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WO2021024568A1 - 電子制御装置 - Google Patents

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WO2021024568A1
WO2021024568A1 PCT/JP2020/018881 JP2020018881W WO2021024568A1 WO 2021024568 A1 WO2021024568 A1 WO 2021024568A1 JP 2020018881 W JP2020018881 W JP 2020018881W WO 2021024568 A1 WO2021024568 A1 WO 2021024568A1
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WO
WIPO (PCT)
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control device
electronic control
content
joint
component
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2020/018881
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English (en)
French (fr)
Inventor
靖 池田
山下　志郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Automotive Systems Ltd filed Critical Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority to CN202080052047.6A priority Critical patent/CN114144534B/zh
Priority to US17/632,931 priority patent/US20220295642A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • H05K3/346—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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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
    • C22C13/02—Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
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    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10613—Details of electrical connections of non-printed components, e.g. special leads
    • H05K2201/10621—Components characterised by their electrical contacts
    • H05K2201/10636—Leadless chip, e.g. chip capacitor or resistor

Definitions

  • the present invention relates to an electronic control device.
  • Patent Document 1 describes a solder composition composed of a tin-silver-copper-based solder alloy and a metal oxide and / or metal nitride, wherein the solder alloy is tin, silver, antimony, bismuth, copper.
  • the content ratio of silver exceeds 1.0% by mass with respect to the total amount of the solder composition.
  • the content of the antimony is less than 1.2% by mass
  • the content of the antimony is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less
  • the content of the bismuth is 0.01% by mass or more and 3.0% by mass or less.
  • the copper content is 0.1% by mass or more and 1.5% by mass or less
  • the nickel content is 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less
  • the metal oxide is present.
  • / or a solder composition is disclosed in which the content ratio of the metal nitride exceeds 0% by mass and is 1.0% by mass or less, and the content ratio of the tin is the residual ratio. ing.
  • In-vehicle electronic control devices are expected to have more opportunities to be installed in high-temperature parts such as around engines and motors in response to increasing demands for computerization, EV, and integration of mechanical and electrical equipment.
  • the inventors of the present invention may not be able to obtain sufficient joint reliability in a joint portion made of lead-free solder such as Sn-3Ag-0.5Cu due to insufficient heat resistance in a higher temperature region than before. I noticed.
  • lead-free solder such as Sn-3Ag-0.5Cu
  • gull-wingless leadless parts that are often used for mobile products, and the shape of the parts also suggests joining reliability.
  • the difficulty of getting is increasing.
  • the invention described in Patent Document 1 is effective against thermal fatigue fracture, but cannot suppress void fracture that becomes apparent in a high temperature region. Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments for carrying out the invention.
  • the electronic control device includes a circuit board, an electronic component, and a joint portion for joining the circuit board and the electronic component, and the joint portion contains Sn as a main component and Bi.
  • the total content of Sb is 3% by weight or more, it does not contain In, and the Ag content is 3 to 3.9% by weight.
  • thermal fatigue fracture and void fracture can be suppressed.
  • Sectional view of electronic control device Enlarged view of the joint
  • Diagram explaining the experiment Diagram explaining the experiment The figure explaining the desirable particle size of the intermetallic compound at a joint List of examples and comparative examples Enlarged view of the joint with the conventional configuration X-ray photograph of the joint with the conventional configuration
  • the components are not necessarily essential unless otherwise specified or clearly considered to be essential in principle. Needless to say.
  • the composition ratio is expressed in mass%.
  • the accuracy of% by weight is up to the second decimal place, and the composition of less than 0.01% cannot be measured, so it is described as 0%.
  • unavoidable contamination of impurities is allowed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the electronic control device 1 according to the present invention.
  • the electronic control device 1 is, for example, an ECU (Electronic Control Unit) mounted on a vehicle body or the like of an automobile.
  • the electronic control device 1 may be configured integrally with mechatronics.
  • the electronic control device 1 includes a circuit board 6, a lead-attached component 21, a leadless component 22, a BGA component 23, and a through-hole mounting component 24.
  • the lead-attached component 21, the leadless component 22, the BGA component 23, and the through-hole mounting component 24 may be collectively referred to as an electronic component 20.
  • the shape of the lead of the lead-attached component 21 is arbitrary, for example, a gull wing shape.
  • the electronic component 20 is joined to the circuit board 6 by the joining portion 4.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the joint portion 4 of the leadless component 22.
  • Each electronic component 20 has a Ni-plated terminal 2.
  • An electrode 5 is arranged on the surface of the circuit board 6, and a joint portion 4 and an intermetallic compound 3 are arranged between the electrode 5 and the terminal 2 of the leadless component 22.
  • the joint portion 4 contains Sn (tin) as a main component, has a total content ratio of Bi (bismuth) and Sb (antimony) of 3% by weight or more, does not contain In (indium), and has an Ag (silver) content. Is 3 to 3.9% by weight.
  • the electrode 5 is either Cu stripped, an alloy containing Cu as a main component, or Cu plating. The reason why the composition of the joint portion 4 is as described above will be described below.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the contents of Bi and Sb in the composition of the joint portion 4.
  • the values shown in FIG. 3 are experimental values and were obtained by the experiments of the inventors.
  • the horizontal axis of FIG. 3 shows the total content of Bi and Sb in% by weight, and the vertical axis shows the joining ratio after the cycle test.
  • the cycle test a temperature cycle test in which the environmental temperature was alternately changed between ⁇ 40 ° C. and 150 ° C. was carried out for 1000 cycles, and the ratio of the joined area due to crack growth due to thermal fatigue fracture to the joint portion 4 was evaluated.
  • the larger the bonding ratio that is, the closer to 100%, the higher the resistance to thermal fatigue fracture. It can be seen that there is an inflection point when the content ratios of Bi and Sb are 3% by weight, and high reliability can be obtained when the content ratio exceeds 3% by weight.
  • Both Bi and Sb are Group 15 elements, and they similarly enter the crystal structure of Pb, which is the main component of the junction 4. Therefore, it is only necessary to evaluate the total amount of Bi and Sb, and it is theoretically derived that the ratio of both is irrelevant.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the content of In in the composition of the joint portion 4.
  • the X-ray photograph shown in FIG. 4 was obtained by the experiments of the inventors.
  • FIG. 4 is an X-ray photograph showing the effect of In addition when the Sn—Cu-based junction 4 is exposed to 200 ° C. for 1000 hours.
  • the reaction of the joint portion 4 is promoted, void 103 is generated, and the interface of the joint portion is deteriorated.
  • no void is generated. Therefore, it can be seen that the addition of In to the joint portion 4 is not desirable.
  • FIG. 5 is a first diagram illustrating the content of Ag in the composition of the joint portion 4.
  • the figure shown in FIG. 5 is a figure described in a paper by Ishida et al. (Mr. Ishida, Effect of various elements on the mechanical properties and corrosion resistance of tin, Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 8, No. 8, p.389-396). Is appropriately processed for explanation.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the Ag content and the mechanical strength. When the Ag content increases from 0%, the tensile strength increases, reaches a peak at 3% by weight, and maintains a high level at 3% by weight or more.
  • FIG. 6 is a second diagram illustrating the content of Ag in the composition of the joint portion 4.
  • the figure shown in FIG. 6 is an appropriately processed figure described in the literature (Thaddeus B. Massalski, Binary Alloy Phase diagram, p.71) for explanation.
  • FIG. 6 is a Sn—Ag binary phase diagram, in which the horizontal axis represents the Ag content and the vertical axis represents the temperature in degrees Celsius. For example, the left end of the horizontal axis shows the characteristics of Ag being zero, that is, Sn itself.
  • the solid phase temperature shown in FIG. 6 is the temperature at which the solder begins to melt.
  • the liquidus temperature shown in FIG. 6 is the temperature at which the solder finishes melting.
  • shrinkage cavities are likely to occur at the joint portion 4 during solidification shrinkage of the solder cooled after soldering.
  • a shrinkage cavity occurs, it can be a starting point for crack growth due to thermal fatigue fracture, which causes a decrease in reliability of the joint portion 4.
  • the threshold value is 3.9%, which is the Ag content at which the difference between the two is 10 degrees.
  • the Ag content is preferably 3% to 3.9%.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a desirable Bi content in the composition of the joint portion 4.
  • the figure shown in FIG. 7 was obtained by the experiments of the inventors.
  • the horizontal axis of FIG. 7 shows the Bi content
  • the vertical axis shows the void rupture rate by the high temperature creep test.
  • a load of 600 g was applied to an environment of 150 degrees for 960 hours.
  • the plot shown by the white dotted line shown in the upper left is the test result of Sn-3Ag-0.5Cu which has been conventionally used.
  • the void destruction rate tends to increase as the Bi content increases.
  • the Bi content reaches 2.5%, the void destruction rate seems to be saturated once, but when it is 2.5% by weight or more, the void destruction rate increases in proportion to the Bi content.
  • the void destruction rate becomes higher than Sn-3Ag-0.5Cu. Therefore, the Bi content of the joint portion 4 is preferably less than 2.5% by weight.
  • void rupture is caused by the progress of deformation due to the stress load on the grain boundaries and the formation of cavities at the tissue grain boundaries, that is, creep voids.
  • Sb or Bi that imparts creep deformation ability at high temperature
  • the addition of Bi has an adverse effect. This is due to the segregation of Bi on the interface of the junction.
  • the Bi content locally increases and the melting point decreases. As the melting point decreases, the concentration of pores introduced increases, so that creep voids are likely to be generated. Therefore, by not including Bi in the solder, void fracture can be greatly suppressed.
  • FIG. 9 shows a test piece after joining.
  • the thickness of the joint portion 4 is 100 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the joint portion 4 continues by 5 mm as shown in FIG.
  • the joint portion 4 is photographed and evaluated by X-rays from the illustrated horizontal viewpoint P1 and the illustrated vertical viewpoint P2.
  • the particle size of the intermetallic compound in the joint portion 4 was generated in four ways by manipulating the joint profile, holding at a high temperature after joining, optimizing the metallization of the members, and optimizing the solder composition used for soldering. .. Then, a reliability test in which a load of 600 g is applied in the shear direction at 150 ° C. is carried out, and the X-ray photographs of the joint portion 4 at the viewpoint P1 and the viewpoint P2 after the test are compared.
  • the intermetallic compound in this experiment may be a Cu—Sn compound alone, a Ni—Sn compound alone, or a Cu—Sn compound and a Ni—Sn compound in an arbitrary ratio.
  • FIG. 10 is a diagram showing the test results, in which four joints 4 are generated to show the intermetallic compound before the reliability test, the particle size of the intermetallic compound, and the void formation status after the reliability test. Shown.
  • the intermetallic compound was an X-ray image obtained from the viewpoint P1, and the void formation status was photographed at each of the viewpoint P1 and the viewpoint P2. However, as shown at the bottom of FIG. 10, the scales are different. In FIG. 10, the particle size increases toward the lower side of the drawing. When the particle size shown in the uppermost row is 1 ⁇ m or less, many voids are observed. In addition, in the viewpoint P1 at the right end of the drawing of FIG. 10, an arrow is drawn to clearly indicate the generated void.
  • the particle size is 2 ⁇ m or more, and the voids are significantly reduced as compared with the uppermost stage having a particle size of less than 2 ⁇ m, and it can be seen that there is an effect of suppressing voids. ..
  • the particle size of the intermetallic compound is small, it is considered that stress concentration is likely to occur and voids are likely to be generated.
  • the particle size of the intermetallic compound is large, stress concentration is less likely to occur and void formation is suppressed.
  • the device for metallizing the member include a method of joining a component having Ni-plated terminals to a Cu-peeled circuit board, and a method of metallizing the terminals to Ni / Cu plating. Further, as a device for the solder composition used for soldering, the Cu content may be increased to 1% by weight or more.
  • the electrode 5 of the circuit board 6 is Cu-peeled, an alloy containing Cu as a main component, or Cu plating, and the terminal 2 of the electronic component 20 is Ni-plated, the Cu of the electrode 5 diffuses in the solder during soldering. It reacts with Sn to produce Cu—Sn compounds and Ni—Sn compounds. Since the coarsened Cu—Sn compound and Ni—Sn compound adhere to the Ni plating of the terminals of the electronic component, a coarse, that is, an intermetallic compound having a large particle size can be obtained.
  • FIG. 11 is a list of Examples and Comparative Examples.
  • P1 to P10 shown in the upper half of FIG. 11 are examples, and C1 to C8 shown in the lower half of FIG. 11 are comparative examples.
  • the metallizing shown in FIG. 11 indicates the presence or absence of metallizing of the terminals of the mounted parts, and is solid without plating, that is, if the copper is exposed, "-" is described and nickel-plated. Describes "Ni".
  • the circuit board side is not metallized and is made of solid copper.
  • the unit of the content of each element is% by weight, and the unit of the particle size of the intermetallic compound is ⁇ m.
  • the accuracy of% by weight is only to the second decimal place, and for example, a column described as 0% may be included in less than 0.01%.
  • the three columns at the right end of FIG. 11 show the evaluation results of fatigue fracture resistance, void fracture resistance, and joint interfacial stability. This evaluation is a comparison with a joint made of Sn-3Ag-0.5Cu solder. It was evaluated as "OK” when the reliability was high and “NG” when the reliability was low as compared with the joint portion made of Sn-3Ag-0.5Cu solder.
  • the electronic control device 1 includes a circuit board 6, an electronic component 20, and a joining portion 4 for joining the circuit board 6 and the electronic component 20.
  • the joint portion 4 contains Sn as a main component, and as shown in FIG. 3, the total content ratio of Bi and Sb is 3% by weight or more, and as shown in FIG. 4, it does not contain In and is not contained in FIG. 5-6.
  • the Ag content is 3 to 3.9% by weight. Therefore, as shown in Examples P1 to P10 of FIG. 11, thermal fatigue fracture and void fracture can be suppressed.
  • the intermetallic compound formed at the interface between the electronic component 20 and the joint portion 4 preferably has a particle size of 2 ⁇ m or more, and at least one of the Cu—Sn compound and the Ni—Sn compound can be used. Including. Therefore, as shown in FIG. 7, since it is less than 2.5% by weight, the adverse effect on the void destruction rate due to the inclusion of Bi is limited, and as shown in FIG. 10, the large particle size suppresses void formation. Will be done.
  • the electrode 5 of the circuit board 4 is Cu-peeled, an alloy containing Cu as a main component, or Cu plating, and the terminal electrode of the electronic component 20 has Ni plating. Therefore, during soldering, Cu on the circuit board diffuses in the solder and reacts with Sn to generate Cu—Sn compound and Ni—Sn compound, which increases the particle size of the intermetallic compound and suppresses void formation.
  • One of the electronic components 20 is a leadless component 22, and the electronic control device 1 has a mechanical and electrical integrated configuration. Therefore, the electronic control device 1 can suppress both thermal fatigue fracture and void fracture even if the leadless component 22, which tends to cause problems of thermal fatigue fracture and void fracture, is mounted, or in an environment exposed to high temperature with integrated mechanical and electrical equipment. , High reliability can be obtained.
  • FIG. 12 is an enlarged view of the joint portion 4Z of the leadless component 22 using Sn-3Ag-0.5Cu.
  • FIG. 13 is an X-ray photograph of the joint portion 4Z of the leadless component 22 using Sn-3Ag-0.5Cu.
  • Sn-3Ag-0.5Cu thermal fatigue fracture and void fracture are likely to occur at the joint portion 4Z of the leadless component 22.
  • the fatigue fracture develops from the solder fillet end of the joint portion 4Z, and the void fracture occurs near the terminal interface.
  • Void fracture is a fracture mode in which voids are continuously generated along the interface of the terminal joint of the leadless component 22 as shown in FIG.
  • Void fracture is a fracture mode that becomes apparent at the joint 4Z of the leadless component 22 of a product used under relatively severe temperature conditions such as the electronic control device 1. So far, the life of solder joints of electronic control parts has been designed by predicting the life using Coffinmanson's law, considering fatigue fracture as the main fracture mode. However, void fracture is a mechanism different from thermal fatigue fracture, and the life cannot be predicted by Coffinmanson's law. Therefore, it is of great significance to suppress void destruction by using the method shown in the present embodiment.
  • the electronic control device 1 may include at least one of a lead-attached component 21, a leadless component 22, a BGA component 23, and a through-hole mounting component 24.

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Abstract

電子制御装置は、回路基板と、電子部品と、回路基板および電子部品を接合する接合部とを備え、接合部は、Ｓｎを主成分とし、ＢｉとＳｂの含有割合の合計が３重量％以上であり、Ｉｎを含まず、Ａｇ含有率が３～３．９重量％である。

Description

電子制御装置
　本発明は、電子制御装置に関する。
　ＲｏＨＳ指令やＥＬＶ指令により自動車に搭載される電子制御装置に含まれる鉛の使用が規制されている。そのため、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ（重量％）を主とした鉛フリーはんだにより鉛フリー化が進められてきた。はんだの接合部における接合性向上のために、はんだに添加元素を追加する方法が検討されている。特許文献１には、スズ－銀－銅系のはんだ合金と、金属酸化物および／または金属窒化物とからなるはんだ組成物であって、前記はんだ合金は、スズ、銀、アンチモン、ビスマス、銅およびニッケルからなり、かつ、不可避的に混入する不純物に含まれるゲルマニウムを除いてゲルマニウムを含有せず、前記はんだ組成物の総量に対して、前記銀の含有割合が、１．０質量％を超過し１．２質量％未満であり、前記アンチモンの含有割合が、０．０１質量％以上１０質量％以下であり、前記ビスマスの含有割合が、０．０１質量％以上３．０質量％以下であり、前記銅の含有割合が、０．１質量％以上１．５質量％以下であり、前記ニッケルの含有割合が、０．０１質量％以上１．０質量％以下であり、前記金属酸化物および／または金属窒化物の含有割合が、０質量％を超過し１．０質量％以下であり、前記スズの含有割合が、残余の割合であることを特徴とする、はんだ組成物が開示されている。
日本国特開２０１５－２０１８１号公報
　車載電子制御装置は、自動車の電子化、ＥＶ化、機電一体化の要求の高まりを受けて、エンジン周辺やモータ周辺などの高温部への搭載の機会が増加することが考えられる。本発明の発明者らは、従来以上の高温領域ではＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ等の鉛フリーはんだによる接合部では耐熱性が足りず、十分な接合信頼性が得られない可能性があることに気づいた。また、車載電子制御装置の組立てに用いられるパッケージ部品の動向においても、モバイル製品向けに多く使用されるガルウィングの無いリードレス部品を使用する機会が増加しており、部品の形状からも接合信頼性を得ることの困難さが増している。特許文献１に記載されている発明では、熱疲労破壊に対しては効果が得られるが、高温領域で顕在化するボイド破壊を抑制することはできない。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。
　本発明の第１の態様による電子制御装置は、回路基板と、電子部品と、前記回路基板および前記電子部品を接合する接合部とを備え、前記接合部は、Ｓｎを主成分とし、ＢｉとＳｂの含有割合の合計が３重量％以上であり、Ｉｎを含まず、Ａｇ含有率が３～３．９重量％である。
　本発明によれば、熱疲労破壊およびボイド破壊を抑制できる。
電子制御装置の断面図 接合部の拡大図 接合部の組成におけるＢｉとＳｂの含有率を説明する図 接合部の組成におけるＩｎの含有率を説明する図 接合部の組成におけるＡｇの含有率を説明する第１の図 接合部の組成におけるＡｇの含有率を説明する第２の図 接合部の組成における望ましいＢｉの含有率を説明する図 実験を説明する図 実験を説明する図 接合部における金属間化合物の望ましい粒径を説明する図 実施例および比較例の一覧表 従来構成による接合部の拡大図 従来構成による接合部のＸ線写真
　以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
　また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
　また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
―実施の形態―
　以下、図１～図１３を参照して、電子制御装置の実施の形態を説明する。本実施の形態では組成の割合を質量％であらわす。ただし実験では重量％の精度は小数点第二位までであり、０．０１％未満の組成は測定ができなかったので０％として記載している。また不可避な不純物の混入は許容される。
（構成）
　図１は本発明に係る電子制御装置１の断面図である。電子制御装置１はたとえば、自動車の車体等に搭載されるＥＣＵ（Electronic　Control　Unit）である。電子制御装置１は、機電一体に構成されてもよい。電子制御装置１は、回路基板６、リード付部品２１、リードレス部品２２、ＢＧＡ部品２３、および挿入実装部品２４を備える。なお以下では、リード付部品２１、リードレス部品２２、ＢＧＡ部品２３、および挿入実装部品２４をまとめて電子部品２０と呼ぶこともある。リード付部品２１のリードの形状は任意であり、たとえばガルウィング状である。電子部品２０は、接合部４により回路基板６と接合される。
　図２は、リードレス部品２２における接合部４の拡大図である。それぞれの電子部品２０はＮｉめっきが施された端子２を有する。回路基板６の表面には電極５が配されており、リードレス部品２２の端子２との間に接合部４および金属間化合物３が配される。接合部４は、Ｓｎ（スズ）を主成分とし、Ｂｉ（ビスマス）とＳｂ（アンチモン）の含有割合の合計が３重量％以上であり、Ｉｎ（インジウム）を含まず、Ａｇ（銀）含有率が３～３．９重量％である。電極５は、Ｃｕむく、Ｃｕを主成分とする合金、およびＣｕメッキのいずれかである。以下では、接合部４の組成が上述したものである理由を説明する。
（実験値）
　図３は、接合部４の組成におけるＢｉとＳｂの含有率を説明する図である。図３に示す値は実験値であり、発明者らの実験により得られたものである。図３の横軸は、ＢｉとＳｂの含有率の合計を重量％で示しており、縦軸はサイクル試験後の接合割合を示す。サイクル試験では、環境温度を－４０℃と１５０℃を交互に変える温度サイクル試験を１０００サイクル実施し、接合部４への熱疲労破壊によるクラック進展に伴う接合している面積の割合を評価した。接合割合が大きいほど、すなわち１００％に近いほど、熱疲労破壊に対する耐性が高いことを示す。ＢｉとＳｂの含有割合が３重量％に変曲点があり、３重量％を超えると高い信頼性が得られることがわかる。
　なお、ＢｉとＳｂはともに第１５族元素であり、接合部４の主成分であるＰｂの結晶構造内に同様に入り込む。そのため、ＢｉとＳｂの総量を評価すればよく、両者の比率は不問であることが理論的に導かれる。
　図４は、接合部４の組成におけるＩｎの含有率を説明する図である。図４に示すＸ線写真は、発明者らの実験により得られたものである。図４は、Ｓｎ－Ｃｕ系の接合部４を２００℃に１０００時間さらした場合のＩｎ添加の影響を示すＸ線写真である。図示右側のＩｎを添加した場合には、接合部４の反応が促進されてしまい、ボイド１０３が生成されて接合部界面が劣化している。その一方で、図示左側のＩｎを添加しない場合には、ボイドが生成されていない。そのため、接合部４にはＩｎの添加が望ましくないことがわかる。
　図５は、接合部４の組成におけるＡｇの含有率を説明する第１の図である。図５に示す図は、石田らによる論文（石田求、錫の機械的性質及び耐蝕性に及ぼす各種元素の影響、日本金属学会誌１９４４年８巻８号ｐ．３８９－３９６）に記載の図を説明のために適宜加工したものである。図５は、Ａｇ含有率と機械的強度との関係を示す図である。Ａｇの含有率が０％から増加すると引張り強度が増加し、３重量％でピークに達し３重量％以上では高い水準を保つ。
　図６は、接合部４の組成におけるＡｇの含有率を説明する第２の図である。図６に示す図は、文献（Thaddeus　B.　Massalski、Binary　Alloy　Phase　diagram、p.71）に記載の図を説明のために適宜加工したものである。図６は、Ｓｎ－Ａｇ２元系状態図であり、横軸はＡｇの含有率、縦軸は摂氏温度を示す。たとえば横軸の左端はＡｇがゼロ、すなわちＳｎそのものの特性を示す。図６に示す固相線温度は、はんだが溶け始める温度である。図６に示す液相線温度は、はんだが溶け終わる温度である。この温度差が大きいと、はんだ付け後に冷却されたはんだの凝固収縮の際に接合部４で引け巣が発生しやすくなる。引け巣が発生した場合、熱疲労破壊による亀裂進展の起点になり得るため接合部４の信頼性低下の原因となる。
　図６に示すように、Ａｇ含有率３．５％、２２０度が共晶点であり、Ａｇ含有率が増加すると、固相線温度と液相線温度の差が大きくなる。本実施の形態では、両者の差が１０度となるＡｇ含有率３．９％を閾値とする。図５を参照して説明したＡｇ含有率の下限と合わせると、Ａｇ含有率は３％～３．９％が望ましいことがわかる。
　図７は、接合部４の組成における望ましいＢｉの含有率を説明する図である。図７に示す図は、発明者らの実験により得られたものである。図７の横軸はＢｉ含有率を示し、縦軸は高温クリープ試験によるボイド破壊率を示す。高温クリープ試験では、１５０度の環境に９６０時間にわたって６００ｇの荷重をかけた。なお図７に示すプロットのうち、左上に示す白抜きの点線で示すプロットのみ、従来から用いられているＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕの試験結果である。
　図７に示すように、Ｂｉの含有率が増加するにつれてボイド破壊率が増加する傾向にある。Ｂｉの含有率が２．５％に達すると一旦ボイド破壊率が飽和するように見えるが、２．５重量％以上ではＢｉ含有率に比例してボイド破壊率が増加する。Ｂｉ含有率がさらに増加すると、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ以上にボイド破壊率が高くなる。そのため、接合部４のＢｉ含有率は２．５重量％未満が望ましい。
　図３と図７の結果を考察すると以下のとおりである。まず、ボイド破壊は、粒界への応力負荷により変形が進み、組織粒界に空洞が生じること、すなわちクリープボイドが原因となる。クリープボイドは粒界の応力緩和のため、Ｓｎ系はんだ接合部に高温下でのクリープ変形能を付与するＳｂやＢｉを添加することが有効となる。このことは図３により示されている。しかし、図７に示したようにＢｉを添加することは悪影響を及ぼす。これは、接合部界面へのＢｉの偏析が原因である。Ｂｉが接合部界面に偏析すると、局所的にＢｉ含有率が高まり融点が低下する。融点が低下すると、導入される空孔濃度が高まるのでクリープボイドが生成しやすくなる。そのため、はんだにＢｉを含ませないことでボイド破壊を大きく抑制できる。
　図８～図１０は、接合部４における金属間化合物の望ましい粒径を説明する図である。図８～図９は実験を説明する図である。図９に示す図は、発明者らの実験により得られたものである。この実験では、図８に示すように幅が５ｍｍである２つの直方体の試験片Ｄ１とＤ２を用いて、その端部５ｍｍ同士を接合部４により接合した。図９に接合後の試験片を示す。接合部４の厚みは、１００μｍ～１５０μｍである。なお図９の奥行き方向には、図８に示したように接合部４が５ｍｍ続いている。以下では、この接合部４を、図示横方向の視点Ｐ１と、図示縦方向の視点Ｐ２からＸ線で撮影して評価する。
　本実験では、接合プロファイル、接合後の高温保持、部材のメタライズ適正化、およびはんだ付けに用いるはんだ組成の適正化を操作して、接合部４の金属間化合物の粒径を４通りに生成した。そして１５０℃でせん断方向に６００ｇの荷重を印加する信頼性試験を実施し、試験実施後の視点Ｐ１および視点Ｐ２での接合部４のＸ線写真を比較する。なお本実験における金属間化合物は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物の単独でもよいし、Ｎｉ－Ｓｎ化合物の単独でもよいし、Ｃｕ－Ｓｎ化合物とＮｉ－Ｓｎ化合物とが任意の割合で含まれてもよい。
　図１０は試験結果を示す図であり、４つの接合部４を生成して、信頼性試験を実施する前の金属間化合物、金属間化合物の粒径、および信頼性試験後のボイド生成状況を示している。金属間化合物は視点Ｐ１で得られたＸ線画像であり、ボイド生成状況は視点Ｐ１と視点Ｐ２のそれぞれで撮影した。ただし図１０の最下部に示すように、縮尺はそれぞれ異なっている。図１０では図示下側に進むにつれて粒径が大きい。最上段に示す粒径が１μｍ以下の場合は、ボイドが多数観察される。なお図１０の図示右端の視点Ｐ１では、生成されたボイドを明示するために矢印を記載している。
　図１０の２段目以降に示す実験結果では粒径が２μｍ以上であり、粒径が２μｍ未満である最上段に比べてボイドが大幅に減少しており、ボイドの抑制効果があることがわかる。金属間化合物の粒径が小さい場合には、応力の集中が起きやすくボイドが生成されやすいと考えられる。それに対して、金属間化合物の粒径が大きければ応力の集中が起きにくくボイドの生成が抑制される。金属間化合物の粒径を大きくするためには、接合プロファイルの適正化、接合後の高温保持、部材のメタライズ適正化、はんだ付けに用いるはんだ組成の適正化など幾つかの工夫が必要となる。部材のメタライズへの工夫としては、Ｃｕむく回路基板へのＮｉめっきされた端子を有する部品を接合する手法や、端子のメタライズをＮｉ／Ｃｕめっきにする方法などが挙げられる。また、はんだ付けに用いるはんだ組成への工夫として、Ｃｕの含有率を１重量％以上に高めるなどが挙げられる。
　回路基板６の電極５がＣｕむく、Ｃｕを主成分とする合金、およびＣｕメッキのいずれかであり、電子部品２０の端子２がＮｉめっきなので、はんだ付け時にはんだ中を電極５のＣｕが拡散しＳｎと反応しＣｕ－Ｓｎ化合物および、Ｎｉ－Ｓｎ化合物が生成する。その粗大になったＣｕ－Ｓｎ化合物および、Ｎｉ－Ｓｎ化合物が、電子部品の端子のＮｉめっき上に付着するので粗大な、すなわち粒径が大きい金属間化合物が得られる。
（実施例）
　図１１は、実施例および比較例の一覧表である。図１１の上半分に示すＰ１～Ｐ１０が実施例、図１１の下半分に示すＣ１～Ｃ８が比較例である。図１１に示すように、各実施例および比較例では、接合部への各元素の含有率、メタライズの有無、および金属間化合物の粒径が異なっている。図１１に示すメタライズとは、搭載部品の端子のメタライズの有無を示しており、メッキ処理を施しておらず無垢、すなわち銅がむき出しの場合は「-」を記載し、ニッケルメッキを施したものは「Ｎｉ」を記載している。なおいずれの実施例および比較例も、回路基板側はメタライズしておらず銅無垢である。また、各元素の含有率の単位は重量％、金属間化合物の粒径の単位はμｍである。ただし重量％の精度は小数点第二位までしかなく、たとえば０％と記載している欄も０．０１％未満で含まれ得る。
　図１１の右端の３列には、疲労破壊耐性、ボイド破壊耐性、および接合部界面安定性の評価結果を示す。この評価は、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕはんだによる接合部との比較である。Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕはんだによる接合部と比較して信頼性が高い場合に「ＯＫ」、信頼性が低い場合に「ＮＧ」と評価した。
　実施例Ｐ１～Ｐ１０は、いずれの信頼性においてもＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕはんだによる接合部よりも高い信頼性が得られた。これは、前述の効果によるものである。比較例Ｃ１は、ＢｉやＳｂが添加されておらず、熱疲労破壊耐性およびボイド破壊耐性の評価がＮＧとなった。比較例Ｃ２～Ｃ６は、ＢｉやＳｂが添加されているので熱疲労破壊耐性は「ＯＫ」であるが、Ｂｉ含有率が２．５重量％を超えていること、および接合部界面に形成された金属間化合物の粒径が２μｍ未満であることからボイド破壊耐性は「ＮＧ」となった。の比較例Ｃ７、Ｃ８は、Ｉｎが含まれているため、接合部界面安定性評価が「ＮＧ」となった。
　上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電子制御装置１は、回路基板６と、電子部品２０と、回路基板６および電子部品２０を接合する接合部４とを備える。接合部４は、Ｓｎを主成分とし、図３に示したようにＢｉとＳｂの含有割合の合計が３重量％以上であり、図４に示したようにＩｎを含まず、図５－６に示したようにＡｇ含有率が３～３．９重量％である。そのため図１１の実施例Ｐ１～Ｐ１０に示したように、熱疲労破壊およびボイド破壊を抑制できる。
（２）接合部４のＢｉ含有率が図７に示したように２．５重量％未満であることが望ましい。図１０に示したように、電子部品２０と接合部４の界面に形成される金属間化合物は、粒径が２μｍ以上であることが望ましく、Ｃｕ－Ｓｎ化合物およびＮｉ－Ｓｎ化合物の少なくとも一方を含む。そのため、図７に示すように２．５重量％未満なのでＢｉを含有することによるボイド破壊率への悪影響は限定的であり、かつ図１０に示すように粒径が大きいことからボイド生成が抑制される。
（３）接合部４はＢｉを含まない。そのため図７に示すようにＢｉを含有することによるボイド破壊率への悪影響が皆無となる。
（４）回路基板４の電極５がＣｕむく、Ｃｕを主成分とする合金、およびＣｕメッキのいずれかであり、電子部品２０の端子電極がＮｉめっきを有する。そのため、はんだ付け時にはんだ中を回路基板のＣｕが拡散しＳｎと反応しＣｕ－Ｓｎ化合物および、Ｎｉ－Ｓｎ化合物が生成され、金属間化合物の粒径が大きくなりボイド生成が抑制される。
（５）電子部品２０の１つはリードレス部品２２であり、電子制御装置１は機電一体の構成である。そのため電子制御装置１は、熱疲労破壊とボイド破壊の問題が生じやすいリードレス部品２２が搭載されていても、機電一体で高温下に晒される環境でも、熱疲労破壊およびボイド破壊を両方抑制でき、高い信頼性を得ることができる。
　図１２は、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕを用いたリードレス部品２２の接合部４Ｚの拡大図である。図１３は、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕを用いたリードレス部品２２の接合部４ＺのＸ線写真である。Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕを用いた場合には、リードレス部品２２の接合部４Ｚにおいて、熱疲労破壊とボイド破壊が生じやすい。図１２に示すように、接合部４Ｚのはんだフィレット端部から亀裂が進展するのが疲労破壊であり、端子界面近傍に生成するのがボイド破壊である。ボイド破壊は、図１３に示すようにリードレス部品２２の端子接合部の界面に沿ってボイドが連なって生じる破壊モードである。ボイド破壊は、電子制御装置１のような比較的厳しい温度条件で使われる製品のリードレス部品２２の接合部４Ｚにおいて顕在化する破壊モードである。これまで、一般的に電子制御部品のはんだ接合部は疲労破壊を主の破壊モードと考え、コフィンマンソン則を用いて寿命予測し製品の寿命設計されてきた。しかし、ボイド破壊は熱疲労破壊と異なるメカニズムでありコフィンマンソン則で寿命予測できない。そのため、本実施の形態で示した手法を用いてボイド破壊を抑制することに大きな意義がある。
（変形例１）
　電子制御装置１は、リード付部品２１、リードレス部品２２、ＢＧＡ部品２３、および挿入実装部品２４の少なくとも１つを含めばよい。
　上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１９－１４４０６１（２０１９年８月５日出願）
１…電子制御装置
２…端子
３…金属間化合物
４…接合部
５…電極
６…回路基板
２２…リードレス部品

Claims (5)

  1. 　回路基板と、
    　電子部品と、
    　前記回路基板および前記電子部品を接合する接合部とを備え、
    　前記接合部は、Ｓｎを主成分とし、ＢｉとＳｂの含有割合の合計が３重量％以上であり、Ｉｎを含まず、Ａｇ含有率が３～３．９重量％である電子制御装置。
  2. 　請求項１に記載の電子制御装置において、
    　前記接合部のＢｉ含有率が２．５重量％未満であり、
    　前記電子部品と前記接合部の界面に形成される金属間化合物は、粒径が２μｍ以上であり、Ｃｕ－Ｓｎ化合物およびＮｉ－Ｓｎ化合物の少なくとも一方を含む電子制御装置。
  3. 　請求項１に記載の電子制御装置において、
    　前記接合部はＢｉを含まない電子制御装置。
  4. 　請求項１に記載の電子制御装置において、
    　前記回路基板の電極がＣｕむく、Ｃｕを主成分とする合金、およびＣｕメッキのいずれかであり、
    　前記電子部品の端子電極がＮｉめっきを有する電子制御装置。
  5. 　請求項１に記載の電子制御装置において、
    　前記電子部品はリードレス部品であり、前記電子制御装置は機電一体の構成である電子制御装置。
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