JP2012076098A - Electronic circuit module part and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだ、このＰｂフリーはんだを用いて製造される電子回路モジュール部品及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a Pb-free solder containing no Pb, an electronic circuit module component manufactured using the Pb-free solder, and a manufacturing method thereof.
電子回路モジュール部品は、複数の電子部品をはんだによって基板に実装して、ひとまとまりの機能を持った電子部品としたものである。このような電子部品を電子機器の基板に実装する場合、電子回路モジュール部品の端子電極と電子機器の基板の端子電極とをはんだで接合する。従来は、電子部品及び電子回路モジュール部品の接合にＳｎＰｂ系材料のはんだが使用されてきたが、環境問題を背景としてＰｂフリー化が進み、自動車関連や特殊な場合を除いてＰｂフリーはんだが使用されている。 The electronic circuit module component is a component in which a plurality of electronic components are mounted on a substrate with solder to have a single function. When such an electronic component is mounted on a substrate of an electronic device, the terminal electrode of the electronic circuit module component and the terminal electrode of the substrate of the electronic device are joined with solder. Conventionally, SnPb-based material solder has been used to join electronic components and electronic circuit module components. However, Pb-free solder has been used against the background of environmental issues, and Pb-free solder is used except for automobile-related and special cases. Has been.
はんだを用いて電子回路モジュール部品を基板に実装する際に、はんだを溶融させるためにリフローが必要になる。このリフローの際に、電子回路モジュール部品内の電子部品と基板とを接合しているはんだが溶融して飛散したり、はんだが移動したりすることがある。これを回避するため、電子回路モジュール部品を基板に実装する際のリフロー温度で溶融しないはんだを用いて電子回路モジュール部品内の電子部品と基板とを接合する必要がある。例えば、特許文献１には、Ａｇを１０〜２５質量％、Ｃｕを５〜１０質量％、残部はＳｎ及び不可避的不純物からなるはんだ材料が記載されている。 When an electronic circuit module component is mounted on a substrate using solder, reflow is required to melt the solder. During this reflow, the solder joining the electronic component in the electronic circuit module component and the substrate may melt and scatter or the solder may move. In order to avoid this, it is necessary to join the electronic component in the electronic circuit module component and the substrate using solder that does not melt at the reflow temperature when the electronic circuit module component is mounted on the substrate. For example, Patent Document 1 describes a solder material composed of 10 to 25% by mass of Ag, 5 to 10% by mass of Cu, and the balance being Sn and inevitable impurities.
特許文献１のはんだは、強度及び耐熱性に優れるため、当該はんだを用いることにより端子電極同士の接合強度が向上するとともに、接合の耐熱性も向上する。しかし、近年の電子回路モジュール部品は、電子部品の端子電極と基板の端子電極との接合に、さらなる耐熱性が求められている。本発明は、電子回路モジュール部品が有する電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合する接合金属の耐熱性を向上させることを目的とする。 Since the solder of patent document 1 is excellent in intensity | strength and heat resistance, while using the said solder, while the joint strength of terminal electrodes improves, the heat resistance of joining also improves. However, in recent electronic circuit module components, further heat resistance is required for joining the terminal electrodes of the electronic components and the terminal electrodes of the substrate. An object of this invention is to improve the heat resistance of the joining metal which joins the terminal electrode of the electronic component which the electronic circuit module component has, and the terminal electrode of a circuit board.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らはＰｂフリーはんだについて鋭意研究を重ねた結果、Ｓｎを主成分とする第１金属材料と、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属材料とを組み合わせてＰｂフリーはんだとすることにより、端子電極同士の接合強度及び耐熱性が向上することを見出した。そして、前記Ｐｂフリーはんだが最初に溶融した後、硬化して得られた金属を、所定の温度で所定の時間保持することで、前記金属中におけるＮｉ−Ｓｎ相が増加するとともにＳｎ相が減少して、耐熱性及び接合強度が向上することを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present inventors have conducted extensive research on Pb-free solder. As a result, the first metal material containing Sn as the main component and the Ni—Fe alloy as the main component. It has been found that the joint strength and heat resistance between the terminal electrodes are improved by combining the second metal material to be Pb-free solder. Then, after the Pb-free solder is first melted, the metal obtained by curing is held at a predetermined temperature for a predetermined time, whereby the Ni-Sn phase in the metal increases and the Sn phase decreases. And it discovered that heat resistance and joining strength improved. The present invention has been completed based on such findings.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電子部品と、当該電子部品が搭載される回路基板と、前記電子部品の端子電極と前記回路基板の端子電極との間に介在し、かつＮｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相とＳｎを主成分とするＳｎ相とが分散している接合金属と、を含むことを特徴とする電子回路モジュール部品である。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides an electronic component, a circuit board on which the electronic component is mounted, a terminal electrode of the electronic component, and a terminal electrode of the circuit board. A joining metal in which a Ni—Fe alloy phase mainly composed of a Ni—Fe alloy and a Sn phase mainly composed of Sn are dispersed in a main phase mainly composed of a Ni—Sn alloy; It is an electronic circuit module component characterized by including.
電子回路モジュール部品は、電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相とＳｎを主成分とするＳｎ相とが分散した組織を有する接合金属で接合する。このようなＮｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相を有する組織により、接合金属の耐熱性が向上する。その結果、再度のリフローによって接合金属が加熱されても、電子回路モジュール部品内の接合金属の溶融が抑制される。 The electronic circuit module component is composed of a terminal electrode of an electronic component and a terminal electrode of a circuit board having a main phase mainly composed of a Ni—Sn alloy and a Ni—Fe alloy phase mainly composed of a Ni—Fe alloy and Sn. Bonding is performed with a bonding metal having a structure in which the Sn phase as a main component is dispersed. With such a structure having a main phase mainly composed of a Ni—Sn alloy, the heat resistance of the bonding metal is improved. As a result, even if the joining metal is heated by reflowing again, melting of the joining metal in the electronic circuit module component is suppressed.
本発明の望ましい態様として、前記接合金属の全体積に対して、前記主相は、５０体積％以上９０体積％以下であることが好ましい。主相の割合がこのような範囲であれば、接合金属の耐熱性が十分に向上する。 As a desirable mode of the present invention, it is preferred that the main phase is 50 volume% or more and 90 volume% or less with respect to the total volume of the bonding metal. If the ratio of the main phase is within such a range, the heat resistance of the bonding metal is sufficiently improved.
前記主相の代表寸法は１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。主相の代表寸法がこの範囲であれば、主相が緻密になるので、接合金属の耐熱性はより向上する。 The representative dimension of the main phase is preferably 1 μm or more and 3 μm or less. If the representative dimension of the main phase is within this range, the main phase becomes dense, so that the heat resistance of the bonding metal is further improved.
前記接合金属の全体積に対して、前記Ｓｎ相は、４０体積％以下であることが好ましい。Ｓｎ相の割合がこのような範囲であれば、接合金属の耐熱性は十分に向上する。 The Sn phase is preferably 40% by volume or less with respect to the total volume of the bonding metal. If the ratio of the Sn phase is in such a range, the heat resistance of the bonding metal is sufficiently improved.
前記Ｓｎ相の代表寸法は１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。Ｓｎ相の代表寸法このような範囲であれば、接合金属の耐熱性を十分に確保できる。 The representative dimension of the Sn phase is preferably 1 μm or more and 5 μm or less. Typical dimensions of the Sn phase Within such a range, the heat resistance of the bonding metal can be sufficiently secured.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、Ｓｎを含む第１金属粒子及びＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだを、電子部品の端子電極と前記電子部品が搭載される回路基板の端子電極との間に設ける手順と、前記Ｐｂフリーはんだを溶融させる手順と、前記Ｐｂフリーはんだが硬化した状態で、少なくとも当該Ｐｂフリーはんだを所定の温度で所定の時間保持する手順と、を含むことを特徴とする電子回路モジュール部品の製造方法である。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention relates to a Pb-free solder including a first metal particle containing Sn and a second metal particle mainly composed of a Ni—Fe alloy. A step of providing between an electrode and a terminal electrode of a circuit board on which the electronic component is mounted; a step of melting the Pb-free solder; and a state in which the Pb-free solder is cured, And a procedure for maintaining the temperature for a predetermined time. An electronic circuit module component manufacturing method comprising:
このように、Ｓｎを含む第１金属粒子及びＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだで電子部品の端子電極と回路基板の端子電極と接合する。そして、前記Ｐｂフリーはんだが溶融した後硬化して得られた接合金属を所定温度で所定時間保持する熱処理を施すことで、Ｎｉ−Ｓｎ相を増加させ、かつＳｎ相を減少させる。このようにして、電子部品の端子電極と回路基板の端子電極との間に介在する接合金属の組織を、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相とＳｎを主成分とするＳｎ相とが分散した組織とする。その結果、接合金属の耐熱性が向上するので、再度のリフローによって接合金属が加熱されても、電子回路モジュール部品内の接合金属の溶融が抑制される。 As described above, the terminal electrode of the electronic component and the terminal electrode of the circuit board are joined with the Pb-free solder including the first metal particle containing Sn and the second metal particle mainly composed of the Ni—Fe alloy. Then, the Ni—Sn phase is increased and the Sn phase is decreased by performing a heat treatment for holding the bonding metal obtained by melting after the Pb-free solder is melted and holding at a predetermined temperature for a predetermined time. In this way, the structure of the bonding metal interposed between the terminal electrode of the electronic component and the terminal electrode of the circuit board is composed of the Ni—Sn alloy as the main component and the Ni—Fe alloy as the main component. A structure in which the Ni—Fe alloy phase and the Sn phase containing Sn as a main component are dispersed. As a result, since the heat resistance of the joining metal is improved, even if the joining metal is heated by reflowing again, melting of the joining metal in the electronic circuit module component is suppressed.
本発明の望ましい態様として、前記Ｐｂフリーはんだを所定の温度で所定の時間保持する手順においては、前記Ｐｂフリーはんだの融点以上、かつ当該融点に２０℃を加算した温度以下で、１０分以上３０分以下保持することが好ましい。このようにすることで、接合金属中のＳｎ相を低減させるとともにＮｉ−Ｓｎ相を増加させて、接合金属の耐熱性を向上させることができる。 As a desirable aspect of the present invention, in the procedure of holding the Pb-free solder at a predetermined temperature for a predetermined time, the melting point of the Pb-free solder is not lower than the melting point of the Pb-free solder and not higher than the temperature obtained by adding 20 ° C. to 10 minutes or longer 30 It is preferable to keep the minute or less. By doing in this way, while reducing the Sn phase in a joining metal and increasing a Ni-Sn phase, the heat resistance of a joining metal can be improved.
本発明は、電子回路モジュール部品が有する電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合する接合金属の耐熱性を向上させることができる。 The present invention can improve the heat resistance of a bonding metal that bonds a terminal electrode of an electronic component and a terminal electrode of a circuit board included in the electronic circuit module component.
以下、本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。また、下記の実施形態で開示された構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, modes (embodiments) for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments do not limit the present invention. In addition, constituent elements disclosed in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in a so-called equivalent range. Furthermore, the components of the following embodiments can be combined as appropriate.
図１−１は、電子回路モジュール部品の断面図である。図１−２は、電子部品と基板との接続部を示す拡大図である。図２は、電子回路モジュール部品を電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。図１−１に示すように、電子回路モジュール部品１は、複数の電子部品２を回路基板３に実装して、ひとまとまりの機能を持つ電子部品としたものである。電子部品２は、回路基板３の表面に実装されていてもよいし、回路基板３の内部に実装されていてもよい。本実施形態において、電子回路モジュール部品１が有する電子部品２としては、例えば、コイルやコンデンサ、あるいは抵抗等の受動素子があるが、ダイオードやトランジスタ等の能動素子やＩＣ（Integral Circuit）等も電子部品２として回路基板３の表面や回路基板３の内部に実装されてもよい。また、電子部品２は、これらに限定されるものではない。
FIG. 1-1 is a cross-sectional view of an electronic circuit module component. FIG. 1-2 is an enlarged view showing a connection portion between the electronic component and the substrate. FIG. 2 is a side view showing a state in which the electronic circuit module component is attached to a substrate such as an electronic device. As shown in FIG. 1A, the electronic circuit module component 1 is an electronic component having a group of functions by mounting a plurality of
図１−１に示すように、電子回路モジュール部品１は、電子部品２が実装される回路基板３と、電子部品２を覆う絶縁樹脂４と、絶縁樹脂４の表面を被覆するシールド層５と、を含む。なお、電子回路モジュール部品１は、シールド層５を有していなくてもよい。図１−２に示すように、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとは、接合金属１０によって接合される。接合金属１０は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだが溶融した後、硬化した金属である。このような構造により、電子部品２が回路基板３に実装される。このように、接合金属１０は、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔという二部材を接合するものである。
As illustrated in FIG. 1A, the electronic circuit module component 1 includes a
図１−１に示すように、電子回路モジュール部品１は、回路基板３の表面に実装された電子部品２が絶縁樹脂４で覆われる。電子回路モジュール部品１は、電子部品２が実装される側の回路基板３の表面（部品実装面という）も同時に絶縁樹脂４で覆われる。このように、電子回路モジュール部品１は、絶縁樹脂４で複数の電子部品２及び部品実装面を覆うことで、回路基板３及び複数の電子部品２を一体化するとともに、強度が確保される。
As shown in FIG. 1A, in the electronic circuit module component 1, the
電子回路モジュール部品１は、複数の電子部品２を覆った絶縁樹脂４の表面に、シールド層５を有する。本実施形態において、シールド層５は導電材料（導電性を有する材料であり、本実施形態では金属）で構成されている。本実施形態では、シールド層５は単数の導電材料であってもよいし、複数の導電材料の層であってもよい。シールド層５は、絶縁樹脂４の表面を被覆することにより、絶縁樹脂４の内部に封入された電子部品２を電子回路モジュール部品１の外部からの高周波ノイズや電磁波等から遮蔽したり、電子部品２から放射される高周波ノイズ等を遮蔽したりする。このように、シールド層５は、電磁気シールドとして機能する。本実施形態において、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面全体を被覆している。しかし、シールド層５は、電磁気シールドとして必要な機能を発揮できるように絶縁樹脂４を被覆すればよく、必ずしも絶縁樹脂４の表面全体を被覆する必要はない。したがって、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。
The electronic circuit module component 1 has a
電子回路モジュール部品１は、例えば、次のような手順で製造される。
（１）回路基板３の端子電極に本実施形態に係るＰｂフリーはんだを含むはんだペーストを印刷する。
（２）実装装置（マウンタ）を用いて電子部品２を回路基板３に載置する。
（３）電子部品２が搭載された回路基板３をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストに含まれる本実施形態に係るＰｂフリーはんだが溶融し、硬化する。そして、硬化後のＰｂフリーはんだ、すなわち接合金属１０が、電子部品２の端子電極と回路基板３の端子電極とを接合する。
（４）電子部品２及び回路基板３の表面に付着したフラックスを洗浄する。
（５）絶縁樹脂４で電子部品２及び回路基板３を覆う。
The electronic circuit module component 1 is manufactured by the following procedure, for example.
(1) A solder paste containing Pb-free solder according to the present embodiment is printed on the terminal electrode of the
(2) The
(3) By putting the
(4) The flux adhering to the surfaces of the
(5) Cover the
電子回路モジュール部品１の回路基板３は、部品実装面の反対側に、端子電極（モジュール端子電極）７を有する。モジュール端子電極７は、電子回路モジュール部品１が備える電子部品２の端子電極２Ｔと電気的に接続されるとともに、図２に示す、電子回路モジュール部品１が取り付けられる基板（例えば、電子機器の基板であり、以下、装置基板という）８の端子電極（装置基板端子電極）９とはんだ２０によって接合される。このような構造により、電子回路モジュール部品１は、電子部品２と装置基板８との間で電気信号や電力をやり取りする。
The
図２に示す装置基板８は、電子回路モジュール部品１が実装される基板であり、例えば、電子機器（車載電子機器、携帯電子機器等）に搭載される。装置基板８に電子回路モジュール部品１を実装する場合、例えば、装置基板端子電極９にはんだ２０を含むはんだペーストを印刷し、実装装置を用いて電子回路モジュール部品１を装置基板８に搭載する。そして、電子回路モジュール部品１が搭載された装置基板８をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストのはんだ２０が溶融し、その後硬化することによりモジュール端子電極７と装置基板端子電極９とが接合される。その後、電子回路モジュール部品１や装置基板８の表面に付着したフラックスを洗浄する。
A
現在多く使用されているＰｂフリーはんだの溶融温度は約２２０℃であるが、リフローにおける最高温度は２４０℃〜２６０℃程度である。電子回路モジュール部品１が有する電子部品２を回路基板３に実装する際に用いられるはんだは、上述したように、電子回路モジュール部品１が装置基板８へ実装される際にリフローされる。このため、前記リフローにおける温度で溶融しないはんだ（高温はんだ）が使用される。
The melting temperature of Pb-free solder, which is widely used at present, is about 220 ° C., but the maximum temperature in reflow is about 240 ° C. to 260 ° C. The solder used when the
Ｐｂを使用するはんだには、溶融温度が３００℃程度のはんだが存在する。しかし、現在のところ、Ｐｂフリーはんだでは溶融温度が２６０℃以上かつ適切な特性を有するものは存在しない。このため、Ｐｂフリーはんだを用いる場合、電子回路モジュール部品１が有する電子部品２の接合に用いるはんだと、電子回路モジュール部品１を装置基板８へ実装する際に用いるはんだとには、両者の溶融温度差が少ないものを使用せざるを得ない。
Solder using Pb includes solder having a melting temperature of about 300 ° C. However, at present, there is no Pb-free solder having a melting temperature of 260 ° C. or higher and appropriate characteristics. Therefore, when Pb-free solder is used, the solder used for joining the
電子回路モジュール部品１が有する電子部品２の接合に用いるはんだがリフロー時に再溶融すると、当該はんだの移動や、はんだフラッシュ（はんだの飛散）といった不具合が発生する。その結果、短絡や電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとの接触不良を招くおそれがある。このため、電子回路モジュール部品１の電子部品２を接合するはんだには、電子回路モジュール部品１を実装する際のリフロー時において再溶融しないもの、又は再溶融がはんだの移動やはんだフラッシュを招かない程度であるものを使用することが望まれている。溶融温度の高いはんだの代替として導電性接着材（Ａｇペースト等）もあるが、機械的な強度が低く、電気抵抗も高く、コストも高い等の課題があり、Ｐｂを用いたはんだの代替とはなっていない。本実施形態に係る電子回路モジュール部品１が有する接合金属１０は、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子及びＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだから得られるものであり、再度のリフロー時における再溶融が抑制されたものである。
When the solder used for joining the
図３は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだが最初に溶融した後、硬化した状態の組織を示す模式図である。図１に示す接合金属１０は、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子及びＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだが最初に溶融した後、硬化することにより得られる。主成分とは、物質を構成している成分のうち、最も多く含まれている成分である（以下同様）。このＰｂフリーはんだについては後述する。
FIG. 3 is a schematic view showing a structure in which the Pb-free solder according to the present embodiment is first melted and then hardened. The joining
接合金属１０の断面をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）により分析すると、図３に示すような組織が観察された。すなわち、接合金属１０は、図１に示す電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとの間に介在し、かつＮｉ−Ｓｎ合金（例えば、Ｎｉ３Ｓｎ４）を主成分とする主相１１に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎを主成分とするＳｎ相１３とが分散した組織を有している。本実施形態において、接合金属１０は、さらに主相１１にＦｅ相１４が現れている。接合金属１０は、このような組織を有することにより、高い接合強度及び耐熱性を有する。このため、接合金属１０によって電子部品２が基板３に実装された電子回路モジュール部品１は、再度のリフローによって接合金属１０が加熱されても、電子回路モジュール部品１内の接合金属１０の溶融が抑制される。
When the cross section of the
また、電子回路モジュール部品１の絶縁樹脂４の表面をシールド層５が被覆している場合、電子部品２を基板３に実装するためのはんだが溶融すると、ガス等が発生して絶縁樹脂４内に放出される。また、溶融したはんだが絶縁樹脂４内に飛散する、はんだフラッシュという現象も発生することがある。シールド層５が絶縁樹脂４の表面を被覆している場合、シールド層５によって前記ガス等が絶縁樹脂４からさらに抜けにくくなる。その結果、シールド層５を有する電子回路モジュール部品１が膨張したり、絶縁樹脂４の割れがさらに発生したりしやすくなる。接合金属１０は、再度のリフローによって加熱されても溶融が抑制されるので、ガス等の発生も抑制される。このため、電子回路モジュール部品１内の接合金属１０の溶融が抑制されるので、電子回路モジュール部品１がシールド層５を有していても、前記膨張及び前記割れ並びに前記はんだフラッシュが抑制される。
In addition, when the
主相１１は、接合金属１０の全体積に対して、５０体積％以上９０体積％以下が好ましく、７０体積％以上９０体積％以下がより好ましい。このような範囲であれば、接合金属１０の耐熱性は十分に向上する。主相１１の代表寸法、すなわち、主相１１の結晶粒子の直径（平均粒子径（Ｄ５０））は、１μｍ以上３μｍ以下が好ましい。この範囲であれば、主相１１が緻密になるので、接合金属の接合強度及び耐熱性が向上する。主相１１にＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相１２が現れることによって、接合金属１０の接合強度が向上する。Ｎｉ−Ｆｅ合金相１２の代表寸法は３μｍ以上２５μｍ以下が好ましい。前記代表寸法がこの範囲であれば、接合金属１０の接合強度を向上させることができる。Ｎｉ−Ｆｅ合金相１２は断面形状が略円形であるため、代表寸法Ｒａは、Ｎｉ−Ｆｅ合金相１２の直径（等価直径）を用いる。等価直径は、Ｎｉ−Ｆｅ合金相１２の面積をＡ、周囲長をＣとしたとき、４×Ａ／Ｃである。
The
Ｓｎ相１３は、Ｓｎを９０質量％以上含む。Ｓｎ相１３は、接合金属１０の全体積に対して４０体積％以下が好ましい。このような範囲であれば、接合金属１０の耐熱性は十分に向上するとともに、接合強度も十分に確保できる。また、Ｓｎ相１３は、接合金属１０の全体積に対して２０体積％以下がより好ましい。このような範囲であれば、接合金属１０は十分な耐熱性を確保できるとともに、接合強度がさらに向上する。さらに、Ｓｎ相１３は、接合金属１０の全体積に対して０．１体積％以上であることがより好ましい。このような範囲内であれば、接合金属１０の接合強度を確保できる。Ｓｎ相１３の結晶粒子の代表寸法、すなわちＳｎ相１３の結晶粒子の直径（平均粒子径（Ｄ５０））は、１μｍ以上５μｍ以下が好ましい。このような範囲であれば、接合金属１０の耐熱性を十分に確保できる。さらに、Ｓｎ相１３の結晶粒子の直径（平均粒子径（Ｄ５０））は、１μｍ以上３μｍ以下がより好ましい。このような範囲であれば、接合金属１０の耐熱性はさらに向上する。
主相１１及びＳｎ相１３の代表寸法は、接合金属１０の断面の画像から求める。すなわち、接合金属１０の断面の、例えば任意の３箇所を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真撮影して得られた画像から求めた。
The representative dimensions of the
Ｆｅ相１４は、接合金属１０中の全体積に対して、０．２体積％以上２体積％以下である。なお、接合金属１０の全体積に対してＮｉ−Ｆｅ合金相１２が占める最大の体積の割合は、接合金属１０の全体積から主相１１の体積とＳｎ相１３の体積とＦｅ相１４の体積とを減算した値になる。接合金属１０中における主相１１、Ｎｉ−Ｆｅ合金相１２、Ｓｎ相１３及びＦｅ相１４の体積割合（体積％）は、接合金属１０の断面の画像から求める。すなわち、接合金属１０の断面の所定面積中に占める、主相１１、Ｎｉ−Ｆｅ合金相１２、Ｓｎ相１３及びＦｅ相１４の面積の割合を求め、これをそれぞれの体積割合とする。次に、図３に示すような組織を有する接合金属１０を得るためのＰｂフリーはんだについて説明する。
The
図４は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ６は、使用前（最初に溶融する前）において、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子６Ａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子６Ｂと、を含む。本実施形態において、Ｐｂフリーはんだ６は、第１金属粒子６Ａと第２金属粒子６Ｂとの他にフラックスＰＥを含み、第１金属粒子６Ａと第２金属粒子６ＢとがフラックスＰＥに混合され、分散された状態のはんだペーストである。Ｐｂフリーはんだ６は、少なくとも第１金属粒子６Ａと第２金属粒子６Ｂとを含んでいればよく、フラックスＰＥは必ずしも必要ではない。
FIG. 4 is a conceptual diagram of Pb-free solder according to the present embodiment. The Pb-free solder 6 according to the present embodiment includes a
Ｐｂフリーはんだ６はＰｂを含まないため、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子６ＡもＰｂを含まない。本実施形態において、第２金属粒子６Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分としているが、他の成分を含んでいてもよい。このため、第２金属粒子６Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。
Since the Pb-free solder 6 does not contain Pb, the
図５は、本実施形態の変形例に係るＰｂフリーはんだの概念図である。図６は、本実施形態の変形例に係るＰｂフリーはんだが有する第２金属粒子の拡大図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ６ａは、使用前（最初に溶融する前）において、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子６Ａａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子６Ｂａと、を含む。本実施形態において、Ｐｂフリーはんだ６ａは、第１金属粒子６Ａａと第２金属粒子６Ｂａの他にフラックスＰＥを含む。フラックスＰＥについては、上述したＰｂフリーはんだ６と同様である。図６に示すように、第２金属粒子６Ｂａは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする粒子（コア粒子）６ＢＣの表面が、Ｓｎと合金を作る金属を主成分とする少なくとも１つの被覆層６ＢＳで覆われている。コア粒子６ＢＣは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。被覆層６ＢＳに含まれる、Ｓｎと合金を作る金属は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｂｉ等がある。本実施形態では、Ｃｕを用いている。このように、第２金属粒子６Ｂａは、コア粒子６ＢＣと被覆層６ＢＳとを有していてもよい。
FIG. 5 is a conceptual diagram of Pb-free solder according to a modification of the present embodiment. FIG. 6 is an enlarged view of the second metal particles included in the Pb-free solder according to the modification of the present embodiment. The Pb-
本実施形態において、第１金属粒子６Ａとしては、Ｓｎを主成分としたＰｂフリーはんだを用いる。より具体的には、第１金属粒子６Ａとして、Ｓｎ−Ａｇ（銀）系やＳｎ−Ｃｕ（銅）系（Ｓｎが９０質量％以上）のはんだ（Ｐｂフリーはんだ）を用いる。例えば、第１金属粒子６Ａとしては、Ｓｎ−３．５％Ａｇ（錫−銀共晶はんだ、融点２２１℃）又はＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（錫−銀−銅はんだ、融点２１７℃〜２１９℃）又はＳｎ−０．７５％Ｃｕ（錫−銅共晶はんだ、融点２２７℃）を用いることができる。本実施形態において第１金属粒子６Ａに用いるＳｎを主成分としたＰｂフリーはんだは、Ｓｎが９０質量％以上である。なお、本実施形態において第１金属粒子６Ａに用いることができるＰｂフリーはんだは、Ｓｎを主成分としたものに限られない。例えば、Ｓｎ−５８Ｂｉ（錫−ビスマス共晶はんだ、融点１３９℃）を用いることもできる。
In the present embodiment, Pb-free solder containing Sn as a main component is used as the
Ｐｂフリーはんだ６、６ａが有する第１金属粒子６Ａ、６Ａａに用いるＳｎを基材としたＰｂフリーはんだは、リフロー後における組織はＳｎ相が多くなるので、一度溶融して硬化した後に複数回リフローをするとＳｎ相が再溶融する。本実施形態では、Ｓｎを主成分とする第１金属粒子６Ａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子６Ｂ又はＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とするコア粒子６ＢＣを被覆層６ＢＳで被覆した第２金属粒子６Ｂａとを組み合わせたＰｂフリーはんだ６、６ａを用いる。そして、Ｐｂフリーはんだ６、６ａが最初に溶融した後、硬化して得られた接合金属１０に熱処理を施す。これによって、接合金属１０は、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相１１に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎを主成分とするＳｎ相１３とが分散した組織となり、耐熱性及び接合強度が向上する。
The Pb-free solder based on Sn used for the
ＮｉはＳｎ相への拡散速度が大きい。このため、図４に示す、第１金属粒子６Ａと、Ｎｉ−Ｆｅ合金の金属粒子とを組み合わせたＰｂフリーはんだ６を用いると、Ｐｂフリーはんだ６が最初に溶融したときにＮｉがＳｎ相へ拡散して金属間化合物が生成される。その結果、Ｐｂフリーはんだ６全体に占めるＮｉの割合が大きい場合には、溶融したＰｂフリーはんだ６の粘度が上昇して端子電極に対するぬれ性が低下することがある。その結果、リフロー時において、電子部品２のセルフアライメント機能の低下等の不具合が発生するおそれがある。
Ni has a high diffusion rate into the Sn phase. For this reason, when the Pb-free solder 6 in which the
図５に示すＰｂフリーはんだ６ａは、図６に示すように、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするコア粒子６ＢＣを被覆層６ＢＳで被覆した第２金属粒子６Ｂａと、Ｓｎを主成分とした第１金属粒子６Ａａとを組み合わせる。被覆層６ＢＳは、Ｓｎと合金を作る金属なので、Ｐｂフリーはんだ６ａが最初に溶融したときには、被覆層６ＢＳがＳｎ相に拡散して金属間化合物を作る。このため、Ｐｂフリーはんだ６ａが溶融している間においては、ＮｉのＳｎ相への拡散及び両者の反応が抑制される。その結果、Ｐｂフリーはんだ６ａは、溶融中におけるぬれ性の低下が抑制されるので、リフロー時においては、電子部品２のセルフアライメント機能の低下等の不具合が抑制される。このため、電子回路モジュール部品１の歩留まりは向上するとともに、不良率は低下する。次に、Ｐｂフリーはんだ６、６ａを用いて図１に示す電子回路モジュール部品を製造する方法を説明する。
As shown in FIG. 6, the Pb-
図７は、本実施形態に係る電子回路モジュール部品の製造方法の手順を示すフローチャートである。図８は、リフロー時における温度の時間変化の一例を示す図である。図９−１は、本実施形態に係る電子回路モジュール部品の製造方法における熱処理を説明するための図である。図９−２は、熱処理の他の例を説明するための図である。以下においては、図４に示すＰｂフリーはんだ６を用いた例を説明するが、図５に示すＰｂフリーはんだ６ａを用いてもよい。
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the electronic circuit module component manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a temporal change in temperature during reflow. FIGS. 9-1 is a figure for demonstrating the heat processing in the manufacturing method of the electronic circuit module component which concerns on this embodiment. FIG. 9-2 is a diagram for explaining another example of the heat treatment. In the following, an example using the Pb-free solder 6 shown in FIG. 4 will be described, but a Pb-
本実施形態に係る電子回路モジュール部品の製造方法により、図１−１に示す電子回路モジュール部品１を製造するにあたり、印刷等の手段を用いて、回路基板３の端子電極３Ｔの表面にＰｂフリーはんだ６のはんだペーストを塗布する（ステップＳ１０１）。次に、回路基板３に電子部品２を載置する（ステップＳ１０２）。その後、電子部品２が搭載された回路基板３をリフロー炉でリフローする（ステップＳ１０３）。リフロー炉内における温度変化は、例えば、図８に示すようなものである。温度θｍでＰｂフリーはんだ６が溶融し始める。リフロー炉内の温度が最高温度θｍａｘに到達した後、前記温度は時間の経過とともに低下する。この過程で、溶融したＰｂフリーはんだ６が硬化して、図１−１に示す接合金属１０となる。接合金属１０によって、電子部品２は回路基板３に固定される。
When the electronic circuit module component 1 shown in FIG. 1-1 is manufactured by the manufacturing method of the electronic circuit module component according to the present embodiment, the surface of the
リフローが終了したら、電子部品２が搭載された回路基板３が洗浄される（ステップＳ１０４）。その後、電子部品２の端子電極２Ｔと回路基板３の端子電極３Ｔとの間に介在する接合金属１０に対して熱処理が施される（ステップＳ１０５）。熱処理は、電子部品２が搭載された回路基板３を炉に入れて、硬化したＰｂフリーはんだ６、すなわち接合金属１０を所定の温度で所定の時間保持する処理である。次に、この熱処理について説明する。
When the reflow is completed, the
熱処理は、例えば、図９−１に示すように、炉内の温度を初期温度θｓから所定の温度（以下、保持温度という）θｋまで上昇させた後、保持温度θｋで所定の時間Δｔだけ保持する。所定の時間Δｔは、ｔ１−ｔ２である。このようにすることで、接合金属１０を保持温度θｋで所定の時間Δｔ保持する。所定の時間Δｔが経過したら、炉内の温度を低下させる。また、熱処理は、接合金属１０の温度を、保持温度θｋまで段階的に上昇させてもよい。具体的には、図９−２に示すように、接合金属１０の温度、すなわち炉内の温度をθ１に上昇させてｔ２−ｔ１だけ保持した後、保持温度θｋまで上昇させて所定の時間Δｔ＝ｔ４−ｔ３だけ保持する。この熱処理により、接合金属１０の組織を、Ｎｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相１１に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎを主成分とするＳｎ相１３とが分散したものにする。次に、保持温度θｋ及び所定の時間Δｔについて説明する。
For example, as shown in FIG. 9A, the heat treatment is performed by raising the temperature in the furnace from the initial temperature θs to a predetermined temperature (hereinafter referred to as a holding temperature) θk, and then holding the holding temperature θk for a predetermined time Δt. To do. The predetermined time Δt is t1-t2. In this way, the
図１０、図１１は、接合金属の吸熱量と保持時間との関係を示す図である。図１０は、第１金属粒子６ＡにＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点は約２２０℃）を用いたＰｂフリーはんだ６を溶融させ、硬化させて得られた接合金属１０に対して、所定の温度に所定の時間保持する熱処理を施した場合における吸熱量の時間変化を示している。図１０の実線Ａは保持温度θｋが２４０℃、点線Ｂは保持温度θｋが１８０℃、一点鎖線Ｃは保持温度θｋが１２０℃である。図１１は、第１金属粒子６ＡにＳｎ−５８Ｂｉ（融点は約１４０℃）を用いたＰｂフリーはんだ６を溶融させ、硬化させて得られた接合金属１０に対して、所定の温度に所定の時間保持する熱処理を施した場合における吸熱量の時間変化を示している。図１１の実線Ａは保持温度θｋが１５０℃、点線Ｂは保持温度θｋが１２０℃である。
10 and 11 are diagrams showing the relationship between the heat absorption amount of the bonding metal and the holding time. FIG. 10 shows a specific example of bonding
吸熱量は、熱流束示差走査熱量計（（株）島津製作所 ＤＳＣ−５０）を用いて測定した（以下の例でも同様）。吸熱量が負の値を取る場合、接合金属１０は加熱による熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーを自身が溶融するために用いていることになる。そして、吸熱量が負の値を取り、かつその絶対値が大きくなると、接合金属１０はより多くの熱エネルギーを吸収してより溶融しやすくなる。吸熱量の絶対値が小さくなれば、接合金属１０は溶融しにくくなる。
The endothermic amount was measured using a heat flux differential scanning calorimeter (Shimadzu Corporation DSC-50) (the same applies to the following examples). When the heat absorption amount takes a negative value, the
吸熱量があると、接合金属１０は溶融しやすくなるが、吸熱量の絶対値が３５Ｊ／ｇ以下の範囲であれば、接合金属１０が溶融したとしても、再度のリフロー時において、電子回路モジュール部品１の絶縁樹脂４にクラックが発生したり、はんだフラッシュその他の欠陥が発生したりすることはない。このため、吸熱量の絶対値が３５Ｊ／ｇ以下である場合には、接合金属１０の耐熱性は許容できる。
If there is an endothermic amount, the joining
第１金属粒子６ＡにＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを用いた場合、保持温度θｋが２４０℃のとき（後述する表１のサンプル１）には、所定の時間Δｔが約１０分で吸熱量の絶対値は約１３Ｊ／ｇ以下になり、所定の時間Δｔが３０分で吸熱量の絶対値は０になる（Ｓｎ相が少なくなる）。また、保持温度θｋが２００℃（融点−２０℃）のときには、所定の時間Δｔが約１０分で吸熱量の絶対値は３５Ｊ／ｇ以下になる。しかし、保持温度θｋが１２０℃のとき（後述する表１のサンプル１６）には、吸熱量の絶対値は時間の経過とともに大きくなるので、所定の時間Δｔが３０分を経過しても、吸熱量の絶対値は３５Ｊ／ｇ以下にはならない。
When Sn-3Ag-0.5Cu is used for the
第１金属粒子６ＡにＳｎ−５８Ｂｉを用いた場合、保持温度θｋが１５０℃のときには、所定の時間Δｔが約５分で吸熱量の絶対値は３５Ｊ／ｇ以下になる。しかし、保持温度θｋが１２０℃のときには、所定の時間Δｔが３０分を経過しても、吸熱量の絶対値は３５Ｊ／ｇ以下にはならない。
When Sn-58Bi is used for the
熱処理における保持温度θｋが低過ぎると、吸熱温度の絶対値が３５Ｊ／ｇ以下にならず、主相１１にＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎ相１３とが分散した接合金属１０の組織が得られない。その結果、接合金属１０は加熱により再溶融するおそれが高い。また、熱処理における保持温度θｋが高過ぎると、電子回路モジュール部品１が熱によるダメージを受けるおそれや熱処理に要するエネルギーが増加する。上記結果及びこれらの事情を考慮すると、保持温度θｋは、第１金属粒子６Ａと第２金属粒子６Ｂとを含むＰｂフリーはんだ６の融点から、当該融点＋２０℃の範囲が好ましい。
If the holding temperature θk in the heat treatment is too low, the absolute value of the endothermic temperature does not become 35 J / g or less, and a structure of the bonded
熱処理において、保持温度θｋに保持する所定の時間Δｔが短すぎると、吸熱温度の絶対値が３５Ｊ／ｇ以下にならず、主相１１にＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎ相１３とが分散した接合金属１０の組織が得られない。その結果、接合金属１０は加熱により再溶融するおそれが高い。また、熱処理における所定の時間Δｔが長過ぎると、電子回路モジュール部品１が熱によるダメージを受けるおそれや熱処理に要するエネルギーが増加する。また、熱処理に要する時間が長くなると、電子回路モジュール部品１の生産性が低下する。上記結果及びこれらの事情を考慮すると、所定の時間Δｔは、１０分以上３０分以下が好ましい。耐熱性を高めるためには、Ｓｎ相を低減させ、主相１１の割合が大きい方が好ましい。かかる観点から、所定の時間Δｔは、１５分以上３０分以下がより好ましい。
In the heat treatment, if the predetermined time Δt held at the holding temperature θk is too short, the absolute value of the endothermic temperature does not become 35 J / g or less, and the Ni—
熱処理における保持温度θｋ及び所定の時間Δｔが上記範囲であれば、吸熱温度の絶対値が確実に３５Ｊ／ｇ以下になるので、主相１１にＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎ相１３とが分散した接合金属１０の組織が得られる。その結果、接合金属１０の耐熱性が向上するので、再度のリフローにおける加熱により、許容できない再溶融が発生するおそれはほとんどない。また、接合金属１０は、主相１１にＮｉ−Ｆｅ合金相１２とＳｎ相１３とが分散した組織を有することで、接合強度も向上する。さらに、熱処理における保持温度θｋ及び所定の時間Δｔが上記範囲であれば、電子回路モジュール部品１の熱ダメージを最小限に抑えることができるので、電子回路モジュール部品１の歩留まりは向上するとともに、不良率は低下する。また、電子回路モジュール部品１の生産性の低下も抑制できる。
If the holding temperature θk and the predetermined time Δt in the heat treatment are within the above ranges, the absolute value of the endothermic temperature is reliably 35 J / g or less, so that the Ni—
（評価例）
本実施形態に係る電子回路モジュール部品の電子部品と基板とを接合する接合金属の組成及び電子回路モジュール部品の製造方法における熱処理の条件を変更して、電子回路モジュール部品１のはんだフラッシュ、熱ダメージ、接合金属の接合強度及び吸熱を評価した。接合金属の組成は、Ｐｂフリーはんだ６に含まれる第１金属粒子及び第２金属粒子の種類と比率とを変更することにより調整した。
(Evaluation example)
The composition of the joining metal for joining the electronic component of the electronic circuit module component according to the present embodiment and the substrate and the heat treatment conditions in the method of manufacturing the electronic circuit module component are changed, and the solder flash and thermal damage of the electronic circuit module component 1 are changed. The bonding strength and endotherm of the bonding metal were evaluated. The composition of the bonding metal was adjusted by changing the types and ratios of the first metal particles and the second metal particles contained in the Pb-free solder 6.
評価に供するサンプル（電子回路モジュール部品）は、次のような手順で２０個作成し評価した。
（１）回路基板の端子電極に、後述する表３に示す各サンプルの組成のＰｂフリーはんだを含むはんだペーストを印刷した。
（２）実装装置を用いて電子部品としてチップ型抵抗素子を回路基板に載置した。
（３）電子部品が搭載された回路基板をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストに含まれるＰｂフリーはんだが溶融し、硬化する。そして、硬化後のＰｂフリーはんだ、すなわち接合金属によって、電子部品の端子電極と回路基板の端子電極とを接合させた。
（４）電子部品及び回路基板の表面に付着したフラックスを洗浄した。
（５）接合金属の組織をサンプリングして観察し、目的とする組織を構成するように表１に示すような熱処理を施した。
（６）絶縁樹脂で電子部品及び回路基板を覆った。電子部品及びモジュール基板を被覆する絶縁樹脂は、エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂であるが、これに限定されない）にフィラー（例えば、本評価ではシリカフィラー）を添加したものを用いた。そして、絶縁樹脂で電子部品及び回路基板を覆うように塗布し、真空槽内で熱プレス硬化した。その結果、電子部品は、絶縁樹脂によって封止された。その表面に無電解めっきで銅のシールド層を形成し、電子回路モジュール部品を２０個作成した。
Twenty samples (electronic circuit module parts) for evaluation were prepared and evaluated in the following procedure.
(1) A solder paste containing Pb-free solder having the composition of each sample shown in Table 3 described later was printed on the terminal electrode of the circuit board.
(2) A chip-type resistance element was placed on the circuit board as an electronic component using the mounting apparatus.
(3) By putting a circuit board on which electronic components are mounted in a reflow furnace and heating the solder paste, Pb-free solder contained in the solder paste is melted and cured. And the terminal electrode of the electronic component and the terminal electrode of the circuit board were joined by the Pb free solder after hardening, ie, a joining metal.
(4) The flux adhering to the surface of the electronic component and the circuit board was washed.
(5) The structure of the bonding metal was sampled and observed, and heat treatment as shown in Table 1 was performed so as to constitute the target structure.
(6) The electronic component and the circuit board were covered with insulating resin. The insulating resin that covers the electronic component and the module substrate is an epoxy resin (a thermosetting resin, for example, an epoxy resin, but is not limited thereto) with a filler (for example, a silica filler in this evaluation) added. It was. And it apply | coated so that an electronic component and a circuit board might be covered with insulating resin, and it hot-press-cured in the vacuum chamber. As a result, the electronic component was sealed with an insulating resin. A copper shield layer was formed on the surface by electroless plating to produce 20 electronic circuit module components.
はんだフラッシュは次のようにして評価した。評価に供するサンプル（電子回路モジュール部品）を２６０℃のリフロー炉に投入し、電子回路モジュール部品内の電子部品と回路基板３との接合部におけるはんだの移動を観察した。接合部の接合金属（はんだ材料）が接合部以外に離散するような状況が観察された場合には×、離散していないが接合部の基板側との接合面が変化してしまったものは△、接合部の電子部品端子側の形状の変化が認められるものは○、接合部の接合面や形状が変化していないものは◎とした。
The solder flash was evaluated as follows. A sample (electronic circuit module component) used for evaluation was put into a reflow furnace at 260 ° C., and the movement of solder at the junction between the electronic component in the electronic circuit module component and the
熱ダメージは、次のようにして評価した。上記手順で作成したサンプル（電子回路モジュール部品）の電気特性を測定し、リフロー炉へ投入した。リフロー炉への投入の前後で電気特性に変化があったサンプルは×とし、変化がなかったサンプルは「なし」とした。次に、接合金属の接合強度の評価方法を説明する。 Thermal damage was evaluated as follows. The electrical characteristics of the sample (electronic circuit module component) prepared by the above procedure were measured and put into a reflow furnace. Samples that had a change in electrical characteristics before and after introduction into the reflow furnace were marked as x, and samples that did not change were marked as “none”. Next, a method for evaluating the bonding strength of the bonding metal will be described.
図１２は、Ｐｂフリーはんだが溶融して硬化して得られた接合金属の接合強度を評価する際の説明図である。接合金属の強度は、シェア（せん断）試験により評価した。シェア（せん断）試験では、溶融後硬化したＰｂフリーはんだに対してせん断応力を負荷した。シェア試験は、図１２に示すように、基板７０の電極７１にＰｂフリーはんだを乗せて溶融させ、電極７１の表面で硬化した試験片７２を対象とする。試験片７２を有する基板７０は、試験装置のテーブル７３に取り付けられる。この状態で、テーブル７３がシェアツール７４に向かって移動する。そして、試験片７２がシェアツール７４で破壊されるときの吸収エネルギー（Ｊ）を求め、これによって接合強度を評価した。シェア試験には、ハイスピードボンドテスター（Ｄａｇｅ社、Ｄａｇｅ−４０００ＨＳ）を用いた。試験速度Ｖは０．１ｍｍ／ｓｅｃとした。接合強度は、強度試験の破壊箇所で評価した。図１２において、硬化した試験片７２内で破壊（せん断破壊）せずに、基板７０で破壊した場合には試験片７２の強度が十分高いとして◎、電極７１と基板７０との界面で破壊した場合には試験片７２の強度が十分高いとして○、基板７０とはんだ試験片７２との界面近傍で破壊した場合には△、試験片７２自体が破壊（せん断破壊）した場合には強度が十分高くないとして×とした。
FIG. 12 is an explanatory diagram for evaluating the joint strength of the joint metal obtained by melting and hardening the Pb-free solder. The strength of the bonding metal was evaluated by a shear (shear) test. In the shear (shear) test, a shear stress was applied to the Pb-free solder cured after melting. As shown in FIG. 12, the shear test is performed on a
吸熱（吸熱量）は、接合金属の加熱による溶融を評価する尺度である。吸熱は、最初に溶融したＰｂフリーはんだが硬化することによって得られた接合金属１０を加熱することにより評価した。吸熱量の絶対値が３５Ｊ／ｇ以下である場合は接合金属が溶融しない（○）、３５Ｊ／ｇよりも大きく４０Ｊ／ｇ以下である場合は接合金属の溶融が少ない（△）、４０Ｊ／ｇよりも大きい場合は接合金属が溶融した（×）と判定した。
The endotherm (endothermic amount) is a scale for evaluating the melting of the bonding metal by heating. The endotherm was evaluated by heating the
評価の結果を表１に示す。表１は、各サンプルが有する接合金属の組成、溶融温度及び熱処理条件も示す。接合金属の組成は、当該接合金属の元となったＰｂフリーはんだの組成に等しい。なお、溶融温度は、接合金属の組成として調整したはんだペーストの熱重量を測定し、溶融熱のピークが確認された温度である。表１中の添加量は、接合金属の元となったＰｂフリーはんだ中における第２金属粒子の割合（質量％）である。すなわち、前記添加量は、（第２金属粒子の質量）／（第１金属粒子の質量＋第２金属粒子の質量）である。表２、表３は、評価に供した各サンプルが有する接合金属の元となったＰｂフリーはんだの第１金属粒子及び第２金属粒子の組成及び平均粒子径（Ｄ５０）を示す。第１金属粒子ははんだ材料であり、第２金属粒子はＮｉ−Ｆｅ合金又はＮｉ又はＦｅである。表３に示すＮｉ−Ｆｅ合金の組成を表す記号に含まれる数字は、Ｎｉ−Ｆｅ合金全質量に対するＦｅの質量％である。 The evaluation results are shown in Table 1. Table 1 also shows the composition of the bonding metal, melting temperature, and heat treatment conditions of each sample. The composition of the bonding metal is equal to the composition of the Pb-free solder that is the source of the bonding metal. The melting temperature is a temperature at which the peak of the heat of fusion was confirmed by measuring the thermogravimetric weight of the solder paste adjusted as the composition of the joining metal. The addition amount in Table 1 is the ratio (mass%) of the second metal particles in the Pb-free solder that is the source of the bonding metal. That is, the addition amount is (mass of second metal particles) / (mass of first metal particles + mass of second metal particles). Tables 2 and 3 show the compositions and average particle diameters (D50) of the first metal particles and the second metal particles of the Pb-free solder used as the base of the bonding metal included in each sample subjected to the evaluation. The first metal particles are a solder material, and the second metal particles are a Ni—Fe alloy or Ni or Fe. The numbers included in the symbols representing the composition of the Ni—Fe alloy shown in Table 3 are the mass% of Fe with respect to the total mass of the Ni—Fe alloy.
接合金属（すなわちＰｂフリーはんだ）に第２金属粒子が含まれない場合（サンプル１０、１１）及び第２金属粒子としてＮｉ又はＦｅを単独で含む場合（サンプル１２、１３）には、はんだフラッシュ、吸熱及び接合強度の評価が低下する。また、第２金属粒子にＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだを用いるが熱処理をしない場合（サンプル７）、上記のサンプル１０、１１、１２、１３と比較して、はんだフラッシュ、接合強度及び吸熱は、いずれも優れていることが分かる。このように、第２金属粒子にＮｉ−Ｆｅ合金を主成分とする第２金属粒子を含むＰｂフリーはんだを用いれば、熱処理をしなくても、接合金属のはんだフラッシュ、接合強度及び吸熱を向上させることができる。
When the joining metal (ie, Pb-free solder) does not contain the second metal particles (
熱処理において接合金属を保持する保持温度θｋがＰｂフリーはんだの融点以上、当該融点に２０℃を加算した温度以下の範囲において、吸熱及びはんだフラッシュの評価は良好である（サンプル１〜５及び１４）。熱処理において保持温度θｋがＰｂフリーはんだの融点を下回ると、吸熱及びはんだフラッシュの評価が低下している（サンプル８、１５、１６）。この結果から、保持温度θｋは、Ｐｂフリーはんだの融点以上、当該融点＋２０℃以下の範囲であることが好ましいことが分かる。なお、サンプル６は、保持温度θｋがＰｂフリーはんだの融点＋２０℃であるが、第１金属粒子がＳｎ−５８Ｂｉの低融点はんだであるため、はんだフラッシュ及び吸熱が、サンプル１〜５及び１４と比較してやや劣っていると考えられる。
In the range where the holding temperature θk for holding the bonding metal in the heat treatment is not less than the melting point of the Pb-free solder and not more than the temperature obtained by adding 20 ° C. to the melting point, the endothermic and solder flash evaluations are good (Samples 1 to 5 and 14) . When the holding temperature θk is lower than the melting point of the Pb-free solder in the heat treatment, the endothermic and solder flash evaluations are lowered (
熱処理において、保持温度θｋに保持する所定の時間Δｔが４０分になると、はんだフラッシュ及び吸熱の評価が低下する（サンプル９）。保持時間Δｔが３０分以下であれば、はんだフラッシュ及び吸熱の評価が良好である（サンプル１、２、３）。このことから、保持温度θｋに保持する所定の時間Δｔは、１０分以上３０分以下が好ましいことが分かる。
In the heat treatment, when the predetermined time Δt held at the holding temperature θk becomes 40 minutes, the evaluation of the solder flash and the heat absorption decreases (Sample 9). If holding time (DELTA) t is 30 minutes or less, evaluation of solder flash and endotherm is favorable (
サンプル１１は、熱処理において保持する保持温度θｋが高過ぎたこと及び接合金属（すなわちＰｂフリーはんだ）に第２金属粒子が含まれないことが原因で、リフロー炉への投入の前後において電気特性に変化が生じたと考えられる。
主相が、接合金属の全体積に対して、５０体積％以上９０体積％以下である場合（サンプル１〜５及び１４）、吸熱は◎、熱ダメージはなし、接合強度及びはんだフラッシュは◎であり、総合評価は◎である。このように、主相の比率が５０体積％以上９０体積％以下であれば、耐熱性及び接合強度に優れた接合金属が得られることが分かる。主相の平均粒子径が１μｍ以上３μｍ以下である場合、（サンプル１〜５及び１４）、吸熱は◎、熱ダメージはなし、接合強度及びはんだフラッシュは◎であり、総合評価は◎である。このように、主相の平均粒子径が１μｍ以上３μｍ以下であれば、耐熱性及び接合強度に優れた接合金属が得られることが分かる。 When the main phase is 50 volume% or more and 90 volume% or less with respect to the total volume of the bonding metal (Samples 1 to 5 and 14), endotherm is ◎, no thermal damage, bonding strength and solder flash are ◎. The overall evaluation is ◎. Thus, it can be seen that when the ratio of the main phase is 50% by volume or more and 90% by volume or less, a bonded metal having excellent heat resistance and bonding strength can be obtained. When the average particle diameter of the main phase is 1 μm or more and 3 μm or less (Samples 1 to 5 and 14), the endotherm is 、, there is no thermal damage, the joint strength and solder flash are ◎, and the overall evaluation is ◎. Thus, it can be seen that when the average particle size of the main phase is 1 μm or more and 3 μm or less, a bonded metal having excellent heat resistance and bonding strength can be obtained.
Ｓｎ相が、接合金属の全体積に対して４０体積％以下である場合（サンプル１〜５及び１４）、吸熱は◎、熱ダメージはなし、接合強度及びはんだフラッシュは◎であり、総合評価は◎である。このように、Ｓｎ相の比率が４０体積％以下であれば、耐熱性及び接合強度に優れた接合金属が得られることが分かる。なお、サンプル１６は、Ｓｎ相が前記範囲外であり、サンプル１〜５及び１４に対してはんだフラッシュ及び接合強度がやや劣る。 When the Sn phase is 40% by volume or less with respect to the total volume of the bonding metal (samples 1 to 5 and 14), the endotherm is 、, there is no thermal damage, the bonding strength and solder flash are ◎, and the overall evaluation is ◎ It is. Thus, it can be seen that when the Sn phase ratio is 40% by volume or less, a bonding metal having excellent heat resistance and bonding strength can be obtained. In Sample 16, the Sn phase is out of the above range, and the solder flash and bonding strength are slightly inferior to Samples 1 to 5 and 14.
Ｓｎ相の平均粒子径が１μｍ以上５μｍ以下である場合、（サンプル１〜５及び１４）、吸熱は◎、熱ダメージはなし、接合強度及びはんだフラッシュは◎であり、総合評価は◎である。このように、Ｓｎ相の平均粒子径が１μｍ以上５μｍ以下であれば、耐熱性及び接合強度に優れた接合金属が得られることが分かる。なお、サンプル１５は、Ｓｎ相の平均粒子径が前記範囲外であり、サンプル１〜５及び１４に対してはんだフラッシュがやや劣る。 When the average particle diameter of the Sn phase is 1 μm or more and 5 μm or less (Samples 1 to 5 and 14), the endotherm is 、, there is no thermal damage, the joint strength and the solder flash are ◎, and the overall evaluation is ◎. Thus, it can be seen that when the average particle diameter of the Sn phase is 1 μm or more and 5 μm or less, a bonded metal excellent in heat resistance and bonding strength can be obtained. In Sample 15, the average particle diameter of the Sn phase is out of the above range, and solder flash is slightly inferior to Samples 1 to 5 and 14.
以上のように、本発明に係る電子回路モジュール部品、電子回路モジュール部品の製造方法及びＰｂフリーはんだは、Ｐｂフリーはんだが溶融してから硬化した後に得られる接合金属の耐熱性を向上させることに有用である。 As described above, the electronic circuit module component, the electronic circuit module component manufacturing method, and the Pb-free solder according to the present invention improve the heat resistance of the bonding metal obtained after the Pb-free solder is melted and then cured. Useful.
１ 電子回路モジュール部品
２ 電子部品
２Ｔ、３Ｔ 端子電極
３ 回路基板
４ 絶縁樹脂
５ シールド層
６ Ｐｂフリーはんだ
６Ａ、６Ａａ 第１金属粒子
６Ｂ、６Ｂａ 第２金属粒子
６ＢＣ コア粒子
６ＢＳ 被覆層
７ モジュール端子電極
８ 装置基板
９ 装置基板端子電極
１０ 接合金属
１１ 主相
１２ Ｎｉ−Ｆｅ合金相
１３ Ｓｎ相
１４ Ｆｅ相
７０ 基板
７１ 電極
７２ 試験片
７３ テーブル
７４ シェアツール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electronic
Claims (7)
当該電子部品が搭載される回路基板と、
前記電子部品の端子電極と前記回路基板の端子電極との間に介在し、かつＮｉ−Ｓｎ合金を主成分とする主相に、Ｎｉ−Ｆｅ合金を主成分とするＮｉ−Ｆｅ合金相とＳｎを主成分とするＳｎ相とが分散している接合金属と、
を含むことを特徴とする電子回路モジュール部品。 Electronic components,
A circuit board on which the electronic component is mounted;
The main phase mainly composed of Ni—Sn alloy and the Ni—Fe alloy phase mainly composed of Ni—Fe alloy and Sn interposed between the terminal electrode of the electronic component and the terminal electrode of the circuit board. A bonding metal in which an Sn phase containing as a main component is dispersed;
An electronic circuit module component comprising:
前記Ｐｂフリーはんだを溶融させる手順と、
前記Ｐｂフリーはんだが硬化した状態で、少なくとも当該Ｐｂフリーはんだを所定の温度で所定の時間保持する手順と、
を含むことを特徴とする電子回路モジュール部品の製造方法。 The Pb-free solder containing the first metal particles containing Sn and the second metal particles mainly composed of Ni—Fe alloy is placed between the terminal electrode of the electronic component and the terminal electrode of the circuit board on which the electronic component is mounted. The procedure of providing,
A procedure for melting the Pb-free solder;
A procedure for holding at least the Pb-free solder at a predetermined temperature for a predetermined time in a state where the Pb-free solder is cured;
An electronic circuit module component manufacturing method comprising:
前記Ｐｂフリーはんだの融点以上、かつ当該融点に２０℃を加算した温度以下で、１０分以上３０分以下保持する請求項６に記載の電子回路モジュール部品の製造方法。 In the procedure of holding the Pb-free solder at a predetermined temperature for a predetermined time,
The method for manufacturing an electronic circuit module component according to claim 6, wherein the electronic circuit module component is held for 10 minutes or more and 30 minutes or less at a temperature equal to or higher than the melting point of the Pb-free solder and equal to or lower than a temperature obtained by adding 20 ° C. to the melting point.
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