WO2010100855A1 - 実装構造体及びモータ - Google Patents

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WO2010100855A1
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近藤憲司
日高将人
久山浩二
鴨木豊
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a mounting structure in which an electronic component is surface-mounted on a wiring board using solder. Moreover, this invention relates to the motor provided with this mounting structure.
  • the heat resistance of the electronic component itself has improved, but the heat resistance of the entire mounting structure including solder, especially the durability against repeated heat shocks, Not enough.
  • a motor including a mounting structure that can be used in and around an engine room of an automobile as a function of the automobile increases, such as a motor for driving a valve such as a slot valve or an intake valve.
  • Patent Document 1 describes a Sn-Ag-Bi-In-based lead-free solder that has excellent mechanical characteristics and can be used for board mounting.
  • Patent Document 2 in order to prevent cracks due to thermal stress from occurring in a solder, a land having an electrode of an electronic component connected through the solder and a wiring pattern formed on the substrate are arranged with a narrow width. It is described to connect with.
  • Patent Document 3 describes a mounting structure using a Sn-Cu-based or Sn-Ag-based lead-free solder. It is described that a metal core substrate excellent in thermal conductivity or a ceramic substrate excellent in heat resistance can be used as the substrate.
  • Patent Document 1 describes only the improvement of mechanical properties at room temperature, and does not describe in what kind of thermal environment it can be used. In fact, when a heat shock of -40 to 150 ° C x 1000 cycle test, which is assumed to be used near the engine of an automobile, is performed, depending on the composition of the Sn-Ag-Bi-In solder and the characteristics of the wiring board, the solder electrons There is a problem that cracks occur at the joints with the parts.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and does not generate cracks in the solder joint portion even when a heat shock of -40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test is performed using lead-free solder.
  • Another object of the present invention is to provide a mounting structure in which electronic components are surface-mounted.
  • an object of this invention is to provide the motor provided with such a mounting structure.
  • the mounting structure of the present invention is a mounting structure in which an electronic component is surface-mounted on a wiring board using Sn—Ag—Bi—In solder, and the Sn—Ag—Bi—In solder is Bi contains 0.1 wt% or more and 5 wt% or less, In contains more than 3 wt% and less than 9 wt%, and the balance consists of Sn, Ag and inevitable impurities, and the linear expansion coefficient of the wiring board is It is characterized by being 13 ppm / K or less.
  • the motor according to the present invention includes the mounting structure according to the present invention.
  • the present invention it is possible to provide a mounting structure excellent in thermal shock resistance in which cracks are not generated in the solder joint portion by a heat shock of -40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test.
  • Sn—Ag—Bi—In solder has no environmental impact because it is lead-free.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an example of a mounting structure according to the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view schematically showing the periphery of a solder joint portion of a mounting structure according to an example of the present invention cut after performing a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view schematically showing the periphery of a solder joint portion of a conventional mounting structure cut after performing a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view conceptually showing a solder resist formed on a wiring board by a screen printing method.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view conceptually showing a solder resist formed on a wiring board by a curtain coat method.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an example of a motor including the mounting structure according to the present invention.
  • the Sn—Ag—Bi—In solder preferably contains 0.1 wt% or more and 5 wt% or less of Ag.
  • the content of Ag is less than this, the melting point of the solder increases, and the wettability and flowability of the solder decrease. If the content of Ag is higher than this, the melting point of the solder will rise, and the cost of the solder will increase.
  • the wiring board is preferably an FR5 grade wiring board.
  • the FR5 grade wiring board is a glass epoxy board having heat resistance. Since the wiring board is an FR5 grade wiring board, a wiring board that satisfies the condition that the linear expansion coefficient in all directions is 13 ppm / K or less can be obtained at low cost.
  • the glass transition temperature of the wiring board is preferably 150 ° C. or higher.
  • a solder resist by a screen printing method is formed on the surface of the wiring board. Therefore, it can prevent that the thickness of a soldering resist becomes thick more than necessary. Therefore, since deformation and warpage generated in the wiring board at the time of temperature change are reduced, the possibility of occurrence of cracks in the solder can be reduced.
  • the size of the electronic component is preferably 5750 or less.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an example of a mounting structure 1 according to the present invention.
  • the electronic component 5 is surface-mounted using the solder 4.
  • a solder resist described later is omitted.
  • the solder 4 is Sn-Ag-Bi-In series solder containing 0.1 wt% or more and 5 wt% or less of Bi, In more than 3 wt% and less than 9 wt%, the balance being Sn, Ag and inevitable impurities It is.
  • This Sn—Ag—Bi—In solder has an environmentally friendly lead-free composition.
  • Bi contributes to lowering the melting point of solder and improving mechanical strength. However, if the Bi content exceeds the above numerical range (especially 10% by weight or more), solder defects due to solder segregation or the like called a fillet lifting (or lift-off) phenomenon may occur.
  • In also contributes to lowering the melting point of solder and improving mechanical strength.
  • the content of In exceeds the above numerical range, the melting point of the solder may be too low to use the mounting structure in a high temperature environment.
  • the cost of solder is increased.
  • Ag contributes to lowering the melting point of solder and improving wettability and flowability of solder.
  • the Ag content is preferably 0.1 to 5% by weight.
  • Example of the present invention will be shown.
  • the wiring board 2 an FR5 grade glass epoxy board having a linear expansion coefficient of 11 ppm / K in the vertical direction, 13 ppm / K in the horizontal direction, a glass transition temperature of 180 ° C., and a solder resist film formed on the surface by a screen printing method is used. did.
  • a capacitor having a size of 5750 was used as the electronic component 5.
  • Sn—Ag—Bi—In solder 4 includes 3.5 wt% Ag, 0.6 wt% Bi, and 6 wt% In, with the balance being Sn and inevitable impurities Sn—Ag—Bi— In-based solder (hereinafter referred to as “Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In”) was used.
  • the solder paste containing Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In solder is printed on the wiring board 2 on which the wiring 3 having a predetermined pattern made of copper foil is formed, and the electronic component 5 is mounted on the cream solder.
  • the electronic component 5 was surface-mounted by reflowing to obtain a mounting structure 1.
  • the mounting structure 1 is held at ⁇ 40 ° C. for 30 minutes and then at 150 ° C. for 30 minutes as one cycle, and this is repeated a heat shock cycle test 1000 times (“ ⁇ 40 to 150 ° C. heat shock ⁇ 1000 Cycle test ").
  • 2A is a cross-sectional view schematically showing the state of the periphery of the solder joint portion of the mounting structure 1 according to the above embodiment cut after performing a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test.
  • 2A the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view schematically showing a state around the solder joint portion of the mounting structure according to the above-described conventional example cut after performing a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test.
  • FIG. 2B the same components as those in FIG.
  • Table 1 compares the physical properties of four typical lead-free solders that are environmentally friendly.
  • Sn-16.75In indicates an Sn—In based solder containing 16.75% by weight of In and the balance being Sn and unavoidable impurities
  • Sn-3.9Ag-0.6Cu— indicates a Sn—Ag—Cu—Sb solder containing 3.9 wt% Ag, 0.6 wt% Cu, 3 wt% Sb, and the balance being Sn and inevitable impurities.
  • Table 2 shows the thermal shock resistance evaluation results of the mounting structure using each solder shown in Table 1. Evaluation was performed as follows. A mounting structure was prepared in the same manner as in the above example except that the solder was different, a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test was performed, and the package was cut and examined for cracks in the solder joints of the mounting structure. It was. The case where no crack occurred was determined as “ ⁇ ” (good), and the case where a crack occurred was determined as “x” (defective). As electronic components to be mounted, capacitors and resistors having different sizes were used.
  • solder has a low melting point and good wettability, and has higher mechanical strength.
  • Sn-16.75In solder which is a representative example of Sn-In solder, has a low melting point but low tensile strength. Therefore, as shown in Table 2, the heat shock at ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test could not withstand the thermal shock, and the solder cracked regardless of the type and size of the electronic component.
  • Sn-3.9Ag-0.6Cu-3Sb solder which is a representative example of Sn-Ag-Cu-Sb solder, has high tensile strength as shown in Table 1, but has a high melting point of 220 ° C and poor wettability. . With such a high melting point, it is possible to reflow the solder and surface mount the electronic component. However, since Sb is homogeneously solid-solved in the Sn matrix, it becomes too hard. As shown in Table 2, when a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test is performed, a relatively large electron whose size is 4532 or more. When using parts, the solder cracked or the electronic parts themselves were damaged.
  • Sn-3.0Ag-0.5Cu solder which is a representative example of Sn-Ag-Cu solder, is the solder used in the above-mentioned conventional example. As shown in Table 1, the melting point is 220 ° C and the wettability is high. In addition, the tensile strength is low. Therefore, as shown in Table 2, when a heat shock of -40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test was performed, cracks were generated in the solder except when a very small electronic component having a size of 1005 was used.
  • Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In solder which is an example of the Sn-Ag-Bi-In solder according to the present invention, has a low melting point of 211 ° C. and good wettability as shown in Table 1. Reflow is possible at temperatures below °C. Moreover, the tensile strength is high. Therefore, as shown in Table 2, even when a heat shock of -40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test was performed, no cracks were generated regardless of the type and size of the electronic component.
  • the Sn—Ag—Bi—In solder having the composition of the present invention has a better balance between the melting point and the tensile strength than the other solders shown in Table 1. Therefore, by configuring the mounting structure in combination with an appropriate wiring board, which will be described later, for example, a mounting structure with excellent thermal shock resistance that can sufficiently withstand thermal shock when used in the engine room of an automobile. The body can be realized.
  • Table 3 shows the evaluation results of the thermal shock resistance of the mounting structure using three types of Sn—Ag—Bi—In solders having different In contents.
  • the evaluation method is the same as in Table 2. Capacitors with different sizes were used as electronic components to be mounted.
  • Table 3 the evaluation results of Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In solder overlap with a part of Table 2.
  • the wiring board 2 has a linear expansion coefficient as close as possible to that of the electronic component 5.
  • the linear expansion coefficient of the electronic component 5 used for surface mounting is about 7 ppm / K, for example. Therefore, the linear expansion coefficient of the wiring board 2 of the present invention is 13 ppm / K or less in all directions. Thereby, the thermal shock resistance is improved, and the occurrence of cracks in the solder 4 can be prevented.
  • Table 4 shows a mounting structure using an FR4 grade wiring board (the linear expansion coefficient is 15 ppm / K in the vertical direction, 17 ppm / K in the horizontal direction, and the glass transition temperature is 140 ° C.) as the wiring board 2, and the above-described embodiment.
  • the evaluation method is the same as in Table 2. Capacitors with different sizes were used as electronic components to be mounted.
  • Table 4 the evaluation results in the case of using the FR5 grade wiring board overlap with a part of Table 2.
  • a ceramic substrate is known as a wiring substrate that satisfies the above-described conditions regarding the linear expansion coefficient.
  • ceramic substrates are very expensive and lack practicality. Therefore, as the wiring board 2, a glass epoxy board is preferable because it is inexpensive and easily available on the market.
  • the wiring board 2 is preferably an FR5 grade wiring board.
  • FR5 grade wiring boards are heat-resistant glass epoxy boards, and many of them satisfy the above-mentioned conditions concerning the linear expansion coefficient and are inexpensive.
  • the glass transition temperature (Tg) of the wiring board 2 is preferably 150 ° C. or higher.
  • the upper limit of the environmental temperature is approximately 150 ° C.
  • the heat-resistant temperature required for electronic components used in the automobile engine room may be set to 150 ° C. Many. If the glass transition temperature of the wiring board 2 is lower than 150 ° C., the deformation and warpage generated in the wiring board 2 will increase under the high temperature environment imposed by the heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test, and the solder 4 will be excessive. There is a possibility that cracks may occur due to a large stress. Many glass transition temperatures of FR5 grade wiring boards are 150 ° C. or higher.
  • solder resist is often formed on the surface of the wiring board on which the wiring is formed.
  • the solder resist is formed so as to expose only a portion of the wiring that needs to be soldered and prevent solder from attaching to an area that does not require soldering. Moreover, it may be formed in anticipation of a function as a moisture-proof coating film for moisture-proofing the wiring board.
  • a solder resist is made of, for example, a resin composition having a thermosetting epoxy resin as a main component and an acrylic resin or the like added as necessary.
  • the solder resist is preferably formed by a screen printing method. The reason for this will be described with reference to FIGS. 3A and 3B.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view conceptually showing the solder resist 7 formed on the wiring board 2 by the screen printing method.
  • the solder resist 7 having a thickness of 90 ⁇ m thinner than the wiring 3 can be formed by the screen printing method.
  • the curtain coating method is known as a method for forming a solder resist.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view conceptually showing the solder resist 7 formed on the wiring board 2 by the curtain coat method.
  • the film thickness of the solder resist 7 becomes thicker than in the screen printing method. For example, when the wiring 3 made of a copper foil having a thickness of 105 ⁇ m is formed on the surface of the wiring substrate 2, the solder resist 7 thicker than the wiring 3 is formed by the curtain coating method.
  • the thickness of the solder resist 7 remaining in the area where the wiring 3 is not formed after removing a part of the surface layer of the solder resist 7 is also more curtain-coated than when the solder resist 7 is formed by the screen printing method (FIG. 3A). When formed by the method (FIG. 3B), it tends to be thicker.
  • the linear expansion coefficient of the solder resist 7 is, for example, about 130 ppm / K depending on its composition, and the difference from the linear expansion coefficient of the wiring board 2 is large. Therefore, when exposed to a rapid temperature change such as a heat shock of ⁇ 40 to 150 ° C. ⁇ 1000 cycle test, the wiring board 2 is deformed or warped due to the difference in linear expansion between the solder resist 7 and the wiring board 2, An excessive stress may act on the solder 4 to cause cracks.
  • the electronic component 5 used in the mounting structure of the present invention is not particularly limited as long as it can be surface-mounted using the solder 4 on the wiring board 2.
  • the size of the electronic component 5 is preferably smaller.
  • a compact and high-power mounting structure has been demanded in recent years. For example, in a motor control circuit, an electronic component having a size of 4532 or 5750 is often used.
  • an electronic component having a size larger than 5750 (for example, 7563 size) can also be used.
  • the size of the electronic component 5 increases, the difference in linear expansion between the electronic component 5 and the wiring board 2 due to thermal shock increases, so that the possibility of cracks occurring in the solder 4 increases.
  • the capacitor and the resistor are exemplified in the above description, but the present invention is not limited to this, and other electronic components can be used.
  • the motor shown in FIG. 4 is an inner rotor type brushless DC motor in which a stator 15 is arranged around the rotor 11. A shaft 13 passing through the rotor 11 is rotatably supported by a pair of bearings 14. The rotor 11 holds a magnet 12. Mounting structures 1 a and 1 b for supplying power to the coil 16 wound around the core of the stator 15 and controlling the rotation of the rotor 11 are housed in a case 18 of the motor 10. The mounting structures 1a and 1b are obtained by surface-mounting electronic components 5a, 5b, and 5c on wiring boards 2a and 2b.
  • the mounting structure of the present invention described above can be used as the mounting structures 1a and 1b. Since the mounting structure of the present invention is excellent in thermal shock resistance, cracks do not occur in the solder joint portions of the mounting structures 1a and 1b even when the motor 10 is disposed in, for example, the engine room of an automobile.
  • the motor 10 shown in FIG. 4 is merely an example, and the motor provided with the mounting structure of the present invention is not limited to this.
  • an outer rotor type brushless DC motor may be used, or a motor other than the brushless DC motor may be used.
  • the mounting structure does not need to be stored in the motor case, and may be disposed outside the case.
  • the mounting structure of the present invention can of course be applied to uses other than motors.
  • it may be a mounting structure built in various control devices, car navigation systems, personal computers, various portable information terminals such as mobile phones and PDAs.
  • the field of use of the present invention is not particularly limited, but can be particularly preferably used as a mounting structure used in an environment exposed to severe temperature changes.
  • it can be used in automobiles (particularly in the engine room), various factories, power generation facilities, and the like.

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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
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Abstract

　配線基板２に電子部品５がはんだ４を用いて表面実装された実装構造体１が開示されている。はんだは、Ｂｉを０．１重量％以上５重量％以下、Ｉｎを３重量％より多く９重量％未満含み、残部がＳｎ、Ａｇ及び不可避的不純物からなるＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだである。配線基板の線膨張係数は全方向において１３ｐｐｍ／Ｋ以下である。これにより、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験によってはんだ接合部分にクラックの発生が抑制された、鉛フリーはんだを用いた実装構造体を実現できる。

Description

実装構造体及びモータ
　本発明は、配線基板に電子部品がはんだを用いて表面実装されてなる実装構造体に関する。また、本発明は、この実装構造体を備えたモータに関する。
　配線基板に電子部品が表面実装された実装構造体において、電子部品自身の耐熱性は向上しているが、はんだを含む実装構造体全体の耐熱性、特に繰り返し印加されるヒートショックに対する耐久性はまだ十分とは言えない。例えばスロットバルブや吸気バルブ等のバルブを駆動するためのモータのように、自動車の高機能化にともない自動車のエンジンルーム内やその周辺で使用できる、実装構造体を含むモータの実現が望まれている。このためには、エンジンルーム内での使用を想定した熱衝撃試験、即ち－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行っても実装構造体のはんだ接合部分にクラックが生じないことが必要である。また、環境負荷を軽減するために鉛フリーはんだが用いられることも必要である。
　特許文献１には、機械的特性に優れ、基板実装に使用可能なＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系の鉛フリーはんだが記載されている。
　特許文献２には、はんだに熱ストレスによるクラックが発生するのを防止するために、電子部品の電極がはんだを介して接続されるランドと、基板に形成された配線パターンとを狭幅の配線で接続することが記載されている。
　特許文献３には、Ｓｎ－Ｃｕ系やＳｎ－Ａｇ系の鉛フリーはんだを用いた実装構造体が記載されている。基板として、熱伝導性に優れたメタルコア基板や耐熱性に優れたセラミック基板を用いることができると記載されている。
特開平８－２０６８７４号公報 特開２００８－７２０６５号公報 特開２００１－３５８４４６号公報
　しかしながら、特許文献１には、常温での機械的特性の向上に関してのみ記載されており、どのような熱環境下において使用可能であるかに関しては記載されていない。実際、自動車のエンジン付近での使用を想定した－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行うと、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだの組成や配線基板の特性によっては、はんだの電子部品との接合部分にクラックが生じてしまうという問題がある。
　また、特許文献２に記載の手法を用いても、はんだの組成を適切に選定しないと、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験における熱衝撃に耐えることは困難である。
　更に、特許文献３に記載されたＳｎ－Ｃｕ系の濡れの悪いはんだやＳｎ－Ａｇ系の強度の低いはんだを用いた場合、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験においてはんだに印加される応力を緩和することができず、はんだ接合部分にクラックが発生するのを防止することは困難である。また、メタルコア基板やセラミック基板は非常に高価である。
　本発明は、上記の従来の問題を解決し、鉛フリーはんだを用いて、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行ってもはんだ接合部分にクラックが発生することがない、配線基板に電子部品が表面実装された実装構造体を提供することを目的とする。また、本発明は、このような実装構造体を備えたモータを提供することを目的とする。
　本発明の実装構造体は、配線基板に電子部品をＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだを用いて表面実装してなる実装構造体であって、前記Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは、Ｂｉを０．１重量％以上５重量％以下、Ｉｎを３重量％より多く９重量％未満含み、残部がＳｎ、Ａｇ及び不可避的不純物からなり、前記配線基板の線膨張係数は、全方向において１３ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする。
　本発明のモータは、上記の本発明の実装構造体を備える。
　本発明によれば、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験によってはんだ接合部分にクラックが発生することがない、耐熱衝撃性に優れた実装構造体を提供することができる。また、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは、鉛フリーであるので環境負荷が少ない。
図１は、本発明の実装構造体の一例の概略構成を示した断面図である。 図２Ａは、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行った後に切断した本発明の実施例に係る実装構造体のはんだ接合部周辺を模式的に表した断面図である。図２Ｂは、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行った後に切断した従来の実装構造体のはんだ接合部周辺を模式的に表した断面図である。 図３Ａは、配線基板上にスクリーン印刷法により形成されたソルダーレジストを概念的に示した断面図である。図３Ｂは、配線基板上にカーテンコート法により形成されたソルダーレジストを概念的に示した断面図である。 図４は、本発明の実装構造体を備えたモータの一例の概略構成を示した断面図である。
　上記の本発明の実装構造体において、前記Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは、Ａｇを０．１重量％以上５重量％以下含むことが好ましい。Ａｇの含有量がこれより少ないと、はんだの融点が上昇し、また、はんだの濡れ性及び流れ性が低下する。Ａｇの含有量がこれより多いと、やはりはんだの融点が上昇し、また、はんだがコスト高となる。
　前記配線基板はＦＲ５グレードの配線基板であることが好ましい。ＦＲ５グレードの配線基板は耐熱性を有するガラスエポキシ基板である。配線基板がＦＲ５グレードの配線基板であることにより、全方向における線膨張係数が１３ｐｐｍ／Ｋ以下という条件を満足する配線基板を安価に入手することができる。
　前記配線基板のガラス転移温度が１５０℃以上であることが好ましい。これにより、高温環境下で配線基板に生じる変形やソリが少なくなるので、はんだにクラックが発生する可能性を低減できる。
　前記配線基板の表面に、スクリーン印刷法によるソルダーレジストが形成されていることが好ましい。これにより、ソルダーレジストの厚みが必要以上に厚くなるのを防止できる。従って、温度変化時に配線基板に生じる変形やソリが少なくなるので、はんだにクラックが発生する可能性を低減できる。
　前記電子部品のサイズが５７５０以下であることが好ましい。このように小型の電子部品を用いることにより、温度変化時の配線基板と電子部品との線膨張の差が小さくなるので、はんだにクラックが発生する可能性を低減できる。
　以下、本発明の好適な実施形態及び実施例を図面を参照して説明する。但し、本発明は以下に示す実施形態及び実施例に限定されず、適宜変更することができることは言うまでもない。
　図１は、本発明の実装構造体１の一例の概略構成を示した断面図である。配線基板２上に所定パターンで形成された配線３上に、はんだ４を用いて電子部品５が表面実装されている。なお、図１では、後述するソルダーレジストは省略している。
　［はんだについて］
　はんだ４について説明する。
　はんだ４は、Ｂｉを０．１重量％以上５重量％以下、Ｉｎを３重量％より多く９重量％未満含み、残部がＳｎ、Ａｇ及び不可避的不純物からなるＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだである。このＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは環境に優しい鉛フリー組成である。
　Ｂｉは、はんだの融点の低下及び機械的強度の向上に寄与する。但し、Ｂｉの含有量が上記の数値範囲を越える（特に１０重量％以上）と、フィレットリフティング（またはリフトオフ）現象と呼ばれるはんだの偏析等によるはんだ欠陥が発生する場合がある。
　Ｉｎも、はんだの融点の低下及び機械的強度の向上に寄与する。但し、Ｉｎの含有量が上記の数値範囲を越えると、はんだの融点が下がりすぎて実装構造体を高温環境で使用することができなくなる場合がある。また、はんだのコストの上昇を招く。
　Ａｇは、はんだの融点の低下と、はんだの濡れ性及び流れ性の向上に寄与する。Ａｇが３．５重量％のところに共晶点があり、Ａｇの含有量がこれよりはるかに多くなるとはんだの融点が上昇する。また、Ａｇの含有量が多くなると、はんだのコストが上昇する。従って、Ａｇの含有量は、０．１～５重量％であることが好ましい。
　本発明の実施例を示す。配線基板２として、線膨張係数がタテ方向１１ｐｐｍ／Ｋ、ヨコ方向１３ｐｐｍ／Ｋ、ガラス転移温度が１８０℃、表面にスクリーン印刷法によりソルダーレジスト膜が形成された、ＦＲ５グレードのガラスエポキシ基板を使用した。電子部品５として、サイズ５７５０のコンデンサを使用した。Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだ４として、Ａｇを３．５重量％、Ｂｉを０．６重量％、Ｉｎを６重量％含み、残部がＳｎ及び不可避的不純物であるＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだ（以下、「Ｓｎ－３．５Ａｇ－０．６Ｂｉ－６Ｉｎ」と表示する）を使用した。銅箔による所定パターンの配線３が形成された上記配線基板２にＳｎ－３．５Ａｇ－０．６Ｂｉ－６Ｉｎはんだを含むクリームはんだを印刷し、クリームはんだ上に上記の電子部品５を搭載し、リフローして電子部品５を表面実装して実装構造体１を得た。この実装構造体１に対して、－４０℃で３０分保持、次いで１５０℃で３０分保持を１サイクルとし、これを１０００回繰り返すヒートショックサイクル試験（「－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験」）を行った。図２Ａは、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行った後に切断した上記実施例に係る実装構造体１のはんだ接合部周辺の状態を模式的に表した断面図である。図２Ａにおいて、図１と同じ構成要素には同一の符号を付している。
　従来例として、はんだとして、Ａｇを３．０重量％、Ｃｕを０．５重量％含み、残部がＳｎ及び不可避的不純物であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ（以下、「Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ」と表示する）を使用する以外は、上記の実施例と同様にして実装構造体を得た。この実装構造体に対して、上記の実施例と同様の－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行った。図２Ｂは、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行った後に切断した上記従来例に係る実装構造体のはんだ接合部周辺の状態を模式的に表した断面図である。図２Ｂにおいて、図１と同じ構成要素には同一の符号を付している。
　図２Ｂに示す従来例では、はんだ４の電子部品５との接合部分近傍にクラック６が形成されていた。これに対して、図２Ａに示す本発明の実施例では、はんだ４にクラックは認められなかった。このように、本発明の実装構造体は耐熱衝撃性に優れていた。
　表１に、環境面に配慮した代表的な４種類の鉛フリーはんだの物性を比較して示す。表１中、「Ｓｎ－１６．７５Ｉｎ」は、Ｉｎを１６．７５重量％含み、残部がＳｎ及び不可避的不純物であるＳｎ－Ｉｎ系はんだを示し、「Ｓｎ－３．９Ａｇ－０．６Ｃｕ－３Ｓｂ」は、Ａｇを３．９重量％、Ｃｕを０．６重量％、Ｓｂを３重量％含み、残部がＳｎ及び不可避的不純物であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ系はんだを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表２に、表１に示した各はんだを用いた実装構造体の耐熱衝撃性の評価結果を示す。評価は以下のようにして行った。はんだが異なる以外は上記実施例と同様にして実装構造体を作成し、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行い、切断して実装構造体のはんだ接合部分のクラックの有無を調べた。クラックが発生しなかった場合を「○」（良好）、クラックが発生した場合を「×」（不良）と判定した。実装する電子部品として、サイズが異なるコンデンサ及び抵抗を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　一般に、はんだは低融点で濡れ性が良好であり、更に高い機械的強度を有することが望まれる。
　Ｓｎ－Ｉｎ系はんだの代表例であるＳｎ－１６．７５Ｉｎはんだは、表１に示すように低融点であるものの、引張強度が低い。従って、表２に示すように、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験における熱衝撃に耐えることができず、電子部品の種類やサイズに関わらずはんだにクラックが発生した。
　Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ系はんだの代表例であるＳｎ－３．９Ａｇ－０．６Ｃｕ－３Ｓｂはんだは、表１に示すように引張強度は高いが、融点が２２０℃と高く濡れ性に劣る。この程度の融点の高さであれば、はんだを何とかリフローして電子部品を表面実装することは一応可能である。しかしながら、Ｓｎマトリックス中にＳｂが均質に固溶化するため硬くなりすぎ、表２に示すように、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行うと、サイズが４５３２以上の比較的大きな電子部品を用いた場合にはんだにクラックが発生したり電子部品自身が破損したりした。
　Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだの代表例であるＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕはんだは、上記従来例で用いたはんだであり、表１に示したように、融点が２２０℃と高く濡れ性に劣り、しかも、引張強度も低い。従って、表２に示すように、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行うと、サイズが１００５という非常に小さな電子部品を用いた場合を除いてはんだにクラックが発生した。
　本発明に係るＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだの一例であるＳｎ－３．５Ａｇ－０．６Ｂｉ－６Ｉｎはんだは、表１に示すように融点が２１１℃と低く濡れ性が良好で、２２０℃以下の温度でリフロー可能である。また、引張強度が高い。従って、表２に示すように、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験を行っても、電子部品の種類やサイズに関わらずクラックが発生することはなかった。
　このように、本発明の組成を備えたＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは、表１に示した他のはんだに比べて、融点と引張強度とが良好にバランスしている。従って、後述する適切な配線基板と組み合わせて実装構造体を構成することにより、例えば自動車のエンジンルーム内で使用した場合の熱衝撃にも十分に耐えることができる、耐熱衝撃性に優れた実装構造体を実現できる。
　表３に、Ｉｎの含有量が異なる３種類のＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだを用いた実装構造体の耐熱衝撃性の評価結果を示す。評価の方法は表２の場合と同じである。実装する電子部品として、サイズが異なるコンデンサを用いた。表３中、Ｓｎ－３．５Ａｇ－０．６Ｂｉ－６Ｉｎはんだの評価結果は、表２の一部と重複している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示すように、Ｉｎの含有量が３重量％であるＳｎ－３．５Ａｇ－０．６Ｂｉ－３Ｉｎはんだや、Ｉｎの含有量が９重量％であるＳｎ－３．５Ａｇ－０．６Ｂｉ－９Ｉｎはんだを用いた場合には、サイズが４５３２以上の比較的大きな電子部品を用いた場合にはんだにクラックが発生した。従って、Ｉｎの含有量は３重量％より多く９重量％未満である必要がある。
　なお、Ｂｉの含有量が上述した数値範囲を外れた場合には、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験においてはんだにクラックが発生すること、及び、Ａｇの含有量が上述した数値範囲を外れるとリフローによるはんだ付けがやや困難になる傾向があること、を実験により確認している。
　［配線基板について］
　次に、本発明の実装構造体１を構成する配線基板２について説明する。
　図１において、配線基板２と電子部品５との間で線膨張係数に大きな差があると、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験によってはんだ４に繰り返して応力が印加されることになる。従って、はんだ４がたとえ高い引張強度を有していたとしても、はんだ４にクラックが発生してしまう可能性がある。そこで、配線基板２は、電子部品５の線膨張係数になるべく近い線膨張係数を有していることが好ましい。一般に、表面実装に用いられる電子部品５の線膨張係数は例えば７ｐｐｍ／Ｋ程度である。そこで、本発明の配線基板２の線膨張係数は、全方向において１３ｐｐｍ／Ｋ以下である。これにより、耐熱衝撃性が向上し、はんだ４にクラックが発生するのを防止することができる。
　表４に、配線基板２として、ＦＲ４グレードの配線基板（線膨張係数はタテ方向１５ｐｐｍ／Ｋ、ヨコ方向１７ｐｐｍ／Ｋ、ガラス転移温度は１４０℃）を用いた実装構造体、及び、上記実施例で用いたものと同じＦＲ５グレードの配線基板を用いた実装構造体に対して、耐熱衝撃性の評価を行った結果を示す。評価の方法は表２の場合と同じである。実装する電子部品として、サイズが異なるコンデンサを用いた。表４中、ＦＲ５グレードの配線基板を用いた場合の評価結果は、表２の一部と重複している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４より、線膨張係数がいずれの方向においても１３ｐｐｍ／Ｋを越えるＦＲ４グレードの配線基板を用いた場合には、はんだの組成に関わらず、はんだにクラックが発生した。これは、配線基板２と電子部品５との線膨張係数の差が大きいために、はんだ４がたとえ高い引張強度を有していても熱衝撃によって発生する応力に耐えることができないことを示している。
　線膨張係数に関する上述した条件を満足する配線基板としては、例えばセラミック基板が知られている。しかしながら、セラミック基板は非常に高価であり実用性に欠ける。従って、配線基板２としては、安価で市場に容易に入手可能である点で、ガラスエポキシ基板が好ましい。
　配線基板２は、ＦＲ５グレードの配線基板であることが好ましい。ＦＲ５グレードの配線基板は耐熱性を有するガラスエポキシ基板であり、上記の線膨張係数に関する条件を満足するものが多く、且つ、安価である。
　また、配線基板２のガラス転移温度（Ｔｇ）は１５０℃以上であることが好ましい。自動車のエンジンルーム内での使用を考慮した場合、環境温度の上限はほぼ１５０℃であり、自動車のエンジンルーム内で使用される電子部品に要求される耐熱温度は１５０℃に設定されることが多い。配線基板２のガラス転移温度が１５０℃より低いと、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験で課される高温環境下で配線基板２に生じる変形やソリが大きくなり、はんだ４に過大な応力が作用してクラックが発生する可能性がある。ＦＲ５グレードの配線基板の多くのガラス転移温度は１５０℃以上である。
　一般に、配線が形成された配線基板の表面には、ソルダーレジストが形成されることが多い。ソルダーレジストは、はんだ付けが必要な配線の部分のみを露出させ、はんだ付けが不要な領域にはんだが付かないようにするために形成される。また、配線基板を防湿するための防湿コート膜としての機能を期待して形成される場合もある。このようなソルダーレジストは、例えば熱硬化性エポキシ樹脂を主成分とし必要に応じてアクリル樹脂などが添加された樹脂組成物からなる。本発明では、配線基板２にソルダーレジストを形成する場合には、当該ソルダーレジストはスクリーン印刷法により形成されることが好ましい。この理由を図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。
　図３Ａは、配線基板２上にスクリーン印刷法により形成されたソルダーレジスト７を概念的に示した断面図である。例えば、配線基板２の表面に厚さ１０５μｍの銅箔からなる配線３を形成した場合、スクリーン印刷法によれば配線３より薄い厚さ９０μｍのソルダーレジスト７を形成することができる。
　ソルダーレジストの形成方法としてはカーテンコート法が公知である。図３Ｂは、配線基板２上にカーテンコート法により形成されたソルダーレジスト７を概念的に示した断面図である。カーテンコート法では、スクリーン印刷法に比べて、ソルダーレジスト７の膜厚は厚くなってしまう。例えば、配線基板２の表面に厚さ１０５μｍの銅箔からなる配線３を形成した場合、カーテンコート法によれば配線３よりも厚いソルダーレジスト７が形成されてしまう。
　配線基板２に電子部品を表面実装する場合には、これに先立って配線３が露出するようにソルダーレジスト７の表層の一部が除去される。ソルダーレジスト７の表層の一部を除去した後に配線３が形成されていない領域に残存するソルダーレジスト７の厚みも、ソルダーレジスト７がスクリーン印刷法で形成された場合（図３Ａ）よりもカーテンコート法で形成された場合（図３Ｂ）の方が、厚くなる傾向がある。
　ソルダーレジスト７の線膨張係数は、その組成にもよるが例えば１３０ｐｐｍ／Ｋ程度であり、配線基板２の線膨張係数との差が大きい。従って、－４０～１５０℃のヒートショック×１０００サイクル試験のような急激な温度変化に晒されると、ソルダーレジスト７と配線基板２との線膨張の差により配線基板２に変形やソリが生じ、はんだ４に過大な応力が作用してクラックが発生する可能性がある。ソルダーレジスト７の厚みが薄いほど、温度変化による配線基板２の変形やソリは少なくなる。従って、より薄いソルダーレジスト７を形成することができるスクリーン印刷法によりソルダーレジスト７が形成されていると、はんだ４に生じるクラックを更に低減し、実装構造体の耐熱衝撃性を更に向上させることができる。
　［電子部品について］
　次に、電子部品５について説明する。
　本発明の実装構造体に使用される電子部品５は、特に制限はなく、配線基板２にはんだ４を用いて表面実装することができればよい。
　熱衝撃によってはんだ４にクラックが生じる原因の一つは、配線基板２と電子部品５との線膨張の差であることから、電子部品５のサイズは小さい方が好ましい。また、電子部品５のサイズが小さいほど、これを含む実装構造体を小型化することができる。これらの観点から、電子部品５のサイズは５７５０以下であることが好ましい。一般に、近年、小型高出力の実装構造体が求められており、例えばモータの制御回路においては４５３２もしくは５７５０のサイズの電子部品が用いられることが多い。
　本発明では、５７５０よりも大きなサイズ（例えば７５６３サイズ）の電子部品も使用可能である。但し、電子部品５のサイズが大きくなるほど、熱衝撃に伴う電子部品５と配線基板２との線膨張差が大きくなるので、はんだ４にクラックが発生する可能性が高まる。このような場合には、必要に応じて例えば盛りはんだ等ではんだ４を適宜補強することが好ましい。
　電子部品５の種類に関しては、上記の説明ではコンデンサ及び抵抗を例示したが、本発明はこれに限定されず、これら以外の電子部品を用いることができる。
　［モータについて］
　本発明の実装構造体を搭載したモータ１０の一例を図４を用いて説明する。
　図４に示すモータは、ロータ１１の周囲にステータ１５が配された、インナーロータ型のブラシレスＤＣモータである。ロータ１１を貫通するシャフト１３が一対の軸受け１４によって回転自在に支持されている。ロータ１１はマグネット１２を保持している。ステータ１５のコアに巻回されたコイル１６に給電しロータ１１の回転を制御するための実装構造体１ａ，１ｂがモータ１０のケース１８内に収納されている。実装構造体１ａ，１ｂは、配線基板２ａ，２ｂ上に電子部品５ａ，５ｂ，５ｃが表面実装されたものである。
　実装構造体１ａ，１ｂとして、上述した本発明の実装構造体を用いることができる。本発明の実装構造体は耐熱衝撃性に優れるので、モータ１０を例えば自動車のエンジンルーム内に配置しても、実装構造体１ａ，１ｂのはんだ接合部分にクラックが生じることはない。
　図４に示したモータ１０は一例に過ぎず、本発明の実装構造体を備えたモータはこれに限定されない。例えば、アウターローター型のブラシレスＤＣモータであってもよく、あるいは、ブラシレスＤＣモータ以外のモータであってもよい。また、実装構造体は、モータのケース内に収納されている必要はなく、ケースの外に配置されていてもよい。
　本発明の実装構造体は、モータ以外の用途に適用することももちろん可能である。例えば、各種制御装置、カーナビ、パーソナルコンピュータ、携帯電話やＰＤＡなどの各種携帯情報端末などに内蔵される実装構造体であってもよい。
　以上に説明した実施形態及び実施例は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
　本発明の利用分野は特に制限はないが、激しい温度変化に晒される環境で用いられる実装構造体として特に好ましく利用することができる。例えば、自動車（特にそのエンジンルーム内）、各種工場、発電設備などで利用することができる。
１，１ａ，１ｂ　実装構造体
２，２ａ，２ｂ　配線基板
３　配線
４　はんだ
５，５ａ，５ｂ，５ｃ　電子部品
６　クラック
７　ソルダーレジスト
１０　モータ
１１　ロータ
１２　マグネット
１３　シャフト
１４　軸受け
１５　ステータ
１６　コイル
１８　ケース

Claims (6)

  1. 　配線基板に電子部品をＳｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだを用いて表面実装してなる実装構造体であって、
    　前記Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは、Ｂｉを０．１重量％以上５重量％以下、Ｉｎを３重量％より多く９重量％未満含み、残部がＳｎ、Ａｇ及び不可避的不純物からなり、
    　前記配線基板の線膨張係数は、全方向において１３ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする実装構造体。
  2. 　前記Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系はんだは、Ａｇを０．１重量％以上５重量％以下含むことを特徴とする請求項１に記載の実装構造体。
  3. 　前記配線基板はＦＲ５グレードの配線基板であり、前記配線基板のガラス転移温度が１５０℃以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の実装構造体。
  4. 　前記配線基板の表面に、スクリーン印刷法によるソルダーレジストが形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の実装構造体。
  5. 　前記電子部品のサイズが５７５０以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の実装構造体。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載の実装構造体を備えたモータ。
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