JP5280520B2 - はんだ材料および電子部品接合体 - Google Patents

Description

本発明は、鉛フリーのはんだ材料、そのようなはんだ材料を用いた電子部品接合体、および電子部品接合体の製造方法に関する。

尚、本明細書中、はんだ材料の金属組成を説明するのに、Ｓｎ以外の金属元素の直前に数値または数値範囲を示すことがあるが、これは、当該技術分野において一般的に使用されているように、金属組成中に占める各元素の重量％を数値または数値範囲で示しており、残部がＳｎから成ることを意味する。

電子部品を基板に実装するには、通常、電気的接続性に優れ、かつ生産性および作業性の高いはんだ付けによる接合が利用されている。

はんだ材料としては、従来、鉛を含有したＳｎ−Ｐｂ共晶はんだが使用されてきたが、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに代わるものとして、種々の鉛フリーはんだが導入検討および実用化されてきている。

現在、鉛フリーはんだとして、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎなどが一般的に使用されている（例えば特許文献１を参照のこと）。これら鉛フリーはんだは、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだと同等の接続信頼性を有するとされており、例えば−４０℃と８５℃との間での温度サイクル試験を１０００サイクル実施しても、製品の機能停止に至る接続不良が発生しない接合品質を得ることができる。

また、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだに、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕからなる群より選択される少なくとも１種を添加して成る鉛フリーはんだが提案されている（特許文献２を参照のこと）。より詳細には、特許文献２には、Ａｇを０．５〜５重量％、Ｉｎを０．５〜２０重量％、Ｂｉを０．１〜３重量％、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇａ、ＧｅおよびＣｕからなる群より選択される少なくとも１種を３重量％以下、および残部のＳｎを含んで成る鉛フリーはんだが開示されており、その実施例では、−４０℃と１２５℃との間での温度サイクル試験を１０００〜２０００サイクル実施しても、はんだ合金に変形が認められなかったことが記載されている。

特許３０４０９２９号公報 特開２００４−１８８４５３号公報

自動車のエンジンルームなどの過酷な温度環境に曝される用途に対しては、はんだ接合部に一層高い耐久性、より詳細には耐熱疲労特性が要求される。自動車のエンジンルーム相当の信頼性要件として−４０℃と１５０℃との間での温度サイクル試験が行われ、かかる試験を３０００サイクル実施しても、製品の機能停止に至る接続不良（以下、本明細書において単に「接続不良」とも言う）が発生しないことが求められる。

しかしながら、上述したような従来の鉛フリーはんだは、このような過酷な温度環境に曝される用途に対し、満足できる耐熱疲労特性を有していない。

例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ（特許文献１）のはんだ材料を用いて得られた電子部品接合体を、−４０℃と１５０℃との間での温度サイクル試験に付すと、１０００サイクルまでに接続不良が発生してしまう。

更に、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ−０．５Ｓｂ（特許文献２）のはんだ材料を用いてリフローはんだ付けにより得られた電子部品接合体であっても、図８に示すような亀裂６７が発生し得る（図８中、亀裂６７は亀裂の想定経路を示している）。

本発明者らは、電子部品と基板との間のはんだ接合部に亀裂（またはクラック）が生じ、この亀裂が最終的に断線をもたらすことにより、接続不良が発生していることを見出し、その原因を究明した。図８に示す電子部品接合体７０は、電子部品６３の銅から成る電極部６３ａが、基板６１の銅から成る電極ランド６１ａ（レジスト６１ｂで覆われていない）に、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８．０Ｉｎ−０．５Ｓｂを用いて接合されて成る。加熱または時間の経過につれて、電極部６３ａおよび電極ランド６１ａの表面にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物６５ａがそれぞれ成長するが、これらＣｕ−Ｓｎ金属間化合物６５ａの間にはんだ母相６５ｂが連続的に残存する。Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物６５ａは硬くて脆い性質を有し、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物６５ａとはんだ母相６５ｂとの間に脆弱な接合界面が形成され、はんだ母相６５ｂの連続相を通って亀裂６７が伝播し、最終的に断線をもたらして、接続不良が発生するものと考えられる。

本発明は、自動車のエンジンルームなどの過酷な温度環境下であっても、高い耐熱疲労特性を示し、製品の機能停止に至る接続不良の発生を効果的に低減し得る、鉛フリーのはんだ材料を提供することを目的とする。また、本発明は、そのようなはんだ材料を用いた電子部品接合体、および電子部品接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、はんだ接合部の応力緩和性をＳｎに対するＩｎの含有量によって制御できること、およびＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素を添加することによって、この添加元素が、はんだ材料と被接合金属との間で形成される金属間化合物の層に溶け込んで、その形成および成長を促進させる得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の１つの要旨によれば、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎを含んで成るはんだ材料が提供される。

このような本発明のはんだ材料は、Ｉｎの含有量を４．０〜６．０重量％とすることよって、はんだ接合部において応力緩和性に優れた部分（はんだ母相）を形成することができ、亀裂の発生を効果的に防止することができる。また、本発明のはんだ材料は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）で添加することによって、被接合金属（好ましくは銅）との間で形成される硬い金属間化合物（好ましくはＣｕ−Ｓｎ金属間化合物）の成長を促進できるので、はんだ接合部において熱的かつ機械的に安定な部分（金属間化合物の成長相、好ましくは金属間化合物による閉塞構造）を形成することができ、亀裂の発生および伸長を妨げることができる。このような本発明のはんだ材料を用いれば、自動車のエンジンルームなどの過酷な温度環境下であっても、高い耐熱疲労特性を示し、製品の機能停止に至る接続不良の発生を効果的に低減することができる。

尚、本発明において「はんだ材料」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く、および／または、金属以外の他の成分（例えばフラックスなど）を含んでいてもよいことを意味する。また、「Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物」とは、ＣｕとＳｎを主成分とする合金を意味し、金属間化合物による「閉塞構造」とは、はんだ材料が接合すべき部材間が金属間化合物によって繋がっていることを意味し、部材間の空間全体が金属間化合物で閉塞されることを必ずしも要しないことに留意されたい。

本発明のもう１つの要旨によれば、電子部品の銅を含む電極部が、基板の銅を含む電極ランドに、はんだ材料を用いて形成された接合部（本明細書において単に「はんだ接合部」または「接合部」とも言う）によって接合されており、該はんだ材料は、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎを含んで成る、電子部品接合体が提供される。

このような本発明の電子部品接合体は、本発明のはんだ材料について上述したものと同様の作用および効果を奏する。かかる電子部品接合体は電子回路基板であってよく、従来よりも耐久性（特に耐熱疲労特性）に優れた電子回路基板を実現することができる。

本発明の電子部品接合体においては、はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がＣｕ−Ｓｎ金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞されていてよい。しかしながら、本発明の電子部品接合体は、かかる閉塞構造を既に有している必要はなく、ユーザーによる実使用の間にこのような閉塞構造が形成され得るものであってもよい。

本発明のもう１つの要旨によれば、電子部品の銅を含む電極部が、基板の銅を含む電極ランドに、はんだ材料を用いて形成された接合部によって接合された電子部品接合体の製造方法であって、
電子部品の銅を含む電極部を、基板の銅を含む電極ランドに、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎを含んで成るはんだ材料によって接合し、および
該はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がＣｕ−Ｓｎ金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞するまで、熱処理により、電子部品の電極部および基板の電極ランドの双方からＣｕ−Ｓｎ金属間化合物を成長させる
ことを含んで成る、製造方法が提供される。

このような本発明の製造方法は、上記閉塞構造を既に有する電子部品接合体を、極めて簡便な方法で、意図的に製造することができる。

本発明によれば、鉛フリーのはんだ材料であって、そのはんだ接合部を応力緩和性に優れた部分（はんだ母相）および熱的かつ機械的に安定な部分（金属間化合物の成長相、好ましくは金属間化合物による閉塞構造）により構成することができ、よって、自動車のエンジンルームなどの過酷な温度環境下であっても、高い耐熱疲労特性を示し、製品の機能停止に至る接続不良の発生を効果的に低減し得る、はんだ材料が提供される。

また、本発明によれば、上記と同様の作用および効果を奏し得る電子部品接合体も提供される。かかる電子部品接合体は電子回路基板であってよく、従来よりも耐久性（特に耐熱疲労特性）に優れた電子回路基板を実現することができる。

更に、本発明によれば、耐熱疲労特性の向上に寄与する金属間化合物による閉塞構造を既に有する電子部品接合体を、意図的に製造することができる。

本発明の１つの実施形態におけるはんだ材料を用いて電子部品が基板に接合された電子部品接合体の部分概略断面図（電子部品の右側半分をその下の基板と共に示す）である。 図１の実施形態の電子部品接合体を上から見た図であって、基板面上に電子部品の電極部を投影した図である。 Ｓｎ−Ａｇ中のＡｇ含有量と液相線温度の関係を示すグラフである。 Ｓｎ−Ｉｎ中のＩｎ含有量とＳｎの変態温度（実線）およびはんだ接合部のせん断強度（点線）の関係を示すグラフである。 Ｓｎ−３．５Ａｇ−Ｂｉ中のＢｉ含有量と破断伸びの関係を示すグラフである。 本発明の電子部品接合体の製造方法を説明する２種の工程フロー図であり、（ａ）は図１の実施形態の電子部品接合体を製造する工程フロー図、（ｂ）は別の工程フロー図である。 電子部品接合体のはんだ接合部のＳＥＭ写真であり、（ａ）は実施例２の場合、（ｂ）は比較例２の場合である。 従来のはんだ材料を用いて電子部品が基板に接合された電子部品接合体の部分概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（電子部品接合体）
図１に示すように、本実施形態の電子部品接合体１０は、電子部品３の銅を含む電極部３ａが、基板１の銅を含む電極ランド１ａ（レジスト１ｂで覆われていない）に、はんだ材料を用いて形成された接合部（はんだ接合部）５によって接合されている。

はんだ材料には、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎを含んで成る、鉛フリーのはんだ材料を使用する。

このはんだ材料を用いて形成された接合部５において、電子部品３の電極部３ａと基板１の電極ランド１ａとの間がＣｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａで少なくとも部分的に閉塞されて（または繋がって）いる。Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａは、はんだ材料中のＳｎと、電極部３ａおよび電極ランド１ａを構成していたＣｕとにより形成され、電極部３ａおよび電極ランド１ａよりそれぞれ成長し、やがて互いに接触または結合して、電極部３ａと電極ランド１ａとの間を閉塞するようになる（図１を参照のこと）。接合部５のうち、Ｃｎ−Ｓｎ金属間化合物５ａ以外の部分は、はんだ母相（または、はんだ材料に由来し、Ｃｎ−Ｓｎ金属間化合物が形成された後のはんだバルク相）５ｂから成る。電極部３ａと電極ランド１ａとの間では、Ｃｎ−Ｓｎ金属間化合物５ａにより少なくとも部分的に閉塞されているために、はんだ母相５ｂはこれらの間の全域に亘る連続相として存在することが妨げられる。

図示する態様では、接合部５の外形は、通常、電極ランド１ａを底面とし、電極部３ａの上縁部（図１で電極部３ａの引き出し線を付した上端部）を上面とする四角錐台から、電子部品３および電極部３ａを取り除いた形状を有し得る。概略的には、接合部５は、電極ランド１ａおよび電極部３ａが互いに対向している間の部分（図１中、その投影範囲を記号「Ａ」にして示し、図２において電極部３ａが覆う領域である）、および電極ランド１ａの残りの非対向領域と、電極部３ａの残りの領域を含み基板面に略垂直な面と、これらの縁部をつなぐ傾斜面とで囲まれるフィレット部分（図１中、その投影範囲を記号「Ｂ」にして示し、図２において電極ランド１ａが見えている領域である）から一体的に構成される。電極部３ａと電極ランド１ａとが対向している部分Ａの少なくとも一部、好ましくは大部分、より好ましくはほぼ全域に亘って、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａにより閉塞され、はんだ母相５ｂが部分Ａにて連続相として存在することが妨げられて、そのフィレット部分Ｂに存在するようになる。尚、図１および図２において、電子部品３として例示的にチップ部品を用いた場合を図示している（図２中、点線で囲んだ領域は電子部品３の投影領域である）。

使用したはんだ材料はＩｎを４．０〜６．０重量％で含むものであることから、はんだ母相５ｂは比較的軟らかいものとなる。このようなはんだ母相５ｂにより、電極部３ａと電極ランド１ａとが、上記閉塞構造以外の部分（図示する態様ではフィレット部分Ｂ）にて接合されるので、当該部分において応力を緩和することができ、よって亀裂（またはクラック）の発生を効果的に防止できる。

他方、Ｃｎ−Ｓｎ金属間化合物５ａは硬く、熱的かつ機械的に安定であるので、Ｃｎ−Ｓｎ金属間化合物５ａによる強固な閉塞構造が、電極部３ａと電極ランド１ａとの間（図示する態様では電子部品３の下方に位置する部分Ａ）に形成されることによって、電子部品を基板に高強度で接合することができる。使用したはんだ材料にはＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計が１重量％以下（但し０重量％を除く）で添加されているので、添加元素がＣｎ−Ｓｎ金属間化合物５ａの層に溶け込んでその成長を促進し、電極部３ａと電極ランド１ａとの間に強固な閉塞構造を速やかに形成することができ、よって、亀裂の発生および伸長を効果的に防止できる。かかる閉塞構造は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂの１種類以上の元素を所定量添加することにより、安定かつ確実に形成することができる。

このような電子部品接合体１０は、自動車のエンジンルームなどの過酷な温度環境下であっても、高い耐熱疲労特性を示し、製品の機能停止に至る接続不良の発生を効果的に低減することができる。例えば、−４０℃と１５０℃との間での温度サイクル試験を３０００サイクル実施しても、製品の機能停止に至る接続不良が発生しない接合品質を得ることができる。

（はんだ材料）
次に、本発明のはんだ材料の組成について詳述する。上記の通り、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎを含んで成る、鉛フリーのはんだ材料を使用する。

・Ａｇ含有量
Ａｇは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだにおいて、βＳｎ相の周りにＡｇ_３Ｓｎ化合物として晶出し、熱または機械的な外力によるはんだの変形を低減する役割を果たし得る。高い耐熱疲労特性を得るには、Ａｇをある程度含有している必要があり、−４０℃から１５０℃までの温度サイクル試験に合格するには、Ａｇ含有量は１．０重量％以上であることが好ましい。

また、Ａｇ含有量ははんだの融点に大きく影響する。図３は、Ｓｎ−Ａｇはんだについて、Ｓｎ−Ａｇ中のＡｇ含有量と液相線温度の関係を調べたグラフである。Ａｇ含有量が０重量％のときはＳｎの融点である２３２℃を示した。Ａｇ含有量を０重量％から増加させるにつれて液相線温度は低下し、Ａｇ含有量が３．５重量％のときにＳｎ−Ａｇ共晶温度である２２１℃にまで減少した。Ａｇ含有量を３．５重量％から更に増加させると、液相線温度は急激に増加した。

通常、リフローはんだ付けによりはんだを均一に溶融させるためには、はんだの液相線温度＋１０℃以上のリフローピーク温度を設定することが好ましい。また、電子部品の耐熱温度から考えるとリフローピーク温度は２４０℃以下とすることが好ましい。従って、はんだの液相線温度としては２３０℃以下であることが好ましい。図３より、液相線温度が２３０℃以下となるのは、Ｓｎ中のＡｇ含有量が１．０〜４．０重量％であると認められる。

以上より、本発明のはんだ材料では、その金属組成におけるＡｇ含有量を１．０〜４．０重量％としている。

・Ｉｎ含有量
Ｉｎは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系はんだにおいて、Ａｇ−Ｓｎ化合物相またはβＳｎ相へ溶け込むか、あるいはγＳｎ（Ｉｎ）相として存在する。はんだ中でのγＳｎ相の割合はＩｎ含有量および温度によって変化する。特にＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系はんだの場合、熱を加えると、ある温度以上でβＳｎ相がγＳｎ相へと変化する変態挙動が発生し、はんだの自己変形が起こり、フィレットの形状が大きく崩れてしまう。従って、温度サイクル試験またはユーザーによる実使用の間に、変態挙動が発生する温度（変態温度）をまたがないことが好ましい。

γＳｎ相の割合と同様に、βＳｎ相およびγＳｎ相間の変態温度（単にＳｎの変態温度と称す）も、Ｉｎの含有量によって変化する。図４中、実線にて示すグラフは、Ｓｎ−Ｉｎ中のＩｎ含有量に対するＳｎの変態温度を調べたグラフである。Ｉｎ含有量が増加するにつれてＳｎの変態温度は低下した。Ｉｎ含有量が４重量％の場合、Ｓｎの変態温度は２００℃程度であるが、Ｉｎ含有量を６．０重量％まで増加させるとＳｎの変態温度は１５０℃まで低下した。Ｉｎ含有量を更に８．０重量％まで増加させるとＳｎの変態温度は１００℃まで低下した。

従って、はんだ接合部の耐熱性を１５０℃まで確保するためには、Ｉｎ含有量は６．０重量％以下であることが好ましい。

また、Ｉｎ含有量ははんだ接合部の強度にも影響し、より詳細には、Ｉｎ含有量が増加するとγＳｎ（Ｉｎ）相が増加して、はんだ接合部の強度が向上する。図４中、点線にて示すグラフは、Ｓｎ−Ｉｎ中のＩｎ含有量に対するせん断強度を調べたグラフである。Ｉｎ含有量が０〜４．０重量％未満の範囲では、Ｉｎ添加による接合強度上昇の効果は認められなかった。Ｉｎ含有量が４．０重量％以上の範囲においては接合強度の上昇傾向が顕著に認められた。

このせん断強度は、図１に示す電子部品接合体を以下の条件で作製したものについて測定した。
基板１：高Ｔｇタイプ高耐熱基板Ｒ−１７５５Ｔ、両面銅張、厚さ１．２ｍｍ（パナソニック電工株式会社製）
電極ランド１ａ：Ｃｕランド、厚さ３５μｍ、プリフラックス処理剤（タフエース、四国化成工業株式会社製）により表面処理を施したもの
レジスト１ｂ：高耐熱レジスト（太陽インキ製造株式会社製）
電子部品３：チップコンデンサ １００５サイズ（ＴＤＫ株式会社製 Ｃ１００５）
電極部３ａ：Ｃｕ電極（ＴＤＫ株式会社製 Ｃ１００５）
実装方法：リフローはんだ付け（２４０℃）

従って、はんだ接合部において高い接合強度を得るためには、Ｉｎ含有量は４．０重量％以上であることが好ましい。

以上より、本発明のはんだ材料では、その金属組成におけるＩｎ含有量を４．０〜６．０重量％としている。

・Ｂｉ含有量
ＢｉをＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ系はんだに添加すると、はんだ接合部のヤング率が上昇し、機械的強度が向上する。機械的強度の向上の効果が得られるには、Ｂｉをある程度含有している必要があり、Ｂｉ含有量は０．１重量％以上であることが好ましい。

しかしながら、Ｂｉ含有量が増えると、Ｂｉの偏析が起こるために、破断伸びは低下する傾向にある。図５は、Ｓｎ−３．５ＡｇはんだにＢｉを添加した場合の、Ｓｎ−３．５Ａｇ−Ｂｉ中のＢｉ含有量に対する破断伸びの関係を調べたグラフである。Ｂｉ含有量が０〜１．０重量％以下の範囲においては、破断伸びは、Ｂｉ含有量にほぼ依存せずに、４１．５％程度となった。Ｂｉ含有量が１．０重量％以上の範囲においては、はんだが急激に硬くなり、Ｂｉ含有量が２．０重量％で破断伸びは２２％まで低下した。はんだ接合部の信頼性を確保するには、はんだの延性（破断伸び）が低下しないことが好ましい。よって、破断伸びの低下を実質的に招かないためには、Ｂｉ含有量は１．０重量％以下であることが好ましい。

以上より、本発明のはんだ材料では、その金属組成におけるＢｉ含有量を０．１〜１．０重量％としている。

・Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂの添加量
以上のようなＳｎ−（１．０〜４．０）Ａｇ−（４．０〜６．０）Ｉｎ−（０．１〜１．０）Ｂｉに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素を添加すると、かかる添加元素が界面反応層に溶け込んで、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の形成および成長を促進することができる。

しかしながら、このような元素を過剰に添加した場合は、界面反応層のみならず、はんだ母相にまで添加元素が固溶または晶出し、はんだ接合部が硬く、脆弱になる。

表１は、Ｓｎ−（１．０〜４．０）Ａｇ−（４．０〜６．０）Ｉｎ−（０．１〜１．０）Ｂｉに上記元素を種々添加した場合の落下強度試験の結果、合格しなかったサンプル数を示す。ここで、Ｓｎ−（１．０〜４．０）Ａｇ−（４．０〜６．０）Ｉｎ−（０．１〜１．０）Ｂｉとしては、本発明のはんだ材料の金属組成範囲中、最も硬くなり得るはんだ組成であるＳｎ−４．０Ａｇ−１．０Ｂｉ−６．０Ｉｎと、最も軟らかくなり得るはんだ組成であるＳｎ−１．０Ａｇ−０．１Ｂｉ−４．０Ｉｎとを選定した。添加元素の「添加量」は、Ｓｎを添加元素で置換した量であり、よって、添加元素の「添加量」ははんだ材料の金属組成における当該添加元素の含有量に等しく、Ａｇ、ＩｎおよびＢｉの各含有量は添加前および添加後で変わりがない。

この落下強度試験は、表１に示す種々の金属組成を有するはんだ材料を用いて、図１に示す電子部品接合体を以下の条件で作製したものに、基板の裏面にＣｕを貼り付けて総重量１５０ｇとしたＴＥＧ（Test Element Group）を作製し、１５０ｃｍの高さから５０回自由落下させた後、電気導通評価の合否で行った。サンプル数（Ｎ数）は、各金属組成につき５個とした。
基板１：ＦＲ−４基板、両面銅張、厚さ１．２ｍｍ（パナソニック電工株式会社製）
電極ランド１ａ：Ｃｕランド、厚さ３５μｍ、プリフラックス処理剤（タフエース、四国化成工業株式会社製）により表面処理を施したもの
レジスト１ｂ：高耐熱レジスト（太陽インキ製造株式会社製）
電子部品３：チップ部品 ５７５０サイズ（日本ケミコン株式会社製 Ｃ５７５０）
電極部３ａ：Ｃｕ電極（日本ケミコン株式会社製 Ｃ５７５０）
実装方法：リフローはんだ付け（２４０℃）

表１より、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂのいずれを添加しても、添加量（含有量）が１重量％以下であれば、全てのサンプルが落下強度試験に合格し、優れた接合強度を示すことがわかった。一方、添加量が１．５重量％および２重量％では、落下強度試験に合格しなかったサンプルが存在し、落下衝撃に対して弱いことを示した。これは、はんだ接合部のうちフィレット部分を形成しているはんだ母相が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂの添加元素によって硬くなりすぎ、その結果、はんだ接合部の耐衝撃性が低下したことによると考えられる。

従って、耐衝撃性を損なわない範囲で、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の形成および成長を促進させるには、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計の添加量は１．０重量％以下（但し０重量％を除く）であることが好ましい。

Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の形成および成長を促進させるためには、上記元素は、ごく微量存在していればよく、例えば０．０５重量％以上、０．１重量％以下であってよい。このような添加元素の含有量であれば、亀裂が発生および伸長するより先に、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物による閉塞構造が形成され得る。

以上より、本発明のはんだ材料では、その金属組成におけるＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計の含有量を１．０重量％以下（但し０重量％を除き、例えば０．０５重量％以上）とし、特に０．１重量％以下としている。

・Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂについて
添加元素はＣｏが最も好ましく、次いでＮｉ、ＣｕおよびＦｅ、ならびにＳｂの順に好ましさが低下していく（ＣｕおよびＦｅは同等である）。以下、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂの各元素について、その作用効果を述べる。

Ｃｕを添加した場合には、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の主成分となるＣｕ量が増加するため、単純に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の形成量が増加し、ひいては、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間におけるＣｕ−Ｓｎ金属間化合物による閉塞構造が形成されるものと考えられる。

Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅは、Ｃｕと同じく遷移金属であり、原子半径も互いに近似しているが、まず、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の主成分でない点でＣｕと大きく異なり、そして、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの間でも差異がある。
ＮｉおよびＣｏは、いずれも、はんだの溶融性に影響を与えず、かつ、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物中に均一に固溶し、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の成長を促進する（ひいては閉塞構造を形成する）ように作用する。
特にＣｏは、ＮｉよりもＳｎ中へ固溶し易いので、電子部品の接合部に供給すべきはんだ材料（より詳細にははんだ合金）を再現性よく調製できる（換言すれば、はんだ組成のバラツキが起こり難い）という利点がある。
また、Ｆｅは、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の成長を促進する（ひいては閉塞構造を形成する）作用効果に問題はないが、他の元素に比べて若干酸化し易い傾向にある。

ＳｂもＣｕ−Ｓｎ金属間化合物中に固溶し、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の成長を促進するように作用する。しかしながら、Ｓｂは、他の元素に比べてＳｎへも固溶し易いため、促進の程度が小さく、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物による閉塞構造の形成までに若干長く時間を要する。

以上、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂの各元素を単独で添加した場合の作用効果について述べたが、２種以上の元素を組み合わせて添加した場合には、これら添加元素の作用効果が平均化されることとなる。

（電子部品接合体の製造方法）
次に、図１を参照して上述した電子部品接合体の製造方法について説明する。

図６（ａ）を参照して、まず、はんだ材料としてはんだペースト（クリームはんだとも呼ばれる）を準備し、これを印刷工法によって基板１に印刷して、基板１の電極ランド１ａ上に印刷マスクを介して選択的に塗布する。印刷マスクには１．５ｍｍ厚のものを用い、電極ランド寸法およびマスク開口寸法についてはメーカー推奨値を使用した。はんだペーストは、本発明のはんだ材料の金属組成を有するはんだ粉末（例えば、粒径２０〜４０μｍ）とフラックスとを約９：１の割合で配合し、粘度を２００Ｐａ・ｓ程度に調整したものである。はんだ粉末には、最終的な金属組成として本発明のはんだ材料の金属組成が得られる限り、粒径および／または組成の異なる２種以上のはんだ粉末を合わせて用いてもよい。

その後、基板１の電極ランド１ａに印刷されたはんだペーストの上に電子部品３の電極部３ａが配置されるように、部品搭載機を用いて基板１に電子部品３を搭載する。

そして、電子部品３を搭載した基板１をリフロー炉に通して加熱することによって、はんだ粉末を溶融させ、電子部品３の電極部３ａを基板１の電極ランド１ａに、はんだ材料を用いて形成された接合部によって接合する。リフロー加熱の温度プロファイルは、例えば、１５０℃から１７０℃までのプリヒートを約１００秒間行った後、本加熱を２４０℃で３分間保持するものとし得る。このリフロー加熱はエージング（金属間化合物を成長させるための加熱）を含むものであり、この間に、電子部品が接合されると共に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａが成長する。

これにより、図１に示すような電子部品接合体１０が得られる。この電子部品接合体１０のはんだ接合部５において、電子部品３の電極部３ａと基板１の電極ランド１ａとの間がＣｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａで少なくとも部分的に閉塞され、かつ、それ以外の部分ははんだ母相５ｂで構成される。

電子部品３の耐熱に問題がある場合は、リフロー加熱にエージングを含めず、リフロー加熱後、電子部品３の耐熱温度以下で所定時間以上加熱することによってエージングして、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａを成長させるようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、種々の改変が可能である。

例えば、上述の実施形態においては、電子部品の電極部および基板の電極ランドがいずれも銅を含むものとしたが、少なくとも表面が銅以外の金属から成るもの（例えばＮｉ／Ａｕなどの表面処理を施したもの）であってもよい。この場合、本発明のはんだ材料として、Ｃｕを含有するものを用いれば、はんだ材料中のＳｎおよびＣｕが被接合金属（例えばＮｉ）との間で金属間化合物（例えばＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物）を形成し、これが成長して、図１に示すものと同様の閉塞構造を形成することが可能となる。

また、上述の実施形態においては、図６（ａ）に示すようにリフロー加熱にエージングを含めるか、あるいは、リフロー加熱後にエージングを行うものとしたが、エージングは必ずしも要さず、リフロー加熱を通常程度（例えば２２０度以上を２０秒保持）のみ実施するものとしてもよい。この場合、電子部品接合体においては、金属間化合物の成長は十分でないが、ユーザーによる実使用の間に、金属間化合物による閉塞構造が形成され得、上述の実施形態と同等の優れた耐久性（耐熱疲労特性）を発現し得る。

更に、上述の実施形態においては、図１および図２にて、電子部品としてチップ部品を用いた電子部品接合体を示したが、高温（例えば１５０℃）耐熱性を有する電子部品であればよく、リードタイプの電子部品や、ダイオード、トランジスタ、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＳＯＰ（Small Outline Package）などの半導体パッケージ等をＳＭＴ（Surface Mount Technology）実装する場合にも同様の作用および効果が得られる。また、基板も、エポキシなどの樹脂ベースの基板に限定されるものではなく、鉄ベースまたはセラミックベースなどの無機基板であってもよい。

表２および３に示す種々の金属組成を有するはんだ材料を用いて、図６（ａ）を参照して上述した工程フローに従って、図１に示す電子部品接合体を以下の条件で作製した。尚、表２および３中、「Ｂａｌ．」は残部（Balance）を意味する。
基板１：高Ｔｇタイプ高耐熱基板Ｒ−１７５５Ｔ、両面銅張、厚さ１．２ｍｍ（パナソニック電工株式会社製）
電極ランド１ａ：Ｃｕランド、厚さ３５μｍ、プリフラックス処理剤（タフエース、四国化成工業株式会社製）により表面処理を施したもの
レジスト１ｂ：高耐熱レジスト（太陽インキ製造株式会社製）
電子部品３：チップコンデンサ １００５サイズ（ＴＤＫ株式会社製 Ｃ１００５）
電極部３ａ：Ｃｕ電極（ＴＤＫ株式会社製 Ｃ１００５）
実装方法：リフローはんだ付け（１５０℃から１７０℃までのプリヒートを約１００秒間行った後、本加熱を２４０℃で３分間保持する）

これにより作製された電子部品接合体のサンプルを、−４０℃と１５０℃との間の温度サイクル試験を３０００サイクル実施し、その後、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間を断面観察することにより、断線に致る亀裂（クラック）が発生しているかどうかにより評価した。サンプル数（Ｎ数）は各金属組成につき５個とした。判定結果を表２および３に併せて示す。

表２および３を参照して、本発明の実施例１〜１６（表２）および実施例１７〜３２（表３）の全てにおいて、断線に至る亀裂の発生は認められなかった。他方、比較例１〜１４（表２）および比較例１５〜３２（表３）の全てにおいて、断線に至る亀裂の発生が認められた。

本発明の実施例１〜３２では、はんだ接合部のうち、電子部品の電極部および基板の電極ランドが互いに対向している間の部分において、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物による閉塞構造が形成されていることがわかり、接合信頼性の高い接合が実現できていることが確認された。他方、比較例１〜３２では、このようなＣｕ−Ｓｎ金属間化合物による閉塞構造は形成されておらず、はんだ母相が電子部品の電極部および基板の電極ランドの間の全域に亘る連続相として存在していた。

一例として、実施例２および比較例２の電子部品接合体について、電子部品の電極部および基板の電極ランドが互いに対向している間の部分のＳＥＭ写真を、図７（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す（これら図中、理解を容易にするために、図１および図８に対応した参照番号を示している）。図７（ａ）より、実施例２では、基板１の電極ランド１ａと電子部品３の電極部３ａとの間においてＣｕ−Ｓｎ金属間化合物５ａによる閉塞構造が形成され、亀裂が存在（形成および伸長）していないことが確認された。他方、図７（ｂ）より、比較例２では、基板６１の電極ランド６１ａと電子部品６３の電極部６３ａとの間において、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物６５ａの間に亀裂６７が観察された（図７（ｂ）中、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物６５ａは白っぽい領域であり、これらの間の黒っぽい領域が亀裂６７であり、亀裂６７は、そこにはんだ母相６５ｂが存在していたことに由来して発生したものである）。

以上の実施例では、Ｓｎ−（１．０〜４．０）Ａｇ−（４．０〜６．０）Ｉｎ−（０．１〜１．０）Ｂｉに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅまたはＳｂを添加した。添加元素は、各元素の効果を考慮すると、Ｃｏが最も好ましく、次いでＮｉ、ＣｕおよびＦｅ、ならびにＳｂの順に好ましさが低下していく（ＣｕおよびＦｅは同等である）。実施例１〜３２のうち最も好ましいのは実施例２４（Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−６．０Ｉｎ−０．１Ｃｏ）である。

本発明のはんだ材料を用いて電子部品接合体を製造すれば、自動車のエンジンルームなどの過酷な温度環境に曝される用途や、太陽電池や人工衛星の用途など、長期に亘って補修やメンテナンスが困難な場所に使用される場合にも、高い耐熱疲労特性を示し、製品の機能停止に至る接続不良の発生を効果的に低減することが可能となる。

１ 基板
１ａ 電極ランド
１ｂ レジスト
３ 電子部品
３ａ 電極部
５ 接合部（またははんだ接合部）
５ａ Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物
５ｂ はんだ母相
１０ 電子部品接合体
Ａ 電子部品の電極部と基板の電極ランドとが互いに対向している間の部分
Ｂ フィレット部分
６１ 基板
６１ａ 電極ランド
６１ｂ レジスト
６３ 電子部品
６３ａ 電極部
６５ 接合部
６５ａ Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物
６５ｂ はんだ母相
６７ 亀裂
７０ 電子部品接合体

Claims (2)

1. 電子部品の銅を含む電極部が、基板の銅を含む電極ランドに、はんだ材料を用いて形成された接合部によって接合されており、該はんだ材料は、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎから成り、はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がＣｕ−Ｓｎ金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞されている、電子部品接合体。
2. 電子部品の銅を含む電極部が、基板の銅を含む電極ランドに、はんだ材料を用いて形成された接合部によって接合された電子部品接合体の製造方法であって、
   電子部品の銅を含む電極部を、基板の銅を含む電極ランドに、Ａｇを１．０〜４．０重量％、Ｉｎを４．０〜６．０重量％、Ｂｉを０．１〜１．０重量％、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＳｂからなる群より選択される１種類以上の元素の合計を１重量％以下（但し０重量％を除く）、および残部のＳｎから成るはんだ材料によって接合し、および
   該はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がＣｕ−Ｓｎ金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞するまで、熱処理により、電子部品の電極部および基板の電極ランドの双方からＣｕ−Ｓｎ金属間化合物を成長させる
   ことを含んで成る、製造方法。

Images