WO2018186218A1 - はんだ材料 - Google Patents

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平井維彦
大森功基
井住充宏
土屋彩果
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株式会社ケーヒン
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    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys

Definitions

  • the present invention relates to a solder material used as a bonding material when bonding objects to each other.
  • solder material Although what used lead (Pb) as a main component conventionally was used, it is being replaced with what is called Pb free solder material which does not contain Pb from the rise of environmental protection awareness in recent years.
  • the Pb-free solder material contains tin (Sn) as a main component, and further contains silver (Ag) and copper (Cu) as auxiliary components to promote precipitation strengthening. Furthermore, it is known that solid solution strengthening is achieved by adding indium (In) and antimony (Sb).
  • JP-A-2002-120085 Ag: 2.5 to 4.5 wt%, Cu: 0.2 to 2.5 wt%, In: 12 wt% or less, Sb: 2 wt% or less
  • the solder material which contains and remainder is Sn is disclosed in WO 1997/009455, Ag: 1.4-7.1 weight%, Cu: 0.5-1.3 weight%, In: 0
  • additional bismuth (Bi) may be added.
  • the substrate to which the electronic components as described above are joined constitutes, for example, an on-vehicle engine control unit which is mounted on an automobile and controls an engine.
  • a car may be used in a severe cold environment or in a hot summer environment. For this reason, operation guarantee over a wide temperature range is required.
  • solder material has variations in mechanical properties, particularly in a cryogenic environment. Therefore, there is a concern that the product life of the on-vehicle engine control unit may vary when the vehicle is used in a severe cold environment. As described above, the solder material according to the prior art has the disadvantage that the reliability when used in a cryogenic environment is not sufficient.
  • the main object of the present invention is to provide a solder material which exhibits stable mechanical properties even at extremely low temperatures.
  • Another object of the present invention is to provide a solder material which provides sufficient reliability even when used in a cryogenic environment.
  • Ag 2.5 to 3.3 wt%
  • Cu 0.3 to 0.5 wt%
  • In 5.5 to 6.4 wt%
  • Sb 0.
  • a solder material is provided which comprises 5 to 1.4% by weight, the balance being unavoidable impurities and Sn.
  • the solder material of low melting point By setting it as such a composition, it can be set as the solder material of low melting point. Because of the low melting point, it is possible to lower the temperature applied to the solder material at the time of bonding. Therefore, thermal damage to the object to be bonded, for example, an electronic component can be reduced.
  • the solder material according to the present invention only contains Sn, Ag, Cu, In, Sb. For this reason, it does not contain Bi substantially. Thus, the solder material has stable mechanical properties.
  • “it does not contain substantially” here says that it remains in the quantity mixed unavoidable, and does not contain the quantity beyond it.
  • the solder material is made of only predetermined amounts of Ag, Cu, In, Sb and Sn. Therefore, it is possible to obtain a solder material having a low melting point and a small variation in mechanical properties. Therefore, while being able to reduce the thermal damage added to a joined article, the variation in product life can be suppressed and reliability can be improved.
  • the solder material according to the present embodiment is a so-called Pb-free solder material mainly composed of Sn and containing Ag and Cu for promoting precipitation strengthening, and further containing In and Sb. That is, this solder material contains 2.5 to 3.3% (wt%, the same applies hereinafter) of Ag, 0.3 to 0.5% of Cu, 5.5 to 6.4% of In, 0.5 It consists of an alloy containing ⁇ 1.4% Sb, the balance being unavoidable impurities and Sn.
  • Ag is 3.5%, it is a eutectic composition of Sn-Ag, and therefore, it has a structure in which hypoeutectic substances, eutectic substances, and hypereutectic substances are mixed. It is guessed. For this reason, Ag is set to 3.3% or less so as not to have a eutectic composition. Thereby, the mixture of hypoeutectic substances, eutectic substances and hypereutectic substances in the structure can be avoided, and variations in tensile strength can be suppressed.
  • Precipitation strengthening is promoted similarly for Cu of 0.3% or more.
  • the eutectic composition of Sn-Cu that is, Cu is approximately 0.7%, it becomes a structure in which hypoeutectic, eutectic, and hypereutectic are mixed, and variations in tensile strength occur .
  • Cu is set to 0.5% or less.
  • this solder material has a lower melting point than a Pb-free solder material containing only Sn, Ag and Cu. Therefore, it melts at a low temperature when bonding an electronic component to a substrate.
  • solid solution strengthening is promoted by adding 0.5% or more of Sb.
  • InSn 4 and ⁇ -Sn are formed in the liquid phase together with In, and as a result, the crystal grains become finer, so that they are multi-oriented. That is, the solder material exhibits little anisotropy. In other words, it can be approximated as isotropic.
  • the typical composition of the solder material is Sn-3.0Ag-0.5Cu-6.0In-1.0Sb. That is, it contains 3.0% of Ag, 0.5% of Cu, 6.0% of In, and 1.0% of Sb, with the balance being Sn and unavoidable impurities.
  • variation in tensile strength was suppressed is obtained. Therefore, first, since low temperature melting and bonding by reflow are possible, for example, when the electronic component is bonded to the substrate, thermal damage to the electronic component can be reduced.
  • the variation in tensile strength is small, the life of the joint portion joined using the solder material becomes stable with less variation. Therefore, the reliability is improved. Moreover, since variations in the product life of the joined product (for example, an on-vehicle engine control unit and the like) are suppressed, the degree of freedom in design of the joined product is improved, and high densification and miniaturization can be achieved.
  • variations in the product life of the joined product for example, an on-vehicle engine control unit and the like
  • test piece consisting of a solder material (alloy) with a composition of Sn-3.0Ag-0.5Cu-6.0In-1.0Sb is prepared, and a tensile test is performed multiple times under an environment of -40 ° C. The stress-strain curve in the test was determined.
  • this test piece is also referred to as an example.
  • Comparative Example 1 does not contain In and Sb at all, and Comparative Example 2 contains Ag and Bi exceeding 3.0%.
  • Comparative Example 3 contains Ag over 3.0%, Cu over 0.7%, and Bi.
  • FIG. 1 The results of the example are shown in FIG. 1 with different line types each time. Furthermore, the value of tensile strength in each test piece determined from the stress-strain curve is also shown in FIG. From these FIGS. 1 and 2, in the example, the stress in each test is substantially the same (that is, the variation in tensile strength is extremely small), while in Comparative Examples 1 to 3, the stress is different for each test. It can be seen that the difference in tensile strength is large because of this difference. That is, by using the composition of the embodiment, a solder material having a stable tensile strength (mechanical property) can be obtained.
  • Comparative Example 2 Furthermore, in Comparative Example 2, it was confirmed that a large disturbance appeared in the stress-strain curve. Due to this, in Comparative Example 2, the variation in tensile strength is large.
  • the tensile strength of the test piece of Comparative Example 1 was measured in the temperature range of ⁇ 40 ° C. to 100 ° C. or more. The results are shown in FIG. It can be seen from FIG. 3 that as the temperature decreases, the variation in tensile strength tends to increase.
  • the crystal orientation analysis was performed on those having a tensile strength of 75 MPa and a tensile strength of 45 MPa to calculate a Schmidt factor.
  • the Schmidt factor was 0.13 in the former and 0.47 in the latter. That is, the Schmidt factor of the test piece with high tensile strength was small, and the Schmidt factor of the test piece with low tensile strength was large. From this correlation, it is inferred that the main factor of the variation is that the crystal orientation is anisotropic.
  • the tensile strength was stable even under the environment of -40.degree. C., and no twin deformation was observed even when microscopic observation was performed. From this, it is clear that a solder material having a small variation in tensile strength can be obtained by setting the composition within the above range and setting Bi substantially to zero.

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Abstract

２．５～３．３重量％のＡｇ、０．３～０．５重量％のＣｕ、５．５～６．４重量％のＩｎ、０．５～１．４重量％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるはんだ材料を提供する。すなわち、当該はんだ材料は、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだ材料である。

Description

はんだ材料
　本発明は、物体同士を接合する際に接合材として用いられるはんだ材料に関する。
　トランジスタやダイオード、サイリスタ等の電子部品は、はんだ材料を介して基板に接合される。はんだ材料としては、従来、鉛（Ｐｂ）を主成分とするものが用いられていたが、近年の環境保護意識の高まりから、Ｐｂを含有しない、いわゆるＰｂフリーはんだ材料に代替されつつある。
　Ｐｂフリーはんだ材料は、スズ（Ｓｎ）を主成分とするとともに、析出強化を促す銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）を副成分として含有する。さらに、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）を添加することによって固溶強化がなされることが知られている。例えば、特開２００２－１２００８５号公報には、Ａｇ：２．５～４．５重量％、Ｃｕ：０．２～２．５重量％、Ｉｎ：１２重量％以下、Ｓｂ：２重量％以下を含み、残部がＳｎであるはんだ材料が開示され、国際公開第１９９７／００９４５５号には、Ａｇ：１．４～７．１重量％、Ｃｕ：０．５～１．３重量％、Ｉｎ：０．２～９．０重量％、Ｓｂ：０．４～２．７重量％を含み、残部がＳｎであるはんだ材料が開示されている。場合によっては、さらにビスマス（Ｂｉ）が添加されることもある。
　上記のような電子部品が接合された基板は、例えば、自動車に搭載されてエンジンを制御する車載用エンジンコントロールユニットを構成する。ここで、自動車は、酷寒環境下で使用されることもあれば、酷暑環境下で使用されることもある。このため、広い温度範囲での動作保証が求められる。
　しかしながら、公知のＰｂフリーはんだ材料は、特に極低温環境下での機械特性にバラツキがあることが認められる。従って、酷寒環境下で自動車を用いる場合に車載用エンジンコントロールユニットの製品寿命にバラツキが生じる懸念がある。このように、従来技術に係るはんだ材料には、極低温環境下で使用する際の信頼性が十分ではないという不都合がある。
　本発明の主たる目的は、極低温時であっても安定した機械特性を示すはんだ材料を提供することにある。
　本発明の別の目的は、極低温環境下で使用する場合であっても十分な信頼性が得られるはんだ材料を提供することにある。
　本発明の一実施形態によれば、Ａｇ：２．５～３．３重量％、Ｃｕ：０．３～０．５重量％、Ｉｎ：５．５～６．４重量％、Ｓｂ：０．５～１．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであるはんだ材料が提供される。
　このような組成とすることで、低融点のはんだ材料とすることができる。低融点であることから、接合時にはんだ材料に付与する温度を低くすることが可能である。従って、接合する物体、例えば、電子部品に熱的ダメージが加わることを低減することができる。
　しかも、固溶元素の添加が少量であることから双晶変形が起こり難く、且つ過共晶物が生成することが抑制されるので、機械特性のバラツキが小さくなる。このために接合部の寿命のバラツキが小さくなり、その結果、接合品の製品寿命が安定する。このため、信頼性が向上する。以上については、後に詳述する。
　上記したように、本発明に係るはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂを含むのみである。このため、Ｂｉを実質的に含まない。これにより、機械特性が安定したはんだ材料となる。なお、ここでいう「実質的に含まない」とは、不可避的に混入する量に留まり、それを超える量は含まないことを表す。
　以上のように、本発明によれば、所定量のＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、ＳｂとＳｎのみではんだ材料を構成するようにしている。このため、低融点で且つ機械特性のバラツキが小さなはんだ材料を得ることができる。従って、接合品に加わる熱ダメージを低減することができるとともに、製品寿命のバラツキを抑制して信頼度を向上させることができる。
Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－６．０Ｉｎ－１．０Ｓｂ合金（実施例）からなる試験片を用いて－４０℃の環境下で引張試験を複数回行ったときの各回の応力－歪み曲線である。 実施例及び比較例１～３の試験片を用いて－４０℃の環境下で引張試験を行ったときの引張強度のバラツキの大小を示すグラフである。 比較例１について－４０℃～１００℃超で引張試験を行ったときの引張強度のバラツキの大小を示すグラフである。
　以下、本発明に係るはんだ材料につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
　本実施の形態に係るはんだ材料は、Ｓｎを主成分とし、且つ析出強化を促すＡｇ及びＣｕを含有するとともに、Ｉｎ、Ｓｂがさらに添加されたいわゆるＰｂフリーはんだ材料である。すなわち、このはんだ材料は、２．５～３．３％（重量％、以下同じ）のＡｇ、０．３～０．５％のＣｕ、５．５～６．４％のＩｎ、０．５～１．４％のＳｂを含み、残部が不可避的不純物及びＳｎである合金からなる。
　Ａｇを２．５％以上とすることにより、上記したように析出強化が促される。ここで、Ａｇが３．０％、３．５％であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｉｎ－Ｓｂ合金の試験片に対し、－４０℃の環境下で引張試験を複数回行うことによって得られた引張強度をプロットすると、Ａｇが３．５％であるとき、３．０％のときに比して引張強度のバラツキが大きいことが分かる。
　この理由は、Ａｇが３．５％であるときにはＳｎ－Ａｇの共晶組成であることから、亜共晶物、共晶物、過共晶物が混在した組織となっているためであると推察される。このため、Ａｇは共晶組成とならないように３．３％以下に設定される。これにより組織中に亜共晶物、共晶物、過共晶物が混在することが回避され、引張強度のバラツキを抑制することができるからである。
　０．３％以上のＣｕも同様に、析出強化が促される。その一方で、Ｓｎ－Ｃｕの共晶組成、すなわち、Ｃｕが概ね０．７％である場合、亜共晶、共晶、過共晶が混在した組織となり、引張強度にバラツキが生じるようになる。これを回避するべく、Ｃｕは０．５％以下に設定される。
　また、５．５％以上のＩｎを添加することにより、固溶強化が促進されるとともにはんだ材料の融点が低くなる。すなわち、このはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ及びＣｕのみを含有するＰｂフリーはんだ材料に比して低融点である。このため、電子部品を基板に接合する際等に低温で融解する。
　その一方で、Ｓｎに過剰のＩｎを添加するとＳｎの変態点が低くなる。例えば、１２５℃以上ではγ相（ＩｎＳｎ4）に変態する。このような副生相は、はんだ材料の機械特性にバラツキが生じる一因となる。そこで、これを回避するべく、Ｉｎは６．４％以下に設定される。この場合、はんだ材料に双晶変形が起こることがない。
　さらに、０．５％以上のＳｂを添加することにより、固溶強化が促進される。また、Ｉｎとともに液相中にＩｎＳｎ4とβ－Ｓｎが生成し、これにより結晶粒が微細となるために多方位化する。すなわち、はんだ材料は、異方性をほとんど示さない。換言すれば、等方性に近似することができる。
　Ｓｎに対するＳｂの割合を１．０％～３．０％の範囲内とした合金からなる試験片を用い、－４０℃の環境下で引張試験を行ったときの応力－歪み曲線を求めると、Ｓｂの割合が大きくなるにつれて引張強度が大きくなるものの、引張強度のバラツキが大きくなる結果が得られる。特に３．０％としたとき、応力－歪み曲線に、応力が急激に低下・上昇する箇所、すなわち、乱れが出現することが認められる。この理由は、固溶元素が多量であるためにすべり変形ができず、その結果として双晶変形が起こり易くなるためであると推察される。これを回避するべく、Ｓｎは、双晶変形が起こり難い１．４％以下に設定される。
　また、Ｓｎに対するＢｉの割合を１．０％、２．０％、３．０％とした合金からなる試験片を用い、－４０℃の環境下で引張試験を行ったときの応力－歪み曲線を求めると、１．０％であっても引張強度のバラツキが大きくなるとともに、２．０％であっても応力－歪み曲線に乱れが出現することが認められる。この理由は、Ｂｉを添加した場合、Ｓｎに比して双晶変形が顕著に起こり易くなるためであると考えられる。このため、本実施の形態では、Ｂｉの実質的な添加量を０とする。
　はんだ材料の典型的な組成は、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－６．０Ｉｎ－１．０Ｓｂである。すなわち、３．０％のＡｇ、０．５％のＣｕ、６．０％のＩｎ、１．０％のＳｂを含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物である。
　このような組成とすることにより、融点が低く引張強度のバラツキが抑制されたはんだ材料が得られる。従って、先ず、リフローでの低温溶融及び接合が可能となるので、例えば、電子部品を基板に接合する際、電子部品が受ける熱的ダメージを低減することができる。
　また、引張強度のバラツキが小さいので、該はんだ材料を用いて接合された接合部の寿命が、バラツキの少ない安定したものとなる。従って、信頼性が向上する。しかも、接合品（例えば、車載用エンジンコントロールユニット等）の製品寿命のバラツキが抑制されるので、該接合品の設計自由度が向上し、高密度化や小型化を図ることができる。
　組成がＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－６．０Ｉｎ－１．０Ｓｂであるはんだ材料（合金）からなる試験片を作製し、－４０℃の環境下で引張試験を複数回行って、各試験における応力－歪み曲線を求めた。以下、この試験片を実施例ともいう。
　これとは別に、比較例１～３のはんだ材料からなる試験片を作製し、上記と同様に、－４０℃の環境下で引張試験を複数回行って各試験における応力－歪み曲線を求めた。ここで、比較例１はＩｎ及びＳｂを全く含んでいないものであり、比較例２は３．０％を超えるＡｇ及びＢｉを含むものである。また、比較例３は、３．０％を超えるＡｇ、０．７％を超えるＣｕ、及びＢｉを含む。
　実施例の結果を、各回で線種を相違させて図１に示す。さらに、応力－歪み曲線から求められた各試験片での引張強度の値を図２に併せて示す。これら図１及び図２から、実施例では、各試験での応力が略一致している（すなわち、引張強度のバラツキが極めて小さい）のに対し、比較例１～３では、試験毎に応力が異なり、このために引張強度のバラツキが大きいことが分かる。すなわち、実施例の組成にすることにより、引張強度（機械特性）が安定したはんだ材料が得られる。
　なお、実施例と比較例１の融点を比較したところ、実施例の方が約２０℃低いことが認められた。このことは、実施例のはんだ材料が比較例１に比して低温で容易に溶融することを意味する。
　さらに、比較例２では、応力－歪み曲線に大きな乱れが出現していることが確認された。このことに起因し、比較例２では、引張強度のバラツキが大きくなっている。
　比較例１の試験片につき、－４０℃～１００℃超の温度範囲内で引張強度を測定した。結果を図３に示す。この図３から、低温となるにつれて引張強度のバラツキが大きくなる傾向にあることが分かる。
　－４０℃にて引張試験を行った比較例１の試験片のうち、引張強度が７５ＭＰａであったもの、４５ＭＰａであったものについて結晶方位解析を行い、シュミット因子を算出した。その結果、シュミット因子は、前者で０．１３、後者で０．４７であった。すなわち、引張強度が大きい試験片のシュミット因子は小さく、引張強度が小さい試験片のシュミット因子は大きかった。この相関関係から、バラツキの主要因は、結晶方位に異方性があるためであると推察される。
　さらに、比較例２の試験片について組織の顕微鏡観察を行うと、応力－歪み曲線に出現した乱れが大きいものでは顕著な双晶変形が起こり、乱れが小さいものでは、双晶変形が起こってはいるものの、その規模が小さいことが確認された。すなわち、双晶変形が大きなものほど、応力－歪み曲線の大きな乱れが出現し、引張強度のバラツキが大きかった。
　これに対し、実施例では、上記したように－４０℃の環境下でも安定した引張強度を示し、さらに、顕微鏡観察を行っても双晶変形は認められなかった。このことから、組成を上記の範囲内とし、且つＢｉを実質的に０とすることによって、引張強度のバラツキが小さなはんだ材料が得られることが明らかである。

Claims (4)

  1. 　Ａｇ：２．５～３．３重量％、Ｃｕ：０．３～０．５重量％、Ｉｎ：５．５～６．４重量％、Ｓｂ：０．５～１．４重量％を含み、残部が不可避的不純物及びＳｎであることを特徴とするはんだ材料。
  2. 　請求項１記載のはんだ材料において、Ｂｉを実質的に含まないことを特徴とするはんだ材料。
  3. 　請求項１又は２記載のはんだ材料において、結晶方位が等方性であることを特徴とするはんだ材料。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載のはんだ材料において、組織中に双晶変形を含まないことを特徴とするはんだ材料。
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