特許 7182753 はんだ合金、接合部、接合材、ソルダペースト、接合構造体および電子制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-24

(45)【発行日】2022-12-02

(54)【発明の名称】はんだ合金、接合部、接合材、ソルダペースト、接合構造体および電子制御装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/26 20060101AFI20221125BHJP

   C22C 12/00 20060101ALI20221125BHJP

   C22C 13/02 20060101ALI20221125BHJP

   B23K 35/22 20060101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

B23K35/26 310A

B23K35/26 310C

C22C12/00

C22C13/02

B23K35/22 310A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022551546

(86)(22)【出願日】2022-08-24

(86)【国際出願番号】 JP2022031965

【審査請求日】2022-08-26

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390005223

【氏名又は名称】株式会社タムラ製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100139996

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 洋子

(72)【発明者】

【氏名】嶋崎 貴則

(72)【発明者】

【氏名】丸山 大輔

(72)【発明者】

【氏名】越智 元気

(72)【発明者】

【氏名】新井 正也

【審査官】川村 裕二

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０８５４６８４６（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００７０２８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０７９８４１１０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５２７１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１７１７１０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３５／００－３５／４０

Ｃ２２Ｃ １３／００－１３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上０．６５質量％以下のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎと、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、液相線温度が１７０℃以下である、はんだ合金。

【請求項2】

更に、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含む、請求項１に記載のはんだ合金。

【請求項3】

更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含む、請求項１に記載のはんだ合金。

【請求項4】

更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含む、請求項２に記載のはんだ合金。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金を含む、接合材。

【請求項6】

フラックスと、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む、ソルダペースト。

【請求項7】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金を用いて形成された、接合部。

【請求項8】

請求項５に記載の接合材を用いて形成された、接合部。

【請求項9】

請求項６に記載のソルダペーストを用いて形成された、接合部。

【請求項10】

第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
前記接合部は、請求項７に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。

【請求項11】

第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
前記接合部は、請求項８に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。

【請求項12】

第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
前記接合部は、請求項９に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。

【請求項13】

請求項１０に記載の接合構造体を有する、電子制御装置。

【請求項14】

請求項１１に記載の接合構造体を有する、電子制御装置。

【請求項15】

請求項１２に記載の接合構造体を有する、電子制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、はんだ合金、接合部、接合材、ソルダペースト、接合構造体および電子制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

はんだ合金は、被接合材同士（例えば、プリント配線基板と電子部品）の接合（はんだ付）用材料として、広く知られている。

【0003】

ところで、はんだ付時の温度条件（加熱温度）は、溶融温度（本明細書においては、「溶融点」または「液相線温度」を意味する。）に基づき設定される。そのため、はんだ合金の液相線温度によっては、加熱温度を高めに設定することとなる。この場合、被接合材に加わる熱的負荷により、接合構造体（被接合材同士が接合されたもの。例えば、プリント回路基板。）の信頼性が低下する虞がある。そこで、加熱温度を低く設定できるよう、Ｂｉを添加して液相線温度を低下させたはんだ合金が提供されている。

【0004】

しかし、Ｂｉは、はんだ合金の延性を低下させる性質を有するため、Ｂｉを含むはんだ合金を用いて形成される接合部は、硬くて脆くなり易い。

【0005】

そこで、Ｂｉを含み、且つ、延性や脆性を改善させるはんだ合金として、例えば、以下のはんだ合金が提供されている。

【0006】

Ｂｉを３２質量％以上４０質量％以下、Ｓｂを０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｃｕを０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを０．００１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる、鉛フリーはんだ合金（特許文献１）。

【0007】

質量％で、Ｂｉ：３５～６８％、Ｓｂ：０．１～２．０％、Ｎｉ：０．０１～０．１０％、残部がＳｎからなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金（特許文献２）。

【0008】

鉛フリーはんだが質量百分率でＢｉ３２．８－５６．５％、Ｓｂ０．７－２．２％、残部Ｓｎからなり、かつＢｉ、Ｓｂの質量百分率が関係式ｂ＝０．００６ａ２－０．６７２ａ＋１９．６１＋ｃを満たし、ａがＢｉ、ｂがＳｂの質量百分率を示し、ｃの値域が－１．８５≦ｃ≦１．８５であり、さらに質量百分率でＣｅ０．０１－２．５％、Ｔｉ０．０５－２．０％、Ａｇ０．５－０．８％、及びＩｎ０．０５－１％の一つまたは２つ以上の金属元素が含まれることを特徴とするＳｎＢｉＳｂ系低温鉛フリーはんだ（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特許第６８０４１２６号公報

【文献】特許第６４７７９６５号公報

【文献】特許第６９５１４３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

電子機器の種類によって、接合構造体がヒートサイクルの繰り返される環境下に置かれる場合があり、このヒートサイクルは、接合部の熱疲労破壊（クラック）を引き起こす原因となる。そして、上述の通り、Ｂｉを含むはんだ合金を用いて形成される接合部は、硬くて脆くなり易いため、上記クラックが発生し易い。

【0011】

また、電子機器の地面への落下等により、被接合材や接合部に対して瞬間的且つ集中的な強い外力が作用する場合がある。そして、この外力による接合部の破損を防ぐためには、接合部の強度と延性とをバランスよく向上させることが求められる。しかし、上述の通り、Ｂｉを含むはんだ合金は、延性が低いため、そのようなはんだ合金を用いて形成された接合部は、上記外力の作用による破損が生じ易い。

【0012】

そして、特許文献１から３には、上記クラックへの耐性（以下、本明細書では、「ヒートサイクル耐性」という。）と上記外力への耐性（以下、本明細書では、「耐落下衝撃性」という。）の両方を有するはんだ合金については、開示も示唆もない。

【0013】

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するものであり、Ｂｉを含みつつ、ヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを有する接合部を形成できるはんだ合金、接合材およびソルダペーストを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

（１）本発明のはんだ合金は、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上０．７質量％未満のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎとを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であり、液相線温度が１７０℃以下である。

【0015】

（２）上記（１）の構成にあって、本発明のはんだ合金は、更に、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことができる。

【0016】

（３）上記（１）または（２）の構成にあって、本発明のはんだ合金は、更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことができる。

【0017】

（４）本発明の接合材は、上記（１）から（３）のいずれか１に記載のはんだ合金を含む。

【0018】

（５）本発明のソルダペーストは、フラックスと、上記（１）から（３）のいずれか１に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む。

【0019】

（６）本発明の接合部は、上記（１）から（３）のいずれか１に記載のはんだ合金を用いて形成される。

【0020】

（７）本発明の接合部は、上記（４）に記載の接合材を用いて形成される。

【0021】

（８）本発明の接合部は、上記（５）に記載のソルダペーストを用いて形成される。

【0022】

（９）本発明の接合構造体は、第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有し、前記接合部は、上記（６）から（８）のいずれか１に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している。

【0023】

（１０）本発明の電子制御装置は、上記（９）に記載の接合構造体を有する。

【発明の効果】

【0024】

本発明のはんだ合金、接合材およびソルダペーストは、Ｂｉを含みつつ、ヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを有する接合部を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】（１）引張試験で用いる試験片の形状を表す平面図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

【0027】

１．はんだ合金
本実施形態のはんだ合金は、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上０．７質量％未満のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎとを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

【0028】

本実施形態のはんだ合金は、Ｂｉ、Ｓｂ、ＩｎおよびＳｎをそれぞれ所定量含むことにより、液相線温度を低下させつつ、接合部にＳｎへのＢｉ、ＳｂおよびＩｎの固溶による強化、並びに、微細な金属間化合物（例：β－ＳｎＳｂ、ＩｎＳｂ）の析出および分散による強化を付与し、また、接合部に良好な延性を付与することができる。

【0029】

そのため、本実施形態のはんだ合金は、はんだ付け工程でのはんだ凝固時に接合部内に生じる残存応力や、電子制御装置、電子機器の作製時にプリント配線基板に生じる歪みを起因とする、接合部内でのクラックの発生を抑制することができる。

【0030】

また、本実施形態のはんだ合金は、上記構成により、ヒートサイクルの繰り返しによる接合部内でのクラックの発生とクラックの進展を抑制することができる。

【0031】

ところで、上述の通り、電子機器が落下すると、接合部には、瞬間的且つ集中的な強い外力（以下、単に「外力」という。）が作用する。この外力は、複数の方向（引張、圧縮、せん断、曲げおよびねじりの少なくとも２種）から接合部に作用するため、接合部内には、瞬間的且つ大きな応力と、上記外力に対する応力が発生する。よって、上記外力による接合部の破損を防ぐには、接合部が良好な強度と良好な延性とを有していること、即ち、接合部の降伏応力、引張応力および破断ひずみをバランスよく向上させることが求められる。

【0032】

そして、本実施形態のはんだ合金は、上記構成により、良好な強度と延性とをバランスよく有する接合部を形成することができるため、上記外力に対しても良好な耐性、即ち、良好な耐落下衝撃性を有する接合部を提供することができる。

【0033】

なお、本実施形態のはんだ合金は、ＮｉまたはＣｏといった、接合部内に微細な金属間化合物を析出させる合金元素を含まずとも、上記構成により、接合部に良好な強度と延性とを付与することができる。

【0034】

（１）Ｂｉ
本実施形態のはんだ合金は、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉを含むことにより、液相線温度を低下させつつ、接合部に良好な強度および延性を付与できる。

【0035】

一方で、Ｂｉの含有量が上記範囲外となる場合、はんだ合金の液相線温度が大きく上昇する虞がある。また、Ｂｉの含有量が６３質量％を超えると、はんだ合金の延性が低下する虞がある。

【0036】

Ｂｉの好ましい含有量は、４５質量％以上６０質量％以下である。また、更に好ましいＢｉの含有量は、５０質量％以上５９質量％以下である。Ｂｉの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性を更に向上させ、接合部のヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

【0037】

（２）Ｓｂ
本実施形態のはんだ合金は、０．１質量％以上０．７質量％未満のＳｂを含むことにより、接合部を強化させ、また、延性を向上させることができる。また、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。

【0038】

一方で、Ｓｂの含有量が０．１質量％未満であると、接合部の強化が不十分となる虞がある。また、Ｓｂの含有量が０．７質量％以上であると、初晶として粗大なβ－ＳｎＳｂが晶出するため、接合部の延性を阻害する虞がある。

【0039】

Ｓｂの好ましい含有量は、０．２質量％以上０．７質量％未満である。また、更に好ましいＳｂの含有量は、０．３質量％以上０．６質量％以下である。Ｓｂの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性と強度とを更に向上させ、接合部のヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

【0040】

（３）Ｉｎ
本実施形態のはんだ合金は、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎを含むことにより、接合部を強化させ、また、延性を向上させることができる。また、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。

【0041】

一方で、Ｉｎの含有量が０．０５質量％未満であると、接合部の析出強化が不十分となる虞がある。また、Ｉｎの含有量が１質量％を超えると、ＩｎＳｂが粗大化するため、接合部の延性を阻害する虞がある。

【0042】

Ｉｎの好ましい含有量は、０．０５質量％以上０．５質量％以下である。また、更に好ましいＩｎの含有量は、０．０５質量％以上０．３質量％以下である。Ｉｎの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性と強度とを更に向上させ、接合部のヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

【0043】

本実施形態のはんだ合金には、更に、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有させることができる。
Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上をはんだ合金に添加することにより、はんだ合金の酸化を抑制し、また、はんだ合金の濡れ性を向上できるため、信頼性の高い接合部を提供することが可能となる。一方で、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上の合計含有量が０．０５質量％を超えると、接合部内にボイドが発生し、ヒートサイクル耐性が悪化する虞がある。

【0044】

本実施形態のはんだ合金には、更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有させることができる。
Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上をはんだ合金に添加することにより、接合部内の金属間化合物が更に微細化するため、クラックの進展を抑制することができ、良好なヒートサイクル耐性を実現することができる。一方で、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上の合計含有量が０．０５質量％を超えると、接合部内にボイドが発生し、ヒートサイクル耐性が悪化する虞がある。

【0045】

本実施形態のはんだ合金の残部は、Ｓｎと不可避不純物とからなる。なお、本実施形態のはんだ合金は、不可避不純物以外の鉛を含まないものである。

【0046】

また、本実施形態のはんだ合金は、上記の合金組成および含有量を満たし、且つ、液相線温度が１７０℃以下であることが好ましい。

【0047】

上述の通り、はんだ付時の加熱温度は、はんだ合金の溶融温度に基づき設定され、溶融温度＋２０℃以上とすることが一般的である。そして、上記加熱温度を１９０℃まで下げると、被接合材、特に、プリント配線基板や電子部品における熱的負荷による変形（反り）の発生を大幅に低減できると言われている。

【0048】

そして、はんだ合金の液相線温度が１７０℃以下の場合、１９０℃の加熱温度ではんだ付を行っても、はんだ合金を十分に溶融させることができる。従って、この場合、熱的負荷による、プリント配線基板や電子部品、特に、小型化・薄型化されたプリント配線基板や電子部品の変形と、この変形を起因とする被接合部と接合部との接合不良の発生とを抑制することができる。また、未溶融はんだの発生を抑制することができるため、信頼性の高い接合部を提供することができる。

【0049】

なお、上述するはんだ合金の液相線温度の測定は、ＪＩＳ Ｚ３１９８－１：２０１４に準拠し、示差走査熱量測定（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）方法に準じ、昇温速度を２℃／ｍｉｎ、サンプル量を１０ｍｇとして実施する。

【0050】

２．接合材
本実施形態の接合材は、本実施形態のはんだ合金を含むものであり、後述するソルダペースト、はんだボール、ワイヤー、ソルダプリフォーム、やに入りはんだ等の形態で使用することができる。
前記接合材の形態は、接合する被接合材の大きさ、種類および用途、並びにはんだ接合方法等によって適宜選択し得る。
そして、本実施形態の接合材は、本実施形態のはんだ合金を含むことにより、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できる。

【0051】

３．ソルダペースト
本実施形態のソルダペーストは、本実施形態のはんだ合金からなる粉末（以下、「合金粉末」という。）を含むものであり、例えば、前記合金粉末と、フラックスとを混練してペースト状にすることにより作製される。

【0052】

＜フラックス＞
前記フラックスは、例えば、ベース樹脂と、チクソ剤と、活性剤と、溶剤とを含む。

【0053】

前記ベース樹脂としては、例えば、ロジン系樹脂；アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニル、酢酸ビニル等の少なくとも１種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂；エポキシ樹脂；フェノール樹脂等が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて用いることができる。

【0054】

前記チクソ剤としては、例えば、硬化ヒマシ油、水素添加ヒマシ油、ビスアマイド系チクソ剤（飽和脂肪酸ビスアマイド、不飽和脂肪酸ビスアマイド、芳香族ビスアマイド等）、オキシ脂肪酸類、ジメチルジベンジリデンソルビトール等が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。

【0055】

前記活性剤としては、例えば、有機酸（モノカルボン酸、ジカルボン酸、その他の有機酸）、ハロゲンを含む化合物、アミン系活性剤等が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。

【0056】

前記溶剤としては、例えば、アルコール系、ブチルセロソルブ系、グリコールエーテル系、エステル系等の溶剤が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。

【0057】

また、前記フラックスには、酸化防止剤を配合することができる。この酸化防止剤としては、例えば、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。
また、前記フラックスには、更につや消し剤、消泡剤等の添加剤を加えてもよい。

【0058】

本実施形態のソルダペーストを作製する場合の、前記合金粉末と、フラックスとの配合比（質量％）は、合金粉末：フラックスの比で６５：３５から９５：５とすることができる。また、例えば、上記配合比を、８５：１５から９３：７や、８７：１３から９２：８とすることもできる

【0059】

なお前記合金粉末の粒子径は、１μｍ以上４０μｍ以下とすることができる。また、上記粒子径を、５μｍ以上３５μｍ以下、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることもできる。

【0060】

そして、本実施形態のソルダペーストは、前記合金粉末を含むことにより、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できる。

【0061】

４．接合部
本実施形態の接合部は、本実施形態のはんだ合金、接合材（ソルダペーストを含む。）を用いて形成され、被接合材同士を接合するものである。
本実施形態の接合部の形成方法は、本実施形態のはんだ合金、接合材およびソルダペーストを用いて形成し得るものであればよく、リフロー方式、フロー方式等、いずれの方法も採用することができる。また、使用する接合材も、接合する被接合材の大きさ、種類および用途、並びに形成方法等によって適宜選択し得る。

【0062】

５．接合構造体
本実施形態の接合構造体は、第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを備える。前記接合部は、本実施形態の接合部であり、前記第１の被接合材と、前記第２の被接合材とを接合している。

【0063】

前記第１の被接合材および前記第２の被接合材の組み合わせとしては、例えば、基板（表面がセラミック、金属、合金または樹脂のいずれかからなるものであって、電子回路が形成されていないもの）、プリント配線基板（電子回路が形成された基板であって、電子部品等が搭載されていないもの）、プリント回路基板（電子部品等が搭載されたプリント配線基板）、電子部品、シリコンウエハ、半導体パッケージ、半導体チップ等から選ばれる２種以上が挙げられる。
具体的な組み合わせとしては、例えば、プリント配線基板と電子部品、プリント配線基板と半導体チップ、半導体パッケージとプリント回路基板、プリント配線基板とプリント配線基板等が挙げられる。

【0064】

また、本実施形態の接合構造体は、例えば、以下の方法にて作製される。
前記第１の被接合材としてプリント配線基板を、前記第２の接合材として電子部品を用いる場合、まず、前記第１の被接合材の所定位置、例えば、電子回路上に、本実施形態の接合材を載置（ソルダペーストの場合は、塗布）し、前記接合材上に前記第２の被接合材を載置する。そして、これらを所定の加熱温度、例えば、ピーク温度１９０℃にてリフローし、前記第１の被接合材と、前記第２の被接合材とを接合する接合部を形成する。これにより、本実施形態の接合構造体（プリント回路基板）が作製される。

【0065】

なお、前記接合材としてソルダプリフォームを用いる場合、表面にフラックスを塗布したソルダプリフォームを前記第１の被接合材の所定位置に載置し、前記ソルダプリフォーム上に前記第２の被接合材を載置して、加熱を行う。
また、前記第２の被接合材として、Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ（ＢＧＡ）のような、はんだボールを備える電子部品を用いる場合、ＢＧＡの表面や、前記第１の被接合材の所定位置にソルダペーストを塗布し、前記第１の被接合材の所定位置上に前記第２の被接合材を載置して、加熱を行う。

【0066】

そして、本実施形態の接合構造体は、本実施形態の接合部を有するため、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を実現できる。

【0067】

６．電子制御装置
本実施形態の電子制御装置は、本実施形態の接合構造体を備えるものであり、例えば、電子部品とプリント配線基板とが接合されたプリント回路基板が筐体内に配置されたものであって、電子機器を構成する部品の動作を制御する。
そして、本実施形態の電子制御装置は、本実施形態の接合構造体を備えるため、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有し、高い信頼性を確保することができる。

【実施例】

【0068】

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳述する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0069】

【表1】

【0070】

【表2】

【0071】

（１）引張試験
表１および表２に示す各はんだ合金それぞれについて、図１に示すような試験片１０を作製した。
なお、試験片１０は、中央平行部（図１のＧ１とＧ２の間）が以下となるように作製された。
・中央平行部の長さ（図１のＬ）：１２ｍｍ
・中央平行部の幅（図１のＷ）：２ｍｍ
・中央平行部の厚み：４ｍｍ

【0072】

そして、試験片１０について、以下の手順で引張試験を行った。
試験片１０を、卓上形精密万能試験機（製品名：オートグラフＡＧ－５０ｋＮＸ ｐｌｕｓ、（株）島津製作所製）を用いて、室温下にて、０．７２ｍｍ／ｍｉｎのストロークで、破断するまでＸ方向に引っ張った。
そして、試験片１０が破断したときのストローク距離をＧＬ１、引っ張り前の試験片の中央平行部の長さＬをＧＬ０とし、以下の式に基づき、試験片１０の伸び率を算出した。
伸び率（％）＝（ＧＬ１－ＧＬ０）／ＧＬ０×１００
１種のはんだ合金につき５本の試験片１０を作製し、上記手順に従い、それぞれについて伸び率および伸び率の平均値を算出し、以下の基準に基づき評価した。その結果を表３および表４に示す。
◎：伸び率の平均値が、３５％以上である
○：伸び率の平均値が、３０％以上、３５％未満である
△：伸び率の平均値が、２５％以上、３０％未満である
×：伸び率の平均値が、２５％未満である

【0073】

（２）落下衝撃試験
以下の各成分を混練したフラックスと、表１および表２に示すはんだ合金の粉末（粉末粒径２０μｍから３８μｍ）とを、以下の配合比（質量％）にてそれぞれ混練し、各ソルダペーストを作製した。なお、はんだ合金の粉末は、アトマイズ法により作製した。
鉛フリーはんだ合金の粉末：フラックス＝８９：１１
＜フラックスの組成＞
・水添酸変性ロジン（製品名：ＫＥ－６０４、荒川化学工業（株）製）：４９質量％
・活性剤（グルタル酸：０．３質量％、スベリン酸：２質量％、マロン酸：０．５質量％、ドデカン二酸：２質量％、ジブロモブテンジオール：２質量％）
・脂肪酸アマイド（製品名：スリパックスＺＨＨ、日本化成（株）製）：６質量％
・ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル：３５．２質量％
・ヒンダードフェノール系酸化防止剤（製品名：イルガノックス２４５、ＢＡＳＦジャパン（株）製）：３質量％

【0074】

また、以下の用具を準備した。
・ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ、ピッチ幅：０．５ｍｍ、サイズ：縦１２ｍｍ×横１２ｍｍ×厚さ１ｍｍ、端子数：２２８ピン）
・ガラスエポキシ基板（基材：ＦＲ－４、表面処理：Ｃｕ－ＯＳＰ、厚み：１．０ｍｍ、上記ＬＧＡを実装できるパターンを有するもの）
・メタルマスク（厚さ：１００μｍ、上記パターンに対応するもの）
ソルダペーストごとに、前記ガラスエポキシ基板を５枚と、２０個のＬＧＡを使用した。
そして、上記用具および各ソルダペーストを用い、以下の手順にて、各試験基板を作製し、落下衝撃試験を行った。

【0075】

まず、メタルマスクを用い、ガラスエポキシ基板上にソルダペーストを印刷した。そして、印刷されたソルダペースト上の所定の位置に、ガラスエポキシ基板１枚につき４個のＬＧＡを載置した。なお、ソルダペーストの印刷膜厚は、メタルマスクにより調整した。
そして、ＬＧＡを載置したガラスエポキシ基板を、リフロー炉（製品名：ＴＮＶ－Ｍ６１１０ＣＲ、（株）タムラ製作所製）を用いてリフローし、ＬＧＡと、ガラスエポキシ基板と、これらを接合する接合部とを有する試験基板を作製した。
なお、上記リフローは、プリヒートを１００℃から１２０℃、ピーク温度を１８５℃、１５０℃以上の時間が６０秒間、ピーク温度から１００℃までの冷却速度を１℃から４℃／秒とした。また、酸素濃度は２００±１００ｐｐｍに設定した。

【0076】

次に、作製した試験基板について、落下衝撃試験機（製品名：ＨＤＳＴ－１５０Ｊ、神栄テクノロジー（株））を用い、以下の条件にて落下衝撃試験を行った。
即ち、ＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２－Ｂ１１１に準拠して、試験基板を加速度１，５００Ｇ、幅０．５ｍｓの衝撃波形が負荷される高さから繰り返し自由落下させた。落下衝撃試験中は、試験基板の各接合部の電気抵抗を常時観察し、抵抗値が１，０００Ωを超えた時点で破断と判断し、破断に至るまでの落下回数を測定した。
なお、ソルダペースト１種ごとに試験基板を５つ作製し、合計２０個のＬＧＡについて、上記測定結果をワイブルプロットし、累積故障率が６３．２％における落下回数を特性寿命と推定し、以下の基準にて評価した。その結果を表３および表４に示す。
◎：特性寿命が１１０回以上である
○：特性寿命が、９０回以上、１１０回未満である
△：特性寿命が、７０回以上、９０回未満である
×：特性寿命が、７０回未満である

【0077】

（３）ヒートサイクル試験
以下の用具を用意した。
・チップ部品（３．２ｍｍ×１．６ｍｍ）
・ガラスエポキシ基板（基材：ＦＲ－４、表面処理：Ｃｕ－ＯＳＰ、厚み：１．２ｍｍ、上記チップ部品を実装できるパターンを有するもの）
・メタルマスク（厚さ：１２０μｍ、上記パターンに対応するもの）
ソルダペーストごとに、前記ガラスエポキシ基板を３枚と、３０個のチップ部品を使用した。
そして、上記用具および各ソルダペーストを用い、以下の手順にて、各試験基板を作製し、ヒートサイクル試験を行った。

【0078】

まず、メタルマスクを用い、ガラスエポキシ基板上にソルダペーストを印刷した。そして、印刷されたソルダペースト上の所定の位置に、ガラスエポキシ基板１枚につき１０個のチップ部品を載置した。なお、ソルダペーストの印刷膜厚は、メタルマスクにより調整した。
そして、チップ部品を載置したガラスエポキシ基板を、リフロー炉（製品名：ＴＮＶ－Ｍ６１１０ＣＲ、（株）タムラ製作所製）を用いてリフローし、チップ部品と、ガラスエポキシ基板と、これらを接合する接合部とを有する実装基板を作製した。
なお、上記リフローは、プリヒートを１００℃から１２０℃、ピーク温度を１８５℃、１５０℃以上の時間が６０秒間、ピーク温度から１００℃までの冷却速度を１℃から４℃／秒とした。また、酸素濃度は２００±１００ｐｐｍに設定した。

【0079】

次に、冷熱衝撃試験装置（製品名：ＥＳ－７６ＬＭＳ、日立アプライアンス（株）製）を用い、－４０℃（３０分間）から１２５℃（３０分間）を１サイクルとする設定条件にて、各実装基板を以下の通り冷熱衝撃サイクルに晒し、試験基板ａからｃを作製した。
ａ：上記冷熱衝撃サイクルを２，０００サイクル繰り返す環境下に晒した試験基板
ｂ：上記冷熱衝撃サイクルを２，２５０サイクル繰り返す環境下に晒した試験基板
ｃ：上記冷熱衝撃サイクルを２，５００サイクル繰り返す環境下に晒した試験基板

【0080】

各試験基板ａからｃの対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂（製品名：ＨＥＲＺＯＧエポ低粘度樹脂（主剤及び硬化剤）、ハルツォク・ジャパン（株）製）を用いて封止した。
そして、湿式研磨機（製品名：ＴｅｇｒａＰｏｌ－２５、丸本ストルアス（株）製）を用いて、各試験基板に実装された各チップ部品の中央断面が分かるような状態とし、走査電子顕微鏡（製品名：ＴＭ－１０００、（株）日立ハイテクノロジーズ製）を用いて、各試験基板ａからｃ上の各接合部の状態を観察し、接合部を完全に横断しているクラックの有無を確認し、以下の基準に従い評価した。その結果を表３および表４に示す。
◎：試験基板ａからｃの全てにおいて、接合部を完全に横断するクラックは発生しなかった
○：試験基板ａおよびｂにおいて、接合部を完全に横断するクラックは発生しなかった
△：試験基板ａにおいて、接合部を完全に横断するクラックは発生しなかった
×：試験基板ａからｃの全てにおいて、接合部を完全に横断するクラックが発生した

【0081】

（４）液相線温度測定
各はんだ合金について、示差走査熱量測定装置（製品名：ＤＳＣ Ｑ２０００、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）を用いて液相線温度を測定した。その結果を表３および表４に示す。なお、液相線温度の測定条件（昇温速度）は、２℃／ｍｉｎとし、測定に使用するサンプル量は、１０ｍｇとした。

【0082】

【表3】

【0083】

【表4】

【0084】

以上の通り、本実施例のはんだ合金は、Ｂｉ、Ｓｂ、ＩｎおよびＳｎを所定量含むことにより、液相線温度を低下させつつ、（１）引張試験、（２）落下衝撃試験および（３）ヒートサイクル試験のいずれにおいても、良好な結果を示す接合部を形成できる。
ここで、自動車が対象物に衝突した際のひずみ速度は、１０^－３（ｓ^－１）から１０^３（ｓ^－１）と言われている。そして、（１）引張試験においては、ＧＬ０が１２ｍｍの試験片を０．７２ｍｍ／ｍｉｎのストロークで引っ張っているため、これをひずみ速度に換算すると、１０^―３（ｓ^－１）となる。
このように、本実施例のはんだ合金は、自動車が対象物に衝突した際のひずみ速度に匹敵するような負荷を与えた場合においても、良好な耐性、即ち、良好な強度と延性とを有する接合部を形成できることが分かる。

【0085】

このように、本実施例のはんだ合金は、優れたヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する信頼性の高い接合部を形成することができる。また、このような接合部を有する電子制御装置および電子機器は、高い信頼性を発揮することができる。

【0086】

また、本実施例のはんだ合金は、液相線温度を１７０℃以下とすることができるため、１８５℃のピーク温度でのリフローでも接合不良を抑制することができる。

【符号の説明】

【0087】

１０ 試験片

【要約】

ヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できるはんだ合金であって、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上０．７質量％未満のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎとを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であり、液相線温度が１７０℃以下である、はんだ合金。

【図1】