鉛入りはんだ接合部と鉛フリーはんだ接合部の信頼性比較

はんだ接合部の内部微細構造が信頼性に及ぼす影響

はんだ接合部内部の微細構造および、はんだとPCB基板界面におけるIMC（金属間化合物）構造が、はんだ接合部の機械的特性を決定する。はんだ付け技術とその後の固相での時効、さらに熱サイクルが加わることで、元々の微細構造とその変化が左右される。界面には、ぬれ性と冶金学的な接続を実現するための最適なIMCが生成されることが望ましく、それによって十分なはんだ接合部の強度と信頼性が達成される。はんだ接合部内部の微細構造は材料の微視的特性を示しており、利用可能な顕微鏡および各種技術を用いてその情報を取得することができる。

・鉛はんだ接合部

SnPb に関しては、その微細構造は Sn リッチ相と Pb リッチ相で構成されています。

・鉛フリーはんだ接合部

SAC合金において、SnとAgおよびCuという二次元素との冶金反応は、その適用温度、硬化機構および機械的特性を決定する主要な要因である。

二元相図に従うと、上記の3種類の元素間には、3種類の二元共晶反応が存在する。
a). Ag と Sn の反応は 221°C の温度で起こり、Sn を母相とする共晶組織と ε IMC（Ag₃Sn) 相が形成された。
b). Cu と Sn の反応は 227°C の温度で起こり、Sn を母相とする共晶組織と η IMC（Cu₆Sn₅) 相が形成された。
c). Ag と Cu の反応は、779°C の温度でも起こり、Ag に富む α 相と Cu に富む α 相からなる共晶合金が形成される。

材料成分は微視的構造を決定し、それがさらに破壊様式を決定する。製品の使用中には、微視的構造が微細な沈殿物の生成を促進する。粒子の分散、均一な分布および粒状化は、疲労抵抗の向上に有利である。しかし、酸性相や脆性相、過度の空隙が生じて応力が集中すると、疲労寿命は低下する。微視的構造を制御することで、小さな範囲内で塑性変形の均一な分布を改善することは、疲労強度を高める有効な手段である。

はんだ接合部界面IMCの微細構造が信頼性に及ぼす影響

・界面IMCの微細構造

a). 形と図形

層 η- Cu₆Sn₅3種類の形や図形を特徴としています：
1). 粗い細胞層。はんだと接触する粗い界面が得られるほど樹状突起同士の間に大きな空隙を有する領域を備えており、緻密な構造ではない。
2). うね状界面上の緻密層。樹枝状結晶粒子と同様に、この層は類似した形状を示すが、化学化合物は緻密である。はんだと接する界面は、ホタテ貝の殻のようなうね状の形状をしている。
3). 平坦な界面上の緻密層。Pb 含有量、温度および反応時間が増加するにつれて、η 層の形状と形態は、粗いセル状層から、波状界面上の緻密層へと変化し始める。

b). 影響を与える要素

1). 冷却速度が高い場合は平坦なη相層が生成され、冷却速度が低い場合は小腫瘍状のη相層が生成される。
2). リフローはんだ付け時間が短い場合は平坦なη相層が形成され、リフローはんだ付け時間が長い場合は小腫瘍状またはホタテ状のη相層が形成される。

c). 皮をむく

パッドと液状はんだの間に最初に生成されるIMCは、リフローはんだ付けの時間やリフロー回数が増加すると、界面から剥離することがあります。この現象は通常Niと相関があり、例えばENIGのNiめっき層上でより発生しやすい傾向があります。
1). IMC は、リン含有量の異なる ENIG Ni めっき層界面で剥離が発生する。剥離は、リン含有量の増加およびリフローはんだ付け時間の延長によって決定される。
2). 一部の鉛フリーはんだ（Sn3.5Ag、Sn3.5Ag3.0Bi および SAC387）と、いくつかの種類のめっきベース［Cu、Ni(P)/Au および Ni(P)Pd/Au］が、250°C 未満の温度で 20 分間リフローはんだ付けを行うと、界面 IMC および前二種のはんだで形成されたほとんどの IMC 層は界面からずれたり剥離したりし、界面には薄い IMC だけが残る。[Ni(P)/Au および Ni(P)/Pd/Au] ベース上の SAC387 については、(Cu, Ni) の IMC が₆Sn₅インターフェースと良好に接続することができる。しかし、めっきNi基板に関しては、3種類の鉛フリーはんだがNiと良好に接続することができる。₃ス₄IMC

d). SACはんだとCu基板間のIMCに及ぼすAuの影響

Cu と SAC はんだによって形成される IMC は、小石のような形態を示す。SAC387 に 0.1～5wt% の Au を添加すると、204.5°C の温度で生成される共晶相は 4 種類の複合体（AuSn₄、Au₃Sn、β-Sn および Cu₆Sn₅). Au-Cu-Sn 三元金属化合物が生成されると、はんだ中のほとんどの Au は流出して界面方向へ移動する。界面反応において、Au の関与形態は、通常のホタテ状から、(Au, Cu) で構成される化合物タイプへと変化する。₆Sn₅優れた分散性を有する結晶粒子および島状の β-Sn

・界面IMC層の成長

界面IMC層の成長は、はんだ接合部の信頼性に極めて大きな影響を及ぼす。IMCの厚さと時間の間には、一定の法則性が存在しないことが研究により示されている。液相凝縮はIMCの成長を抑制し、その結果、IMCは不均一な成長を示す。

ピンに鉛めっきが施された部品については、IMC の成長と時間の平方根との間におおよそ線形の比例関係が存在し、これは拡散則と整合的であると見なすことができる。 しかし、ピンが SnPb めっきされた部品の場合、SAC はんだの IMC 成長には明確な傾向が見られる。

・はんだ接合界面における元素分布

高温および低温の影響と高温試験に基づくと、Ag にわずかな減少が生じることがわかる₃高温試験中のSnネット構造と、粒状のAgへと明確な変化が生じる₃はんだ付け強度に影響を受けない Sn 相。高温を用いて、界面合金層の成長を加速させる試験を実施する。端子が鉛めっきされた部品では、合金層の成長と時間の平方根との間に、おおよそ線形の比例関係が生じる。成長は、ある一定の拡散制御速度の下で進行する。しかしながら、生成された化合物は、高低温衝撃試験および高温試験のいずれにおいても、はんだ接合部の強度を明確に低下させる。

鉛フリーはんだ接合部は、SnPb はんだ接合部よりも硬度と強度が高く、変形も小さいが、これは鉛フリーはんだ接合部の高い信頼性を意味するものではない。鉛フリーはんだ合金はぬれ性が劣るため、ボイド、ずれ、立ち上がり（トゥームストーニング）などの欠陥が発生しやすく、ボイドのサイズも大きくなる傾向がある。

・脆性およびそのメカニズム

1). めっきされた Ni(P) 層と SnPb はんだの間では、長時間の反応が起こり、Ni 表面の周囲にカークエンダル空洞が生成される。はんだに供給される利用可能な銅がある場合、脆性はさらに複雑になる。三元金属化合物 (Cu, Ni)₆Sn₅Ni 上に蓄積する₃Sn₄Ni表面で形成されると、Ni上に空洞が生成される₃Sn₄/（Cu, Ni）₆Sn₅時効の際にも同様の問題が発生します。SACはんだ合金には銅源が含まれているため、この種のはんだをNiとの接合に用いる場合にも同様の問題が生じます。

2). ブラックパッドは、特に ENIG Ni/Au に関して広く認識されている、脆性に関連した特有の現象である。Ni(P) 表面のはんだ付け性不足により、パッド上またはその周辺で顕著な脆性が発生し、その結果、機械的疲労強度が最終的に低下する。ブラックパッドは、はんだ接合部のクラックに関する現象と相関している。いずれにせよ、有害なブラックパッド効果は、時間の経過とともに最適な金属合金構造が劣化していく、別種の脆性と関連している。

3). ENIG Ni/Au パッド上で IMC 構造が脆くなるブラックパッド現象および経時劣化の過程においては、SnPb はんだよりも SAC はんだの方が重要な役割を果たす。鉛フリーはんだ付けでは、Ni/Au コーティング中の Au の厚み増加に起因する脆化プロセスを回避、または低減すべきである。

4). 一般的な熱サイクルであっても、各熱サイクルで生じるクリープ荷重に耐えうるはんだ接合部が通常は要求される。そのため、パッド上のIMC構造は、はんだのクリープによってもたらされる荷重に耐えなければならない。外部機械荷重、特にシステムの機械的インパクトによって生じる荷重が加わる場合、はんだ接合部においてクリープによる変形が過大となるため、はんだのクリープは通常非常に大きくなる。その結果、熱サイクル中のIMC構造には十分に耐えられる場合であっても、せん断試験や引張試験において、最も脆弱な接合部が生成されてしまう。

5). リフローはんだ付け工程で追加された SnPb はんだ中の Au は、その後のエージング工程で徐々に Ni 表面へと戻り、(Ni, Au) を形成する₃Sn₄Ni 上に蓄積される₃Sn₄IMC。このように生成された界面は不安定であり、(Ni, Au) の改善に伴って減少します。₃Sn₄厚さ

・固相時効がはんだ接合部の信頼性に及ぼす有害な影響

固相時効により、界面のIMCがより厚くなり、その形状がスカラップ状から平坦な均一層へと変化する可能性がある。固相時効中には、界面に過剰なIMCが生成され、IMCの形成過程に関与しない一部の化学元素の偏析が生じる。Kirkendall効果により、IMC生成過程で材料密度が低下するため、過度な固相時効ははんだ／パッド界面に多数の空隙を発生させる。

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