（７－５） ＳＡＣ系およびＳｎＣｕＸ系のまとめ
（７－５－１） ＮＥＳＡＣとその代替の動向
ＳｎＰｂ代替はんだがＳＡＣ系に集約されるまでの経緯は 〔Ⅱ〕 Ｐｂフリーはんだの探索 で詳しく述べた。
ＳＡＣ系では当初（２０００年前後）は共晶に近いとされるＳＡＣ３８７などが中心となった。
その後欧米ではＳＡＣ４０５などの高ＡｇＳＡＣが多く利用され、日本ではＳＡＣ３０５を標準とした。
２００５年頃までに亜共晶のＳＡＣ３０５に多くが移行、ＳＡＣ３０５は高ＡｇＳＡＣより価格的に若干有利である。
特性的にはＳＡＣ３０５もＳＡＣ４０５も大きな違いはなかった。
どちらも特許に問題がないと考えられた。（ＳＡＣ４０５は先行文献、ＳＡＣ３０５は特許失効）
ウェーヴ用にはＳｎＣｕＮｉも推奨されたが、低価格化のため特性的に優れるＳＡＣ系で低ＡｇＳＡＣが検討された。
（日本ではＳｎＣｕＮｉはスペリア社の特許製品のため避けられたが欧米では比較的良好な性質が認められた。）
また携帯機器の盛行で落下衝撃が問題となり低ＡｇＳＡＣ（ＳＡＣ１０５など）が落下衝撃破壊に対してＳＡＣ３０５など
より優位なことが判明、欧米では主にＢＧＡ用に検討が進んでいる。
共晶近傍ＳＡＣ（ＮＥＳＡＣ）の微量元素添加による改善も進められた。
更に低ＳＡｇＳＡＣ、ＳｎＣｕ系の微量元素添加による改善も積極的に進められた。
このように共晶近傍ＳＡＣ、特にＳＡＣ３０５の代替としては
フロー用低ＡｇＳＡＣ・・・・・ＳＡＣ０３０７、ＳＡＣ１０７など。
耐落下衝撃用低ＳＡＣ・・・ＳＡＣ１０５など。
微量添加合金
ＮＥＳＡＣ＋Ｘ
低ＡｇＳＡＣ＋Ｘ
ＳｎＣｕ＋Ｘ
が候補にあがっている。
微量添加成分Ｘとしては固溶強化の見られるＢｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、界面ＩＭＣの改善効果の見られるＮｉ、Ｃｏなどが検討（商品化）されている。
Ｍｎ、Ｃｅ、ＴｉなどはＳｎ結晶粒微細化と組織安定化に効果があるとされる。
希土類添加についてはウィスカが懸念されている。
これら代替候補の比較の焦点は温度サイクルと高ひずみ速度試験特性（落下衝撃、振動など）となっており、この両者はＰｂフリーはんだ
で相反関係（トレード・オフ）になっているが携帯機器以外では依然温度サイクル特性が重要である。
この点について詳しくは （１３－９） Ｐｂフリーの信頼性 まとめ で述べる。
またこれら特性に大きな影響を与えるのは接合界面の特にＩＭＣ層の形態である。
これらについては改めて〔Ⅳ〕 はんだ接合界面と金属間化合物、と 〔Ⅴ〕 機械的性質と信頼性 で詳しく紹介する。
Ｉｎｄｉｕｍ社のＳａｎｄｙらの概観（要旨）
１９９０年代末から２０００年初期のＰｂフリーはんだの研究の結果、共晶ないし共晶近傍Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕが選択肢とみなされた。
正確な共晶組成の合意はなかったがＳＡＣ３８７が近く、初期の一部の先駆者はこの組成を選択した。
２００５年頃までにＳＡＣ３０５を使用する実装業者がいた。ＳＡＣ３０５は共晶はずれで固液共存範囲をもっていた。また低Ａｇで若干
低価格である。２００７年頃までにＩＰＣのはんだ製品価値協議会はＳＡＣ３０５を好ましいとした。
１９９０年代中期から約２００５年までに携帯機器が増加し落下衝撃故障問題が生じた。
調査の結果ＳＡＣ１０５が落下衝撃により強いことがわかった。２０００年代末までにＳＡＣ１０５が携帯機器の主要選択肢となった。
２０１０年までにHenshallらとCoyleらが熱サイクルでＳＡＣ１０５がＳｎＰｂよりすぐれていることを示した。
同じ頃LeeらがＳＡＣ１０５へのＭｎ、Ｃｅの微量添加が純ＳＡＣ１０５より落下衝撃と熱サイクルで顕著に優れていることを示した。
（Leeらは同じIndiumu社なのでこの辺宣伝臭がする。）
Ｐｂフリー移行以降多くの使用者がＳＡＣ特にＳＡＣ３０５あるいはＳＡＣ３８７（どちらかというとＳＡＣ４０５）を採用した。
しかしここ数年貴金属価格が上昇し、これがＡｇ削減圧力となってきている。
選択肢が３つに分けられる。
共晶近傍ＳＡＣ ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ３８７、ＳＡＣ４０５など、熱サイクル特性が良い。
低Ａｇ合金 ＳＡＣ１０５、ＳＡＣ０３０７など、落下衝撃特性が良く、Ａｇが少ない。熱サイクル特性悪化が欠点。
高温環境などの信頼性不明。
微量添加合金 ＳＮ１００Ｃ（スペリア、ＳｎＣｕＮｉ）、ＳＡＣＸ（クックソン、低ＡｇＳＡＣ＋Ｂｉ＋Ｎｉ）、ＳＡＣＭ（インジウム社、ＳＡＣ１０５＋Ｍｎ）、
Ｓｎ９９２（インジウム社、ＳｎＣｕ＋Ｂｉ＋Ｃｏ）など。
Ｋｏｓｔｉｃ ２０１１ 概要
ＳｎＰｂの互換品はない
依然としてＳｎＰｂはんだあるいはめっきの互換品はない
業界はまだＳｎＰｂの置き換えを標準化していない
機械的特性が広く変化
異なる合金が異なるリフロー温度
異なる合金間でうまく互いに反応しないかもしれない
特許あるいは著作権で保護されている合金もある
はんだ接合組成も含む（＊アイオワ大特許ははんだ合金組成だけでなく接合部組成も対象）
Ｐｂフリーはんだの傾向
２００５年は答えはＳＡＣ３０５
期待に答えられなかった
現存する合金の限界の発見で多くの合金が特殊用途に使用されている
ＳＡＣ１０５
ＳＡＣ４０５
Ｓｎ１００Ｃ（日本スペリア）：ＳｎＣｕＮｉ（Ｇｅ）
Ｓｎ－０．７Ｃｕ＋Ｃｏ
Ｓｎ－Ｂｉ
Ｋ１００ＬＤ（Ｋｅｓｔｅｒ）：ＳｎＣｕＮｉ＋Ｂｉ
ＣＡＳＴＩＮ（ＡＩＭ）：Ｓｎ－２．５Ａｇ－０．８Ｃｕ－０．５Ｓｂ
ＳｎＣｕ
ＳｎＣｕＮｉ
ＳｎＢｉＺｎ
ＳｎＡｇＢｉ
Ｐｂフリーはんだアセンブリと目視問題
ＰＷＢ積層板laminate応力
目視
高アセンブリ温度
部品の耐熱性
ＢＧＡの合金混合での溶け合い不良
濡れと保管寿命
Ｐｂフリーはんだと表面処理への転換の影響
新しい、知られていない破壊モードの出現
使用条件、環境に従い異なる応用ごとに異なるはんだが必要
温度、熱サイクル、振動、衝撃・・・
リワークとリペアが主要な懸念
装置・道具がリペアによる汚染（はんだ、表面処理）の影響を受ける
ある部品では信頼性の危険無しにＳｎＰｂとＰｂフリーを混合できない。
後退（Ｐｂフリー部品とＰｂはんだ）両立問題
（界面へのPb偏析）
（ペーストはんだとはんだボールの溶け込み。混合不良）
Ｐｂフリー信頼性問題
マイクロ・ボイド発生（カーケンダールボイド）
はんだボイド増加
高温、振動での低信頼性
＊図に疑問、ＳＡＣとＳｎＰｂ逆か
ＢＧＡの混合（ＰｂフリーボールとＳｎＰｂペースト）
はんだ付け性
Ｐｂフリーはんだは濡れが劣る
Ｐｂフリー耐久性
実際（フィールド）と実験（ラボ）との関係が未確立
ＳＡＣ相互接続は高温、振動、衝撃で低信頼
消費財では低応力水準なので問題ではない
低応力：Ｐｂフリーが良好
高応力：ＳｎＰｂが良好
ＰｂフリーＳｎ信頼性問題
Ｓｎウィスカ
Ｓｎ伝染病plague
いままでＰｂフリーはんだ接合では観測されていない、継続研究中の領域
Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ添加が悪化させる
正方晶（βＳｎ）から立方晶（αＳｎ）への冷却による結晶構造変化
１３．２℃で変化開始、最高変化速度は約－３０℃
αＳｎは脆く、粉化しやすく、βＳｎより２６％体積増加
Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ添加で抑制
Ｐｂは５％以上、Ｓｂ、Ｂｉは０．５％以上
部品標準化管理委員会ＰＳＭＣ ２０１０ 概要
Ｐｂフリーはんだ問題 ”ＳｎＰｂでは決して見られなかったこと”
〔注〕多くはＳｎＰｂで見られなかったのではなく、問題視されず調べられてなかっただけ、Ｐｂフリーになって種々詳しく
調査するようになって明らかになったことも多く、特にかなり過酷な条件が多くどこまで問題かも明確でない場合が多い。
ＩＭＣ剥離
ある種のリフローでの液体状態でＩＭＣがパッドから浮き上がる。
信頼性の問題になるか？
Ｓｎを経由してのＮｉとＣｕの相互拡散
ＮｉがＣｕパッド側で（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５形成。
ＣｕがＮｉと反応しＩＭＣ形成
この厚いＩＭＣは信頼性で問題か？
これは高電流密度でより悪化するか？
ＩＭＣ破壊
Ｃｕ含有はんだとＮｉパッドの接合でＮｉ３Ｓｎ４の上に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成し、このＩＭＣ間が機械的衝撃等に弱い。
＊ＩＭＣ剥離、交互作用等については（１１－８） はんだ接合界面に見られるいくつかの現象
はんだボイドが顕著に熱サイクル寿命を減少させる
他のＰｂフリーはどうか、振動、衝撃はどうか。
Ａｇ（置換Ａｇ表面処理）とＳによる腐食
硫黄と高湿度環境問題はＣｕ腐食、電気化学マイグレーション、Ａｇウィスカも含む。
絶縁被覆がＳｎウィスカと奇妙な突出物で破壊される。
ＳｎＰｂ合金とＢｉ含有Ｐｂフリーはんだで接合で生じる問題
微量のＰｂがＢｉ含有はんだの信頼性を減少させる。
Ｓｎ－５８Ｂｉでは破局的・・・熱ではんだ接合は粉々になる。
Ｐｂフリーはんだ問題 ”ＳｎＰｂ同様の問題”
小さな接合部、高電流でのエレクトロマイグレーション
１ｘ１０－４Ａ／ｃｍ２台の電流密度でＣｕパッド溶解。
小さな接合ではしばしば単一粒はんだ接合となる→Ｃｕ拡散速度は粒結晶方向で異なる。
Ｐｂフリーはんだでもボイドが生じる。
Ｐｂフリー電子技術での影響
Ｐｂフリーはんだ接合は衝撃信頼性低下
Ｃｕ溶解がリワーク、リペアに影響
Ｐｂフリーの高プロセス温度でＣＡＦ問題が再登場
ＳＡＣはほとんどＳｎで、Ｓｎは非常に異方的
ｃ軸方向が温度変化でより拡張・収縮
ｃ軸方向がより硬くstiff、ａ軸方向がより柔軟compliant
ｃ軸がパッド表面、荷重に平行だと特に急速に亀裂を生じる。
はんだはホモロガス温度（使用温度／融点）が８０％台
析出物の拡散とクリープが顕著。
ＰｂフリーはんだはＳｎＰｂより信頼性が良かったり悪かったりする
ＰｂフリーはＰＣＢに影響
ＳＡＣとＮｉパッドは強固でない
Ｐｂフリー対応ＰＣＢはより脆い
パッド・クレータリングで早期故障の危険性（検知されない、見えないパッド・クレータリング）
振動、落下衝撃等による他の故障
パッド・クレータリング
はんだとパッドのＩＭＣ結合
どの場合もＰｂフリーが一貫して信頼性が劣る。
ＳＡＣの機械的応答性
ＳＡＣは柔軟でなくパッドにより応力がかかる。
故障モードはパッド・クレータリング
信頼性予測
ＳｎＰｂ材料特性はほとんど接合寸法に依存しない
Ｐｂフリーはんだ特性は接合寸法、工程、履歴、合金添加物で変化
モデルが比較を説明できない
熱サイクルでの保持時間での違い
実使用条件依存性
エージングとサイクル効果による誤差は大きいだろう
これも説明できない
第２析出物の粗大化進行によるはんだ特性変化
ひずみによる粗大化と転位構造形成で特性が接合部位で変化
ＦＬＥＸＴＲＯＮＩＣＳ ２０１２（概要）
リフロー工程での鉛フリーはんだ合金
鉛フリーはんだペースト
ＳＡＣがリフローでは最も一般的に使用されている鉛フリー合金
Ａｇは３．０～４．０
業界推奨は
ＩＮＥＭＩ：ＳＡＣ３９６
ＩＰＣ／ＪＥＩＴＡ：ＳＡＣ３０５
ＥＵ：ＳＡＣ３８７
業界は組成の標準化の努力に着手中
現在ＳＡＣ３０５が最も一般的
低価格、低あるいは無銀鉛フリーはんだペーストの代替利用が始まっている。
リフロー工程
プロセスウィンドウが狭い
工程最適化が重要、瀬戸際
エリア／アレー球
ＳＡＣ３０５が一般的
ＳＡＣ１０５のような代替が始まっている
利用環境の考慮が信頼性で重要
落下または熱サイクル
ＢＧＡ／ＣＳＰボール
Ａｇ量は落下と熱サイクルに関し相反関係にある。
低Ａｇで融点上昇。
低ＡｇでＥ低下。
高柔軟性のためのＡｇ低減はバルク最適化手法、最適Ａｇ量は約１％と思われる。
代替合金の推進力
ＳＭＴ工程では落下・衝撃性能問題
価格
代替鉛フリーはんだペースト
印刷性と濡れ特性は良い。
多くの材料はＳＡＣ３０５の比べ過剰なはんだボール（ないしグレーピング：葡萄状化表面）とボイドを呈する。
ＳＡＣ３０５ペーストと同等の性能の材料は少ない。
（＊低ＡｇＳＡＣはペーストでなくはんだボールとしての利用が主であると思われる）
代替鉛フリー合金はＳＡＣ３０５より融点が高い（約１０℃）
代替合金信頼性
短時間保持の熱サイクルではＡｇ量と特性寿命に相関、高Ａｇが優れ、鉛フリーがＳｎＰｂより優れる。
－４０℃～１２５℃で鉛フリー合金の差はなくなり、すべての合金がＳｎＰｂの特性寿命に近づく。
多様な合金管理への挑戦
融点差・・Ａｇ量減少で融点上昇
混合合金考慮・・不溶融はんだ接合
混合合金ＰＣＢアセンブリ挑戦
後方両立・・ＰｂフリーボールとＳｎＰｂペースト
混合合金ＰＣＢアセンブリ問題
ボイドと不均一はんだ接合－不完全混合はんだ接合は一般的に均一はんだ接合より信頼性が劣る。
ウェーヴでの鉛フリーはんだ合金
はんだ棒
ＳＡＣ３０５、ＳｎＣｕＮｉ（Ｓｎ１００Ｃ）、ＳｎＣｕが一般的。
ＰＴＨミニポットリワークではＳｎＣｕＮｉが一般的。
挑戦
狭いプロセスウィンドウ
フラックス材料・・高温過程へのＶＯＣ化、ハロゲンフリー化が不十分
表面張力と濡れ性
厚い基板でのホール充填が依然課題
Ｃｕ溶解
ホール充填とＣｕ溶解の相反関係
高温と長時間接触はホール充填には良いが、Ｃｕ溶解促進。
高Ａｇはホール充填に有利だがＣｕ溶解に不利。
添加成分（Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂ・・）はＣｕ溶解を抑制するがＰＴＨ濡れを阻害。
ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ計画 Ｐｈａｓｅ１ ２００９ 要旨
Ｐｂフリーはんだ合金は最初、共晶近傍のＳｎ（３．５～３．９）Ａｇ（０．７～０．９）Ｃｕ付近を基礎とした。（ＮＣＭＳ、ｉＮＥＭＩなど）
Ａｇ価格問題とアイオワ州大特許を避けるためＪＥＩＴＡと続いてＩＰＣが亜共晶のＳＡＣ３０５を推薦。
欧州の企業は共晶合金による、特に収縮孔発生の低下、融点と固液共存範囲の低下から高ＡｇのＳＡＣ４０５にとどまることを選んだ。
主流のＳＡＣ３０５とＳＡＣ４０５はＢＧＡはんだボールとはんだペースト、ウェーヴ合金に使用。
ＳＡＣ３０５とＳＡＣ４０５は機械的衝撃性能が悪いので携帯製品でＢＧＡとＣＳＰはんだ接合、特に動的負荷条件での
機械的強度改善のため低Ａｇ、低Ｃｕ開発に拍車がかかっている。
これら合金はＳｂ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｐ、Ｇｅ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｃｒなどの微量添加がよくなされる。
Ｌｉｍａｙｅ
Ｓｎ（３～４）ＡｇＣｕは応力を増加させる
ＳｎＰｂより硬い、非常に高Ｅ、同じ変形で高応力
ＳｎＰｂより強い、高応力に耐える
ＳｎＰｂより低塑性
高凝固温度で熱膨張率差があると部品／接合で応力増加
クリープ速度はＳｎＰｂより１０～１００倍遅い
Ｓｎ（３～４）ＡｇＣｕは至るところで破壊
ＩＭＣ層
ＰＣＢパッド剥離
部品パッドと本体（セラミック）
Ｓｎ（３～４）ＡｇＣｕはんだ接合はより衝撃に弱い
低ＡｇはんだＳＡＣ１０５への移行の強い傾向
金属学的混乱
ＩＭＣ関係の問題
Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイド
無電解Ｎｉ／置換ＡｕのＮｉ３Ｐ析出
ＳＡＣはＳｎＰｂより信頼できるか
応力依存
Ｓｎウィスカ
2009_06_2nd Generation LF Alloys-DfR 第２世代２０１１ ＤｆＲプレゼン
なぜＳＡＣ３０５が標準無鉛はんだとなったか。
ＳＡＣは共晶ＳｎＰｂを置き換える理想的はんだとみなされたことはなく、
単にそのときに最善の選択であっただけ。すでに利用可能で納得できる融点で、他の選択に比べ信頼性問題が最もなかった。
しかしＳＡＣ３０５には新しい合金で克服できる弱点がある。
ＳＡＣは析出硬化合金で微細構造と機械的特性がリフロー温度、時間、冷却速度、エージング（保持時間）により大きく影響される。
はんだ特性がアセンブリ条件や消費者使用環境にそのように依存することは好ましくない。
望ましい性質
各はんだに長短があり、用途ごとに異なる最適はんだがありうる。一般的消費者条件では
低融点（１９０℃に近い）
低剛性（５１ＧＰａからＳｎＰｂの４０ＧＰａ近く）
良好な濡れ挙動（濡れ時間０．５秒程度）
安定な挙動（析出硬化、急速軟化がないほうが好ましい、アセンブリ後の安定した特性）
低降伏応力と低加工硬化速度（ＳｎＰｂ同等、疲労で損傷を受けない柔軟性compliance）
低Ｃｕ溶解（Ｃｕ配線の溶食抑制）
低表面張力（Ｃｕ配線の被覆とＰＴＨの濡れ上がりのため）
はんだの傾向
表面実装リフローではＳＡＣ３０５が支配的
携帯機器でのエリア・アレー部品でＳＡＣ１０５使用が増加
ＳｎＣｕがウェーヴとＨＡＳＬで普及
ＳＡＣＸ、ＳｎＣｕＸへの強い傾向
見込みある成分
Ｓｎが主成分（Ｃｕとよく理解されたＩＭＣ形成）
Ａｇ低減で弾性係数低下（ＳＡＣ１０５は１１％ＳＡＣ４０５より小さい）
微量のＮｉ、ＣｏがＩＭＣ形成抑制、Ｃｕ溶解低減（Ｔｍは２２０℃以上となる）
Ｐｂが供給鎖から除外されればＢｉが大きな役割（ＳｎＡｇＣｕＢｉが見込みある）
Ｍｎ、Ｃｅなどが耐衝撃性改善で大きな見込み
ウェーヴはんだ合金
ＳｎＡｇＣｕ－適度な濡れ、ドロスが多い、過剰なＣｕ溶解、高価
ＳｎＣｕ－ぬれ悪い、低価格、高槽温度必要、
ＳｎＣｕＸ（Ｎｉ・・・）－濡れ良い、適度な価格、浴制御必要（ＣｕとＮｉ比）
鉛フリーの現況
部品（はんだボ－ル）供給
ＳＡＣが依然支配的、しかし低Ａｇ導入増加（ＳＡＣ２０５、ＳＡＣ１０５、ＳＡＣ０５０７）
はんだペースト
ＳＡＣ３０５が依然支配的
ウェーヴとリワーク
Ｓｎ０．７ＣｕＮｉ（ＳＮ１００Ｃ）
Ｓｎ０．６ＣｕＣｏ（ＳＮ１００ｅ）
Ｓｎ０．７ＣｕＮｉＢｉ（Ｋ１００ＬＤ）
ＨＡＳＬ
Ｓｎ０．７ＣｕＮｉ（ＳＮ１００Ｃ）
＜ＮＥＳＡＣ合金代替の検討プロジェクト＞
ＪＥＩＴＡによるフロー用低ＡｇＳＡＣでは
ＪＥＩＴＡ 第２世代フロー用はんだ標準化プロジェクト ２００８
ｉＮＥＭＩでＮＥＳＡＣ代替として調査されているのは
Ｈｅｎｓｈａｌｌ ２０１１
ＮＥＳＡＣで業界は２００６年のＲｏＨＳ最終期限に間に合った
業界はＳＡＣ３０５と他のＮＥ合金を標準Ｐｂフリー合金として採用。
多くの因子の釣り合いを考慮。→比較的低融点、熱疲労信頼性が良好。
組成の機械的強さrobustnessとＣｕ溶解への影響を考慮していなかった。
更なる最適化必要
ＳＡＣ３０５／４０５の問題
ＢＧＡ、特にＮｉ／Ａｕでの落下／衝撃性能の悪さ
Ａｇ価格の上昇が低Ａｇ化推進原動力
厚い基板でのいくつかの表面処理のバレル充填の悪さ
熱間割れと他の表面現象が目視とリワークで問題
主なＢＧＡ／ＣＳＰボールの商業あるいは研究中のＰｂフリーはんだリスト（多くは低Ａｇ）
完全な合金はない、各合金にそれぞれの問題
技術的問題と非技術的問題（供給鎖管理など）
試験中の組成
第２世代２０１１ Ｔｕｌｋｏｆｆ ＤｆＲプレゼン
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