JP2017213596A - Solder alloy and mounting structure using the same - Google Patents
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C13/00—Alloys based on tin
Abstract
Description
本発明は、主として回路形成された金属ベース基板への電子部品のはんだ付けに用いられる鉛フリーはんだ合金と、該はんだ合金を用いた実装構造体とに関するものである。 The present invention relates to a lead-free solder alloy mainly used for soldering an electronic component to a metal base substrate on which a circuit is formed, and a mounting structure using the solder alloy.
近年、照明機器分野では、省エネの観点から発光ダイオード(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ, ＬＥＤ)の採用が進んでいる。ＬＥＤチップは、従来の蛍光灯や白熱電球と異なり、基板上にはんだ付けされ、ＬＥＤ基板を形成する。ＬＥＤ基板のはんだ付けには、融点、濡れ性、耐熱疲労特性などの観点から、Ｓｎ−Ａｇ系はんだが広く用いられており、標準鉛フリーはんだ合金としてＳｎ−３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕが広く用いられている。 In recent years, in the field of lighting equipment, light emission diodes (LEDs) have been increasingly adopted from the viewpoint of energy saving. Unlike conventional fluorescent lamps and incandescent lamps, LED chips are soldered onto a substrate to form an LED substrate. For soldering LED substrates, Sn—Ag solder is widely used from the viewpoints of melting point, wettability, heat fatigue resistance, etc., and Sn—3.0 mass% Ag-0. 5 mass% Cu is widely used.
ＬＥＤは発光の際に熱を発するため、ＬＥＤチップの使用の際にはＬＥＤ基板に温度上昇が生じる。ＬＥＤの発光効率の進化に伴い、発生する熱は大きくなってきている。しかしながら、一般的なＬＥＤチップの耐熱温度は１５０℃以下であるため、ＬＥＤ基板は高い放熱性を有することが好ましく、近年、放熱性に加えてコストおよび重量の観点から、ベース金属として銅やアルミを用いる金属ベース基板の開発が進んでいる。 Since the LED emits heat when emitting light, the temperature of the LED substrate increases when the LED chip is used. With the evolution of the luminous efficiency of LEDs, the heat generated is increasing. However, since the heat-resistant temperature of a general LED chip is 150 ° C. or less, it is preferable that the LED substrate has high heat dissipation. In recent years, from the viewpoint of cost and weight in addition to heat dissipation, copper or aluminum is used as a base metal. Development of a metal base substrate using the metal is progressing.
金属ベース基板とは、ベース金属の上に絶縁樹脂層を介して金属層を配置することにより、回路がベース金属の上に形成されるようにした基板をいう。金属ベース基板は、一般的な回路基板であるガラスエポキシ基板と比較して優れた放熱性を有する一方で、ガラスエポキシ基板よりも大きな線膨張係数を有する。このため、線膨張係数の小さいＬＥＤチップのような電子部品がはんだ付けされた金属ベース基板において、電子部品と金属ベース基板との間に大きな線膨張係数差が生じる。このような実装構造体における線膨張係数差は、ガラスエポキシ基板に電子部品がはんだ付けされて成る実装構造体の線膨張係数差と比較して大きいため、ガラスエポキシ基板を用いた場合よりも低い温度から金属ベース基板上の基板電極とＬＥＤチップの部品電極の間を接合するはんだ材料に大きな熱応力がかかってしまう。 The metal base substrate is a substrate on which a circuit is formed on a base metal by disposing a metal layer on the base metal via an insulating resin layer. The metal base substrate has a higher heat dissipation than a glass epoxy substrate which is a general circuit substrate, but has a larger linear expansion coefficient than the glass epoxy substrate. For this reason, in a metal base substrate to which an electronic component such as an LED chip having a small linear expansion coefficient is soldered, a large linear expansion coefficient difference is generated between the electronic component and the metal base substrate. The difference in linear expansion coefficient in such a mounting structure is larger than the difference in linear expansion coefficient of a mounting structure in which an electronic component is soldered to a glass epoxy board, and thus is lower than when a glass epoxy board is used. From the temperature, a large thermal stress is applied to the solder material that joins between the substrate electrode on the metal base substrate and the component electrode of the LED chip.
そのため、金属ベース基板へのＬＥＤチップのはんだ付けに用いる鉛フリーはんだ合金には、１５０℃における耐熱疲労特性に加え、低い温度から発生する大きな応力への耐性が求められる。しかしながら、従来のはんだ合金には、このような厳しい環境で使用するための特性が十分に備わっていない。 Therefore, the lead-free solder alloy used for soldering the LED chip to the metal base substrate is required to have resistance to a large stress generated from a low temperature in addition to the heat fatigue resistance at 150 ° C. However, conventional solder alloys do not have sufficient characteristics for use in such harsh environments.
従来の耐熱疲労特性に優れる鉛フリーはんだ材料として、特許文献１には、Ｐを含むＮｉめっきの上にＡｕめっきを有するＡｕ電極のはんだ付けに用いられるはんだ材料であって、
前記はんだ材料におけるＡｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎの含有率（質量％）をそれぞれ［Ａｇ］、［Ｂｉ］、［Ｃｕ］、［Ｉｎ］とすると、
０．３≦［Ａｇ］＜４．０のＡｇ（ただし、Ａｇが０．５質量％、１．０質量％の場合は除く）と、
０≦［Ｂｉ］≦１．０のＢｉと、
０．２≦［Ｃｕ］≦１．２のＣｕとを含み、
０．２≦［Ｃｕ］＜０．５の範囲内では、
６．０≦［Ｉｎ］≦６．８の範囲内のＩｎを含み、
０．５≦［Ｃｕ］≦１．０の範囲内では、
５．２＋（６−（１．５５×［Ｃｕ］＋４．４２８））≦［Ｉｎ］≦６．８の範囲内のＩｎを含み、
１．０＜［Ｃｕ］≦１．２の範囲内では、
５．２≦［Ｉｎ］≦６．８の範囲内のＩｎを含み、
残部は、８７質量％以上のＳｎのみであることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金が記載されている。
As a conventional lead-free solder material with excellent thermal fatigue resistance,
When the content (mass%) of Ag, Bi, Cu, and In in the solder material is [Ag], [Bi], [Cu], and [In],
0.3 ≦ [Ag] <4.0 Ag (except when Ag is 0.5 mass% and 1.0 mass%),
Bi of 0 ≦ [Bi] ≦ 1.0,
0.2 ≦ [Cu] ≦ 1.2 and Cu,
Within the range of 0.2 ≦ [Cu] <0.5,
Including In in the range of 6.0 ≦ [In] ≦ 6.8,
Within the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
5.2+ (6- (1.55 × [Cu] +4.428)) ≦ [In] ≦ 6.8 including In,
Within the range of 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
Including In in the range of 5.2 ≦ [In] ≦ 6.8,
A lead-free solder alloy is described in which the balance is only 87 mass% or more of Sn.
また、特許文献２には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系合金にＣｕ、Ｉｎを添加するＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｃｕの構成の鉛フリーはんだとして、Ｓｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎの組成比が、
１．０重量％≦Ｂｉ≦１２．０重量％
０．５重量％≦Ａｇ≦６．０重量％
０．１重量％≦Ｃｕ≦３．０重量％
０．５重量％≦Ｉｎ≦１０．０重量％
であり、残部が実質的に錫からなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金が記載されている。
1.0 wt% ≦ Bi ≦ 12.0 wt%
0.5% by weight ≦ Ag ≦ 6.0% by weight
0.1% by weight ≦ Cu ≦ 3.0% by weight
0.5 wt% ≦ In ≦ 10.0 wt%
A lead-free solder alloy is described in which the balance is substantially made of tin.
特許文献１に記載の鉛フリーはんだ合金は、Ａｇ、Ｂｉ、ＣｕおよびＩｎを任意の含有率で有し、残部がＳｎのみであるはんだ合金であって、Ａｕ基板電極をはんだ付けした際に生じるはんだのＩｎ含有率の減少を防止するためのものである。このはんだ合金は、ガラスエポキシ基板へのＬＥＤのはんだ付けには問題なく使用されると考えられるが、金属ベース基板へのＬＥＤのはんだ付けに用いる場合に生じる大きな線膨張係数差に対して何ら対策が講じられていないため、１５０℃の温度においても耐熱疲労特性を維持することは難しいと思われる。
The lead-free solder alloy described in
特許文献２には、鉛フリーはんだ合金がＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金と同程度の融点と、優れた濡れ性と、機械的強度とを有することを目的としたＳｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎの含有率の範囲が開示されている。特に、Ｃｕ、Ｉｎは、はんだ材料の溶融温度を下げるとともに、はんだ融液の濡れ性を改善することを目的として添加されている。このはんだ合金は、ガラスエポキシ基板へのＬＥＤのはんだ付けには問題なく使用されると考えられるが、金属ベース基板へのＬＥＤのはんだ付けに用いる場合に生じる大きな線膨張係数差に対して何ら対策が講じられていないため、１５０℃の温度においても耐熱疲労特性を維持することは難しいと思われる。
従って、金属ベース基板へのＬＥＤチップのはんだ付けに従来のはんだ合金を用いた場合、はんだ合金の耐熱疲労特性が１５０℃の温度において維持されないために、ＬＥＤチップの出力の抑制や、小サイズのＬＥＤチップの使用によって、熱応力を小さくする必要があったため、ＬＥＤチップの性能を十分に発揮できないという問題があった。 Therefore, when the conventional solder alloy is used for soldering the LED chip to the metal base substrate, the heat resistance fatigue property of the solder alloy is not maintained at a temperature of 150 ° C. Since it was necessary to reduce the thermal stress by using the LED chip, there was a problem that the performance of the LED chip could not be sufficiently exhibited.
本発明は、金属ベース基板への電子部品のはんだ付けに用いた場合でも、最高１５０℃の高温環境において優れた耐熱疲労特性を維持するはんだ合金を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a solder alloy that maintains excellent thermal fatigue characteristics in a high temperature environment of a maximum of 150 ° C. even when used for soldering an electronic component to a metal base substrate.
本発明の１つの要旨によれば、
Ａｇ、Ｂｉ、ＩｎおよびＣｕを含有して、残部がＳｎから成り、以下の式：
１．０≦［Ａｇ］≦４．０ （１）
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２ （２）
１．５≦［Ｂｉ］≦３．０ （３）
（式中、［Ａｇ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＡｇ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
を満たし、０．５≦［Ｃｕ］≦１．０のとき、以下の式：
６．７４−１．５５×［Ｃｕ］≦［Ｉｎ］≦６．５ （４）
を満たし、１．０＜［Ｃｕ］≦１．２のとき、以下の式：
５．１６８≦［Ｉｎ］≦６．５ （５）
を満たす（式中［Ｉｎ］は、Ｉｎの含有率（質量％）を表す）、はんだ合金が提供される。
According to one aspect of the present invention,
Contains Ag, Bi, In and Cu with the balance consisting of Sn, with the following formula:
1.0 ≦ [Ag] ≦ 4.0 (1)
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2 (2)
1.5 ≦ [Bi] ≦ 3.0 (3)
(In the formula, [Ag], [Cu] and [Bi] represent the contents (mass%) of Ag, Cu and Bi, respectively)
When 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0, the following formula:
6.74-1.55 × [Cu] ≦ [In] ≦ 6.5 (4)
When 1.0 <[Cu] ≦ 1.2, the following formula:
5.168 ≦ [In] ≦ 6.5 (5)
A solder alloy that satisfies the above conditions (where [In] represents the content (% by mass) of In) is provided.
本発明の１つの態様において、はんだ合金は以下の式：
２．０≦［Ｂｉ］≦３．０ （６）
８．０≦［Ｉｎ］＋［Ｂｉ］ （７）
をさらに満たす。
In one embodiment of the present invention, the solder alloy has the following formula:
2.0 ≦ [Bi] ≦ 3.0 (6)
8.0 ≦ [In] + [Bi] (7)
To further satisfy.
本発明の１つの態様において、はんだ合金はさらにＳｂを含有して、以下の式：
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５ （８）
を満たす（式中［Ｓｂ］は、Ｓｂの含有率（質量％）を表す）。
In one embodiment of the present invention, the solder alloy further contains Sb and has the following formula:
0.5 ≦ [Sb] ≦ 1.25 (8)
(In the formula, [Sb] represents the Sb content (% by mass)).
本発明の１つの態様において、はんだ合金は、金属ベース基板への電子部品のはんだ付けに用いられる。 In one aspect of the invention, the solder alloy is used for soldering electronic components to a metal base substrate.
本発明の別の要旨によれば、
電子部品の部品電極と、金属ベース基板の基板電極とが、上記態様のいずれかに記載のはんだ合金によってはんだ付けされている、実装構造体が提供される。
According to another aspect of the present invention,
There is provided a mounting structure in which a component electrode of an electronic component and a substrate electrode of a metal base substrate are soldered by the solder alloy according to any one of the above aspects.
尚、本明細書中、はんだ合金を構成する元素記号に［ ］を付したものは、はんだ合金中の当該元素の含有率（質量％）を意味するものとする。 In addition, in this specification, what added [] to the element symbol which comprises a solder alloy shall mean the content rate (mass%) of the said element in a solder alloy.
尚、本発明において「はんだ合金」とは、その金属組成が、列挙した金属で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量金属を含んでいてもよい。はんだ合金は、任意の形態を有し得、例えば単独で、または金属以外の他の成分（例えばフラックスなど）と一緒に、はんだ付けに使用され得る。 In the present invention, the “solder alloy” may contain trace metals inevitably mixed as long as the metal composition is substantially composed of the listed metals. The solder alloy can have any form and can be used for soldering, for example, alone or together with other components other than metal (eg, flux, etc.).
本発明によれば、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、およびＳｂを含むはんだ合金において、Ｓｎを除く各元素につき所定の含有率を選択すること、さらには、Ｂｉ含有率が１．５重量％以上、３．０質量％以下、Ｃｕ含有率が０．５質量％以上、１．２質量％以下であること、特には、０．５≦［Ｃｕ］≦１．０のときＩｎ含有率が式（４）を、１．０＜［Ｃｕ］≦１．２のときＩｎ含有率が式（５）を満たすこと、より特には、Ｂｉ含有率およびＩｎ含有率が式（７）を満たすことによって、アルミニウムや銅を基材とする金属ベース基板への、一部をセラミックで構成された電子部品のはんだ付けに用いた場合でも、１５０℃の温度において優れた耐熱疲労特性を維持するはんだ合金が提供される。 According to the present invention, in a solder alloy containing Sn, Ag, Bi, In, Cu, and Sb, a predetermined content is selected for each element except Sn, and further, the Bi content is 1.5 weight. % Or more, 3.0% by mass or less, and Cu content of 0.5% by mass or more and 1.2% by mass or less, particularly when 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0. When the formula (4) is 1.0 <[Cu] ≦ 1.2, the In content satisfies the formula (5), and more particularly, the Bi content and the In content satisfy the formula (7). This makes it possible to maintain excellent thermal fatigue resistance at a temperature of 150 ° C. even when used for soldering electronic parts partially composed of ceramic to a metal base substrate based on aluminum or copper. An alloy is provided.
本発明者らは、室温以下の温度および１５０℃の温度での機械的特性と組織状態について研究開発を行った結果、主成分をＳｎとする鉛フリーはんだ合金において、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれを所定の量で含有させることにより、これまで達成されなかった機械的特性の改善が実現することを新たに見出した。以下に主成分をＳｎとする鉛フリーはんだ合金において、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、ＡｇおよびＳｂを、本発明で規定する含有率で含むことによる有利な効果を記載する。 As a result of research and development on the mechanical characteristics and the structure state at temperatures below room temperature and 150 ° C., the present inventors have found that each of In, Cu, and Bi in a lead-free solder alloy containing Sn as a main component. It has been newly found out that the mechanical properties that have not been achieved so far can be realized by containing a predetermined amount of. The following describes advantageous effects of including In, Bi, Cu, Ag, and Sb at a content specified in the present invention in a lead-free solder alloy containing Sn as a main component.
(Ｉｎ含有率、Ｂｉ含有率)
Ｓｎを主成分とするはんだ合金において、Ｉｎ含有率が約１５質量％以下の低Ｉｎ含有率領域において、室温付近の温度でＩｎがＳｎに固溶した合金相であるβ‐Ｓｎ相が形成される。図１はＳｎ、Ｉｎを含む従来のはんだ合金の組織状態を表す図であり、図中、白抜きで示される領域がβ‐Ｓｎ相を表している。
(In content, Bi content)
In a solder alloy containing Sn as a main component, a β-Sn phase, which is an alloy phase in which In is dissolved in Sn at a temperature near room temperature, is formed in a low In content region where the In content is about 15% by mass or less. The FIG. 1 is a diagram showing the structure state of a conventional solder alloy containing Sn and In, and a region indicated by white in the drawing represents a β-Sn phase.
本明細書において「固溶」とは、母金属の結晶格子中の一部が固溶元素に原子レベルで置き換わる現象である。固溶が生じている結晶構造では、母金属元素と固溶元素の原子径の差により母元素の結晶格子にひずみが生じており、このひずみによって、応力負荷時の転移などの結晶欠陥の移動が抑制されるため、固溶が生じることにより合金の強度は向上する。一方、応力負荷時の延性は低下する。固溶によるはんだ合金の強度向上は、固溶元素の含有率が大きいほど大きくなる。 In this specification, “solid solution” is a phenomenon in which a part of the crystal lattice of the parent metal is replaced with a solid solution element at the atomic level. In a crystal structure in which solid solution occurs, the crystal lattice of the parent element is distorted due to the difference in atomic diameter between the parent metal element and the solid solution element, and this strain causes movement of crystal defects such as transition under stress loading. Therefore, the strength of the alloy is improved by solid solution. On the other hand, the ductility during stress loading decreases. The strength improvement of the solder alloy by solid solution increases as the solid solution element content increases.
Ｓｎ系はんだにＩｎを所定の含有率になるように固溶させた場合、温度が１００℃を越えた頃から、異なる構造のγ相（ＩｎＳｎ４）への相変態が生じる。つまり、異なる２相が共存する２相共存状態（γ＋β‐Ｓｎ）となる（図１右）。この２相共存状態になることで粒界においてすべりが生じやすくなるため、Ｓｎ系はんだにＩｎを所定の含有率になるように固溶させた合金は１００℃を越える温度において延性の向上を示す。 When In is dissolved in Sn-based solder so as to have a predetermined content, phase transformation to a γ phase (InSn 4 ) having a different structure occurs from when the temperature exceeds 100 ° C. That is, a two-phase coexistence state (γ + β-Sn) in which two different phases coexist (right side in FIG. 1). Since this two-phase coexistence state tends to cause slip at the grain boundary, an alloy in which In is dissolved in Sn-based solder so as to have a predetermined content exhibits improved ductility at temperatures exceeding 100 ° C. .
Ｓｎ系はんだにおけるＩｎ含有率が所定の含有率よりも大きい場合にはγ相への相変態が過剰に生じる。この場合、γ相とβ−Ｓｎ相の結晶格子構造の体積が異なるため、繰り返し熱サイクルがかかることではんだ合金の自己変形が生じる。この自己変形は、はんだ接合部の内部における破断や、隣り合うはんだ接合部間の短絡の原因となるため、合金において過剰な相変態が生じることは好ましくない。 When the In content in the Sn-based solder is larger than the predetermined content, the phase transformation to the γ phase occurs excessively. In this case, since the volumes of the crystal lattice structures of the γ phase and the β-Sn phase are different, the solder alloy undergoes self-deformation due to repeated thermal cycles. This self-deformation causes breakage in the solder joints and a short circuit between adjacent solder joints, and therefore it is not preferable that excessive phase transformation occurs in the alloy.
Ｓｎ系はんだにＩｎを所定の含有率になるように固溶させると、１００℃を越える温度における延性が向上することに加えて、はんだ合金の強度もまた高まる。しかしながら、１００℃を越える温度環境で使用する場合には、上記の過剰な相変態が生じ得るという理由から、Ｉｎ含有率を増加させることによる強度の向上には限界がある。本発明のはんだ合金において過剰な相変態を生じることなく、はんだ合金の１００℃を越える温度における延性を向上させ、加えてはんだ合金の強度を高めることができるＩｎ含有率は、好ましくは５．１６８質量％以上、より好ましくは５．３質量％以上であり、かつ６．５質量％以下、より好ましくは６．２質量％以下である。
When In is dissolved in Sn-based solder so as to have a predetermined content, in addition to improving ductility at temperatures exceeding 100 ° C., the strength of the solder alloy also increases. However, when used in a temperature environment exceeding 100 ° C., there is a limit to improving the strength by increasing the In content because the above-described excessive phase transformation can occur. The In content which can improve the ductility of the solder alloy at a temperature exceeding 100 ° C. without causing excessive phase transformation in the solder alloy of the present invention, and can increase the strength of the solder alloy, is preferably 5.168. It is at least mass%, more preferably at least 5.3 mass%, and at most 6.5 mass%, more preferably at most 6.2 mass%.
本発明者らはこの問題に対して研究開発を重ねた結果、Ｂｉ元素を合金に所定の範囲で含有させることによって、この問題を解決することができること、加えて高温における延性をさらに向上させることができることを新たに見出した。 As a result of repeated research and development on this problem, the present inventors can solve this problem by adding Bi element to the alloy within a predetermined range, and further improve the ductility at high temperature. I found out that I can do it.
Ｂｉは、Ｉｎと同様に、Ｓｎが主成分のはんだ合金に一定量固溶する。ＢｉおよびＩｎの固溶によって強度が向上する一方、通常は延性の低下を招く。 Bi, like In, is dissolved in a certain amount in a solder alloy containing Sn as a main component. While the strength is improved by the solid solution of Bi and In, the ductility is usually lowered.
図２は、本実施の形態における、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉを含むはんだ合金の組織状態を表す図である。室温付近の低温では、一定量のＢｉはβ‐Ｓｎ相に均一に固溶する（図２左）。そのため、Ｉｎと同様に鉛フリーはんだ合金の強度を向上させる。室温においてＢｉが偏析することなくβ‐Ｓｎ相に固溶する場合の、はんだ合金のＢｉ含有率は３．０質量％以下である。また、はんだ合金のＢｉ含有率が１．５質量％以上、好ましくは２．０質量％以上であることで、有利な強度の向上効果を得ることができる。 FIG. 2 is a diagram showing a structure state of a solder alloy containing Sn, In, and Bi in the present embodiment. At a low temperature around room temperature, a certain amount of Bi is uniformly dissolved in the β-Sn phase (left in FIG. 2). Therefore, the strength of the lead-free solder alloy is improved like In. The Bi content of the solder alloy is 3.0% by mass or less when Bi dissolves in the β-Sn phase without segregation at room temperature. Further, when the Bi content of the solder alloy is 1.5% by mass or more, preferably 2.0% by mass or more, an advantageous strength improvement effect can be obtained.
１００℃を越える温度においては、β‐Ｓｎ相の一部がγ相に相変態を生じるが、この場合においてＢｉはγ相には固溶せず、γ相に相変態していないβ‐Ｓｎ相にのみ固溶する（図２右）。そのため、γ相に相変態していないβ‐Ｓｎ相に固溶するＢｉが増えるため、β‐Ｓｎ相の強度がより高くなる。このようにしてβ‐Ｓｎ相とγ相との間の強度の差異が広がることによって、上述した粒界におけるすべりが生じやすくなるため、高温での延性が予想に反して大きくなることが明らかになった。 At temperatures exceeding 100 ° C., a part of the β-Sn phase undergoes phase transformation in the γ phase. In this case, Bi does not dissolve in the γ phase, and β-Sn not transformed into the γ phase. It dissolves only in the phase (FIG. 2 right). As a result, the amount of Bi dissolved in the β-Sn phase not transformed into the γ phase increases, and the strength of the β-Sn phase becomes higher. As the difference in strength between the β-Sn phase and the γ phase widens in this way, the above-mentioned slip at the grain boundary is likely to occur, and thus it is clear that the ductility at high temperature is unexpectedly increased. became.
（Ｃｕ含有率）
Ｃｕをはんだ合金に含有させることによって、はんだ付け時の融点を低下させることができ、また、被接合材の材質の選択性を向上させることもできる。
(Cu content)
By containing Cu in the solder alloy, the melting point at the time of soldering can be lowered, and the selectivity of the material to be joined can be improved.
はんだ付けにおける被接合体としては、母材のＣｕまたはＮｉに、各種めっきやプリフラックス処理を施したものが主である。被接合体の母材がＮｉの場合、Ｉｎを含むはんだ合金を用いてはんだ付けを行うと、はんだ合金に含まれるＩｎの一部が界面反応層（Ｎｉ３Ｓｎ４）に取り込まれる。これにより、はんだ付け後のはんだ接合部の機械的特性に変化が生じてしまうため、母材がＮｉの被接合体のはんだ付けには、界面反応層に取り込まれる量だけＩｎを予め多く含有させたはんだ合金を用いる必要がある。しかしながら、実際の回路基板においては、一枚の回路基板上に様々な電子部品が搭載されるため、母材がＣｕ、Ｎｉそれぞれの電子部品が搭載される場合には、Ｉｎ含有率の予めの調整は困難である。 As an object to be joined in soldering, a material obtained by subjecting Cu or Ni as a base material to various plating or preflux treatment is mainly used. When the base material of the joined body is Ni, when soldering is performed using a solder alloy containing In, a part of In contained in the solder alloy is taken into the interface reaction layer (Ni 3 Sn 4 ). As a result, the mechanical properties of the solder joint after soldering change, and therefore, in soldering the joined body whose base material is Ni, a large amount of In is contained in advance in an amount taken into the interface reaction layer. It is necessary to use a solder alloy. However, in an actual circuit board, various electronic components are mounted on a single circuit board. Therefore, when an electronic component of Cu or Ni is mounted on the base material, the In content ratio is determined in advance. Adjustment is difficult.
本発明では、はんだ合金に一定量のＣｕを含有しており、これにより、はんだ付け時に界面反応層にＣｕ６Ｓｎ５系の合金層が形成される。この合金層によってＩｎの取り込みを防ぐことができ、はんだ合金の被接合材の選択性を向上させることができる。上記方法によってＩｎの取り込みを防ぐために好ましいＣｕ含有率は０．５質量％以上であり、Ｃｕ含有率の上限は好ましくは１．２質量％である。このような上限とすることで、はんだ付け時のはんだのぬれ広がりが維持される。 In the present invention, the solder alloy contains a certain amount of Cu, whereby a Cu 6 Sn 5 based alloy layer is formed in the interface reaction layer during soldering. Incorporation of In can be prevented by this alloy layer, and the selectivity of the solder alloy material to be joined can be improved. In order to prevent In incorporation by the above method, the preferable Cu content is 0.5% by mass or more, and the upper limit of the Cu content is preferably 1.2% by mass. By setting it as such an upper limit, the wetting spread of the solder at the time of soldering is maintained.
したがって、本発明のはんだ合金において好ましいＣｕ含有率の範囲は式（２）で示される。
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２ （２）
Therefore, the preferable range of the Cu content in the solder alloy of the present invention is represented by the formula (2).
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2 (2)
Ｉｎの取り込みによるはんだ合金のＩｎ含有率の減少は、基板電極と部品電極の両方の母材がＮｉである場合に最も顕著である。このような場合においてＣｕ含有率が
０．５≦［Ｃｕ］≦１．０
の範囲にあるとき、（Ｉｎ減少率）は、
（Ｉｎ減少率）＝１．５７２−１．５５×（Ｃｕ含有率） （９）
で表される。本明細書中、元素の減少率とは（減少前のはんだ合金中の当該元素の含有率）−（減少後のはんだ合金中の当該元素の含有率）を意味するものとする。
The decrease in the In content of the solder alloy due to the incorporation of In is most noticeable when the base material of both the substrate electrode and the component electrode is Ni. In such a case, the Cu content is
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0
(In decrease rate) is in the range of
(In decrease rate) = 1.572-1.55 × (Cu content) (9)
It is represented by In the present specification, the element reduction rate means (content ratio of the element in the solder alloy before reduction) − (content ratio of the element in the solder alloy after reduction).
Ｃｕ含有率が
１．０＜［Ｃｕ］≦１．２
である場合において、はんだ合金のＩｎ含有率の減少はほとんど起こらないことが分かっている。
Cu content is
1.0 <[Cu] ≦ 1.2
In this case, it is known that the decrease in the In content of the solder alloy hardly occurs.
はんだ合金は、いずれの被接合体を接合する場合であっても信頼性を確保することが求められる。Ｉｎ含有率の減少が最も顕著になる場合でも信頼性を維持するために、Ｉｎ含有率の減少が生じる０．５≦［Ｃｕ］≦１．０の範囲では、はんだ合金の（Ｉｎ含有率の最小値）は、上記（Ｉｎ含有率の減少率）を考慮して、次の式（１０）で示される。
（Ｉｎ含有率最小値）＝５．１６８＋（１．５７２−１．５５×[Ｃｕ]）
＝６．７４−１．５５×［Ｃｕ］ （１０）
The solder alloy is required to ensure reliability even when any object to be joined is joined. In order to maintain reliability even when the decrease in the In content becomes the most significant, in the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0 where the decrease in the In content occurs, the (In content of the solder alloy) The minimum value is expressed by the following equation (10) in consideration of the above (decrease rate of In content).
(Minimum value of In content) = 5.168 + (1.572−1.55 × [Cu])
= 6.74−1.55 × [Cu] (10)
いずれの被接合体を接合する場合であってもはんだ合金の信頼性を確保するために、はんだ合金中で固溶を生じ得る元素の含有率が８．０質量％を上回ることが好ましい。 In order to ensure the reliability of the solder alloy in any case where the objects to be joined are joined, it is preferable that the content of elements capable of forming a solid solution in the solder alloy exceeds 8.0% by mass.
したがって、本発明のはんだ合金においてＩｎ含有率およびＢｉ含有率は式（７）を満たすことが好ましい。
８．０≦［Ｉｎ］＋［Ｂｉ］ （７）
したがって、Ｉｎ含有率の減少が生じる０．５≦［Ｃｕ］≦１．０の範囲において、以下の式：
８．０≦６．７４−１．５５×［Ｃｕ］+［Ｂｉ］ （１１）
が成立する。
Therefore, in the solder alloy of the present invention, it is preferable that the In content and the Bi content satisfy the formula (7).
8.0 ≦ [In] + [Bi] (7)
Therefore, in the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0 where the decrease in In content occurs, the following formula:
8.0 ≦ 6.74-1.55 × [Cu] + [Bi] (11)
Is established.
したがって、本発明のはんだ合金において好ましいＣｕ含有率およびＢｉ含有率はそれぞれ、
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２ （２）
１．５≦［Ｂｉ］≦３．０ （３）
であり、より好ましくは
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２ （２）
２．０≦［Ｂｉ］≦３．０ （６）
である。本発明のはんだ合金において好ましいＩｎ含有率は、０．５≦［Ｃｕ］≦１．０のとき
６．７４−１．５５×［Ｃｕ］≦［Ｉｎ］≦６．５ （４）
であり、１．０＜［Ｃｕ］≦１．２のとき
５．１６８≦［Ｉｎ］≦６．５ （５）
である。さらに、より好ましくは、本発明のはんだ合金のＩｎ含有率およびＢｉ含有率は式（７）
８．０≦［Ｉｎ］＋［Ｂｉ］ （７）
を満たす。
Therefore, preferable Cu content and Bi content in the solder alloy of the present invention are respectively
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2 (2)
1.5 ≦ [Bi] ≦ 3.0 (3)
And more preferably
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2 (2)
2.0 ≦ [Bi] ≦ 3.0 (6)
It is. A preferable In content in the solder alloy of the present invention is when 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0.
6.74-1.55 × [Cu] ≦ [In] ≦ 6.5 (4)
And when 1.0 <[Cu] ≦ 1.2
5.168 ≦ [In] ≦ 6.5 (5)
It is. More preferably, the In content and Bi content of the solder alloy of the present invention are expressed by the formula (7).
8.0 ≦ [In] + [Bi] (7)
Meet.
（Ａｇ含有率）
本発明のはんだ合金は、はんだ合金中にＡｇ３ＳｎまたはＡｇ２Ｉｎの形でＡｇを含む。Ａｇをはんだ合金に含有させることにより、はんだ付け時のぬれ性を改善することができ、加えて、融点を低下させることができる。
(Ag content)
The solder alloy of the present invention contains Ag in the form of Ag 3 Sn or Ag 2 In in the solder alloy. By containing Ag in the solder alloy, the wettability during soldering can be improved, and in addition, the melting point can be lowered.
リフローはんだ付けによりはんだ合金を均一に溶融させるためには、はんだ合金の液相線温度よりも１０℃以上高い温度をリフローピーク温度とすることが好ましい。電子部品の耐熱温度を考慮すると、リフローピーク温度は２４０℃以下とすることが好ましく、そのため、はんだ合金の液相線温度は２３０℃以下であることが好ましい。本発明のはんだ合金において、この液相線温度を達成するために好ましいＡｇ含有率の範囲は、
１．０≦［Ａｇ］≦４．０ （１）
である。
Ａｇ含有率が上記範囲にあることにより、はんだ合金の液相線温度とリフローピーク温度との間に１０℃以上の差が生じず、リフローはんだ付けによってはんだ合金を均一に溶融させることができる。
In order to uniformly melt the solder alloy by reflow soldering, it is preferable to set a temperature higher by 10 ° C. or more than the liquidus temperature of the solder alloy as the reflow peak temperature. Considering the heat resistant temperature of the electronic component, the reflow peak temperature is preferably 240 ° C. or lower, and therefore the liquidus temperature of the solder alloy is preferably 230 ° C. or lower. In the solder alloy of the present invention, the range of preferable Ag content for achieving this liquidus temperature is:
1.0 ≦ [Ag] ≦ 4.0 (1)
It is.
When the Ag content is in the above range, there is no difference of 10 ° C. or more between the liquidus temperature of the solder alloy and the reflow peak temperature, and the solder alloy can be uniformly melted by reflow soldering.
（Ｓｂ含有率）
Ｓｎを主成分とし、Ｉｎを含有するはんだ合金にＳｂを含有させることにより、β‐Ｓｎ相とγ相の相変態が生じる温度を上昇させることができる。繰り返し熱サイクルによってＬＥＤチップ内のＬＥＤのダイボンド部が劣化することで、万が一、放熱量増大が生じた場合であっても、Ｓｂを含有することにより相変態が過剰に生じないため、はんだ継ぎ手部の劣化を防止することができる。本発明のはんだ合金で、相変態が生じる温度を上昇させるために好ましいＳｂ含有率の範囲は、
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５ （８）
である。この範囲を下回ると、相変態が生じる温度が十分に上昇せず、はんだ継ぎ手部の劣化を防止することができない。この範囲を上回ると、はんだ合金中のＩｎとＳｂが化合物ＩｎＳｂを形成してしまい、延性の低下が生じる。
(Sb content)
By including Sb in a solder alloy containing Sn as a main component and containing In, the temperature at which the phase transformation between the β-Sn phase and the γ phase occurs can be increased. Even if an increase in the amount of heat dissipation occurs due to deterioration of the die bond portion of the LED in the LED chip due to repeated thermal cycling, the phase transformation does not occur excessively by containing Sb, so the solder joint portion Can be prevented. In the solder alloy of the present invention, a preferable range of Sb content for increasing the temperature at which phase transformation occurs is
0.5 ≦ [Sb] ≦ 1.25 (8)
It is. Below this range, the temperature at which the phase transformation occurs does not rise sufficiently and deterioration of the solder joint cannot be prevented. Above this range, In and Sb in the solder alloy form the compound InSb, resulting in a decrease in ductility.
（実施例１）
Ｓｎを主成分とするはんだ合金の強度及び１５０℃における伸びに与えるＢｉ含有率の影響を明確にするために、本発明のはんだ合金を、以下に示す方法により作製し、試験した。
Example 1
In order to clarify the influence of the Bi content on the strength and the elongation at 150 ° C. of the solder alloy containing Sn as a main component, the solder alloy of the present invention was prepared and tested by the following method.
作製
はんだ合金に含まれる元素を、［Ａｇ］、［Ｂｉ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］がそれぞれ３．５、０．５〜４．０、６．０、０．８であり、残部がＳｎであるように、かつ合計で１００ｇとなるように秤量した。
Preparation The elements contained in the solder alloy are [Ag], [Bi], [In] and [Cu] of 3.5, 0.5 to 4.0, 6.0 and 0.8, respectively, and the balance It was weighed to be Sn and a total of 100 g.
秤量したＳｎを、セラミック製のるつぼ内に投入し、るつぼを窒素雰囲気で５００℃の温度に調整された電気式ジャケットヒータの中に設置した。各元素を融点の低い順に投入し、１種投入する毎に３分間の攪拌を行った。全構成元素を投入した後、るつぼを電気式ジャケットヒータから取り出し、２５℃の水で満たされた容器に浸漬し、冷却を行うことにより、はんだ合金を作製した。 The weighed Sn was put into a ceramic crucible, and the crucible was placed in an electric jacket heater adjusted to a temperature of 500 ° C. in a nitrogen atmosphere. Each element was added in ascending order of melting point, and stirring was performed for 3 minutes every time one element was added. After all the constituent elements were added, the crucible was taken out from the electric jacket heater, immersed in a container filled with 25 ° C. water, and cooled to prepare a solder alloy.
試験
作製したはんだ合金を再度るつぼに投入し、電気式ジャケットヒータで２５０℃に加熱して溶融させ、引張試験片形状に加工されたグラファイト製の鋳型に流し込むことで引張試験片を作製した。引張試験片は、直径３ｍｍ、長さ１５ｍｍのくびれ部を有する丸棒形状とした。作製した引張試験片の機械的特性（引張強度と伸び）を評価するために、引張試験機を用いて室温および１５０℃における引張試験を行った。結果を表１、図３および図４に示した。
表１に示すように、Ｂｉを含有する従来例１、従来例２、実施例１−１、１−２、比較例１−２の引張強度はいずれも、Ｂｉを含有しない比較例１−１の引張強度よりも大きくなった。一方、比較例１−１と比較して伸びが大きく低下した、Ｂｉ含有率が４．０質量％の比較例１−２は、脆性的な破壊を呈した。Ｂｉ含有率が０．５〜３．０質量％の従来例１、従来例２、実施例１−１、１−２の伸びには顕著な低下は見られなかった。 As shown in Table 1, the tensile strengths of Conventional Example 1, Conventional Example 2, Example 1-1, 1-2, and Comparative Example 1-2 containing Bi are all Comparative Example 1-1 containing no Bi. It was larger than the tensile strength. On the other hand, Comparative Example 1-2 having a Bi content of 4.0% by mass, the elongation of which was greatly reduced as compared with Comparative Example 1-1, exhibited brittle fracture. No significant reduction was observed in the elongation of Conventional Example 1, Conventional Example 2, and Examples 1-1 and 1-2 with a Bi content of 0.5 to 3.0% by mass.
表１に示すように、Ｂｉを含有させた従来例１、従来例２、実施例１−１、１−２、比較例１−２の１５０℃における引張強度には、Ｂｉを含有しない比較例１−１の１５０℃引張強度と比較した大きな変化は見られなかった。一方、Ｂｉを含有させた従来例１、従来例２、実施例１−１、１−２、比較例１−２の１５０℃における伸びには、比較例１−１の１５０℃における伸びからの増加が見られた。特に、Ｂｉ含有率が２．０質量％以上の場合で１５０℃における伸びの増加は顕著であった。 As shown in Table 1, the comparative example which does not contain Bi in the tensile strength at 150 ° C. of Conventional Example 1, Conventional Example 2, Examples 1-1 and 1-2, and Comparative Example 1-2 containing Bi There was no significant change compared with 1-1 at 150 ° C tensile strength. On the other hand, the elongation at 150 ° C of Conventional Example 1, Conventional Example 2, Examples 1-1, 1-2, and Comparative Example 1-2 containing Bi is different from the elongation at 150 ° C of Comparative Example 1-1. An increase was seen. In particular, the increase in elongation at 150 ° C. was remarkable when the Bi content was 2.0% by mass or more.
（実施例２）
次に、Ｓｎを主成分とするはんだ合金の引張強度及び１５０℃における伸びに与えるＩｎ含有率の影響を明確にするために、［Ａｇ］、［Ｂｉ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］がそれぞれ３．５、２．０、５．０〜７．０、０．８または０．５であり、残部がＳｎであるように各元素を秤量し、実施例１と同様の方法ではんだ合金を作製した。作製したはんだ合金を実施例１と同様の方法で試験した結果を表２、図５および図６に示した。
Next, in order to clarify the influence of the In content on the tensile strength and the elongation at 150 ° C. of the solder alloy containing Sn as a main component, [Ag], [Bi], [In], and [Cu] are respectively 3.5, 2.0, 5.0 to 7.0, 0.8 or 0.5, each element is weighed so that the balance is Sn, and the solder alloy is prepared in the same manner as in Example 1. Produced. The results of testing the manufactured solder alloy by the same method as in Example 1 are shown in Table 2, FIG. 5 and FIG.
表２に示すように、Ｉｎ含有率の増大に伴って引張強度が増加した。一方、伸びにはＩｎ含有率の増大に伴う顕著な低下は見られなかった。 As shown in Table 2, the tensile strength increased with increasing In content. On the other hand, no significant decrease was observed in the elongation as the In content increased.
表２に示すように、Ｉｎ含有率の増大に伴って１５０℃における引張強度が増加した。比較例２−１および２−２の伸びが従来例１および２よりも低下するのに対し、実施例２−１〜２−３では従来例１および２と比較して高い値を示した。 As shown in Table 2, the tensile strength at 150 ° C. increased as the In content increased. While the elongations of Comparative Examples 2-1 and 2-2 were lower than those of Conventional Examples 1 and 2, Examples 2-1 to 2-3 showed higher values than Conventional Examples 1 and 2.
（実施例３）
次に、Ｉｎ含有率が、Ｂｉ含有率が３．０であるＳｎを主成分とするはんだ合金の強度及び高温での延性に与える影響を明確にするために、［Ａｇ］、［Ｂｉ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］がそれぞれ３．５、３．０、５．０〜７．０、０．８または０．５であり、残部がＳｎであるように各元素を秤量し、実施例１と同様の方法ではんだ合金を作製した。作製したはんだ合金を実施例１と同様の方法で試験した結果を表３、図７および図８に示した。
Next, in order to clarify the influence of the In content on the strength and ductility at high temperature of the Sn-based solder alloy whose Bi content is 3.0, [Ag], [Bi], Each element was weighed so that [In] and [Cu] were 3.5, 3.0, 5.0 to 7.0, 0.8 or 0.5, and the balance was Sn. 1 was used to produce a solder alloy. The results of testing the produced solder alloy by the same method as in Example 1 are shown in Table 3, FIG. 7 and FIG.
表３に示すように、Ｉｎ含有率の増大に伴って引張強度が増加した。一方、伸びにはＩｎ含有率の増大に伴う顕著な低下は見られなかった。 As shown in Table 3, the tensile strength increased as the In content increased. On the other hand, no significant decrease was observed in the elongation as the In content increased.
表３に示すように、Ｉｎ含有率の増大に伴って１５０℃における引張強度が増加した。Ｉｎ含有率が５．０〜６．０においては、Ｉｎ含有率の増大に伴う１５０℃における伸びの著しい増加が見られたが、Ｉｎ含有率が６．０を越えたものには著しい減少が見られた。 As shown in Table 3, the tensile strength at 150 ° C. increased as the In content increased. When the In content was 5.0 to 6.0, a significant increase in elongation at 150 ° C. was observed with an increase in the In content, but there was a significant decrease in the case where the In content exceeded 6.0. It was seen.
上記（実施例１）〜（実施例３）において、Ｉｎ含有率とＢｉ含有率がはんだ合金の特性に与えた効果を以下に考察する。 In the above (Example 1) to (Example 3), the effects of the In content and Bi content on the characteristics of the solder alloy will be discussed below.
Ｂｉ含有率が増えるにつれて、室温における引張強度が上昇した。Ｂｉ含有率の増加に伴いβ‐Ｓｎ相に固溶するＢｉ量が増加し、β‐Ｓｎ相が強固になったためであると考えられる。一方、室温における伸びは、Ｂｉ含有率が３．０質量％以下のものにおいてほとんど変化はなく、Ｂｉ含有率が３．０質量％を上回るものにおいて低下した。これはＢｉの偏析が生じたためであると考えられる。 As the Bi content increased, the tensile strength at room temperature increased. This is probably because the amount of Bi dissolved in the β-Sn phase increased with an increase in Bi content, and the β-Sn phase became stronger. On the other hand, the elongation at room temperature hardly changed when the Bi content was 3.0% by mass or less, and decreased when the Bi content exceeded 3.0% by mass. This is presumably because Bi segregation occurred.
Ｂｉ含有率が増えることによる、１５０℃における引張強度の向上はほとんど見られなかった。これはＢｉがβ‐Ｓｎ相にのみ固溶しているため、γ相の強度に影響を与えなかったためであると考えられる。一方、Ｂｉ含有率が２．０〜３．０質量％の合金の１５０℃における伸びに関しては、Ｉｎ含有率が５．５〜６．５質量％の場合には室温と比較して向上したが、Ｉｎ含有率が５．０または７．０質量％の場合には室温と比較して必ずしも向上しなかった。このことについては次のように考えられる。 There was hardly any improvement in tensile strength at 150 ° C. due to an increase in Bi content. This is considered to be because Bi did not affect the strength of the γ phase because it was dissolved only in the β-Sn phase. On the other hand, regarding the elongation at 150 ° C. of the alloy having a Bi content of 2.0 to 3.0% by mass, the In content was improved as compared to room temperature when the In content was 5.5 to 6.5% by mass. When the In content was 5.0 or 7.0% by mass, it was not always improved as compared with room temperature. This can be considered as follows.
Ｓｎを主成分とし、Ｉｎを含有するはんだ合金の１５０℃の温度における伸びの向上には、β‐Ｓｎ相とγ相とが１５０℃の温度で共存することにより生じる粒界すべりが影響していることが明らかになっている。このようなはんだ合金にＢｉが含有されているとき、昇温にともなってγ相が生じた場合であっても、Ｂｉはβ‐Ｓｎ相にのみ固溶するため、β‐Ｓｎ相中のＢｉ濃度が上がり、β‐Ｓｎ相の強度のみが向上する。このようにしてβ‐Ｓｎ相−γ相間の強度の差異が広がることにより、粒界すべりが促進されるため、昇温にともなって伸びが向上する。上記実施例１〜３において見られたＢｉ含有率が２．０〜３．０質量％の合金の１５０℃における伸びの向上は、この粒界すべりの促進に起因するものであると考えられる。一方、Ｉｎ含有率が５．０質量％および７．０質量％のとき、伸びは必ずしも向上しなかった。これはβ‐Ｓｎ相に対するγ相の割合が少なすぎるかまたは多すぎるため、Ｉｎ含有率が５．５〜６．５質量％の場合と比較して２相間の粒界が少なく、上記粒界すべりの促進に起因する伸びの向上が効果的に得られなかったためであると考えられる。 The improvement in elongation at 150 ° C. of a solder alloy containing Sn as a main component and containing In is influenced by the grain boundary slip caused by the coexistence of a β-Sn phase and a γ phase at a temperature of 150 ° C. It is clear that When Bi is contained in such a solder alloy, Bi dissolves only in the β-Sn phase even if a γ phase is generated with an increase in temperature, so Bi in the β-Sn phase The concentration increases and only the strength of the β-Sn phase is improved. Since the difference in strength between the β-Sn phase and the γ phase spreads in this way, the grain boundary sliding is promoted, so that the elongation improves as the temperature rises. The improvement in elongation at 150 ° C. of the alloys having a Bi content of 2.0 to 3.0 mass% seen in Examples 1 to 3 is considered to be due to the promotion of the grain boundary sliding. On the other hand, when the In content was 5.0% by mass and 7.0% by mass, the elongation was not always improved. This is because the ratio of the γ phase to the β-Sn phase is too small or too large, so that there are few grain boundaries between the two phases compared to the case where the In content is 5.5 to 6.5% by mass. This is probably because the improvement in elongation due to the promotion of slip was not effectively obtained.
（実施例４）
Ｓｎを主成分とするはんだ合金を用いて、電子部品を金属ベース基板にはんだ付けした実装構造体において、Ｂｉ含有率とＩｎ含有率とが耐熱疲労特性に与える影響を評価するために、耐熱疲労特性の試験に用いるための実装構造体を以下に示す方法により作製した。
Example 4
In order to evaluate the effects of Bi content and In content on thermal fatigue characteristics in a mounting structure in which electronic components are soldered to a metal base substrate using a solder alloy containing Sn as a main component, A mounting structure for use in the characteristic test was produced by the following method.
作製
［Ａｇ］、［Ｂｉ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］がそれぞれ３．５、０．５〜３．５、５．０〜７．０、０．８であり、残部がＳｎであるように各元素を秤量し、実施例１と同様の方法ではんだ合金を作製した。作製したはんだ合金を、数１０μｍのはんだ粉に加工し、はんだ粉とフラックスとを重量比が９０：１０となるように秤量し、それらを混練してはんだペーストを作製した。
Production [Ag], [Bi], [In], and [Cu] are 3.5, 0.5 to 3.5, 5.0 to 7.0, and 0.8, respectively, and the remainder is Sn. Each element was weighed and a solder alloy was produced in the same manner as in Example 1. The produced solder alloy was processed into a solder powder of several tens of μm, the solder powder and the flux were weighed so as to have a weight ratio of 90:10, and kneaded to prepare a solder paste.
厚さ１５０μｍのメタルマスクを用いて回路基板電極１０２を、金属基材１０１の上に絶縁層を介して備えた。作製したはんだペーストを、厚さ１．６ｍｍの金属ベース基板１００上の基板電極１０２に印刷した。印刷したはんだペースト上に、１６０８サイズ（１．６ｍｍ×０．８ｍｍ）のチップ抵抗１０３を接合し、最高２４０℃の温度条件でリフロー加熱を行い、はんだ継ぎ手部１０５を形成することで実装構造体を作製した。金属ベース基板１００の基板電極１０２の母材はＣｕ、金属基材１０１の母材はアルミニウムであった。
The
はんだ合金の信頼性試験を実施するために上記のように製造された実装構造体を図９に示した。１００は金属ベース基板、１０１は金属基材、１０２は回路基板電極、１０３はチップ抵抗、１０４は部品電極、１０５ははんだ継ぎ手部、１０６は絶縁層を示している。
FIG. 9 shows a mounting structure manufactured as described above in order to perform a reliability test of the solder alloy.
試験
信頼性試験を、低温側−４０℃、高温側１５０℃で、各３０分ずつの繰り返し熱サイクルを負荷することにより行った結果を表４に示した。熱サイクルを負荷するごとに抵抗値を測定し、抵抗値が２倍以上に上昇したサイクル数を寿命とした。判定基準欄には、２０００サイクルで抵抗値の上昇が見られなかったものに○を、２５００サイクルで抵抗値の上昇が見られなかったものに◎を記載している。また、先行文献で見られた、Ｓｎを主成分とし、Ｉｎを含有するはんだ合金の相変態による変形に関して、２０００サイクルでの変形の有無を併せて評価した。
表４に示すように、従来例４−１〜４−４については寿命が２０００サイクル以下であるのに対して、実施例４−１〜４−１２では、寿命がいずれも２０００サイクル以上であった。［Ａｇ］、［Ｂｉ］、［Ｉｎ］、［Ｃｕ］がそれぞれ３．５、２．０〜３．０、５．５〜６．５、０．８であり、残部がＳｎである実施例４−５〜４−１２の寿命は、２５００サイクル以上と特に優れていた。一方、比較例４−２、４−５が示すように、Ｉｎ含有率が５．５〜６．５質量％であっても、Ｂｉ含有率が１．０質量％以下であると、寿命は２０００サイクルを下回った。これは、Ｂｉの量が少なすぎたために、得られる機械的特性の向上が小さかったためと考えられる。また、比較例４−１６、４−１７、４−１８が示すように、Ｉｎ含有率が５．５〜６．５質量％であっても、Ｂｉ含有率が３．５質量％以上であると、機械的特性の向上効果は得られるものの寿命は２０００サイクルを下回った。これは、Ｂｉの量が多すぎたために、繰り返し高温に晒されたことによってＢｉが結晶粒界に偏析し、経時的に延性が低下したためであると考えられる。 As shown in Table 4, the lifetimes of the conventional examples 4-1 to 4-4 are 2000 cycles or less, while the lifetimes of the examples 4-1 to 4-12 are all 2000 cycles or more. It was. Examples where [Ag], [Bi], [In] and [Cu] are 3.5, 2.0 to 3.0, 5.5 to 6.5 and 0.8, respectively, and the balance is Sn The life of 4-5 to 4-12 was particularly excellent at 2500 cycles or more. On the other hand, as shown in Comparative Examples 4-2 and 4-5, even when the In content is 5.5 to 6.5% by mass, the lifetime is as long as the Bi content is 1.0% by mass or less. Below 2000 cycles. This is presumably because the improvement in mechanical properties obtained was small because the amount of Bi was too small. Further, as shown in Comparative Examples 4-16, 4-17, and 4-18, even if the In content is 5.5 to 6.5% by mass, the Bi content is 3.5% by mass or more. Although the effect of improving the mechanical properties was obtained, the life was less than 2000 cycles. This is considered to be because Bi was segregated to the crystal grain boundary due to repeated exposure to high temperature due to the excessive amount of Bi, and the ductility decreased with time.
表４に示すように、Ｉｎ含有率が５．０質量％の比較例４−１、４−４、４−７、４−９、４−１１、４−１３、４−１５では、Ｂｉの含有率に関わらず寿命が２０００サイクルを下回った。この結果から、Ｉｎ含有率が小さい場合、Ｂｉ含有率によらず高温での伸びは改善されないことが分かった。また、Ｉｎ含有率が７．０質量％の比較例４−３、４−６、４−８、４−１０、４−１２、４−１４、４−１９でも、Ｂｉの含有率に関わらず寿命が２０００サイクルを下回った。これら比較例にははんだ合金の変形も見られるため、β−Ｓｎ相からγ相への相変態が過剰に生じたと考えられる。 As shown in Table 4, in Comparative Examples 4-1, 4-4, 4-7, 4-9, 4-11, 4-13, and 4-15 having an In content of 5.0% by mass, Bi The lifetime was less than 2000 cycles regardless of the content. From this result, it was found that when the In content is small, the elongation at high temperature is not improved regardless of the Bi content. In Comparative Examples 4-3, 4-6, 4-8, 4-10, 4-12, 4-14, and 4-19 having an In content of 7.0% by mass, regardless of the Bi content, Lifespan was below 2000 cycles. In these comparative examples, since deformation of the solder alloy is also observed, it is considered that the phase transformation from the β-Sn phase to the γ phase occurred excessively.
（実施例５）
本発明のはんだ合金の効果の発現に好適な範囲の含有率で各元素を含むはんだ合金を作製し、耐熱疲労特性を評価した結果を表５に示した。はんだ合金の作製方法および試験方法は実施例４と同様である。金属ベース基板１００の回路基板電極１０２の母材は、Ｃｕ及びＡｕ／Ｎｉ、金属基材１０１の母材はアルミニウムであった。
Table 5 shows the results of producing solder alloys containing each element in a content range suitable for the expression of the effects of the solder alloy of the present invention and evaluating the thermal fatigue characteristics. The method for producing and testing the solder alloy is the same as in Example 4. The base material of the
表５に示すように、本発明のはんだ合金の効果の発現に好適な範囲の含有率で各元素を含む実施例５−１〜５−１１はいずれも２０００サイクル以上の寿命を有した。特に、実施例５−２、５−４、５−５、５−８は基板電極の母材がＣｕ、Ａｕ／Ｎｉいずれの場合においても３０００サイクル以上の寿命を有し、実施例５−１、５−６、５−７、５−１０、５−１１は基板電極の母材がＣｕの場合には３０００サイクル以上の寿命を有した。一方、比較例５−１〜５−７、従来例５−１は、含有される元素のいずれかが本発明のはんだ合金の効果の発現に好適な範囲から外れているため、信頼性試験における寿命は、基板電極の母材がＣｕまたはＡｕ／Ｎｉである場合において、またはＣｕ、Ａｕ／Ｎｉいずれの場合においても、２０００サイクルを下回った。０．５≦［Ｃｕ］≦１．０の範囲において、Ａｕ／Ｎｉ電極で式（９）に基づくＩｎ含有率の減少が生じていることを考慮すると、本発明のはんだ合金の効果を発現するためには、上記減少が生じたとしても、Ｉｎ含有率が５．１６８以上であることが好ましいことが明らかになった。 As shown in Table 5, each of Examples 5-1 to 5-11 containing each element at a content in a range suitable for expression of the effect of the solder alloy of the present invention had a life of 2000 cycles or more. In particular, Examples 5-2, 5-4, 5-5, and 5-8 have a life of 3000 cycles or more regardless of whether the base material of the substrate electrode is Cu or Au / Ni. 5-6, 5-7, 5-10, and 5-11 had a life of 3000 cycles or more when the base material of the substrate electrode was Cu. On the other hand, in Comparative Examples 5-1 to 5-7 and Conventional Example 5-1, any of the contained elements is out of the range suitable for the expression of the effect of the solder alloy of the present invention. The lifetime was less than 2000 cycles when the base material of the substrate electrode was Cu or Au / Ni, or when Cu or Au / Ni was used. In consideration of the decrease in In content based on the formula (9) in the Au / Ni electrode in the range of 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0, the effect of the solder alloy of the present invention is exhibited. Therefore, it has been found that even if the above reduction occurs, the In content is preferably 5.168 or more.
以上より、好ましい本発明のはんだ合金において、Ｂｉ含有率、Ｃｕ含有率およびＡｇ含有率はそれぞれ、
１．５≦［Ｂｉ］≦３．０ （３）
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２ （２）
１．０≦［Ａｇ］≦４．０ （１）
であり、Ｉｎ含有率は、０．５≦［Ｃｕ］≦１．０のとき、
６．７４−１．５５×［Ｃｕ］≦［Ｉｎ］≦６．５ （４）
であり、１．０＜［Ｃｕ］≦１．２のとき、
５．１６８≦［Ｉｎ］≦６．５ （５）
であり、残部はＳｎである。
より好ましい本発明のはんだ合金において、Ｂｉ含有率、Ｃｕ含有率およびＡｇ含有率はそれぞれ、
２．０≦［Ｂｉ］≦３．０ （６）
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２ （２）
１．０≦［Ａｇ］≦４．０ （１）
であり、Ｉｎ含有率は、０．５≦［Ｃｕ］≦１．０のとき、
６．７４−１．５５×［Ｃｕ］≦［Ｉｎ］≦６．５ （４）
であり、１．０＜［Ｃｕ］≦１．２のとき、
５．１６８≦［Ｉｎ］≦６．５ （５）
であり、上記［Ｉｎ］および［Ｂｉ］が
８．０≦［Ｉｎ］＋［Ｂｉ］ （７）
を満たし、残部はＳｎである。
さらに、本発明のはんだ合金は、Ｓｎの一部を
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５ （８）
の範囲でＳｂに置換してもよい。
From the above, in the preferred solder alloy of the present invention, the Bi content, Cu content and Ag content are respectively
1.5 ≦ [Bi] ≦ 3.0 (3)
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2 (2)
1.0 ≦ [Ag] ≦ 4.0 (1)
And the In content is 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
6.74-1.55 × [Cu] ≦ [In] ≦ 6.5 (4)
And when 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
5.168 ≦ [In] ≦ 6.5 (5)
And the balance is Sn.
In a more preferred solder alloy of the present invention, Bi content, Cu content and Ag content are respectively
2.0 ≦ [Bi] ≦ 3.0 (6)
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2 (2)
1.0 ≦ [Ag] ≦ 4.0 (1)
And the In content is 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0,
6.74-1.55 × [Cu] ≦ [In] ≦ 6.5 (4)
And when 1.0 <[Cu] ≦ 1.2,
5.168 ≦ [In] ≦ 6.5 (5)
[In] and [Bi] are
8.0 ≦ [In] + [Bi] (7)
And the balance is Sn.
Furthermore, the solder alloy according to the present invention has a part of Sn.
0.5 ≦ [Sb] ≦ 1.25 (8)
It may be replaced with Sb within the range of
本発明によるはんだ合金は、１５０℃の温度においても優れた耐熱疲労特性を有するはんだ継ぎ手およびそれを有する実装構造体を実現することが可能であり、たとえば、ＬＥＤやパワーデバイスなどの発熱の大きな部品を搭載した実装構造体等における利用に有用である。 The solder alloy according to the present invention can realize a solder joint having excellent thermal fatigue characteristics even at a temperature of 150 ° C. and a mounting structure having the solder joint. For example, a component that generates a large amount of heat, such as an LED or a power device. It is useful for use in mounting structures equipped with
１００ 金属ベース基板
１０１ アルミニウム基材
１０２ 回路基板電極
１０３ チップ抵抗
１０４ 部品電極
１０５ はんだ継ぎ手部
１０６ 絶縁層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
１．０≦［Ａｇ］≦４．０
０．５≦［Ｃｕ］≦１．２
１．５≦［Ｂｉ］≦３．０
（式中、［Ａｇ］、［Ｃｕ］および［Ｂｉ］は、それぞれＡｇ、ＣｕおよびＢｉの含有率（質量％）を表す）
を満たし、０．５≦［Ｃｕ］≦１．０のとき、以下の式：
６．７４−１．５５×［Ｃｕ］≦［Ｉｎ］≦６．５
を満たし、１．０＜［Ｃｕ］≦１．２のとき、以下の式：
５．１６８≦［Ｉｎ］≦６．５
を満たす（式中［Ｉｎ］は、Ｉｎの含有率（質量％）を表す）、はんだ合金。 Contains Ag, Bi, In and Cu with the balance consisting of Sn, with the following formula:
1.0 ≦ [Ag] ≦ 4.0
0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.2
1.5 ≦ [Bi] ≦ 3.0
(In the formula, [Ag], [Cu] and [Bi] represent the contents (mass%) of Ag, Cu and Bi, respectively)
When 0.5 ≦ [Cu] ≦ 1.0, the following formula:
6.74-1.55 × [Cu] ≦ [In] ≦ 6.5
When 1.0 <[Cu] ≦ 1.2, the following formula:
5.168 ≦ [In] ≦ 6.5
(In the formula, [In] represents the content (% by mass) of In).
２．０≦［Ｂｉ］≦３．０
８．０≦［Ｉｎ］＋［Ｂｉ］
をさらに満たす、請求項１に記載のはんだ合金。 Bi and In are represented by the following formula:
2.0 ≦ [Bi] ≦ 3.0
8.0 ≦ [In] + [Bi]
The solder alloy according to claim 1, further satisfying:
０．５≦［Ｓｂ］≦１．２５
を満たす（式中［Ｓｂ］は、Ｓｂの含有率（質量％）を表す）、請求項１または２に記載のはんだ合金。 Part of Sn is replaced with Sb, and Sb is
0.5 ≦ [Sb] ≦ 1.25
The solder alloy according to claim 1 or 2, wherein [Sb] represents a Sb content (mass%).
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