(57)【要約】【課題】Ｂｉが含まれたはんだ接合構造において、実装部品と基板との接続信頼性を向上させることを実現する。【解決手段】本発明のはんだ接合構造は、基板と実装部品とを接合するはんだ接合部を備え、上記はんだ接合部が、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなるはんだ接合構造において、上記はんだ接合部では、スズ（Ｓｎ）中にビスマス（Ｂｉ）が分散しており、常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍのビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっているので、実装部品と基板との接続信頼性を向上させることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と実装部品とを接合するはんだ接合部を備え、
上記はんだ接合部が、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなるはんだ接合構造において、
上記はんだ接合部では、スズ（Ｓｎ）中にビスマス（Ｂｉ）が分散しており、
常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっていることを特徴とするはんだ接合構造。
【請求項２】
上記はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比が、２１重量％以下になっていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合構造。
【請求項３】
上記はんだ合金には、銅（Ｃｕ）が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ接合構造。
【請求項４】
上記はんだ合金には、銀（Ａｇ）が含まれていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のはんだ接合構造。
【請求項５】
基板と実装部品とを接合するはんだ接合部を備え、上記はんだ接合部が、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなるはんだ接合構造の製造方法であって、
上記はんだ合金を３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却する冷却工程を含むことを特徴とするはんだ接合構造の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のはんだ接合構造の製造方法により製造されたはんだ接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路基板へ部品等を実装する際に使用されるはんだ接合構造、及びはんだ接合構造の製造方法に関し、特にＢｉを含むはんだ接合構造、及びはんだ接合構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子部品実装技術において、電子部品を搭載実装した電子回路基板を用いた商品が増加してきている。それに伴い、はんだ付け部の機械的接合強度の向上や、熱衝撃強度の向上等の高信頼化への要求が高まってきている。一方、地球環境保護への関心が高まる中、電子回路基板などの産業廃棄物の処理について法的規制が検討されている。
【０００３】
従来、電子回路基板と電子部品とを接合するはんだ接合構造として、Ｓｎ‐３７Ｐｂはんだ合金が用いられてきた。しかしながら、Ｓｎ‐３７Ｐｂはんだ合金には、人体に悪影響を与える鉛（Ｐｂ）が含まれているため、Ｓｎ‐３７Ｐｂはんだ合金に変わるＰｂを含まないはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）が検討されてきている。鉛フリーはんだ合金として、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）などを組み合わせた各種合金の検討が成されてきた。
【０００４】
また、Ｂｉを含む鉛フリーの各種はんだ合金も検討されている。はんだ合金にＢｉが含まれていることで、はんだ接合構造の機械的強度が上昇する、濡れ性が向上するといった効果が得られる。しかしながら、Ｂｉの量が多くなると、Ｂｉの偏析によるリフトオフ、Ｂｉが持つ脆さによる接合信頼性低下などの影響が大きくなってしまう。それゆえ、添加すべきＢｉ量や、脆さの影響を少なくする接合方法の検討が成されてきた。
【０００５】
このような鉛フリーのはんだ接合構造による接合方法の代表的な例としては、例えば特許文献１、及び特許文献２に開示された接合方法が挙げられる。
【０００６】
特許文献１には、「主要構成成分がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎから構成され、各成分の重量比が、Ｓｎが８１〜９１重量％、Ａｇが３．０〜６．０重量％、Ｂｉが５〜１０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％、Ｉｎが０．１〜１．０重量％からなるはんだ合金のはんだ付け時の凝固過程において、はんだ合金を５〜１５℃／ｓで急冷凝固させ、前記はんだ合金を微細分散させる」はんだ付け方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、Ｂｉを含んだＰｂフリーはんだを用いて固相線温度付近まで１０〜２０℃／ｓで急冷し、そこから０．１〜５℃／ｓで冷却することにより実装時のリフトオフや、クラック発生、Ｂｉ偏析を防ぎ、接続信頼性を向上させ、接続不良を減少させる電子回路基板の製造方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１１５９１号公報（平成１４(2002)年  １月１５日公開）
【特許文献２】特開平１１−３５４９１９号公報（平成１１年(1999)年１２月２４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１及び２に開示された鉛フリーのはんだ接合構造には、下記に示す問題点が存在する。
【０００９】
すなわち、従来のはんだ接合構造では、Ｂｉが含まれることにより、はんだ接合構造の機械的強度を上昇させることが可能である。その一方で、Ｂｉの脆さの影響により、はんだ接合構造の耐熱疲労強度が良くなかった。特に高温環境下においては、Ｂｉ組織の粗大化が生じる。それゆえ、はんだ接合構造に応力がかかると、ＳｎとＢｉ組織との界面ですべりが生じ、はんだクラックが生じやすいという問題点を有していた。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｂｉが含まれたはんだ接合構造において、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させることができるはんだ接合構造、及びはんだ接合構造の製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、はんだ接合構造における、スズ（Ｓｎ）中のビスマス（Ｂｉ）の分散状態に着目し、はんだ接合部における任意の断面において特定サイズの（分散した）Ｂｉの面積率を規定することで、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させる接合構造を実現し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のはんだ接合構造は、上記の課題を解決するために、基板と実装部品とを接合するはんだ接合部を備え、上記はんだ接合部が、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなるはんだ接合構造において、上記はんだ接合部では、スズ（Ｓｎ）中にビスマス（Ｂｉ）が分散しており、常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっていることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成のように、常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっていることにより、はんだ接合構造は、常温で機械的強度が強くなっている。その一方で、はんだ接合構造を高温で放置すると、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）は、スズ（Ｓｎ）中に固溶した状態（スズ（Ｓｎ）中にビスマス（Ｂｉ）が析出していない状態）になる。つまり、上記の構成のように、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっていることで、高温放置の状態では、スズ（Ｓｎ）中に固溶したビスマス（Ｂｉ）が大部分を占め、析出した（固体の状態の）ビスマス（Ｂｉ）が少なくなっている。それゆえ、上記の構成によれば、高温において析出しているＢｉの脆さに起因する耐熱疲労強度の低下を少なくすることができる。
【００１４】
以上のように、上記の構成によれば、常温における機械的強度の強化と、高温における耐熱疲労強度の強化とを両立することが可能なはんだ接合構造を実現することができ、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させることが可能になる。
【００１５】
本発明のはんだ接合構造では、上記はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比が、２１重量％以下になっていることが好ましい。
【００１６】
後述するスズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）の状態図から、０℃から温度を上昇させたときに、スズ（Ｓｎ）中に固溶可能なビスマスの、はんだ合金に対する重量比の範囲は、２１重量％以下の範囲になっている。それゆえ、上記の構成のように、はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比が、２１重量％以下になっていることで、高温放置の状態で、固溶するビスマス（Ｂｉ）の割合が向上し、固体の状態のビスマス（Ｂｉ）の割合が少なくなる。それゆえ、上記の構成にすることで、高温放置時のはんだ接合部の材料特性は、固体の状態のビスマス（Ｂｉ）ではなく、スズ（Ｓｎ）中にビスマス（Ｂｉ）が固溶した状態の材料特性になる。従って、本発明のはんだ接合構造は、ビスマス（Ｂｉ）が単体としてはんだ接合部内部に存在している（はんだ接合部内部にＢｉが固体として析出した）状態よりも、はんだ接合部全体としての伸びが上昇していると考えられる。そして、この伸びの上昇により、はんだ接合部にかかる熱応力が緩和され、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させることが可能になる。
【００１７】
また、本発明のはんだ接合構造では、上記はんだ合金には、銅（Ｃｕ）が含まれていてもよい。
【００１８】
また、本発明のはんだ接合構造では、上記はんだ合金には、銀（Ａｇ）が含まれていてもよい。
【００１９】
本発明のはんだ接合構造の製造方法は、上記の課題を解決するために、基板と実装部品とを接合するはんだ接合部を備え、上記はんだ接合部が、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなるはんだ接合構造の製造方法であって、上記はんだ合金を３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却する冷却工程を含むことを特徴としている。
【００２０】
このように、冷却工程にて、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金を３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却することで、はんだ接合部内に直径２μｍ以下の微細なＢｉを析出させると同時に、実装後にはんだ接合部にかかる応力を緩和することが可能なはんだ接合構造を製造することが可能になる。
【００２１】
また、本発明のはんだ接合構造は、上記のはんだ接合構造の製造方法により製造されたはんだ接合構造であってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のはんだ接合構造は、以上のように、上記はんだ接合部では、スズ（Ｓｎ）中にビスマス（Ｂｉ）が分散しており、常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍのビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっている構成である。
【００２３】
また、本発明のはんだ接合構造の製造方法は、以上のように、上記はんだ合金を３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却する冷却工程を含む構成である。
【００２４】
それゆえ、本発明においては、常温における機械的強度の強化と、高温における耐熱疲労強度の強化とを両立することが可能なはんだ接合構造を実現することができ、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下では、本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図５（ａ）及び（ｂ）に基づいて、説明する。
【００２６】
まず、本発明のはんだ接合構造（以下、本はんだ接合構造と記す）の構成について、図２に基づいて、説明する。図２は、本はんだ接合構造におけるはんだ接合部を模式的に示した説明図であり、図２（ａ）は、常温におけるはんだ接合部の組織状態を示し、図２（ｂ）は、高温放置時におけるはんだ接合部の組織状態を示している。
【００２７】
図２（ａ）に示されるように、本はんだ接合構造は、常温において、スズ（Ｓｎ）１０中に球状のビスマス（Ｂｉ）２０が分散析出したはんだ接合部を備えた構造になっている。そして、はんだ接合部内部では、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）が分散析出されている。また、常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっている。
【００２８】
はんだ接合部内部において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）の直径が、２μｍよりも大きい場合、ビスマス（Ｂｉ）は分散強化に寄与せず、常温において、ビスマス（Ｂｉ）単体（固体）の脆さの影響が大きくなり、電子部品と回路基板との接続信頼性が低下してしまう。このため、はんだ接合部内部で析出したビスマス（Ｂｉ）の直径は、２μｍ以下であり、１μｍよりも小さいことが好ましい。
【００２９】
また、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、上記の直径２μｍ以下の微細なビスマス（Ｂｉ）の存在割合（面積率）は、７０％以上になっている。この面積率は、常温での任意のはんだ接合部断面の反射電子像を観察し、析出したＢｉ全体の面積の総和に対する直径２μｍ以下のＢｉの面積の総和の割合を計算することで求められる。この面積率が７０％よりも小さい場合、繰り返し、もしくは長時間高温環境化にさらされることによって、Ｂｉ組織が粗大化する。そして、この粗大化の影響により、はんだ接合構造に応力がかかると、ＳｎとＢｉ組織との界面ですべりが生じ、はんだクラックが生じやすくなるため、本発明の効果を得ることが困難である。それゆえ、上記面積率は、７０％以上であり、より好ましくは９０％以上である。
【００３０】
本はんだ接合構造は、上記のように、常温でのはんだ接合部の任意の断面において、分散析出したビスマス（Ｂｉ）全体に対する、直径２μｍ以下のビスマス（Ｂｉ）の面積率が７０％以上になっている構造とすることで、常温において機械的強度を強化することができる。そして、一方で、高温においては、はんだ接合部の信頼性を向上させ、耐熱疲労特性に優れた構造を実現している。つまり、本はんだ接合構造は、常温における機械的強度の強化と、高温における耐熱疲労強度の強化とを両立することが可能なはんだ接合構造を実現することができ、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させることが可能になる。
【００３１】
以上のように、本はんだ接合構造は、はんだ接合部内に微細なＢｉを分散させた構造をとることにより、Ｂｉが含まれたはんだ接合構造において、電子部品と回路基板との接続信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、Ｂｉを含むはんだ接合部内に微細にＢｉを分散析出させることにより、はんだ接合部の機械的強度を上昇させることができ、同時に、はんだ接合部内に均一微細にＢｉが分散しているため高温時のＢｉの成長を抑えることができる。
【００３３】
また、本接合構造では、上記はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比が、２１重量％以下になっていることが好ましい。以下、はんだ合金中に含まれるビスマス（Ｂｉ）の重量比について、図１を参照して説明する。図１は、スズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）の状態図である。
【００３４】
図１に示すＳｎ−Ｂｉ状態図を見ると、室温から高温に温度が上昇したとき、Ｓｎに対するＢｉの固溶限界が高くなっていることが分かる。そして、Ｂｉ含有量（重量％）が２１重量％になったとき、Ｂｉの固溶限界が横ばいになっている（温度が上昇してもＢｉの固溶限界が変化しない）。本はんだ接合構造のはんだ合金に対するＢｉの重量比の臨界値は、温度上昇に伴いＢｉの固溶限界が変化する状態と、温度が上昇してもＢｉの固溶限界が変化しない状態との臨界値（以下、固溶限界臨界値とする）になっている。このような構成とすることで、高温時のはんだ材料特性は固体のＢｉでなく、Ｓｎ中にＢｉが固溶した状態の材料特性となっている。このときＢｉが単体としてはんだ内部に存在しているときよりもはんだ全体としての伸びは上昇していると考えられ、はんだにかかる熱応力を緩和することで、接合部信頼性を向上させることができる。
【００３５】
Ｂｉは常温時に２〜３ｗｔ％Ｓｎ中に固溶することが知られている。はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比が、２１重量％以下になっている場合、常温時にはＳｎ中にＢｉが均一に固溶する一方、はんだ接合部内に固溶できなかったＢｉは固体として析出していると考えられる。それが例えば１００℃程度の温度に上昇すると、Ｂｉの固溶限界が上昇して、常温においてはんだ接合部内に固溶できなかったＢｉはＳｎ中に固溶していくと考えられる。高温環境下においては、このはんだ接合部内に析出したＢｉが固溶することで、単体では脆く亀裂の起点となるＢｉ単体の相が消失する。よって、単体では脆いＢｉの特性は改善され、はんだ接合部の寿命が上昇したと考えられる。逆に言えば、はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比が、２１重量％よりも大きくなっている場合、固溶限界臨界値に対応する温度１３８℃以上に温度を上昇しても、はんだ接合部内に固溶せず析出したＢｉが残存することになる。このため、単体では脆く亀裂の起点となるＢｉ単体の相がはんだ接合部内に残ってしまい、高温環境下における耐熱疲労強度が弱くなる。
【００３６】
言い換えると、本接合構造における、はんだ合金に対するビスマス（Ｂｉ）の重量比は、上記Ｂｉの固溶限界臨界値に基づいて設定される。Ｂｉの重量比は、固溶限界臨界値以下の重量比であれば特に限定されないが、より好ましくは、常温と電子回路基板の使用環境温度との間においてＢｉの固溶が発現されやすい１０重量％以下である。なお、具体的には、Ｂｉの重量比が１０重量％であるとき、Ｂｉ固溶が起こり始める温度は約１００℃である。
【００３７】
このようにはんだ合金に対するＢｉ重量比を調整することで、図２（ｂ）に示すように高温環境下において、ビスマス（Ｂｉ）２０がスズ（Ｓｎ）１０中に固溶する反応が起こり、高温時の材料特性を変化させるため、はんだ接合部の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
また、本はんだ接合構造におけるはんだ接合部は、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなる接合部であればよい。すなわち、はんだ合金中に、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）に加え、他の金属材料が含まれていてもよい。例えば、上記はんだ合金には、銅（Ｃｕ）が含まれていてもよい。また、上記はんだ合金には、銀（Ａｇ）が含まれていてもよい。
【００３９】
また、本発明のはんだ接合構造の製造方法は、上記の課題を解決するために、基板と実装部品とを接合するはんだ接合部を備え、上記はんだ接合部が、スズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金からなるはんだ接合構造の製造方法であって、上記はんだ合金を３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却する冷却工程を含むことを特徴としている。
【００４０】
つまり、冷却工程では、はんだ接続時のはんだ溶融温度からはんだを冷却するときの速度を３℃／ｓ以下に設定している。このようにスズ（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ合金を３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却することで、はんだ接合部内に直径２μｍ以下の微細なＢｉを析出させると同時に、実装後にはんだ接合部にかかる応力を緩和することが可能なはんだ接合構造を製造することが可能になる。
【００４１】
はんだ溶融後の冷却速度に関し、はんだ冷却速度を早くすると析出するＢｉは微細になる一方、はんだ冷却速度を遅くすると実装後のはんだ内部にかかる応力は緩和される。よってＢｉ偏析を起こさず、微細な直径２μｍ以下のＢｉをはんだ接合部内に析出させ、かつ冷却後のはんだ接合部にかかる応力を緩和するためには、冷却温度を３℃／ｓ以下、より好ましくは２〜３℃／ｓとする。
【００４２】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４３】
以下、本発明のはんだ接合材の実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【実施例】
【００４４】
〔実施例１〕
本実施例では、はんだ接合部の材料として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ４成分系のはんだ合金からなる、はんだペースト材料を用いた。このはんだペースト材料には、はんだ粒径１０〜３２μｍのはんだ粒子が９０ｗｔ％以上占めており、フラックス含有率は、１０．５〜１２．５ｗｔ％である。はんだペースト材料のはんだ合金の各金属成分の重量比は、Ｓｎが８７．０２重量％、Ａｇが２．６重量％、Ｃｕが０．３８重量％、Ｂｉが１０重量％（Ｓｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉ）となっている。
【００４５】
上記はんだペースト材料をスクリーン印刷にてプリント基板上に塗布し、印刷されたはんだペースト上にチップ抵抗器を手で搭載し、Ｎ２リフローを用いてチップ抵抗器とプリント基板をはんだ接合した。
【００４６】
なお、チップ抵抗器のプリント基板への実装は、はんだ材料Ｓｎ−３Ａｇ‐０．５Ｃｕの推奨リフロー温度プロファイルに基づいて行われた。本実施例では、はんだ接合時における、プリヒート条件は、温度１００〜１９０℃を７５〜１２０秒とし、ピーク周辺条件は２２０℃以上の温度とし、時間を２５〜５０秒とした。そして、ピーク温度は２３０〜２４５℃とし、冷却速度は２〜３℃／ｓとした。
【００４７】
なお、本実施例にて用いたプリント基板は、外形が６０×５０×１．０ｍｍｔであり、プリフラックス処理をしたＣｕ電極を有するＣＥＭ３基板とした。搭載した電子部品は２０１２サイズ及び１６０８サイズの０Ωチップ抵抗器（Ａｇ電極にＮｉ及びＳｎめっき処理）の２種類とした。
【００４８】
〔比較例１〕
実施例１にて用いたＳｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉはんだ合金の代わりに、Ｓｎ‐３７Ｐｂ２成分系のはんだ合金（各金属成分の重量比は、Ｓｎが６３重量％、Ｐｂが３７重量％である）からなるはんだペースト材料を用い、実施例１と同様の方法により、はんだ接合部を形成した。
【００４９】
〔比較例２〕
実施例１にて用いたＳｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉはんだ合金の代わりに、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ３成分系のはんだ合金（各金属成分の重量比は、Ｓｎが９６．５重量％、Ａｇが３重量％、Ｃｕが０．５重量％である）からなるはんだペースト材料を用い、はんだ接合部を形成した。
【００５０】
〔比較例３〕
実施例１にて用いたＳｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉはんだ合金の代わりに、Ｓｎ‐８Ｚｎ‐３Ｂｉ３成分系のはんだ合金（各金属成分の重量比は、Ｓｎが８９重量％、Ｚｎが８重量％、Ｂｉが３重量％である）からなるはんだペースト材料を用い、はんだ接合部を形成した。
【００５１】
〔比較例４〕
実施例１にて用いたＳｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉはんだ合金の代わりに、Ｓｎ‐３Ａｇ‐０．５Ｂｉ‐４Ｉｎ４成分系のはんだ合金（各金属成分の重量比は、Ｓｎが９２．５重量％、Ａｇが３重量％、Ｂｉが０．５重量％、Ｉｎが４重量％である）からなるはんだペースト材料を用い、実施例１と同様の方法により、はんだ接合部を形成した。
【００５２】
実施例１、及び比較例１〜４にて形成されたはんだ接合部について下記の実験を行った。
【００５３】
（１）ＤＳＣ解析
実施例１にて形成されたはんだ接合部における溶融・凝固温度、及び３元共晶の発現有無を確認するために、ＤＳＣにより分析を行った。なお、ＤＳＣ解析時の昇温速度、冷却速度共に１０℃／ｍｉｎとした。
【００５４】
（２）温度サイクル試験
長期間にわたる繰り返し使用による温度の変動がはんだ接合部に与える影響を調べるために温度サイクル試験を行った。ＣＥＭ３基板にスクリーン印刷にてはんだペーストを塗布し、チップ抵抗器を手搭載し、Ｎ２リフローを行ってはんだ接合部を作製した。
【００５５】
なお、実施例１、及び比較例１〜４における各リフローピーク温度は２２５℃（比較例１）、２４５℃（比較例２〜４、及び実施例１）である。
【００５６】
上記方法で作製した各はんだ接合部について、冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製TSA-310L）を用いて温度サイクル試験を行った。１サイクルは−４０〜１２５℃で各々の保持時間を３０分間とし、１００〜５００サイクルごとに試験槽から取り出して１００℃の抵抗値を測定し、初期抵抗値に比べて抵抗値が１０％上昇した時点で不良と判定した。
【００５７】
（３）高温放置試験
Ｂｉの影響による高温環境下での接合部特性の変化を調べるために、比較例２にて形成されたはんだ接合部と実施例１にて形成されたはんだ接合部とにおいて、温度サイクル試験試料と同様、チップ抵抗器を搭載した試料について高温放置試験を行った。放置温度は１２５℃で、最大１０００時間まで放置した。
【００５８】
（４）せん断強度試験
温度サイクル試験、及び高温放置試験を行った試料について、はんだ接合部の強度変化を調査するために、比較例２にて形成されたはんだ接合部と実施例１にて形成されたはんだ接合部とにおいて、ＪＥＩＴＡ規格（ＥＴ−７４０９／１０２）に基づき、せん断強度試験を行った（レスカ社製PTR-100S）。テスト速度１００μｍ／ｓで破断したときの最大荷重を計測した。
【００５９】
（５）組織観察
実装直後の接合状態及び、高温放置や熱サイクルによる接合部の影響を見るため、ＳＥＭ（日本電子データム株式会社製JSM-6360LA）を用いて、比較例２にて形成されたはんだ接合部、及び実施例１にて形成されたはんだ接合部の実装直後、及び信頼性評価試験後の接合部の組織、及びはんだとＣｕ電極の界面に析出する反応層をＥＤＸにて観察した。
【００６０】
以下に、実施例１、及び比較例１〜４にて形成されたはんだ接合部について下記の実験を行った結果を説明する。
【００６１】
（ｉ）ＤＳＣ解析結果
図３に実施例１にて形成されたはんだ接合部のＤＳＣ解析を行った結果を示す。図３に示されるように、固相線温度は１８０℃付近になっており、液相線温度は２００℃付近になっている。また、昇温時に１４０度付近で吸熱反応が起こっている理由は、Ｓｎ−Ｂｉ、またはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉの共晶が溶解しているためである。しかしながら、凝固時には１４０℃付近での発熱反応が見られないことから、リフロー後は共晶が存在しないはんだ接合部となっている。
【００６２】
（ｉｉ）実装直後の接合状態
実装直後の試料について断面観察を行った結果を図４に示す。図４は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の断面の反射電子像を示す画像である。同図に示すように、はんだ接合部では、微細なはんだ組織が形成されている。Ｓｎ１０が大部分を占めており、該Ｓｎ１０内に直径２μｍ以下のＢｉ２０（図３では白く見える）が微細に分散していることが分かる。
【００６３】
なお、ここで、参照符号４０に示す範囲内に、穴のように見える黒い部分が観察されている。この黒い部分は、研磨時にＢｉ２０がＳｎ１０からはがれた後の状態である。また、参照符号３０は、金属間化合物Ｃｕ６Ｓｎ５である。
【００６４】
さらに、比較例２のはんだ接合部と実施例１のはんだ接合部とについて断面観察を行った結果を図５に示す。図５（ａ）は、比較例２にて形成されたはんだ接合部の断面の反射電子像を示す画像であり、図５（ｂ）は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の断面の反射電子像を示す画像である。
【００６５】
同図に示されるように、いずれのはんだ接合部も微細なはんだ組織が形成されており、実施例１のはんだ接合部においては、微細にＢｉが分散析出していることを確認した。また比較例２のはんだ接合部には引け巣が発生していることがわかる。
【００６６】
接合界面の反応層の断面観察結果を図６に示す。図６（ａ）は、比較例２にて形成されたはんだ接合部の接合界面の反応層を示した画像であり、図６（ｂ）は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の接合界面の反応層を示した画像である。同図に示すように、いずれのはんだ接合部の組成においても、界面反応層としてＣｕ６Ｓｎ５が形成されている。
【００６７】
（ｉｉｉ）熱サイクルに対する疲労特性
熱サイクル試験ではＮ数を２０として評価した。各はんだ接合部について抵抗値による故障判断を行い、ワイブル解析にて平均故障時間を算出した結果を図７に示す。図７を見ると、実施例１以外の比較例１〜４の各はんだ接合部はほぼ同程度の平均寿命であるのに対し、実施例１のはんだの平均寿命は、比較例１〜４のはんだ接合部と比較して２倍程度の高寿命となっている。これは従来報告されてきたＢｉ系はんだの持つ低い耐熱疲労強度という性質とは逆の注目すべき結果である。以上より、本発明に係るはんだ接合構造においては、電子部品と回路基板との接続信頼性が高くなっていることが確認された。
【００６８】
次に、図８に比較例２、及び実施例１のはんだ接合部を熱サイクル試験したときの０、２００、５００、１０００、１４００ｃｙｃｌｅでの抵抗上昇率の平均値（Ｎ数≧１０）と、せん断強度試験（Ｎ数≧5）を行ったときのせん断強度の平均値を示す。図８（ａ）は、抵抗上昇率の平均値を示すグラフであり、図８（ｂ）は、せん断強度の平均値を示すグラフである。この結果を見ると、比較例２のはんだ接合部の抵抗値が１０００ｃｙｃｌｅから１５００ｃｙｃｌｅの間に大きく上昇しており、この間にはんだ接合部が破断したサンプルが発生していることが分かる。また、せん断強度が５００ｃｙｃｌｅ程度から低下しており、１０００ｃｙｃｌｅ時点では一般に故障と言われている残存強度５０％以下まで低下している。このことからも、比較例２のはんだ接合部は１０００ｃｙｃｌｅ程度で寿命に達していることが分かる。一方、実施例１のはんだ接合部においては、抵抗上昇率は５％以内であり、せん断強度も若干低下しているが故障までは達していない。これらの結果は、前述した熱サイクル試験結果とも合致する結果であり、実施例１のはんだ接合部が高耐熱疲労強度である可能性が示唆された。なお、せん断試験における破断モードは比較例２のはんだ接合部がはんだ内破壊であり、実施例１のはんだ接合部が接合界面破壊である。
【００６９】
（ｉｖ）高温放置実装部への影響
高温放置試験では０、１００、２００、５００、１０００ｈ経過ごとに断面観察及びせん断強度試験（Ｎ数≧5）を行った。高温放置試験後の抵抗上昇率及び、せん断強度試験結果を図９に示す。図９（ａ）は、高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフであり、図９（ｂ）は、せん断強度試験結果を示すグラフである。これらの結果を見ると、１０００ｈ時点で比較例２のはんだ接合部に関しては、抵抗値が若干上昇しているが、せん断強度を見るとばらつきがあるものの、いずれのはんだも接合強度を維持している。
【００７０】
高温放置後（１０００ｈ）の断面観察結果を図１０に示す。図１０（ａ）は、比較例２のはんだ接合部の断面観察結果を示す画像であり、図１０（ｂ）は、実施例１のはんだ接合部の断面観察結果を示す画像である。同図に示されるように、いずれのはんだ接合部においても、界面反応層、及びはんだ内金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５が成長していることが分かる。また、比較例２のはんだ接合部のフィレット形状が凸凹になっている。
【００７１】
本実施例において、従来脆く低い耐熱疲労強度とされてきたＢｉを含むはんだ材料において信頼性試験を行った結果、抵抗値、及びせん断強度試験の結果から著しく長寿命である結果が得られた。この原因について以下に考察を行う。
【００７２】
これまで部品めっきにはＰｂを含むめっきが多く、Ｂｉを含むはんだの耐熱疲労強度の評価に使用される試料においてもＰｂめっき部品が使用されてきた。今回の試験ではＰｂめっきを含まない部品を使用したため、Ｂｉを含むはんだとの接合界面に融点99.6℃のＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉの３元共晶が形成されず、この影響で強い耐熱疲労強度となっていた可能性がある。
【００７３】
また、今回用いた試験サンプルは１６０８と２０１２サイズのチップ部品であり、これまで使用されてきたＱＦＰ等の試験片とは接合状態が異なる。熱サイクル試験時や、高温放置時にはんだ接合部にかかる応力はＱＦＰに比べてチップ部品のほうが応力の絶対量が小さくなるため、低応力状態ではBi 系はんだが高信頼性を示す可能性が考えられる。
【００７４】
また、Ｂｉを含むはんだにおいて常温時には硬く脆いはんだとなるが、高温時にはその脆さが改善され、伸びが上昇することが報告されており、Ｓｎ−５７Ｂｉ共晶合金においては常温時よりも高温時の機械的疲労試験を行った場合のほうが長寿命になるといった例も報告されている。本研究においても同様の現象が発現され、実施例１のはんだ接合部が高温時に特性が変化し、常温とは異なる特性を持つはんだ材料となったことが考えられる。高温時に実施例１のはんだ接合部の特性が変化したメカニズムをＳｎ−Ｂｉの状態図（図１）に基づいて以下のように考える。
【００７５】
Ｂｉは常温時に２〜３ｗｔ％Ｓｎ中に固溶する。今回使用した実施例１のはんだ接合部はＢｉが１０ｗｔ％含まれており、Ａｇ、Ｃｕの影響から厳密には相違があるが、常温時にはＳｎ中にＢｉが均一に固溶し、はんだ内に固溶できなかったＢｉが析出していると考えられる。それが１００℃程度になるとＢｉの固溶限（固溶限界）が上昇して１０ｗｔ％を超えるため、析出したＢｉはＳｎ中に固溶していくと考えられる。このはんだ内に析出したＢｉが固溶することで単体では脆く亀裂の起点となるＢｉ単体の相が消失する。よって、単体では脆いＢｉの特性は改善され、はんだ接合部の寿命が上昇したと考えられる。
【００７６】
実際に高温時のＢｉ固溶現象を確認するために、実施例１にて形成されたはんだ接合部の常温断面を、１２５℃の高温に３０分放置し、その後２０℃／ｓで急冷して同断面部分のはんだ接合部を観察した。その結果を、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す。図１１（ａ）は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の常温での断面を示した画像であり、図１０（ｂ）は、図１１（ａ）の断面を１２５℃、３０分放置し、２０℃／ｓで急冷した後の断面を示した画像である。Ｓｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉからなるはんだ接合部（実施例１にて形成されたはんだ接合部）を高温で３０分放置することで固溶反応が起こる。そして、その状態で急冷することによって、より高温時の状態に近いはんだ接合部の組織状態を観察することができる。なお、図１１（ａ）及び（ｂ）は反射電子像である。
【００７７】
図１０（ａ）及び（ｂ）において、はんだ接合部の断面中に白く見える部分２０がはんだ接合部中で分散しているＢｉを示している。図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較した結果、はんだ接合部断面において、図１１（ａ）の状態（はんだ接合部の常温断面）では、分散したＢｉが観察されている一方、図１１（ｂ）の状態（高温放置されたはんだ接合部の断面）では、常温において観察されたＢｉ部分が観察されていない箇所がある。また、逆に、図１１（ｂ）の状態において、図１１（ａ）の状態でＢｉが観察されない部分にＢｉが析出している箇所があることが分かる。
【００７８】
この結果から、実施例１にて形成されたはんだ接合部では、常温から高温にすることにより、はんだ接合部内に含まれるＢｉ２０がＳｎ１０中に固溶し、冷却時には別の場所に析出していることが分かる。このように高温時にＢｉ２０がＳｎ１０中に固溶することではんだ接合部の特性を改善させていると考えられる。
【００７９】
また、これまで観察してきた断面観察結果を見ると、析出したＢｉの大きさが微細であることが共通している。このＢｉの大きさが微細であるために、高温時の固溶による影響が発現されやすくなったと考えられる。よって、Ｂｉを含むはんだにおいてＢｉを微細に析出させる実装条件とし、温度を高温にすることでＢｉが固溶するようなはんだ材料とすれば耐熱疲労強度に優れたはんだ構造とできる可能性が示唆された。
【００８０】
このように、はんだ接合部内に微細なＢｉを分散析出させた構造をとることにより、はんだ接合部の耐熱疲労強度を上昇させることができるので、はんだ接合部の高信頼性化が期待できる。
【００８１】
（結論）
近年のＰｂフリー化の動きに伴い、Ｐｂを含まない部品めっきを想定したＢｉ系はんだの使用可能性について検討するため、高温放置試験や熱サイクル試験を行い、長時間使用時の耐熱疲労性について調査した。得られた結果を以下に示す。
【００８２】
１）温度サイクル試験結果及び高温放置試験結果からもＳｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉからなるはんだ接合部が高信頼性である結果が得られ、Ｂｉを多く含むはんだが脆いという知見を覆す結果が示唆された。
【００８３】
２）温度サイクル試験、及び高温放置試験にてＳｎ−２．６Ａｇ−０．３８Ｃｕ−１０Ｂｉからなるはんだ接合部が長寿命になった原因として、部品めっきにＰｂを使用しなかったこと、低応力状態であったこと、高温時にＢｉがＳｎ中に固溶して亀裂の起点を消失させたことが挙げられる。
【００８４】
３）Ｂｉを含むはんだにおいて高信頼性を示すはんだとするにははんだ接合部内に微細にＢｉを析出する実装条件とすることが重要である。ただし、実使用環境化において前述の固溶によるはんだ特性改善現象が起こる範囲であることが必要であり、信頼性試験結果と実使用環境下の対応を関連付けることが重要である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明においては、はんだ接合部内に微細なＢｉを分散析出させることで常温時には機械的強度の強いはんだ合金とし、同時に高温時のはんだ合金の信頼性を向上させて、耐熱疲労特性に優れた高信頼性はんだ接合部とすることが可能である。それゆえ、本発明は、電子部品と基板との実装を必要とする分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】スズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）の状態図である。
【図２】本発明のはんだ接合構造におけるはんだ接合部を模式的に示した説明図であり、（ａ）は、常温におけるはんだ接合部の組織状態を示し、（ｂ）は、高温放置時におけるはんだ接合部の組織状態を示している。
【図３】実施例１にて形成されたはんだ接合部のＤＳＣ解析を行った結果を示すグラフである。
【図４】実施例１にて形成されたはんだ接合部の断面の反射電子像を示す画像である。
【図５】比較例２のはんだ接合部と実施例１のはんだ接合部とについて断面観察を行った結果を示し、（ａ）は、比較例２にて形成されたはんだ接合部の断面の反射電子像を示す画像であり、（ｂ）は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の断面の反射電子像を示す画像である。
【図６】接合界面の反応層の断面観察結果をし、（ａ）は、比較例２にて形成されたはんだ接合部の接合界面の反応層を示した画像であり、（ｂ）は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の接合界面の反応層を示した画像である。
【図７】実施例１、及び比較例１〜４にて形成されたはんだ接合部について、温度サイクル試験比較実験を行った結果を示すグラフである。
【図８】比較例２、及び実施例１のはんだ接合部を熱サイクル試験したときの０、２００、５００、１０００、１４００ｃｙｃｌｅでの抵抗上昇率の平均値（Ｎ数≧１０）と、せん断強度試験（Ｎ数≧5）を行ったときのせん断強度の平均値を示すグラフであり、（ａ）は、抵抗上昇率の平均値を示すグラフであり、（ｂ）は、せん断強度の平均値を示すグラフである。
【図９】比較例２、及び実施例１のはんだ接合部の高温放置試験後の抵抗上昇率及び、せん断強度試験結果を示すグラフであり、（ａ）は、高温放置試験後の抵抗上昇率を示すグラフであり、（ｂ）は、せん断強度試験結果を示すグラフである。
【図１０】高温放置後（１０００ｈ）の断面観察結果を示し、（ａ）は、比較例２のはんだ接合部の断面観察結果を示す画像であり、（ｂ）は、実施例１のはんだ接合部の断面観察結果を示す画像である。
【図１１】実施例１にて形成されたはんだ接合部の高温放置前（常温）と高温放置後の組織状態を比較実験した結果を示す画像であり、（ａ）は、実施例１にて形成されたはんだ接合部の常温での断面を示した画像であり、（ｂ）は、（ａ）の断面を１２５℃、３０分放置し、２０℃／ｓで急冷した後の断面を示した画像である。
【符号の説明】
【００８７】
１０  Ｓｎ
２０  Ｂｉ
３０  Ｃｕ６Ｓｎ５
４０  Ｂｉ剥がれ領域
５０  Ｃｕ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１】
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