WO2012086201A1

WO2012086201A1 - 実装構造体及び実装構造体の製造方法

Info

Publication number: WO2012086201A1
Application number: PCT/JP2011/007171
Authority: WO
Inventors: 清裕日根; 彰男古澤; 将人森
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JPWO2012086201A1; CN103262669A; JP5498587B2; US20130277098A1; CN103262669B; US9386699B2

Abstract

耐熱疲労特性の向上した実装構造体を提供すること。基板電極（１０１）を有する基板（１００）と、部品電極（１０４）を有する電子部品（１０３）と、基板電極（１０１）と部品電極（１０４）を接合する接合部（１０９）とを備え、接合部（１０９）は、はんだ補強領域（１０６）と、はんだ接合領域（１０５）とを有し、はんだ補強領域（１０６）は、接合部（１０９）の側面領域であり、且つInが3wt%以上、8wt%以下であり、Snを88wt%以上含有する領域であり、はんだ接合領域（１０５）は、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上、3wt%未満の領域である、実装構造体（１０７）である。

Description

実装構造体及び実装構造体の製造方法

　本発明は、実装構造体及び実装構造体の製造方法に関し、特に表面実装技術(Surface Mount Technology, 以下SMTと略記する)で製造される実装構造体及び実装構造体の製造方法に関するものである。

　実装構造体は、次のような一連のSMT工程によって製造される。

　まず、球状の固体金属のはんだと、液状のフラックスで構成されたはんだペーストが、基板の表面に設けられた基板電極上に、マスク印刷で塗布される。次に、電子部品電極を有するチップコンデンサやICなどの電子部品が、はんだペースト上に搭載される。そして、はんだの融点より20～30℃高い温度まで加熱することで、はんだペーストに含まれるはんだが溶融する。最後に、冷却することによってはんだを凝固させ、基板電極と電子部品電極が導通接続される。

　このようなSMT工程では、はんだを加熱することから、電子部品及び基板は、はんだの融点より20～30℃高い温度まで加熱される。従って、耐熱性の低い電子部品については融点138℃のSn-58Biはんだを用いることにより、160℃以下の低温加熱で基板上にSMT実装することができる。

　しかしながら、Sn-58Biはんだの金属組織はSnとBiの共晶組織であり、Biは延性に乏しく、衝撃や振動が加わった際にSnとBiの界面で容易に亀裂が生じる。

　また、Sn-58Biはんだ合金は熱によって容易に金属結晶が粗大化し、はんだ接合部の強度低下が生じ、良好な耐熱疲労特性が得られない。従って、繰り返し熱疲労による亀裂も発生しやすい。亀裂が発生し進展した場合、電気的、機械的な問題が発生するため、亀裂の発生を抑制することが必要である。

　従来の実装構造体としては、Sn-58Biはんだを用い、樹脂などによって補強し、接合信頼性を向上させたものがある(例えば、特許文献1参照。)。

　図１７は、特許文献1に記載された従来の実装構造体を示す図である。

　従来の実装構造体は、電子部品２０３の部品電極２０４と基板２００の基板電極２０１との間を接合する、Sn-58Biはんだを用いたはんだ接合部２０５と、電子部品２０３及びはんだ接合部２０５の外側に形成され、熱硬化性樹脂を用いた第１の接着補強部２０６と、Sn-58Biはんだを用いたはんだ部２０８と、電子部品２０３を基板２００に固着する、エポキシ系の材質を主剤とする熱硬化性樹脂を用いた第２の接着補強部２０７と、レジスト２０２を有している。

特開２００６－１８６０１１号公報

　しかしながら、上記従来の構成では、衝撃や振動による亀裂の発生を抑制できるが、Sn-58Biはんだを用いたはんだ接合部２０５を、第１の接着補強部２０６及び第２の接着補強部２０７が包囲しているため、熱が付加された際には、第１の接着補強部２０６及び第２の接着補強部２０７と、はんだ接合部２０５との線膨張率の差によるはんだ接合部２０５にかかる応力により、良好な耐熱疲労特性は得られない。

　本発明は、上記従来の課題を解決するため、耐熱疲労特性の向上した実装構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、第１の本発明は、
　基板電極を有する基板と、
　部品電極を有する電子部品と、
　前記基板電極と前記部品電極を接合する接合部とを備え、
　前記接合部は、はんだ補強領域とはんだ接合領域とで構成され、
　前記はんだ補強領域は、前記接合部の側面領域であり、且つInが3wt%以上8wt%以下、Snが88wt%以上含有する領域であり、
　前記はんだ接合領域は、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上3wt%未満の領域である、実装構造体である。

　第２の本発明は、
　前記基板は、前記基板電極を一対有し、
　前記電子部品は、前記部品電極を一対有し、
　前記接合部は、前記一対の基板電極と、それらに対応する前記一対の部品電極の間にそれぞれ形成されており、
　前記はんだ補強領域は、それぞれの前記接合部の対向する側面の全体に形成されている、第１の本発明の実装構造体である。

　第３の本発明は、
　前記はんだ補強領域は、前記側面から内側方向に10μｍ以上、0.27ｍｍ以下の厚みで形成されている、第１の本発明の実装構造体である。

　第４の本発明は、
　基板の基板電極の上又は近傍に第１のはんだ材料を供給する第１のはんだ材料供給ステップと、
　前記基板電極上に、第２のはんだ材料を供給する第２のはんだ材料供給ステップと、
　前記第２のはんだ材料上に、電子部品の部品電極を配置し、前記基板の上に前記電子部品を搭載する電子部品搭載ステップと、
　前記第２のはんだ材料の融点以上、前記第１のはんだ材料の融点未満の温度で、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を加熱する加熱ステップと、
　前記加熱ステップの後、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を冷却する冷却ステップとを備え、
　前記第１のはんだ材料供給ステップ又は前記第２のはんだ材料供給ステップにおける前記第１のはんだ材料又は前記第２のはんだ材料の前記供給により、前記第１のはんだ材料と前記第２のはんだ材料が互いに近接し、
　前記第２のはんだ材料は、Inを含まないSn -Bi系のはんだ材料であり、
　前記第１のはんだ材料は、Inを3wt%以上、8wt%以下含有し、Snを88wt%以上含有する材料であり、
　前記加熱ステップにおいて、溶融した前記第２のはんだ材料に前記第１のはんだ材料のInが溶け出した後、前記冷却ステップにおいて、前記冷却により前記基板電極と前記部品電極との間を接合する接合部が形成される際、i）前記接合部のうちInが溶け出した領域であって、Inが3wt%以上、8wt%以下であり、Snを88wt%以上含有する領域がはんだ補強領域として前記接合部の側面に形成され、ii）前記接合部のうち前記はんだ補強領域以外の領域であって、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上、3wt%未満の領域がはんだ接合領域として形成される、実装構造体の製造方法である。

　第５の本発明は、
　前記基板は、前記基板電極を一対有し、
　前記電子部品は、前記部品電極を一対有し、
　前記接合部は、前記一対の基板電極と、それらに対応する前記一対の部品電極の間にそれぞれ形成され、
　前記はんだ補強領域は、それぞれの前記接合部の対向する側面の全体に形成される、第４の本発明の実装構造体の製造方法である。

　第６の本発明は、
　前記はんだ補強領域は、前記側面から内側方向に10μｍ以上、0.27ｍｍ以下の厚みで形成される、第４の本発明の実装構造体の製造方法である。

　第７の本発明は、
　前記第１のはんだ材料は、Sn-Ag-Bi-In系のはんだ材料である、第４の本発明の実装構造体の製造方法である。

　第８の本発明は、
　基板の基板電極の上又は近傍にSn-3.5Ag-0.5Bi-6Inの第１のはんだ材料を供給する第１のはんだ材料供給ステップと、
　前記基板電極上に、Sn-58Biの第２のはんだ材料を供給する第２のはんだ材料供給ステップと、
　前記第２のはんだ材料上に、電子部品の部品電極を配置し、前記基板の上に前記電子部品を搭載する電子部品搭載ステップと、
　前記第２のはんだ材料の融点以上、前記第１のはんだ材料の融点未満の温度で、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を加熱する加熱ステップと、
　前記加熱ステップの後、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を冷却する冷却ステップとを備え、
　前記第１のはんだ材料供給ステップ又は前記第２のはんだ材料供給ステップにおける前記第１のはんだ材料又は前記第２のはんだ材料の前記供給により、前記第１のはんだ材料と前記第２のはんだ材料が互いに近接し、
　前記加熱ステップにおいて、溶融した前記第２のはんだ材料に前記第１のはんだ材料のInが溶け出した後、前記冷却ステップにおいて、前記冷却により前記基板電極と前記部品電極との間を接合する接合部が形成される際、i）前記接合部のうちInが溶け出した領域であって、Inが3wt%以上、8wt%以下であり、Snを88wt%以上含有する領域がはんだ補強領域として前記接合部の側面に形成され、ii）前記接合部のうち前記はんだ補強領域以外の領域であって、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上、3wt%未満の領域がはんだ接合領域として形成される、実装構造体の製造方法である。

　本発明によれば、耐熱疲労特性の向上した実装構造体及びその製造方法を提供することが出来る。

（ａ）本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の平面模式図、（ｂ）図１（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図図１（ｂ）のＸの接合部におけるはんだ接合領域とはんだ補強領域の形成状態を説明するための拡大模式図本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の斜視模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の製造方法を説明するための図、（ｂ）図４（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の製造方法を説明するための図、（ｂ）図５（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の製造方法を説明するための図、（ｂ）図６（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の製造方法を説明するための図、（ｂ）図７（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態１における実装構造体の製造方法を説明するための図、（ｂ）図８（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図本発明にかかる実施の形態１において図１（ｃ）のb1-b2部におけるIn含有量を示す図本発明にかかる実施の形態１の変形例における実装構造体の斜視模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態４における実装構造体の平面模式図、（ｂ）図１１（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態４における実装構造体の製造方法を説明するための平面模式図、（ｂ）図１２（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態４における実装構造体の製造方法を説明するための平面模式図、（ｂ）図１３（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図（ａ）本発明にかかる実施の形態４における実装構造体の製造方法を説明するための平面模式図、（ｂ）図１４（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図、（ｃ）図１４（ｂ）のＳ部拡大図（ａ）本発明にかかる実施の形態４における実装構造体の製造方法を説明するための平面模式図、（ｂ）図１５（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図本発明にかかる実施の形態４における実装構造体の変形例の側断面模式図従来の実装構造体の側断面模式図

　以下、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

　（実施の形態１）
　以下に、本発明にかかる実施の形態１における実装構造体について説明する。

　図１（ａ）は、本実施の形態１の実装構造体の平面模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図である。図２は、図１（ｂ）のＸの接合部におけるはんだ接合領域１０５とはんだ補強領域１０６の形成状態を説明するための拡大模式図である。図３は、本実施の形態１の実装構造体を模式的に示した斜視図である。

　図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態１の実装構造体１０７には、基板電極１０１とレジスト１０２を有する基板１００と、基板１００に実装された、部品電極１０４を有する電子部品１０３と、基板電極１０１と部品電極１０４の間を接合する接合部１０９が設けられている。

　接合部１０９は、はんだ接合領域１０５とはんだ補強領域１０６を有している。はんだ補強領域１０６は、２つの接合部１０９の互いに対向する面１０９ａの全体に形成された領域であり、はんだ接合領域１０５は、接合部１０９のはんだ補強領域１０６以外の領域である。

　また、図２に示す通り、本実施の形態では、はんだ補強領域１０６は、面Ｒ（図２中、点線参照）で示される部分から基板電極端部１０１ａと部品電極端部１０４ａとの間を結ぶ平面Ｑ（図２中、一点鎖線参照）を超えて、接合部１０９の面１０９ａまでを示している。ここで、図１（ｂ）及び図２に示すように、この基板電極端部１０１ａは、搭載されている電子部品１０３を基準にして、基板電極１０１の内側の端部を示している。また、部品電極端部１０４ａは、搭載されている電子部品１０３を基準にして、部品電極１０４の内側の端部を示している。そして、はんだ補強領域１０６は、接合部１０９の互いに対向する面側である、接合部１０９の内側の面１０９ａ全体に形成されている。又、電子部品１０３の下方のレジスト１０２と、基板電極１０１の間にはクリアランス１１１が設けられている。

　次に、本実施の形態１の実装構造体１０７の製造方法について説明する。

　図４～図８は、本実施の形態１における実装構造体の製造方法の各工程を説明するための図である。尚、図４～図８の各図の（ａ）では、平面模式図が示され、（ｂ）では、その平面模式図のＡＡ矢視縦断面模式図が示されている。又、図４～図８において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

　図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、基板１００の表面には、基板電極１０１の電子部品１０３が載置される位置の下側に設けられたレジスト１０２と、基板電極端部１０１ａの間に0.3mmのクリアランス１１１が設けられている。

　次に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、クリアランス１１１に、厚さ30μmのメタルマスクを用いて、ペースト状の第１のはんだ材料１１６が、スクリーン印刷によって供給される。尚、ここで用いる第１のはんだ材料１１６の合金組成は、Sn-3.5Ag-0.5Bi-6.0Inであり、融点は液相線温度で209℃、粘度は約200Pa・sである。

　次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、基板電極１０１上に、厚さ120μmのメタルマスクを用いて、ペースト状の第２のはんだ材料１１５が供給される。今回は、第２のはんだ材料１１５を幅方向（つまりクリアランスの幅方向と同じ方向）に２．７mmの幅の量を供給した。ここで用いる第２のはんだ材料１１５の合金組成は、Sn-58Biであり、融点は139℃、粘度は約200Pa・sである。

　そして、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第２のはんだ材料１１５上に電子部品１０３の部品電極１０４が配置され、電子部品１０３が搭載される。搭載された電子部品１０３は、3216サイズのチップコンデンサである。

　次に、最高温度が第２のはんだ材料１１５の融点以上かつ第１のはんだ材料１１６の融点未満になるように、一般的なSn-58Biはんだの接合条件で、第１のはんだ材料１１６及び第２のはんだ材料１１５の加熱が行われる。この加熱により、第２のはんだ材料１１５は溶融するが、第１のはんだ材料１１６は溶融しない。しかし、第１のはんだ材料１１６のInは、溶融した第２のはんだ材料１１５に溶け出す。Inが溶け出すことについては、更に後述する。

　ここで、溶融した第２のはんだ材料１１５に第１のはんだ材料１１６が溶け出した領域のうち、所定の領域をはんだ補強領域１０６と呼び、それ以外の領域をはんだ接合領域１０５と呼ぶ。

　その後冷却することにより、基板電極１０１と部品電極１０４が、はんだ接合領域１０５とはんだ補強領域１０６で接合され、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す実装構造体１０７が製造される。

　尚、具体的な加熱条件としては、最高温度を160℃に設定し、140℃以上に保持される時間を30sと設定する。詳細に言うと、140℃から160℃まで温度を上げ、160℃から140℃まで温度を下げる時間を合わせて30sと設定する。

　このような工程で製造した本実施の形態１における実装構造体１０７を用いて、熱疲労試験を行った。熱疲労試験の条件は、-40℃で30min、85℃で30minを１サイクルとして、５００サイクルを実施した。

　熱疲労試験後に、図１（ａ）の破線ＡＡ部の断面観察を行ったところ、亀裂の発生は見られなかった。

　次に、比較に、はんだ補強領域１０６を設けていない実装構造体を用いて、熱疲労試験が行われた。熱疲労試験の条件は、同様に-40℃で30min、85℃で30minを１サイクルとして、５００サイクルを実施した。

　（表１）は、熱疲労試験後に、図１（ａ）の破線ＡＡ部の断面観察を行った際の亀裂の有無を示している。

　（表1）に示すように、はんだ補強領域１０６を設けなかった実装構造体には、亀裂が発生していた。

　この結果から、第１のはんだ材料１１６を供給することにより、はんだ補強領域１０６が形成され、そのはんだ補強領域１０６によって、熱疲労によるはんだ接合領域１０５の亀裂の発生を抑制し、実装構造体１０７の耐熱疲労特性を向上させることができることがわかる。

　本実施の形態において、はんだ補強領域１０６に含まれるInが、実装構造体の耐熱疲労特性に大きく影響すると考えられるため、はんだ補強領域１０６のIn含有量について、以下に検証を行った。

　本実施の形態では、第１のはんだ材料１１６に含まれるInが、加熱ステップにおいて溶融した第２のはんだ材料１１５中に溶け出し、第２のはんだ材料１１５中に拡散する。そのため、図２に示すように、第１のはんだ材料１１６を供給するクリアランス１１１に近い位置ほどIn含有率が大きく、離れるにつれてIn含有率は若干小さくなると考えられる。すなわち、基板電極１０１と部品電極１０４との間では、基板電極１０１に近いほどIn含有率が若干大きく、部品電極１０４側では若干小さくなると考えられる。なお、In含有率は、エネルギー分散型Ｘ線分析（EDX）を用いて、測定点を含む直径20μｍの範囲の元素分析を行った結果である。

　また、部品電極１０４の直下の部分(図２のb1-b2部分参照)で比較した場合、クリアランス１１１に近い部品電極端部１０４ａが最もIn含有率が高くなり、クリアランス１１１から離れるにつれてIn含有率は小さくなる。

　図９は、図２のはんだ接合領域１０５及びはんだ補強領域１０６によって、基板１００と接合された部品電極１０４直下の破線b1-b2部分のIn含有率の測定結果を示した図である。

　図９に示す通り、接合部１０９におけるInの含有率は場所によって異なる値で分布している。すなわち、部品電極１０４のうち、クリアランス１１１に最も近い位置である部品電極端部１０４ａ（ｂ1部）におけるIn含有率は、クリアランス１１１に供給した第１のはんだ材料１１６のIn含有率と同じ6wt%であった。そして、クリアランス１１１から離れるにつれてIn含有率は低下し、b2の位置ではIn含有率は1wt%未満となっていた。

　なお、クリアランス１１１の幅（0.3mm）と比較して、基板１００からの電子部品１０３の底面までの距離（高さ）（例えば、0.05mm）は小さいため、この高さ方向には、In含有率の濃度変化はほとんど生じない。そのため、上述したように、部品電極端部１０４ａ（b1部）におけるIn含有率は、クリアランス１１１に供給した第１のはんだ材料１１６のIn含有率とほぼ同じとなる。尚、本出願の図面では、分かりやすくするために、図２で横方向の長さに対して、高さ方向の長さを誇張して図示している。

　この結果から、供給した第１のはんだ材料１１６中のInは、b1-b2部では、供給したクリアランス１１１に近い部品電極端部１０４ａ付近に多く存在することが確認され、基板電極端部１０１ａと部品電極端部１０４ａの間の面Ｑを越えて、面１０９ａまでInを含有するはんだ補強領域１０６が形成されていることが確認された。

　なお、本明細書では、はんだ補強領域１０６は、Inが3wt%以上、8wt%以下の範囲であり、Snを88wt%以上含有する領域と定義される。又、はんだ接合領域１０５は、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、Inが0wt%以上、3wt%未満の範囲である領域と定義される。

　このようにInが面１０９ａの全面に形成することで、面１０９ａの全体が、Inの固溶強化によって強度が高くなるため、Sn-Bi系はんだで電子部品を基板に接合した場合に問題となる、熱疲労によるはんだ接合領域１０５の亀裂の発生を抑制し、実装構造体１０７の耐熱疲労特性を向上させることができる。

　また、従来のはんだ接合部２０５を樹脂で包囲している場合と比べて、はんだ接合領域１０５とはんだ補強領域１０６では、線膨張率の差が少ないため、従来の構造と比較しても耐熱疲労特性を向上させることが出来る。

　ここで、Inが溶け出すことについて、更に説明する。すなわち、本実施の形態では、第２のはんだ材料１１５の融点より高く、第１のはんだ材料１１６の融点未満の温度で加熱することにより、第２のはんだ材料１１５が溶融するが、第１のはんだ材料１１６は、そのペースト成分が溶けるだけで溶融はしない。しかし、第１のはんだ材料１１６中の金属粒子が、すでに溶融している第２のはんだ材料１１５中に拡散し、金属粒子中のInが第２のはんだ材料１１５側に溶け出す。上記のように加熱温度を設定することにより、Inが第２のはんだ材料１１５側に溶け出す速度が遅くなり、第１のはんだ材料１１６を供給した位置の近傍である、面１０９ａを含む領域に、Inが3wt%以上含有されたはんだ補強領域１０６を形成することが出来る。仮に、第１のはんだ材料１１６の融点以上で加熱を行った場合、Inの溶け出す速度が速いため、Inが広範囲に拡散し、濃度が低くなりすぎることにより、Inを3wt%以上含有するという条件を満たしたはんだ補強領域１０６が形成されない場合があり得るためである。

　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２では、実施の形態１の実装構造体において、第１のはんだ材料１１６のIn含有量を変化させ、それにより形成された実装構造体１０７について説明する。その他の構成および製造方法については実施の形態１と同様である。

　ここで用いる第１のはんだ材料１１６の合金組成を、Sn-3.5Ag-0.5Bi-xIn (0<x≦9)に変化させ、図２のb1の位置に接するはんだのIn含有率を測定した。

　その結果、いずれのIn含有率の第１のはんだ材料１１６を供給した場合でも、図２のb1の位置まで第１のはんだ材料１１６のInの拡散が起こり、接合部１０９のb1の位置では、供給した第１のはんだ材料１１６のIn含有率と同等となっていることが確認された。これも上述したように、高さ方向には、In含有率の濃度変化はほとんど生じないためである。すなわち、In含有率が例えば4wt%の第１のはんだ材料を供給した場合には、製造された実装構造体のb1の位置におけるIn含有率も4wt%となる。尚、面１０９ａ上のIn含有率も、b1の位置での含有率と同等レベルである。

　（表2）は、本実施の形態2における、部品電極端部１０４ａのb1の位置に接するはんだのIn含有率と、熱疲労試験後の亀裂の発生の有無の結果を示す。

　以下、b1の位置に接する接合部１０９に着目して、そのIn含有率と亀裂の発生の有無の関係を説明する。

　（表２）に示すように、部品電極端部１０４ａのb1の位置に接するはんだのIn含有率が1wt%、2wt%の場合、亀裂が発生していた。

　In含有率が3～8wt%の場合、亀裂の発生は見られなかった。しかしながら、In含有率が9wt%の場合、基板電極１０１と部品電極１０４とを接合するはんだの形状が変化し、亀裂が発生していた。

　これは、In含有はんだで発生する相変態による体積変化が原因であると考えられる。Sn-In系はんだ合金は、β-Sn相とγ相で構成される。Sn-In系はんだ合金は、同じ組成であっても温度によってβ-Sn相とγ相の存在比率が異なるため、温度変化によって相変態が発生する。相変態が発生する温度は、In含有量が多いほど低くなることが知られている。

　そのため、In含有率が9wt%の場合、熱疲労試験中に相変態が発生し、β-Sn相とγ相では体積が異なり変形が生じるため、亀裂が発生したと考えられる。

　以上の結果から、第１のはんだ材料１１６のIn含有率を、3wt%以上8wt%以下と決めた。この範囲のInを含有させた第１のはんだ材料１１６を用いることにより、b1においても同じIn含有率の接合部１０９を形成することが出来るからである。この場合、厳密には、部品電極端部１０４ａのb1の位置に接するはんだのIn含有量が3wt%以上、8wt%以下となる。

　また、本実施の形態の結果から、補強効果を発現するためには、第１のはんだ材料１１６としては、Inを3wt%以上、8wt%以下含有し、さらにIn含有による相変態を抑制するために、Snを88wt%以上（97wt%以下）含有しているはんだ材料を用いる必要がある。その場合、第１のはんだ材料１１６の融点は210～220℃程度である。

　また、はんだ付け時の加熱ステップでは、加熱ステップの温度バラツキから20℃程度のマージンが必要であるため、加熱時の最高温度は190℃以下とする必要がある。

　さらに、良好なはんだ付けを行うためには、第２のはんだ材料１１５の融点より10～20℃高い温度に加熱する必要があるため、第２のはんだ材料１１５は融点が170℃以下のはんだ材料を用いる必要がある。

　（実施の形態3）
　本発明の実施の形態３では、実施の形態１における実装構造体において、第１のはんだ材料１１６を供給するクリアランス１１１の幅を変化させることによって、第１のはんだ材料１１６と第２のはんだ材料１１５の和に対する第１のはんだ材料１１６の割合を変化させて形成される実装構造体について説明する。

　その他の構成については、実施の形態１と同様である。

　製造方法を、本実施の形態1 における実装構造体の製造方法の各工程を示した図である図４～図８を用いて説明する。

　本発明の実施の形態3では、クリアランス１１１の幅を0.1mmから0.6mmで変化させ、第１のはんだ材料１１６の供給量を変化させている。ここで用いる第１のはんだ材料１１６の合金組成は、Sn-3.5Ag-0.5Bi-6.0Inである。その他の製造方法については実施の形態１と同様である。

　なお、実施の形態１の結果から、In含有率が3wt%以上である領域をはんだ補強領域１０６としている。

　（表３）は、本実施の形態３におけるクリアランス１１１の幅と、部品電極１０４直下の部分(図２の破線b1-b2部)における部品電極端部１０４ａの位置b1から、電子部品１０３の長手方向へのはんだ補強領域１０６の幅δと、亀裂の有無の状況との関係を示している。

　クリアランス１１１の幅が0.1mmの場合、図２のb1の位置におけるはんだには、3wt%以上のInは含有されていなかった。つまり、図２の破線b1-b2部分において、はんだ補強領域１０６は形成されておらず、亀裂が発生していた。

　クリアランス１１１の幅が0.2～0.4mmの場合、破線b1-b2方向に幅を有するはんだ補強領域１０６が形成されており、亀裂の発生は見られなかった。

　しかしながら、クリアランス１１１の幅が0.5mm、0.6mmの場合、加熱、冷却による接合後、第１のはんだ材料１１６がはんだ接合領域１０５に十分に溶解せず、第１のはんだ材料１１６がペースト状で残った状態となっており、良好な接合が得られなかった。

　（表４）は、本実施の形態におけるクリアランス１１１の幅と、第２のはんだ材料１１５の供給量と第１のはんだ材料１１６の供給量の和に対する第１のはんだ材料１１６の割合を示している。

　クリアランス１１１の幅が0.1mmの場合、第１のはんだ材料１１６の供給量が少ない。そのため、クリアランス１１１に供給した第１のはんだ材料１１６からのInの拡散量が不十分であり、部品電極端部１０４ａまでInが十分に拡散せず、面１０９ａの全体には、はんだ補強領域１０６が形成されていない。その結果、熱疲労時の応力集中部に、脆弱なはんだ接合領域１０５のSn-Bi共晶組織が存在するため、亀裂が発生してしまうと考えられる。

　クリアランス１１１の幅が0.2mm以上の場合、第１のはんだ材料１１６からのInの拡散により、部品電極端部１０４ａまでInが拡散し、面１０９ａの全体にはんだ補強領域１０６を形成できるため、亀裂の発生を抑制できたと考えられる。

　本実施の形態の結果から、亀裂の発生を抑制するためには、第２のはんだ材料１１５の供給量と第１のはんだ材料１１６の供給量の和に対する第１のはんだ材料１１６の割合を6.7wt%以上とし、面１０９ａの全体にはんだ補強領域１０６が形成されることが望ましいことが分かる。

　また、クリアランス１１１の幅が0.5mm、0.6mmの場合において、第１のはんだ材料１１６の一部がペースト状で残留することについては、以下のように考えられる。

　クリアランス１１１の幅を大きくした場合、第２のはんだ材料１１５の量に対する第１のはんだ材料１１６の割合が大きくなるため、第１のはんだ材料１１６は、加熱中に溶融した第２のはんだ材料１１５に溶解しにくくなる。そのため、クリアランス１１１の幅が0.5mm、0.6mmでは、基板電極１０１と部品電極１０４との接合過程において、第１のはんだ材料１１６が第２のはんだ材料１１５に溶け出しきらなかったため、ペースト状で残留したと考えられる。すなわち、クリアランス１１１の幅が広いために、溶融した第２のはんだ材料１１５が、第１のはんだ材料１１６の内側の端まで届かず、第１のはんだ材料１１６にペースト状で残留する部分が生じることによるものである。

　本実施の形態の結果から、良好な接合を得るためには、第２のはんだ材料１１５の供給量と第１のはんだ材料１１６の供給量の和に対する第１のはんだ材料１１６の割合を12.6wt%以下にし、実装構造体のはんだ補強領域１０６の幅は0.27mm以下にする方がより好ましいことが分かる。又、はんだ補強領域１０６の幅は、10μｍ以上にする方が好ましい。この下限値は、Snの結晶１個分の幅が10μｍであることから規定されている。

　尚、実施の形態１では、図２に示すように、はんだ補強領域１０６は、接合部１０９の面１０９ａから、部品電極端部１０４ａと基板電極端部１０１ａを結ぶ面Ｑ（図中一点鎖線参照）を越えて形成されているが、面Ｑまで形成されていなくても良い。

　しかしながら、はんだ補強領域１０６は、図１０の模式図に示すように、少なくとも面１０９ａの全体に露出して形成されている方がより好ましい。

　このように面１０９ａの全体に、はんだ補強領域１０６が形成されている方が好ましい点について以下に説明する。

　実装構造体１０７において、接合部１０９と部品電極１０４の間、又は接合部１０９と基板電極１０１の間に亀裂が発生すると電気的な接続が損なわれ、問題となるが、この亀裂は、面１０９ａから生じ、接合部１０９と部品電極端部１０４ａの間、又は接合部１０９と基板電極端部１０１ａの間へと延びていく。このため、面１０９ａの全体をInの固溶化によって強化することにより、亀裂の発生を大幅に低減することが可能となる。

　又、亀裂の発生を抑制する効果が小さくなるものの、はんだ補強領域１０６が面１０９ａの全体に露出して形成されていなくても良い。すなわち、面１０９ａに、はんだ補強領域１０６が形成されていない部分が存在しても良い。このような構成でも、はんだ補強領域１０６が形成されていない場合と比較すると、亀裂発生を抑制する効果を発揮することが出来る。

　（実施の形態４）
　次に、本発明にかかる実施の形態４における実装構造体について説明する。本実施の形態４の実装構造体は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、第１のはんだ材料１１６を供給するためのクリアランスが設けられていない点が異なっており、又、製造方法についても異なる工程がある。そのため、本相違点を中心に説明する。

　図１１（ａ）は、本実施の形態４の実装構造体１７０の平面模式図である。図１１（ｂ）は、（ａ）のＡＡ矢視縦断面模式図である。図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態４の実装構造体１７０では、実施の形態１の実装構造体１０７と異なり、クリアランス１１１が設けられていない点が異なっている。

　次に、本発明にかかる実施の形態４の実装構造体１７０の製造方法について説明する。

　図１２～図１５は、本実施の形態４の実装構造体１７０の製造方法を説明するための模式図である。尚、図１２～図１５の各図の（ａ）では、平面模式図が示され、（ｂ）では、その平面模式図のＡＡ矢視縦断面模式図が示されている。尚、図１４では、図１４（ｃ）としてＳ部拡大図も示されている。

　図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、基板電極１０１の電子部品１０３が載置される位置の下側に設けられたレジスト１０２と基板電極端部１０１ａとの間は隣接しており、実施の形態１のクリアランスが形成されていない。

　そして、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、露出されている基板電極１０１に、基板電極端部１０１ａから所定の間隔を空けて、第２のはんだ材料１１５が供給される。この第２のはんだ材料１１５の供給が、本発明の第２のはんだ材料供給ステップの一例に相当する。

　次に、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、基板電極端部１０１ａから所定の間隔を空けた基板電極１０１上に、第２のはんだ材料１１５と間隔を空けて第１のはんだ材料１１６が供給される。

　次に、第１のはんだ材料１１６と第２のはんだ材料１１５の間に間隔を設ける点について説明する。

　本発明では、電子部品１０３を載置した際に第１のはんだ材料１１６と第２のはんだ材料１１５が潰れて混合すると、面１０９ａ側に第２のはんだ材料１１５が移動し、加熱ステップ後に面１０９ａの一部にはんだ補強領域１０６が露出して形成されない場合がある。はんだ補強領域１０６は、面１０９ａの全体に露出して形成される方がより好ましいため、電子部品１０３を載置した際に第１のはんだ材料１１６と第２のはんだ材料１１５が潰れて混合されることを防止する必要がある。このため、はんだの潰れ幅を考慮し、第１のはんだ材料１１６と第２のはんだ材料１１５の間に0.1mm以上の間隔を設ける方が好ましい。

　一方、加熱ステップにおいて、加熱されて第２のはんだ材料１１５が溶融し基板電極１０１にぬれ広がった際に、第２のはんだ材料１１５が第１のはんだ材料１１６に触れる必要がある。第２のはんだ材料１１５は0.3mm程度までぬれ広がるため、第１のはんだ材料１１６と第２のはんだ材料１１５の間隔は、0.3mm以下に設定する方が好ましい。

　このため、第１のはんだ材料１１６が供給される位置と、第２のはんだ材料１１５が供給される位置の間隔ｔ１（図１４（ｃ）のＳ部拡大図参照）は、0.1mm以上0.3mm以下とする。

　つまり、図１４（ｃ）に示すように、第２のはんだ材料１１５は、基板電極端部１０１ａから、第１のはんだ材料１１６が供給される領域の幅ｔ２と、上記間隔ｔ１を空けた位置に供給されることになる。

　続いて、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、部品電極１０４が第２のはんだ材料１１５上に配置されるように、電子部品１０３が基板１００上に搭載される。

　そして、電子部品１０３が基板１００上に搭載された状態で、加熱されて第２のはんだ材料１１５が溶融し、冷却されて実装構造体１７０（図１１（ｂ）参照）が製造される。

　上述した本実施の形態４の実装構造体１７０のように、クリアランスを設けなくてもはんだ補強領域１０６を形成することが出来、耐熱疲労特性を向上させることが出来る。

　以上のように、Sn-Bi系はんだで電子部品を基板に接合した実装構造体において、熱疲労が負荷された際に発生する亀裂の起点となる電子部品下の応力集中部の合金強度が、結晶格子のSn原子の一部がInに置換されるInの固溶強化によってSn-Biと比較して高くなり、亀裂の発生を抑制することができる。

　尚、上記実施の形態では、接合部１０９の内側の面１０９ａに、3wt%以上、8wt%以下のInを含有したはんだ補強領域１０６を形成したが、これに限らず、例えば、図１６に示すような位置にはんだ補強領域１０６が形成されていてもよい。図１６は、実装構造体１８０の側面構成図である。図１６に示す実装構造体１８０では、電子部品１０３を基準として接合部１０９の外側の面１０９ｂにInを含有したはんだ補強領域１０６が形成されている。

　このように外側の面１０９ｂ側に、はんだ補強領域１０６を形成しても良いが、亀裂の発生は、内側の面１０９ａから発生し易いため、実装構造体１０７及び実装構造体１７０よりも耐熱疲労特性は若干劣ると考えられるものの、従来の構成と比較すると、耐熱疲労特性を向上させることが出来る。

　これによって、はんだ接合領域１０５を樹脂で補強した際と異なり、はんだ接合領域１０５とはんだ補強領域１０６の線膨張率の差はほとんどないため、耐熱疲労特性を向上させることが出来る。

　この場合、本発明の接合部の側面の一例は、図１６の面１０９ｂに相当する。

　なお、本実施の形態において、第１のはんだ材料１１６はSn-3.5Ag-0.5Bi-XIn(3≦X≦8)を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、Inによる補強効果を発現し、かつγ-Snへの相変態が抑制されればよいので、Inを3wt%以上、8wt%以下含有しており、Snを88wt%以上（97wt%以下）含有したはんだであればよく、例えばSn-6In、Sn-8Inのようなはんだ合金であってもよい。

　また、本実施の形態において、第１のはんだ材料１１６はスクリーン印刷によって供給したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばめっきによる供給であっても良い。

　また、本実施の形態において、第２のはんだ材料１１５は合金組成Sn-58Biのものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、170℃以下の低融点のSn-Bi系はんだであれば本発明の実装構造体の製造方法が適用できるので、例えばAgやCuを微量含有した、Sn-57Bi-1Ag, Sn-40Bi-0.1Cuのようなはんだ合金であってもよい。

　また、本実施の形態において、電子部品１０３は3216サイズのチップコンデンサを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子部品１０３のサイズや種類が異なるものでよく、また、部品電極１０４の形状がリード形状であってもよい。

　また、上記実施の形態では、基板電極１０１、部品電極１０４、接合部１０９は、一対設けられているが、一対に限定されるものではない。すなわち、接合部１０９が、１つ又は３つ以上形成されていてもよい。

　本発明の実装構造体及びその製造方法は、耐熱疲労特性の向上という効果を有し、例えば、SMT方式で製造される実装構造体及びその製造方法等として有用である。

１００　基板
１０１　基板電極
１０１ａ　基板電極端部
１０２　レジスト
１０３　電子部品
１０４　部品電極
１０４ａ　部品電極端部
１０５　はんだ接合領域
１０６　はんだ補強領域
１０７　実装構造体
１１１　クリアランス
１１５　第２のはんだ材料
１１６　第１のはんだ材料
２００　基板
２０１　基板電極
２０２　レジスト
２０３　電子部品
２０４　部品電極
２０５　はんだ接合部
２０６　接着補強部
２０７　接着補強部
２０８　はんだ部

Claims

　基板電極を有する基板と、
　部品電極を有する電子部品と、
　前記基板電極と前記部品電極を接合する接合部とを備え、
　前記接合部は、はんだ補強領域とはんだ接合領域とで構成され、
　前記はんだ補強領域は、前記接合部の側面領域であり、且つInが3wt%以上8wt%以下、Snが88wt%以上含有する領域であり、
　前記はんだ接合領域は、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上3wt%未満の領域である、実装構造体。
　前記基板は、前記基板電極を一対有し、
　前記電子部品は、前記部品電極を一対有し、
　前記接合部は、前記一対の基板電極と、それらに対応する前記一対の部品電極の間にそれぞれ形成されており、
　前記はんだ補強領域は、それぞれの前記接合部の対向する側面の全体に形成されている、請求項１記載の実装構造体。
　前記はんだ補強領域は、前記側面から内側方向に10μｍ以上、0.27ｍｍ以下の厚みで形成されている、請求項１記載の実装構造体。
　基板の基板電極の上又は近傍に第１のはんだ材料を供給する第１のはんだ材料供給ステップと、
　前記基板電極上に、第２のはんだ材料を供給する第２のはんだ材料供給ステップと、
　前記第２のはんだ材料上に、電子部品の部品電極を配置し、前記基板の上に前記電子部品を搭載する電子部品搭載ステップと、
　前記第２のはんだ材料の融点以上、前記第１のはんだ材料の融点未満の温度で、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を加熱する加熱ステップと、
　前記加熱ステップの後、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を冷却する冷却ステップとを備え、
　前記第１のはんだ材料供給ステップ又は前記第２のはんだ材料供給ステップにおける前記第１のはんだ材料又は前記第２のはんだ材料の前記供給により、前記第１のはんだ材料と前記第２のはんだ材料が互いに近接し、
　前記第２のはんだ材料は、Inを含まないSn -Bi系のはんだ材料であり、
　前記第１のはんだ材料は、Inを3wt%以上、8wt%以下含有し、Snを88wt%以上含有する材料であり、
　前記加熱ステップにおいて、溶融した前記第２のはんだ材料に前記第１のはんだ材料のInが溶け出した後、前記冷却ステップにおいて、前記冷却により前記基板電極と前記部品電極との間を接合する接合部が形成される際、i）前記接合部のうちInが溶け出した領域であって、Inが3wt%以上、8wt%以下であり、Snを88wt%以上含有する領域がはんだ補強領域として前記接合部の側面に形成され、ii）前記接合部のうち前記はんだ補強領域以外の領域であって、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上、3wt%未満の領域がはんだ接合領域として形成される、実装構造体の製造方法。
　前記基板は、前記基板電極を一対有し、
　前記電子部品は、前記部品電極を一対有し、
　前記接合部は、前記一対の基板電極と、それらに対応する前記一対の部品電極の間にそれぞれ形成され、
　前記はんだ補強領域は、それぞれの前記接合部の対向する側面の全体に形成される、請求項４記載の実装構造体の製造方法。
　前記はんだ補強領域は、前記側面から内側方向に10μｍ以上、0.27ｍｍ以下の厚みで形成される、請求項４記載の実装構造体の製造方法。
　前記第１のはんだ材料は、Sn-Ag-Bi-In系のはんだ材料である、請求項４記載の実装構造体の製造方法。
　基板の基板電極の上又は近傍にSn-3.5Ag-0.5Bi-6Inの第１のはんだ材料を供給する第１のはんだ材料供給ステップと、
　前記基板電極上に、Sn-58Biの第２のはんだ材料を供給する第２のはんだ材料供給ステップと、
　前記第２のはんだ材料上に、電子部品の部品電極を配置し、前記基板の上に前記電子部品を搭載する電子部品搭載ステップと、
　前記第２のはんだ材料の融点以上、前記第１のはんだ材料の融点未満の温度で、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を加熱する加熱ステップと、
　前記加熱ステップの後、前記第１のはんだ材料及び前記第２のはんだ材料を冷却する冷却ステップとを備え、
　前記第１のはんだ材料供給ステップ又は前記第２のはんだ材料供給ステップにおける前記第１のはんだ材料又は前記第２のはんだ材料の前記供給により、前記第１のはんだ材料と前記第２のはんだ材料が互いに近接し、
　前記加熱ステップにおいて、溶融した前記第２のはんだ材料に前記第１のはんだ材料のInが溶け出した後、前記冷却ステップにおいて、前記冷却により前記基板電極と前記部品電極との間を接合する接合部が形成される際、i）前記接合部のうちInが溶け出した領域であって、Inが3wt%以上、8wt%以下であり、Snを88wt%以上含有する領域がはんだ補強領域として前記接合部の側面に形成され、ii）前記接合部のうち前記はんだ補強領域以外の領域であって、Sn-Bi系のはんだ材料を含有し、且つInが0wt%以上、3wt%未満の領域がはんだ接合領域として形成される、実装構造体の製造方法。