそれ未満である場合を「×」として評価し、特に175℃での伸びが30%以
上改善されている場合を「◎」として評価した。
(式1)
0.5≦[Sb]≦1.0の場合:
ΔTt=20×[Sb]
1.0<[Sb]≦1.25の場合:
ΔTt=4×[Sb]+16
(式中、ΔTtは、変態温度上昇量(℃)を表す。)
(式2)
[In]≧5.5
図2は、表2に示すSb含有割合が0.50質量%の場合のIn含有割合と変態温度との関係を示す図である。図2中、横軸はSb含有割合を、縦軸は変態温度を示している。
Sb含有割合が0.50質量%の場合、In含有割合と変態温度の関係は次の式3の関係となる。
(式3)
Tt=−18.9×[In]+289
(式中、Ttは、変態温度(℃)を表す。)
(式4)
Tt=−18.9×[In]+279
(式中、Ttは、変態温度(℃)を表す。)
(式5)
5.5≦[In]≦6.5
かつ
0.5≦[Sb]≦1.0の場合:
−18.9×[In]+279+20×[Sb]≧175
1.0<[Sb]≦1.25の場合:
−18.9×[In]+279+4×[Sb]+16≧175
(式6)
0.5≦[Sb]≦1.25
かつ
0.5≦[Sb]≦1.0の場合:
5.5≦[In]≦5.50+1.06×[Sb]
1.0<[Sb]≦1.25の場合:
5.5≦[In]≦6.35+0.212×[Sb]
(式7)
0.5≦[Sb]≦1.0かつ、
5.5≦[In]≦5.50+1.06×[Sb]
かつ[In]≦6.5
より好ましくは、次の式8の関係
(式8)
0.5≦[Sb]≦1.0かつ、
5.5≦[In]≦5.50+1.06×[Sb]
かつ[In]≦6.1
を満たすことが望ましい。
表1の実施例1−2と、比較例1−1とを比較すると、175℃における伸びが増加しているため、Inを含有するSn系はんだ合金において、Sbが所定の範囲で含まれるとき、高温での延性向上が生じることがわかる。Inを含有するSn系はんだ合金において、Sbが所定の範囲で含まれるときに生じる、このような高温での延性向上が、Coを所定の含有割合で含有させた場合にさらに促進されることを、本発明者らは新たに見出した。
Cuは、はんだ付け時の融点の低下および被接合部材の材質の選択性向上の目的で含有している。
このうち、被接合部材の母材がNiの場合は、Inを含みかつCuを含まないまたは少量含むはんだ合金を用いてはんだ付けを行った際に、界面反応層(Ni3Sn4)においてInが一部取り込まれる。そのため、はんだ付け後のはんだ接合部の機械的特性の変化が生じる。被接合部材の母材がNiの場合、界面反応層に一部取り込まれる量だけInを予め多く含有する必要がある。しかしながら、実際の回路基板においては、一枚の回路基板上に様々な電子部品が搭載されるため、母材がCu、Niそれぞれの電子部品が搭載される場合には、In含有割合の予めの調整は困難である。
しかし、はんだ合金に一定量のCuを含有することで、はんだ付け時にはんだ合金中のCuが界面反応層にCu6Sn5系の合金層を形成し、Inの取り込みを防ぐことができ、被接合部材の選択性が向上する。
このようなCu含有の効果を発現するためには、Cu含有割合が0.5質量%以上であることを、本出願人による特願2013−245191で明らかにしている。よって、Cu含有割合の下限値は0.5質量%である。
Biは、はんだ材料の機械的強度の向上と融点の低下の目的で含有している。はんだ合金中では、Bi含有割合が3.0質量%以下の比較的小さい場合はβ−Snに固溶し、Bi含有割合が大きくなるとBiまたはBi化合物が析出する形で存在する。
Agは、はんだ付け時のぬれ性の改善、融点の低下の目的で含有しており、はんだ合金中ではAg3Sn化合物およびAg2Inの形態で存在する。
まず、作製したはんだ合金を、粒径数十μmのはんだ粉に加工し、はんだ粉とフラックスとを90:10の重量比となるように秤量し、これらを混練することではんだペーストを作製した。このはんだペーストを、厚さ15μmのメタルマスクを用いて回路基板上の回路基板電極に印刷した。印刷したはんだペースト上に、チップ抵抗を搭載し、最高240℃の条件でリフロー加熱を行い、実装構造体を作製した。使用した回路基板の回路基板電極の母材は、CuおよびNiであった。
このようにして作製した実装構造体を−40℃/175℃の温度サイクル試験に付して、2000サイクル後のはんだ接合部の変形を目視観察した。目視観察で変形が認められなかった場合に電気的接続の評価を行い、初期との抵抗値の変化が10%以上あったものを電気的不良「あり」とし、変化が無かったものまたは10%未満であったものを電気的不良「なし」として判定した。なお、表6の電気的不良欄における「−」は評価を行わなかったことを示す。
はんだ合金および実装構造体の作製方法は前記と同様である。使用した回路基板の回路基板電極の母材は、Cuであった。
このようにして作製した実装構造体を175℃に設定したホットプレート上にて加熱し、500gの重りを高さ10cmの場所から落下させる試験に付してチップ抵抗が脱落するまでの回数を測定した。脱落するまでの回数が30回以上であったものを脱落判定「◎」、20回以上30回未満であったものを脱落判定「〇」、20回未満のものを脱落判定「×」とした。
図3に実施した耐衝撃試験の結果を示す。縦軸が重りの落下回数、横軸が使用したはんだの名称である。
他方、In、Sb含有割合が異なる比較例5−1〜5−4では、はんだ接合部の自己変形および電気的不良のいずれかが発生した。
Cuを含有しない比較例5−5では、はんだ接合部の自己変形は発生しないものの、回路基板電極の母材がNiの場合に断線が発生した。
また、Cu含有割合が1.5質量%の比較例5−6、Biを含有しない比較例5−7、Bi含有割合が3.5質量%の比較例5−8、Agを含有しない比較例5−9では、電気的不良が発生した。
また、従来例1〜2では、いずれもはんだ接合部の自己変形が発生した。
0.5質量%以上、1.25質量%以下のSbと、
以下の式(I)または(II):
0.5≦[Sb]≦1.0の場合
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb] ・・・(I)
1.0<[Sb]≦1.25の場合
5.5≦[In]≦6.35+0.212[Sb] ・・・(II)
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成るはんだ合金において、本発明の効果を奏することが確認された。かかるはんだ合金は、150℃以上において、少なくともSbが固溶したγ相およびβ−Sn相を含む合金組織で構成され、175℃の環境においても、耐熱疲労特性に優れた接合部を形成することが可能となる。
0.5質量%以上、1.0質量%以下のSbと、
以下の式(I):
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb] ・・・(I)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成る。かかるはんだ合金は、150℃以上において、少なくともSbが固溶したγ相およびβ−Sn相を含む合金組織で構成され、175℃の環境においても、更に耐熱疲労特性に優れたはんだ接合部を形成することが可能となる。
0.5≦[Sb]≦1.0と、
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb]
かつ[In]≦6.1
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0.01質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部はSnから成る。かかるはんだ合金は、150℃以上において、少なくともSbが固溶したγ相、β−Sn相を含む合金組織で構成され、175℃の環境においても、特に耐熱疲労特性および耐衝撃特性に優れたはんだ接合部を形成することが可能となる。
Claims (5)
- 変態温度が175℃以上であるはんだ合金であって、0.5質量%以上、1.25質量%以下のSbと、
以下の式(I)または(II):
0.5≦[Sb]≦1.0の場合
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb] ・・・(I)
1.0<[Sb]≦1.25の場合
5.5≦[In]≦6.35+0.212[Sb] ・・・(II)
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0.01質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成るはんだ合金。 - Sb含有割合が0.5質量%以上、1.0質量%以下であり、In含有割合が前記式(I)を満たす、請求項1に記載のはんだ合金。
- 0.5≦[Sb]≦1.0と、
5.5≦[In]≦5.50+1.06[Sb]
かつ[In]≦6.1と
(式中、[Sb]はSb含有割合(質量%)、[In]はIn含有割合(質量%)を表す)
を満たすInと、
0.5質量%以上、1.2質量%以下のCuと、
0.1質量%以上、3.0質量%以下のBiと、
1.0質量%以上、4.0質量%以下のAgと、
0.01質量%以上、0.025質量%以下のCoと
を含有し、残部がSnから成ることを特徴とする請求項1または2に記載のはんだ合金。 - 150℃以上において、少なくともSbが固溶したγ相およびβ−Sn相を含む合金組織を有する、請求項1または2に記載のはんだ合金。
- 電子部品が回路基板に実装された実装構造体であって、電子部品の電極部と回路基板の電極部とが、請求項1〜4のいずれかに記載のはんだ合金によって接合されている、実装構造体。
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