Ｐｂフリーはんだ　Ｓｎ－Ａｇ

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｐｂフリーはんだの金属学的基礎

（７－５－３）　ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＣｕ系Ｐｂフリーはんだの比較

　ここでは特に各種SAC、SnCu系のPbフリーはんだについて比較する。

①　各種ＮＥＳＡＣの比較

　　まず３～４Ag、０．５～１．０Cuの共晶近傍NESACについて検討する。

（Ａ）　３元共晶

　ＰａｒｋによるとＳＡＣの共晶組成は
　　Debahrdt、Petzow：Sn-3.6Ag-1.5Cu
　　Miller：Sn-4.7Ag-1.7Cu
　　Loomans：Sn-3.5Ag-0.9Cu
　　Moon：実験的にはSn-3.5Ag-0.9Cu、計算ではSn-3.66Ag-0.91Cu
　　Ohnuma：Sn-3.24Ag-0.57Cu（計算）
　等とされる。HUTによるとSn-3.4Ag-0.8Cuとされる。
　　この共晶組成についてはSn-Ag-Cu（SAC)系でも触れた。
　　実際は平衡相は実現しがたく、βＳｎあるいはＩＭＣが初晶として出現しやすい。

（Ｂ）　共晶と共晶ずれoff eutectic組成

　ほぼ共晶（一般的にはＳＡＣ３５７など）と亜共晶（ＳＡＣ３０５）、過共晶（ＳＡＣ３９６、４０５など）の間に特性的に差があるあるのか。
　（共晶近傍ＮＥ・ＳＡＣの特性と比較も参照）

　光沢と表面状態　
　　表面の非金属光沢化（白化）は１Ag付近が最も広範で、それに対し収縮孔（亀裂）は２Ag付近から激しくなる。
　　４Agを越えると光沢性が良くなり、更にCuは多いほうが良い。
　　これはβSnデンドライト組織が微細化していき、デンドライトでなくなることによる。更にIMCによる共晶組織ネットワークがくずくれ、
　IMCがSnマトリクスに分散したような状態で、共晶領域は少なくなる。
　　しかしAgが多くなると巨大な初晶Ag3Snが晶出しやすくなる。

　千住金属工業　鉛フリー実装フォーラム　２００４　

Ｐａｎｄｈｅｒ
　Ag、Cu増加でデンドライトβSn微細化、更にデンドライト消失

（ａ）Sn-3.0-0.5Cu　　（ｃ）Sn-3.7Ag-0.9Cu　　　　　　　　　　　（ｂ）Sn-3.9-0.6Cu　　　（ｄ）Sn-3.6Ag-1.0Cu

寸法効果　荘司　群馬大
　微細寸法（径０．５ｍｍｘ２ｍｍ）試料の微細組織とバルク組織
　　亜共晶、共晶、過共晶に相当、亜共晶から過共晶になるに従い、βＳｎは微細になり、過共晶では針状となる。
　　マイクロ・サイズ試料よりバルク試料のβＳｎが粗い。

菅沼
　組成と冷却速度（急冷RC、中冷MC、緩冷SC）

　急冷RCでは共晶組織はSAC357が最も広い。緩冷SCでは共晶組織が粗化。
　共晶組織は冷却速度減少とAg量増で粗化する。

　DSC：昇温０．１℃／ｍｉｎ
　

　SACの等軸組織というのが何人かのひとにより紹介されているが、いずれも倍率が極端に異なり、微細な組織を思わせる。

Ｚｅｎｇ　ＳＡＣ３８７
　等軸組織
　　　２５０℃で３０分保持し、１８０℃予熱の鋼製鋳型に鋳造し、その後３ヶ月室温でエージング。
　デンドライト組織
　　　２５０℃予熱のアルミニウム製鋳型に鋳造し、鋳型ごと水冷。

　＊通常は成長速度とともにセル状（柱状）、デンドライト、等軸と変化する。

Lee
　DSC：５℃／ｍｉｎ

Song　Cu量の影響
　Sn-3.5Ag-xCu

Ｃｕの影響

　Sn-3.5Agへの０．５Cu添加で結晶相（βSn？）粗大化、１．０Cuで微細化。

　　ただし実際の基板と部品のはんだによる相互接続でははんだは微量で寸法が小さく、なおかつ電極との反応、電極の溶解が
　生じるのでこのような組織を示しがたい。

Ｓｈｉｎ　Sn-3.5Ag-xCuとCu基材の界面反応
　Cu量で界面IMCの形態変化、Cu量多いと粗化する。

ＡｇとＣｕ　富士通

Ａｌｍｉｔ

（Ｃ）　過共晶ＳＡＣ（ＳＡＣ４０５）と亜共晶ＳＡＣ（ＳＡＣ３０５）の比較

　　日本ではＳＡＣ４０５が話題になることはないが、欧米ではSAC４０５がよく使用されたので比較がされる。
　　問題となるのは初晶Ａｇ３Ｓｎの晶出である。
　　強度と従って温度サイクル特性、クリープ特性はＳＡＣ４０５が若干良いとされる。
　　しかし一番問題なのはＡｇが多いことによる価格への影響である。

2009_06_2nd Generation LF Alloys-DfR　第２世代鉛フリーはんだ　２０１１　

　ＳＡＣ３０５とＳＡＣ４０６（ＳＡＣ３９６）　　やや低いＡｇ（３．０％）か高Ａｇ（３．８－４．０％）か

　　　ＳＡＣ３９６はＮＥＭＩで、ＳＡＣ３０５はＪＥＩＤＡで多くのデータ
　　　ＳＡＣ３０５
　　　　巨大初晶Ａｇ３Ｓｎ析出問題で有利（析出しにくい）
　　　　低融点
　　　　若干低価格
　　　　ＳＡＣ３０５はより低せん断応力（より柔軟compliant）
　　　ＳＡＣ３０５が徐々に標準を勝ち取った。

　SAC405は初晶Ag3Sn量が多い

　低価格より過剰Ａｇ３Ｓｎ析出問題でＳＡＣ３０５がＳＡＣ４０５より標準的になった

　
　ＳＡＣは析出（分散）硬化合金で微細構造はリフロー（アセンブリ）条件の影響を大きく受ける。
　（Ag3Snは大きな初晶として晶出するより微細な共晶として晶出するほうが良い）

Ｉｎｔｅｌ　プレゼン　Ｖａｓｕｄｅｖａｎ　２００７

　　温度サイクル特性はSAC405が良い。

McCormick 305vs405
　CBGA９３７、表面処理は置換Sn、ENIG、電解NiAu
　－５５℃～１２５℃では置換Snでは明らかにSAC405が良いが他は差がない、
　－５５℃～１２５℃でも低水準の故障率ではSAC405が若干良いが、高水準の故障率では差がない。

②　ＮＥＳＡＣと低ＡｇＳＡＣの比較

概要

2009_06_2nd Generation LF Alloys-DfR
　　ＳＡＣ３０５の長所
　　　高強度なので柔軟なパッケージ（ＢＧＡ、ＣＳＰ、ＱＦＰ）に対し熱サイクル特性が良い。
　　　高降伏強度なので高サイクル疲労（低振幅振動）特性が良い。
　　　表面実装部品に対しぬれ特性が十分である。（しかし枕不良がおきやすく、裸のＣｕに対し濡れが不足）
　　　高クリープ耐性で高温動作可能。

　　ＳＡＣ３０５の欠点
　　　液相線が高くプロセス温度高い（高エネルギー使用、ＰＣＢと部品を圧迫）
　　　析出硬化合金なので機械的特性がプロセスとエージング条件で劇的に変化
　　　重要ではないが濡れ挙動（高表面張力）、Ｃｕ溶解、価格が理想的でない
　　　高剛性なのでパッド亀裂が一般的破壊モード（動的ひずみ）
　　　抵抗、キャパシタなど硬い部品で熱サイクル信頼性悪い
　　　衝撃特性がＳｎＰｂより非常に悪い

　　ＳＡＣ１０５　
　　　落下、衝撃特性がＳＡＣ３０５より良い
　　　熱サイクルはＳＡＣ３０５より悪い
　　　クリープ速度が非常に高い
　　　Ｃｕ溶解速度が低い
　　　ＩＭＣと巨大板状Ａｇ３Ｓｎ抑制
　　　Ｍｎ、Ｃｅ等添加で特性大きく改善

　　ＳｎＣｕＮｉ
　　　ウェーブとＨＡＬに有望
　　　Ｃｕ、Ｎｉ量制御注意
　　　表面実装に有望（振動、衝撃、熱膨張異方性）
　　　表面平滑で亀裂発生サイト減少
　　　高リフロー温度

＊　低ＡｇとＳｎＣｕの比較　千住金属

　　熱特性
　　　低Ａｇは固相線はＳＡＣ３０５と同じ２１７℃でＳｎＣｕＮｉの２２８℃より低い。
　　　Ｎｉ増加すると液相線が上昇し＋０．０５Ｎｉで２５０℃となる。
　　濡れ性
　　　Ａｇは濡れを改善しブリッジ問題を小さくする。
　　引っ張り強度
　　　Ａｇは引張強度改善。
　　クリープ
　　　Ａｇはクリープ改善。

各種性質のAg依存性

　物理的性質
　　融点、固液共存範囲

Effect of silver in common leadfree alloys　Ｐａｎｄｈｅｒ

　SAC状態図（液相線））

　濡れ

Pandher Ａｇ効果

　Cu溶解

ＤｆＲ

　組織的特徴
　　微細組織
　　　Agの影響

　はんだの組織の評価は難しく、組成以外に冷却速度・熱履歴、はんだ量・試料サイズ、相互接合では寸法、電極溶解等
の影響を受ける。

Ｒｅｉｄ

　各種ＳＡＣの光学像例

　SAC４０５だけが他と異なり、SnマトリクスにIMCが密に分散した構造。

Zhang　Auburn大

　ＳＡＣ１０５

ＳＡＣ２０５

　ＳＡＣ３０５

　ＳＡＣ４０５

　Ｓｎ－３７Ｐｂ

　苅谷ら（Ｓｈｎａｗａｈから）
　FC相互接続

寺島ら

寺島
　電極　基体：無電解Ni（P)/電解０．１μｍAu、Si：Cr/０．５μｍNi/０．２μｍAu

苅谷

Ｃｈｅ　（２００７）

　苅谷らの写真では組成と組織の関係がわかりにくいが、Ｃｈｅらのものではできすぎなくらい非常にきれいな傾向を示している。

Ｐａｎｄｈｅｒ

Ｓｗｅｔｍａｎ
　Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ状態図　平衡条件
　　ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ１０７、ＳＡＣ１０５、ＳＡＣ０３０７では
　　　第１段階　初晶Ｓｎデンドライト
　　　第２段階
　　　　ＳＡＣ３０５：Ｓｎ－Ａｇ３Ｓｎ共晶
　　　　その他　　：Ｓｎ－Ｃｕ６Ｓｎ５共晶
　　　最終段階　３元Ｓｎ－Ａｇ３Ｓｎ－Ｃｕ６Ｓｎ５共晶
　　　相の割合と形態は合金で変化

　SACとIMC晶出
　　SACのIMC、たとえばAg3Sn、Cu6Sn5は初晶、共晶そして微量だが過飽和固溶体からの析出、及び電極材料（の溶解）の影響を
　受けてのはんだ／電極界面への堆積（晶出あるいは偏析）がありそれぞれ形態が異なる。