(57)【要約】      （修正有）【課題】例えば−４０℃から１７５℃といった非常に激しい寒暖差にある環境下であっても耐熱疲労特性を発揮し得ると共に、このような非常に激しい寒暖差及び振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部に発生する亀裂の進展を抑制でき、またはんだ接合部におけるボイドの発生を抑制できる鉛フリーはんだ合金、はんだ接合用材料並びに当該鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有する電子回路実装基板及び電子制御装置の提供。【解決手段】Ａｇを２質量％以上４質量％以下と、Ｃｕを０．３質量％以上０．７質量％以下と、Ｂｉを１．２質量％以上２質量％以下と、Ｉｎを０．５質量％以上２．１質量％以下と、Ｓｂを３質量％以上４質量％以下と、Ｎｉを０．００１質量％以上０．０５質量％以下と、Ｃｏを０．００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部がＳｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇを２質量％以上４質量％以下と、Ｃｕを０．３質量％以上０．７質量％以下と、Ｂｉを１．２質量％以上２質量％以下と、Ｉｎを０．５質量％以上２．１質量％以下と、Ｓｂを３質量％以上４質量％以下と、Ｎｉを０．００１質量％以上０．０５質量％以下と、Ｃｏを０．００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部がＳｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
Ｃｕの含有量が０．５質量％以上０．７質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
Ｂｉの含有量が１．５質量％以上２質量％以下であることを特徴とする請求項１からまたは請求項２に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
Ｉｎの含有量が０．７５質量％以上２．１質量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項５】
Ｓｂの含有量が３質量％以上３．８質量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項６】
更にＰ、Ｇａ及びＧｅの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項７】
更にＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金と、
フラックスとを有することを特徴とするはんだ接合用材料。
【請求項９】
粉末状の鉛フリーはんだ合金であって請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金と、
ベース樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスとを有することを特徴とするソルダペースト。
【請求項１０】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部を有することを特徴とする電子回路実装基板。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子回路実装基板を有することを特徴とする電子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーはんだ合金、はんだ接合用材料、電子回路実装基板及び電子制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント配線板やモジュール基板といった電子回路基板に形成される導体パターンに電子部品を接合する方法として、はんだ合金を用いたはんだ接合方法がある。以前はこのはんだ合金には鉛が使用されていた。しかし環境負荷の観点からＲｏＨＳ指令等によって鉛の使用が制限されたため、近年では鉛を含有しない、所謂鉛フリーはんだ合金によるはんだ接合方法が一般的になりつつある。
【０００３】
この鉛フリーはんだ合金としては、例えばＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系及びＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金等がよく知られている。その中でも、テレビ及び携帯電話、スマートフォン等の民生用電子機器には、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金を用いてはんだ接合された（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金を用いてはんだ接合部が形成された）電子回路実装基板が多く使用されている。
ここで鉛フリーはんだ合金は、鉛含有はんだ合金と比較してはんだ付性が多少劣る。しかしフラックスやはんだ付装置の改良によってこのはんだ付性の問題は克服されているため、民生用電子機器のように比較的穏やかな環境下に置かれるものにおいては、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金によるはんだ接合でも、電子回路実装基板の一定程度の信頼性を保つことができる。
【０００４】
ここで、自動車に搭載される、所謂車載用電子回路実装基板は、エンジン、パワーステアリング、ブレーキ及びエアバッグ等の機器を制御する電子制御装置にも使用されている。そしてこれらの機器の機能は、自動車の走行のみならず人命に関わる非常に重要なものである。そのため、車載用電子回路実装基板に対しては、民生用電子機器に使用されるものと比較して、非常に高い信頼性が要求され、またその信頼性を長期にわたって持続することが求められる。
【０００５】
また車載用電子回路実装基板のうち、特にエンジンを制御する電子制御装置に用いられる車載用電子回路実装基板は、エンジンルーム内に実装されたり、エンジンに直接搭載されたりする等、非常に厳しい環境下に晒され得る。
即ち、エンジン運転時には１００℃から１５０℃付近の高温環境下に晒される一方、エンジン停止時の周囲温度は外気温度の影響を受けるため、寒冷地の特に冬季においては−３０℃から−４０℃付近の低温環境下に晒され得る。このように上記車載用電子回路実装基板は、エンジンの運転と停止の繰り返しによって激しい寒暖差（−４０℃から１５０℃）に晒され続ける。
【０００６】
加えて近年は自動車に搭載される機器や電子制御装置の数が益々増加する一方、これを搭載する空間には限界があるため、機器や電子制御装置の小型化が一層求められる傾向にある。
そしてこれに伴い、車載用電子回路実装基板の小型化、並びにこれに搭載される電子部品の高性能化及び小型化も一層進んでいる。そのため、このような車載用電子回路実装基板においては、その発熱密度が一層増加し、更なる高温環境下に晒される虞がある。
このように、今後の車載用電子回路実装基板は更なる耐熱性が要求されるため、これに用いられる鉛フリーはんだ合金においても更なる耐熱疲労特性、例えば−４０℃から１７５℃といった非常に激しい寒暖差における耐熱疲労特性を発揮することが求められる。
【０００７】
また、上述のような寒暖差の非常に激しい環境下では、電子回路実装基板において、実装された電子部品と基板（本明細書において単に「基板」という場合は、導体パターン形成前の板、導体パターンが形成され電子部品と電気的接続が可能な板、及び電子部品が実装された電子回路実装基板のうち電子部品を含まない板部分のいずれかであり、場合に応じて適宜いずれかを指し、この場合は「電子部品が実装された電子回路実装基板のうち電子部品を含まない板部分」を指す。）との線膨張係数の差により生じる熱応力によるはんだ接合部への負荷は、更に増大することが予想される。
特に自動車の使用過程ではんだ接合部に繰り返し与えられる上記の負荷は、はんだ接合部の塑性変形を引き起こすため、はんだ接合部の亀裂発生の原因となり、従来以上にこの亀裂が発生し易くなる虞がある。
【０００８】
更には、上述したはんだ接合部に負荷が繰り返し与えられることで、はんだ接合部に発生した亀裂の先端付近に応力が集中するため、発生した亀裂ははんだ接合部の深部にまで横断的に進展し易くなる。特にその寒暖差が−４０℃から１７５℃というような非常に厳しい環境下においては、この亀裂進展は更に生じ易くなり得る。
そしてこのように著しく進展した亀裂は、電子部品と基板上に形成された導体パターンとの電気的接続の切断を引き起こしてしまう。
また上述のような非常に激しい寒暖差に加えて電子回路実装基板に振動が負荷される環境下にあっては、上記亀裂及びその進展は更に発生し易いという問題がある。
【０００９】
上記のようなはんだ接合部の亀裂進展を抑制すべく、その熱疲労特性や強度を向上させるためにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金にＳｂを添加する方法はいくつか開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３０２７４４１号公報
【特許文献２】特許第３３５３６６２号公報
【００１１】
Ｓｂは、はんだ合金のＳｎマトリックス中に固溶し、鉛フリーはんだ合金の亀裂進展抑制効果を発揮し得るものの、その含有量と他の合金元素とのバランスによってははんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部にボイドが発生し易くなる虞がある。そのため、このようなはんだ接合部が例えば−４０℃から１７５℃といった寒暖の差が非常に激しい環境下に置かれる場合、当該はんだ接合部内に発生したボイドを起因として亀裂が発生し、またその亀裂が進展する虞がある。
【００１２】
なおＳｂは、はんだ合金の固相線温度及び液相線温度を上昇させる合金元素であるため、その含有量と他の合金元素とのバランスによってははんだ合金の固相線温度及び液相線温度が上昇しすぎる虞がある。このような場合、はんだ付け時の加熱条件によっては、はんだ合金が未溶融となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記課題、具体的には以下の課題を解決できる鉛フリーはんだ合金、はんだ接合用材料、電子回路実装基板及び電子制御装置の提供をその目的とする。
・例えば−４０℃から１７５℃といった非常に激しい寒暖差にある環境下であっても耐熱疲労特性を発揮し得る。
・例えば−４０℃から１７５℃といった非常に激しい寒暖差及び振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部に発生する亀裂の進展を抑制できる。
・はんだ接合部におけるボイドの発生を抑制できる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、Ａｇを２質量％以上４質量％以下と、Ｃｕを０．３質量％以上０．７質量％以下と、Ｂｉを１．２質量％以上２質量％以下と、Ｉｎを０．５質量％以上２．１質量％以下と、Ｓｂを３質量％以上４質量％以下と、Ｎｉを０．００１質量％以上０．０５質量％以下と、Ｃｏを０．００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部がＳｎからなることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕの含有量が０．５質量％以上０．７質量％以下であることが好ましい。
【００１６】
また本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉの含有量が１．５質量％以上２質量％以下であることが好ましい。
【００１７】
また本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｉｎの含有量が０．７５質量％以上２．１質量％以下であることが好ましい。
【００１８】
また本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｂの含有量が３質量％以上３．８質量％以下であることが好ましい。
【００１９】
また本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にＰ、Ｇａ及びＧｅの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことが好ましい。
【００２０】
また本発明の鉛フリーはんだ合金は、更にＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことが好ましい。
【００２１】
本発明のはんだ接合用材料は、上述する鉛フリーはんだ合金と、フラックスとを有することをその特徴とする。
【００２２】
本発明のソルダペーストは、粉末状の上述する鉛フリーはんだ合金と、ベース樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスとを有することをその特徴とする。
【００２３】
本発明の電子回路実装基板は、上述の鉛フリーはんだ合金を用いて形成されることをその特徴とする。
【００２４】
本発明の電子制御装置は、上述の電子回路実装基板を有することをその特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は上記課題、具体的には以下の課題を解決できる鉛フリーはんだ合金、はんだ接合用材料、電子回路実装基板及び電子制御装置の提供をその目的とする。
・例えば−４０℃から１７５℃といった非常に激しい寒暖差にある環境下であっても耐熱疲労特性を発揮し得る。
・例えば−４０℃から１７５℃といった非常に激しい寒暖差及び振動が負荷されるような過酷な環境下においてもはんだ接合部に発生する亀裂の進展を抑制できる。
・はんだ接合部におけるボイドの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例及び比較例において、（２）ボイド確認試験でボイド発生の有無を観察する「電極下領域」及び「フィレット領域」を示すために一般的なチップ部品実装基板についてＸ線透過装置を用いてチップ部品側から撮影した写真。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の鉛フリーはんだ合金、はんだ接合用材料、電子回路実装基板及び電子制御装置の一実施形態を詳述する。なお、本発明が以下の実施形態に限定されるものではないことはもとよりである。
【００２８】
（１）鉛フリーはんだ合金
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、２質量％以上４質量％以下のＡｇを含有させることができる。
この範囲内で鉛フリーはんだ合金にＡｇを添加することにより、鉛フリーはんだ合金の延性を良好にしつつ、そのＳｎ粒界中にＡｇ３Ｓｎ化合物を析出させて機械的強度を付与することができる。またこれにより、当該鉛フリーはんだ合金の耐熱衝撃性及び耐熱疲労特性を向上させることができ、そのためこれを用いて形成されるはんだ接合部の亀裂進展抑制効果を発揮し得る。また本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、上記はんだ接合部内でのボイドの発生を抑制することができる。
【００２９】
より好ましいＡｇの含有量は、２．５質量％以上４質量％以下であり、更に好ましいその含有量は２．８質量％以上４質量％以下であり、特に好ましいその含有量は２．８質量％以上３．５質量％以下である。
Ａｇの含有量をこの範囲内とすることにより、はんだ接合部の亀裂進展抑制効果及びボイド発生抑制効果のバランスをより図ることができる。
【００３０】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、０．３質量％以上０．７質量％以下のＣｕを含有させることができる。
この範囲内で鉛フリーはんだ合金にＣｕを添加することにより、そのＳｎ粒界中にＣｕ６Ｓｎ５化合物を析出させ、鉛フリーはんだ合金の耐熱衝撃性及び耐熱疲労特性を向上し得る。またＣｕの含有量をこの範囲内とすることにより、鉛フリーはんだ合金の延伸性を阻害することなく、これを用いて形成されるはんだ接合部の亀裂進展抑制効果を向上させることができると共に、そのボイドの発生も抑制することができる。
【００３１】
より好ましいＣｕの含有量は０．５質量％以上０．７質量％以下であり、更に好ましいその含有量は０．６質量％以上０．７質量％以下である。
Ｃｕの含有量をこの範囲内とすることにより、はんだ接合部の亀裂進展抑制効果及びボイド発生抑制効果のバランスをより図ることができる。
【００３２】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、１．２質量％以上２質量％以下のＢｉを含有させることができる。
この範囲内で鉛フリーはんだ合金にＢｉを添加することにより、鉛フリーはんだ合金の固相線温度を一定以上としつつ、且つ、その延伸性に影響を及ぼすことなくその機械的強度及び耐熱疲労特性を向上させ得る。
【００３３】
即ち、Ｂｉは鉛フリーはんだ合金のＳｎマトリックス中に固溶し、鉛フリーはんだ合金を更に強化することができるものの、その含有量によっては鉛フリーはんだ合金の固相線温度が低下し得るため、このような鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部が、例えば−４０℃から１７５℃といった寒暖の差が非常に激しい環境下に置かれる場合、当該はんだ接合部が再溶融し、その耐熱衝撃性を低下する虞がある。またその含有量によっては鉛フリーはんだ合金の延性も阻害されるため、上述のような寒暖の差が非常に激しい環境下に置かれる場合、上記はんだ接合部に破断が生じる虞がある。
【００３４】
しかし、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉの含有量、並びに後述するＩｎ及びとＳｂの含有量のバランスを図ることにより、上述のように固相線温度を一定以上とすることができると共に、Ｂｉの固溶強化を発揮することができる。これにより、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、これを用いて形成されるはんだ接合部において良好な延性、耐熱疲労特性及び亀裂進展抑制効果を発揮すると共に、はんだ接合部のボイド発生抑制効果も発揮することができる。
【００３５】
より好ましいＢｉの含有量は１．５質量％以上２質量％以下であり、更に好ましいその配合量は１．７質量％以上２質量％以下である。
【００３６】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、０．５質量％以上２．１質量％以下のＩｎを含有させることができる。
この範囲内で鉛フリーはんだ合金にＩｎを添加することにより、鉛フリーはんだ合金の固相線温度を一定以上としつつ、当該鉛フリーはんだ合金の耐熱疲労特性を向上させて、これを用いて形成されるはんだ接合部の良好な亀裂進展抑制効果を発揮し得ると共に、そのボイド発生抑制効果を発揮し得る。
【００３７】
即ち、ＩｎはＢｉと同様に鉛フリーはんだ合金のＳｎマトリックス中に固溶し、鉛フリーはんだ合金を更に強化することができるものの、その含有量によっては当該鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部にボイドが発生し易くなる虞がある。そのため、このようなはんだ接合部が例えば−４０℃から１７５℃といった寒暖の差が激しい環境下に置かれる場合、当該はんだ接合部内に発生したボイドを起因として亀裂が発生し、またその亀裂が進展する虞がある。
【００３８】
しかし、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ｉｎの含有量、並びにＢｉと後述するＳｂとの含有量のバランスを図ることにより、上述のように固相線温度を一定以上とすることができると共に、Ｉｎの固溶強化を発揮することができる。これにより、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、延性を阻害されることなく良好な機械的強度を有し得る。そのため、これを用いて形成されるはんだ接合部においても良好な耐熱疲労特性や亀裂進展抑制効果を発揮することができると共に、当該はんだ接合部のボイド発生抑制効果も発揮することができる。
【００３９】
より好ましいＩｎの含有量は０．７５質量％以上２質量％以下であり、更に好ましいその含有量は１質量％以上１．５質量％以下である。
【００４０】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、３質量％以上４質量％以下のＳｂを含有させることができる。
この範囲内で鉛フリーはんだ合金にＳｂを添加することにより、鉛フリーはんだ合金の延伸性に影響を及ぼすことなく、形成されるはんだ接合部を固溶強化することができる。
【００４１】
即ち、ＳｂはＢｉやＩｎと同様に鉛フリーはんだ合金のＳｎマトリックス中に固溶し、鉛フリーはんだ合金を更に強化することができるものの、その含有量によっては当該鉛フリーはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部にボイドが発生し易くなる虞がある。そのため、このようなはんだ接合部が例えば−４０℃から１７５℃といった寒暖の差が激しい環境下に置かれる場合、当該はんだ接合部内に発生したボイドを起因として亀裂が発生し、またその亀裂が進展する虞がある。
【００４２】
しかし、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｂの含有量、並びにＢｉ及びＩｎとの含有量のバランスを図ることにより、Ｓｂの固溶強化を発揮することができる。これにより、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、延性を阻害されることなく良好な機械的強度を有し得る。そのため、これを用いて形成されるはんだ接合部においても良好な耐熱疲労特性や亀裂進展抑制効果を発揮することができると共に、当該はんだ接合部のボイド発生抑制効果も発揮することができる。
【００４３】
より好ましいＳｂの含有量は３質量％以上３．８質量％以下であり、更に好ましいその含有量は３質量％以上３．５質量％以下である。
【００４４】
このように、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉ、Ｉｎ及びＳｂの含有量のバランス、並びに他の合金元素とこれらの含有量のバランスを図ることにより、鉛フリーはんだ合金の固相線温度を一定以上としつつ、良好な延性、耐熱疲労特性及び亀裂進展抑制効果を発揮すると共に、はんだ接合部のボイド発生抑制効果も発揮することができる。
【００４５】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、０．００１質量％以上０．０５質量％以下のＮｉを含有させることができる。
鉛フリーはんだ合金にＮｉを添加することで、はんだ付け時に溶融した鉛フリーはんだ合金中に微細な（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されてはんだ接合部中に分散し得るため、はんだ接合部における亀裂の進展を抑制し、更にその耐熱疲労特性を向上させることができる。
また鉛フリーはんだ合金に含まれるＮｉは、はんだ付け時に電子部品の電極とはんだ接合部との界面（以下、「界面領域」という。）に移動して微細な（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を形成し得る。そのため、前記界面領域における合金層の成長を抑制することができ、前記界面領域の亀裂進展を抑制し得る。
そして本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、上記範囲内でＮｉを添加することにより、良好な前記界面領域の亀裂進展抑制効果を発揮し得ると共に、はんだ接合部のボイド発生抑制効果を発揮し得る。
【００４６】
より好ましいＮｉの含有量は、０．０１質量％以上０．０５質量％以下であり、更に好ましいその含有量は０．０３質量％以上０．０５質量％以下である。
【００４７】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Ｎｉと共に、０．００１質量％以上０．０１質量％以下のＣｏを含有させることができる。
鉛フリーはんだ合金に更にＣｏを添加することで、Ｎｉ添加による上記効果を高めると共に、はんだ付け時に溶融した鉛フリーはんだ合金中に微細な（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５が形成されてはんだ接合部中に分散し得るため、はんだ接合部のクリープ変形の抑制及び亀裂の進展を抑制しつつ、特に寒暖差の激しい環境下におけるはんだ接合部の耐熱疲労特性を向上させることができる。
また、本実施形態の鉛フリーはんだ合金へのＣｏの添加により、Ｃｏがはんだ付け時に前記界面領域に移動して微細な（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５を形成するため、前記界面領域における合金層の成長を抑制することができ、前記界面領域の亀裂進展抑制効果を更に向上させることができる。
そして本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、上記範囲内でＣｏを含有することにより、良好な前記界面領域の亀裂進展抑制効果を発揮し得ると共に、はんだ接合部のボイド発生抑制効果を発揮し得る。
【００４８】
より好ましいＣｏの含有量は、０．００３質量％以上０．０１質量％以下であり、更に好ましいその含有量は０．００８質量％以上０．０１質量％以下である。
【００４９】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Ｐ、Ｇａ及びＧｅの少なくとも１種を０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有させることができる。この合計量の範囲内でＰ、Ｇａ及びＧｅの少なくとも１種を添加することにより、はんだ接合部のボイド発生を抑制しつつ、鉛フリーはんだ合金の酸化を防止することができる。
【００５０】
本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの少なくとも１種を０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有させることができる。この合計量の範囲内でＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの少なくとも１種を添加することにより、はんだ接合部の亀裂進展抑制効果を向上させることができる。
【００５１】
なお、本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、その効果を阻害しない範囲において、他の成分（元素）、例えばＣｄ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ等を含有させることができる。また本実施形態の鉛フリーはんだ合金には、当然ながら不可避不純物も含まれるものである。
【００５２】
また本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、その残部はＳｎからなることが好ましい。なお好ましいＳｎの含有量は、８７．０４質量％以上９２．９９９質量％以下である。
【００５３】
なお、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、各合金元素及びその含有量のバランスを図ることにより、その液相線温度を２２５℃以下とし得る。そして鉛フリーはんだ合金の液相線温度が２２５℃以下の場合、はんだ付け時のピーク温度を２３０℃程度（従来の鉛フリーはんだ合金におけるピーク温度と同等）としても十分に溶融し得るため、例えば大型の電子部品と小型の電子部品とが混在する電子回路実装基板であっても好適に用いることができる。
【００５４】
即ち、電子部品はその大きさや素材によって熱容量が異なることから、これらを基板に実装する際に各電子部品に伝導する熱、即ち各電子部品に加わる熱はそれぞれ異なる。そして例えばエンジンコントロールユニットに用いられる電子回路実装基板のように、大型の電子部品と小型の電子部品とが混在する電子回路実装基板の場合、はんだ付け時の加熱温度は各電子部品の耐熱性を考慮して設定しなければならない。
また例えばアルミ電解コンデンサのような大型の電子部品の場合、熱容量が小型の電子部品よりも大きいことが多い。そのため、はんだ付け時の加熱温度（周囲温度）を小型の電子部品に合わせて設定すると、大型の電子部品に加わる熱（当該電子部品の温度）はさほど上がらず、一方で加熱温度を大型の電子部品に合わせて設定すると、小型の電子部品が耐えられなくなる、という問題が生じる。
【００５５】
しかし特に液相線温度が２２５℃以下の鉛フリーはんだ合金であれば、はんだ付け時のピーク温度を２３０℃程度としても十分に溶融し得るため、上記大型及び小型の電子部品が混在される電子回路実装基板のように、実装する電子部品の大きさ、材質に応じてはんだ付け時の加熱温度を比較的低く設定せざるを得ない場合であっても加熱時に十分に溶融でき、このような電子回路実装基板においてもはんだ接合部の信頼性を確保し得る。
【００５６】
本実施形態のはんだ接合部の形成方法としては、本実施形態の鉛フリーはんだ合金によるフロー方法、はんだボールによる実装及び本実施形態の鉛フリーはんだ合金とフラックスとを含むはんだ接合用材料、ソルダペーストを用いたリフロー方法等、はんだ接合部を形成できるものであればどのような方法を用いても良い。なおその中でもソルダペーストを用いた方法が好ましく用いられる。
【００５７】
（２）はんだ接合用材料
本実施形態のはんだ接合用材料としては、例えば前記鉛フリーはんだ合金とフラックスとを含むものが好ましく用いられる。
【００５８】
このようなフラックスとしては、例えばベース樹脂と、チキソ剤と、活性剤と、溶剤とを含むフラックスが用いられる。
【００５９】
前記ベース樹脂としては、例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジン、水添ロジン、重合ロジン、不均一化ロジン、アクリル酸変性ロジン、マレイン酸変性ロジン等のロジン誘導体を含むロジン系樹脂；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得られるアクリル樹脂；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。
これらの中でもロジン系樹脂、特に酸変性されたロジンに水素添加をした水添酸変性ロジンが好ましく用いられる。また水添酸変性ロジンとアクリル樹脂の併用も好ましい。
【００６０】
前記ベース樹脂の酸価は１０ｍｇＫＯＨ／ｇ以上２５０ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることが好ましい。また前記ベース樹脂の配合量はフラックス全量に対して１０質量％以上９０質量％以下であることが好ましい。
【００６１】
前記チキソ剤としては、例えば水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸類が挙げられる。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。前記チキソ剤の配合量は、フラックス全量に対して３質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。
【００６２】
前記活性剤としては、例えば有機アミンのハロゲン化水素塩等のアミン塩（無機酸塩や有機酸塩）、有機酸、有機酸塩、有機アミン塩等を配合することができる。更に具体的には、ジブロモブテンジオール、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩、酸塩、グルタル酸、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸、マロン酸、ドデカン二酸、スベリン酸等が挙げられる。
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。前記活性剤の配合量は、フラックス全量に対して５質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。
【００６３】
前記溶剤としては、例えばイソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、グリコールエーテル等を使用することができる。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。前記溶剤の配合量は、フラックス全量に対して２０質量％以上４０質量％以下であることが好ましい。
【００６４】
前記フラックスには、鉛フリーはんだ合金の酸化を抑える目的で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。その中でも特にヒンダードフェノール系酸化防止剤が好ましく用いられる。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。前記酸化防止剤の配合量は特に限定されないが、一般的にはフラックス全量に対して０．５質量％以上５質量％程度以下であることが好ましい。
【００６５】
前記フラックスには、ハロゲン、つや消し剤、消泡剤及び無機フィラー等の添加剤を加えてもよい。
前記添加剤の配合量は、フラックス全量に対して１０質量％以下であることが好ましい。またこれらの更に好ましい配合量はフラックス全量に対して５質量％以下である。
【００６６】
（３）ソルダペースト
本実施形態のはんだ接合用材としては、ソルダペーストが好ましく用いられる。このようなソルダペーストとしては、例えば粉末状にした前記鉛フリーはんだ合金（合金粉末）と前記フラックスとを混練しペースト状にすることにより作製される。
【００６７】
前記ソルダペーストを作製する場合、前記合金粉末とフラックスとの配合比率は、合金粉末：フラックスの比率で６５：３５から９５：５であることが好ましい。より好ましい配合比率は８５：１５から９３：７であり、特に好ましい配合比率は８７：１３から９２：８である。
【００６８】
なお前記合金粉末の粒子径は１μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上３５μｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下であることが特に好ましい。
【００６９】
（４）はんだ接合部
本実施形態のはんだ接合用材料を用いて形成されるはんだ接合部としては、例えば以下の方法により形成される。なお、本実施形態のはんだ接合部が形成される基板としては、プリント配線板、シリコンウエハ、セラミックパッケージ基板等、電子部品の搭載、実装に用いられるものであればこれらに限らず使用できる。
【００７０】
即ち、例えば基板上の予め定められたの位置に所定のパターンの電極及び絶縁層を形成し、このパターンに合わせて前記はんだ接合用材料としてソルダペーストを印刷する。そして当該基板上の所定の位置に電子部品を搭載し、これを例えば２２０℃から２４５℃の温度でリフローすることにより、本実施形態のはんだ接合部が形成される。このように形成されたはんだ接合部は、前記電子部品に設けられた電極（端子）と前記基板上に形成された電極とを電気接合させる。
【００７１】
そして前記ソルダペースト（本実施形態の鉛フリーはんだ合金）を用いて形成されるはんだ接合部は、例えば−４０℃から１７５℃といった非常に寒暖の差の激しい環境下においても、良好な耐熱疲労特性及び亀裂進展抑制効果を発揮することができると共に、ボイド発生抑制効果も発揮し得る。
【００７２】
なお、前記ソルダペーストに用いられる鉛フリーはんだ合金の液相線温度が２２５℃以下であれば、リフロー時のピーク温度を２３０℃程度としても、十分に溶融し、信頼性の高いはんだ接合部を形成することができる。
【００７３】
また、本実施形態の鉛フリーはんだ合金をはんだボールとして使用する場合、例えば基板上の予め定められた位置に所定のパターンの電極及び絶縁層を形成し、このパターンに合わせてこれにフラックスを塗布し、前記はんだボールを載置する。そして当該基板上の所定の位置に電子部品を搭載し、これを例えば２２０℃から２４５℃の温度でリフローすることにより、本実施形態のはんだ接合部が形成される。このように形成されたはんだ接合部は、前記電子部品に設けられた電極（端子）と前記基板上に形成された電極とを電気接合させる。
【００７４】
そして前記はんだボールを用いて形成されるはんだ接合部は、例えば−４０℃から１７５℃といった非常に寒暖の差の激しい環境下においても、良好な耐熱疲労特性及び亀裂進展抑制効果を発揮することができると共に、ボイド発生抑制効果も発揮し得る。
【００７５】
なお、前記はんだボールに用いられる鉛フリーはんだ合金の液相線温度が２２５℃以下であれば、リフロー時のピーク温度を２３０℃程度としても、十分に溶融し、信頼性の高いはんだ接合部を形成することができる。
【００７６】
このように、本実施形態のはんだ接合部を有する電子回路実装基板は、寒暖の差の激しい環境下に置かれ、高い信頼性が要求される車載用電子回路実装基板に特に好適に使用することができる。
【００７７】
（５）電子制御装置
またこのような電子回路実装基板を組み込むことにより、信頼性の高い電子制御装置が作製される。そしてこのような電子制御装置は、特に高い信頼性の求められる車載用電子制御装置に好適に用いることができる。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例及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。
【００７９】
フラックスの作製
以下の各成分を混練し、実施例及び比較例に係るフラックスを得た。
水添酸変性ロジン（製品名：ＫＥ−６０４、荒川化学工業（株）製）  ４９質量％
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％
【００８０】
ソルダペーストの作製
前記フラックス１１．３質量％と、表１及び表２に記載の各鉛フリーはんだ合金の粉末（粉末粒径２０μｍから３８μｍ）８８．７質量％とを混合し、実施例１から実施例３３及び比較例１から比較例２２に係る各ソルダペーストを作製した。
【００８１】
【表１】
2020099933.tif 000003
【００８２】
【表２】
2020099933.tif 000004
【００８３】
（１）耐はんだ亀裂試験
＜チップ部品Ａ＞
以下の用具を用意した。
・３．０ｍｍ×１．６ｍｍのサイズのチップ部品（チップ部品Ａ、Ｎｉ／Ｓｎめっき）
・上記当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジスト及び前記チップ部品を接続する電極（１．６ｍｍ×１．２ｍｍ）とを備えたプリント配線板
・上記パターンを有する厚さ１５０μｍのメタルマスク
前記プリント配線板上に前記メタルマスクを用いて各ソルダペーストを印刷し、それぞれ前記チップ部品を１０個搭載した。
その後、リフロー炉（製品名：ＴＮＰ−５３８ＥＭ、（株）タムラ製作所製）を用いて前記各プリント配線板を加熱して、電極と各チップ部品とを電気的に接合するはんだ接合部を有する各電子回路実装基板を作製した。この際のリフロー条件はプリヒートを１７０℃から１９０℃で１１０秒間、ピーク温度を２４５℃とし、２００℃以上の時間が６５秒間、２２０℃以上の時間が４５秒間、ピーク温度から２００℃までの冷却速度を３℃から８℃／秒とした。また酸素濃度は１，５００±５００ｐｐｍに設定した。
次に、−４０℃（３０分間）から１７５℃（３０分間）の条件に設定した冷熱衝撃試験装置（製品名：ＥＳ−７６ＬＭＳ、日立アプライアンス（株）製）を用い、冷熱衝撃サイクルを２，０００、３，０００サイクル繰り返す環境下に前記各プリント配線板をそれぞれ晒した後これを取り出し、各試験基板を得た。
【００８４】
次いで各試験基板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂（製品名：エポマウント（主剤及び硬化剤）、リファインテック（株）製）を用いて封止した。更に湿式研磨機（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前記チップ部品の中央断面が分かるような状態とし、各チップ部品のはんだ接合部に亀裂が発生したか否かを走査電子顕微鏡（製品名：ＴＭ−１０００、（株）日立ハイテクノロジーズ製）を用いて観察し、以下の基準にて評価した。その結果を表３及び表４に表す。なお、各冷熱衝撃サイクルにおける評価チップ部品数は１０個とした。
◎：３，０００サイクルまではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生しない
○：２，００１から３，０００サイクルの間ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
×：２，０００サイクル以下ではんだ接合部を完全に横断する亀裂が発生
【００８５】
（１）耐はんだ亀裂試験
＜チップ部品Ｂ＞
以下の用具を使用する以外は、上記チップ部品Ａと同じ条件にて耐はんだ亀裂試験を行い、同じ基準にて評価した。その結果を表３及び表４に表す。
・２．０ｍｍ×１．２ｍｍのサイズのチップ部品（チップ部品Ｂ、Ｎｉ／Ｓｎめっき）
・上記当該サイズのチップ部品を実装できるパターンを有するソルダレジスト及び前記チップ部品を接続する電極（１．２５ｍｍ×１．０ｍｍ）とを備えたプリント配線板
【００８６】
（２）ボイド確認試験
チップ部品Ａを用い、上記（１）耐はんだ亀裂試験と同様の条件にて、各はんだ接合部を有する各電子回路実装基板を作製し、これらの表面状態をＸ線透過装置（製品名：ＳＭＸ−１６０Ｅ、（株）島津製作所製）で観察し、各電子回路実装基板の４０箇所のランドにおいて、チップ部品の電極下の領域（図１の破線で囲った領域（ａ））に占めるボイドの面積率（ボイドの総面積の割合。以下同じ。）とフィレットが形成されている領域（図１の破線で囲った領域（ｂ））に占めるボイドの面積率の平均値を求め、それぞれについて以下のように評価した。その結果を表３及び表４に表す。
◎：ボイドの面積率の平均値が３％以下である
○：ボイドの面積率の平均値が３％超５％以下である
△：ボイドの面積率の平均値が５％超８％以下である
×：ボイドの面積率の平均値が８％を超えている
【００８７】
【表３】
2020099933.tif 000005
【００８８】
【表４】
2020099933.tif 000006
【００８９】
以上に示す通り、実施例に係る鉛フリーはんだ合金を用いて形成したはんだ接合部は、−４０℃から１７５℃といった寒暖の差が非常に激しい過酷な環境下にあっても、その亀裂の進展を抑制し得ることが分かる。また、実施例に係る鉛フリーはんだ合金は、これを用いて形成したはんだ接合部のボイド発生抑制効果をも発揮し得ることもわかる。
【００９０】
このように実施例に係る鉛フリーはんだ合金は、寒暖差の非常に激しい環境下におけるはんだ接合部の亀裂進展抑制効果及びボイドの発生を抑制し得ることから、電子回路実装基板であって車載用電子制御装置に搭載されるものにおいても、好適に使用し得る。
【図１】
2020099933.tif 000007