(57)【要約】  Ａｕフラッシュめっきが短時間で薄いめっきを施すためのフラッシュ処理によって施されたＡｕ電極に対するはんだ付けにおいては、従来のはんだ材料は必ずしも十分に高い熱疲労特性を有しない。  はんだ材料であって、５．６〜６．８質量％のＩｎと、０．３〜４．０質量％のＡｇと、０〜１．０質量％のＢｉと、０．０５４〜９．０質量％のＧａを含み、残部は、７９．２質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする。
2014034139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５．６〜６．８質量％のＩｎと、
０．３〜４．０質量％のＡｇと、
０〜１．０質量％のＢｉと、
０．０５４〜９．０質量％のＧａを含み、
残部は、７９．２質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料。
【請求項２】
６．３〜６．８質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
１．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．５質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項３】
６．３〜６．６質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
１．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．７質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料。
【請求項４】
６．３〜６．５質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
２．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．８質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、請求項３に記載のはんだ材料。
【請求項５】
６．３〜６．４質量％のＩｎと、
２．５〜３．７質量％のＡｇと、
０．４〜１．０質量％のＢｉと、
３．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．９質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料。
【請求項６】
２．０〜９．０質量％のＧａを含むことを特徴とする、請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項７】
３．０〜９．０質量％のＧａを含むことを特徴とする、請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項８】
６．０〜９．０質量％のＧａを含むことを特徴とする、請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項９】
Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする、実装体。
【請求項１０】
前記Ａｕ部品電極が、Ｐを含むＮｉめっきを有することを特徴とする、請求項９に記載の実装体。
【請求項１１】
前記基板電極が、Ｃｕ基板電極又はＡｕ基板電極であることを特徴とする、請求項９に記載の実装体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として電子回路基板のはんだ付けに用いるソルダーペースト等におけるはんだ材料および実装体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路基板においては、一般的に電極材質がＣｕであるＣｕ基板電極が利用される場合が多い。また電子回路基板に実装される一般的な電子部品では、ＣｕにＳｎめっきが施されたＣｕ部品電極が利用される。しかしながら、電動コンプレッサ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、ヘッドランプなどの車載商品においては、短時間で薄いめっきを施すフラッシュ処理によってＡｕフラッシュめっきが施されたＡｕ部品電極が利用される場合がある。その理由は、Ａｕ部品電極とはんだ材料との接合面においては、濡れ性が良好となるため大きなフィレットが形成され接合信頼性が上がるからである。一例として、Ｃｕ基板電極を有した電子回路基板と、Ｃｕ部品電極やＡｕ部品電極を有した電子部品とがはんだ付けによって接合され実装体を形成している。その実装体の模式的な断面図を図９に示す。【０００３】
実装体９００は、Ｃｕ基板電極９３１、９３２を有する電子回路基板９３０と、Ｃｕ基板電極９３１にＡｕ部品電極９２１を有する電子部品９２０、Ｃｕ基板電極９３２にＣｕ部品電極９４１を有する電子部品９４０と、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部９１１および９１２によって構成されている。【０００４】
ここで用いられる電子回路基板９３０と電子部品９２０、９４０のはんだ付けには、四種類の元素からなるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料などが利用されている（たとえば、特許文献１参照）。このようなはんだ材料では、温度変化にともなう熱応力に起因して発生する疲労破壊に関する熱疲労特性が、固溶強化メカニズムと呼ばれる技術によって高められている。ここに、固溶強化メカニズムとは、格子状に並んでいる金属原子の一部を異種の金属原子に置き替えてそのような格子を歪ませることによりはんだ材料を劣化しにくくする技術である。【０００５】
前述されたＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料では、ＩｎがＳｎの格子に固溶させられており、熱疲労特性が高められ、具体的にはＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６質量％Ｉｎなどの組成のはんだ材料が利用されている。ここに、ＡｇおよびＢｉが添加されているが、Ａｇは析出強化による合金強度の向上および低融点化のために添加されており、Ｂｉは低融点化のために添加されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０４０９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、Ａｕ部品電極９２１に対するはんだ付けの場合において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料は必ずしも十分に高い熱疲労特性を有しないことが判明した。一方、Ｃｕ部品電極９４１に対するはんだ付けの場合においては、熱疲労特性が高い状態で保たれていた。【０００８】
本発明者らは、その理由をつぎのように分析している。すなわち、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料では、熱疲労特性がＩｎ含有率によって変化する。ここでの熱疲労特性は、温度サイクル試験が−４０℃／１５０℃の試験条件（車載商品の信頼性試験条件）で実施された後に、はんだ付け接合部の断面観察でクラックの発生が確認されないサイクル数で示す。たとえば、はんだ付け後におけるはんだ材料の組成が、Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６質量％ＩｎとＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−５．５質量％Ｉｎとを比較すると、温度サイクル試験のサイクル数は２３００サイクルと２１５０サイクルとなり、Ｉｎの減少に伴いサイクル数（熱疲労特性）も減少する。【０００９】
熱疲労特性に関連する合金強度は、Ｉｎ含有率が増大すると増大していくが、Ｉｎ含有率がおよそ６質量％であるときに最大となり、Ｉｎ含有率がこれを超えると減少していく。つまり、Ｉｎ含有率がおよそ６質量％であるときに、温度サイクル試験のサイクル数が高くなることから熱疲労特性が最も高い。よって、Ｉｎによる固溶強化メカニズムを有効に活用するためには、はんだ材料のＩｎ含有率をより正確にコントロールすることが望ましい。【００１０】
以下に詳細に説明する。まず、Ｃｕ部品電極とＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料との組み合わせでは、ＣｕとＩｎとは反応性が高くないので、熱疲労特性の向上に寄与するＳｎの格子に固溶させられているＩｎについてのＩｎ含有率ははんだ付けの際に変化しないため、熱疲労特性が高い状態で保たれる。【００１１】
一方、Ａｕ部品電極は、膜厚１〜５μｍを持ったＮｉめっきがＣｕ電極の上に施され、更に、膜厚０．０３〜０．０７μｍを持ったＡｕフラッシュめっきがＮｉめっきの上に施された構造を有し、Ａｕが加熱をともなうはんだ付けの際にＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの中に溶け込み、Ｎｉめっきが露出する。そして、Ｎｉめっきは９０質量％Ｎｉおよび１０質量％Ｐの組成を持っており、ＩｎとＰとは反応性が高いので、ＩｎはＰと反応してＩｎ−Ｐの組成を持った化合物ＩｎＰを生成する。すると、熱疲労特性の向上に寄与する、Ｓｎの格子に固溶させられているＩｎが減少し、実質的なＩｎ含有率は減少する。【００１２】
ここで、はんだ付け後のＩｎ含有率が減少するＡｕ部品電極の熱疲労特性を高めるために、はんだ付け前のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎのはんだ材料のＩｎ含有率を増加させた場合には、Ａｕ部品電極の熱疲労特性は高まる。しかしながら、１つの電子回路基板に実装される電子部品のはんだ付けに対して、作業性を考慮して同じはんだ材料を使用した場合、電子部品のＣｕ部品電極では、はんだ付け前のはんだ材料のＩｎ含有率からＩｎの増加分によっては、逆に熱疲労特性が減少する。このように、単にＡｕ部品電極のはんだ付け後のＩｎ減少を防止するために、はんだ付け前のはんだ材料のＩｎ含有率を増加させたとしても、逆にＣｕ部品電極の熱疲労特性が減少することから、Ｉｎの添加以外の手段を検討することが必要となった。【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極を有した電子部品とのはんだ付け後の実装体においても、Ａｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能なはんだ材料および実装体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、
第１の発明は、
５．６〜６．８質量％のＩｎと、
０．３〜４．０質量％のＡｇと、
０〜１．０質量％のＢｉと、
０．０５４〜９．０質量％のＧａを含み、
残部は、７９．２質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料である。【００１５】
第１の発明において、
６．３〜６．８質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
１．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．５質量％以上のＳｎのみであることが好ましい。【００１６】
第２の発明は、
６．３〜６．６質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
１．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．７質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料である。【００１７】
第２の発明において、
６．３〜６．５質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
２．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．８質量％以上のＳｎのみであることが好ましい。【００１８】
第３の発明は、
６．３〜６．４質量％のＩｎと、
２．５〜３．７質量％のＡｇと、
０．４〜１．０質量％のＢｉと、
３．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．９質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料である。【００１９】
第１の発明において、２．０〜９．０質量％のＧａを含むことが好ましい。【００２０】
第１の発明において、３．０〜９．０質量％のＧａを含むことが好ましい。【００２１】
第１の発明において、６．０〜９．０質量％のＧａを含むことが好ましい。【００２２】
第４の発明は、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、第１の発明のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする、実装体である。【００２３】
第４の発明において、前記Ａｕ部品電極が、Ｐを含むＮｉめっきを有することが好ましい。【００２４】
第４の発明において、前記基板電極が、Ｃｕ基板電極又はＡｕ基板電極であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
上記第１〜第３の発明の構成により、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能なはんだ材料を提供することができる。【００２６】
また、上記第４の発明の構成により、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極が熱疲労特性を満たした実装体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、Ｉｎが添加されたＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉの組成を持った合金の信頼性試験結果を示すグラフ
【図２】試料として準備したＡｕ電極の構成を示す模式的な構成図
【図３】試料として準備したＣｕ電極やＡｕ電極とＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成を持った合金との接合後におけるＩｎ含有率を測定する概略説明図
【図４】本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成を持った合金を利用して、Ｃｕ電極およびＡｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、それぞれのはんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフ
【図５】本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成に対してＧａが添加された合金を利用して、Ａｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフ
【図６】本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成に対してＧａが添加された合金の液相線を示すグラフ
【図７】本発明における実施の形態の実装体の模式的な断面図
【図８】はんだ接合前後の基板電極とはんだ材料と部品電極との組成を示す模式的な構成図
【図９】従来のはんだ材料を使用した実装体の模式的な断面図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
はじめに、図１を参照しながら、本実施の形態１のはんだ材料に関する原理について説明する。
【００３０】
なお、図１は、本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、Ｉｎが添加されたＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉの組成を持った合金の信頼性試験結果を示すグラフである。
【００３１】
図１において、横軸のＩｎ含有率は、はんだ付け後にはんだに固溶している、より具体的には、Ｓｎの格子に固溶させられているＩｎについての実質的なＩｎ含有率である。
【００３２】
縦軸の試験サイクル数は、１６０８サイズ（１．６ｍｍ×０．８ｍｍ）のチップコンデンサが実装された、ＦＲグレード（Ｆｌａｍｅ  Ｒｅｔａｒｄａｎｔ  Ｇｒａｄｅ）がＦＲ−５グレードであるＦＲ５基板において、温度サイクル試験が−４０℃／１５０℃の試験条件で実施された後に、はんだ付け接合部の断面観察でクラックの発生が確認されなかったサイクル数である。
【００３３】
自動車のエンジン近傍に搭載する車載商品の信頼性試験においては、２０００サイクル以上のサイクル数が要求仕様において求められる（ここでは、２０００サイクル以上のサイクル数の場合を熱疲労特性が満たされていることとする。）。
【００３４】
同サイクル数は、はんだ付け後にはんだに固溶しているＩｎ含有率が５．５質量％（２１５０サイクル）、６．０質量％（２３００サイクル）および６．５質量％（２２００サイクル）である場合は２０００サイクル以上であるが、Ｉｎ含有率が５．０質量％以下または７．０質量％以上である場合は２０００サイクル未満である。
【００３５】
近似曲線が、上記の数値データを用いることによって得られる二次関数
（数１）
（試験サイクル数）
＝−４１０．７×（Ｉｎ含有率）2＋４９１９．６×（Ｉｎ含有率）−１２４４６
のグラフとして図示されている。
【００３６】
したがって、車載基準である２０００サイクル以上のサイクル数を確保することができるＩｎ含有率の範囲はおよそ５．２〜６．８質量％であり、管理幅はおよそ±０．８質量％である。
【００３７】
そして、大量生産におけるはんだ合金のＩｎ含有率の変動幅はおよそ±０．５質量％であるので、Ｉｎ含有率は４．７（＝５．２−０．５）質量％以上７．３（＝６．８＋０．５）質量％以下でもよいが、５．７（＝５．２＋０．５）質量％以上６．３（＝６．８−０．５）質量％以下であることがより望ましい。
【００３８】
つぎに、図２〜図４を主として参照しながら、Ｎｉめっきに含まれるＰの影響について説明する。
【００３９】
ここで使用するＡｕ電極およびＣｕ電極は、測定用に準備された試料を用いる。
【００４０】
図２は、試料として準備したＡｕ電極の構成を示す模式的な構成図であり、図３は試料として準備したＣｕ電極やＡｕ電極とＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成を持った合金との接合後におけるＩｎ含有率を測定する概略説明図である。
【００４１】
試料として準備したＡｕ電極は、Ｃｕ電極が膜厚３５μｍを持ったＣｕ箔であり、膜厚１〜５μｍを持ったＮｉめっきが電気めっきのように通電を要しない無電解めっきとしてＣｕ電極の上に施され、膜厚０．０３〜０．０７μｍを持ったＡｕフラッシュめっきがＮｉめっきの上に施された構造を有している。
【００４２】
たとえば、Ｎｉめっきの膜厚は３μｍであり、Ａｕフラッシュめっきの膜厚は０．０５μｍである。
【００４３】
Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成を持ったはんだ材料は、直径５ｍｍおよび厚さ０．１５ｍｍの形状でこれらＣｕ電極およびＡｕ電極の上にそれぞれ供給され、２４０℃のホットプレートの上で３０秒間加熱され、室温で徐冷される。
【００４４】
このようにして作成された試料は縦断面が出現するように研磨された断面の中央部が、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を利用する方法で分析され、Ｉｎ含有率が測定される。
【００４５】
ここに、中央部とは、はんだの厚さの１／２の位置であって、はんだのぬれ広がり幅の１／２の位置に対応する部分である。
【００４６】
図４は、Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成を持った合金を利用して、Ｃｕ電極およびＡｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、それぞれのはんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフである。
【００４７】
測定された、熱疲労特性の向上に寄与するＳｎの格子に固溶させられているＩｎについての実質的なＩｎ含有率は、当初のＩｎ含有率である６．０質量％から減少しており、Ｃｕ電極については５．９質量％であり、Ａｕ電極についてはより小さい５．１質量％である。
【００４８】
Ａｕ電極については、Ａｕが加熱の際にはんだ内部へ拡散し、Ａｕフラッシュめっきの下に形成されている９０質量％Ｎｉおよび１０質量％Ｐの組成を持ったＮｉめっきが露出する。
【００４９】
そして、前にも説明したように、ＩｎはＰと反応して化合物ＩｎＰを生成するので、Ｓｎの格子に固溶させられているＩｎが減少し、Ａｕ電極の場合の実質的なＩｎ含有率はＣｕ電極の場合と比較してより大きく減少してしまう。
【００５０】
このため、車載基準に対応したＩｎ含有率の範囲は前述されたようにおよそ５．２〜６．８質量％であるので、上記のＡｕ電極は車載基準を満足しない。
【００５１】
なお、Ｎｉめっきの比重は７．９ｇ／ｃｍ3であるので、Ｎｉめっきに含まれるＰの重量は、Ｎｉめっきの膜厚ＴおよびＮｉめっきの面積Ｓを利用して、７．９×Ｔ×Ｓ×０．１により算出することができ、Ｎｉめっきに含まれるＰの重量はＮｉめっきの膜厚Ｔに比例して変動する。
【００５２】
このような現象を踏まえて、本発明者等は、Ｉｎと比較してＰとより容易に反応して化合物を形成する元素の添加がＩｎ含有率の減少を抑制するために有効であることを見出した。
【００５３】
数多くの元素の中からそのような元素として見出された元素が、以下で説明される、Ｐと反応してＧａＰ化合物を生成する、Ｇａ（ガリウム）である。
【００５４】
ここで、図５および６を参照しながら、本実施の形態であるはんだ材料について具体的に説明する。
【００５５】
なお、図５は、本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成に対してＧａが添加された合金を利用して、Ａｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ内部におけるＩｎ含有率の分析結果を示すグラフである。
【００５６】
また、図６は、本発明における実施の形態１のはんだ材料を説明するための、９０質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成に対してＧａが添加された合金の液相線６０１を示すグラフである。
【００５７】
まず、図５を主として参照しながら、Ｇａ含有率の下限について説明する。
【００５８】
ここでは、分析が前述された方法と同様な方法で行われ、Ａｕ電極とのはんだ付けが行われた後のＩｎ含有率の測定が行われる。
【００５９】
同試料は、つぎのようにして作成される。
【００６０】
８９．８ｇのＳｎが、セラミック製のるつぼ内に投入され、温度が５００℃に調整されている電気式ジャケットヒータの中に静置される。
【００６１】
６．０ｇのＩｎはＳｎが溶融したことが確認された後に投入され、３分間の撹拌が行われる。
【００６２】
０．５ｇのＢｉが投入され、３分間の撹拌がさらに行われる。
【００６３】
３．５ｇのＡｇが投入され、３分間の撹拌がさらに行われる。
【００６４】
０．２ｇのＧａが投入され、３分間の撹拌がさらに行われる。
【００６５】
その後、るつぼは電気式ジャケットヒータから取り出されて２５℃の水が満たされた容器に浸漬され、冷却が行われる。
【００６６】
Ｉｎ含有率は、（１）Ｇａ含有率がゼロである場合は５．１質量％であるが、（２）Ｇａ含有率が増大すると、Ｉｎの減少が抑制されるので、増大していき、（３）Ｇａ含有率が０．２質量％である場合は５．５１質量％となり、そして（４）Ｇａ含有率が０．４質量％になるとほぼ５．９７質量％になる。
【００６７】
引き続き（５）Ｇａ含有率が０．５質量％、０．６質量％、０．７質量％、０．８質量％としても、Ｉｎ含有率にほとんど変化は見られない。
【００６８】
Ｇａ含有率が０質量％から０．４質量％であるときの数値を用いて近似直線を描くと、一次関数
（数２）
（Ｉｎ含有率）
＝２．１８×（Ｇａ含有率）＋５．０８４
のグラフが得られる。
【００６９】
したがって、車載基準をＡｕ電極との組み合わせにおいても満足するために必要な５．２質量％以上のＩｎ含有率を確保するためには、Ｇａ含有率が０．０５４質量％以上であることが望ましい。Ｇａ含有率が０．０５４質量％以上であれば、Ａｕ電極との組み合わせにおいても、はんだ付け後のＩｎ含有率が５．２質量％以上となり、車載基準の信頼性を満たすことができる。
【００７０】
ただし、大量生産におけるはんだ合金のＩｎ含有率の変動幅はおよそ±０．５質量％であるので、Ｉｎ含有率がそのために少し減少する場合がある。
【００７１】
このような場合においては、近似直線は、（数２）のグラフが大量生産における変動幅の下限である−０．５質量％に相当する下方移動を受けた一次関数
（数３）
（Ｉｎ含有率）
＝２．１８×（Ｇａ含有率）＋４．５８４
のグラフとなり、Ｉｎ含有率はＧａ含有率が０．０５４質量％である場合は４．７質量％である。
【００７２】
したがって、大量生産における変動幅の下限が考慮されると、５．２質量％以上のＩｎ含有率を確保するためには、Ｇａ含有率が少し余裕をもって０．２８質量％以上（この数値は、（５．２−４．５８４）／２．１８＝０．２８３≒０．２８により算出）であることがより望ましい。以上においては９０質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成を持った合金が利用される場合について説明したが、Ｉｎの含有率とＧａの含有率とは一定の比率で変わるので、Ｉｎ含有率が異なる場合もそれに応じて取り扱うことができる。
【００７３】
つぎに、図６を主として参照しながら、Ｇａ含有率の上限について説明する。
【００７４】
すなわち、Ｇａ含有率が大きすぎると、液相線温度が低下するので、耐熱性が低下して信頼性が劣化する。
【００７５】
より具体的に説明すると、液相線６０１によって表される液相線温度は、Ｇａ含有率が０質量％である場合は２３２℃であり、Ｇａ含有率が９質量％である場合は２００℃であり、Ｇａ含有率が２９質量％である場合は１５０℃である。ここに、液相線温度は固体の状態から加熱された合金がすべて溶けて液体状態になる温度である。
【００７６】
表１はＧａ含有率と信頼性との関係をＧａ含有率が０．５質量％、１質量％、・・・、３０質量％である場合について説明しており、−４０℃／１５０℃条件の温度サイクル試験後の形状変化の評価が行われている（その他の表についても同様であるが、数値データに付随する単位は質量％である。）。
【００７７】
【表１】
2014034139.tif 000003
信頼性の評価に関しては、○は形状変化が発生していないことを示しており、△は部分的な形状変化が発生していることを示しており、×は全体で形状変化が発生していることを示している。
【００７８】
したがって、良好なはんだ付けにとって重要な形状変化が発生しない状態を保証するためには、Ｇａ含有率が９質量％以下であることが望ましい。
【００７９】
表２は、はんだ付け前のはんだ材料の各種組成と、はんだ付け後におけるはんだ材料のＩｎ含有率変化との関係を組成１〜２１および比較例について説明しており、信頼性および強度が判定されている。
【００８０】
【表２】
2014034139.tif 000004
Ｉｎ含有率変化についての残量は、Ａｕ電極に対するはんだ付けが行われた後の、はんだ内部におけるＩｎ含有率の分析を、ＥＤＸを利用して行うことにより測定される。
【００８１】
Ｉｎ含有率変化についての判定に関しては、○ははんだ付けが行われた後のＩｎ含有率が５．２〜６．８質量％の範囲に含まれていることを示しており、×はＩｎ含有率が５．２質量％未満の範囲であることを示している。
【００８２】
信頼性判定に関しては、車載商品の信頼性試験においての温度サイクル試験のサイクル数を２０００サイクル以上の要求仕様を満たしていることを基準として、○は基準が満足されることを示しており、×は基準が満足されないことを示している。さらに２２００サイクル以上の要求仕様を満たしていることを基準として、○は基準が満足されることを示しており、×は基準が満足されないことを示している。なお、２０００サイクル以上のサイクル数が要求仕様において求められる品は、エンジンルーム内の車載商品である。さらに２２００サイクル以上のサイクル数が要求仕様において求められる商品は、エンジン近傍の車載商品である。２３００サイクル以上のサイクル数が要求仕様において求められる商品は、特に自動車のエンジンに直載する車載商品、つまりエンジンに接する車載商品である。
【００８３】
強度判定に関しては、はんだ材料の引張強度を基準として、○は６０ＭＰａ以上を満たしており０．９ｍｍ×０．８ｍｍまでのチップ部品に使えることを、◎は６５ＭＰａ以上を満たしておりＱＦＰ（quad flat package）、ＢＧＡ（ball grid array）等の大型半導体部品に使えることを、◎◎は７０ＭＰａ以上を満たしておりアルミ電解コンデンサ、モジュール部品等の大型部品に使えることを示している。◎◎◎は７５ＭＰａ以上を満たしておりコイル、トランス等の重量部品に使えることを示している。なお、引張強度はＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の４号試験片で測定している。
【００８４】
組成１〜２１の信頼性判定から、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料にＧａが含有されることにより、Ｉｎ含有率の減少が抑制されたことがわかる。また、より厳しい車載基準を満足するためには、Ｇａ含有率が３．０質量％以上であることが望ましいことがわかる。
【００８５】
比較例においては、Ｉｎ含有率の減少を抑制するために有効な元素の添加が行われていないので、はんだ付け後のＩｎ含有率が５．１質量％（Ｉｎ含有率変化は−０．９質量％）であったことからそれについての判定は×である。
【００８６】
次に、はんだ接合方法の具体例を以下にプロセス１〜３として挙げる。
【００８７】
まずプロセス１として、Ｃｕ部品電極を有する電子部品と、Ａｕ基板電極を有する電子回路基板とを、組成１のはんだ材料を用いて、リフローはんだ付けによって接合する例を示す。組成１のはんだ材料（Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６質量％Ｉｎ−０．１質量％Ｇａのはんだ合金）を直径２５〜４５μｍの粒度分布であるはんだ粒に加工する。このはんだ粒８８質量％とフラックス１２質量％を混ぜ合わせてペースト状にする。このペーストをスクリーン印刷機（パナソニック株式会社製「ＳＰ７０」）でメタルマスクを用いて基板のＡｕ基板電極に印刷する。メタルマスクはレーザー加工された厚み１２０μｍで、１６０８サイズのチップ抵抗に合わせて０．８ｍｍ×０．８ｍｍの開口部が形成されている。基板は、厚み１．６ｍｍで材質はＦＲ５である。基板上のＡｕ基板電極は、Ｃｕ電極に、膜厚２μｍのＮｉめっきが施され、その上に膜厚０．０５μｍのＡｕフラッシュめっきが施されて形成されている。ペースト印刷後のＡｕ基板電極上に、Ｃｕ部品電極を有する１６０８サイズのチップ抵抗をチップマウンター（パナソニック株式会社製「ＢＭ１２３」）で実装する。チップ部品が実装された基板をリフロー炉（パナソニック株式会社製「ＲＥＦ」）で加熱してはんだ付けする。加熱は、プリヒート温度１６０℃で６０秒、リフロー温度２５０℃で２０秒、大気雰囲気で行う。はんだが融点以上の温度に加熱されて溶融し、Ａｕが溶融したはんだの中に溶け込み、Ｎｉめっきが露出する。Ｎｉめっきは９０質量％のＮｉと１０質量％のＰで構成されており、ＰとＧａとは反応性が高いので、ＰはＧａと反応して化合物ＧａＰを生成する。Ｉｎ量が変化しても、熱疲労特性の向上に寄与する必要量のＩｎが確保されるため信頼性が維持される。
【００８８】
次にプロセス２として、Ｃｕ部品電極を有する電子部品と、Ａｕ基板電極を有する電子回路基板とを、組成１のはんだ材料を用いて、はんだごてによって接合する例を示す。組成１のはんだ材料（Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６質量％Ｉｎ−０．１質量％Ｇａのはんだ合金）を直径０．８ｍｍの糸状に加工する。この糸はんだを用いてはんだごてによりはんだ付けする。はんだ付けの際にはＡｕ基板電極の表面の酸化物を取り除くためにフラックスを使用する。基板は、厚み１．６ｍｍで材質はＦＲ５である。基板上のＡｕ基板電極は、Ｃｕ電極に、膜厚２μｍのＮｉめっきが施され、その上に膜厚０．０５μｍのＡｕフラッシュめっきが施されて形成されている。このＡｕ基板電極上に、Ｃｕ部品電極を有する１６０８サイズのチップ抵抗を精密ピンセットで実装する。加熱は、はんだごてを接触させて５秒間で行う。はんだが融点以上の温度に加熱されて溶融し、Ａｕが溶融したはんだの中に溶け込み、Ｎｉめっきが露出する。Ｎｉめっきは９０質量％のＮｉと１０質量％のＰで構成されており、ＰとＧａとは反応性が高いので、ＰはＧａと反応して化合物ＧａＰを生成する。Ｉｎ量が変化しても、熱疲労特性の向上に寄与する必要量のＩｎが確保されるため信頼性が維持される。
【００８９】
次にプロセス３として、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、Ｃｕ基板電極を有する電子回路基板とを、組成１のはんだ材料を用いて、リフローはんだ付けによって接合する例を示す。組成１のはんだ材料（Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６質量％Ｉｎ−０．１質量％Ｇａのはんだ合金）を直径２５〜４５μｍの粒度分布であるはんだ粒に加工する。このはんだ粒８８質量％とフラックス１２質量％を混ぜ合わせてペースト状にする。このペーストをスクリーン印刷機（パナソニック株式会社製「ＳＰ７０」）でメタルマスクを用いて基板のＣｕ基板電極に印刷する。メタルマスクはレーザー加工された厚み１２０μｍで、水晶振動子チップに合わせて０．９ｍｍ×０．８ｍｍの開口部が４点形成されている。水晶振動子チップが有するＡｕ部品電極は、Ｃｕ電極に、膜厚２μｍのＮｉめっきが施され、その上に膜厚０．０５μｍのＡｕフラッシュめっきが施されて形成されている。基板は、厚み１．６ｍｍで材質はＦＲ５である。基板上にはＣｕ基板電極が形成されている。ペースト印刷後のＣｕ基板電極上に、水晶振動子チップをチップマウンター（パナソニック株式会社製「ＢＭ１２３」）で実装する。チップ部品が実装された基板をリフロー炉（パナソニック株式会社製「ＲＥＦ」）で加熱してはんだ付けする。加熱は、プリヒート温度１６０℃で６０秒、リフロー温度２５０℃で２０秒、大気雰囲気で行う。はんだが融点以上の温度に加熱されて溶融し、Ａｕが溶融したはんだの中に溶け込み、Ｎｉめっきが露出する。Ｎｉめっきは９０質量％のＮｉと１０質量％のＰで構成されており、ＰとＧａとは反応性が高いので、ＰはＧａと反応して化合物ＧａＰを生成する。Ｉｎ量が変化しても、熱疲労特性の向上に寄与する必要量のＩｎが確保されるため信頼性が維持される。
【００９０】
次に表３は、Ｂｉを含有していないはんだ材料の各種組成とＩｎ含有率変化との関係を組成２２〜２５について説明しており、信頼性が判定されている。各種判定に関しては、前述の表２と同様である。
【００９１】
【表３】
2014034139.tif 000005
この表３の組成２２〜２５においては、信頼性判定の結果が全て基準を満足しているから、はんだ材料にＢｉが含有されていなくとも、Ｉｎ含有率の変化に影響を与えないことがわかる。
【００９２】
はんだ材料のＢｉは、合金の溶融温度を調整するために加えられており、はんだ材料の熱疲労特性にＢｉ量は影響を与えない。
【００９３】
表２、表３の組成１〜２５の信頼性判定の結果から、Ａｕ電極に対するはんだ付けにおいても車載商品の信頼性評価を満足するためには、Ｇａ含有率が０．０５４質量％以上９．０質量％以下であることが望ましく、大量生産における変動幅の下限が考慮されると、Ｇａ含有率が少し余裕をもって０．２８質量％以上９．０質量％以下であることがより望ましい。
【００９４】
また、実施の形態におけるはんだ材料を構成するＡｇの含有率は、以下の理由により決定している。前述にも説明しているが、熱疲労特性は、Ｓｎに対するＩｎの固溶強化作用により向上されているため、Ｉｎ量によって熱疲労特性は大きく変化する。しかしながらＡｇはＳｎに固溶しないため熱疲労特性は大きく変化しない。
【００９５】
また、Ａｇ量は、はんだ材料の融点に影響を与えることから、Ａｇの含有率が４質量％を超えると融点が２３５℃以上になり、はんだ付け時のぬれ広がりが悪くなるため使用できない。よって、Ａｇ含有率の最大値は４質量％とした。また、Ａｇの含有率が小さくなると、Ａｇ3ＳｎのＳｎ相への析出量が少なくなり、機械的強度の特性が低下するため、Ａｇ含有率の最小値は０．３質量％とした。
【００９６】
次に、実施の形態におけるはんだ材料を構成するＢｉの含有率は、以下の理由により決定している。最小値は、表３で説明したように、はんだ材料の熱疲労特性に影響を与えないことからゼロも可能である。またＢｉははんだ合金内部で偏析する性質を持つことから１質量％を超えると偏析量が多くなり、合金が脆くなるために使用できない。よってＢｉ含有率の最大値は１質量％とした。
【００９７】
以上からＡｇとＢｉははんだ材料の熱疲労特性に影響を与えないため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−ＩｎでのＩｎ含有率の効果は、Ｓｎ−Ａｇ−ＩｎやＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎでも同様に扱うことができると考える。
【００９８】
なお、はんだ材料の組成については、図５、図６において「Ｇａ（例えば０．１質量％）が添加された９０質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎの組成」と表記しているが、これを表２、表３におけるはんだ材料の組成表記に置き換えると、「８９．９質量％Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｂｉ−６．０質量％Ｉｎ−０．１質量％Ｇａ」となり、Ｇａの添加によりＳｎの含有量を減少させている。Ｉｎの含有率の変化にＳｎの微量の増減は影響を与えないと考えている。
【００９９】
以上の説明から明らかであるように、本発明のはんだ材料は、５．６〜６．８質量％のＩｎと、０．３〜４．０質量％のＡｇと、０〜１．０質量％のＢｉと、０．０５４〜９．０質量％のＧａを含み、残部は、７９．２質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする。
【０１００】
本発明の実装体は、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、前述のはんだ材料によって接合されていることを特徴とし、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能な実装体を提供することができる。
【０１０１】
また、前述のはんだ接合方法においては、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とを、前述のはんだ材料によって接合するようにしている。これにより、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能となる。
【０１０２】
また、含まれているＧａの量は、Ｎｉめっきが含むＰの量に応じた量であることが望ましい。
【０１０３】
また、Ｃｕ電極とＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｇａの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部は、ＣｕとＧａで金属間化合物を形成することがないため、熱疲労特性の影響度は小さいと考えられる。
【０１０４】
本発明における実施の形態の実装体の模式的な断面図を図７に示す。実装体７００は、Ｃｕ基板電極７３１、７３２を有する電子回路基板７３０と、Ｃｕ基板電極７３１にＡｕ部品電極７２１を有する電子部品７２０、Ｃｕ基板電極７３２にＣｕ部品電極７４１を有する電子部品７４０と、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｇａの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部７１１および７１２によって接合されている。このような構成の実装体７００は、車載商品の信頼性試験の要求仕様を満たしたものである。
【０１０５】
また、Ｃｕ基板電極７３１および７３２がＡｕ基板電極であってもよい。
【０１０６】
また、Ａｕ部品電極７２１とＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｇａの組成を持ったはんだ材料を利用して形成されたはんだ部７１１とＣｕ基板電極７３１とのはんだ付け前後の模式的な構成図を図８に示す。図８の上側に示した図がはんだ付け前の構成を示し、矢印の先にある下側の図がはんだ付け後を示す。Ｐを含むＮｉめっきを有するＡｕ部品電極は、はんだ付け後にはんだ部に小さな丸印で示したＧａＰの化合物が生成されている。このＧａＰの化合物が生成されることにより、はんだ材料中のＩｎ含有率の低下を防ぐことに役立つ。
【０１０７】
また今回は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成を持ったはんだ材料にＧａを添加したが、このＧａに代わってＣｏ（コバルト）やＭｏ（モリブデン）を用いても、はんだ材料中のＩｎ含有率の低下を防ぐことに役立つ。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明におけるはんだ材料および実装体は、Ａｕ部品電極に対するはんだ付けにおいても熱疲労特性を満たすことが可能であり、たとえば、電子回路基板のはんだ付けに用いるソルダーペースト等に利用するために有用である。
【符号の説明】
【０１０９】
６０１  液相線
７００  実装体
７１１、７１２  はんだ部
７２０、７４０  電子部品
７２１  Ａｕ部品電極
７３０  電子回路基板
７３１、７３２  Ｃｕ基板電極
７４１  Ｃｕ部品電極
【図１】
2014034139.tif 000006
【図２】
2014034139.tif 000007
【図３】
2014034139.tif 000008
【図４】
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【図５】
2014034139.tif 000010
【図６】
2014034139.tif 000011
【図７】
2014034139.tif 000012
【図８】
2014034139.tif 000013
【図９】
2014034139.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月28日(2015.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５．６〜６．８質量％のＩｎと、
０．３〜４．０質量％のＡｇと、
０．２〜１．０質量％のＢｉと、
０．０５４〜９．０質量％のＧａを含み、
残部は、７９．２質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、
はんだ材料。
【請求項２】
６．３〜６．８質量％のＩｎと、
２．３〜３．７質量％のＡｇと、
０．３〜１．０質量％のＢｉと、
１．０〜５．０質量％のＧａを含み、
残部は、８３．５質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、
請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項３】
２．０〜９．０質量％のＧａを含むことを特徴とする、
請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項４】
３．０〜９．０質量％のＧａを含むことを特徴とする、
請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項５】
６．０〜９．０質量％のＧａを含むことを特徴とする、
請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項６】
Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする、
実装体。
【請求項７】
前記Ａｕ部品電極が、Ｐを含むＮｉめっきを有することを特徴とする、
請求項６に記載の実装体。
【請求項８】
前記基板電極が、Ｃｕ基板電極又はＡｕ基板電極であることを特徴とする、
請求項６に記載の実装体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
上記目的を達成するために、
第１の発明は、
５．６〜６．８質量％のＩｎと、
０．３〜４．０質量％のＡｇと、
０．２〜１．０質量％のＢｉと、
０．０５４〜９．０質量％のＧａを含み、
残部は、７９．２質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、はんだ材料である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
第２の発明は、Ａｕ部品電極を有する電子部品と、基板電極を有する電子回路基板とが、第１の発明のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする、実装体である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
第２の発明において、前記Ａｕ部品電極が、Ｐを含むＮｉめっきを有することが好ましい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
第２の発明において、前記基板電極が、Ｃｕ基板電極又はＡｕ基板電極であることが好ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
上記第１の発明の構成により、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極の熱疲労特性を満たすことが可能なはんだ材料を提供することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、上記第２の発明の構成により、はんだ付け後の電子回路基板に実装されるＡｕ部品電極が熱疲労特性を満たした実装体を提供することができる。
【国際調査報告】
2014034139.tif 000015
2014034139.tif 000016
2014034139.tif 000017
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