安装结构体及马达

摘要

本发明公开了一种使用焊锡(4)将电子零件(5)表面安装于布线基板(2)上的安装结构体(1)。焊锡是包含0.1重量％～5重量％的Bi、大于3重量％且小于9重量％的In、剩余部分由Sn、Ag以及不可避免的杂质所组成的Sn-Ag-Bi-In系焊锡。布线基板的线膨胀系数在所有方向上均为13ppm/K以下。由此，可以实现采用了无铅焊锡的安装结构体，并抑制了因-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验导致的在焊锡接合部产生裂纹。

权利要求

1.一种安装结构体，其是使用Sn-Ag-Bi-In系焊锡将电子零件表面安装于布线基板上而形成的安装结构体，其特征在于，所述Sn-Ag-Bi-In系焊锡包含0.1重量％～5重量％的Bi、大于3重量％且小于9重量％的In，剩余部分由Sn、Ag以及不可避免的杂质构成；所述布线基板的线膨胀系数在所有方向上均为13ppm/K以下。

2.根据权利要求1所述的安装结构体，其特征在于，所述Sn-Ag-Bi-In系焊锡包含0.1重量％～5重量％的Ag。

3.根据权利要求1或2所述的安装结构体，其特征在于，所述布线基板是FR5级的布线基板，所述布线基板的玻璃化转变温度为150℃以上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的安装结构体，其特征在于，在所述布线基板的表面上形成有通过丝网印刷法得到的阻焊膜。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的安装结构体，其特征在于，所述电子零件的尺寸为5750以下。

6.一种马达，其具有权利要求1～5中任一项所述的安装结构体。

说明书

安装结构体及马达

技术领域

[0001] 本发明涉及使用焊锡将电子零件表面安装于布线基板上而形成的安装结构体。另外，本发明还涉及具有该安装结构体的马达。

背景技术

[0002] 在将电子零件表面安装于布线基板上而形成的安装结构体中，虽然电子零件自身的耐热性已经提高，但含有焊锡的安装结构体整体的耐热性、特别是对反复施加的热冲击的耐久性尚不充分。随着汽车的高功能化，希望实现能够在汽车的发动机舱或其周边使用且包含安装结构体的马达，例如是用来驱动槽阀或吸气阀等阀门的马达。为此，即使进行假定在发动机舱内使用的热冲击试验，即-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验，安装结构体的焊锡接合部分也必须不会产生裂纹。另外，为了减轻环境负荷，也必须使用无铅焊锡。

[0003] 专利文献1中记载了机械特性优良、能够用于基板安装的Sn-Ag-Bi-In系无铅焊锡。

[0004] 专利文献2中记载了为防止在焊锡中产生由热应力导致的裂纹，将通过焊锡与电子零件的电极进行连接的焊盘、以及在基板上形成的布线图案这二者用宽度较窄的布线连接。

[0005] 专利文献3中记载了使用了Sn-Cu系或Sn-Ag系的无铅焊锡的安装结构体。还记载了可以使用热传导性优良的金属芯基板和耐热性优良的陶瓷基板作为基板。

[0006] 然而，专利文献1中仅记载了有关常温下机械特性的提高的内容，并没有记载有关在什么样的热环境下可以使用的内容。实际上，当进行假定在汽车的发动机附近使用的-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验时，取决于Sn-Ag-Bi-In系焊锡的组成和布线基板的特性，具有在焊锡与电子零件的接合部分会产生裂纹的问题。

[0007] 另外，即使使用专利文献2中记载的方法，如果不能恰当地选定焊锡的组成，则难以在-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验中耐受热冲击。

[0008] 进一步地，在使用专利文献3所记载的润湿性差的Sn-Cu系焊锡或强度低的Sn-Ag系焊锡时，不能缓和在-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验中对焊锡施加的应力，难以防止在焊锡接合部分产生裂纹。而且，金属芯基板和陶瓷基板的价格都非常高。

[0009] 专利文献1：日本特开平8-206874号公报

[0010] 专利文献2：日本特开2008-72065号公报

[0011] 专利文献3：日本特开2001-358446号公报

发明内容

[0012] 本发明的目的是解决上述的现有问题，并提供使用无铅焊锡将电子零件表面安装于布线基板上而形成的安装结构体，即使进行-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验，在该安装结构体的焊锡接合部分也不会产生裂纹。另外，本发明的另一目的是提供具有上述的安装结构体的马达。

[0013] 本发明的安装结构体是使用Sn-Ag-Bi-In系焊锡将电子零件表面安装于布线基板上而形成的安装结构体，其特征在于，所述Sn-Ag-Bi-In系焊锡包含0.1重量％～5重量％的Bi、大于3重量％且小于9重量％的In，剩余部分由Sn、Ag以及不可避免的杂质构成；所述布线基板的线膨胀系数在所有方向上均为13ppm/K以下。

[0014] 本发明的马达具有上述的本发明的安装结构体。

[0015] 根据本发明，能够提供因-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验焊锡接合部分也不会产生裂纹、且耐热冲击性优良的安装结构体。另外，由于Sn-Ag-Bi-In系焊锡是无铅的，因此环境负荷小。

附图说明

[0016] 图1是表示本发明的安装结构体的一例的大致构成的剖视图。

[0017] 图2A是示意地表示在进行了-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验之后切断的、本发明实施例所涉及的安装结构体的焊锡接合部周边的剖视图。图2B是示意地表示在进行了-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验之后切断的、现有的安装结构体的焊锡接合部周边的剖视图。

[0018] 图3A是概念地表示布线基板上由丝网印刷法形成的阻焊膜的剖视图。图3B是概念地表示布线基板上由幕涂法形成的阻焊膜的剖视图。

[0019] 图4是表示具有本发明的安装结构体的马达的一例的大致构成的剖视图。

[0020] [符号说明]

[0021] 1，1a，1b 安装结构体

[0022] 2，2a，2b 布线基板

[0023] 3 布线

[0024] 4 焊锡

[0025] 5，5a，5b，5c 电子零件

[0026] 6 裂纹

[0027] 7 阻焊膜

[0028] 10 马达

[0029] 11 转子

[0030] 12 磁铁

[0031] 13 轴

[0032] 14 轴承

[0033] 15 定子

[0034] 16 线圈

[0035] 18 箱体

具体实施方式

[0036] 在上述的本发明的安装结构体中，上述Sn-Ag-Bi-In系焊锡优选含有0.1％重量％～5重量％的Ag。如果Ag的含量比其小，则焊锡的熔点上升，且焊锡的润湿性和流动性降低。如果Ag的含量比其大，则焊锡的熔点仍然会上升，且焊锡的成本增加。

[0037] 上述布线基板优选为FR5级的布线基板。FR5级的布线基板是具有耐热性的环氧玻璃钢基板。通过使布线基板为FR5级的布线基板，能够廉价地获得满足线膨胀系数在所有方向上均为13ppm/K以下这一条件的布线基板。

[0038] 上述布线基板的玻璃化转变温度优选为150℃以上。由此，于高温环境下在布线基板上发生的变形或弯曲得以减少，因此能够降低在焊锡中产生裂纹的可能性。

[0039] 优选在上述布线基板的表面上形成有通过丝网印刷法得到的阻焊膜。由此，能够防止阻焊膜的厚度变得过厚而超出所需。因此，由于温度变化时在布线基板上发生的变形或弯曲得以减少，所以能够降低在焊锡中产生裂纹的可能性。

[0040] 上述电子零件的尺寸优选为5750以下。通过使用这样小型的电子零件，温度变化时的布线基板与电子零件的线膨胀的差别变小，因此能够降低在焊锡中产生裂纹的可能性。

[0041] 以下参照附图来说明本发明的优选实施方式和实施例。但本发明并不受以下所示的实施方式和实施例的限定，可以作出适当的变更。

[0042] 图1是表示本发明的安装结构体1的一例的大致构成的剖视图。在布线基板2上以规定图案形成的布线3上，使用焊锡4进行电子零件5的表面安装。另外，图1中省略了后述的阻焊膜。

[0043] [关于焊锡]

[0044] 对焊锡4进行说明。

[0045] 焊锡4是包含0.1重量％～5重量％的Bi、大于3重量％且小于9重量％的In、且剩余部分由Sn、Ag以及不可避免的杂质构成的Sn-Ag-Bi-In系焊锡。该Sn-Ag-Bi-In系焊锡是对环境友好的无铅组成。

[0046] Bi有助于降低焊锡的熔点和提高焊锡的机械强度。但当Bi的含量超过上述的数值范围(特别是10重量％以上)时，有时会产生由被称作焊点剥离(也称为焊角翘离)现象的焊锡的偏析等所造成的焊锡缺陷。

[0047] In也有助于降低焊锡的熔点和提高焊锡的机械强度。但当In的含量超过上述的数值范围时，有时焊锡的熔点会下降过多，使得安装结构体不能在高温环境下使用。此外，还会导致焊锡的成本上升。

[0048] Ag有助于降低焊锡的熔点和提高焊锡的润湿性和流动性。Ag为3.5重量％时具有共晶点，如果Ag的含量远远大于此值，则焊锡的熔点上升。此外，Ag的含量增多时，焊锡的成本上升。因此，Ag的含量优选为0.1～5重量％。

[0049] 示出本发明的实施例。作为布线基板2，使用了FR5级的环氧玻璃钢基板，其线膨胀系数在纵向为11ppm/K、在横向为13ppm/K，玻璃化转变温度为180℃，通过丝网印刷法在表面形成了阻焊膜。作为电子零件5，使用了尺寸为5750的电容器。作为Sn-Ag-Bi-In系焊锡4，使用了包含3.5重量％的Ag、0.6重量％的Bi、6重量％的In，剩余部分为Sn以及不可避免的杂质的Sn-Ag-Bi-In系焊锡(以下表示为“Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In”)。将含有Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In焊锡的焊糊印刷在上述布线基板2上，该布线基板2上形成了利用铜箔的规定图案的布线3，并在焊糊上安装上述电子零件5，通过回流将电子零件5进行表面安装，从而得到安装结构体1。对该安装结构体1进行下述的热冲击循环试验(“-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验”)，上述热冲击循环试验中，将该安装结构体在-40℃下保持30分钟，接着在150℃下保持30分钟，将其作为1个循环，并重复此循环1000次。图
2A是示意地表示进行了-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验之后切断的、上述实施例所涉及的安装结构体1的焊锡接合部周边的状态的剖视图。在图2A中，对与图1相同的构成要素标记为同样的符号。

[0050] 作为现有例，除了将包含3.0重量％的Ag、0.5重量％的Cu，剩余部分为Sn以及不可避免的杂质的Sn-Ag-Cu系焊锡(以下表示为“Sn-3.0Ag-0.5Cu”)用作焊锡以外，以与上述实施例同样的方法得到了安装结构体。对该安装结构体进行与上述的实施例同样的在-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验。图2B是示意地表示进行了-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验之后切断的、上述现有例所涉及的安装结构体的焊锡接合部周边的状态的剖视图。在图2B中，对与图1相同的构成要素标记为同样的符号。

[0051] 在图2B表示的现有例中，焊锡4与电子零件5的接合部分附近形成了裂纹6。与此相对，在图2A所示的本发明的实施例中，焊锡4中未见裂纹。因此本发明的安装结构体的耐热冲击性优异。

[0052] 表1比较地表示考虑了环境方面的代表性的4种无铅焊锡的物理性质。表1中，“Sn-16.75In”表示含有16.75重量％的In，剩余部分为Sn以及不可避免的杂质的Sn-In系焊锡；“Sn-3.9Ag-0.6Cu-3Sb”表示含有3.9重量％的Ag、0.6重量％的Cu、3重量％的Sb，剩余部分为Sn以及不可避免的杂质的Sn-Ag-Cu-Sb系焊锡。

[0053] 表1

[0054]焊锡组成 熔点(℃) 抗拉强度(MPa)
Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In 211 54
Sn-16.75In 205 38
Sn-3.9Ag-0.6Cu-3Sb 220 70
Sn-3.0Ag-0.5Cu 220 43

[0055] 表2表示使用了表1所示的各焊锡的安装结构体的耐热冲击性的评价结果。评价按照以下方式进行。除了焊锡不同以外，以与上述实施例同样的方法制作安装结构体，进行-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验，并调查切断后的安装结构体的焊锡接合部分有无裂纹。未产生裂纹的情况判定为“○”(良好)，产生裂纹的情况判定为“×”(不良)。作为所安装的电子零件，使用了不同尺寸的电容器和电阻器。

[0056] 表2

[0057]

[0058] 一般希望焊锡的熔点低、润湿性良好，且具有较高的机械强度。

[0059] 对于作为Sn-In系焊锡的代表例的Sn-16.75In焊锡，如表1所示，其熔点较低，但其抗拉强度也低。因此，如表2所示，在-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验中不能耐受热冲击，不管电子零件的种类或尺寸如何，焊锡中都会产生裂纹。

[0060] 对于作为Sn-Ag-Cu-Sb系焊锡的代表例的Sn-3.9Ag-0.6Cu-3Sb焊锡，如表1所示，其抗拉强度较高，但其熔点高达220℃，而且润湿性较差。如果熔点达到这样高的程度的话，大致可以设法将焊锡通过回流来对电子零件进行表面安装。然而，由于Sb均匀地固溶在Sn基质中，所以焊锡变得过硬，如表2所示，当进行-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验时，在使用尺寸为4532以上的比较大的电子零件的情况下，焊锡中产生裂纹，电子零件自身破损。

[0061] 对于作为Sn-Ag-Cu系焊锡的代表例的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊锡，其是上述现有例中使用的焊锡，如表1所示，其熔点高达220℃，润湿性较差，而且其抗拉强度也较低。因此，如表2所示，当进行-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验时，除了在使用尺寸为1005这一非常小的电子零件的情况之外，其他情况焊锡中都会产生裂纹。

[0062] 对于作为本发明所涉及的Sn-Ag-Bi-In系焊锡的一例的Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In焊锡，如表1所示，熔点低达211℃，而且润湿性良好，可以在220℃以下的温度下回流。此外，其抗拉强度高。因此，如表2所示，即使进行-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验，不管电子零件的种类或尺寸如何，都不会产生裂纹。

[0063] 像这样，具有本发明的组分的Sn-Ag-Bi-In系焊锡与表1所示的其他的焊锡相比，熔点和抗拉强度达到良好的平衡。因此，通过与后述的合适的布线基板组合来构成安装结构体，就能够实现可以充分耐受例如在汽车的发动机舱内使用时的热冲击、且耐热冲击性优异的安装结构体。

[0064] 表3表示使用了In的含量不同的3种Sn-Ag-Bi-In系焊锡的安装结构体的耐热冲击性的评价结果。评价的方法与表2的情况相同。作为所安装的电子零件，使用了不同尺寸的电容器。表3中Sn-3.5Ag-0.6Bi-6In焊锡的评价结果与表2的一部分重复。

[0065] 表3

[0066]

[0067] 如表3所示，在使用In的含量为3重量％的Sn-3.5Ag-0.6Bi-3In焊锡或使用In的含量为9重量％的Sn-3.5Ag-0.6Bi-9In焊锡的情况下，在使用尺寸为4532以上的比较大的电子零件时，焊锡中产生裂纹。因此，In的含量有必须大于3重量％且小于9重量％。

[0068] 另外，通过实验证实了：当Bi的含量在上述数值范围之外时，在-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验中，焊锡中产生裂纹；以及当Ag的含量在上述数值范围之外时，利用回流的焊接稍微有变困难的倾向。

[0069] [关于布线基板]

[0070] 下面对构成本发明的安装结构体1的布线基板2进行说明。

[0071] 图1中，如果布线基板2和电子零件5之间在线膨胀系数方面存在较大差别，则通过-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验会对焊锡4反复施加应力。因而，焊锡4即使具有较高的抗拉强度，也有可能在焊锡4中产生裂纹。因此，布线基板2优选具有与电子零件5的线膨胀系数尽可能接近的线膨胀系数。一般地，用于表面安装用的电子零件5的线膨胀系数例如为7ppm/K左右。因此，本发明的布线基板2的线膨胀系数在所有方向上均为13ppm/K以下。由此能够提高耐热冲击性，并防止焊锡4中产生裂纹。

[0072] 表4表示对使用了FR4级的布线基板(线膨胀系数在纵向为15ppm/K、在横向为17ppm/K，玻璃化转变温度为140℃)作为布线基板2的安装结构体以及使用了与上述实施例中使用的基板相同的FR5级的布线基板作为布线基板2的安装结构体进行耐热冲击性的评价的结果。评价方法与表2的情况相同。作为所安装的电子零件，使用了不同尺寸的电容器。表4中，使用了FR5级的布线基板时的评价结果与表2的一部分重复。

[0073] 表4

[0074]

[0075] 由表4可知，当使用线膨胀系数在任何方向上均超过13ppm/K的FR4级的布线基板时，不管焊锡的组成如何，焊锡中都产生了裂纹。这表明，由于布线基板2和电子零件5的线膨胀系数的差别较大，所以焊锡4即使具有较高的抗拉强度，也不能耐受由热冲击产生的应力。

[0076] 作为满足与线膨胀系数相关的上述条件的布线基板，已知例如陶瓷基板。然而，陶瓷基板非常昂贵，缺乏实用性。因此，作为布线基板2，在价格便宜且能从市场上容易地获取这点上，优选环氧玻璃钢基板。

[0077] 布线基板2优选为FR5级的布线基板。FR5级的布线基板是具有耐热性的环氧玻璃钢基板，多数能满足上述的与线膨胀系数相关的条件，且价格便宜。

[0078] 此外，布线基板2的玻璃化转变温度(Tg)优选为150℃以上。考虑在汽车的发动机舱内使用的情况下，环境温度的上限大致为150℃，汽车的发动机舱内使用的电子零件所要求的耐热温度大多设定为150℃。当布线基板2的玻璃化转变温度低于150℃时，在-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验所施加的高温环境下，布线基板2上产生的变形或弯曲会增加，并且对焊锡4作用过大的应力，因而有可能产生裂纹。大多数FR5级的布线基板的玻璃化转变温度为150℃以上。

[0079] 一般地，在形成了布线的布线基板的表面上，大多形成阻焊膜。阻焊膜是为了仅仅使锡焊所需要的布线部分露出、使不需要锡焊的布线区域不会附着焊锡而形成的。此外，有时阻焊膜是期待其作为用于对布线基板进行防湿的防湿涂膜的功能而形成的。这样的阻焊膜例如是由以热固化性环氧树脂为主成分、且根据需要添加了丙烯酸树脂等的树脂组合物构成的。本发明中，当在布线基板2上形成阻焊膜时，优选该阻焊膜是通过丝网印刷法形成的。其理由用图3A、图3B进行说明。

[0080] 图3A是概念地表示在布线基板2上由丝网印刷法形成的阻焊膜7的剖视图。例如，当在布线基板2的表面上形成由厚度为105μm的铜箔构成的布线3时，如果使用丝网印刷法，则能够形成比布线3薄的厚度为90μm的阻焊膜7。

[0081] 作为阻焊膜的形成方法，幕涂法是公知的。图3B是概念地表示在布线基板2上由幕涂法形成的阻焊膜7的剖视图。幕涂法与丝网印刷法相比，阻焊膜7的膜厚度变厚。例如，当在布线基板2的表面上形成由厚度为105μm的铜箔构成的布线3时，如果使用幕涂法，则能够形成比布线3厚的阻焊膜7。

[0082] 当将电子零件表面安装在布线基板2上时，事先将阻焊膜7的表层的一部分除去，以便露出布线3。对于在除去了阻焊膜7的表层的一部分后未形成配线3的区域上残存的阻焊膜7的厚度，相对于使用丝网印刷法形成时(图3A)而言，阻焊膜7是使用幕涂法形成时(图3B)有变厚的倾向。

[0083] 阻焊膜7的线膨胀系数尽管取决于其组分，但例如是130ppm/K左右，其与布线基板2的线膨胀系数的差别较大。因此，当暴露于像-40℃～150℃下的热冲击1000次循环试验这样的急剧的温度变化中时，由于阻焊膜7和布线基板2的线膨胀的差别，在布线基板2上会产生变形或弯曲，并且由于对焊锡4作用过大的应力，因而有可能产生裂纹。阻焊膜
7的厚度越薄，则由温度变化引起的布线基板2的变形或弯曲越少。因此，当通过能形成更薄的阻焊膜7的丝网印刷法来形成阻焊膜7时，能够进一步降低焊锡4中产生的裂纹，且能够进一步改善安装结构体的耐热冲击性。

[0084] [关于电子零件]

[0085] 下面对电子零件5进行说明。

[0086] 本发明的安装结构体中使用的电子零件5没有特别的限制，只要是能够使用焊锡4表面安装于布线基板2上的电子零件即可。

[0087] 由热冲击导致在焊锡4中产生裂纹的原因之一是布线基板2与电子零件5的线膨胀存在差别，因此优选电子零件5的尺寸较小。另外，电子零件5的尺寸越小，就越能实现含有该电子零件的安装结构体的小型化。从这些观点出发，电子零件5的尺寸优选为5750以下。一般地，近年来需求小型高输出功率的安装结构体，例如在马达的控制电路中，大多使用4532或5750尺寸的电子零件。

[0088] 在本发明中，也可以使用比5750大的尺寸(例如7563尺寸)的电子零件。但电子零件5的尺寸变得越大，电子零件5和配线基板2的线膨胀的差别也随着热冲击变大，因此在焊锡4中产生裂纹的可能性增高。在这样的情况下，根据需要优选例如通过焊锡隆起(solder mound)等来对焊锡4进行适当的补强。

[0089] 关于电子零件5的种类，尽管上述说明中例示了电容器和电阻器，但本发明并不限定于此，也可以使用这些以外的电子零件。

[0090] [关于马达]

[0091] 用图4来进行说明安装有本发明的安装结构体的马达10的一例。

[0092] 图4所示的马达是在转子11的周围配置了定子15的内转子型无刷直流马达(也称为电机)。贯通转子11的轴13由一对轴承14自由旋转地支撑。转子11保持着磁铁12。用于对卷绕在定子15铁芯上的线圈16供电、且控制转子11的旋转的安装结构体1a，1b收纳于马达10的箱体18内。安装结构体1a、1b是在布线基板2a，2b上表面安装了电子零件
5a，5b，5c而形成的。

[0093] 作为安装结构体1a，1b，能够使用上述本发明的安装结构体。因为本发明的安装结构体的耐热冲击性优异，因此即使将马达10配置在例如汽车的发动机舱内，安装结构体1a，1b的焊锡接合部分也不会产生裂纹。

[0094] 图4所示的马达10只不过是一个示例，具有本发明的安装结构体的马达并不限定于此。例如，也可以是外转子型无刷直流马达，或者可以是无刷直流马达以外的马达。另外，安装结构体没有必要收纳于马达的箱体内，也可以配置在箱体外。

[0095] 本发明的安装结构体当然也可以适用于马达以外的用途。例如，也可以是内置于各种控制装置、汽车导航系统、个人电脑、各种便携信息终端如手机或PDA等中的安装结构体。

[0096] 以上说明的实施方式和实施例始终都是为了使本发明的技术内容清楚，本发明并不仅仅限定于这些具体例来作出解释，可以在本发明的精神和权利要求书记载的范围内进行各种变更后实施，应该从广义上来解释本发明。

[0097] 尽管本发明的应用领域没有特别的限制，但其能够特别优选用作在暴露于急剧的温度变化的环境中使用的安装结构体。例如，能够用于汽车(特别是其发动机舱内)、各种工厂、发电设备等中。