(57)【要約】【課題】基板と素子とを接合するはんだ層におけるクラック発生のメカニズムを解明し、その結果に基づいて、疲労寿命が長く信頼性の高いはんだ付け方法および当該はんだ付け方法を用いた素子実装基板を提案する。【解決手段】素子１の外縁部に形成された電極２と、基板３表面に形成されたランド４と、をはんだ層５により接合するはんだ付け方法において、該電極においてランドと対向する部位の厚さを略均一とする、または、該電極においてランドと対向する部位の厚さを素子のエッジ部から離れるに伴い増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子の外縁部に形成された電極と、基板表面に形成されたランドと、をはんだ層により接合するはんだ付け方法において、
該電極においてランドと対向する部位の厚さを素子のエッジ部から離れるに伴い増大させることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
前記はんだ層のうち、素子におけるランドと対向する箇所に形成された電極と、ランドと、の間に形成された部位の厚さを５０ミクロン以上とすることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
【請求項３】
前記はんだ層のうち、素子のエッジ部とランドとで挟まれる部位の厚さを５０ミクロン以上とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のはんだ付け方法。
【請求項４】
素子の外縁部に形成された電極と、基板表面に形成されたランドと、をはんだ層により接合した素子実装基板において、
該電極においてランドと対向する部位の厚さを素子のエッジ部から離れるに伴い増大させることを特徴とする素子実装基板。
【請求項５】
前記はんだ層のうち、素子におけるランドと対向する箇所に形成された電極と、ランドと、の間に形成された部位の厚さを５０ミクロン以上とすることを特徴とする請求項４に記載の素子実装基板。
【請求項６】
前記はんだ層のうち、素子のエッジ部とランドとで挟まれる部位の厚さを５０ミクロン以上とすることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の素子実装基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップやコンデンサ等の素子と基板との間にはんだ層を形成し、素子と基板とを接合するはんだ付け方法および素子実装基板（素子を実装した基板）に関する。より厳密には、素子と基板との間に形成されたはんだ層の疲労寿命を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車のエンジンの制御等に使用される車載用基板等、熱サイクルによる負荷が大きい環境下で使用される基板に素子（半導体チップやコンデンサ等）を接合するはんだ層の疲労寿命（信頼性）を向上させることは、当該基板が長期に渡って誤動作や動作不良等を起こさない高い信頼性を獲得する上で重要である。
はんだ層の疲労寿命を確保するために、一般的にはサンプル基板を用いた冷熱試験が行われる。冷熱試験は、より具体的には、サンプル基板の昇温と冷却とを交互に行ってサンプル基板に所定回数の熱サイクルによる負荷を与え、はんだ層にクラックが発生しているか否か、クラックがはんだ層の表面まで到達（すなわち、はんだ層が破断）しているか否かを確認するものである。
しかし、冷熱試験の結果を得るまでには非常に長い時間（例えば、最低でも約半年）を要するため、冷熱試験により基板のはんだ層の疲労寿命を確認し、基板の信頼性を確保する作業が、新規に基板を開発する際の開発期間（リードタイム）を短縮する上で大きな制約となっていた（図１１参照）。
そこで、素子と基板との間に形成されたはんだ層の疲労寿命を向上させるはんだ付け方法が種々提案されている。例えば、特許文献１または特許文献２に記載の如くである。
特許文献１に記載のはんだ付け方法は、基板に実装される素子である半導体チップの下面（基板と対向する面）の外縁部（エッジ部分）に切り欠きを設けてはんだ付けするものである。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１７７１７８号公報
【特許文献２】特開平７−２７３２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１に記載のはんだ付け方法は、半導体チップの下面のエッジ部分に応力が集中し、はんだ層のクラック発生が促進され、却ってはんだの疲労寿命が短くなる場合がある。これは、実質的には、疲労寿命が長く信頼性の高いはんだ付け方法の条件（基板、電極、素子の材料の組み合わせ、および、はんだ層の最適な形状）が十分に解明されていないことを示している。
すなわち、はんだ層におけるクラック発生のメカニズムが十分に把握されておらず、クラック発生に寄与する因子の寄与の度合いに関する定量的な評価が十分になされていないことが大きな要因である。
【０００５】
本発明は上記の如き問題に鑑み、基板と素子とを接合するはんだ層におけるクラック発生のメカニズムを解明し、その結果に基づいて、疲労寿命が長く信頼性の高いはんだ付け方法および当該はんだ付け方法を用いた素子実装基板を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００７】
即ち、請求項１においては、素子の外縁部に形成された電極と、基板表面に形成されたランドと、をはんだ層により接合するはんだ付け方法において、
該電極においてランドと対向する部位の厚さを略均一とする、または、該電極においてランドと対向する部位の厚さを素子のエッジ部から離れるに伴い増大させるものである。
【０００８】
請求項２においては、前記はんだ層のうち、素子におけるランドと対向する箇所に形成された電極と、ランドと、の間に形成された部位の厚さを５０ミクロン以上とするものである。
【０００９】
請求項３においては、前記はんだ層のうち、素子のエッジ部とランドとで挟まれる部位の厚さを５０ミクロン以上とするものである。
【００１０】
請求項４においては、素子の外縁部に形成された電極と、基板表面に形成されたランドと、をはんだ層により接合する素子実装基板において、
該電極においてランドと対向する部位の厚さを略均一とする、または、該電極においてランドと対向する部位の厚さを素子のエッジ部から離れるに伴い増大させるものである。
【００１１】
請求項５においては、前記はんだ層のうち、素子におけるランドと対向する箇所に形成された電極と、ランドと、の間に形成された部位の厚さを５０ミクロン以上とするものである。
【００１２】
請求項６においては、前記はんだ層のうち、素子のエッジ部とランドとで挟まれる部位の厚さを５０ミクロン以上とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１４】
請求項１においては、はんだ層においてクラック発生の起点となる素子のエッジ部とランドとで挟まれた部位に生じる歪みを小さくし、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命を長くし、素子をはんだ付けにより実装した基板の信頼性を向上させることが可能である。
【００１５】
請求項２においては、はんだ層においてクラック発生の起点となる素子のエッジ部とランドとで挟まれた部位に生じる歪みを小さくし、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命を長くし、素子をはんだ付けにより実装した基板の信頼性を向上させることが可能である。
【００１６】
請求項３においては、はんだ層においてクラック発生の起点となる素子のエッジ部とランドとで挟まれた部位に生じる歪みを小さくし、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命を長くし、素子をはんだ付けにより実装した基板の信頼性を向上させることが可能である。
【００１７】
請求項４においては、はんだ層においてクラック発生の起点となる素子のエッジ部とランドとで挟まれた部位に生じる歪みを小さくし、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命を長くし、素子をはんだ付けにより実装した基板（素子実装基板）の信頼性を向上させることが可能である。
【００１８】
請求項５においては、はんだ層においてクラック発生の起点となる素子のエッジ部とランドとで挟まれた部位に生じる歪みを小さくし、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命を長くし、素子をはんだ付けにより実装した基板（素子実装基板）の信頼性を向上させることが可能である。
【００１９】
請求項６においては、はんだ層においてクラック発生の起点となる素子のエッジ部とランドとで挟まれた部位に生じる歪みを小さくし、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命を長くし、素子をはんだ付けにより実装した基板（素子実装基板）の信頼性を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下では図１および図２を用いて、本発明のはんだ付け方法と従来のはんだ付け方法とを比較説明する。なお、本発明のはんだ付け方法は自動車用の車載基板等に限らず、素子を基板にはんだ付けにより接合する場合に広く適用可能である。
【００２１】
図１は本発明のはんだ付け方法を示す側面断面模式図である。
素子１は、はんだ付けにより基板３に実装されるものである。素子１の具体例としては、半導体チップやコンデンサ等が挙げられる。
電極２は素子１の表面（本実施例の場合、素子１の外縁部）に形成され、はんだ層５と素子１との接合部を成すものであり、はんだ層５と素子１とを電気的に導通させている。
電極２は素子１の外縁部を錫、はんだ、あるいは鉛フリーはんだ等のメッキ浴に浸漬することにより形成される。
基板３はガラスエポキシ樹脂等からなる板状の部材であり、その表面には銅箔等からなるランド４が形成される。
はんだ層（はんだフィレット）５は、素子１の表面（本実施例の場合、素子１の外縁部）に形成された電極２と、ランド４とを接合し、通電可能とするものである。はんだ層５は、鉛−錫合金、錫−銅合金、錫−銀合金等のはんだ、または、錫−銀−銅合金等の鉛フリーはんだからなる。
本実施例の場合、はんだ層５は、素子１の外縁部に形成された電極２のうち、素子１の側面１ａに形成された側面部２ａ、および素子１の下面１ｂに形成された下面部２ｂと、ランド４の上面４ａとを接合する。
【００２２】
図２は従来のはんだ付け方法を示す側面断面模式図である。
素子１０１は、はんだ付けにより基板１０３に実装されるものである。素子１０１の具体例としては、半導体チップやコンデンサ等が挙げられる。
電極１０２は素子１０１の表面（本実施例の場合、素子１０１の外縁部）に形成され、はんだ層１０５と素子１０１との接合部を成すものであり、はんだ層１０５と素子１０１とを電気的に導通させている。
電極１０２は素子１０１の外縁部を錫、はんだあるいは鉛フリーはんだ等のメッキ浴に浸漬することにより形成される。
基板１０３はガラスエポキシ樹脂等からなる板状の部材であり、その表面には銅箔等からなるランド１０４が形成される。
はんだ層（はんだフィレット）１０５は、素子１０１の表面（本実施例の場合、素子１の外縁部）に形成された電極１０２と、ランド１０４とを接合し、通電可能とするものである。はんだ層１０５は、鉛−錫合金や錫−銅合金、錫−銀合金等のはんだ、または、錫−銀−銅合金等の鉛フリーはんだからなる。
本実施例の場合、はんだ層１０５は、素子１０１の外縁部に形成された電極１０２のうち、素子１０１の側面１０１ａに形成された側面部１０２ａ、および素子１０１の下面１０１ｂに形成された下面部１０２ｂと、ランド４の上面１０４ａとを接合する。
【００２３】
以上の如く、図１に示す本発明のはんだ付け方法と、図２に示す従来のはんだ付け方法とは、素子の表面（外縁部）に形成された電極と、基板表面に形成されたランドとの間をはんだ層により接合する点では共通している。
【００２４】
本発明のはんだ付け方法が従来のはんだ付け方法と異なる点は、素子の表面（外縁部）に形成された電極の形状である。
すなわち、図１に示す本発明のはんだ付け方法においては、電極２の下面部２ｂの側面視形状がエッジ部１ｃから離れるに従って厚みを増すテーパ形状である。言い換えれば、素子１におけるランド４と対向する箇所に形成された電極（下面部２ｂ）の厚さが、素子１の側面１ａと下面１ｂとの境界であるエッジ部１ｃから離れるに伴い（素子１の中央側へ行くに伴って）増大している。
これに対して、図２に示す従来のはんだ付け方法においては、電極１０２の下面部１０２ｂの側面視形状がエッジ部１ｃ近傍で下方に垂れ下がった形状である。言い換えれば、素子１０１におけるランド１０４と対向する箇所に形成された電極（下面部１０２ｂ）の厚さが、素子１０１の側面１０１ａと下面１０１ｂとの境界であるエッジ部１０１ｃの近傍で最大となっている。
【００２５】
従来のはんだ付け方法における電極１０２の形状は、電極１０２の形成方法と密接な関係がある。すなわち、素子１０１の外縁部を下方に向けた姿勢でメッキ浴に浸漬し、その姿勢を保持しつつメッキ浴から引き上げた場合、素子１０１の外縁部に付着した溶融状態のメッキ金属のうち、余剰のメッキ金属はエッジ部１０１ｃの近傍に垂れ下がり、その形状のまま凝固する。その結果、エッジ部１０１ｃ近傍の電極１０２が厚くなるのである。
従って、素子の表面（外縁部）に形成される電極の形状を図１に示す本発明のはんだ付け方法の電極２の如き形状とするためには、素子１の外縁部をメッキ浴に浸漬し、メッキ浴から引き上げたときに素子１の姿勢を変化させ、素子１の外縁部を上方に向ける、あるいは素子１の外縁部をメッキ浴から引き上げた後メッキ金属が凝固する前にエアを吹き付ける等の方法で余剰の溶融メッキ金属を除去する、あるいはメッキ金属が凝固した後メッキ金属が垂れて厚くなっている部分を研磨等で除去する、といった方法が考えられる。
【００２６】
以上の如く電極２を構成することにより、従来のはんだ付け方法と比較して、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層５の疲労寿命が長くなり、素子１をはんだ付けにより実装した基板３の信頼性が向上する。
【００２７】
以下では、図３から図１０を用いて、基板と素子とを接合するはんだ層におけるクラック発生のメカニズムを解明し、その結果に基づいて、電極２と電極１０２との形状の差異が、熱サイクルによる負荷を受けた場合のはんだ層の疲労寿命（換言すれば素子をはんだ付けにより実装した基板の信頼性）に及ぼす影響を明らかにし、本発明の電極２の形状が疲労寿命を長くし、信頼性を向上させる理由を説明する。
【００２８】
まず、図３および図４を用いて、熱サイクルによる負荷により、はんだ層のうち、素子におけるランドと対向する箇所に形成された電極と、ランドと、の間に形成された部位、に生じる非線形歪み振幅Δεｉｎについて説明する。
非線形歪み振幅Δεｉｎは、素子が実装された基板に熱サイクルによる負荷を与えた場合において、高温域での歪みεｈと、低温域での歪みεｌと、の差として表される（Δεｉｎ＝εｈ−εｌ）。
そして、熱サイクルの回数N（疲労寿命）と、非線形歪み振幅Δεｉｎと、の間には、経験的に以下の（式１）で示すＭａｎｓｏｎ−Ｃｏｆｆｉｎ則が成立することが知られている。
N＝ｋ×（Δεｉｎ）＾ｎ      （式１）
ここで、ｋおよびｎは熱サイクルの条件、材料およびその形状に固有の定数（実験等により求められる）であり、一般的にはΔεｉｎが大きいほど疲労寿命が長くなる（すなわち、ｋ＞０、かつ、ｎ＜０が成立する）。
【００２９】
図３（ａ）は本発明のはんだ付け方法により素子が実装された基板の側面模式図であり、図３（ｂ）は従来のはんだ付け方法により素子が実装された基板の側面模式図である。
図３（ａ）に示す如く、素子１におけるランド４と対向する箇所に形成された電極（下面部２ｂ）と、ランド４と、の間に形成されたはんだ層５において、基板３の長手方向に等間隔に計六箇所の地点Ｐ１１〜Ｐ６１（黒丸で示す）を設定し、各地点の熱サイクルによる負荷を受けた場合の非線形歪み振幅Δεｉｎを算出し、その結果を図４にプロットした。
また、図３（ｂ）に示す如く、素子１０１におけるランド１０４と対向する箇所に形成された電極（下面部１０２ｂ）と、ランド１０４と、の間に形成されたはんだ層１０５において、基板３の長手方向に等間隔に計六箇所の地点Ｐ１２〜Ｐ６２（黒丸で示す）を設定し、各地点の熱サイクルによる負荷を受けた場合の非線形歪み振幅Δεｉｎを算出し、その結果を図４にプロットした。
なお、図３（ａ）における高さＨ１（素子１の下面１ｂと基板３の上面との距離）と図３（ｂ）における高さＨ２（素子１０１の下面１０１ｂと基板１０３の上面との距離）とは略同じであり、図３（ａ）における距離Ｌ１（Ｐ１１とＰ６１との距離）と図３（ｂ）における距離Ｌ２（Ｐ１２とＰ６２との距離）とは略同じである。また、電極２の下面部２ｂにおいて基板３と略平行な部位と、電極１０２の下面部１０２ｂにおいて基板１０３と略平行な部位とは略同じ高さであり、ランド４の上面とランド１０４の上面とは略同じ高さである。
【００３０】
図４に示す如く、本発明のはんだ付け方法の場合にはエッジ部１ｃから離れた地点（Ｐ１１）からエッジ部１ｃの下方に対応する地点（Ｐ５１）に近づくにつれて非線形歪み振幅Δεｉｎが小さくなる傾向を示すのに対して、従来のはんだ付け方法の場合にはエッジ部１０１ｃの下方に（近傍）となる地点（Ｐ３２、Ｐ４２およびＰ５２）の非線形歪み振幅Δεｉｎが大きくなる傾向を示す。
すなわち、はんだ層のうち、電極（より厳密には、電極の下面部）とランドとの間に形成された部位、に生じる非線形歪み振幅Δεｉｎは、当該部位のはんだ層の厚さと密接な相関があり、当該部位のはんだ層が厚くなるほど非線形歪み振幅Δεｉｎが小さくなり、疲労寿命が長くなることが分かる。
【００３１】
次に、図５、図６、図７および図８を用いて、熱サイクルによる負荷を与えた場合に、はんだ層のうち電極の側面部と対向する部位（以下「側方部」と呼ぶこととする）に生じる非弾性歪みと、当該部位の側面視形状との関係について説明する。
図５（ａ）は側方部の側面視形状を薄くしたはんだ層５ａ、図５（ｂ）は側方部の側面視形状をインボリュート曲線に近い形状としたはんだ層５ｂ、図５（ｃ）は側方部の側面視形状を厚くしたはんだ層５ｃ、をそれぞれ示す模式図である。従来は図５（ｂ）の形状が疲労寿命を長くする観点から見て望ましく、図５（ａ）および図５（ｃ）は疲労寿命の観点から見て望ましくないと一般的には考えられていた。
これら形状の異なるはんだ層５ａ・５ｂ・５ｃを用いて、熱サイクルによる負荷を与えた場合に、クラックが発生する位置、および、疲労寿命（クラックがはんだ層の一方の表面から他方の表面まで到達し、基板と素子との間で電気的に導通不能となる）についてシミュレーションによる解析を行った。
【００３２】
なお、基板の物理的特性による影響を考慮し、基板の材料としてガラスエポキシ樹脂を使用した場合と、紙フェノールを使用した場合の両方について解析した。
また、シミュレーションによる解析の簡略化および電極形状の影響を考慮し、素子の表面（外縁部）に形成される電極を省略し、素子に直接はんだ層を接合したモデルにて解析を行った。
【００３３】
その結果、図６（ａ）に示す側方部の側面視形状を薄くしたはんだ層５ａ、および図７（ａ）に示す側方部の側面視形状を厚くしたはんだ層５ｃのいずれも、熱サイクルにおいて高温域から低温域に移行した場合に、はんだ層の側方部の非弾性歪み領域６ａ（図６（ａ）中の斜線部）または非弾性歪み領域６ｃ（図７（ａ）中の斜線部）が収縮し、素子１の外縁部を基板３側に押しつける方向に曲げる力Ｆ１１（または力Ｆ１２）が発生するとともに、素子１から突出している側の基板３を上方に曲げる力Ｆ２１（または力Ｆ２２）が発生する（低温域から高温域に移行した場合には逆方向の力が発生する）。その結果、素子１のエッジ部１ｃの下方となる部位（素子１のエッジ部１ｃとランド４とで挟まれる部位）に応力が集中し、該部位の歪みが大きくなってクラック発生の起点となることが判明した。
【００３４】
また、図６（ａ）および図７（ａ）に示す如く、非弾性歪み領域６ｃは非弾性歪み領域６ａよりも体積が大きいので、素子１の外縁部を基板３側に曲げる力Ｆ１２は力Ｆ１１よりも大きくなり、基板３を上方に曲げる力Ｆ２２は力Ｆ２１よりも大きくなる。従って、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す如く、側方部の側面視形状を厚くしたはんだ層５ｃは、側方部の側面視形状を薄くしたはんだ層５ａよりも、基板３に大きな歪みが発生し、素子１のエッジ部１ｃの下方となる位置（図６（ａ）および図７（ａ）中の黒く塗りつぶした部分）に生じる応力が大きくなり、クラックの発生が早いことが判明した。
ただし、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すはんだ層５ｃの場合、クラックの発生は早いが、はんだ層５ｃの体積が大きいためにクラックの起点からはんだ層の表面までの距離が相対的に長く、クラックが進展してはんだ層５ｃの表面まで到達するまでには時間（熱サイクルの回数）を要する。従って、図８に示す如く、はんだ層の側面視形状をはんだ層５ａ、はんだ層５ｂ、はんだ層５ｃの如く変化させても最終的な疲労寿命に大きな差異がないことが判明した。
また、基板３の材料を紙フェノールに変更しても、はんだ層の形状と疲労寿命との相関関係の傾向は、基板３の材料をガラスエポキシ樹脂とした場合と略同じであった。
【００３５】
続いて、図９および図１０を用いてはんだ層にクラックを発生させる主因子の特定方法について説明する。
前述のシミュレーションによる解析により、はんだ層のクラック発生箇所は素子のエッジ部の下方となる位置（素子のエッジ部とランドとで挟まれる部位）と考えられるが、はんだ層のクラック発生に寄与する因子は多数存在するため、これらの寄与の度合いを定量化し、主因子を特定する必要がある。
【００３６】
図９に示す如く、クラック発生の主要因はクラック発生箇所に大きな歪みが生じることである。当該歪みははんだ付け作業時にはんだ層内部に蓄積された熱応力（内部応力）により引き起こされる。熱応力の大きさを決める因子としては大きく分けて物性による因子（物性因子）と形状による因子（形状因子）の二つが考えられる。
【００３７】
物性因子は素子、基板、はんだ層等の材料に固有の物性値に係る因子であり、大きく分けて硬さと線膨張係数差とが挙げられる。硬さの因子としては、はんだや部品（素子）、基板のヤング率が挙げられる。線膨張係数差の因子としては、はんだや部品（素子）、基板の線膨張係数が挙げられる。
【００３８】
形状因子は、はんだ層の形状に係る因子であり、部品（素子）下のはんだ層の高さ（厚さ）、部品（素子）下のはんだ層の長さ、ランド突き出し長さ（上記はんだ層側方部の形状を制御する因子）、印刷用治具厚（はんだ量を制御する因子）が挙げられる。
【００３９】
上記因子のうち、物性因子（はんだヤング率、部品ヤング率、基板ヤング率、はんだ線膨張係数、部品線膨張係数、基板線膨張係数）と、部品下のはんだ層の高さおよび長さは、「ばらつき因子」に分類されるものである。ここで、ばらつき因子とは、材料の選定が行われた時点で固定されるもの、または、従来のはんだ付け作業において特に制御を行っていない因子を指す。
一方、ランド突き出し長さおよび印刷用治具厚は、「制御因子」に分類されるものである。ここで、制御因子とは、従来のはんだ付け作業において制御を行っている因子を指す。
【００４０】
前記図５から図８に示すシミュレーションの解析データに、上記因子群の製造工程における公差を盛り込んで歪み量の計算を行った（各因子のデータを公差の範囲で変化させ、クラック発生箇所の歪み量の大きさに与える影響を調べた）。
その結果、クラック発生箇所（素子のエッジ部の下方）の歪み量に及ぼす影響が大きい順に並べると、基板線膨張係数、部品線膨張係数、部品下はんだ高さ、はんだ線膨張係数、ランド突き出し長さ、基板ヤング率、部品下はんだ長さ、部品ヤング率、はんだヤング率、印刷用治具厚、となることが判明した。
そして、図１０に示す如く、上記クラック発生箇所（素子の下方）の歪み量に及ぼす影響が大きい５つの因子のうち、上位の３つの因子（基板線膨張係数、部品線膨張係数、部品下はんだ高さ）は、（ｉ）素子をはんだ付けにより実装した基板に熱サイクルによる負荷を与えたときに素子の下面とランドとの間に位置するはんだ層に作用する剪断歪み、と密接な関係を有し、他の二つの因子（はんだ線膨張係数、ランド突き出し長さ）は、（ｉｉ）素子をはんだ付けにより実装した基板に熱サイクルによる負荷を与えたときにはんだ層の側方部に作用する収縮歪み、と密接な関係を有し、（ｉ）と（ｉｉ）の二つのメカニズムがちょうど重なって作用する部位である素子のエッジ部の下方においてクラックが発生するという解析結果と傾向が合うことが判明した。
【００４１】
以上の如く、はんだ層にクラックが発生するメカニズムを検討した結果、以下の如き知見が得られた。
（１）熱サイクルによりはんだ層に作用する二つのメカニズムが重なる部位である素子のエッジ部の下方においてクラックが発生する。
（２）基板や部品等の材質に固有の物性値に係る因子を除くと、クラックの発生に最も大きく寄与する因子は「部品下はんだ高さ」（素子の下面とランドとの間に位置するはんだ層の厚さ）である。
【００４２】
上記解析結果を踏まえると、図２に示す従来のはんだ付け方法は、電極１０２の下面部１０２ｂのうち、素子１０１のエッジ部１０１ｃの近傍となる部位が下方に垂れ下がった形状となっている。これは、はんだ層１０５におけるエッジ部１０１ｃの下方の部位を薄くし、当該部位におけるクラック発生を促進する要因となることが分かる。
一方、図１に示す本発明のはんだ付け方法は、電極２の下面部２ｂのうち、素子１のエッジ部１ｃの近傍となる部位は下方に垂れ下がっていない。従って、従来のはんだ付け方法と比較してエッジ部１ｃの下方となる位置におけるクラックの発生が抑制され、疲労寿命を長くして信頼性を向上させることが可能であることが分かる。
なお、はんだ層のうち、素子におけるランドと対向する箇所に形成された電極（電極の下面部）と、ランドと、の間に形成された部位の厚さは、十分な疲労寿命を得るためには５０ミクロン以上とすることが望ましいことが実験により判明した。ただし、当該部位の厚さの上限については、はんだ層を厚くするほど電気抵抗が増大してはんだ層自体の発熱量が大きくなるとともに、基板との温度差が大きくなって熱歪みを発生させる原因となることから、十分な疲労寿命を得られる範囲内で極力薄くすることが望ましい。
また、図１に示す本発明のはんだ付け方法の場合、電極２の下面部２ｂの厚さが素子１のエッジ部１ｃから離れるに伴い増大するような形状としていたが、これに限定されず、電極２においてランド４と対向する部位の厚さを略均一としても同様の効果を奏する。
【００４３】
また、図１１に示す如く、従来は新規の基板開発に冷熱試験を含めて最低でも半年の期間を要し、かつ疲労寿命のばらつきを求めるためには多数のテストピースを必要としていたが、上記解析結果から素子をはんだ付けにより実装した基板の疲労寿命を設計の時点で精度良く予測し、開発時間（リードタイム）を大幅に短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のはんだ付け方法を示す側面断面模式図。
【図２】従来のはんだ付け方法を示す側面断面模式図。
【図３】本発明のはんだ付け方法および従来のはんだ付け方法により基板に実装された素子を示す側面模式図。
【図４】はんだ層の各部位に生じる非線形歪み振幅を示す図。
【図５】はんだ層の側面視形状を示す模式図。
【図６】側方部が薄い形状のはんだ層の非線形歪み領域、クラック発生箇所、および素子および基板にかかる力の向きを示す模式図。
【図７】側方部が厚い形状のはんだ層の非線形歪み領域、クラック発生箇所、および素子および基板にかかる力の向きを示す模式図。
【図８】はんだ層の側方部の形状と疲労寿命との関係を示す図。
【図９】はんだ層のクラック発生の因子の連関図。
【図１０】はんだ層に生じる歪みのメカニズムを示す模式図。
【図１１】新規基板開発のフロー図。
【符号の説明】
【００４５】
１    素子
１ｃ  エッジ部
２    電極
３    基板
４    ランド
５    はんだ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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