本發(fā)明主要涉及向電子電路基板焊接電子部件中使用的焊料合金以及使用其的安裝結(jié)構(gòu)體。

背景技術(shù)：

從汽車的安全性和舒適性、對環(huán)境的影響等的觀點(diǎn)出發(fā)，汽車的電子控制化正在進(jìn)展。搭載于汽車的電子設(shè)備需要對于汽車的熱和振動(dòng)、沖擊等負(fù)荷的高可靠性。

針對這樣的汽車用電子設(shè)備的要求，汽車用電子設(shè)備的電路基板的安裝中使用的焊料合金需要高可靠性。焊料合金與被接合部件的印刷基板或電子部件相比熔點(diǎn)低，因此在高溫環(huán)境下其機(jī)械特性的降低是顯著的。另外，焊料合金的彈性模量也小，因此伴隨汽車環(huán)境下的溫度變化引起的構(gòu)成部件間的線膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的應(yīng)變和振動(dòng)、沖擊導(dǎo)致的負(fù)荷集中地施加于使用焊料合金焊接的焊料接合部。特別是通過反復(fù)負(fù)載構(gòu)成部件間的線膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的應(yīng)變，可能在焊料接合部產(chǎn)生裂紋，這有可能最終導(dǎo)致斷線。因此，汽車用電子設(shè)備中使用的焊料合金對于因溫度變化而產(chǎn)生的反復(fù)應(yīng)變的耐熱疲勞特性是重要的，需要高溫環(huán)境下的高強(qiáng)度和延展性。

作為以往的能夠在汽車用電子設(shè)備中使用的耐熱疲勞特性優(yōu)異的焊料合金，已知一種焊料合金，其由Ag 1.0～4.0質(zhì)量％、In 4.0～6.0質(zhì)量％、Bi 0.1～1.0質(zhì)量％、選自Cu、Ni、Co、Fe和Sb中的1種以上元素的合計(jì)1質(zhì)量％以下(其中除去0質(zhì)量％)、以及余量的Sn構(gòu)成，憑借使用上述焊料合金形成的接合部，電子部件的包含銅的電極部接合于基板的包含銅的電極焊盤。已知一種電子部件接合體(安裝結(jié)構(gòu)體)，在所述接合部，電子部件的電極部與基板的電極焊盤之間由Cu-Sn金屬間化合物至少部分地閉塞(專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1中記載，通過上述構(gòu)成，能夠防止-40℃與150℃之間的溫度循環(huán)試驗(yàn)中的龜裂(裂紋)的發(fā)生和伸長。

另外，作為耐熱疲勞特性優(yōu)異的其它焊料合金，還已知一種Sn系焊料合金，其特征在于，是含有Ag 0.5～5質(zhì)量％、In 0.5～20質(zhì)量％、Bi 0.1～3質(zhì)量％，余量為Sn的Sn-Ag-In-Bi系焊料合金，還含有3質(zhì)量％以下的選自Sb、Zn、Ni、Ga、Ge和Cu中的至少1種(專利文獻(xiàn)2)。專利文獻(xiàn)2中記載，利用所述焊料合金，能夠在-40℃與125℃之間的溫度(冷熱)循環(huán)試驗(yàn)中防止焊料合金的變形。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利第5280520號公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開2004-188453號公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本特開2015-100833號公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供能夠得到耐受175℃下的使用的充分可靠性的焊料合金。

本發(fā)明人等獨(dú)自發(fā)現(xiàn)，通過對Sn-Ag-Bi-In系焊料合金必須添加Sb和Cu二者，且相對于Sb含有率嚴(yán)密地控制In含有率，從而在以往沒有設(shè)想過那樣的高的溫度、具體來說在175℃也可以得到高可靠性，進(jìn)一步認(rèn)真研究的結(jié)果，以至于完成本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)要點(diǎn)，提供一種焊料合金，其含有：

0.5質(zhì)量％以上且1.25質(zhì)量％以下的Sb、

滿足以下的式(I)或(II)的In、

在0.5≤[Sb]≤1.0的情況下，

5.5≤[In]≤5.50+1.06[Sb]···(I)

在1.0＜[Sb]≤1.25的情況下，

5.5≤[In]≤6.35+0.212[Sb]···(II)

(式中，[Sb]表示Sb含有率(質(zhì)量％)，[In]表示In含有率(質(zhì)量％))

0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下的Cu、

0.1質(zhì)量％以上且3.0質(zhì)量％以下的Bi、和

1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下的Ag，

余量由Sn構(gòu)成。

根據(jù)本發(fā)明，通過在包含Sn、Ag、Bi、In、Cu和Sb的焊料合金中，對于每個(gè)除了Sn之外的各元素選擇規(guī)定的含有率，尤其將Sb含有率設(shè)為0.5質(zhì)量％以上且1.25質(zhì)量％以下，按照滿足上述式(I)或(II)的方式在與Sb含有率的關(guān)系中選擇In含有率，將Cu含有率設(shè)為0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下，由此實(shí)現(xiàn)能夠得到耐受175℃下的使用的充分可靠性的焊料合金。

附圖說明

圖1為表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的焊料合金的DSC測定結(jié)果的圖表。

圖2為表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的焊料合金的175℃環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)的結(jié)果的圖表。

圖3為表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的焊料合金的In含有率與相變溫度的關(guān)系(Sb含有率為0.5質(zhì)量％的情況)的圖表。

具體實(shí)施方式

在說明本發(fā)明的實(shí)施方式之前，對以往的焊料合金中的問題點(diǎn)簡單進(jìn)行說明。搭載于汽車的電子設(shè)備的數(shù)量日趨增加，而在汽車的受限的空間中難以確保電子設(shè)備的搭載空間。因此，進(jìn)行通過電子設(shè)備的小型化來相對地?cái)U(kuò)大空間，或在像發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)那樣的、成為高溫因而從可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)以往控制搭載的部位搭載電子設(shè)備。這些的結(jié)果是，發(fā)生小型化導(dǎo)致的電子設(shè)備的發(fā)熱密度的增大、和周圍環(huán)境溫度的上升，使得電子設(shè)備曝露于更高溫下。而且，為了應(yīng)對今后的電子設(shè)備的進(jìn)化，需要在比作為以往的基準(zhǔn)的125℃、150℃更高的溫度、具體來說在175℃的溫度下，也顯示出高的可靠性、例如耐熱疲勞特性的焊料合金。

然而，以往的焊料合金沒有考慮在這樣高的溫度下的使用。更詳細(xì)而言，專利文獻(xiàn)1記載的焊料合金僅設(shè)想了在到150℃為止的使用，專利文獻(xiàn)2記載的焊料合金僅設(shè)想了到125℃為止的使用。對于上述以往的焊料合金而言，在175℃的溫度下未必能得到充分的可靠性。

日本特開2015-100833號(US2015144388A1)的內(nèi)容通過本說明書引入。

以下，對于本發(fā)明的1個(gè)實(shí)施方式中的焊料合金以及使用其的安裝結(jié)構(gòu)體，參照附圖進(jìn)行詳述。

需要說明的是，本說明書中，對構(gòu)成焊料合金的元素符號賦予[]的，表示焊料合金中的該元素的含有率(質(zhì)量％)。

另外，本說明書中，為了說明焊料合金的金屬組成，有時(shí)在Sn以外的金屬元素的前面示出數(shù)值或數(shù)值范圍，這像該技術(shù)領(lǐng)域中一般使用那樣，表達(dá)用數(shù)值或數(shù)值范圍表示金屬組成中所占的各元素的質(zhì)量％(＝重量％)，余量由Sn構(gòu)成。

本實(shí)施方式的焊料合金含有：

0.5質(zhì)量％以上且1.25質(zhì)量％以下的Sb、

滿足以下的式(I)或(II)的In、

在0.5≤[Sb]≤1.0的情況下，

5.5≤[In]≤5.50+1.06[Sb]···(I)

在1.0＜[Sb]≤1.25的情況下，

5.5≤[In]≤6.35+0.212[Sb]···(II)

(式中，[Sb]表示Sb含有率(質(zhì)量％)，[In]表示In含有率(質(zhì)量％))

0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下的Cu、

0.1質(zhì)量％以上且3.0質(zhì)量％以下的Bi、和

1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下的Ag，

余量由Sn構(gòu)成。

以往，關(guān)于對焊料合金自身的強(qiáng)度和延展性這樣的、影響耐熱疲勞特性的物性的效果并未判明。另外，關(guān)于組合含有Cu和Sb時(shí)的復(fù)合效果也未驗(yàn)證。在上述狀況下，本發(fā)明人等對于汽車用電子設(shè)備所需的高溫環(huán)境下的機(jī)械特性進(jìn)行了研究開發(fā)，結(jié)果新發(fā)現(xiàn)，通過在具有某個(gè)特定的關(guān)系性的范圍內(nèi)分別含有In、Cu、Sb，從而至今未明確的、高溫下的機(jī)械特性、特別是高溫下的延展性顯著改善，進(jìn)而耐熱疲勞強(qiáng)度提高。

為了明確本實(shí)施方式的焊料合金的效果，制作具有規(guī)定組成的焊料合金(試樣)，進(jìn)行評價(jià)。

本實(shí)施方式中評價(jià)的試樣按照以下的方法制作。

將焊料合金中含有的Sn、Ag、Bi、In、Cu、Sb按照Ag為3.5質(zhì)量％、Bi為0.5質(zhì)量％、In為6.0質(zhì)量％、Cu為0.8質(zhì)量％、Sb為0.5質(zhì)量％、余量為Sn、合計(jì)為100g的方式進(jìn)行稱量。

將稱量的Sn投入陶瓷制的坩堝內(nèi)，調(diào)整到500℃的溫度和氮?dú)夥?，設(shè)置于電氣式夾套加熱器中。

確認(rèn)了Sn熔融之后，投入In，攪拌3分鐘。

投入Bi，再攪拌3分鐘。

投入Ag，再攪拌3分鐘。

投入Sb，再攪拌3分鐘。

投入Cu，再攪拌3分鐘。

之后，將坩堝從電氣式夾套加熱器取出，浸漬于裝滿25℃的水的容器中進(jìn)行冷卻，由此制作焊料合金。

以下，將其稱為“焊料合金A”，該合金組成由Sn-3.5Ag-0.5Bi-6.0In-0.8Cu-0.5Sb表示。

另外，為了進(jìn)行比較，作為以往的焊料合金的例子，與上述同樣地制作具有不含Sb的Sn-3.5Ag-0.5Bi-6.0In-0.5Cu的組成的焊料合金。將其稱為“以往例1”。

為了評價(jià)β-Sn和γ的相變急劇進(jìn)行的溫度即相變溫度，將上述制作的焊料合金取出10mg，進(jìn)行差示掃描量熱測定(Differential Scanning Calorimetry：DSC)。測定時(shí)的升溫速率設(shè)為10℃/分鐘，在從25℃到250℃的范圍內(nèi)測定。將結(jié)果示于圖1。

圖1中，相變溫度通過在從低溫(固體)側(cè)到表示熔點(diǎn)的峰之間產(chǎn)生的小的峰(A部)的拐點(diǎn)而求出，焊料合金A的相變溫度為175℃。另一方面，以往例1的相變溫度為165℃。

接著，將上述制作的焊料合金取出1g，在Cu板上使用市售的助焊劑以250℃進(jìn)行焊接，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件是：設(shè)為-40℃與175℃之間的溫度，對于每1循環(huán)在-40℃和175℃分別保持30分鐘(將所述條件的試驗(yàn)稱為“-40/175℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)”)，實(shí)施500次循環(huán)。

其結(jié)果是，對于焊料合金A來說在500次循環(huán)后的階段看不到自變形，與此相對，以往例1中發(fā)生自變形。結(jié)合上述的結(jié)果來看，對于具有175℃以上的相變溫度的焊料合金來說，在-40℃/175℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)中不自變形，理解為耐受175℃環(huán)境下的使用。

接著，為了評價(jià)焊料合金的機(jī)械特性，使用拉伸試驗(yàn)片進(jìn)行175℃環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)片通過如下方式制作：將上述制作的焊料合金投入坩堝，用電氣式夾套加熱器加熱到250℃使其熔融，流入加工成拉伸試驗(yàn)片形狀的石墨制的鑄模。拉伸試驗(yàn)片具有直徑3mm、長度15mm的具有頸部的圓棒形狀。將175℃環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)的結(jié)果示于圖2。

圖2中，橫軸表示拉伸試驗(yàn)機(jī)的行程應(yīng)變，縱軸表示拉伸應(yīng)力，分別以斷裂伸長率、抗拉強(qiáng)度的形式測定各自的最大值。由圖2可知，焊料合金A即使在175℃環(huán)境下，也與以往例1相比具有同等或其以上的抗拉強(qiáng)度。焊料合金A的斷裂伸長率與以往例1相比可以看到幾十％的大幅改善，可知高溫下的延展性被改善。

由以上確認(rèn)了，焊料合金A即使反復(fù)曝露于175℃的高溫也不會自變形，且高溫下的強(qiáng)度和延展性這樣的焊料合金的機(jī)械特性優(yōu)異，能夠使焊料接合部的耐熱疲勞特性提高。

接著，針對本實(shí)施方式的焊料合金，對于用于體現(xiàn)其效果的合金組成進(jìn)行說明。

(In含有率、Sb含有率)

首先，對焊料合金中的In含有率和Sb含有率進(jìn)行說明。

以Sn為主成分的焊料合金中，在In含有率約為15質(zhì)量％以下的低In含有率區(qū)域中，形成在Sn中固溶有In的合金(β-Sn相)。

固溶是指，母金屬的結(jié)晶晶格中的一部分以原子水平置換為固溶元素的現(xiàn)象。一般來說固溶元素的效果是，由于母金屬元素與固溶元素的原子徑之差而在母元素的晶格中產(chǎn)生應(yīng)變，由此能夠在應(yīng)力負(fù)荷時(shí)抑制轉(zhuǎn)移等的結(jié)晶缺陷的移動(dòng)。其結(jié)果是，能夠使金屬的強(qiáng)度提高，另一方面，應(yīng)力負(fù)荷時(shí)的延展性降低。固溶元素的含有率越大，固溶導(dǎo)致的焊料合金的強(qiáng)度提高越大。

然而，在使In固溶于Sn系焊料的情況下，雖然還取決于In含有率，但是在逐漸提高溫度的情況下，從變高為約100℃以上時(shí)開始，從β-Sn相向不同結(jié)構(gòu)的γ相(InSn₄)的相變進(jìn)行。也就是說，變成不同的2相以同等程度共存的狀態(tài)(γ+β-Sn)。通過變成該2相共存狀態(tài)，晶界處的滑動(dòng)的貢獻(xiàn)變大，高溫下的延展性提高。

另一方面，在In含有率大的情況下，從β-Sn相向γ相的相變過剩地發(fā)生。該情況下，γ相與β-Sn相的晶格結(jié)構(gòu)的體積不同，因此通過反復(fù)施加熱循環(huán)而發(fā)生焊料合金的自變形。這引起接合部內(nèi)部的斷裂、不同的焊料接合部間的短路，因此成為問題。

另外，像例如前述的以往例1的相變溫度165℃和焊料合金A的相變溫度175℃那樣，Sb使Sn-In系合金的相變溫度上升。

這是由于，因含有Sb而合金組織的狀態(tài)發(fā)生變化。在Sb含有率較小的情況下，Sb在Sn-In系合金中與In同樣固溶于Sn。進(jìn)而若Sb含有率變大，則與In形成化合物(InSn)在合金組織中析出。

由于Sb與In一起固溶于Sn，溫度變化時(shí)的Sn、In的元素的移動(dòng)被抑制，使β-Sn相與γ相的相變開始溫度變化。

對于焊料合金的機(jī)械特性而言，通過Sb固溶，而與In固溶同樣使焊料合金的強(qiáng)度提高。而且，在后敘述，本發(fā)明人等新發(fā)現(xiàn)，Sb的固溶進(jìn)一步促進(jìn)某個(gè)特定的In含有率時(shí)可以看到的高溫下的延展性提高。

進(jìn)而若Sb含有率變大，則在結(jié)晶組織間像針那樣析出InSn，抑制變形。另一放面，通過InSb的析出而延展性降低，因此對于耐熱疲勞特性提高來說過度的InSb的析出是不合適的。

為了明確Sb含有率對Sn-In系焊料合金的相變溫度的影響，制作具有表1所示的金屬組成的焊料合金進(jìn)行評價(jià)。焊料合金的制作方法與上述同樣。

【表1】

(表中，“bal.”表示余量。以下的表中也同樣。)

表中，關(guān)于所制作的焊料合金的相變溫度，為175℃以上的情況評價(jià)為“○”，低于175℃的情況評價(jià)為“×”。另外，關(guān)于175℃下的機(jī)械特性(抗拉強(qiáng)度和伸長率)，將與以往例1的情況相比被改善的情況評價(jià)為“○”，將同等或低于其的情況評價(jià)為“×”，特別是將175℃下的伸長率被改善30％以上的情況評價(jià)為“◎”。

進(jìn)一步，表中，對所制作的焊料合金的相變溫度、175℃下的機(jī)械特性(抗拉強(qiáng)度和伸長率)進(jìn)行評價(jià)，一并示出綜合判定的結(jié)果。相變溫度為175℃以上、且機(jī)械特性與以往例1的情況相比得到改善的情況判定為“○”，特別是175℃下的伸長率被改善30％以上的情況判定為“◎”，作為體現(xiàn)出本發(fā)明的效果。對相當(dāng)于相變溫度低于175℃、機(jī)械特性的值低于以往例1的情況的值中的任一個(gè)情況判定為“×”。

如實(shí)施例1-1～1-4所示，在以0.50～1.25質(zhì)量％含有Sb的情況下相變溫度為175℃以上，且機(jī)械特性被改善，體現(xiàn)出本發(fā)明的效果。另一方面，在比較例1-1和1-2所示的Sb含有率為0.25質(zhì)量％以下的情況下，雖然175℃下的機(jī)械特性良好，但相變溫度的上升不充分而相變溫度低于175℃，因此判定為“×”。在比較例1-3中所示的Sb含有率為1.5質(zhì)量％的情況下，InSb的生成變得顯著，高溫下的延展性惡化，判定為“×”。

由表1所示的結(jié)果可知，Sb含有率為0.5質(zhì)量％以上且1.25質(zhì)量％以下的范圍時(shí)體現(xiàn)出本發(fā)明的效果。

另外，由實(shí)施例1-1～1-4和比較例1-1可知，從不含Sb時(shí)起的Sb含有率和相變溫度的上升具有以下式(1)所示那樣的關(guān)系。

(式1)

在0.5≤[Sb]≤1.0的情況下：

ΔT_t＝20×[Sb]

在1.0＜[Sb]≤1.25的情況下：

ΔT_t＝4×[Sb]+16

(式中，ΔT_t表示相變溫度上升量(℃)。)

接著，為了明確In含有率的影響，制作具有表2所示的金屬組成的焊料合金進(jìn)行評價(jià)。Sb含有率設(shè)為上述的最小即0.50質(zhì)量％，焊料合金的制作方法和評價(jià)方法與上述同樣。

【表2】

如表2所示，若對Sb含有率為0.5質(zhì)量％的情況下的實(shí)施例2-2與以往例1進(jìn)行比較，可知通過含有Sb從而相變溫度上升。Sb含有率為0.5質(zhì)量％的情況下，In含有率分別為5.5質(zhì)量％、6.0質(zhì)量％的實(shí)施例2-1、2-2中，相變溫度和175℃下的機(jī)械特性(抗拉強(qiáng)度和伸長率)均提高。隨著In含有率的增加而相變溫度降低，In含有率分別為6.5質(zhì)量％、7.5質(zhì)量％的比較例2-2、2-3中，高溫下的機(jī)械特性良好，但由于相變溫度低于175℃，判定為“×”。進(jìn)而，In含有率大的7.5質(zhì)量％的比較例2-4中，相變溫度和175℃下的機(jī)械特性都不充分，判定為“×”。另一方面，從機(jī)械特性(抗拉強(qiáng)度和伸長率)的評價(jià)的結(jié)果出發(fā)，In含有率為5.0質(zhì)量％的比較例2-1中，In的固溶帶來的效果小，與以往例1相比175℃下的抗拉強(qiáng)度小，判定為“×”。

接著，制作表3所示那樣的、設(shè)為Sb含有率的上限即1.25質(zhì)量％時(shí)的焊料合金進(jìn)行評價(jià)。焊料合金的制作方法和評價(jià)方法與上述同樣。

【表3】

如表3所示，若對實(shí)施例3-2與以往例1進(jìn)行比較，可知通過含有Sb而相變溫度上升。與表2所示的結(jié)果的情況同樣，隨著In含有率的增加而相變溫度降低，In含有率為7.0質(zhì)量％以上的比較例3-2、3-3中，相變溫度低于175℃因而判定為“×”。另外，若著眼于抗拉強(qiáng)度和伸長率的機(jī)械特性，則在In含有率為5.0質(zhì)量％的比較例3-1的情況下，In的固溶效果沒有充分發(fā)揮，175℃環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度比以往例1小，因而判定為“×”。

基于表2、3所示的各個(gè)結(jié)果，體現(xiàn)本發(fā)明效果的In含有率的范圍如下。

在Sb含有率為0.5≤[Sb]≤1.25的情況下，若著眼于In含有率與機(jī)械特性的關(guān)系，則為了體現(xiàn)本發(fā)明的效果，In含有率必須為5.5質(zhì)量％以上，成為(式2)的關(guān)系。

(式2)

[In]≥5.5

接著，著眼于In含有率與相變溫度的關(guān)系。

圖3為表示表2所示的Sb含有率為0.50質(zhì)量％時(shí)的In含有率與相變溫度的關(guān)系的圖。圖3中，橫軸表示In含有率(質(zhì)量％)，縱軸表示相變溫度(℃)。

在Sb含有率為0.50質(zhì)量％的情況下，In含有率與相變溫度的關(guān)系成為以下的式3的關(guān)系。

(式3)

T_t＝-18.9×[In]+289

(式中，T_t表示相變溫度(℃)。)

根據(jù)式1，由于含有Sb導(dǎo)致的相變溫度上升效果為10℃，因此在不含Sb的情況下成為以下的式4那樣的關(guān)系。

(式4)

T_t＝-18.9×[In]+279

(式中，T_t表示相變溫度(℃)。)

根據(jù)這些結(jié)果，為了體現(xiàn)相變溫度為175℃以上、且提高焊料合金的機(jī)械特性的本發(fā)明的效果，式5那樣的關(guān)系是必要的。

(式5)

5.5≤[In]≤6.5

且

在0.5≤[Sb]≤1.0的情況下：

-18.9×[In]+279+20×[Sb]≥175

在1.0＜[Sb]≤1.25的情況下，：

-18.9×[In]+279+4×[Sb]+16≥175

根據(jù)式1、式2、式5，對于體現(xiàn)本發(fā)明的效果的In含有率(質(zhì)量％)和Sb含有率(質(zhì)量％)，需要滿足以下式6的關(guān)系。

(式6)

0.5≤[Sb]≤1.25

且

在0.5≤[Sb]≤1.0的情況下，：

5.5≤[In]≤5.50+1.06×[Sb]

在1.0＜[Sb]≤1.25的情況下，：

5.5≤[In]≤6.35+0.212×[Sb]

為了明確特別體現(xiàn)作為本發(fā)明的效果之一的、高溫下的延展性的改善的組成范圍，制作表4所示那樣的Sb含有率為0.75質(zhì)量％和1.0質(zhì)量％、且In含有率滿足式6的關(guān)系時(shí)的焊料合金，詳細(xì)評價(jià)了與In含有率的關(guān)系。焊料合金的制作方法和評價(jià)方法與上述同樣。

【表4】

如表4所示，在實(shí)施例4-1～4-9的任一情況下，與以往例1相比，相變溫度和機(jī)械特性上升。另外，若著眼于175℃下的伸長率，可知In含有率為6.0質(zhì)量％以上時(shí)，In含有率越小則伸長率越顯示高的值，其中在In含有率為6.1質(zhì)量％以下的情況下，175℃下的伸長率特別大而判定為◎。

根據(jù)表4所示的結(jié)果，為了體現(xiàn)本發(fā)明的效果，特別期望In含有率(質(zhì)量％)和Sb含有率(質(zhì)量％)滿足以下的式7的關(guān)系。

(式7)

0.5≤[Sb]≤1.0

且

5.5≤[In]≤5.50+1.06×[Sb]

且

[In]≤6.1

(Cu含有率)

Cu以焊接時(shí)的熔點(diǎn)的降低和被接合部件的材質(zhì)的選擇性提高為目的而含有。

作為焊接中的被接合部件，主要是對母材的Cu或Ni實(shí)施了各種鍍覆或預(yù)焊劑處理的部件。

其中，在被接合部件的母材為Ni的情況下，使用包含In且不含或少量包含Cu的焊料合金進(jìn)行焊接時(shí)，在界面反應(yīng)層(Ni₃Sn₄)中In被一部分?jǐn)z入。因此，發(fā)生焊接后的焊料接合部的機(jī)械特性的變化。在被接合部件的母材為Ni的情況下，需要預(yù)先大量含有被一部分?jǐn)z入到界面反應(yīng)層的量的In。然而，在實(shí)際的電路基板中，由于在一片電路基板上搭載各種各樣的電子部件，在搭載于母材為Cu、Ni各個(gè)的電子部件的情況下，In含有率的預(yù)先調(diào)整是困難的。

但是，通過在焊料合金中含有一定量的Cu，在焊接時(shí)焊料合金中的Cu在界面反應(yīng)層形成Cu₆Sn₅系的合金層，能夠防止In的攝入，被接合部件的選擇性提高。

本申請人的日本特開2015-100833號中明確了為了體現(xiàn)這樣的Cu含有的效果，Cu含有率為0.5質(zhì)量％以上。因此，Cu含有率的下限值為0.5質(zhì)量％。

另一方面，若過剩地含有Cu，則熔點(diǎn)上升，因此期望為1.2質(zhì)量％以下。

因此，本發(fā)明的焊料合金中，將Cu含有率設(shè)為0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下。

(Bi含有率)

Bi以焊料材料的機(jī)械強(qiáng)度的提高和熔點(diǎn)的降低為目的而含有。焊料合金中，Bi含有率為3.0質(zhì)量％以下的較小的情況下固溶于β-Sn，若Bi含有率變大則以Bi或Bi化合物析出的形式存在。

為了得到含有Bi導(dǎo)致的機(jī)械強(qiáng)度的提高的效果，需要含有0.1質(zhì)量％以上的Bi，Bi含有率期望為0.1質(zhì)量％以上。

另外，發(fā)生Bi或Bi化合物的析出的情況下，由于體現(xiàn)防止晶界的滑動(dòng)的作用，因此高溫下的延展性顯著降低。因此，Bi含有率的上限期望設(shè)為不發(fā)生Bi或Bi化合物的析出的3.0質(zhì)量％以下。

根據(jù)以上，本發(fā)明的焊料合金中，將Bi含有率設(shè)為0.1質(zhì)量％以上且3.0質(zhì)量％以下。

(Ag含有率)

Ag以焊接時(shí)的潤濕性的改善、熔點(diǎn)的降低為目的而含有，在焊料合金中以Ag₃Sn化合物和Ag₂In的形態(tài)存在。

通常，為了通過回流焊接使焊料合金均勻地熔融，優(yōu)選設(shè)定焊料合金的液相線溫度+10℃以上的回流峰溫度。且從電子部件的耐熱溫度考慮，回流峰溫度優(yōu)選設(shè)為240℃以下。

因此，優(yōu)選將焊料合金的液相線溫度設(shè)為230℃以下，本發(fā)明的焊料合金中，將Ag含有率設(shè)為1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下。

基于按照以上方式?jīng)Q定的各元素的含有率，制作具有表5所示的金屬組成的實(shí)施例、比較例和以往例的焊料合金，評價(jià)耐熱疲勞特性。焊料合金的制作方法與上述同樣。

耐熱疲勞特性的評價(jià)方法如下。

首先，將制作的焊料合金加工成粒徑幾十μm的焊料粉，將焊料粉和助焊劑按照成為90∶10的重量比的方式稱量，將它們混煉從而制作焊料糊料。將該焊料糊料使用厚度150μm的金屬掩模印刷于電路基板上的電路基板電極。在印刷的焊料糊料上搭載芯片電阻，在最高240℃的條件下進(jìn)行回流加熱，制作安裝結(jié)構(gòu)體。使用的電路基板的電路基板電極的母材為Cu和Ni。

對這樣制作的安裝結(jié)構(gòu)體進(jìn)行-40℃/175℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)，目視觀察2000次循環(huán)后的焊料接合部的變形。在目視觀察中未確認(rèn)到變形的情況下進(jìn)行電連接的評價(jià)，與初期的電阻值的變化為10％以上的判定為電不良“有”，沒有變化的或低于10％的判定為電不良“無”。需要說明的是，表5的電不良欄中的“-”表示未進(jìn)行評價(jià)。

【表5】

如表5所示，按照上述方式?jīng)Q定的焊料合金的組成范圍內(nèi)含有的實(shí)施例5-1～5-11中，不發(fā)生焊料接合部的自變形，且未發(fā)生短路或斷線的電不良。

另一方面，In、Sb含有率不同的比較例5-1～5-4中，焊料接合部的自變形和電不良的某一個(gè)發(fā)生。

不含Cu的比較例5-5中，雖然不發(fā)生焊料接合部的自變形，但在電路基板電極的母材為Ni的情況下發(fā)生斷線。

另外，Cu含有率為1.5質(zhì)量％的比較例5-6、不含Bi的比較例5-7、Bi含有率為3.5質(zhì)量％的比較例5-8、不含Ag的比較例5-9中，發(fā)生電不良。

另外，以往例1～5中，均發(fā)生焊料接合部的自變形。

因此，由表1～5所示的評價(jià)結(jié)果確認(rèn)了，在含有

0.5質(zhì)量％以上且1.25質(zhì)量％以下的Sb、

滿足以下的式(I)或(II)的In、

在0.5≤[Sb]≤1.0的情況下，

5.5≤[In]≤5.50+1.06[Sb]···(I)

在1.0＜[Sb]≤1.25的情況下，

5.5≤[In]≤6.35+0.212[Sb]···(II)

(式中，[Sb]表示Sb含有率(質(zhì)量％)，[In]表示In含有率(質(zhì)量％))

0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下的Cu、

0.1質(zhì)量％以上且3.0質(zhì)量％以下的Bi、和

1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下的Ag，

余量由Sn構(gòu)成焊料合金中，起到本發(fā)明的效果。所述焊料合金在150℃以上，可由至少包含固溶有Sb的γ相和β-Sn相的合金組織構(gòu)成，在175℃的環(huán)境下，也能夠形成耐熱疲勞特性優(yōu)異的接合部。

更期望焊料合金含有：

0.5質(zhì)量％以上且1.0質(zhì)量％以下的Sb、

滿足以下的式(I)的In、

5.5≤[In]≤5.50+1.06[Sb]···(I)

0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下的Cu、

0.1質(zhì)量％以上且3.0質(zhì)量％以下的Bi、和

1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下的Ag，

余量由Sn構(gòu)成。所述焊料合金在150℃以上，可由至少包含固溶有Sb的γ相和β-Sn相的合金組織構(gòu)成，在175℃的環(huán)境下，也能夠形成耐熱疲勞特性進(jìn)一步優(yōu)異的焊料接合部。

進(jìn)一步更期望焊料合金含有：

0.5質(zhì)量％以上且1.0質(zhì)量％以下的Sb、

滿足以下的式(I)且為6.1質(zhì)量％以下的In、

5.5≤[In]≤5.50+1.06[Sb]···(I)

0.5質(zhì)量％以上且1.2質(zhì)量％以下的Cu、

0.1質(zhì)量％以上且3.0質(zhì)量％以下的Bi、和

1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下的Ag，

余量由Sn構(gòu)成。所述焊料合金在150℃以上，可由至少包含固溶有Sb的γ相和β-Sn相的合金組織構(gòu)成，在175℃的環(huán)境下，也能形成耐熱疲勞特性特別優(yōu)異的焊料接合部。

本發(fā)明的安裝結(jié)構(gòu)體的特征在于，電子部件的電極部與電路基板的電極部由前述的焊料合金接合。由此，即使在175℃的環(huán)境下，電可以提供具有耐熱疲勞特性更優(yōu)異的接合的安裝結(jié)構(gòu)體。

對于電子部件和電路基板可以使用任意的材料。電子部件的電極部和電路基板的電極部可以由任意適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性材料而成，這些如作為被接合部件而上述的那樣，可以包含Cu和/或Ni。另外，焊料合金可具有任意的形態(tài)，可單獨(dú)(例如以粉末、線焊料、熔融液、預(yù)制焊料等的形態(tài))、或與助焊劑等一起(例如以焊料糊料、含樹脂焊料等的形態(tài))用于焊接。焊接的條件可適當(dāng)選擇。

在本發(fā)明的1個(gè)方案中，上述焊料合金可以是Sb含有率為0.5質(zhì)量％以上且1.0質(zhì)量％以下、In含有率滿足上述式(I)的焊料合金。

在本發(fā)明的上述方案中，可以是進(jìn)一步滿足In含有率為6.1質(zhì)量％以下的焊料合金。

本發(fā)明的上述焊料合金優(yōu)選在150℃以上，具有至少包含固溶有Sb的γ相和β-Sn相的合金組織。

根據(jù)本發(fā)明的另一要點(diǎn)，提供一種安裝結(jié)構(gòu)體，其是電子部件安裝于電路基板的安裝結(jié)構(gòu)體，電子部件的電極部與電路基板的電極部由本發(fā)明的上述焊料合金接合。

需要說明的是，本發(fā)明中“焊料合金”是指，其金屬組成只要由列舉的金屬實(shí)質(zhì)地構(gòu)成，則可以包含不可避免地混入的微量金屬。焊料合金可具有任意的形態(tài)，例如可單獨(dú)地、或者與金屬以外的其它成分(例如助焊劑等)一起用于焊接。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明的焊料合金和安裝結(jié)構(gòu)體在175℃的高溫環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)機(jī)械特性優(yōu)異的焊料接合部，例如，為了用于在發(fā)動(dòng)機(jī)室等的高溫環(huán)境下要求確保長時(shí)間的電導(dǎo)通的汽車電氣設(shè)備品的安裝結(jié)構(gòu)體等是有用的。