焊料材料以及接合结构体的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及主要用于电子电路基板的焊接的焊药等中的焊料材料、以及使用了该 焊料材料的接合结构体。
【背景技术】
[0002] 在电子电路基板与电子零件的焊接中，利用了例如专利文献1、2所公开的具有由 4种元素构成的Sn - Ag - Bi - In的组成的焊料材料。就这种焊料材料而言，因与温度变 化相伴的热应力而引起的疲劳破坏所涉及的热疲劳特性借助利用了固溶效果的技术而得 以提高。固溶是指，通过将排列成晶格状的金属原子的一部分置换成不同种类的金属原子 而使这样的晶格发生变形，从而使焊料材料不易发生劣化的技术。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :日本专利第3040929号公报
[0006] 专利文献2 :日本特开2010 - 179336号公报
【发明内容】
[0007] 本发明所述的焊料材料的特征在于，是用于具有包含P(磷）的Ni(镍）镀膜的 Au (金）电极的焊接中的焊料材料，其中，将上述焊料材料中的Ag(银）、Bi (祕）、Cu (铜）、 In(铟）的含有率（质量％ )分别设为[Ag]、[Bi]、[Cu]、[In]时，包含
[0008] 0· 3 彡[Ag]彡 4. 0 的 Ag、0 彡[Bi]彡 I. 0 的 Bi、和 0 < [Cu]彡 1. 2 的 Cu，
[0009] 在0 < [Cu] <0· 5的范围内，包含6. 0彡[In]彡6. 8的范围内的In，
[0010] 在0.5彡[Cu]彡1.0的范围内，包含5·2+(6 - (1. 55 X [Cu]+4. 4?))彡[In]彡 6· 8 的范围内的 In，
[0011] 在I. 0 < [Cu]彡1. 2的范围内，包含5. 2彡[In]彡6. 8的范围内的In，
[0012] 余部仅为87质量％以上的Sn(锡）。
【附图说明】
[0013] 图1是用于对实施方式的焊料材料进行说明的、将添加有In的、具有Sn - 3. 5质 量％ Ag - 0. 5质量％ Bi的组成的合金的可靠性试验结果示出的曲线图。
[0014] 图2A是示意性地表示Au电极的剖面图。
[0015] 图2B是示意性地表示Cu电极的剖面图。
[0016] 图3A是用于测定电极与焊料材料的接合后的In含有率的、将供给至电极上的焊 料材料（焊接前）的状态示出的剖面图。
[0017] 图3B是用于测定电极与焊料材料的接合后的In含有率的、将形成于电极上的焊 料部（焊接后）的状态示出的剖面图。
[0018] 图4是用于对实施方式的焊料材料进行说明的、将利用了具有Sn - 3. 5质量％ Ag - 0. 5质量％ Bi - 6. O质量％ In的组成的焊料材料的、Cu电极及2种Au电极的焊接 后的、各自的焊料内部的In含有率的分析结果示出的曲线图。
[0019] 图5是用于对实施方式的焊料材料进行说明的、将利用了添加有Cu的具有Sn - 3. 5质量％ Ag - 0. 5质量％ Bi - 6. 0质量％ In的组成的焊料材料的、膜厚不同的2种Au 电极的焊接后的、焊料内部的In含有率的分析结果示出的曲线图。
[0020] 图6是用于对实施方式的焊料材料进行说明的、将添加有Cu的具有Sn - 3. 5质 量％ Ag - 0. 5质量％ Bi - 6. 0质量％ In的组成的焊料材料的固相线及液相线示出的曲 线图。
[0021] 图7是考虑到Cu含有率的上限之前的、将实施方式的焊料材料中的Cu含有率与 In含有率的关系示出的曲线图。
[0022] 图8A是示意性地表示电子电路基板的Cu基板电极、与电子零件的Cu零件电极的 焊接前的结构的剖面图。
[0023] 图8B是表示电子电路基板的Cu基板电极与电子零件的Cu零件电极的焊接后的 结构的剖面图。
[0024] 图9是表示实施方式的焊料材料中的Cu含有率与In含有率的关系的曲线图。
[0025] 图10是示意性地表示实施方式的接合结构体的剖面图。
[0026] 图IlA是示意性地表示电子电路基板的Au基板电极与电子零件的Cu零件电极的 焊接前的结构的剖面图。
[0027] 图IlB是示意性地表示电子电路基板的Au基板电极与电子零件的Cu零件电极的 焊接后的结构的剖面图。
[0028] 图12A是示意性地表示电子电路基板的Cu基板电极与电子零件的Au零件电极的 焊接前的结构的剖面图。
[0029] 图12B是示意性地表示电子电路基板的Cu基板电极与电子零件的Au零件电极的 焊接后的结构的剖面图。
[0030] 图13A是示意性地表示电子电路基板的Au基板电极与电子零件的Au零件电极的 焊接前的结构的剖面图。
[0031] 图13B是示意性地表示电子电路基板的Au基板电极与电子零件的Au零件电极的 焊接后的结构的剖面图。
[0032] 图14是使用了现有焊料材料的接合结构体的示意剖面图。
【具体实施方式】
[0033] 就电子电路基板来说，如专利文献2所公开的那样，通常利用电极材质为Cu(铜） 的Cu基板电极的情况较多。
[0034] 但是，由于对于ECU (Engine Control Unit)、DC/DC换流器、变换器、前照灯等车载 商品来说需要高接合可靠性，因此有时利用下述的Au基板电极，即，所述Au基板电极通过 在短时间内实施较薄的镀膜的闪镀处理而施以了 Au(金）闪镀镀膜。
[0035] 作为一例，图14示出接合结构体900的剖面图。接合结构体900通过焊接将具有 Au基板电极931、932的电子电路基板930、具有Cu零件电极921的电子零件920及具有Au 零件电极941的电子零件940接合而成。通过焊料部911将电子电路基板930的Au基板 电极931、与电子零件920的Cu零件电极921接合。另外，通过焊料部912将电子电路基板 930的Au基板电极932、与电子零件940的Au零件电极941接合。焊料部911、912利用具 有Sn (锡）一 Ag(银）一 Bi (铋）一 In (铟）的组成的焊料材料而形成。
[0036] 就具有Sn - Ag - Bi - In的组成的焊料材料来说，使In固溶于Sn的晶格中，从 而使热疲劳特性得以提高。具体来说，可利用Sn - 3. 5质量％ Ag - 0. 5质量％ Bi - 6质 量％ In等组成的焊料材料。为了提高基于析出强化的合金强度以及进行低熔点化，而添加 了 Ag，为了进行低熔点化，而添加了 Bi。
[0037] 但是，就对于Au基板电极的焊接来说，发现具有Sn - Ag - Bi - In的组成的焊 料材料未必具有足够高的热疲劳特性。
[0038] 本发明人如下所述地对其理由进行了分析。即，对于具有Sn - Ag - Bi - In的 组成的焊料材料来说，热疲劳特性因 In含有率而发生变化。这里的热疲劳特性利用在一 40°C/150°C的试验条件（车载商品的可靠性试验条件）下实施了温度循环试验后、在焊料 部的剖面观察中没有确认到发生裂缝的循环数来表示。例如，将焊接后的焊料材料的组成 为Sn - 3. 5质量％ Ag- 0. 5质量％ Bi - 6质量％ In的情况、与为Sn - 3. 5质量％ Ag - 0. 5质量％ Bi - 5. 5质量％ In的情况加以比较，温度循环试验的循环数分别达到2300次 循环和2150次循环。即，伴随着In的减少，循环数（热疲劳特性）也减少。
[0039] 与热疲劳特性关联的合金强度在In含有率增至约6质量％为止也跟着增大，若In 含有率超过此，则合金强度减小。也就是说，在In含有率为约6质量％时，温度循环试验的 循环数变高，由此，热疲劳特性最高。由此，为了有效地对基于In的固溶效果加以利用，而 优选准确地控制焊料材料的In含有率。
[0040] Au基板电极具有在Cu电极上实施膜厚1~5 μ m的Ni (镍）镀膜、进而在该Ni镀 膜上实施膜厚0. 03~0. 07 μ m的Au闪镀镀膜而成的结构。在伴随着加热的焊接时，Au熔 入Sn - Ag - Bi - In中，露出Ni镀膜。Ni镀膜具有90质量％ Ni和10质量％ P(磷）的 组成，In与P的反应性高，因此，In与P发生反应而生成具有In - P的组成的化合物InP。 这样，有助于热疲劳特性的提高的、固溶于Sn的晶格中的In减少，实质上的In含有率减 少。
[0041] 在此，为了提高焊接后的In含有率减少的Au基板电极的热疲劳特性，而研宄了使 焊接前的具有Sn - Ag - Bi - In的组成的焊料材料的In含有率增加的情况。但是，对于 安装于1个电子电路基板的电子零件来说，有时混合存在具有Au零件电极的电子零件和具 有Cu零件电极的电子零件。就这2种而言，焊料材料的In含有率的变化不同，对于Cu零 件电极来说，In含有率的减少量少。由此，为了防止Au基板电极的焊接后的In减少，由于 即使仅仅使焊接前的焊料材料的In含有率增加，Cu零件电极的热疲劳特性也会减少，因此 需要研宄In的添加以外的方法。
[0042] 本发明的焊料材料是鉴于上述观点而发明出来的，其对于下述情形是有效的，即， 例如在通过焊接将电子电路基板与电子零件接合时，即使Au电极与Cu电极混在，也可形成 具有良好的热疲劳特性的焊料部。
[0043] 以下，边参照附图，边详细地对实施方式进行说明。
[0044] (实施方式）
[0045] 首先，对于与本实施方式的焊料材料相关的原理进行说明。
[0046] 图1是用于对本实施方式的焊料材料进行说明的、将添加有In的、具有Sn - 3. 5 质量％ Ag - 0. 5质量％ Bi的组成的合金的可靠性试验结果示出的曲线图。
[0047]图1所示的曲线图的横轴的In含有率是在焊接后固溶于焊料部的、更具体来说固 溶于Sn的晶格的In的实质上的In含有率。
[0048] 图1所