JP6536306B2 - 鉛フリーはんだ合金と車載電子回路 - Google Patents
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Description
ここに、「車載」または「車載用」というのは、自動車に搭載されるということであり、具体的には、過酷な使用環境、すなわち、−40℃から125℃という温度環境に繰り返し曝されて使用されても所定の特性を確保でき、自動車に搭載可能であるということである。より具体的には、そのような温度環境下でも3000サイクルのヒートサイクル試験に耐え得て、その条件下でも外部からの力を評価するシェア試験に対して耐性を有するということである。
リフローはんだ付けで接合する車載用はんだ合金は、低温は冷寒地、高温はエンジンルームを模式して、−40℃〜+125℃の温度サイクル試験が課せられる。本発明のはんだ合金では、添加したSbが、例えば125℃という高温状態でSnマトリックス中に再固溶し、例えば−40℃という低温状態でSnSb金属間化合物が析出するという工程が繰り返されることによって、SnSb金属間化合物の粗大化が止まり、温度サイクル試験を実施する中で、一度粗大化したSnSb金属化合物も高温側でSnマトリックス中に再溶解するので、微細なSnSb金属間化合物が形成され、析出分散強化型のはんだ合金が維持させる。
本発明にかかるはんだ合金を、微少なはんだ量で、はんだフィレットがほとんどなく薄いはんだ接合部を有する車載電子回路のはんだ付けに用いることで、−40から+125℃の温度サイクルに曝される使用環境下で使用しても、はんだ接合部にクラックが発生せず、例えクラックが発生したとしても、はんだ中を伝播することが抑制されるため、信頼性の高い車載電子回路および車載電子回路装置を得ることができる。
また、本発明のはんだ合金は、接合界面で発生するクラックも抑制されており、特にECU装置のはんだ付けに適した特性を有している。
したがって、本発明のSbの量は1〜5質量%であり、好ましくは3〜5質量%である。後述するBiが配合される場合には、Sbの量は3超〜5%が好ましい。
Niの量が0.01質量%未満では、はんだ付け界面のNiの量が少ないため、はんだ接合部界面の改質効果が不十分であるためクラック抑止効果がなく、Niの量が0.2質量%を超えてしまうと、液相線温度が上昇するため、本発明に添加したSbの再溶融が発生せず、微細なSnSb金属間化合物の粒径維持の効果を阻害してしまう。
したがって、本発明のNiの量は、0.01〜0.2質量%が好ましく、より好ましくは0.02〜0.1質量%である。さらに好ましくは、0.02〜0.08%である。
本発明のはんだ合金で、Agの含有量が1質量%未満では、はんだのぬれ性の向上効果が発揮されず、Ag3Snの析出量が少なくなり、金属間化合物のネットワークが強固とはならない。また、Agの量が4質量%より多くなると、はんだの液相線温度が上昇して、本発明にしたがって添加したSbの再溶融が起らず、SnSb金属間化合物の微細化の効果を阻害してしまう。
したがって、本発明に添加するAgの量は、1〜4質量%が好ましい。より好ましくは、Agの量が3.2〜3.8質量%である。
本発明のはんだ合金のCuが0.6質量%未満では、Cuランドに対するCu食われ防止が現れず、Cuが0.8質量%を超えて添加するとCu6Sn5の金属間化合物が接合界面にも多く析出するので、振動等でのクラックの成長が早くなってしまう。
本発明のはんだ合金に添加するBiの量が、1.5質量%未満ではSbとの置換が起き難く、微細なSnSb金属間化合物の量が少なくなるため、温度サイクル向上効果が現れない、また、Biの量が5.5質量%を超えて添加するとはんだ合金自体の延性が低くなって堅く硬く、もろくなるので、振動等でのクラックの成長が早くなってしまう。
本発明のはんだ合金に添加するBiの量は、1.5〜5.5質量%が好ましく、より好ましいのは、3〜5質量%のときである。さらに好ましくは、3.2〜5.0質量%である。
本発明のはんだ合金に添加するCoとFeの量は、合計量で、0.001質量%未満では接合界面に析出して界面クラックの成長を防止する効果が現れず、0.1質量%を超えて添加されると界面に析出する金属間化合物層が厚くなり、振動等でのクラックの成長が早くなってしまう。
本発明に添加するCoまたはFe、その両方を添加する量は、0.001〜0.1質量%が好ましい。
このように、本発明にかかるはんだ合金は、より特定的には、車載電子回路のはんだ付けに用いられ、あるいは、ECU電子回路のはんだ付けに用いられて優れたヒートサイクル性を発揮するはんだ合金である。
ここにそのような電子回路を構成する電子部品としては、チップ抵抗部品、多連抵抗部品、QFP、QFN、パワートランジスタ、ダイオード、コンデンサなどが例示される。これらの電子部品を組み込んだ電子回路は基板上に設けられ、電子回路装置を構成するのである。
表1の各はんだ合金を作製して、はんだの溶融温度を測定した。測定方法は、固相線温度はJIS Z3198−1に準じて行った。液相線温度は、JIS Z3198−1を採用せずに、JIS Z3198−1の固相線温度の測定方法と同様のDSCによる方法で実施した。
結果を表1の液相線温度に示す。
表1のはんだ合金をアトマイズしてはんだ粉末とした。松脂、溶剤、活性剤、チキソ剤、有機酸等からなるはんだ付けフラックスと混和して、各はんだ合金のソルダペーストを作製した。ソルダペーストは、6層のプリント基板(材質:FR−4)に150μmのメタルマスクで印刷した後、3216のチップ抵抗器をマウンターで実装して、最高温度235℃、保持時間40秒の条件でリフローはんだ付けをし、試験基板を作製した。
各はんだ合金ではんだ付けした試験基板を低温−40℃、高温+125℃、保持時間30分の条件に設定した温度サイクル試験装置に入れ、初期値、1500サイクル後に各条件で温度サイクル試験装置から取り出し、3500倍の電子顕微鏡で観察して、はんだ合金のSnマトリックス中のSnSb金属間化合物の粒子の平均粒径を測定した。
結果を表1のクラック率とSnSb粒径に示す。
ここで、表1中の※1はSnSb金属間化合物が見えず測定ができなかったことを示し、※2ははんだの液相線温度が高く、リフロー条件の235℃でははんだ付けできなかったことを示す。
クラック発生率は、クラックが想定クラック長さに対して、クラックが生じた領域がどの程度かの指標となる。SnSbの粒径測定後に、150倍の電子顕微鏡を用いて、クラックの状態を観察して、クラックの全長を想定し、クラック率を測定した。
クラック率(%)= クラック長さの総和 ×100
想定線クラック全長
ここに、「想定線クラック全長」とは、完全破断のクラック長さをいう。
クラック率は、図5に示した複数のクラック7の長さの合計を、クラック予想進展経路8の長さで割った率である。
結果は、表1に記載する。
シェア強度残存率は、初期状態のはんだ付け部のシェア強度に対して温度サイクル試験にどの程度の強度が維持されているかの指標となる。
シェア強度試験は、継手強度試験機STR‐1000を用いて、室温下で、試験速度6mm/min、試験高さは50μmの条件で行った。
結果はまとめて表2に示す。
2 はんだ合金
3 基板
4 Cuランド
5 金属間化合物層
6 クラック進展経路
7 SnSb金属間化合物
8 クラック予想進展経路
Claims (8)
- Ag:1〜4質量%(但し、1.0〜1.2質量%と3.2〜3.8質量%を除く)、Cu:0.6〜0.8質量%、Sb:1〜5質量%、Ni:0.01〜0.2質量%、Bi:1.5〜5.5質量%、残部Snからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- さらに、Co:0.001〜0.1質量%含有することを特徴とする請求項1に記載の鉛フリーはんだ合金。
- 請求項1または2に記載の鉛フリーはんだ合金であって、温度サイクル試験の3000サイクル後の初期値に対するシェア強度残存率が30%以上であることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金であって、Cu−OSP処理を施した基板と接合されることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金からなるはんだ接合部を有する車載電子回路。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金からなるはんだ接合部を有するECU電子回路。
- 請求項5に記載の電子回路を備えた車載電子回路装置。
- 請求項6に記載のECU電子回路を備えたECU電子回路装置。
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