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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-15
(45)【発行日】2024-01-23
(54)【発明の名称】はんだ継手
(51)【国際特許分類】
   B23K 35/26 20060101AFI20240116BHJP
   C22C 13/00 20060101ALI20240116BHJP
   C22C 13/02 20060101ALI20240116BHJP
【FI】
B23K35/26 310A
C22C13/00
C22C13/02
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2019041026
(22)【出願日】2019-03-06
(65)【公開番号】P2019155476
(43)【公開日】2019-09-19
【審査請求日】2022-02-10
(31)【優先権主張番号】P 2018039938
(32)【優先日】2018-03-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】592025786
【氏名又は名称】株式会社日本スペリア社
(74)【代理人】
【識別番号】100114557
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 英仁
(74)【代理人】
【識別番号】100078868
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 登夫
(72)【発明者】
【氏名】西村 哲郎
(72)【発明者】
【氏名】西村 貴利
(72)【発明者】
【氏名】赤岩 徹哉
(72)【発明者】
【氏名】末永 将一
【審査官】川口 由紀子
(56)【参考文献】
【文献】特許第6119912(JP,B1)
【文献】特許第6119911(JP,B1)
【文献】特開2018-023987(JP,A)
【文献】特開昭61-092797(JP,A)
【文献】特開平01-262092(JP,A)
【文献】特開2000-190090(JP,A)
【文献】特開2014-097532(JP,A)
【文献】特許第5872114(JP,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 35/26
C22C 13/00
C22C 13/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に於いて、
前記鉛フリーはんだ合金はSn-Cu-Ni-Bi-Ge系であって、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%、残部がSnであり、
150℃で300時間エージングした場合において、接合部を挟む2つの被接合部間の電気抵抗率の上昇をエージング前に比べて3%以下に抑制することを特徴とするはんだ継手。
【請求項2】
鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に於いて、
前記鉛フリーはんだ合金はSn-Cu-Ni-Bi-Ge系であって、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%であり、0.02~0.1重量%のCoが添加され、残部がSnであり、
150℃で300時間エージングした場合において、接合部を挟む2つの被接合部間の電気抵抗率の上昇をエージング前に比べて3%以下に抑制することを特徴とするはんだ継手。
【請求項3】
前記鉛フリーはんだ合金は、
Cuが0.5~1.0重量%、Niが0.02~0.1重量%、Biが1.0~3.0重量%、Geが0.001~0.05重量%、残部がSnであることを特徴とする請求項1に記載のはんだ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、環境への意識が高まり、鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ合金」が使用されるようになってきた。斯かる鉛フリーはんだ合金は、Snを主成分とするはんだ合金である。一般に使用されている鉛フリーはんだ合金の代表例としては、Sn-3Ag-0.5CuのようなSn-Cu系の鉛フリーはんだ合金がある。
【0003】
更に、特許文献1にはSn-Cu系の鉛フリーはんだ合金に微量のBiと微量のNiとを組み合わせて添加することによって錫ペスト現象の防止及び耐衝撃性の改善という効果を奏することが開示されている。
【0004】
また、特許文献2には、Sn、Cu、Ni、Bi及びGeを含む鉛フリーはんだ合金であって、高温エージング処理後においても接合強度を保つことができる鉛フリーはんだ合金について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開第2009/131114号
【文献】特許第5872114号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一方、上述したように、Sn及びCuを含む鉛フリーはんだ合金を用いて基板にはんだ付けを行う場合は、接合部にCu3Sn等の金属間化合物層が生成される。Cu3Sn等の金属間化合物層は高温でのCuの拡散によって生成される。特に、Cu3Sn層は電気抵抗値が高く、接合部の電気伝導率を下げるのでCu3Sn層の生成は望ましくない。
【0007】
前記接合部に生成される金属間化合物には、Cu3Sn以外にも、Cu6Sn5などがあるが、これら金属間化合物は電気抵抗値が高い。更に、Cu6Sn5及びCu3Snは接合部に集中的に生成される。従って、接合部における電気抵抗値は金属間化合物層に左右され、接合部における金属間化合物層の生成及び増加は電気的特性に関する信頼性を低下させる。
【0008】
Sn及びCuを含む鉛フリーはんだ合金を用いて基板にはんだ付けを行う場合は、接合部におけるCu3Sn等の金属間化合物層による電気的特性への影響を考慮する必要がある。
【0009】
しかしながら、特許文献1及び特許文献2の何れにおいても、接合部におけるCu3Sn等の金属間化合物層の生成による、はんだ継手の電気的特性への影響については工夫されていない。
【0010】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Sn‐Cu‐Ni‐Bi‐Ge系の鉛フリーはんだ合金を用い、電気抵抗率の上昇を抑制できるはんだ継手を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係るはんだ継手は、鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手に於いて、前記鉛フリーはんだ合金はSn-Cu-Ni-Bi-Ge系であり、電気抵抗率の上昇を抑制する、被接合体との接合部を備えることを特徴とする。
【0012】
本発明に係るはんだ継手は、前記鉛フリーはんだ合金は、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%、残部がSnであることを特徴とする。
【0013】
本発明に係るはんだ継手は、前記鉛フリーはんだ合金は、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%であり、0.1~10.0重量%のSb、0.1~10.0重量%のIn、及び0.001~1.0重量%のGaから選択される1つ又は2つ以上が添加され、残部がSnであることを特徴とする
【0014】
本発明に係るはんだ継手は、前記鉛フリーはんだ合金は、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%であり、Ag、P、Mn、Au、Zn、Co、Ti、Si、及びAlから選択される1つ又は2つ以上が添加され、残部がSnであることを特徴とする。
【0015】
本発明に係るはんだ継手は、150℃で300時間エージングした場合において、前記接合部を挟む2つの被接合部間の電気抵抗率の変化率がエージング前に比べ3%以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、Sn‐Cu‐Ni‐Bi‐Ge系の鉛フリーはんだ合金を用い、被接合体との接合部における電気抵抗率の上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
図1】本実施例のはんだ継手を示す概略図である。
図2】150℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。
図3】150℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。
図4】150℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。
図5】150℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手における、銅板及びはんだ部間の接合部の微細構造を示す写真である。
図6】比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手における、電気抵抗率及びCu3Sn層の厚みの時系列に対する推移を示す図である。
図7】本実施例のはんだ継手において、Biの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。
図8】本実施例のはんだ継手において、Biの添加量がCu3Sn層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。
図9】本実施例のはんだ継手において、Cuの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。
図10】本実施例のはんだ継手において、Cuの添加量がCu3Sn層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。
図11】本実施例のはんだ継手において、Niの添加量が電気抵抗に及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳述する。
【0019】
Sn‐Cu‐Ni‐Ge系の鉛フリーはんだ合金を用いた接合の際には、Sn、Cuの相に加え、Cu6Sn5及びCu3Sn等の金属間化合物層が主に生成される。一般に電気抵抗値は、Snが12.6×10-8、Cuが1.7×10-8、Cu6Sn5が12.5×10-7、Cu3Snが20.5×10-7であると言われており、Sn、Cu、Cu6Sn5、及びCu3SnのなかでCu3Snが最も高い電気抵抗値を有する。特に、接合部には、Cu6Sn5及びCu3Snの金属間化合物層が集中的に生成される。接合部における電気抵抗値はCu3Sn層により大きく依存する。すなわち、Cu3Sn層の厚みが厚くなるほど接合部の電気伝導率が低くなる。
【0020】
更に、Cu3Sn等の金属間化合物層はCuの拡散によって生成されるので、斯かるはんだ継手を用いる装置の使用環境が高温である場合、又は、前記装置の使用の際、基板などで発熱が生じた場合などは、Cu3Sn層が厚くなる。従って、斯かるはんだ継手(接合部)の電気抵抗(率)は更に上昇する。
【0021】
してみれば、Cu3Sn層の生成及び厚みは斯かる接合部における電気抵抗値、即ち、前記接合部を含むはんだ継手の電気的特性に大きい影響を及ぼすことが分かる。
【0022】
そこで、発明者は、被接合体との接合部におけるCu3Sn等の金属間化合物の生成を抑制することによって、接合部における電気抵抗値、即ち、前記接合部を含むはんだ継手の電気的特性の信頼性向上を試みた。
【0023】
本実施の形態(以下、本実施例と言う。)に係るはんだ継手においては、Sn、Cu、Ni、Geの成分に加え、更にBiを添加した鉛フリーはんだ合金(以下、Sn-Cu-Ni-Bi-Ge系はんだ合金と言う。)を用いた。
【0024】
以下においては、Sn-Cu-Ni-Bi-Ge系はんだ合金の一例として、Cuの添加量が0.7重量%、Niの添加量が0.05重量%、Biの添加量が1.5重量%、Geの添加量が0.006重量%であり、残部はSnであるはんだ合金を用いた場合を例に挙げて説明する。また、説明の便宜上、この成分組成のはんだ合金を、以下では、本実施例のはんだ合金と言う。
【0025】
本実施例のはんだ継手を用いて、接合部における、Cu3Snと電気抵抗(率)との関係を確認する試験を行った。斯かる試験においては、別の成分組成のはんだ合金を用いた継手(以下、比較例のはんだ継手と言う。)との比較を行った。比較例のはんだ継手に用いられたはんだ合金は、Cuの添加量が0.5重量%、Agの添加量が3重量%であり、残部がSnである。
【0026】
本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手を高温で放置(エージング)した後、エージング前後、及び、エージングの時間経過に伴う電気抵抗(率)及び斯かるはんだ継手の接合部におけるCu3Snの厚み変化を観察した。
【0027】
はんだ継手の作成について説明する。図1は、本実施例のはんだ継手10を示す概略図である。
寸法が50mm×10mm×1.8mmである2つの銅板1を250℃に加熱して、夫々の長手方向の一端面にはんだ付けを行ってはんだ部2を形成した。前記2つの銅板1(被接合体)が相互面一となるようして、斯かる2つの銅板1のはんだ部2を突き合わせて250℃に加熱し、2つのはんだ部2を溶融させてくっつけた。この際、前記2つの銅板1の一端の間におけるはんだ部2の厚みは1.0mmであり、はんだ部2の各面も銅板1の各面と面一をなすように形成された。換言すれば、本実施例のはんだ継手においては、2つの銅板1は夫々の長手方向が一致するようにして、端面同士がはんだ合金(はんだ部2)によって接合されている。なお、比較例のはんだ継手も、本実施例のはんだ継手10と同様に作成された。
【0028】
このようにして用意された本実施例のはんだ継手及び比較例のはんだ継手を150℃の高温にて24時間、48時間、72時間、144時間、300時間エージングした後、4端子法を用いて電気抵抗率(ρ)を求めた。以下、詳しく説明する。
【0029】
絶縁体上に、65mmを離して2本の銅線を固定配置し、該2本の銅線上に、上述のように用意した、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手を載置する。これによって、前記2本の銅線と、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手の各銅板1が接触する。
【0030】
次いで、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手に100mAの電流を流し、前記2本の銅線間の電圧Vを計測した。計測した電圧V及び電流値(100mA)に基づき、V=I・Rの式を用いて電気抵抗Rを算出した。また、ρ=R・A/L(A,Lは夫々導体の断面積及び長さ)の式を用いて電気抵抗率ρを算出した。
【0031】
また、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手を150℃で24時間、48時間、72時間、144時間、300時間エージングした後のCu3Sn層の厚みを測定した。
【0032】
図2図5は、150℃でエージングした後、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手における、銅板1及びはんだ部2間の接合部4の微細構造を示す写真である。図2図5は、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて、接合部4を2000倍で撮影した写真である。また、図2図5において、は本実施例のはんだ継手10の接合部4の微細構造であり、は比較例のはんだ継手の接合部4の微細構造である。更に、図2図5においては、写真上のCu3Sn層の部分(Cu3Sn面積S)を白い実線にて囲んでいる。
【0033】
図2は、150℃でエージングされる前における、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手の接合部4の微細構造を示す。また、図3図5は、150℃で夫々48時間、144時間、300時間エージングした後における、本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手の接合部4の微細構造を示す。
【0034】
本実施例のはんだ継手10及び比較例のはんだ継手におけるCu3Sn層の厚みは、図2図5に基づいて算出された。具体的には、Cu3Sn層の厚みを次の式にて算出して比較した。
【0035】
Cu3Sn面積S÷横長さL=Cu3Sn層の厚み・・・(式)
ここで、Cu3Sn面積Sは、図2に示しているように、各写真にて視認できるCu3Sn層の(2次元)面積である。また、横長さLは、Cu3Sn層の厚み方向と交差する方向におけるCu3Sn層の長さである。
【0036】
比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手10の何れにおいても、高温エージング前から、接合部4にCu3Sn層が形成されている(図2参照)。また、高温でのエージング時間の増加と共にCu3Sn層の厚みが厚くなっている(図3図5参照)。しかし、比較例のはんだ継手においては、本実施例のはんだ継手10より急激にCu3Sn層の厚みが厚くなっていることが見て取れる。
【0037】
図2図5の比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手10に対して、上述したような式を用いて接合部4におけるCu3Snの厚み(平均厚み)を測定した。その結果、比較例のはんだ継手においては、150℃にて、0時間(高温エージング前)、48時間、144時間、300時間エージングした後におけるCu3Snの厚み(平均厚み)が夫々、0.4μm、0.9μm、2.8μm、3.1μmである(表1参照)。
これに対して、本実施例のはんだ継手10においては、150℃にて、0時間、48時間、144時間、300時間エージングした後におけるCu3Snの厚みが夫々、0.1μm、0.3μm、0.4μm、0.5μmである(表1参照)。
すなわち、比較例のはんだ継手においては、本実施例のはんだ継手10より、接合部4のCu3Sn層の厚みが6倍程度厚く形成されている。
【0038】
また、比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手10を、0時間、24時間、48時間、72時間、144時間、300時間エージングした後における電気抵抗率ρを、上述した方法によって測定した。電気抵抗率ρの測定結果を表1に示す。
【0039】
表1には、比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手10の電気抵抗率ρと共に、上述したCu3Sn層の厚みが記載されている。また、電気抵抗率ρの増加分を0時間エージングした場合の電気抵抗率ρとの比で表した電気抵抗率ρの変化率も共の掲載している。
【0040】
【表1】
【0041】
また、図6は、比較例のはんだ継手及び本実施例のはんだ継手10における、電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みの時系列に対する推移を示す図である。横軸はエージング時間を示し、左縦軸は電気抵抗率を、右縦軸はCu3Sn層の厚みを示す。
【0042】
そして図6において、実線は電気抵抗率ρを示し、破線はCu3Snの厚みを示す。また、黒菱及び白菱は比較例のはんだ継手に係る電気抵抗率ρ及びCu3Snの厚みを示し、黒丸及び白丸は本実施例のはんだ継手10に係る電気抵抗率ρ及びCu3Snの厚みを示す。
【0043】
表1及び図6から分かるように、0時間エージングした場合は、比較例のはんだ継手の電気抵抗率ρが0.0193であって、本実施例のはんだ継手10の電気抵抗率ρが0.0199であり、略同じ値であった。しかし、その後、比較例のはんだ継手においては、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗率ρが急激に増加している。これに対して、本実施例のはんだ継手10においては電気抵抗率ρの大きな変化が見当たらない。
【0044】
詳しくは、比較例のはんだ継手においては、150℃にて、24時間、48時間、72時間、144時間、300時間エージングした後における電気抵抗率ρの変化率が夫々、0.5、3.6、7.8、11.4、13.0である。
【0045】
これに対して、本実施例のはんだ継手10においては、150℃にて、24時間、48時間、72時間、144時間、300時間エージングした後における電気抵抗率ρの変化率が夫々、0.1、0.3、1.0、1.4、1.9である。
【0046】
すなわち、表1及び図6から分かるように、比較例のはんだ継手においては、高温エージング時間が増加すると共に接合部4でのCu3Sn層の厚みが急激に厚くなり、これに伴って、電気抵抗率ρも急激に増加している。換言すれば、比較例のはんだ継手においては、高温エージング時間が増加すると共に電気伝導率が急激に低下している。
【0047】
これに対して、本実施例のはんだ継手10においては、高温エージング時間が増加するに伴って接合部4のCu3Sn層の厚みが少し厚くなるものの、電気抵抗率ρの大きな増加は見当たらず、僅かな増加のみが観察された。換言すれば、本実施例のはんだ継手10においては、高温エージング時間が増加しても、電気伝導率の低下はほとんど生じていない。
特に、本実施例のはんだ継手10においては、150℃で300時間エージングした場合において、電気抵抗率ρの変化率がエージング前に比べ3%以下である。
【0048】
このような結果は、表1及び図6から分かるように、本実施例のはんだ継手10においては、高温エージングの前後を通じて、Cu3Sn層の生成が抑制されており、これに起因して、電気抵抗率ρの上昇が抑制されたからであると判断される。
【0049】
すなわち、本実施例のはんだ継手10においては、用いられたはんだ合金がBiを含んでおり、Biの添加によって、高温エージング前及び高温エージングにおける、接合部4でのCu3Sn層の生成、増加が抑制されたと判断される。そして、このように、接合部4における電気抵抗(率)を左右する、Cu3Sn層の生成、増加が抑制されたことによって、接合部4における電気抵抗(率)の上昇を抑制することができたと判断される。
【0050】
従って、比較例のはんだ継手に比べ、本実施例のはんだ継手10においては、エージングの前後を通じて、電気伝導率の低下を防ぐことができる。これは、実施例に係るはんだ継手10において、エネルギーロスの低減、接合部4の発熱抑制、また接合部4の発熱によるはんだ継手10の経時劣化の抑制効果をもたらすので、実施例に係るはんだ継手10の電気的接合信頼性の向上に繋がる。
【0051】
更に、熱履歴によって進行するCu3Sn層の生成及び成長は、CuとSnの拡散速度の差に起因するカーケンダルボイドの発生及び増加を引き起こす。また、このボイドは、接合部4の接触面積を減少させるため、接合部4の機械的接合信頼性を低下させると共に、接合部4における電気伝導率の低下及び接合部4の発熱を招き、接合部4の電気的接合信頼性も低下させる。
【0052】
これに対して、実施例に係るはんだ継手10においては、Biの添加によって接合部4におけるCu3Sn層の生成及び成長が抑制されるので、接合部4における、機械的接合信頼性のみならず、電気的接合信頼性も高めることができる。
【0053】
以上においては、本実施例のはんだ継手10に用いられた鉛フリーはんだ合金の成分組成として、Cuの添加量が0.7重量%、Niの添加量が0.05重量%、Biの添加量が1.5重量%、Geの添加量が0.006重量%であり、残部はSnである場合を例に説明したが、本実施例のはんだ継手10はこれに限るものでない。
【0054】
例えば、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%、残部がSnである鉛フリーはんだ合金を用いれば良い。
【0055】
また、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%であり、更に、0.1~10.0重量%のSb、0.1~10.0重量%のIn、及び0.001~1.0重量%のGaから選択される1つ又は2つ以上が添加され、残りの残部がSnである鉛フリーはんだ合金を用いれば良い。
【0056】
更に、Cuが0.1~2.0重量%、Niが0.01~0.5重量%、Biが0.1~5.0重量%、Geが0.001~1.0重量%であり、Ag、P、Mn、Au、Zn、Co、Ti、Si、及びAlから選択される1つ又は2つ以上が添加され、残部がSnである鉛フリーはんだ合金を用いれば良い。
【0057】
なお、本実施例のはんだ継手10は上述の形に限る物でない。被接合体とはんだ部2との間に接合部4が存在するはんだ継手10であれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。
【0058】
本実施例に係るはんだ継手10において、Biの添加量が電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。
【0059】
図7は、本実施例のはんだ継手10において、Biの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図であり、図8は、本実施例のはんだ継手10において、Biの添加量がCu3Sn層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。図7において縦軸は電気抵抗率ρの変化率(以下、電気抵抗変化率と言う)を示し、図8において縦軸はCu3Sn層の厚みを示す。
【0060】
また、図7及び図8におけるはんだ継手10の鉛フリーはんだ合金は、Biの添加量が1.0重量%(図中■)、2.0重量%(図中▲)、3.0重量%(図中×)、4.0重量%(図中*)又は8.0重量%(図中●)であり、Cuの添加量は0.7重量%、Niの添加量は0.05重量%、Geの添加量は0.006重量%であって、残部はSnである。以下、説明の便宜上、Biの添加量が1.0重量%である鉛フリーはんだ合金を1.0Bi合金と言い、Biの添加量2.0重量%である鉛フリーはんだ合金を2.0Bi合金と言い、Biの添加量が3.0重量%である鉛フリーはんだ合金を3.0Bi合金と言い、Biの添加量が4.0重量%である鉛フリーはんだ合金を4.0Bi合金と言い、Biの添加量が8.0重量%である鉛フリーはんだ合金を8.0Bi合金とも言う。
【0061】
図7及び図8から分かるように、これら1.0Bi合金~8.0Bi合金は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が徐々に増加したが、72時間以上の高温エージングの場合は、何れの場合も増加率が急減し、略一定した電気抵抗変化率を示している。Cu3Sn層の厚みにおいても、高温エージング時間が増加するに伴って接合部4のCu3Sn層の厚みが徐々に厚くなるものの、72時間以上の高温エージングの場合は、何れの場合も増加率が急減している。しかし、1.0Bi合金~8.0Bi合金の何れも、電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低い(表1参照)。
【0062】
また、図7及び図8から、Biの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが増加する傾向にあることが見て取れる。それにしても、8.0Bi合金における電気抵抗変化率は、エージング時間の増加と共に、夫々、1.7、2.7、5.1、5.5、6.0であって、Cu3Sn層の厚みは夫々、0.35μm、0.40μm、0.54μm、0.63μm、0.73μmであり、比較例のはんだ継手より顕著に低い(表1参照)。
してみれば、Biが少なくとも0.1~8.0重量%添加された場合、本発明の効果を得ることができる。
【0063】
一方、Biの添加量の増加に伴う電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みの増加は、Biの添加量が2.0重量%から4.0重量%に増加した場合に比べ、Biの添加量が4.0重量%から8.0重量%に増加した場合に急増している。
【0064】
これらを鑑みると、Biの添加量において上限値は、4.0~8.0重量%の範囲内であることも良い。一方、Biの添加は、鉛フリーはんだ合金の融点を下げる効果をもたらすので、Biの過剰な添加は望ましくない。
【0065】
以上のことに基づき、本発明の効果を奏する為には、上述したように、Biの添加量は0.1~5.0重量%であることが望ましく、1.0~3.0重量%であることがより望ましい。
【0066】
本実施例に係るはんだ継手10において、Cuの添加量が電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。
【0067】
図9は、本実施例のはんだ継手10において、Cuの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図であり、図10は、本実施例のはんだ継手10において、Cuの添加量がCu3Sn層の厚みに及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。図9において縦軸は電気抵抗変化率を示し、図10において縦軸はCu3Sn層の厚みを示す。
【0068】
また、図9及び図10におけるはんだ継手10の鉛フリーはんだ合金は、Cuの添加量が0.2重量%(図中■)、0.5重量%(図中▲)、0.7重量%(図中×)、又は1.0重量%(図中*)であり、Biの添加量は1.0重量%、Niの添加量は0.05重量%、Geの添加量は0.006重量%であって、残部はSnである。以下、説明の便宜上、Cuの添加量が0.2重量%である鉛フリーはんだ合金を0.2Cu合金と言い、Cuの添加量が0.5重量%である鉛フリーはんだ合金を0.5Cu合金と言い、Cuの添加量が0.7重量%である鉛フリーはんだ合金を0.7Cu合金と言い、Cuの添加量が1.0重量%である鉛フリーはんだ合金を1.0Cu合金とも言う。
【0069】
図9及び図10から分かるように、これら0.2Cu合金~1.0Cu合金は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が増加したが、72時間以上の高温エージングの場合は何れの場合も増加率が減少し、144時間以上の高温エージングの場合は、略一定した電気抵抗変化率を示している。Cu3Sn層の厚みにおいても、高温エージング時間が増加するに伴って接合部4のCu3Sn層の厚みが厚くなるものの、48時間以上の高温エージングの場合は、何れの場合も増加率が急減している。しかし、0.2Cu合金~1.0Cu合金の何れも、電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低い(表1参照)。
してみれば、Cuは少なくとも0.2~1.0重量%添加された場合、本発明の効果を得ることができる。
【0070】
また、図9及び図10から、Cuの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが減少する傾向にあることが見て取れる。これに鑑みると、Cuの添加量の上限値は、1.0重量%以上であっても良い。
【0071】
以上のことに基づき、本発明の効果を奏する為には、上述したように、Cuの添加量は0.1~2.0重量%であることが望ましく、0.5~1.0重量%であることがより望ましい。
【0072】
本実施例に係るはんだ継手10において、Niの添加量が電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。
【0073】
図11は、本実施例のはんだ継手10において、Niの添加量が電気抵抗に及ぼす影響をエージング時間に対して示す図である。図11において縦軸は電気抵抗変化率を示す。
【0074】
また、図11におけるはんだ継手10の鉛フリーはんだ合金は、Niの添加量が0.02重量%(図中■)、0.07重量%(図中▲)又は0.1重量%(図中×)であり、Biの添加量は1.0重量%、Cuの添加量は0.7重量%、Geの添加量は0.006重量%であって、残部はSnである。以下、説明の便宜上、Niの添加量が0.02重量%である鉛フリーはんだ合金を0.02Ni合金と言い、Niの添加量が0.07重量%である鉛フリーはんだ合金を0.07Ni合金と言い、Niの添加量が0.1重量%である鉛フリーはんだ合金を0.1Ni合金とも言う。
【0075】
図11から分かるように、0.02Ni合金、0.07Ni合金及び0.1Ni合金は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が増加した。しかし、0.02Ni合金、0.07Ni合金及び0.1Ni合金の何れも、電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低い(表1参照)。
詳しくは、0.02Ni合金、0.07Ni合金及び0.1Ni合金は、高温エージング時間が24時間であるまでは、電気抵抗変化率が略0%に抑えられている。また、高温エージング時間が24時間を超えると、電気抵抗変化率が増加している。
換言すれば、Niの添加量が少なくとも0.02~0.1重量%である場合、24時間の高温エージングまでは電気抵抗変化率を略0%に抑えることができる。
【0076】
また、図11から、Niの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率が減少する傾向にあることが見て取れる。高温エージング時間が144時間である場合において、電気抵抗変化率が最も高い0.02Ni合金は、電気抵抗変化率が4.9であり、比較例のはんだ継手の11.4より顕著に低い(表1参照)。
してみれば、高温エージング時間が144時間であるまでは、Niが0.02~0.1重量%の範囲内であれば明確に本発明の効果を得ることができ、上述したように、Niが0.01~0.5重量%の範囲内においても本発明の効果を得ることが可能である。
【0077】
本実施例に係るはんだ継手10において、Geの添加量が電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρ及びCu3Sn層の厚みの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。
【0078】
Geの添加量は0.001重量%、0.05重量%、0.5重量%、又は1.0重量%であって、Cuの添加量は0.7重量%、Biの添加量は1.0重量%、Niの添加量は0.05重量%であり、残部はSnである。
このように、鉛フリーはんだ合金にGeが0.001重量%~1.0重量%添加されたはんだ継手10は、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが増加した。しかし、これらの何れも、電気抵抗変化率及びCu3Sn層の厚みが比較例のはんだ継手より顕著に低かった。
してみれば、Geは少なくとも0.001重量%~1.0重量%添加された場合、本発明の効果を得ることができる。
【0079】
本実施例に係るはんだ継手10において、Co及びFeの添加量が電気抵抗率ρに及ぼす影響を調べた。電気抵抗率ρの測定方法は既に説明しており、詳しい説明は省略する。
0.02~0.1重量%のCoを添加したはんだ継手10の鉛フリーはんだ合金(以下、Co添加合金とも言う。)と、0.02~0.1重量%のFeを添加したはんだ継手10の鉛フリーはんだ合金(以下、Fe添加合金とも言う。)とは、何れも、高温エージング時間の増加と共に電気抵抗変化率が増加した。しかし、Co添加合金及びFe添加合金の何れも電気抵抗変化率が比較例のはんだ継手より顕著に低い(表1参照)。
【0080】
Co添加合金及びFe添加合金は、高温エージング時間が24時間であるまでは、電気抵抗変化率が略0%に抑えられている。また、高温エージング時間が24時間を超えると、電気抵抗変化率が増加している。
換言すれば、Coの添加量、又は、Feの添加量が少なくとも0.02~0.1重量%である場合、24時間の高温エージングまでは電気抵抗変化率を略0%に抑えることができる。
【0081】
また、Co添加合金及びFe添加合金においても、Co又はFeの添加量が増加するにつれて、電気抵抗変化率が減少する傾向にあった。してみれば、Co又はFeの添加量が0.02~0.1重量%の範囲内では明確に本発明の効果を得ることができ、Co又はFeの添加量の上限値が0.1重量%を超えても本発明の効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【0082】
1 銅板
2 はんだ部
4 接合部
10 はんだ継手
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11