WO2016152259A1 - はんだ合金、ソルダペーストおよび電子回路基板 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solder alloy, a solder paste, and an electronic circuit board, and more particularly, to a solder alloy, a solder paste containing the solder alloy, and an electronic circuit board using the solder paste.
- solder bonding using a solder paste is employed for metal bonding in electrical / electronic devices, and a solder alloy containing lead is conventionally used for such solder paste.
- solder alloys examples include tin-copper alloys, tin-silver-copper alloys, tin-silver-indium-bismuth alloys, tin-bismuth alloys, and tin-zinc alloys. Although known, tin-silver-copper alloys, tin-silver-indium-bismuth alloys and the like are widely used.
- the silver contained in the tin-silver-copper alloy is very expensive, it is required to reduce the silver content from the viewpoint of cost reduction.
- the solder alloy is required to have excellent joint strength (such as cold heat fatigue resistance).
- a tin-silver-copper solder alloy is composed of tin, silver, copper, nickel, antimony, bismuth and indium, and is inevitably included in impurities. It contains no germanium except germanium, and the silver content is more than 0.05% by mass and less than 0.2% by mass with respect to the total amount of solder alloy, and the copper content is 0.1%.
- the content ratio of nickel is 0.01 mass% or more and 0.2 mass% or less, and the content ratio of antimony is 0.01 mass% or more and less than 2.5 mass%.
- the content ratio of bismuth is 0.01 mass% or more and 4 mass% or less
- the content ratio of indium is 0.005 mass% or more and 2 mass% or less
- the content ratio of tin is the remaining ratio.
- nickel With respect to the content, the mass ratio of the content of copper (Cu / Ni) is less than 12.5 solder alloy has been proposed (e.g., see Patent Document 1.).
- solder alloy According to such a solder alloy, it is possible to reduce the cost and to obtain excellent joint strength (such as resistance to thermal fatigue).
- solder alloy in order to improve workability in soldering and to suppress damage to a member to be soldered, the solder alloy is lowered in melting point and the reflow temperature is lowered (for example, , Less than 240 ° C.). Also, the solder alloy is required to have excellent joint strength even when soldered at a relatively low reflow temperature.
- An object of the present invention is to achieve a reduction in cost and a low melting point, and furthermore, a solder alloy having excellent bonding strength, a solder paste containing the solder alloy, and the solder paste An electronic circuit board is used.
- the present invention [1] is essentially a solder alloy composed of tin, silver, copper, bismuth, antimony, indium and nickel, wherein the silver content is 0. 0 relative to the total amount of the solder alloy. It is 05 mass% or more and less than 0.2 mass%, The content rate of the said copper is 0.1 mass% or more and 1 mass% or less, The content rate of the said bismuth exceeds 4.0 mass%, 10 masses %, The content ratio of the antimony is 0.005 mass% or more and 8 mass% or less, the content ratio of the indium is 0.005 mass% or more and 2 mass% or less, and the content ratio of the nickel However, it is 0.003 mass% or more and 0.4 mass% or less, the content rate of the said tin is a residual rate, The mass (Bi / Ni) of the content of the said bismuth with respect to content of the said nickel is 35 to 150 Or less, it includes a solder alloy.
- this invention [2] contains the solder alloy as described in said [1] whose content rate of the said bismuth exceeds 4.0 mass% and is 6.5 mass% or less.
- this invention [3] contains the solder alloy as described in said [1] or [2] whose content rate of the said antimony is 0.01 to 2.5 mass%.
- the present invention [4] is any one of the above [1] to [3], wherein a mass ratio (Bi / Ni) of the bismuth content to the nickel content is 40 or more and 250 or less.
- the solder alloy described in the item is included.
- the present invention [5] further contains cobalt, and the content ratio of the cobalt is 0.001% by mass or more and 0.1% by mass or less, and any one of the above [1] to [4] The solder alloy described in 1. is included.
- the present invention [6] further contains at least one element selected from the group consisting of germanium, gallium, iron and phosphorus, and the content ratio of the element with respect to the total amount of the solder alloy,
- the present invention [7] includes a solder paste containing the solder powder made of the solder alloy according to any one of [1] to [6] above and a flux.
- this invention [8] contains the electronic circuit board provided with the soldering part soldered with the solder paste as described in said [7].
- the solder alloy according to one aspect of the present invention is essentially designed so that the content ratio of each component is the above predetermined amount in a solder alloy composed of tin, silver, copper, bismuth, antimony, indium and nickel. Has been.
- the cost can be reduced, the melting point can be lowered, and furthermore, excellent bonding strength (such as cold heat fatigue resistance) can be achieved. Can be secured.
- solder paste according to one aspect of the present invention contains the solder alloy of the present invention, the cost can be reduced, the melting point can be lowered, and the excellent bonding strength can be achieved. (Cold heat fatigue resistance, etc.) can be ensured.
- the electronic circuit board of the present invention uses the solder paste of the present invention for soldering, the cost can be reduced, the melting point can be lowered, and excellent bonding can be achieved. Strength (cold heat fatigue resistance etc.) can be secured.
- the solder alloy according to one aspect of the present invention includes tin (Sn), silver (Ag), copper (Cu), bismuth (Bi), antimony (Sb), indium (In), and nickel (Ni) as essential components.
- tin Sn
- silver Ag
- copper Cu
- bismuth Bi
- antimony Sb
- indium In
- nickel Ni
- the solder alloy consists essentially of tin, silver, copper, bismuth, antimony, indium and nickel.
- “essential” means that each of the above-described elements is an essential component, and an optional component described later is contained in a proportion described later.
- the content ratio of tin is the remaining ratio of each component described later, and is appropriately set according to the blending amount of each component.
- the silver content is 0.05% by mass or more, preferably more than 0.05% by mass, more preferably 0.08% by mass or more, and 0.2% by mass relative to the total amount of the solder alloy. Less than, preferably 0.18% by mass or less.
- the cost can be reduced.
- the content ratio of other metals is set in the range described later, even if the content ratio of silver in the solder alloy is set as small as described above, excellent bonding strength can be obtained. Therefore, the melting point can be lowered.
- the copper content is 0.1% by mass or more, preferably 0.3% by mass or more, and 1% by mass or less, preferably 0.8% by mass or less, based on the total amount of the solder alloy.
- the copper content is within the above range, excellent bonding strength can be obtained, and the melting point can be lowered.
- the melting point cannot be lowered, the workability in soldering is inferior, and the member to be soldered is damaged. Further, even when the content ratio of copper exceeds the above upper limit, the melting point cannot be lowered, the workability in soldering is inferior, and the member to be soldered is damaged.
- the content of bismuth is more than 4% by mass with respect to the total amount of the solder alloy, preferably 4.1% by mass or more, and 10% by mass or less, preferably 6.5% by mass. It is as follows.
- the content ratio of antimony is 0.005% by mass or more, preferably 0.01% by mass or more, and 8% by mass or less, preferably 5.0% by mass or less, more preferably based on the total amount of the solder alloy. Is 2.5 mass% or less.
- the bonding strength is inferior.
- the content ratio of antimony exceeds the above upper limit, the melting point cannot be lowered, the workability in soldering is inferior, and the member to be soldered is damaged.
- the content ratio of indium is 0.005% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, and 2% by mass or less, preferably 1% by mass or less with respect to the total amount of the solder alloy.
- the nickel content is 0.003% by mass or more, preferably 0.005% by mass or more, more preferably 0.02% by mass or more, and 0.4% by mass or less, based on the total amount of the solder alloy. Preferably, it is 0.1 mass% or less.
- the bonding strength is poor. Also, when the nickel content exceeds the above upper limit, the bonding strength is poor. Furthermore, the melting point cannot be lowered, the workability in soldering is inferior, and the member to be soldered may be damaged.
- the mass ratio (Bi / Ni) of the bismuth content to the nickel content is 35 or more, preferably 40 or more, more preferably 51 or more, and 1500 or less. Preferably, it is 1200 or less, more preferably 250 or less, more preferably 77 or less.
- the melting point can be lowered by increasing the content ratio of bismuth while obtaining excellent bonding strength.
- the solder alloy can further contain cobalt (Co) as an optional component.
- the content ratio is, for example, 0.001% by mass or more, preferably 0.002% by mass or more, for example, 0.1% by mass or more, based on the total amount of the solder alloy. % By mass or less, preferably 0.01% by mass or less.
- solder alloy can further contain at least one selected from elements consisting of germanium (Ge), gallium (Ga), iron (Fe), and phosphorus (P) as an optional component.
- the content ratio is, for example, more than 0% by mass, for example, 1.0% by mass or less with respect to the total amount of the solder alloy.
- the content ratio is, for example, more than 0% by mass and, for example, 1.0% by mass or less with respect to the total amount of the solder alloy.
- the content ratio is, for example, more than 0% by mass, for example, 1.0% by mass or less with respect to the total amount of the solder alloy.
- the content ratio is, for example, more than 0% by mass and, for example, 1.0% by mass or less with respect to the total amount of the solder alloy.
- the content ratio (the total amount when two or more types are used in combination) exceeds, for example, 0% by mass with respect to the total amount of the solder alloy. , 1.0% by mass or less.
- Such a solder alloy can be obtained by alloying the above-described metal components by a known method such as melting and homogenizing each metal component in a melting furnace.
- each above-mentioned metal component used for manufacture of a solder alloy can contain a trace amount impurity (inevitable impurity) in the range which does not inhibit the outstanding effect of this invention.
- impurities examples include aluminum (Al), iron (Fe), zinc (Zn), and gold (Au).
- the melting point of the solder alloy thus obtained is, for example, 200 ° C. or higher, preferably 210 ° C. or higher. For example, it is less than 240 ° C, preferably 230 ° C or less, more preferably 225 ° C or less.
- the melting point of the solder alloy is in the above range, when used in solder paste, metal bonding can be performed easily and with good workability, and damage to the member to be soldered can be suppressed.
- the solder alloy is essentially designed so that the content ratio of each component is the predetermined amount in the solder alloy composed of tin, silver, copper, bismuth, antimony, indium and nickel. .
- solder alloy cost reduction can be achieved, melting
- solder alloy is preferably contained in a solder paste (solder paste bonding material).
- a solder paste according to another aspect of the present invention contains the above-described solder alloy and a flux.
- the solder alloy is preferably contained as a powder.
- the powder shape is not particularly limited, and may be, for example, a substantially perfect spherical shape, for example, a flat block shape, for example, a needle shape, or may be indefinite.
- the powder shape is appropriately set according to the performance (for example, thixotropy, viscosity, etc.) required for the solder paste.
- the average particle size (in the case of a spherical shape) or the average length in the longitudinal direction (in the case of a non-spherical shape) of the solder alloy powder is a measurement using a particle size / particle size distribution measuring apparatus by a laser diffraction method.
- it is 15 ⁇ m or more, for example, 100 ⁇ m or less, preferably 50 ⁇ m or less.
- the flux is not particularly limited, and a known solder flux can be used.
- the flux is, for example, a base resin (rosin, acrylic resin, etc.), an activator (eg, ethylamine, propylamine, etc., an amine hydrohalide, eg, lactic acid, citric acid, benzoic acid, etc. Carboxylic acid, etc.), thixotropic agents (cured castor oil, beeswax, carnauba wax, etc.) are the main components, and when the flux is used in liquid form, it can further contain an organic solvent.
- a base resin rosin, acrylic resin, etc.
- an activator eg, ethylamine, propylamine, etc., an amine hydrohalide, eg, lactic acid, citric acid, benzoic acid, etc.
- Carboxylic acid, etc. Carboxylic acid, etc.
- thixotropic agents cured castor oil, beeswax, carnauba wax, etc.
- the solder paste can be obtained by mixing the above-mentioned solder alloy powder and the above-mentioned flux by a known method.
- the mixing ratio of the solder alloy and the flux is, for example, 70:30 to 95: 5 as a solder alloy solder alloy: flux (mass ratio).
- solder paste contains the said solder alloy, cost reduction can be achieved, melting
- the present invention also includes an electronic circuit board having a soldered portion soldered by the above solder paste.
- solder paste is suitably used, for example, in soldering (metal bonding) between an electrode of a printed board such as an electric / electronic device and an electronic component.
- the electronic circuit board includes a printed board having electrodes, an electronic component, and a soldering portion that metal-joins the electrode and the electronic component, and the soldering portion is formed by reflowing the solder paste. Yes.
- the electronic component is not particularly limited, and examples thereof include known electronic components such as a chip component (such as an IC chip), a resistor, a diode, a capacitor, and a transistor.
- the solder paste is used in soldering, so that the cost can be reduced, the melting point can be lowered, and the excellent bonding strength ( Cold heat fatigue resistance etc. can be ensured.
- the usage method of the said solder alloy is not limited to the said solder paste,
- it can also be used for manufacture of a flux cored solder joint material.
- the solder alloy can be formed into a linear shape by forming the solder alloy into a linear shape using the flux as a core.
- solder joint material is also preferably used in soldering (metal joining) of an electronic circuit board such as an electric / electronic device, like the solder paste.
- Examples 1 to 54 and Comparative Examples 1 to 10 Preparation of solder alloy
- the powders of each metal described in Tables 1 and 2 were mixed in the mixing ratios described in Tables 1 and 2, and the resulting metal mixture was melted and homogenized in a melting furnace. An alloy was prepared.
- the mixing ratio of tin (Sn) in the formulation of each example and each comparative example is as follows.
- Each metal silver (Ag), copper (Cu), bismuth (Bi), antimony (Sb) ), Indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), germanium (Ge), gallium (Ga), iron (Fe) and phosphorus (P)), the total amount of the solder alloy. It is the balance that is deducted from. In the table, the balance is expressed as “Bal.”.
- Example 1 is a solder alloy in which Ag, Cu, Bi, Sb, In, and Ni are blended in the proportions shown in Table 1, and the balance is Sn.
- Examples 2 to 35 are examples of prescriptions in which the mixing ratio of Bi and / or Ni was increased or decreased with respect to the prescription in Example 1 and the mass ratio (Bi / Ni) was changed.
- Examples 36 to 42 are examples of formulations in which Co is further added to the formulation of Example 10 and the content ratio of Co is increased or decreased.
- Examples 43 to 46 are examples of formulations in which any one of Ge, Ga, Fe, and P is added to the formulation of Example 38.
- Examples 47 to 48 are examples of formulations in which the content ratio of Ag is increased or decreased with respect to the formulation of Example 38.
- Examples 49 to 52 are examples of formulations in which the Sb content ratio was increased or decreased with respect to the formulation of Example 38.
- Examples 53 to 54 are examples of formulations in which the content ratio of In is increased or decreased with respect to the formulation of Example 38.
- Comparative Examples 1 and 2 are examples of prescriptions in which the blending ratio of Bi is increased or decreased with respect to the prescription in Example 10 to make Bi excessive or insufficient.
- Comparative Example 3 is an example of a formulation in which the blending ratio of Ni is reduced, Ni is insufficient, and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessive with respect to the formulation of Example 10. .
- Comparative Example 4 is an example of a prescription in which the blending ratio of Ni is increased with respect to the prescription in Example 10, Ni is excessive, and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessively small.
- Comparative Example 5 is an example of a prescription in which the mixing ratio of Ni is reduced with respect to the prescription in Example 13 and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessive.
- Comparative Example 6 is an example of a prescription in which the mixing ratio of Ni is increased and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessively small with respect to the prescription in Example 13.
- Comparative Example 7 is an example of a prescription in which the mixing ratio of Ni is reduced with respect to the prescription in Example 19 and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessive.
- Comparative Example 8 is an example of a prescription in which the proportion of Ni is increased with respect to the prescription in Example 19 and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is too small.
- Comparative Example 9 is an example of a prescription in which the mixing ratio of Ni is decreased and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessive with respect to the prescription in Example 24.
- Comparative Example 10 is an example of a prescription in which the mixing ratio of Ni is reduced and the mass ratio of Bi and Ni (Bi / Ni) is excessive with respect to the prescription in Example 30.
- Comparative Examples 11 to 12 are examples of prescriptions in which the proportion of Cu was increased or decreased with respect to the prescription in Example 10 to make Cu excessive or insufficient.
- Comparative Examples 13 to 14 are examples of prescriptions in which the proportion of Sb was increased or decreased with respect to the prescription in Example 10 to make Sb excessive or insufficient.
- solder alloy was pulverized so as to have a particle size of 25 to 38 ⁇ m, and the obtained solder alloy powder was mixed with a known flux to obtain a solder paste.
- solder paste was printed on a printed circuit board for mounting chip components, and the chip components were mounted by a reflow method.
- the solder paste printing conditions at the time of mounting, the size of the chip component, and the like were appropriately set according to each evaluation described below. The results are shown in Tables 3-4.
- the reflow temperature (reflow peak temperature) was 225 ° C.
- meltability of the solder was evaluated according to the following criteria.
- Solder paste was printed at a total of 20 locations on one printed circuit board, and the wettability of solder was evaluated based on the following criteria by observing all printed areas on the printed circuit board.
- solder paste obtained in each example and each comparative example was printed on a printed circuit board for chip component mounting, and the chip component was mounted by a reflow method.
- the printed film thickness of the solder paste was adjusted using a metal mask having a thickness of 150 ⁇ m. After the solder paste was printed, a chip component of 3216 size (32 mm ⁇ 16 mm) was mounted on a predetermined position of the printed board and reflowed.
- the reflow temperature (reflow peak temperature) was 225 ° C.
- the printed circuit board on which the chip component was mounted was subjected to a thermal cycle test.
- a thermal cycle test a series of operations of holding a test substrate in a thermal cycle bath, holding it for 30 minutes in an environment of ⁇ 40 ° C., and then holding it for 30 minutes in an environment of 125 ° C. was repeated 1500 cycles.
- the bonding strength of the chip component after 1500 cycles was measured using a bond tester (manufactured by DAGE).
- the shear rate of the chip component at the time of measurement was set to 100 ⁇ m / second, and the bonding strength was an average value in the total number 30 of mounted chip components.
- Bonding durability (cold heat fatigue resistance) is evaluated relative to the following criteria based on the bonding strength of chip components after 1500 cycles when subjected to a thermal cycle test using the solder paste of Comparative Example 1. did.
- solder alloy, solder composition and solder paste of the present invention are used in electronic circuit boards used in electric / electronic devices and the like.
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Abstract
本質的にスズ、銀、銅、ビスマス、アンチモン、インジウムおよびニッケルからなるはんだ合金において、銀の含有割合を0.05質量%以上0.2質量%未満とし、銅の含有割合を0.1質量%以上1質量%以下とし、ビスマスの含有割合を4.0質量%を超過10質量%以下とし、アンチモンの含有割合を0.005質量%以上8質量%以下とし、インジウムの含有割合を0.005質量%以上2質量%以下とし、ニッケルの含有割合を0.003質量%以上0.4質量%以下とし、スズの含有割合を残余の割合とし、ニッケルの含有量に対するビスマスの含有量の質量(Bi/Ni)を35以上1500以下とする。
Description
本発明は、はんだ合金、ソルダペーストおよび電子回路基板に関し、詳しくは、はんだ合金、そのはんだ合金を含有するソルダペースト、さらに、そのソルダペーストが用いられる電子回路基板に関する。
一般的に、電気・電子機器などにおける金属接合では、ソルダペーストを用いたはんだ接合が採用されており、このようなソルダペーストには、従来、鉛を含有するはんだ合金が用いられる。
しかしながら、近年、環境負荷の観点から、鉛の使用を抑制することが要求されており、そのため、鉛を含有しないはんだ合金(鉛フリーはんだ合金)の開発が進められている。
このような鉛フリーはんだ合金としては、例えば、スズ-銅系合金、スズ-銀-銅系合金、スズ-銀-インジウム-ビスマス系合金、スズ-ビスマス系合金、スズ-亜鉛系合金などがよく知られているが、とりわけ、スズ-銀-銅系合金、スズ-銀-インジウム-ビスマス系合金などが広く用いられている。
一方、スズ-銀-銅系合金に含有される銀は、非常に高価であるため、低コスト化の観点から、銀の含有量を低減することが要求されている。また、はんだ合金においては、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を備えることが要求される。
このような要求に応えるため、例えば、スズ-銀-銅系のはんだ合金であって、スズ、銀、銅、ニッケル、アンチモン、ビスマスおよびインジウムからなり、かつ、不可避的に混入する不純物に含まれるゲルマニウムを除いてゲルマニウムを含有せず、はんだ合金の総量に対して、銀の含有割合が、0.05質量%を超過し0.2質量%未満であり、銅の含有割合が、0.1質量%以上1質量%以下であり、ニッケルの含有割合が、0.01質量%以上0.2質量%以下であり、アンチモンの含有割合が、0.01質量%以上2.5質量%未満であり、ビスマスの含有割合が、0.01質量%以上4質量%以下であり、インジウムの含有割合が、0.005質量%以上2質量%以下であり、スズの含有割合が、残余の割合であり、ニッケルの含有量に対する、銅の含有量の質量比(Cu/Ni)が、12.5未満であるはんだ合金が、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
このようなはんだ合金によれば、低コスト化を図ることができ、また、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を得ることができる。
一方、はんだ合金としては、はんだ付における作業性の向上を図るため、また、はんだ付される部材の損傷を抑制するために、はんだ合金の低融点化を図り、リフロー温度を低下させること(例えば、240℃未満)が要求される場合がある。また、はんだ合金は、比較的低いリフロー温度ではんだ付される場合にも、優れた接合強度を有することが、要求される。
本発明の目的は、低コスト化を図ることができ、かつ、低融点化を図ることができ、さらには、接合強度に優れるはんだ合金、そのはんだ合金を含有するソルダペースト、さらに、そのソルダペーストが用いられる電子回路基板を提供することにある。
本発明[1]は、本質的に、スズ、銀、銅、ビスマス、アンチモン、インジウムおよびニッケルからなるはんだ合金であって、前記はんだ合金の総量に対して、前記銀の含有割合が、0.05質量%以上0.2質量%未満であり、前記銅の含有割合が、0.1質量%以上1質量%以下であり、前記ビスマスの含有割合が、4.0質量%を超過し10質量%以下であり、前記アンチモンの含有割合が、0.005質量%以上8質量%以下であり、前記インジウムの含有割合が、0.005質量%以上2質量%以下であり、前記ニッケルの含有割合が、0.003質量%以上0.4質量%以下であり、前記スズの含有割合が、残余の割合であり、前記ニッケルの含有量に対する、前記ビスマスの含有量の質量(Bi/Ni)が、35以上1500以下である、はんだ合金を含んでいる。
また、本発明[2]は、前記ビスマスの含有割合が、4.0質量%を超過し6.5質量%以下である、上記[1]に記載のはんだ合金を含んでいる。
また、本発明[3]は、前記アンチモンの含有割合が、0.01質量%以上2.5質量%以下である、上記[1]または[2]に記載のはんだ合金を含んでいる。
また、本発明[4]は、前記ニッケルの含有量に対する、前記ビスマスの含有量の質量比(Bi/Ni)が、40以上250以下である、上記[1]~[3]のいずれか一項に記載のはんだ合金を含んでいる。
また、本発明[5]は、さらに、コバルトを含有し、前記コバルトの含有割合が0.001質量%以上0.1質量%以下である、上記[1]~[4]のいずれか一項に記載のはんだ合金を含んでいる。
また、本発明[6]は、さらに、ゲルマニウム、ガリウム、鉄およびリンからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含有し、前記はんだ合金の総量に対して、前記元素の含有割合が、0質量%超過し1質量%以下である、上記[1]~[5]のいずれか一項に記載のはんだ合金を含んでいる。
また、本発明[7]は、上記[1]~[6]のいずれか一項に記載のはんだ合金からなるはんだ粉末と、フラックスとを含有する、ソルダペーストを含んでいる。
また、本発明[8]は、上記[7]に記載のソルダペーストによってはんだ付されているはんだ付部を備える、電子回路基板を含んでいる。
本発明の一観点に係るはんだ合金は、本質的に、スズ、銀、銅、ビスマス、アンチモン、インジウムおよびニッケルからなるはんだ合金において、各成分の含有割合が、上記の所定量となるように設計されている。
そのため、本発明の一観点に係るはんだ合金によれば、低コスト化を図ることができ、また、低融点化を図ることができ、さらには、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を確保することができる。
また、本発明の一観点に係るソルダペーストは、本発明のはんだ合金を含有するので、低コスト化を図ることができ、また、低融点化を図ることができ、さらには、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を確保することができる。
また、本発明の電子回路基板は、はんだ付において、本発明のソルダペーストが用いられるので、低コスト化を図ることができ、また、低融点化を図ることができ、さらには、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を確保することができる。
本発明の一観点に係るはんだ合金は、必須成分として、スズ(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、インジウム(In)およびニッケル(Ni)を含有している。換言すれば、はんだ合金は、本質的に、スズ、銀、銅、ビスマス、アンチモン、インジウムおよびニッケルからなる。なお、本明細書において、本質的とは、上記の各元素を必須成分とし、また、後述する任意成分を後述する割合で含有することを許容する意味である。
このようなはんだ合金において、スズの含有割合は、後述する各成分の残余の割合であって、各成分の配合量に応じて、適宜設定される。
銀の含有割合は、はんだ合金の総量に対して、0.05質量%以上、好ましくは、0.05質量%を超過、より好ましくは、0.08質量%以上であり、0.2質量%未満、好ましくは、0.18質量%以下である。
銀の含有割合が上記範囲であれば、低コスト化を図ることができる。また、他の金属の含有割合を後述する範囲に設定しているため、はんだ合金における銀の含有割合が上記のように少なく設定されていても、優れた接合強度を得ることができ、さらには、低融点化を図ることができる。
一方、銀の含有割合が上記下限を下回る場合には、接合強度に劣る。また、銀の含有割合が上記上限を上回る場合には、高コスト化し、また、後述するコバルトが配合される場合において、コバルトによる効果(接合強度の向上)の発現を阻害する。
銅の含有割合は、はんだ合金の総量に対して、0.1質量%以上、好ましくは、0.3質量%以上であり、1質量%以下、好ましくは、0.8質量%以下である。
銅の含有割合が上記範囲であれば、優れた接合強度を得ることができ、また、低融点化を図ることができる。
一方、銅の含有割合が上記下限を下回る場合には、低融点化を図ることができず、はんだ付における作業性に劣り、また、はんだ付される部材に損傷を生じるという不具合がある。また、銅の含有割合が上記上限を上回る場合にも、低融点化を図ることができず、はんだ付における作業性に劣り、また、はんだ付される部材に損傷を生じるという不具合がある。
ビスマスの含有割合は、はんだ合金の総量に対して、4質量%を超過しており、好ましくは、4.1質量%以上であり、また、10質量%以下、好ましくは、6.5質量%以下である。
ビスマスの含有割合が上記範囲であり、かつ、ビスマスとニッケルとの質量比(Bi/Ni)が後述する範囲であれば、優れた接合強度を得ることができ、また、低融点化を図ることができる。
一方、ビスマスの含有割合が上記下限を下回る場合には、低融点化を図ることができず、はんだ付における作業性に劣り、また、はんだ付される部材に損傷を生じるという不具合がある。また、ビスマスの含有割合が上記上限を上回る場合には、接合強度に劣る。
アンチモンの含有割合は、はんだ合金の総量に対して、0.005質量%以上、好ましくは、0.01質量%以上であり、8質量%以下、好ましくは、5.0質量%以下、より好ましくは、2.5質量%以下である。
アンチモンの含有割合が上記範囲であれば、優れた接合強度を得ることができ、また、低融点化を図ることができる。
一方、アンチモンの含有割合が上記下限を下回る場合には、接合強度に劣る。また、アンチモンの含有割合が上記上限を上回る場合には、低融点化を図ることができず、はんだ付における作業性に劣り、また、はんだ付される部材に損傷を生じるという不具合がある。
インジウムの含有割合は、はんだ合金の総量に対して、0.005質量%以上、好ましくは、0.05質量%以上であり、2質量%以下、好ましくは、1質量%以下である。
インジウムの含有割合が上記範囲であれば、優れた接合強度を得ることができ、また、低融点化を図ることができる。
一方、インジウムの含有割合が上記下限を下回る場合には、接合強度に劣る。また、インジウムの含有割合が上記上限を上回る場合には、高コスト化し、さらにボイドが発生しやすくなる場合がある。
ニッケルの含有割合は、はんだ合金の総量に対して、0.003質量%以上、好ましくは、0.005質量%以上、より好ましくは、0.02質量%以上であり、0.4質量%以下、好ましくは、0.1質量%以下である。
ニッケルの含有割合が上記範囲であり、かつ、ビスマスとニッケルとの質量比(Bi/Ni)が後述する範囲であれば、優れた接合強度を得ることができ、また、低融点化を図ることができる。
一方、ニッケルの含有割合が上記下限を下回る場合には、接合強度に劣る。また、ニッケルの含有割合が上記上限を上回る場合にも接合強度に劣る。さらには、低融点化を図ることができず、はんだ付における作業性に劣り、また、はんだ付される部材に損傷を生じる場合がある。
また、本発明のはんだ合金では、ニッケルの含有量に対する、ビスマスの含有量の質量比(Bi/Ni)が、35以上、好ましくは、40以上、より好ましくは、51以上であり、1500以下、好ましくは、1200以下、より好ましくは、250以下、より好ましくは、77以下である。
ニッケルとビスマスとの質量比(Bi/Ni)が上記範囲であれば、優れた接合強度を得ることができながら、ビスマスの含有割合を増やして低融点化を図ることができる。
一方、ニッケルとビスマスとの質量比(Bi/Ni)が上記下限を下回る場合には、接合強度に劣る。また、ニッケルとビスマスとの質量比(Bi/Ni)が上記上限を上回る場合にも、接合強度に劣る。
また、上記はんだ合金は、任意成分として、さらに、コバルト(Co)を含有することができる。
任意成分としてコバルトを含有する場合には、その含有割合は、はんだ合金の総量に対して、例えば、0.001質量%以上、好ましくは、0.002質量%以上であり、例えば、0.1質量%以下、好ましくは、0.01質量%以下である。
コバルトの含有割合が上記範囲であれば、より優れた接合強度を得ることができる。
また、上記はんだ合金は、任意成分として、さらに、ゲルマニウム(Ge)、ガリウム(Ga)、鉄(Fe)およびリン(P)からなる元素から選択される少なくとも1種を含有することができる。
任意成分としてゲルマニウムを含有する場合には、その含有割合は、はんだ合金の総量に対して、例えば、0質量%を超過し、例えば、1.0質量%以下である。
ゲルマニウムの含有割合が上記範囲であれば、本発明の優れた効果を維持することができる。
任意成分としてガリウムを含有する場合には、その含有割合は、はんだ合金の総量に対して、例えば、0質量%を超過し、例えば、1.0質量%以下である。
ガリウムの含有割合が上記範囲であれば、本発明の優れた効果を維持することができる。
任意成分として鉄を含有する場合には、その含有割合は、はんだ合金の総量に対して、例えば、0質量%を超過し、例えば、1.0質量%以下である。
鉄の含有割合が上記範囲であれば、本発明の優れた効果を維持することができる。
任意成分としてリンを含有する場合には、その含有割合は、はんだ合金の総量に対して、例えば、0質量%を超過し、例えば、1.0質量%以下である。
リンの含有割合が上記範囲であれば、本発明の優れた効果を維持することができる。
これら任意成分は、単独使用または2種類以上併用することができる。
任意成分として上記の元素が含有される場合、その含有割合(2種類以上併用される場合には、それらの総量)は、はんだ合金の総量に対して、例えば、0質量%を超過し、例えば、1.0質量%以下となるように、調整される。
任意成分の含有割合の総量が上記範囲であれば、本発明の優れた効果を維持することができる。
そして、このようなはんだ合金は、上記した各金属成分を溶融炉において溶融させ、均一化するなど、公知の方法で合金化することにより得ることができる。
なお、はんだ合金の製造に用いられる上記した各金属成分は、本発明の優れた効果を阻害しない範囲において、微量の不純物(不可避不純物)を含有することができる。
不純物としては、例えば、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、金(Au)などが挙げられる。
そして、このようにして得られるはんだ合金の、DSC法(測定条件:昇温速度0.5℃/分)により測定される融点は、例えば、200℃以上、好ましくは、210℃以上であり、例えば、240℃未満、好ましくは、230℃以下、より好ましくは、225℃以下である。
はんだ合金の融点が上記範囲であれば、ソルダペーストに用いた場合に、簡易かつ作業性よく金属接合することができ、また、はんだ付される部材の損傷を抑制できる。
そして、上記のはんだ合金は、本質的に、スズ、銀、銅、ビスマス、アンチモン、インジウムおよびニッケルからなるはんだ合金において、各成分の含有割合が、上記の所定量となるように設計されている。
そのため、上記のはんだ合金によれば、低コスト化を図ることができ、また、低融点化を図ることができ、さらには、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を確保することができる。
そのため、このようなはんだ合金は、好ましくは、ソルダペースト(ソルダペースト接合材)に含有される。
具体的には、本発明の他の一観点に係るソルダペーストは、上記したはんだ合金と、フラックスとを含有している。
ソルダペーストにおいて、はんだ合金は、好ましくは、粉末として含有される。
粉末形状としては、特に制限されず、例えば、実質的に完全な球状、例えば、扁平なブロック状、例えば、針状などが挙げられ、また、不定形であってもよい。粉末形状は、ソルダペーストに要求される性能(例えば、チクソトロピー、粘度など)に応じて、適宜設定される。
はんだ合金の粉末の平均粒子径(球状の場合)、または、平均長手方向長さ(球状でない場合)は、レーザ回折法による粒子径・粒度分布測定装置を用いた測定で、例えば、5μm以上、好ましくは、15μm以上、例えば、100μm以下、好ましくは、50μm以下である。
フラックスとしては、特に制限されず、公知のはんだフラックスを用いることができる。
具体的には、フラックスは、例えば、ベース樹脂(ロジン、アクリル樹脂など)、活性剤(例えば、エチルアミン、プロピルアミンなどアミンのハロゲン化水素酸塩、例えば、乳酸、クエン酸、安息香酸などの有機カルボン酸など)、チクソトロピー剤(硬化ひまし油、蜜ロウ、カルナバワックスなど)などを主成分とし、また、フラックスを液状にして使用する場合には、さらに有機溶剤を含有することができる。
そして、ソルダペーストは、上記したはんだ合金からなる粉末と、上記したフラックスとを、公知の方法で混合することにより得ることができる。
はんだ合金と、フラックスとの配合割合は、はんだ合金はんだ合金:フラックス(質量比)として、例えば、70:30~95:5である。
そして、上記ソルダペーストは、上記はんだ合金を含有するので、低コスト化を図ることができ、また、低融点化を図ることができ、さらには、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を確保することができる。
また、本発明は、上記のソルダペーストによってはんだ付されているはんだ付部を備える電子回路基板を含んでいる。
すなわち、上記のソルダペーストは、例えば、電気・電子機器などのプリント基板の電極と、電子部品とのはんだ付(金属接合)において、好適に用いられる。
換言すると、電子回路基板は、電極を有するプリント基板と、電子部品と、電極および電子部品を金属接合するはんだ付部とを備え、はんだ付部が上記のソルダペーストをリフローすることにより形成されている。
電子部品としては、特に制限されず、例えば、チップ部品(ICチップなど)、抵抗器、ダイオード、コンデンサ、トランジスタなどの公知の電子部品が挙げられる。
そして、このような電子回路基板は、はんだ付において、上記ソルダペーストが用いられるので、低コスト化を図ることができ、また、低融点化を図ることができ、さらには、優れた接合強度(耐冷熱疲労性など)を確保することができる。
なお、上記はんだ合金の使用方法は、上記ソルダペーストに限定されず、例えば、やに入りはんだ接合材の製造に用いることもできる。具体的には、例えば、公知の方法(例えば、押出成形など)により、上記のフラックスをコアとして、上記はんだ合金を線状に成形することにより、やに入りはんだ接合材を得ることもできる。
そして、このようなやに入りはんだ接合材も、ソルダペーストと同様、例えば、電気・電子機器などの電子回路基板のはんだ付(金属接合)において、好適に用いられる。
次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。なお、「部」および「%」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値)または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値)に代替することができる。
実施例1~54および比較例1~10
・はんだ合金の調製
表1~2に記載の各金属の粉末を、表1~2に記載の配合割合でそれぞれ混合し、得られた金属混合物を溶解炉にて溶解および均一化させて、はんだ合金を調製した。
・はんだ合金の調製
表1~2に記載の各金属の粉末を、表1~2に記載の配合割合でそれぞれ混合し、得られた金属混合物を溶解炉にて溶解および均一化させて、はんだ合金を調製した。
また、各実施例および各比較例の配合処方におけるスズ(Sn)の配合割合は、表1~2に記載の各金属(銀(Ag)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、インジウム(In)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウム(Ga)、鉄(Fe)およびリン(P))の配合割合(質量%)を、はんだ合金の総量から差し引いた残部である。なお、表中には、残部を「Bal.」と表記する。
実施例1は、Ag、Cu、Bi、Sb、InおよびNiを、表1に示す割合で配合し、残部をSnとしたはんだ合金である。
実施例2~35は、実施例1の処方に対して、Biおよび/またはNiの配合割合を増減させ、それらの質量比(Bi/Ni)の値を変化させた処方の例である。
実施例36~42は、実施例10の処方に対して、さらに、Coを配合し、また、Coの含有割合を増減させた処方の例である。
実施例43~46は、実施例38の処方に対して、Ge、Ga、FeおよびPの内のいずれか1種を添加した処方の例である。
実施例47~48は、実施例38の処方に対して、Agの含有割合を増減させた処方の例である。
実施例49~52は、実施例38の処方に対して、Sbの含有割合を増減させた処方の例である。
実施例53~54は、実施例38の処方に対して、Inの含有割合を増減させた処方の例である。
比較例1~2は、実施例10の処方に対して、Biの配合割合を増減させ、Biを過剰または不十分とした処方の例である。
比較例3は、実施例10の処方に対して、Niの配合割合を減少させ、Niを不十分とし、また、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過大とした処方の例である。
比較例4は、実施例10の処方に対して、Niの配合割合を増加させ、Niを過剰とし、また、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過小とした処方の例である。
比較例5は、実施例13の処方に対して、Niの配合割合を減少させ、また、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過大とした処方の例である。
比較例6は、実施例13の処方に対して、Niの配合割合を増加させ、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過小とした処方の例である。
比較例7は、実施例19の処方に対して、Niの配合割合を減少させ、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過大とした処方の例である。
比較例8は、実施例19の処方に対して、Niの配合割合を増加させ、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過小とした処方の例である。
比較例9は、実施例24の処方に対して、Niの配合割合を減少させ、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過大とした処方の例である。
比較例10は、実施例30の処方に対して、Niの配合割合を減少させ、BiおよびNiの質量比(Bi/Ni)を過大とした処方の例である。
比較例11~12は、実施例10の処方に対して、Cuの配合割合を増減させ、Cuを過剰または不十分とした処方の例である。
比較例13~14は、実施例10の処方に対して、Sbの配合割合を増減させ、Sbを過剰または不十分とした処方の例である。
・ソルダペーストの調製
得られたはんだ合金を、粒径が25~38μmとなるように粉末化し、得られたはんだ合金の粉末と、公知のフラックスとを混合して、ソルダペーストを得た。
得られたはんだ合金を、粒径が25~38μmとなるように粉末化し、得られたはんだ合金の粉末と、公知のフラックスとを混合して、ソルダペーストを得た。
・ソルダペーストの評価
得られたソルダペーストをチップ部品搭載用のプリント基板に印刷して、リフロー法によりチップ部品を実装した。実装時のソルダペーストの印刷条件、チップ部品のサイズ等については、後述する各評価に応じて適宜設定した。その結果を、表3~4に示す。
得られたソルダペーストをチップ部品搭載用のプリント基板に印刷して、リフロー法によりチップ部品を実装した。実装時のソルダペーストの印刷条件、チップ部品のサイズ等については、後述する各評価に応じて適宜設定した。その結果を、表3~4に示す。
<評価>
<濡れ性>
各実施例および各比較例において得られたソルダペーストを、チップ部品搭載用プリント基板に印刷した後、リフロー法によるチップ部品実装時と同等の条件でプリント基板を加熱して、ソルダペースト中のはんだ合金を溶解させた。プリント基板には、0603サイズ(6mm×3mm)のチップ部品の実装を対象とするものを用いた。ソルダペーストの印刷膜厚は、厚さ120μmのメタルマスクを用いて調整した。
<濡れ性>
各実施例および各比較例において得られたソルダペーストを、チップ部品搭載用プリント基板に印刷した後、リフロー法によるチップ部品実装時と同等の条件でプリント基板を加熱して、ソルダペースト中のはんだ合金を溶解させた。プリント基板には、0603サイズ(6mm×3mm)のチップ部品の実装を対象とするものを用いた。ソルダペーストの印刷膜厚は、厚さ120μmのメタルマスクを用いて調整した。
このとき、リフロー温度(リフローのピーク温度)は、225℃とした。
そして、プリント基板を冷却後、プリント基板上のはんだの溶融状態を光学顕微鏡で観察して、はんだの溶融性(いわゆる「はんだの濡れ性」)を下記の基準により評価した。
ソルダペーストの印刷箇所は、1つのプリント基板に合計20ヶ所であって、はんだの濡れ性は、プリント基板中の全印刷箇所を観察して、以下の基準で評価した。
○: はんだは完全に溶融しており、はんだの濡れ性が良好であった。
△: はんだ合金の溶け残りであるはんだ粒が若干観察された。
×: はんだ合金の溶け残りが顕著であって、はんだのぬれ性が不十分であった。
そして、上記のリフロー温度における濡れ性に優れるものを、比較的低融点であると判断した。
<接合耐久性>
各実施例および各比較例において得られたソルダペーストを、チップ部品搭載用プリント基板に印刷して、リフロー法によりチップ部品を実装した。ソルダペーストの印刷膜厚は、厚さ150μmのメタルマスクを用いて調整した。ソルダペーストの印刷後、3216サイズ(32mm×16mm)のチップ部品を上記プリント基板の所定位置に搭載してリフローした。
各実施例および各比較例において得られたソルダペーストを、チップ部品搭載用プリント基板に印刷して、リフロー法によりチップ部品を実装した。ソルダペーストの印刷膜厚は、厚さ150μmのメタルマスクを用いて調整した。ソルダペーストの印刷後、3216サイズ(32mm×16mm)のチップ部品を上記プリント基板の所定位置に搭載してリフローした。
このとき、リフロー温度(リフローのピーク温度)は、225℃とした。
そして、チップ部品が実装されたプリント基板を、冷熱サイクル試験に供した。冷熱サイクル試験では、試験基板を冷熱サイクル槽に設置した後、-40℃の環境下で30分間保持し、次いで125℃の環境下で30分間保持するという一連の操作を1500サイクル繰り返した。
1500サイクル経過後(耐久試験後)のチップ部品の接合強度を、ボンドテスター(DAGE社製)を用いて測定した。測定時のチップ部品のせん断速度は100μm/秒に設定し、接合強度は実装したチップ部品の総数30における平均値とした。
接合耐久性(耐冷熱疲労性)は、比較例1のソルダペーストを用いて冷熱サイクル試験に供したときの1500サイクル経過後のチップ部品の接合強度を基準として、下記の基準により相対的に評価した。
◎:比較例1の接合強度(耐久試験後)に対して10%以上大きい値を示し、耐冷熱疲労性が良好であった。
○:比較例1の接合強度(耐久試験後)に対して5%以上大きい値を示し、耐冷熱疲労性が良好であった。
△:比較例1の接合強度(耐久試験後)との差が±5%未満であった。
×:比較例1の接合強度(耐久試験後)に対して5%以上小さい値を示し、耐冷熱疲労性が不十分であった。
そして、上記のリフロー温度における接合耐久性(耐冷熱疲労性)に優れるものを、接合強度に優れると判断した。
<総合評価>
・評価の総合判定
上記「濡れ性」および「接合耐久性」の各評価について、評価“◎”を4点、評価“○”を3点、評価“△”を2点、および評価“×”を1点として、評点の合計を算出した。次いで、評点の合計に基づいて、各実施例および各比較例のソルダペーストを下記の基準により総合的に評価した。
・評価の総合判定
上記「濡れ性」および「接合耐久性」の各評価について、評価“◎”を4点、評価“○”を3点、評価“△”を2点、および評価“×”を1点として、評点の合計を算出した。次いで、評点の合計に基づいて、各実施例および各比較例のソルダペーストを下記の基準により総合的に評価した。
◎: 極めて良好(評点7)
○: 良好(評点6)
△: 概ね良好(評点3~5)
×: 不良(評点2以下、または一つでも評価“×”の項目を有する場合)
○: 良好(評点6)
△: 概ね良好(評点3~5)
×: 不良(評点2以下、または一つでも評価“×”の項目を有する場合)
なお、上記発明は、本発明の例示の実施形態として提供したが、これは単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。当該技術分野の当業者によって明らかな本発明の変形例は、後記請求の範囲に含まれる。
本発明のはんだ合金、はんだ組成物およびソルダペーストは、電気・電子機器などに用いられる電子回路基板において、利用される。
Claims (9)
- 本質的に、スズ、銀、銅、ビスマス、アンチモン、インジウムおよびニッケルからなるはんだ合金であって、
前記はんだ合金の総量に対して、
前記銀の含有割合が、0.05質量%以上0.2質量%未満であり、
前記銅の含有割合が、0.1質量%以上1質量%以下であり、
前記ビスマスの含有割合が、4.0質量%を超過し10質量%以下であり、
前記アンチモンの含有割合が、0.005質量%以上8質量%以下であり、
前記インジウムの含有割合が、0.005質量%以上2質量%以下であり、
前記ニッケルの含有割合が、0.003質量%以上0.4質量%以下であり、
前記スズの含有割合が、残余の割合であり、
前記ニッケルの含有量に対する、前記ビスマスの含有量の質量(Bi/Ni)が、35以上1500以下である
ことを特徴とする、はんだ合金。 - 前記ビスマスの含有割合が、4.0質量%を超過し6.5質量%以下である、
請求項1に記載のはんだ合金。 - 前記アンチモンの含有割合が、0.01質量%以上2.5質量%以下である、
請求項1に記載のはんだ合金。 - 前記ニッケルの含有量に対する、前記ビスマスの含有量の質量比(Bi/Ni)が、
40以上250以下である、請求項1に記載のはんだ合金。 - さらに、コバルトを含有し、前記コバルトの含有割合が0.001質量%以上0.1質量%以下である、請求項1に記載のはんだ合金。
- さらに、ゲルマニウム、ガリウム、鉄およびリンからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含有し、
前記はんだ合金の総量に対して、前記元素の含有割合が、0質量%超過し1質量%以下である、請求項1に記載のはんだ合金。 - さらに、コバルトを含有し、前記コバルトの含有割合が0.001質量%以上0.1質量%以下であり、
さらに、ゲルマニウム、ガリウム、鉄およびリンからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含有し、
前記はんだ合金の総量に対して、前記元素の含有割合が、0質量%超過し1質量%以下である、請求項1に記載のはんだ合金。 - 請求項1~7のいずれか一項に記載のはんだ合金からなるはんだ粉末と、
フラックスとを含有することを特徴とする、ソルダペースト。 - 請求項8に記載のソルダペーストによってはんだ付されているはんだ付部を備えることを特徴とする、
電子回路基板。
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