JP7323853B1 - はんだ合金、はんだペースト、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだ継手、車載電子回路、ecu電子回路、車載電子回路装置、およびecu電子回路装置 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの知見により得られた本発明は以下のとおりである。
0.00018≦Ag×Cu×Sb×Fe×Co≦0.00203 (1)
0.08≦Ag×Cu×Bi≦1.85 (2)
0<Sb×Fe×Co≦0.00139 (3)
上記(1)式~(3)式中、Ag、Cu、Bi、Sb、Fe、およびCoは、各々前記合金組成の含有量(質量%)を表す。
(1) Ag:3.0~3.8%
Agは、はんだ合金の濡れ性を向上させるとともに、Ag3Snの網目構造が形成されるために耐ヒートサイクル性の向上に寄与する。Agの含有量が3.8質量%を超えると、はんだ合金の液相線温度が高くなり、Sbの再固溶が発生せず、SnSbが微細にならず、耐ヒートサイクル性が低下する。また、粗大なAg3Snの析出により、耐ヒートサイクル性および熱伝導性が劣化する。Agの含有量の上限は3.8%以下であり、好ましくは3.6%以下であり、より好ましくは3.5%以下であり、更に好ましくは3.4%以下である。
Cuは、Cuランドに対するCu食われ防止するとともに、優れた熱伝導性や耐ヒートサイクル性を維持し、更に液相線温度を下げることができる。Cuの含有量が1.0%を大幅に超えると、液相線温度が上昇することがある。また、粗大なCu6Sn5化合物が形成されるため、濡れ性が低下し、更には熱伝導率や耐ヒートサイクル性も低下する。Cuの含有量の上限は1.0%以下であり、好ましくは0.9%以下であり、より好ましくは0.8%以下であり、更に好ましくは0.7%以下である。
Sbは、ヒートサイクル試験の125℃ではSnに固溶した状態を呈し、温度低下に伴ってSnマトリックス中のSbが徐々に過飽和状態で固溶するようになる。そして、Biが下記範囲内である場合、-40℃ではSnSb化合物として析出する組織を形成する。これにより、本発明に係るはんだ合金は、高温時でははんだ合金の固溶強化がなされ、低温時では析出強化がなされるため、優れた耐ヒートサイクル性を示す。Sbの含有量が7.9%を超える場合には、液相線温度が上昇することがある。また、粗大なSnSb化合物の析出量が多くなり、耐ヒートサイクル性や熱伝導性が低下する。さらに、濡れ性も低下する。これに加えて、はんだ合金の脆化が起こる。Sbの含有量の上限は、7.9%以下であり、好ましくは7.0%以下であり、より好ましくは6.0%以下であり、更に好ましくは5.0%以下であり、特に好ましくは4.0%以下であり、最も好ましくは3.8%以下であり、3.5%以下であってもよく、3.2%以下であってもよい。
Biは、濡れ性の向上、固相線温度や液相線温度の低下、および耐ヒートサイクル性の向上に寄与する。SnSb化合物のSbと置換し、Sbより原子量が多く結晶格子を歪ませる効果が大きいため、耐ヒートサイクル性を向上させることができる。また、Biは、微細なSnSb化合物の形成を妨げることがなく、析出強化型のはんだ合金が維持される。
Feは、優れた濡れ性を維持するとともに、溶融はんだの凝固時に凝固核として機能するため、過冷却の抑制によりSn結晶粒が微細になり、また、耐ヒートサイクル性の向上に寄与する。Feの含有量が0.040%を大幅に超えると、液相線温度が上昇することがある。また、濡れ性が劣化する。さらに、粗大なSnFe化合物が析出するため、耐ヒートサイクル性が低下する。液相線温度が上昇する程度にまでにFeの含有量が多いと、熱伝導率が低下する。Feの含有量の上限は0.040%以下であり、好ましくは0.030%以下である。
Coは、Feと同様に、優れた濡れ性を維持するとともに、溶融はんだの凝固時に凝固核として機能するため、過冷却の抑制によりSn結晶粒が微細になり、また、耐ヒートサイクル性が向上する。Coの含有量が0.020%を超えると、粗大なSnCo化合物が析出するため、耐ヒートサイクル性が低下する。液相線温度が上昇する程度にまでにFeの含有量が多いと、熱伝導率が低下する。Coの含有量の上限は0.020%以下であり、好ましくは0.010%以下であり、より好ましくは0.009%以下である。
0.00018≦Ag×Cu×Sb×Fe×Co≦0.00203 (1)
0.08≦Ag×Cu×Bi≦1.85 (2)
0<Sb×Fe×Co≦0.00139 (3)
上記(1)式~(3)式中、Ag、Cu、Bi、Sb、Fe、およびCoは、各々合金組成の含有量(質量%)を表す。
本発明に係るはんだ合金は、本発明の効果が損なわれない範囲において、任意元素を含有してもよい。これらの任意元素は、合計で0.1%以下であれば本発明の効果が維持される。下限は特に限定されないが、0.001%以上であればよい。
本発明に係るはんだ合金の残部はSnである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。なお、Niははんだ継手の接合界面に析出する化合物の遊離を促進するため、含有しない方がよい。
本発明に係るはんだペーストは、上述の合金組成からなるはんだ粉末とフラックスとの混合物である。本発明において使用するフラックスは、常法によりはんだ付けが可能であれば特に制限されない。したがって、一般的に用いられるロジン、有機酸、活性剤、そして溶剤を適宜配合したものを使用すればよい。本発明において金属粉末成分とフラックス成分との配合割合は特に制限されないが、好ましくは、金属粉末成分:80~90質量%、フラックス成分:10~20質量%である。
本発明に係るはんだ合金は、はんだボールとして使用することができる。はんだボールとして使用する場合は、本発明に係るはんだ合金を、当業界で一般的な方法である滴下法を用いてはんだボールを製造することができる。また、はんだボールを、フラックスを塗布した1つの電極上にはんだボールを1つ搭載して接合する等、当業界で一般的な方法で加工することによりはんだ継手を製造することができる。はんだボールの粒径は、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは10μm以上であり、さらに好ましくは20μm以上であり、特に好ましくは30μm以上である。はんだボールの粒径の上限は好ましくは3000μm以下であり、より好ましくは1000μm以下であり、さらに好ましくは800μm以下であり、特に好ましくは600μm以下である。
本発明に係るはんだ合金は、プリフォームとして使用することができる。プリフォームの形状としては、ワッシャ、リング、ペレット、ディスク、リボン、ワイヤー等が挙げられる。
本発明に係るはんだ継手は、少なくとも2つ以上の被接合部材の接合に好適に使用される。被接合部材とは、例えば、素子、基板、電子部品、プリント基板、絶縁基板、ヒートシンク、リードフレーム、電極端子等を用いる半導体及び、パワーモジュール、インバーター製品など、本発明に係るはんだ合金を用いて電気的に接続されるものであれば特に限定されない。
本発明に係るはんだ合金は、これまでの説明からも明らかなように、耐ヒートサイクル性および熱伝導性に優れている。このため、過酷な環境に曝される自動車用、つまり車載用として使用されても、クラックの成長や進展が促進されることはない。したがって、そのような特に顕著な特性を備えていることから、本発明に係るはんだ合金は、自動車に搭載する電子回路のはんだ付けに特に適していることがわかる。
本発明に係るはんだ合金は、その原材料として低α線量材を使用することにより低α線量合金を製造することができる。このような低α線量合金は、メモリ周辺のはんだバンプの形成に用いられるとソフトエラーを抑制することが可能となる。
本発明の効果を立証するため、表2および表3に記載のはんだ合金を用いて、(1)固相線温度および液相線温度、(2)熱伝導率、(3)過冷却、(4)耐ヒートサイクル性、ならびに(5)濡れ性を評価した。
表2及び表3に記載した各合金組成を有するはんだ合金について、DSC曲線から各々の温度を求めた。DSC曲線は、セイコーインスツルメンツ社製のDSC(型番:Q2000)により、大気中で5℃/minで昇温して得られた。得られたDSC曲線から液相線温度を求め、溶融温度とした。また、DSC曲線から固相線温度も評価した。固相線温度が210℃以上であるとともに、液相線温度が230℃未満である場合には、「◎」と判定した。固相線温度が210℃以上であるとともに、液相線温度が230℃以上250℃以下である場合には、「〇」と判定した。固相線温度が210℃未満であるか、または液相線温度が250℃を超える場合には、「×」と判定した。
表2及び表3に示すはんだ合金のシートを用い、φ10mm、厚さ3mmのサンプルを作製した。これらのサンプルの熱伝導率を、熱伝導率計(アドバンス理工製、装置名:TC7000)を用い、レーザーフラッシュ法により、サンプル毎に熱拡散率αの測定を3回行い、3回の合計を3で除した値を熱伝導率の平均値として求めた。サンプルの比熱C(J/(g・K))を、サンプル毎に3回測定し、3回の合計を3で除した値を比熱の平均値として求めた。そして、アルキメデス法によって求めた密度ρを使用して、熱伝導率λは下式に従って計算した。熱伝導率が50[W/m/K]以上である場合には「◎」と判定し、48[W/m/K]以上50[W/m/K]未満である場合には「〇」と判定し、48[W/m/K]未満である場合には「×」と判定した。
λ=α×C×ρ
過冷却は、昇温時の液相線温度と降温時の液相線温度との差である。上記「(1) 固相線温度および液相線温度」で使用した装置を用い、大気中5℃/minで昇温してサンプルを溶融させ、その後同サンプルを冷却し得られたDSC曲線から降温時の液相線温度を求めた。降温時の液相線温度と「(1) 固相線温度および液相線温度」で評価した昇温時の液相線温度との差であるΔTが0~30℃である場合には、「◎」と判定した。30℃超である場合には「×」と判定した。
(4-1)ペーストの作製
表2及び表3に示す各はんだ合金の粉末をアトマイズ法により作製した。この合金の粉末をロジン、溶剤、チキソ剤、有機酸等を含むフラックス(千住金属工業株式会社製「GLV」)と混和してはんだペーストを作製した。はんだペーストの合金粉末は88質量%とし、フラックスは質量12%とした。このソルダペーストを6層のプリント基板(FR-4、Cu-OSP)のCuランドに150μmのメタルマスクでペースト印刷した後、3216のチップ抵抗器をマウンターで実装した。その後、最高温度245℃、保持時間40秒の加熱条件で溶融させてリフローを行い、はんだ付けを行って試験基板を作製した。
シェア強度試験は、上記3000サイクル後の各サンプル(実施例及び比較例の各々に対する5個のサンプル)に対して、継手強度試験機STR-5100を用いて、25℃で、試験速度6mm/min、試験高さは100μmの条件で行った。シェア強度残存率(%)は、(ヒートサイクル試験後のシェア強度)×100/(初期のシェア強度)で求めた。本実施例においては、シェア強度残存率の平均値が40%以上である場合に「◎」と判定し、40%未満である場合には「×」と判定した。
(5-1)試験板の作製
はんだ合金の濡れ性は、メニスコグラフ試験の方法に準拠して測定された。フラックス(千住金属工業株式会社製「ES-1100」)を、銅板(幅10mm×長さ30mm×厚さ0.3mm)に対して塗布した。フラックスを塗布した銅板を、120℃で15分間、大気雰囲気で加熱処理して、試験板を得た。このような試験板を、各実施例及び各比較例のそれぞれについて、5枚ずつ用意した。
得られた試験板を、それぞれ、表1および表2に示す合金組成を有する溶融はんだが導入されているはんだ槽に浸漬させ、ゼロクロスタイム(sec)を得た。ここで、試験装置としてSolder Checker SAT-5100(RHESCA社製)を用い、次のように評価した。各実施例及び各比較例の5枚の試験板のゼロクロスタイム(sec)の平均値により、はんだ濡れ性を評価した。試験条件は、以下のように設定した。
はんだ槽への浸漬深さ:4mm
はんだ槽への浸漬時間:10sec
はんだ槽温度:255℃
ゼロクロスタイム(sec)の平均値が短いほど、濡れ速度は速くなり、はんだ濡れ性が良いことを意味する。
ゼロクロスタイム(sec)の平均値が1.3秒以下である場合には「◎」と判定し、1.3秒を超え、1.5秒以下である場合には「〇」と判定し、1.5秒を超える場合には、「×」と判定した。
Claims (11)
- 質量%で、Ag:3.0~3.8%、Cu:0.1~1.0%、Bi:0.1%以上0.9%以下、Sb:1.0~7.9%、Fe:0.020~0.040%、Co:0.001~0.008%、および残部がSnからなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金。
- 前記合金組成は、更に、質量%で、Ge、Ga、As、Pd、Mn、In、Zn、Zr、およびMgの少なくとも1種を合計で0.1%以下を含有する、請求項1に記載のはんだ合金。
- 前記合金組成は下記(1)式~(3)式を満たす、請求項1または2に記載のはんだ合金。
0.00018≦Ag×Cu×Sb×Fe×Co≦0.00203 (1)
0.08≦Ag×Cu×Bi≦1.85 (2)
0<Sb×Fe×Co≦0.00139 (3)
上記(1)式~(3)式中、Ag、Cu、Bi、Sb、Fe、およびCoは、各々前記合金組成の含有量(質量%)を表す。 - 請求項1または2に記載のはんだ合金からなるはんだ粉末を有するはんだペースト。
- 請求項1または2に記載のはんだ合金からなるはんだボール。
- 請求項1または2に記載のはんだ合金からなるはんだプリフォーム。
- 請求項1または2に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
- 請求項1または2に記載のはんだ合金を有することを特徴とする車載電子回路。
- 請求項1または2のはんだ合金を有することを特徴とするECU電子回路。
- 請求項8に記載の車載電子回路を備えたことを特徴とする車載電子回路装置。
- 請求項9に記載のECU電子回路を備えたことを特徴とするECU電子回路装置。
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