无铅软钎料合金和车载电子电路的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及温度循环特性优异、耐受撞击等冲击的无铅软钎料合金和车载电子电 路装置。
【背景技术】
[0002] 汽车中搭载了在印刷电路基板（后文称为印刷基板）上软钎焊半导体、芯片电阻 部件等电子部件而得到的电子电路（以下称为车载电子电路）。车载电子电路用于对发动 机、动力转向、制动等进行电控制的装置，这种装置对于汽车的行驶而言是非常重要的安全 部件。尤其，具备为了改善燃费而用计算机控制汽车的行驶、特别是发动机的工作的电子电 路的、被称为ECU(发动机控制单元；EngineControlUnit)的车载电子电路装置必须能够 经长时间以稳定无故障的状态运行。该ECU通常大多设置在发动机附近，作为使用环境相 当严酷。本说明书中，也将车载电子电路装置简称为"ECU"、也称为"ECU电子电路装置"。
[0003] 设置这种车载电子电路的发动机附近在发动机旋转时达到125°C以上这样的非常 高的高温。另一方面，停止发动机的旋转时达到外部空气温度，例如在北美、西伯利亚等寒 冷地区在冬季达到-40°C以下的低温。因此，车载电子电路由于发动机运转和发动机停止的 反复而暴露于_40°C以下~+125°C以上这样的热循环。
[0004] 车载电子电路长时间放置于如此温度大幅变化的环境时，电子部件与印刷基板分 别发生热膨张/收缩。然而，主要由陶瓷制成的电子部件的线热膨胀系数与由玻璃环氧基 板制成的印刷基板的线热膨胀系数之差较大，因此在上述环境下的使用中在将电子部件与 印刷基板接合的软钎焊部（以下称为"软钎料接合部"）发生一定的热位移，由于这种温度 变化而对软钎料接合部反复施加应力（反作用力）。这样一来，在这种反作用力下，最终软 钎料接合部的接合界面等发生断裂。电子电路中，即便软钎料接合部尚未完全断裂，即便为 99%以下的裂纹率，也认为由于在软钎料接合部产生裂纹，因此即使电导通，电路的电阻值 也上升，会发生故障。在软钎料接合部产生裂纹，车载电子电路装置、特别是ECU发生故障 是必须要避免的。如此，对于车载电子电路装置、特别是ECU而言温度循环特性特别重要， 要求在也考虑到其使用的软钎料接合部、即软钎料合金的范围内的严酷温度条件下也能使 用。
[0005] 作为该使用条件严酷的、车载电子电路装置、特别是ECU用的软钎料，公开了一 种车载用无铅软钎料（W02009/011341A、专利文献1)等，其特征在于，包含Ag:2. 8~4质 量％31 :1. 5~6质量％、Cu:0. 8~1. 2质量％、以总量计0. 005~0. 05质量％的选自由 Ni、Fe和Co组成的组中的至少一种、余量Sn。
[0006] 另外，还公开了一种软钎料物质（日本特开2006-524572号公报、专利文献2)，其 中，作为单纯的软钎料合金组成，包含如下的合金：除了作为主成分的Sn(锡）还包含10重 量％或不足10重量％的Ag(银）、10重量％或不足10重量％的Bi(祕）、10重量％或不足 10重量％的Sb(铺）和3重量％或不足3重量％的Cu(铜），合金还包含1. 0重量％或不 足1. 0重量％的Ni(镍）。
[0007]现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :W〇2〇〇9/011341A
[0010] 专利文献2 :日本特开2006-524572号公报
【发明内容】
[0011] 发明要解决的问题
[0012] 由混合动力汽车、电动汽车的普及可见，汽车中的从机械部件向电子部件的更迭 正在推进，与此相伴对于尺寸有余裕的汽车用电子电路也要求小型化。因此，关于以往在回 流焊后利用流动焊进行软钎焊的车载电子电路，近年来，两面都利用焊膏进行面安装的两 面回流焊成为理所当然。这导致车载电子电路的高密度化，出现了至今未发现过的裂纹模 式的不良情况。
[0013] 此外，专利文献1的发明公开了严酷环境下寿命长的软钎料合金，但是汽车用作 运输工具，很少静置在一个地方，而是大多在道路等中使用。这样在道路中使用时，由于恶 劣路况而时常对车载电子电路装置施加振动，此外，驶上路边石或与前车撞击等对车载电 子电路装置施加来自外部的力的情况也常常发生。若撞车为大事故，则往往逐一替换车载 电子电路装置，但单纯的接触事故时，则往往只替换车的外饰即可，对于车载电子电路装 置，必须不仅能耐受严酷环境，而且还能耐受自外部施加的力。
[0014]特别是最近的汽车正在进行电动汽车、混合动力汽车的普及等电子化，车载电子 电路装置也正在进行小型化、高密度化。因此，车载电子电路的软钎料接合部的软钎料量也 减少，例如，对于3216尺寸的芯片部件，软钎料接合部的软钎料量在单侧为1. 32mg的标准， 另一方面，对于车载电子电路用途，在单侧仅有不足〇.28mg的微少的软钎料量。因此，现有 的电子电路中，如图1那样焊锡圆角部分在芯片部件侧表面突出，车载电子电路的软钎料 接合部中，如图2所示那样在芯片部件侧表面几乎不存在焊锡圆角。因此，车载电子电路的 软钎料接合部中，产生如图2那样裂纹几乎沿一条直线传播这样的新的裂纹模式而导致故 障，这成为问题。
[0015]本发明要解决的问题是开发软钎料合金以及使用该软钎料合金的车载电子电路 装置，所述软钎料合金不仅能长时间耐受低温为-40°C、高温为125°C这样的严酷温度循环 特性，而且还能长时间耐受因驶上路边石或与前车撞击等而产生的来自外部的力。
[0016] 用于解决问题的方案
[0017]本发明人等发现，对于耐受在长时间的温度循环后来自外部的力，添加在Sn相中 固溶的元素来制作固溶增强型的合金是有效的，对于制作固溶析出增强型的合金，Sb是最 佳的元素，进而，在Sn基质中添加Sb时形成微细的SnSb金属间化合物，还表现出析出分散 增强的效果，从而完成了本发明。
[0018] 本发明是Ag为1~4质量％、Cu为0.6~0.8质量％、Sb为1~5质量％、Ni为 0. 01~0. 2质量％、余量为Sn的无铅软钎料合金。进而，还可以添加1. 5~5. 5质量％的 Bi。进而，还可以添加总计0. 001~0.1质量％的至少一种选自Co和Fe的元素。
[0019]此处，关于本发明的合金的冶金学组织上的特征，软钎料合金包含在Sn基质中固 溶有Sb的组织，该组织是如下的组织：在例如125°C的高温下呈现Sb稳定固溶的状态，但 伴随温度降低，相对于Sn基质，Sb慢慢变得以过饱和状态固溶，于是，在例如-40°C的低温 下Sb以SnSb金属间化合物的形式析出。
[0020] 进而，本发明为使用上述软钎料合金进行软钎焊而得到的车载电子电路以及具备 这种电子电路的车载电子电路装置。
[0021] 此处，所谓"车载"或"车载用"是指搭载于汽车，具体而言，是指：即使反复暴露于 严酷的使用环境即-40°C~125°C的温度环境下地使用，也能确保规定的特性，能搭载于汽 车。更具体而言，是指：在这种温度环境下也能耐受3000个循环的热循环试验，在该条件下 也对于评价来自外部的力的剪切试验具有耐性。
[0022] 认为本发明的软钎料合金在暴露于温度循环后也形成微细的Sb的析出物而不发 生化合物粗大化之类的组织劣化的理由如下。
[0023] 对于利用回流焊进行接合的车载用软钎料合金，设置低温为冷寒地区、高温设为 发动机室的模式，施加-40°C~+125°C的温度循环试验。本发明的软钎料合金中，所添加的 Sb通过重复在例如125°C的高温状态下在Sn基质中再固溶、在例如-40°C的低温状态下析 出SnSb金属间化合物的工序，从而SnSb金属间化合物的粗大化停止，实施温度循环试验 中，暂时粗大化的SnSb金属化合物也在高温侧再溶解于Sn基质中，因此形成微细的SnSb 金属间化合物，析出分散增强型的软钎料合金得以维持。
[0024] 然而，将Sb的量超过5质量％、例如以8质量％添加时，温度循环试验的初始时的 SnSb化合物的粒径不会大幅变得微细，另外，由于液相线温度上升，因此添加于软钎料合金 的Sb在高温侧也不会再溶解，而是保持原本的SnSb的晶粒的状态。因此，即使重复如上所 述的温度循环下的使用，也不会形成微细的SnSb金属间化合物。
[0025] 进而，将Sb的量超过5质量％地添加时，软钎料合金的液相线温度上升，因此若不 提高回流加热的温度则无法进行软钎焊。如此，若使回流条件上升，则在印刷基板的表面布 线的Cu熔融在软钎料中，变得容易在与印刷基板的软钎焊部较厚地形成Cu6Sn5等的SnCu 的金属间化合物层，印刷基板与软钎料接合部变得容易被破坏。
[0026] 本发明中，添加于软钎料合金中的Sb在软钎料合金的Sn基质中以SnSb的化合物 的形式成为微细的析出物，即使将-40~+125°C的温度循环重复近3000个循环，也能够在 Sn基质中维持SnSb金属间化合物的微细析出物的状态。由此，SnSb的析出物阻碍在陶瓷 等电子部件与软钎料接合部的界面容易产生的裂纹。
[0027] 根