软钎料合金、焊料球、预成型软钎料、焊膏和钎焊接头的制作方法

本发明涉及各种电子设备中使用的软钎料合金、焊料球、预成型软钎料、焊膏和钎焊接头。

背景技术：

1、近年来，由于个人电脑等民生电子设备的高功能化，搭载于基板的电子部件的性能飞跃性地提升。随着电子部件变得高性能，电子部件会通电有大电流，因此，民生电子设备的基板中使用的钎焊接头有时会被暴露于高温。另外，在用分级钎焊(setp soldering)进行软钎焊的情况下，钎焊接头也被暴露于150℃左右的高温。另一方面，容易设想民生电子设备在寒冷地区中使用。

2、作为钎焊接头被暴露于严苛的环境下的用途，除民生电子部件之外，可列举出车载电子设备或产业电子设备。汽车的汽车电子化推进，从汽油车经混合动力车逐渐向电动汽车迁移。伴随于此，车载电子设备的基板由于用途的扩展而有时被配置在发动机室等毁被暴露于高温的位置。另一方面，发动机停止时，如果为寒冷地区，则有时会被暴露在-40℃以下这样的低温中。进而，根据使用环境，有时会对电子设备施加冲击等物理外力。

3、另外，产业电子设备在对于作业者来说难以作业的场所等中使用。因此，产业电子设备的基板与车载电子设备的基板同样会设想被暴露于温差急剧的环境、或对电子设备施加外力的情况。

4、另外，作为连接基板与电子部件的合金，广泛使用sn-3ag-0.5cu软钎料合金。软钎料合金的应用范围虽然逐渐扩大，但伴随于此，逐渐变得要求以车载等用途为代表那样、即使在严苛的环境下长时间使用在钎焊接头中也不产生断裂、劣化的高连接可靠性。

5、然而，电子电路如果被暴露于上述那样的温差中，则会由于电子部件与印刷基板的热膨胀系数的差异导致而应力向钎焊接头集中。另外，对电子设备施加外力的情况下，应力会向截面积小的钎焊接头集中。因此，如果使用现有的sn-3ag-0.5cu软钎料合金，则有钎焊接头发生断裂的担忧，寻求抑制其的软钎料合金。

6、例如专利文献1中，作为抑制在热循环环境下的钎焊接头的龟裂进展、且抑制空孔的发生的软钎料合金，公开了在sn-ag-cu-sb-bi-ni软钎料合金中能含有in、co等作为任意元素的合金组成。

7、专利文献2中，作为金属间化合物的组织微细、耐裂纹性优异、空孔和cu浸析被抑制、且热循环后的裂纹的进展被抑制从而耐久性优异的软钎料合金，公开了在sn-ag-cu-bi-ni-co系软钎料合金中能含有sb、in等作为任意元素的合金组成。

8、专利文献3中，作为润湿性和热循环后的接合耐久性的改善优异的软钎料合金，公开了在sn-ag-cu-bi-sb-in-ni系软钎料合金中能含有co等作为任意元素的合金组成。

9、现有技术文献

10、专利文献

11、专利文献1：日本特开2017-170464号公报

12、专利文献2：日本特开2014-037005号公报

13、专利文献3：日本专利第6060199号公报

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、然而，专利文献1～3中记载的软钎料合金如前述主要进行了着眼于热循环特性的合金设计。电子设备如果被暴露于热循环，则会由于基板与电子部件的热膨胀系数的差异而对钎焊接头施加应力。另一方面，认为在对车载电子电路施加振动的情况下，其应力的施加方式与热循环时产生的印刷基板、电子部件的伸缩所造成的应力不同。如此，为了在即使由于近年来的电子设备的高功能化、用途的扩展所带来的使用环境的恶化而导致对钎焊接头施加各种应力的情况下，也避免钎焊接头的断裂，需要改善软钎料合金本身的强度。

3、另外，钎焊接头的断裂除构成钎焊接头的软钎料合金的断裂之外，还可列举出软钎料合金的润湿性差所产生的接合界面处的断裂。如此，为了形成可靠性高于以往的钎焊接头，需要对公知的合金组成进行再研究。

4、本发明的课题在于，提供：润湿性优异、钎焊接头的断裂被抑制从而具备高的可靠性的软钎料合金、焊料球、预成型软钎料、焊膏和钎焊接头。

5、用于解决问题的方案

6、本发明人等针对由于基板与电子部件的热膨胀系数的差异而导致对钎焊接头施加的应力的情况详细地进行了研究，并关注到对钎焊接头施加的应力接近于物性试验中的深拉加工时的应力。热膨胀系数明显不同的情况下，一者会大幅弯曲，因此，构成钎焊接头的软钎料合金的部分被深拉。断面收缩率如果优异，则即使施加大的应力，钎焊接头的断裂也会被抑制。

7、另外，认为即使由于基板与电子部件的热膨胀系数的差异而产生的应力施加于钎焊接头，如果构成钎焊接头的软钎料合金的应变能大，则也能够抑制钎焊接头的断裂。本发明中的应变能如图1所示，在用于说明应变能的应力-应变曲线中用拐点以后的区域来表示。纵轴和横轴所围成的面积相当于应变能。如图1的(b)所示，拉伸应力与应变量均大时，表示应变能大。如此，为了增加应变能，要求高的拉伸强度和应变量。

8、另外，作为钎焊接头发生断裂的原因，想到了电极与软钎料合金的接合界面处的断裂。为了抑制该断裂，需要改善软钎料合金的润湿性。软钎料合金的熔点随着合金组成而变动，而在熔点高的情况下，为了使软钎料合金浸润扩展，需要升高软钎焊温度。但是，从搭载于基板的电子部件的耐热性等观点出发，改变软钎焊装置的设定温度并不容易。因此，为了改善软钎料合金的润湿性，需要降低软钎料合金的熔点。

9、在一直以来着眼于耐热循环性而进行了研究的专利文献1～3中公开的以往的sn-ag-cu-sb-in-ni-bi软钎料合金中，未考虑断面收缩率、应变能和润湿性。在专利文献1的实施例23所公开的ag：3.0质量％、cu：0.7质量％、bi：3.2质量％、in：3.0质量％、sb：3.0质量％、ni：0.03质量％、co：0.008质量％、和余量为sn的软钎料合金中，得到了液相线温度高且润湿性差的见解。在专利文献2的实施例40所公开的ag：3.0质量％、cu：0.5质量％、sb：1.5质量％、in：4.3质量％、ni：0.05质量％、bi：0.5质量％、co：0.005质量％、和余量为sn的软钎料合金中，得到了断面收缩率差的见解。在专利文献3的实施例54所公开的ag：0.1质量％、cu：0.7质量％、sb：0.08质量％、in：2质量％、ni：0.065质量％、bi：4.5质量％、co：0.003质量％、和余量为sn的软钎料合金中，得到了软钎料合金的合金组织粗大的见解。

10、于是，本发明人等对即使是被视为耐热循环性优异的现有的软钎料合金、也同时满足润湿性的改善、应变能的改善、高的断面收缩率和拉伸强度的合金组成进行了深入研究。其结果得到了如下见解：sn-ag-cu-sb-in-ni-bi软钎料合金中，在含有规定量的bi时，通过减少in的含量和sb的含量，从而微细的insb结晶化，有助于断面收缩率的改善。得到了如下见解：由于bi固溶于sn，因此，含量如果为规定的范围内，则有助于拉伸强度的改善。另外，得到了如下见解：ag与ni有助于合金组织的微细化。推测ag会形成微细的ag3sn的网络而促进合金组织的致密化。另外，得到了如下见解：ni有助于接合界面处的合金组织的微细化。除此之外，还得到了如下见解：在ag、ni、bi、in和sb满足上述特性的范围内，cu可以抑制液相线温度的上升。如此，本发明是根据如下见解完成的：只要是各构成元素的含量为规定的范围内的情况，就可以同时发挥上述效果。

11、根据上述见解而得到的本发明如以下所述。

12、(1)一种软钎料合金，其特征在于，具有如下合金组成：以质量％计为ag：1.0～3.8％、cu：0.4～0.8％、sb：0.03～2.90％、in：1.1～4.2％、ni：0.01～0.14％、bi：0.1～5.0％、且余量由sn组成。

13、(2)根据上述(1)所述的软钎料合金，其还以质量％计含有co：0.1％以下。

14、(3)根据上述(1)或上述(2)所述的软钎料合金，其还以质量％计含有总计为0.1％以下的zr、fe、ge、ga、p、as、pb、zn、mg、cr、ti、mn、mo、pt、pd、au、al和si中的至少1种。

15、(4)根据上述(1)～上述(3)中任一项所述的软钎料合金，其中，上述合金组成满足下述(1)式～(4)式中的至少1个公式。

16、113≤sn/cu≤165                 (1)

17、0.06≤ag×ni≤0.19               (2)

18、0.10≤bi/(in+sb)≤0.32          (3)

19、0.432≤(in+sb)/(ag+in+bi)≤0.999(4)

20、上述(1)式～(4)式中，sn、cu、ag、ni、bi、in和sb分别表示合金组成的含量(质量％)。

21、(5)一种焊料球，其是由上述(1)～上述(4)中任一项所述的软钎料合金形成的。

22、(6)一种预成型软钎料，其是由上述(1)～上述(4)中任一项所述的软钎料合金形成的。

23、(7)一种焊膏，其具有由上述(1)～上述(4)中任一项所述的软钎料合金形成的软钎料粉末。

24、(8)一种钎焊接头，其具有上述(1)～上述(4)中任一项所述的软钎料合金。