(11−10) AuSn4再堆積問題

  再堆積redepositionとは電極(パッド)から溶解し、はんだバルク中に分散した成分がエージングで電極付近に
 層状のIMCとして偏析していく現象。
  界面に層状(帯状)に形成されるために、脆い破断面となりやすく、信頼性上の問題となる。
  Ni/AuのAuで見られ、Niとの親和力によるとされる。
  Cuがはんだ中に存在すると(電極からの溶解も含め)、Auは(Cu,Au,Ni)6Sn5として消費され((Cu6Sn5に固溶)、
 再堆積はおきにくい。
  AuはAuSn4化(Pdも同様構造のPdSn4を形成)による体積増加がCu6Sn5、Ag3Snなどより大きいので
 一層問題となりやすい。
  Ni表面へのCu6Sn5形成もその速い現象ともみられ、AuのほかにAg、Pdなどでも起こりうるかが問題である。
  Ag3Snは層状でなく突起物状に電極面に堆積するともいわれる。

(11−10−1) Ni/Auとのはんだ接合におけるAuSn4の再堆積

  リフローでNi上に形成されるAuSn4層は速やかにはんだバルク中に分散する。
  しかしエージングによりNi3S4上に連続層として再堆積する。
  最初Sn−Pbで見られた。Pbフリーはんだでは組成により見られたり、見られなかったりする。

Kao spalling Kao2
  Sn−PbはんだとNi基体(Ni/1μmAu)の反応によるAu脆化。
  →エージングによりせん断強度が大きく低下。
 
 界面の微細構造

  エージングで接合界面へ(Au,Ni)Sn4が層状に偏析

 はんだへのNi添加効果

  はんだ中へのNi添加により接合界面への(Au,Ni)Sn4再堆積は抑制される。


  (Au,Ni)4Sn3の再編制の駆動力はNiへの親和性

 Auの高速拡散

  (Sn中の拡散)

 はんだへのCu添加効果

  Cu添加により(Cu,Au,Ni)6Sn5が形成されAuSn4再堆積は抑制される。

Minor
  共晶Sn−Pb、電解Ni/1.5μmAu










HUT
 Ni/Auと各種はんだ
 
Laurila
 電気化学Ni/5μmAu(!)、150℃エージング
 *150℃エージングの写真と上記写真が全く同じ(!)




(11−10−2) 電極間交互作用と再堆積

  現実のはんだ相互接合は電極|はんだ|電極のサンドイッチ構造となる。
  この場合、主要な組み合わせはCuとCu、CuとNi、NiとNiで、主にNiがNi/Auの構成をとる。
  このようなはんだ接合ではNi/AuからのAuとCu電極からのCu溶解が大きな影響を及ぼす。
  電極からの溶解などによりCuをはんだ中に含有すると、はんだ中のCu同様にCu6Sn5にAuを固溶し、
 再堆積しにくくなる。

  従って基板がNi/Au表面処理で部品がNi/Auめっき(リードめっき、セラミック・チップ・キャリアなど)、
 Ni/Snめっき(チップ部品)、Ni UBMなどの場合で主に問題となる。

Power
 QFN、TOPS、FP

 
 SAC305
  CuとNi/Au  <1wt%Au
  CuとNi/Au  3〜7%Au
  Ni/AuとNi/Au 2〜3%Au
  Ni/AuとNi/Au 4〜7%Au
  Ni/AuとNi/Au >10wt%Au




 Cuがはんだ中に存在すると(電極からの溶解も含め)、恒温エージングで(Au,Ni)Sn4は界面に再堆積しない。
  →(Cu,Ni,Au)6Sn5を形成。




  部品と基板の両者がNiだと恒温エージングで(Au,Ni)Sn4が界面に移動。


香港市大Chan  Cu/Au 共晶SnPb
 部品:Au1μmのCu/Au、PCBパッド:Ni/Au Au<0.1μm





  AuのIMCの再堆積がみられていない。

Chen はんだ中Cuの枯渇の影響

 SAC305、電解Ni/1μmAu、無電解Ni-10P/0.03μmAu







 Cuの(Cu,Ni,Au)6Sn5としての消費にともない(Au,Ni)Sn4の再堆積が起こる。これにははんだの体積効果が
影響する。


Alam Ni層枯渇の影響
  Sn−37PbBGA、電解Ni/Au





 破壊表面
  薄い0.1μm、厚い1.3μm


  界面IMCの形成

  Niが薄いと完全消費し、CuとSnが反応し(Cu,Ni)6Sn5が形成される。


 (Cu,Au,Ni)6Sn5が存在すると層状のAuSn4は形成されない。


 Niが厚いと(Au,Ni)Sn4が再堆積(界面に層状の偏析)
 Niが薄いとSnがCuと(Cu,Au,Ni)6Sn5を形成しAuSn4の連続層は形成されない。


(11−10−3) Au厚み、Au量の影響

 AuSn4が連続層を形成するかどうかはAu量も影響する。
 Au量の行方 
  バルク、表面、界面(再堆積)、
  固溶 (Cu,Au,Ni)6Sn5
  トラップ 
   Ni


Agilent Pan
 SACとAu量 
  SnPbの電解Ni/Auとのはんだ接合が凝固すると脆いAuSn4ないし(Au,Ni)Sn4がはんだバルクに形成される。
  エージングでAuSn4はNi界面に移動しNi3Sn4の上に(Au,Ni)Sn4連続層を形成する。
  (Au,Ni)Sn4とNi3Sn4の脆い界面は脆性界面破壊をもたらす。
  Niの薄い層はCuのはんだと(Au,Ni)Sn4の界面へ拡散を促進し(Au,Ni)Sn4を(Au,Cu,Ni)6Sn5層に変え良い結果
 をもたらす。(薄いNiはPCBシェルフ寿命やはんだ付け性に限界)
  アニールではんだバルクのAuSn4が成長すると破壊はAuSn4 IMCを通る破壊となる。
  *機械的振動や落下などの高速ひずみでは脆くなった界面で生じ、熱疲労では亀裂はバルク中の大きなIMCを伝播する。

 Pbフリーはんだは共晶Sn−Pbより多くAuを固溶
  CAu=1.42x10exp(−0.61/(kT))

 10wt%以上は不可
  Cuがはんだ中に供給されるなら5%以下は顕著な信頼性劣化はない。
  両側(PCBと部品)がNiでCu供給がないと3%以下が受容される。

 QFN、TOPS、FP

 
 

 (薄いAu:0.5μm以下、厚いAu:1μm以上)

  はんだ中のAu量についてSAC305では10%以上は受け入れられないとする。
  Cuがはんだ接合に溶解する場合はAuは5%以下なら問題なし、Niが存在する場合、Cuの溶解
 が制限され、Auは3%以下とする。

Ni/AuでのAu再堆積 Silk Ni/Au|solder|Au/Ni SAC305
  もしCuが存在し接合に溶解するとAuSn4はエージングで界面に移動しない。界面に連続層を形成しない。
  Ni-Niではエージングで(Au,Ni)Sn4層成長。
  Cu-Niでは(Cu,Ni,Au)5Sn6が成長しAuSn4は存在しない。

 薄いAu:0.08−0.38μm、厚いAu:2−2.54μm
 QFN、TOPS













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