JP7148761B1 - はんだ合金、接合部、接合材、ソルダペースト、接合構造体および制御装置 - Google Patents

Abstract

ヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できるはんだ合金であって、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上１質量％以下のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎと、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である、はんだ合金。

Description

本発明は、はんだ合金、接合部、接合材、ソルダペースト、接合構造体および制御装置に関する。

はんだ合金は、被接合材同士（例えば、プリント配線基板と電子部品）の接合（はんだ付）用材料として、広く知られている。そして、環境負荷の低減の観点から、近年は、鉛を含まないはんだ合金、特に、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金が、広く使用されている。

Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金の溶融温度（本明細書においては、「溶融点」または「液相線温度」を意味する。）は、２１７℃から２２７℃である。
また、はんだ付時において、はんだ合金を十分に溶融させるため、プリント配線基板に搭載する電子部品の熱容量の差に基づきプリント配線基板面内の温度分布を考慮して、使用するはんだ合金の溶融温度の＋２０℃以上で加熱することが、一般的に行われている。従って、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金を用いてはんだ付を行う場合、その加熱温度は、おおよそ２４０℃から２５０℃に設定される。

ここで、近年の電子機器の小型化により、制御装置の小型化、電子部品の高密度実装、並びにプリント配線基板および電子部品の小型化・薄型化が進んでいる。
そのため、このようなプリント配線基板と電子部品とをＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金を用いてはんだ付すると、プリント配線基板および電子部品に熱的負荷を原因とする反りが生じる虞があり、プリント配線基板と電子部品とを確実に接合できない可能性がある。
一方、２４０℃から２５０℃よりも低い温度ではんだ付を行うと、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金が十分に溶融せず、プリント配線基板と電子部品との接合信頼性を低下させる虞がある。

Ｂｉを添加することにより、はんだ合金の溶融温度を低下させる方法も存在する。しかし、Ｂｉは、はんだ合金の延性を低下させる性質を有するため、Ｂｉを含むはんだ合金を用いて形成される接合部は、硬くて脆くなり易い。

そこで、Ｂｉを含み、且つ、良好な延性を有するはんだ合金として、例えば、Ｂｉを３２質量％以上４０質量％以下、Ｓｂを０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｃｕを０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを０．００１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる、鉛フリーはんだ合金（特許文献１）や、質量％で、Ｂｉ：３５～６８％、Ｓｂ：０．１～２．０％、Ｎｉ：０．０１～０．１０％、残部がＳｎからなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金（特許文献２）が存在する。

特許第６８０４１２６号公報 特許第６４７７９６５号公報

特許文献１には、Ｓｎ－Ｂｉ系はんだ合金の融点の低さを維持し、且つ、従来よりも良好な物理的特性を有し、従来よりも信頼性の高い接合部を形成可能な鉛フリーはんだ合金が開示されている。

また、特許文献２に開示されるはんだ合金は、延性が優れ、また、合金組織が微細となるため、優れたシェア強度およびヒートサイクル耐性を有するはんだ合金が開示されている。

ここで、電子機器の種類や使用環境下によっては、電子機器の地面への落下等により、被接合材や接合部に対して瞬間的且つ集中的な強い外力が加わる場合がある。そして、接合部に加わる瞬間的且つ集中的な強い外力の種類、即ち、引張、圧縮、せん断、曲げおよびねじりは、プリント回路基板（接合構造体）における接合部の位置、電子機器内のプリント回路基板の位置、および接合部の部位により異なり、且つ、複数種の力がほぼ同時に接合部に加えられる場合がある。
そのため、せん断耐性や延性の優れる接合部でも、この瞬間的且つ集中的な強い外力に耐えきれず、その結果、接合部が破損してしまう虞がある。
そして、特許文献１および２には、接合部のこのような耐性（以下、本明細書では、「耐落下衝撃性」という。）については、開示も示唆も一切ない。

本発明の目的は、上記の課題を解決するものであり、ヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できるはんだ合金を提供することである。

（１）本発明のはんだ合金は、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上１質量％以下のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎと、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

（２）上記（１）に記載の構成にあって、本発明のはんだ合金は、更に、０．０５質量％以上１質量％以下のＣｕを含むことができる。

（３）上記（１）または（２）に記載の構成にあって、本発明のはんだ合金は、更に、０．００１質量％以上０．０５質量％以下のＦｅを含むことができる。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１に記載の構成にあって、本発明のはんだ合金は、更に、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことができる。

（５）上記（１）から（４）のいずれか１に記載の構成にあって、本発明のはんだ合金は、更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含むことができる。

（６）本発明の接合材は、上記（１）から（５）のいずれか１に記載のはんだ合金を含む。

（７）本発明のソルダペーストは、フラックスと、上記（１）から（５）のいずれか１に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む。

（８）本発明の接合部は、上記（１）から（５）のいずれか１に記載のはんだ合金を用いて形成される。

（９）本発明の接合構造体は、第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有し、前記接合部は、上記（８）に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している。

（１０）本発明の制御装置は、上記（９）に記載の接合構造体を有する。

本発明のはんだ合金は、ヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成することができる。

（１）引張試験で用いる試験片の形状を表す平面図。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明が以下の実施形態に限定されるものではないことは、もとよりである。

１．はんだ合金
本実施形態のはんだ合金は、所定の合金元素を所定量含むことにより、Ｂｉを一定量以上含んでいても、はんだ合金の延性と強度とをバランスよく向上させることができる。これにより、ヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成することができる。
また、本実施形態のはんだ合金を用いて形成する接合部は、はんだ付時、並びに制御装置および電子機器の作成時に接合部に加わる外力と、これに伴う接合部内での応力を起因とする、接合部内のクラックの発生も抑制することができる。

ここで、被接合材同士を接合する接合部を有する接合構造体、例えば、プリント配線基板と電子部品とを接合する接合部を有するプリント回路基板が、ヒートサイクルの繰り返される環境下に置かれる場合、接合部自体の熱膨張および熱収縮、並びにプリント配線基板と電子部品との熱膨張係数の差を要因として、接合部内に繰り返しの応力が発生する。そして、この応力は、接合部の熱疲労破壊（クラック）を引き起こす。
また、一般的に、クラックの先端部には応力集中が生じ易いため、上述する応力がこの先端部に集中する結果、クラックが進展し、接合部の破断の生じる虞がある。

しかし、本実施形態のはんだ合金は、後述するように、接合部を固溶強化すると共に、接合部内にβ－ＳｎＳｂ、ＩｎＳｂといった強度の高い微細な金属間化合物をバランスよく析出させることができる。
また、本実施形態のはんだ合金は、各合金元素の種類およびその含有量のバランスを図ることにより、接合部に良好な延性を付与することができる。
このように、本実施形態のはんだ合金は、接合部の延性と強度とをバランスよく向上させることができるため、接合部内でのクラックの発生とその進展を抑制することができ、良好なヒートサイクル耐性を実現することができる。

また、電子機器の種類や使用環境下によっては、接合部に対して瞬間的且つ集中的な強い外力が加わる場合がある。そして、この場合、接合部には、複数の種類の外力（引張、圧縮、せん断、曲げおよびねじり）が加わり、また、接合部内には、瞬間的且つ大きな応力と、引張外力に対する応力が発生する。
ここで、延性の高い接合部であっても、瞬間的且つ大きな応力には耐えきることができず、また、強度の高い接合部であっても、引張外力に対する応力には耐えきることができない虞がある。即ち、このような外力に耐えきるためには、強度と延性の両方が高い接合部であることが求められる。
そして、上述の通り、本実施形態のはんだ合金は、良好な延性と強度とをバランスよく有する接合部を形成することができるため、瞬間的且つ集中的な強い外力に対しても良好な耐制、即ち、良好な耐落下衝撃性を有する接合部を提供できる。

本実施形態のはんだ合金は、４５質量％以上６３質量％以下のＢｉを含むことにより、はんだ合金の延性を向上させることができる。また、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。
そして、本実施形態のはんだ合金は、他の合金元素の種類およびその含有量と、Ｂｉの含有量とのバランスを図ることにより、はんだ合金の延性と強度とをバランスよく向上させることができるため、良好なヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを実現できる。

一方で、Ｂｉの含有量が４５質量％未満であると、はんだ合金の液相線温度が大きく上昇する虞がある。また、Ｂｉの含有量が６３質量％を超えると、はんだ合金の延性が低下する虞がある。

Ｂｉの好ましい含有量は、４５質量％以上６０質量％以下である。また、更に好ましいＢｉの含有量は、５０質量％以上５９質量％以下である。
Ｂｉの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性を更に向上させることができるため、ヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

本実施形態のはんだ合金は、０．１質量％以上１質量％以下のＳｂを含むことにより、接合部のＳｎ相にＳｂが固溶することによる固溶強化と、接合部内での微細なβ－ＳｎＳｂの析出による析出強化を実現できる。また、この範囲内でＳｂを含むことにより、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。
そして、本実施形態のはんだ合金は、他の合金元素の種類およびその含有量と、Ｓｂの含有量とのバランスを図ることにより、はんだ合金の延性と強度とをバランスよく向上させることができるため、良好なヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを実現できる。

一方で、Ｓｂの含有量が０．１質量％未満であると、接合部の固溶強化および析出強化が不十分となる虞がある。また、Ｓｂの含有量が１質量％を超えると、初晶として粗大なβ－ＳｎＳｂが晶出するため、接合部の延性を阻害する虞がある。

Ｓｂの好ましい含有量は、０．２質量％以上０．８質量％以下である。また、更に好ましいＳｂの含有量は、０．３質量％以上０．７質量％以下である。
Ｓｂの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性と強度とを更にバランスよく更に向上させることができるため、ヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

本実施形態のはんだ合金は、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎを含むことにより、接合内での微細なＩｎＳｂの析出による析出強化を実現できる。また、この範囲内でＩｎを含むことにより、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。
そして、本実施形態のはんだ合金は、他の合金元素の種類およびその含有量と、Ｉｎの含有量とのバランスを図ることにより、はんだ合金の延性と強度とをバランスよく向上させることができるため、良好なヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを実現できる。

一方で、Ｉｎの含有量が０．０５質量％未満であると、接合部の析出強化が不十分となる虞がある。また、Ｉｎの含有量が１質量％を超えると、ＩｎＳｂが粗大化するため、接合部の延性を阻害する虞がある。

Ｉｎの好ましい含有量は、０．０５質量％以上０．５質量％以下である。また、更に好ましいＩｎの含有量は、０．０５質量％以上０．３質量％以下である。
Ｉｎの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性と強度とを更にバランスよく更に向上させることができるため、ヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

本実施形態のはんだ合金は、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下含むことにより、接合部内に析出する金属間化合物を微細化することができるため、接合部のヒートサイクル耐性を向上させことができる。また、この範囲内でＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上を含むことにより、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。
そして、本実施形態のはんだ合金は、他の合金元素の種類およびその含有量と、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上の合計含有量とのバランスを図ることにより、はんだ合金の延性と強度とを更にバランスよく更に向上させることができるため、接合部のヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

一方で、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上の合計含有量が０．００１質量％未満であると、接合部のヒートサイクル耐性の向上が不十分となる虞がある。また、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上の合計含有量が０．１質量％を超えると、はんだ合金の製造過程において、はんだ合金内に針状の物質が発生し易くなる虞がある。
ここで、針状の物質を含むはんだ合金は、球状粉末化するに際し、この針状の物質の存在が球状化を阻害するため、球状粉末化が困難となる虞がある。

ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上の好ましい合計含有量は、０．００５質量％以上０．１質量％以下である。また、より好ましい合計含有量は、０．０１質量％以上０．１質量％以下である。
ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上の含有量をこの範囲とすることで、特に、ヒートサイクル耐性を更に向上させることができる。

本実施形態のはんだ合金は、０．０５質量％以上１質量％以下のＣｕを含むことができる。この場合、接合部内に微細なＣｕ_６Ｓｎ_５を析出させ、接合部に優れた延性と強度とを付与することができる。また、Ｃｕは、上述するＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも１種以上と共に、接合部内に微細な（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５、（Ｃｕ，Ｃｏ）_６Ｓｎ_５、（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ）_６Ｓｎ_５を析出させるため、接合部に優れた強度を付与することができる。また、この範囲内でＣｕを含むことにより、はんだ合金の液相線温度を低下させることもできる。
そして、本実施形態のはんだ合金にＣｕを添加する場合、他の合金元素の種類およびその含有量と、Ｃｕの含有量とのバランスを図ることにより、はんだ合金の延性と強度とをバランスよく向上させることができるため、更に良好なヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを実現できる。

一方で、Ｃｕの含有量が１質量％を超えると、Ｃｕ_６Ｓｎ_５が粗大化するため、接合部の延性を阻害する虞がある。

Ｃｕの好ましい含有量は、０．０５質量％以上０．５質量％以下である。また、更に好ましいＣｕの含有量は、０．１質量％以上０．３質量％以下である。
Ｃｕの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の延性と強度とを更にバランスよく更に向上させることができるため、接合部のヒートサイクル耐性と耐落下衝撃性とを更に向上させることができる。

本実施形態のはんだ合金には、０．００１質量％以上０．０５質量％以下のＦｅを含有させることができる。そして、この場合、接合部内のＳｎ結晶粒を微細化することができる。微細化されたＳｎ結晶粒の境界は、クラックの進展を抑制することができるため、良好なヒートサイクル耐性を実現できる。
また、Ｆｅをはんだ合金に添加することにより、はんだごてを用いてはんだ付する場合の、はんだごてのコテ先での鉄喰われの発生を抑制することができる。
一方で、Ｆｅの含有量が０．０５質量％を超えると、はんだ合金の製造過程において、はんだ合金内に針状の物質が発生し易くなる虞がある。

Ｆｅをはんだ合金に添加する場合の、Ｆｅの好ましい含有量は、０．００１質量％以上０．０２重量％以下である。また、より好ましい含有量は、０．００１質量％以上０．０１質量％以下である。
Ｆｅの含有量をこの範囲とすることで、はんだ合金の強度を更に向上させることができ、良好なヒートサイクル耐性を実現できる。

本実施形態のはんだ合金には、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有させることができる。
Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上をはんだ合金に添加することにより、はんだ合金の酸化を抑制し、また、はんだ合金の濡れ性を向上できるため、信頼性の高い接合部を提供することが可能となる。
一方で、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上の合計含有量が０．０５質量％を超えると、接合部内にボイドが発生し、ヒートサイクル耐性が悪化する虞がある。

本実施形態のはんだ合金には、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有させることができる。
Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上をはんだ合金に添加することにより、接合部内の金属間化合物が更に微細化するため、クラックの進展を抑制することができ、良好なヒートサイクル耐性を実現することができる。
一方で、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上の合計含有量が０．０５質量％を超えると、接合部内にボイドが発生し、ヒートサイクル耐性が悪化する虞がある。

本実施形態のはんだ合金は、その残部が、Ｓｎと不可避不純物とからなる。なお、本実施形態のはんだ合金は、不可避不純物以外の鉛を含まないものである。

また、本実施形態のはんだ合金は、上記の合金組成および含有量を満たし、且つ、その液相線温度が１７０℃以下であることが好ましい。
ここで、はんだ付時の加熱温度を、２４０℃から２５０℃、即ち、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金を用いる場合の加熱温度から１９０℃まで下げると、被接合材、特に、プリント配線基板や電子部品における熱的負荷による反りの発生を半減できると言われている。
そして、はんだ合金の液相線温度が１７０℃以下の場合、１９０℃の加熱温度条件ではんだ付を行っても、はんだ合金を十分に溶融させることができる。従って、この場合、被接合材、特に、プリント配線基板や電子部品への熱的負荷を低減することができ、また、未溶融はんだの発生を抑制することができるため、信頼性の高い接合部を提供することができる。

即ち、液相線温度が１７０℃以下のはんだ合金は、１９０℃の加熱温度条件ではんだ付を行うことができるため、加熱時において被接合材、特に、薄型化・小型化されたプリント配線基板や電子部品に加わる熱的負荷を低減することができる。そして、これにより、被接合材に生じる変形（反り）の抑制と、反りを起因とする被接合材と接合部との接合不良の発生を抑制することができる。

なお、上述するはんだ合金の液相線温度の測定は、ＪＩＳ Ｚ３１９８－１：２０１４に準拠し、示差走査熱量測定（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）方法に準じ、昇温速度を２℃／ｍｉｎ、サンプル量を１０ｍｇとして実施する。

２．接合材
本実施形態の接合材は、上述するはんだ合金を含むものであり、後述するソルダペースト、はんだボール、ワイヤー、ソルダプリフォーム、やに入りはんだ等の形態で使用することができる。
前記接合材の形態は、接合する被接合材の大きさ、種類および用途、並びにはんだ接合方法等によって適宜選択し得る。
そして、本実施形態の接合材は、上述するはんだ合金を含むことにより、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できる。

３．ソルダペースト
本実施形態のソルダペーストは、上述するはんだ合金からなる粉末（以下、「合金粉末」という。）を含むものであり、例えば、前記合金粉末と、フラックスとを混練してペースト状にすることにより作製される。

＜フラックス＞
前記フラックスは、例えば、ベース樹脂と、チクソ剤と、活性剤と、溶剤とを含む。

前記ベース樹脂としては、例えば、ロジン系樹脂；アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の各種エステル、メタクリル酸の各種エステル、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸のエステル、無水マレイン酸のエステル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、塩化ビニル、酢酸ビニル等の少なくとも１種のモノマーを重合してなるアクリル樹脂；エポキシ樹脂；フェノール樹脂等が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて用いることができる。

前記チクソ剤としては、例えば、硬化ヒマシ油、水素添加ヒマシ油、ビスアマイド系チクソ剤（飽和脂肪酸ビスアマイド、不飽和脂肪酸ビスアマイド、芳香族ビスアマイド等）、オキシ脂肪酸類、ジメチルジベンジリデンソルビトール等が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。

前記活性剤としては、例えば、有機酸（モノカルボン酸、ジカルボン酸、その他の有機酸）、ハロゲンを含む化合物、アミン系活性剤等が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。

前記溶剤としては、例えば、アルコール系、ブチルセロソルブ系、グリコールエーテル系、エステル系等の溶剤が挙げられる。これらは、単独でまたは複数を組合せて使用することができる。

また、前記フラックスには、酸化防止剤を配合することができる。この酸化防止剤としては、例えば、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。
また、前記フラックスには、更につや消し剤、消泡剤等の添加剤を加えてもよい。

本実施形態のソルダペーストを作製する場合の、前記合金粉末と、フラックスとの配合比（質量％）は、合金粉末：フラックスの比で６５：３５から９５：５とすることができる。また、例えば、その配合比を、８５：１５から９３：７や、８７：１３から９２：８とすることもできる

なお前記合金粉末の粒子径は、１μｍ以上４０μｍ以下とすることができる。また、その粒子径を、５μｍ以上３５μｍ以下、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることもできる。

そして、本実施形態のソルダペーストは、前記合金粉末を含むことにより、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成できる。

４．接合部
本実施形態の接合部は、上述するはんだ合金を用いて形成され、被接合材同士を接合するものである。なお、本明細書においては、上述するはんだ合金を含む接合材を用いて形成される接合部も、「はんだ合金を用いて形成される接合部」に含まれる。
本実施形態の接合部の形成方法は、上述するはんだ合金を用いて形成し得るのであればよく、リフロー方式、フロー方式等、いずれの方法も採用することができる。また、使用する接合材も、接合する被接合材の大きさ、種類および用途、並びに形成方法等によって適宜選択し得る。

５．接合構造体
本実施形態の接合構造体は、第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを備える。前記接合部は、上述する接合部、即ち、上述するはんだ合金を用いて形成されるものであり、前記第１の被接合材と、前記第２の被接合材とを接合している。
前記第１の被接合材および前記第２の被接合材の組み合わせとしては、例えば、基板（その表面がセラミック、金属、合金または樹脂のいずれかからなるものであって、電子回路が形成されていないもの）、プリント配線基板（電子回路が形成された基板であって、電子部品等が搭載されていないもの）、プリント回路基板（電子部品等が搭載されたプリント配線基板）、電子部品、シリコンウエハ、半導体パッケージ、半導体チップ等から選ばれる２種以上が挙げられる。
具体的な組み合わせとしては、例えば、プリント配線基板と電子部品、プリント配線基板と半導体チップ、半導体パッケージとプリント回路基板、プリント配線基板とプリント配線基板等が挙げられる。

また、本実施形態の接合構造体は、例えば、以下の方法にて作製される。
前記第１の被接合材としてプリント配線基板を、前記第２の接合材として電子部品を用いる場合、まず、前記第１の被接合材の所定位置、例えば、電子回路上に、上述する接合材を載置（ソルダペーストの場合は、塗布）し、その上に前記第２の被接合材を載置する。そして、これらを所定の加熱温度、例えば、ピーク温度１９０℃にてリフローし、前記第１の被接合材と、前記第２の被接合材とを接合する接合部を形成する。これにより、本実施形態の接合構造体（プリント回路基板）が作製される。

なお、前記接合材としてソルダプリフォームを用いる場合、ソルダプリフォームの表面にフラックスを塗布し、これを前記第１の被接合材の所定位置に載置し、その上に前記第２の被接合材を載置して、加熱を行う。
また、前記第２の被接合材として、Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ（ＢＧＡ）のように、はんだボールを備える電子部品を用いる場合、ＢＧＡの表面や、前記第１の被接合材の所定位置にソルダペーストを塗布し、前記第１の被接合材の所定位置上に前記第２の被接合材を載置して、加熱を行う。

そして、本実施形態の接合構造体は、上述するはんだ合金を用いて形成される接合部を有するため、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を実現できる。

６．制御装置
本実施形態の制御装置は、上述する接合構造体を備える。そのため、本実施形態の制御装置は、良好なヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有し、高い信頼性を確保することができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳述する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（１）引張試験
表１から表３に示す各はんだ合金を用いて、それぞれについて、図１に示すような試験片１０を作製した。
なお、試験片１０は、その伸び計測対象部位が、以下となるように作製された。
・試験片１０の中央平行部（図１のＧ１とＧ２の間）の長さ（図１のＬ）：１２ｍｍ
・試験片１０の中央平行部の幅（図１のＷ）：２ｍｍ
・試験片１０の中央平行部の厚み：４ｍｍ

そして、試験片１０について、以下の手順で引張試験を行った。
試験片１０を、卓上形精密万能試験機（製品名：オートグラフＡＧ－５０ｋＮＸ ｐｌｕｓ、（株）島津製作所製）を用いて、室温下にて、０．７２ｍｍ／ｍｉｎのストロークで、破断するまでＸ方向に引っ張った。
そして、試験片１０が破断したときのストローク距離をＧＬ１、引っ張り前の試験片の中央平行部の長さＬをＧＬ０とし、以下の式に基づき、試験片１０の伸び率を算出した。
伸び率（％）＝（ＧＬ１－ＧＬ０）／ＧＬ０×１００
１種のはんだ合金につき５本の試験片１０を作製し、上記手順に従い、それぞれについて伸び率およびその平均値を算出し、以下の基準に基づき評価した。その結果を表４から表６に示す。
◎：伸び率の平均値が、３５％以上である
○：伸び率の平均値が、３０％以上、３５％未満である
△：伸び率の平均値が、２５％以上、３０％未満である
×：伸び率の平均値が、２５％未満である

（２）落下衝撃試験
以下の各成分を混練したフラックスと、表１から表３に示すはんだ合金の粉末（粉末粒径２０μｍから３８μｍ）とを、以下の配合比（質量％）にてそれぞれ混練し、各ソルダペーストを作製した。なお、はんだ合金の粉末は、アトマイズ法により作製した。
鉛フリーはんだ合金の粉末：フラックス＝８９：１１
＜フラックスの組成＞
・水添酸変性ロジン（製品名：ＫＥ－６０４、荒川化学工業（株）製）：４９質量％
・活性剤（グルタル酸：０．３質量％、スベリン酸：２質量％、マロン酸：０．５質量％、ドデカン二酸：２質量％、ジブロモブテンジオール：２質量％）
・脂肪酸アマイド（製品名：スリパックスＺＨＨ、日本化成（株）製）：６質量％
・ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル：３５．２質量％
・ヒンダードフェノール系酸化防止剤（製品名：イルガノックス２４５、ＢＡＳＦジャパン（株）製）：３質量％

また、以下の用具を準備した。
・ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ、ピッチ幅：０．５ｍｍ、サイズ：縦１２ｍｍ×横１２ｍｍ×厚さ１ｍｍ、端子数：２２８ピン）
・ガラスエポキシ基板（基材：ＦＲ－４、表面処理：Ｃｕ－ＯＳＰ、厚み：１．０ｍｍ、上記ＬＧＡを実装できるパターンを有するもの）
・メタルマスク（厚さ：１００μｍ、上記パターンに対応するもの）
ソルダペーストごとに、前記ガラスエポキシ基板を５枚と、２０個のＬＧＡを使用した。
そして、上記用具および各ソルダペーストを用い、以下の手順にて、各試験基板を作製し、落下衝撃試験を行った。

まず、メタルマスクを用い、ガラスエポキシ基板上にソルダペーストを印刷した。そして、印刷されたソルダペースト上の所定の位置に、ガラスエポキシ基板ごとに４個ずつのＬＧＡを載置した。なお、ソルダペーストの印刷膜厚は、メタルマスクにより調整した。
そして、ＬＧＡを載置したガラスエポキシ基板を、リフロー炉（製品名：ＴＮＶ－Ｍ６１１０ＣＲ、（株）タムラ製作所製）を用いてリフローし、ＬＧＡと、ガラスエポキシ基板と、これらを接合する接合部とを有する試験基板を作製した。
なお、上記リフローは、プリヒートを１００℃から１２０℃、ピーク温度を１８５℃、１５０℃以上の時間が６０秒間、ピーク温度から１００℃までの冷却速度を１℃から４℃／秒とした。また、酸素濃度は２００±１００ｐｐｍに設定した。

次に、作製した試験基板について、落下衝撃試験機（製品名：ＨＤＳＴ－１５０Ｊ、神栄テクノロジー（株））を用い、以下の条件にて落下衝撃試験を行った。
即ち、ＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２－Ｂ１１１に準拠して、試験基板を加速度１，５００Ｇ、幅０．５ｍｓの衝撃波形が負荷される高さから繰り返し自由落下させた。落下衝撃試験中は、試験基板の各接合部の電気抵抗を常時観察し、抵抗値が１，０００Ωを超えた時点で破断と判断し、破断に至るまでの落下回数を測定した。
なお、ソルダペースト１種ごとに試験基板を５つ作製し、合計２０個のＬＧＡについて、その測定結果をワイブルプロットし、累積故障率が６３．２％における落下回数を特性寿命と推定し、以下の基準にて評価した。その結果を表４から表６に示す。
◎：特性寿命が１１０回以上である
○：特性寿命が、９０回以上、１１０回未満である
△：特性寿命が、７０回以上、９０回未満である
×：特性寿命が、７０回未満である

（３）ヒートサイクル試験
以下の用具を用意した。
・チップ部品（３．２ｍｍ×１．６ｍｍ）
・ガラスエポキシ基板（基材：ＦＲ－４、表面処理：Ｃｕ－ＯＳＰ、厚み：１．２ｍｍ、上記チップ部品を実装できるパターンを有するもの）
・メタルマスク（厚さ：１２０μｍ、上記パターンに対応するもの）
ソルダペーストごとに、前記ガラスエポキシ基板を３枚と、３０個のチップ部品を使用した。
そして、上記用具および各ソルダペーストを用い、以下の手順にて、各試験基板を作製し、ヒートサイクル試験を行った。

まず、メタルマスクを用い、ガラスエポキシ基板上にソルダペーストを印刷した。そして、印刷されたソルダペースト上の所定の位置に、ガラスエポキシ基板ごとに１０個ずつのチップ部品を載置した。なお、ソルダペーストの印刷膜厚は、メタルマスクにより調整した。
そして、チップ部品を載置したガラスエポキシ基板を、リフロー炉（製品名：ＴＮＶ－Ｍ６１１０ＣＲ、（株）タムラ製作所製）を用いてリフローし、チップ部品と、ガラスエポキシ基板と、これらを接合する接合部とを有する実装基板を作製した。
なお、上記リフローは、プリヒートを１００℃から１２０℃、ピーク温度を１８５℃、１５０℃以上の時間が６０秒間、ピーク温度から１００℃までの冷却速度を１℃から４℃／秒とした。また、酸素濃度は２００±１００ｐｐｍに設定した。

次に、冷熱衝撃試験装置（製品名：ＥＳ－７６ＬＭＳ、日立アプライアンス（株）製）を用い、－４０℃（３０分間）から１２５℃（３０分間）を１サイクルとする設定条件にて、各実装基板を以下の通り冷熱衝撃サイクルに晒し、試験基板ａからｃを作製した。
ａ：上記冷熱衝撃サイクルを２，５００サイクル繰り返す環境下に晒した試験基板
ｂ：上記冷熱衝撃サイクルを２，７５０サイクル繰り返す環境下に晒した試験基板
ｃ：上記冷熱衝撃サイクルを３，０００サイクル繰り返す環境下に晒した試験基板

各試験基板ａからｃの対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂（製品名：ＨＥＲＺＯＧエポ低粘度樹脂（主剤及び硬化剤）、ハルツォク・ジャパン（株）製）を用いて封止した。
そして、湿式研磨機（製品名：ＴｅｇｒａＰｏｌ－２５、丸本ストルアス（株）製）を用いて、各試験基板に実装された各チップ部品の中央断面が分かるような状態とし、走査電子顕微鏡（製品名：ＴＭ－１０００、（株）日立ハイテクノロジーズ製）を用いて、各試験基板ａからｃ上の各接合部の状態を観察し、接合部を完全に横断しているクラックの有無を確認し、以下の基準に従い評価した。その結果を表４から表６に示す。
◎：試験基板ａからｃの全てにおいて、接合部を完全に横断するクラックは発生しなかった
○：試験基板ａおよびｂにおいて、接合部を完全に横断するクラックは発生しなかった
△：試験基板ａにおいて、接合部を完全に横断するクラックは発生しなかった
×：試験基板ａからｃの全てにおいて、接合部を完全に横断するクラックが発生した

（４）液相線温度測定
各はんだ合金について、示差走査熱量測定装置（製品名：ＤＳＣ Ｑ２０００、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）を用いて液相線温度を測定した。その結果を表４から表６に示す。なお、液相線温度の測定条件（昇温速度）は、２℃／ｍｉｎとし、測定に使用するサンプル量は、１０ｍｇとした。

（５）針状物質発生確認試験
各はんだ合金からなるはんだインゴットを作成した。そして、各はんだインゴットについて、以下の条件に基づき、はんだ合金粉末を作成した。
まず、２Ｌのステンレスビーカーに、５０ｇのはんだインゴットと、８９０ｇのヒマシ油と、１０ｇの水添酸変性ロジン（製品名：ＫＥ－６０４、荒川化学工業（株）製）とを入れた。そして、これをマントルヒーターを用いて、継続的に加熱した。
ステンレスビーカー内の収容物の温度が１００℃に達した時点で、ホモジナイザー（（株）エスエムテー製）を使用し、回転数を２，０００ｒｐｍに設定して、ステンレスビーカー内の収容物の攪拌を開始した。なお、攪拌中も、マントルヒーターによる加熱は継続した。
そして、ステンレスビーカー内の収容物の温度が２００℃に到達した時点で、加熱を停止し、ホモジナイザーの回転を１０，０００ｒｐｍに変更して、その後、５分間、ステンレスビーカー内の収容物を撹拌した。攪拌終了後、ステンレスビーカー内の収容物の温度が室温になるまで冷却した。
そして、ステンレスビーカー内から、ヒマシ油中に沈降したはんだ合金粉末を取り出し、これを酢酸エチルで洗浄して付着物を取り除いた後、はんだ合金粉末の状態をデジタルマイクロスコープを用いて、２００倍で観察した。その観察結果を、以下の基準に基づき評価した。その結果を表４から表６に示す。
○：はんだ合金粉末に針状物質は発生していない
×：はんだ合金粉末に針状物質が発生した

以上の通り、本実施例のはんだ合金は、合金元素の種類とその含有量のバランスを図っていることから、Ｂｉを一定量以上含んでいても、（１）引張試験、（２）落下衝撃試験および（３）ヒートサイクル試験のいずれにおいても、良好な結果を示す接合部を形成できる。
ここで、自動車が対象物に衝突した際のひずみ速度は、１０^－３（ｓ^－１）から１０^３（ｓ^－１）と言われている。そして、（１）引張試験においては、ＧＬ０が１２ｍｍの試験片を０．７２ｍｍ／ｍｉｎのストロークで引っ張っているため、これをひずみ速度に換算すると、１０^―３（ｓ^－１）となる。このように、本実施例のはんだ合金は、自動車が対象物に衝突した際のひずみ速度に匹敵するような負荷を与えた場合においても、良好な耐性、即ち、良好な強度と延性を有する接合部を形成できることが分かる。
また、実施例のはんだ合金は、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上の合計含有量を所定の範囲内としたことにより、（５）針状物質の発生も抑制できていることが分かる。

このように、本実施例のはんだ合金は、優れたヒートサイクル耐性および耐落下衝撃性を有する接合部を形成することができ、信頼性の高い接合部を提供することができる。また、このような接合部を有する制御装置および電子機器は、高い信頼性を発揮することができる。

また、本実施例のはんだ合金は、液相線温度を１７０℃以下とすることができるため、１８５℃のピーク温度でのリフローでも接合不良を抑制することができる。

１０ 試験片

Claims (27)

1. ４５質量％以上６３質量％以下のＢｉと、０．１質量％以上１質量％以下のＳｂと、０．０５質量％以上１質量％以下のＩｎと、ＮｉおよびＣｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である、はんだ合金。
2. 更に０．０５質量％以上１質量％以下のＣｕを含む、請求項１に記載のはんだ合金。
3. 更に、０．００１質量％以上０．０５質量％以下のＦｅを含む、請求項１に記載のはんだ合金。
4. 更に、０．００１質量％以上０．０５質量％以下のＦｅを含む、請求項２に記載のはんだ合金。
5. 更に、Ｐ、ＧａおよびＧｅから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金。
6. 更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金。
7. 更に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＶおよびＭｏから選ばれる１種以上を合計で０．００１質量％以上０．０５質量％以下含む、請求項５に記載のはんだ合金。
8. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金を含む、接合材。
9. 請求項５に記載のはんだ合金を含む、接合材。
10. 請求項６に記載のはんだ合金を含む、接合材。
11. 請求項７に記載のはんだ合金を含む、接合材。
12. フラックスと、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む、ソルダペースト。
13. フラックスと、請求項５に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む、ソルダペースト。
14. フラックスと、請求項６に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む、ソルダペースト。
15. フラックスと、請求項７に記載のはんだ合金からなる粉末とを含む、ソルダペースト。
16. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のはんだ合金を用いて形成された、接合部。
17. 請求項５に記載のはんだ合金を用いて形成された、接合部。
18. 請求項６に記載のはんだ合金を用いて形成された、接合部。
19. 請求項７に記載のはんだ合金を用いて形成された、接合部。
20. 第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
    前記接合部は、請求項１６に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。
21. 第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
    前記接合部は、請求項１７に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。
22. 第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
    前記接合部は、請求項１８に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。
23. 第１の被接合材と、接合部と、第２の被接合材とを有する接合構造体であって、
    前記接合部は、請求項１９に記載の接合部であり、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合している、接合構造体。
24. 請求項２０に記載の接合構造体を有し、前記第１の被接合材は、プリント配線基板であり、前記第２の被接合材は、電子部品である、電子制御装置。
25. 請求項２１に記載の接合構造体を有し、前記第１の被接合材は、プリント配線基板であり、前記第２の被接合材は、電子部品である、電子制御装置。
26. 請求項２２に記載の接合構造体を有し、前記第１の被接合材は、プリント配線基板であり、前記第２の被接合材は、電子部品である、電子制御装置。
27. 請求項２３に記載の接合構造体を有し、前記第１の被接合材は、プリント配線基板であり、前記第２の被接合材は、電子部品である、電子制御装置。

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