JP7420363B2

JP7420363B2 - はんだ継手

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Publication number: JP7420363B2
Application number: JP2019041026A
Authority: JP
Inventors: 哲郎西村; 貴利西村; 徹哉赤岩; 将一末永
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2039-03-06
Also published as: JP2019155476A

Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に関する。

近年、環境への意識が高まり、鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ合金」が使用されるようになってきた。斯かる鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎを主成分とするはんだ合金である。一般に使用されている鉛フリーはんだ合金の代表例としては、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５ＣｕのようなＳｎ－Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金がある。

更に、特許文献１にはＳｎ－Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金に微量のＢｉと微量のＮｉとを組み合わせて添加することによって錫ペスト現象の防止及び耐衝撃性の改善という効果を奏することが開示されている。

また、特許文献２には、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ及びＧｅを含む鉛フリーはんだ合金であって、高温エージング処理後においても接合強度を保つことができる鉛フリーはんだ合金について開示されている。

国際公開第２００９／１３１１１４号特許第５８７２１１４号明細書

一方、上述したように、Ｓｎ及びＣｕを含む鉛フリーはんだ合金を用いて基板にはんだ付けを行う場合は、接合部にＣｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物層が生成される。Ｃｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物層は高温でのＣｕの拡散によって生成される。特に、Ｃｕ₃Ｓｎ層は電気抵抗値が高く、接合部の電気伝導率を下げるのでＣｕ₃Ｓｎ層の生成は望ましくない。

前記接合部に生成される金属間化合物には、Ｃｕ₃Ｓｎ以外にも、Ｃｕ₆Ｓｎ₅などがあるが、これら金属間化合物は電気抵抗値が高い。更に、Ｃｕ₆Ｓｎ₅及びＣｕ₃Ｓｎは接合部に集中的に生成される。従って、接合部における電気抵抗値は金属間化合物層に左右され、接合部における金属間化合物層の生成及び増加は電気的特性に関する信頼性を低下させる。

Ｓｎ及びＣｕを含む鉛フリーはんだ合金を用いて基板にはんだ付けを行う場合は、接合部におけるＣｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物層による電気的特性への影響を考慮する必要がある。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の何れにおいても、接合部におけるＣｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物層の生成による、はんだ継手の電気的特性への影響については工夫されていない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Ｓｎ‐Ｃｕ‐Ｎｉ‐Ｂｉ‐Ｇｅ系の鉛フリーはんだ合金を用い、電気抵抗率の上昇を抑制できるはんだ継手を提供することにある。

本発明に係るはんだ継手は、鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に於いて、前記鉛フリーはんだ合金はＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｇｅ系であり、電気抵抗率の上昇を抑制する、被接合体との接合部を備えることを特徴とする。

本発明に係るはんだ継手は、前記鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％、残部がＳｎであることを特徴とする。

本発明に係るはんだ継手は、前記鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％であり、０．１～１０．０重量％のＳｂ、０．１～１０．０重量％のＩｎ、及び０．００１～１．０重量％のＧａから選択される１つ又は２つ以上が添加され、残部がＳｎであることを特徴とする

本発明に係るはんだ継手は、前記鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％であり、Ａｇ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、及びＡｌから選択される１つ又は２つ以上が添加され、残部がＳｎであることを特徴とする。

本発明に係るはんだ継手は、１５０℃で３００時間エージングした場合において、前記接合部を挟む２つの被接合部間の電気抵抗率の変化率がエージング前に比べ３%以下であることを特徴とする。

本発明によれば、Ｓｎ‐Ｃｕ‐Ｎｉ‐Ｂｉ‐Ｇｅ系の鉛フリーはんだ合金を用い、被接合体との接合部における電気抵抗率の上昇を抑制できる。

本実施例のはんだ継手を示す概略図である。１５０℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。１５０℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。１５０℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。１５０℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手における、電気抵抗率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの時系列に対する推移を示す図である。本実施例のはんだ継手において、Ｂｉの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。本実施例のはんだ継手において、Ｂｉの添加量がＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。本実施例のはんだ継手において、Ｃｕの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。本実施例のはんだ継手において、Ｃｕの添加量がＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。本実施例のはんだ継手において、Ｎｉの添加量が電気抵抗に及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳述する。

Ｓｎ‐Ｃｕ‐Ｎｉ‐Ｇｅ系の鉛フリーはんだ合金を用いた接合の際には、Ｓｎ、Ｃｕの相に加え、Ｃｕ₆Ｓｎ₅及びＣｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物層が主に生成される。一般に電気抵抗値は、Ｓｎが１２．６×１０^－８、Ｃｕが１．７×１０^－８、Ｃｕ₆Ｓｎ₅が１２．５×１０^－7、Ｃｕ₃Ｓｎが２０．５×１０^－7であると言われており、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｕ₆Ｓｎ₅、及びＣｕ₃ＳｎのなかでＣｕ₃Ｓｎが最も高い電気抵抗値を有する。特に、接合部には、Ｃｕ₆Ｓｎ₅及びＣｕ₃Ｓｎの金属間化合物層が集中的に生成される。接合部における電気抵抗値はＣｕ₃Ｓｎ層により大きく依存する。すなわち、Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚みが厚くなるほど接合部の電気伝導率が低くなる。

更に、Ｃｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物層はＣｕの拡散によって生成されるので、斯かるはんだ継手を用いる装置の使用環境が高温である場合、又は、前記装置の使用の際、基板などで発熱が生じた場合などは、Ｃｕ₃Ｓｎ層が厚くなる。従って、斯かるはんだ継手（接合部）の電気抵抗（率）は更に上昇する。

してみれば、Ｃｕ₃Ｓｎ層の生成及び厚みは斯かる接合部における電気抵抗値、即ち、前記接合部を含むはんだ継手の電気的特性に大きい影響を及ぼすことが分かる。

そこで、発明者は、被接合体との接合部におけるＣｕ₃Ｓｎ等の金属間化合物の生成を抑制することによって、接合部における電気抵抗値、即ち、前記接合部を含むはんだ継手の電気的特性の信頼性向上を試みた。

本実施の形態（以下、本実施例と言う。）に係るはんだ継手においては、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅの成分に加え、更にＢｉを添加した鉛フリーはんだ合金（以下、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｇｅ系はんだ合金と言う。）を用いた。

以下においては、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｇｅ系はんだ合金の一例として、Ｃｕの添加量が０．７重量％、Ｎｉの添加量が０．０５重量％、Ｂｉの添加量が１．５重量％、Ｇｅの添加量が０．００６重量％であり、残部はＳｎであるはんだ合金を用いた場合を例に挙げて説明する。また、説明の便宜上、この成分組成のはんだ合金を、以下では、本実施例のはんだ合金と言う。

本実施例のはんだ継手を用いて、接合部における、Ｃｕ₃Ｓｎと電気抵抗（率）との関係を確認する試験を行った。斯かる試験においては、別の成分組成のはんだ合金を用いた継手（以下、比較例のはんだ継手と言う。）との比較を行った。比較例のはんだ継手に用いられたはんだ合金は、Ｃｕの添加量が０．５重量％、Ａｇの添加量が３重量％であり、残部がＳｎである。

本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手を高温で放置（エージング）した後、エージング前後、及び、エージングの時間経過に伴う電気抵抗（率）及び斯かるはんだ継手の接合部におけるＣｕ₃Ｓｎの厚み変化を観察した。

はんだ継手の作成について説明する。図１は、本実施例のはんだ継手１０を示す概略図である。
寸法が５０ｍｍ×１０ｍｍ×１．８ｍｍである２つの銅板１を２５０℃に加熱して、夫々の長手方向の一端面にはんだ付けを行ってはんだ部２を形成した。前記２つの銅板１（被接合体）が相互面一となるようして、斯かる２つの銅板１のはんだ部２を突き合わせて２５０℃に加熱し、２つのはんだ部２を溶融させてくっつけた。この際、前記２つの銅板１の一端の間におけるはんだ部２の厚みは１．０ｍｍであり、はんだ部２の各面も銅板１の各面と面一をなすように形成された。換言すれば、本実施例のはんだ継手においては、２つの銅板１は夫々の長手方向が一致するようにして、端面同士がはんだ合金（はんだ部２）によって接合されている。なお、比較例のはんだ継手も、本実施例のはんだ継手１０と同様に作成された。

このようにして用意された本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手を１５０℃の高温にて２４時間、４８時間、７２時間、１４４時間、３００時間エージングした後、４端子法を用いて電気抵抗率（ρ）を求めた。以下、詳しく説明する。

絶縁体上に、６５ｍｍを離して２本の銅線を固定配置し、該２本の銅線上に、上述のように用意した、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手を載置する。これによって、前記２本の銅線と、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手の各銅板１が接触する。

次いで、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手に１００ｍＡの電流を流し、前記２本の銅線間の電圧Ｖを計測した。計測した電圧Ｖ及び電流値（１００ｍＡ）に基づき、Ｖ＝Ｉ・Ｒの式を用いて電気抵抗Ｒを算出した。また、ρ＝Ｒ・Ａ／Ｌ（Ａ，Ｌは夫々導体の断面積及び長さ）の式を用いて電気抵抗率ρを算出した。

また、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手を１５０℃で２４時間、４８時間、７２時間、１４４時間、３００時間エージングした後のＣｕ₃Ｓｎ層の厚みを測定した。

図２～図５は、１５０℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手における、銅板１及びはんだ部２間の接合部４の微細構造を示す写真である。図２～図５は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて、接合部４を２０００倍で撮影した写真である。また、図２～図５において、Ｂは本実施例のはんだ継手１０の接合部４の微細構造であり、Ａは比較例のはんだ継手の接合部４の微細構造である。更に、図２～図５においては、写真上のＣｕ₃Ｓｎ層の部分（Ｃｕ₃Ｓｎ面積Ｓ）を白い実線にて囲んでいる。

図２は、１５０℃でエージングされる前における、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手の接合部４の微細構造を示す。また、図３～図５は、１５０℃で夫々４８時間、１４４時間、３００時間エージングした後における、本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手の接合部４の微細構造を示す。

本実施例のはんだ継手１０及び比較例のはんだ継手におけるＣｕ₃Ｓｎ層の厚みは、図２～図５に基づいて算出された。具体的には、Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚みを次の式にて算出して比較した。

Ｃｕ₃Ｓｎ面積Ｓ÷横長さＬ＝Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚み・・・（式）
ここで、Ｃｕ₃Ｓｎ面積Ｓは、図２に示しているように、各写真にて視認できるＣｕ₃Ｓｎ層の（２次元）面積である。また、横長さＬは、Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚み方向と交差する方向におけるＣｕ₃Ｓｎ層の長さである。

比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手１０の何れにおいても、高温エージング前から、接合部４にＣｕ₃Ｓｎ層が形成されている（図２参照）。また、高温でのエージング時間の増加と共にＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが厚くなっている（図３～図５参照）。しかし、比較例のはんだ継手においては、本実施例のはんだ継手１０より急激にＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが厚くなっていることが見て取れる。

図２～図５の比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手１０に対して、上述したような式を用いて接合部４におけるＣｕ₃Ｓｎの厚み（平均厚み）を測定した。その結果、比較例のはんだ継手においては、１５０℃にて、０時間（高温エージング前）、４８時間、１４４時間、３００時間エージングした後におけるＣｕ₃Ｓｎの厚み（平均厚み）が夫々、０．４μｍ、０．９μｍ、２．８μｍ、３．１μｍである（表１参照）。
これに対して、本実施例のはんだ継手１０においては、１５０℃にて、０時間、４８時間、１４４時間、３００時間エージングした後におけるＣｕ₃Ｓｎの厚みが夫々、０．１μｍ、０．３μｍ、０．４μｍ、０．５μｍである（表１参照）。
すなわち、比較例のはんだ継手においては、本実施例のはんだ継手１０より、接合部４のＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが６倍程度厚く形成されている。

また、比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手１０を、０時間、２４時間、４８時間、７２時間、１４４時間、３００時間エージングした後における電気抵抗率ρを、上述した方法によって測定した。電気抵抗率ρの測定結果を表１に示す。

表１には、比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手１０の電気抵抗率ρと共に、上述したＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが記載されている。また、電気抵抗率ρの増加分を０時間エージングした場合の電気抵抗率ρとの比で表した電気抵抗率ρの変化率も共の掲載している。

また、図６は、比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手１０における、電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの時系列に対する推移を示す図である。横軸はエージング時間を示し、左縦軸は電気抵抗率を、右縦軸はＣｕ₃Ｓｎ層の厚みを示す。

そして図６において、実線は電気抵抗率ρを示し、破線はＣｕ₃Ｓｎの厚みを示す。また、黒菱及び白菱は比較例のはんだ継手に係る電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎの厚みを示し、黒丸及び白丸は本実施例のはんだ継手１０に係る電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎの厚みを示す。

表１及び図６から分かるように、０時間エージングした場合は、比較例のはんだ継手の電気抵抗率ρが０．０１９３であって、本実施例のはんだ継手１０の電気抵抗率ρが０．０１９９であり、略同じ値であった。しかし、その後、比較例のはんだ継手においては、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗率ρが急激に増加している。これに対して、本実施例のはんだ継手１０においては電気抵抗率ρの大きな変化が見当たらない。

詳しくは、比較例のはんだ継手においては、１５０℃にて、２４時間、４８時間、７２時間、１４４時間、３００時間エージングした後における電気抵抗率ρの変化率が夫々、０．５、３．６、７．８、１１．４、１３．０である。

これに対して、本実施例のはんだ継手１０においては、１５０℃にて、２４時間、４８時間、７２時間、１４４時間、３００時間エージングした後における電気抵抗率ρの変化率が夫々、０．１、０．３、１．０、１．４、１．９である。

すなわち、表１及び図６から分かるように、比較例のはんだ継手においては、高温エージング時間が増加すると共に接合部４でのＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが急激に厚くなり、これに伴って、電気抵抗率ρも急激に増加している。換言すれば、比較例のはんだ継手においては、高温エージング時間が増加すると共に電気伝導率が急激に低下している。

これに対して、本実施例のはんだ継手１０においては、高温エージング時間が増加するに伴って接合部４のＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが少し厚くなるものの、電気抵抗率ρの大きな増加は見当たらず、僅かな増加のみが観察された。換言すれば、本実施例のはんだ継手１０においては、高温エージング時間が増加しても、電気伝導率の低下はほとんど生じていない。
特に、本実施例のはんだ継手１０においては、１５０℃で３００時間エージングした場合において、電気抵抗率ρの変化率がエージング前に比べ３%以下である。

このような結果は、表１及び図６から分かるように、本実施例のはんだ継手１０においては、高温エージングの前後を通じて、Ｃｕ₃Ｓｎ層の生成が抑制されており、これに起因して、電気抵抗率ρの上昇が抑制されたからであると判断される。

すなわち、本実施例のはんだ継手１０においては、用いられたはんだ合金がＢｉを含んでおり、Ｂｉの添加によって、高温エージング前及び高温エージングにおける、接合部４でのＣｕ₃Ｓｎ層の生成、増加が抑制されたと判断される。そして、このように、接合部４における電気抵抗（率）を左右する、Ｃｕ₃Ｓｎ層の生成、増加が抑制されたことによって、接合部４における電気抵抗（率）の上昇を抑制することができたと判断される。

従って、比較例のはんだ継手に比べ、本実施例のはんだ継手１０においては、エージングの前後を通じて、電気伝導率の低下を防ぐことができる。これは、実施例に係るはんだ継手１０において、エネルギーロスの低減、接合部４の発熱抑制、また接合部４の発熱によるはんだ継手１０の経時劣化の抑制効果をもたらすので、実施例に係るはんだ継手１０の電気的接合信頼性の向上に繋がる。

更に、熱履歴によって進行するＣｕ₃Ｓｎ層の生成及び成長は、ＣｕとＳｎの拡散速度の差に起因するカーケンダルボイドの発生及び増加を引き起こす。また、このボイドは、接合部４の接触面積を減少させるため、接合部４の機械的接合信頼性を低下させると共に、接合部４における電気伝導率の低下及び接合部４の発熱を招き、接合部４の電気的接合信頼性も低下させる。

これに対して、実施例に係るはんだ継手１０においては、Ｂｉの添加によって接合部４におけるＣｕ₃Ｓｎ層の生成及び成長が抑制されるので、接合部４における、機械的接合信頼性のみならず、電気的接合信頼性も高めることができる。

以上においては、本実施例のはんだ継手１０に用いられた鉛フリーはんだ合金の成分組成として、Ｃｕの添加量が０．７重量％、Ｎｉの添加量が０．０５重量％、Ｂｉの添加量が１．５重量％、Ｇｅの添加量が０．００６重量％であり、残部はＳｎである場合を例に説明したが、本実施例のはんだ継手１０はこれに限るものでない。

例えば、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％、残部がＳｎである鉛フリーはんだ合金を用いれば良い。

また、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％であり、更に、０．１～１０．０重量％のＳｂ、０．１～１０．０重量％のＩｎ、及び０．００１～１．０重量％のＧａから選択される１つ又は２つ以上が添加され、残りの残部がＳｎである鉛フリーはんだ合金を用いれば良い。

更に、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％であり、Ａｇ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、及びＡｌから選択される１つ又は２つ以上が添加され、残部がＳｎである鉛フリーはんだ合金を用いれば良い。

なお、本実施例のはんだ継手１０は上述の形に限る物でない。被接合体とはんだ部２との間に接合部４が存在するはんだ継手１０であれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。

本実施例に係るはんだ継手１０において、Ｂｉの添加量が電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。

図７は、本実施例のはんだ継手１０において、Ｂｉの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図であり、図８は、本実施例のはんだ継手１０において、Ｂｉの添加量がＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。図７において縦軸は電気抵抗率ρの変化率（以下、電気抵抗変化率と言う）を示し、図８において縦軸はＣｕ₃Ｓｎ層の厚みを示す。

また、図７及び図８におけるはんだ継手１０の鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉの添加量が１．０重量％（図中■）、２．０重量％（図中▲）、３．０重量％（図中×）、４．０重量％（図中＊）又は８．０重量％（図中●）であり、Ｃｕの添加量は０．７重量％、Ｎｉの添加量は０．０５重量％、Ｇｅの添加量は０．００６重量％であって、残部はＳｎである。以下、説明の便宜上、Ｂｉの添加量が１．０重量％である鉛フリーはんだ合金を１．０Ｂｉ合金と言い、Ｂｉの添加量２．０重量％である鉛フリーはんだ合金を２．０Ｂｉ合金と言い、Ｂｉの添加量が３．０重量％である鉛フリーはんだ合金を３．０Ｂｉ合金と言い、Ｂｉの添加量が４．０重量％である鉛フリーはんだ合金を４．０Ｂｉ合金と言い、Ｂｉの添加量が８．０重量％である鉛フリーはんだ合金を８．０Ｂｉ合金とも言う。

図７及び図８から分かるように、これら１．０Ｂｉ合金～８．０Ｂｉ合金は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が徐々に増加したが、７２時間以上の高温エージングの場合は、何れの場合も増加率が急減し、略一定した電気抵抗変化率を示している。Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚みにおいても、高温エージング時間が増加するに伴って接合部４のＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが徐々に厚くなるものの、７２時間以上の高温エージングの場合は、何れの場合も増加率が急減している。しかし、１．０Ｂｉ合金～８．０Ｂｉ合金の何れも、電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低い（表１参照）。

また、図７及び図８から、Ｂｉの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが増加する傾向にあることが見て取れる。それにしても、８．０Ｂｉ合金における電気抵抗変化率は、エージング時間の増加と共に、夫々、１．７、２．７、５．１、５．５、６．０であって、Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚みは夫々、０．３５μｍ、０．４０μｍ、０．５４μｍ、０．６３μｍ、０．７３μｍであり、比較例のはんだ継手より顕著に低い（表１参照）。
してみれば、Ｂｉが少なくとも０．１～８．０重量％添加された場合、本発明の効果を得ることができる。

一方、Ｂｉの添加量の増加に伴う電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの増加は、Ｂｉの添加量が２．０重量％から４．０重量％に増加した場合に比べ、Ｂｉの添加量が４．０重量％から８．０重量％に増加した場合に急増している。

これらを鑑みると、Ｂｉの添加量において上限値は、４．０～８．０重量％の範囲内であることも良い。一方、Ｂｉの添加は、鉛フリーはんだ合金の融点を下げる効果をもたらすので、Ｂｉの過剰な添加は望ましくない。

以上のことに基づき、本発明の効果を奏する為には、上述したように、Ｂｉの添加量は０．１～５．０重量％であることが望ましく、１．０～３．０重量％であることがより望ましい。

本実施例に係るはんだ継手１０において、Ｃｕの添加量が電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。

図９は、本実施例のはんだ継手１０において、Ｃｕの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図であり、図１０は、本実施例のはんだ継手１０において、Ｃｕの添加量がＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。図９において縦軸は電気抵抗変化率を示し、図１０において縦軸はＣｕ₃Ｓｎ層の厚みを示す。

また、図９及び図１０におけるはんだ継手１０の鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕの添加量が０．２重量％（図中■）、０．５重量％（図中▲）、０．７重量％（図中×）、又は１．０重量％（図中＊）であり、Ｂｉの添加量は１．０重量％、Ｎｉの添加量は０．０５重量％、Ｇｅの添加量は０．００６重量％であって、残部はＳｎである。以下、説明の便宜上、Ｃｕの添加量が０．２重量％である鉛フリーはんだ合金を０．２Ｃｕ合金と言い、Ｃｕの添加量が０．５重量％である鉛フリーはんだ合金を０．５Ｃｕ合金と言い、Ｃｕの添加量が０．７重量％である鉛フリーはんだ合金を０．７Ｃｕ合金と言い、Ｃｕの添加量が１．０重量％である鉛フリーはんだ合金を１．０Ｃｕ合金とも言う。

図９及び図１０から分かるように、これら０．２Ｃｕ合金～１．０Ｃｕ合金は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が増加したが、７２時間以上の高温エージングの場合は何れの場合も増加率が減少し、１４４時間以上の高温エージングの場合は、略一定した電気抵抗変化率を示している。Ｃｕ₃Ｓｎ層の厚みにおいても、高温エージング時間が増加するに伴って接合部４のＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが厚くなるものの、４８時間以上の高温エージングの場合は、何れの場合も増加率が急減している。しかし、０．２Ｃｕ合金～１．０Ｃｕ合金の何れも、電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低い（表１参照）。
してみれば、Ｃｕは少なくとも０．２～１．０重量％添加された場合、本発明の効果を得ることができる。

また、図９及び図１０から、Ｃｕの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが減少する傾向にあることが見て取れる。これに鑑みると、Ｃｕの添加量の上限値は、１．０重量％以上であっても良い。

以上のことに基づき、本発明の効果を奏する為には、上述したように、Ｃｕの添加量は０．１～２．０重量％であることが望ましく、０．５～１．０重量％であることがより望ましい。

本実施例に係るはんだ継手１０において、Ｎｉの添加量が電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。

図１１は、本実施例のはんだ継手１０において、Ｎｉの添加量が電気抵抗に及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。図１１において縦軸は電気抵抗変化率を示す。

また、図１１におけるはんだ継手１０の鉛フリーはんだ合金は、Ｎｉの添加量が０．０２重量％（図中■）、０．０７重量％（図中▲）又は０．１重量％（図中×）であり、Ｂｉの添加量は１．０重量％、Ｃｕの添加量は０．７重量％、Ｇｅの添加量は０．００６重量％であって、残部はＳｎである。以下、説明の便宜上、Ｎｉの添加量が０．０２重量％である鉛フリーはんだ合金を０．０２Ｎｉ合金と言い、Ｎｉの添加量が０．０７重量％である鉛フリーはんだ合金を０．０７Ｎｉ合金と言い、Ｎｉの添加量が０．１重量％である鉛フリーはんだ合金を０．１Ｎｉ合金とも言う。

図１１から分かるように、０．０２Ｎｉ合金、０．０７Ｎｉ合金及び０．１Ｎｉ合金は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が増加した。しかし、０．０２Ｎｉ合金、０．０７Ｎｉ合金及び０．１Ｎｉ合金の何れも、電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低い（表１参照）。
詳しくは、０．０２Ｎｉ合金、０．０７Ｎｉ合金及び０．１Ｎｉ合金は、高温エージング時間が２４時間であるまでは、電気抵抗変化率が略０％に抑えられている。また、高温エージング時間が２４時間を超えると、電気抵抗変化率が増加している。
換言すれば、Ｎｉの添加量が少なくとも０．０２～０．１重量％である場合、２４時間の高温エージングまでは電気抵抗変化率を略０％に抑えることができる。

また、図１１から、Ｎｉの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率が減少する傾向にあることが見て取れる。高温エージング時間が１４４時間である場合において、電気抵抗変化率が最も高い０．０２Ｎｉ合金は、電気抵抗変化率が４．９であり、比較例のはんだ継手の１１．４より顕著に低い（表１参照）。
してみれば、高温エージング時間が１４４時間であるまでは、Ｎｉが０．０２～０．１重量％の範囲内であれば明確に本発明の効果を得ることができ、上述したように、Ｎｉが０．０１～０．５重量％の範囲内においても本発明の効果を得ることが可能である。

本実施例に係るはんだ継手１０において、Ｇｅの添加量が電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。

Ｇｅの添加量は０．００１重量％、０．０５重量％、０．５重量％、又は１．０重量％であって、Ｃｕの添加量は０．７重量％、Ｂｉの添加量は１．０重量％、Ｎｉの添加量は０．０５重量％であり、残部はＳｎである。
このように、鉛フリーはんだ合金にＧｅが０．００１重量％～１．０重量％添加されたはんだ継手１０は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが増加した。しかし、これらの何れも、電気抵抗変化率及びＣｕ₃Ｓｎ層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低かった。
してみれば、Ｇｅは少なくとも０．００１重量％～１．０重量％添加された場合、本発明の効果を得ることができる。

本実施例に係るはんだ継手１０において、Ｃｏ及びＦｅの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。
０．０２～０．１重量％のＣｏを添加したはんだ継手１０の鉛フリーはんだ合金（以下、Ｃｏ添加合金とも言う。）と、０．０２～０．１重量％のＦｅを添加したはんだ継手１０の鉛フリーはんだ合金（以下、Ｆｅ添加合金とも言う。）とは、何れも、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が増加した。しかし、Ｃｏ添加合金及びＦｅ添加合金の何れも電気抵抗変化率が比較例のはんだ継手より顕著に低い（表１参照）。

Ｃｏ添加合金及びＦｅ添加合金は、高温エージング時間が２４時間であるまでは、電気抵抗変化率が略０％に抑えられている。また、高温エージング時間が２４時間を超えると、電気抵抗変化率が増加している。
換言すれば、Ｃｏの添加量、又は、Ｆｅの添加量が少なくとも０．０２～０．１重量％である場合、２４時間の高温エージングまでは電気抵抗変化率を略０％に抑えることができる。

また、Ｃｏ添加合金及びＦｅ添加合金においても、Ｃｏ又はＦｅの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率が減少する傾向にあった。してみれば、Ｃｏ又はＦｅの添加量が０．０２～０．１重量％の範囲内では明確に本発明の効果を得ることができ、Ｃｏ又はＦｅの添加量の上限値が０．１重量％を超えても本発明の効果を得ることが可能である。

１銅板
２はんだ部
４接合部
１０はんだ継手

Claims

鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に於いて、
前記鉛フリーはんだ合金はＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｇｅ系であって、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％、残部がＳｎであり、
１５０℃で３００時間エージングした場合において、接合部を挟む２つの被接合部間の電気抵抗率の上昇をエージング前に比べて３％以下に抑制することを特徴とするはんだ継手。
鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に於いて、
前記鉛フリーはんだ合金はＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｇｅ系であって、Ｃｕが０．１～２．０重量％、Ｎｉが０．０１～０．５重量％、Ｂｉが０．１～５．０重量％、Ｇｅが０．００１～１．０重量％であり、０．０２～０．１重量％のＣｏが添加され、残部がＳｎであり、
１５０℃で３００時間エージングした場合において、接合部を挟む２つの被接合部間の電気抵抗率の上昇をエージング前に比べて３％以下に抑制することを特徴とするはんだ継手。
前記鉛フリーはんだ合金は、
Ｃｕが０．５～１．０重量％、Ｎｉが０．０２～０．１重量％、Ｂｉが１．０～３．０重量％、Ｇｅが０．００１～０．０５重量％、残部がＳｎであることを特徴とする請求項１に記載のはんだ継手。