以上は主にブラック・パッドが生じたアセンブリについての解析結果であるが、以下にめっき工程からの
ブラック・パッドの原因を調査した諸報告を見てみる。
ＩＴＲＩ報告
種々の因子について検討しているがブラックパッドは再現せずはっきりした関係は不明。
検討された因子
Round1
実験条件
Ｐ量：低（６−７％）、中（７−９％）、高（８−１０％）
ＮｉとＡｕ浴：０ＭＴＯ、５ＭＴＯ
Ｎｉ厚み：１．９μｍ、５．１μｍ
Ａｕ厚み：０．０５〜０．０８μｍ、０．１０〜０．１７μｍ
接合強度試験では非常に悪いものから良いものまであったがブラック・パッドは発見されなかった。
検討された因子
実験条件
Ｎｉ厚み：１．９μｍ、３．８μｍ、５．７μｍ
Ａｕ厚み：０．０５μｍ、０．１０μｍ、０．１５μｍ
Ｎｉ速度：０．８、１．０（基準）、１．２
Ａｕ速度：０．８、１．０（基準）、１．２
ブラック・パッドは発見されなかった。
Ｖｅｎｉｎｇａ
Atotech
ＥＮＩＧ表面処理のＮｉ層のＰ濃度がブラックパッドの根本的原因か？
めっき反応（ＮｉとＰの共析）
Ｐ量と無電解Ｎｉの特性
浸漬Ａｕめっき反応
Ａｕ置換反応によるＡｕ下の非常に薄いＰ富化層形成
ブラックパッドの出現したＰＣＢの外観
症状
Ｎｉの過剰腐食で（はんだ付け前でも）表面に暗い帯形成。
置換ＡｕのＮｉへの貧弱な固着。
影響領域には厚い置換Ａｕ（＞０．１２μｍ）が認められる。
Ａｕのシアン剥離でパッドに重い泥亀裂mud crackが見える。
欠陥はんだ接合はＮｉの濡れはじき領域を呈する。
欠陥領域は黒い汚れのような色で黒くみえる。
表面のＰ富化が認められが、これはＮｉとＡｕの重い交換反応の副作用で濡れはじきの根本原因ではない。
予知できない低水準の欠陥。
ブラックパッドは通常のＮｉへのＡｕ置換の制御された反応が制御されていないので超腐食としても知られている。
試験条件
１２．０％Ｐの高Ｐ ＥＮＩＧのＩＭＣ調査
高速せん断試験結果
耐ＳＯ２ガス腐食試験結果
結論
Ｎｉ層のＰ量が１０ｗｔ％ではＥＮＩＧ層は腐食しやすいかという問題に対する答えは否。
１０％Ｐを含有するＮｉはＮｉ腐食杭（スパイク）を示さず、化学的にはより活性的でなく、
非常に耐腐食性があり良好なはんだ接合をもたらす。
高Ｐ量が過腐食を引き起こすかという問題に対する答えも否。
ＮｉとＡｕの交換反応は高Ｐでは低く、高Ｐ ＥＮＩＧはより反応性が小さく、超腐食あるいは
ブラックパッドに耐性がある。
Ｎｉ層の高Ｐ量ははんだ接合一体性を劣化させるか。
高速度せん断試験によれば中Ｐ ＥＮＩＧとせん断強度では同等で全エネルギーでは高い。
市場では高Ｐ ＥＮＩＧの能力が過小評価されている。
高Ｐ ＥＮＩＧはブラックパッドへの高耐性にほかにＡｕ量が減少するという利益がある。
Ａｕが薄いことは高孔性を予想させるが高Ｐ Ｎｉ層はＮｉ粒界を示さず、Ａｕ浴で攻撃されにくく、
Ａｕは薄くても緻密である。
孔はＡｕ厚みだけで決まるのではなく、下のＮｉの性質と品質およびＡｕ堆積法も関係する。
Ｊｏｈａｌ
最終表面処理として無電解Ｎｉ／浸漬Ａｕを使用するＰＷＢのブラックパッド欠陥の原因機構研究
・ブラックパッド欠陥観察の要約
光の反射とはんだ付けの熱工程による金属表面酸化でパッドは黒あるいは暗い灰色で出現。
ＳＥＭではシアン剥離で無電解Ｎｉ表面は泥亀裂トポグラフィを呈する。
ＥＮＩＧでの最上層の強化層をもつスルーホールあるいは表面実装パッドの断面は虫歯効果、Ｃｕまで浸透する
無電解Ｎｉ層の深い腐食を呈する。
これはＡｕよごれと無電解Ｎｉ層破壊を防ぐためのＥＮＩＧ上へのＮｉ保護層電解によって最も良く調べられる。
浸漬Ａｕのシアン剥離と表面検査によって明るい領域と暗い領域が現れる。
暗い領域は腐食あるいは不均一無電解Ｎｉ表面形態を示す。
制御されない浸漬Ａｕ置換は堆積した無電解Ｎｉ上に不都合な構造となりＡｕ層のはがれ、ふくれををもたらす。
浸漬Ａｕ堆積前の汚染あるいはＮｉ表面酸化と混同するな。
加速堆積（めっき）による無電解Ｎｉめっき上の浸漬Ａｕはがれあるいはふくれ
・諸研究で示されたブラックパッドを促進あるいは抑制する多くの因子の要約
１． 最小無電解Ｎｉ厚み４μｍが推奨される。薄い厚みはより塊状な表面形態をもたらし、高浸漬Ａｕ浸透を起こす。
より塊状な２．５μｍ以下の低Ｎｉ厚みと正常な厚み５．０μｍ
２． 無電解Ｎｉの堆積速度は実質的に堆積Ｎｉの化学的と物理的性質の両方を変えることができる。
これは内部応力、機械的および電気的特性とより重要なのは共析Ｐ量を含む。
一般則として速度が速いとＰ量が低い。それゆえ盛業され一貫した無電解Ｎｉ堆積速度が必要である。
３． 無電解ＮｉのＰ量は多く研究され、７−１１ｗｔ％が４−６ｗｔ％より良いという人もいる。
４． 浸漬Ａｕ厚みがはっきりとブラックパッド欠陥と強い結びつきを示す。業界は０．０５〜０．１３μｍを推奨。
０．１５〜０．２３μｍの厚い浸漬Ａｕは無電界Ｎｉ層を高度に侵食する。
厚いＡｕの影響は無電解Ｎｉの厚みが３．０μｍ以下だと拡大される。
回路基板の設計によるもたらされるブラックパッドにいたる可能な機構をこの研究が調査
実験は
１． Ａｕ浴での電気的結合したＣｕとＮｉのガルヴァニック効果でひきおこされるＡｕ浸漬の加速堆積
露出Ｃｕ領域とＮｉ領域の比が８：１を超えると暗い無電解Ｎｉ表面となる。
Ｃｕに対するＮｉ表面領域が増加するとＮｉ表面暗化は認められない。
２． 電気的に結合された異なる品質の無電解Ｎｉの効果
影響なし。
３． 浸漬Ａｕ浴に使用される複雑な試薬の効果。
堆積速度に影響。
結論
Ｃｕ／Ｎｉ間ガルヴァニック・セルが存在し得、加速浸漬Ａｕ堆積で強いＮｉ腐食とブラックパッド欠陥をもたらす。
Ｒｏｅｐｓｃｈ Ｃｈａｍｐａｉｇｎ
ブラックパッド欠陥
無電解Ｎｉ／浸漬Ａｕめっきから生じうる。
浸漬Ａｕめっき浴での超腐食的活性。
Ｐ富化層を生じる。
欠陥をもつ表面の外観から名が生じた。
最終製品では破壊的にのみ同定される。
Ａｕ層エッチングで調べられる。
ブラックパッドの同定
泥亀裂外観
異常に厚いＰ富化層
ある程度のＰ富化層は正常はんだ接合でも期待される。
Ｎｉ粒に沿っての腐食杭（spike）
腐食杭は応力集中点として働き、ＩＭＣに亀裂を引き起こす得る。
異なる水準の欠陥の厳しさが同定される
はんだ接合信頼性へ反しない効果からＮｉ表面の不濡れと、あるいは早期接合欠陥までの
（＊この実験で特有なのはＮｉ（Ｐ）めっきを浸透し下地Ｃｕに達する厳しい腐食杭によるＣｕ−Ｓｎ ＩＭＣ形成の同定。
このような不良は恐らく日本ではほとんど起こりえず、めっきい工程に対する基本的あり方の問題のような気がする。）
ＥＮＩＧめっきの利点
微細配線に理想的
平らで高度に均一
多回はんだサイクルで生き残る可能性
腐食耐性
長シェルフ寿命
導電性
ワイヤボンド可能表面
欠点
ブラックパッド欠陥
予測できない欠陥発生
製造工程制御困難
潜在界面破壊不良
不良部品の不良解析結果
破壊時にＣＣＡに残ったはんだボールの最上。
破壊面は平らな外観。
表面から見たはんだの窪み領域
腐食杭経由のはんだとＣｕパッド間に経路が存在。
泥亀裂を取り囲む暗い領域は高Ｐ領域を示す。 腐食杭はＰ富化層下のＮｉへ伸びる。
不良部品の要約
・不良表面は平らな外観。はんだ不濡れ同様脆性破壊の証拠。
・無電解Ｎｉ／浸漬Ａｕめっき表面処理。
・不良部品に激しいブラックパッド検出。
表面の泥亀裂外観。
Ｐ富化層。
Ｎｉ層を突き通して下地Ｃｕまでの腐食杭。
Ｎｉ層上のＣｕ／Ｓｎ ＩＭＣ検出。
・多くのＢＧＡパッド表面はＮｉ（Ｐ）への不濡れを呈する。
・ＩＭＣは脆く、機械的衝撃に耐え得れない。
・Ｎｉ／Ｓｎ ＩＭＣ下のＮｉ層の腐食亀裂は応力集中点として働きＩＭＣ破壊あるいは亀裂可能性を増加させる。
不良ＰＷＢの付着部品例
部品側のパッドとボール界面の像
付着部品の要約
・ブラックパッド欠陥が存在。
・Ｃｕ／Ｓｎ ＩＭＣが不良部品にも同様に存在。
・界面のＮｉめっきとＣｕ／Ｓｎ ＩＭＣ間に激しい亀裂存在。
・Ｃｕ／Ｓｎ ＩＭＣがはんだボールから部品パッドに食い込む。
・はんだボールがパッドに付着するＣｕ／Ｓｎ ＩＭＣで発生する微小亀裂存在。
ＰＷＢ不良
ＰＷＢ不良履歴
・めっきスルーホールＰＴＨでのはんだ不濡れにより部品実装基板が不良解析室に届く。
・数度のリワーク後でも依然としてはんだは濡れない。
・ＰＴＨの光学検査で黒い表面存在が示される。
・ＳＥＭで泥亀裂表面を示す。
・ＥＤＳ分析で暗い領域での高Ｐ量を示す。
信頼性問題
・ブラックパッド欠陥は多くの場合破壊検査でのみ検出される。
・潜在不良を起こす。
・腐食杭はもろいＩＭＣへ応力を集中し得、早期不良を引き起こす。
・激しい場合、部品からＰＷＢに届くＣｕ／Ｓｎ ＩＭＣを形成し得る。
弱いあるいは周辺の接合は潜在不良時期まで気がつかないで居得る。
・ブラックパッド欠陥に利用できるスクリーニング試験がない。
・欠陥の発生は無秩序で予測できない。ロットに特別ではない。
・置換Ａｕ浴で起き、欠陥を起こす特別なパラメータは今の時点で知られない。
・幾何学的密度に関係すると信じられている。配線寸法減少でより起き易いだろう。
ブラックパッド欠陥発生に影響する因子
議論される問題点
パッド幾何（形状）
Ｃｕ表面粗さ
はんだマスクの影響
Ｐ量
応力
Ｎｉ粒構造
結果
銅表面粗さ
・欠陥はＮｉめっきの窪んだ領域により起こり易い。
・窪んだ領域はＣｕ表面トポログラフィ（形状）に伴うＮｉめっきの結果。
・ＢＧＡ部品のめっきで容易に観察される。
・ＰＷＢめっき試料は類似の異常をもつが多くはない。
微細配線（〜２５μｍ）により窪み領域のよどみ帯stagnant zoneがあり得る。
よどみ帯は電荷均衡の維持による腐食の結果。
はんだマスクの影響
・欠陥ははんだマスクがある領域に多い。
・めっき浴汚染によってはんだマスクはブラックパッド発生し得る。
・硬化不十分なundercuredはんだマスクが汚染を出しうる。
はんだとＮｉめっき近くのはんだマスクの後方散乱電子ＳＥＭ像。
ブラックパッドはこれら端に起きている。
Ｐ量
・文献では低Ｐ量で欠陥発生が増加しがちである。
・文献ではブラックパッド欠陥を避けるために中範囲Ｐめっきを推奨。
７−１１ｗｔ％Ｐ
６−８．５ｗｔ％Ｐ
・この研究のデータではＰ量は低ければ欠陥はより起き難い。
ＮｉめっきのＰがより多ければＰ富化層をより形成し易い。
５−６ｗｔ％程度が発生なし、６．５−８．５ｗｔ％程度で発生。
パッド形状
・形状が欠陥発生で役割を演ずる。
・欠陥はパッド中心に対しパッドの角、端でより頻繁かつ激しく起きるのが認められる。
・多くの場合、欠陥は端から始まりこれを起源に拡大する。
・角での応力増大が欠陥所在位置として寄与すると疑われる。
応力
・応力がある領域に集中することによりある形状の配線がより影響することがありそう。
・表面粗さが固有応力に影響しそう。
・粗い表面堆積は一般的に高応力と関係する高内部欠陥と関係する。
・Ｐ量もまた弾性係数、ＣＴＥと堆積Ｎｉ膜の固有応力に影響すると報告されている
・１０．５ｗｔ％ＰでＮｉめっきは応力がない。
・Ｐ＜１０．５ｗｔ％で引っ張り応力で、Ｐ＞１０．５ｗｔ％で圧縮応力。
・全応力は累積的。
・基材の特性により応力は変化。
・ＥＮめっきが堆積する基材（例：ＰＷＢ）は一般的に高ＣＴＥ。
・冷却でＣＴＥ差によりＥＮは圧縮応力状態にされる。
・ＰＷＢのＥＮは低Ｐ量で無応力となる傾向がある。
基材の圧縮応力が低Ｐ量でのめっきの引っ張り応力を相殺する。
・内部応力に影響する因子は他の因子同様に形状、Ｐ量、基材を含む。
・累積効果考慮の必要性。
・応力に影響する種々の因子の累積効果により文献の矛盾が説明し得る。
文献では低Ｐ量が欠陥を形成し易いと述べているがこれは本実験と相反する。
Ｎｉ粒構造
断面でパッドの端と中央で粒構造に違いが観察される。
表面近く（Ａｕ直下）の粒が広がっている。
引っ張り応力状態に見える。
データによって応力が欠陥発生に影響することが支持される。
Ｎｉ粒が角で引き離されているのが示されている。
１０．５ｗｔ％以下ＥＮめっきは固有引っ張り応力状態。
粒解析によれば端で引っ張り応力がより厳しく、ブラックパッド発生を促進する。
パッドの角あるいは端の粒はパッドの中央平坦部より顕著に大きい。
粒構造とブラックパッド間の関係は依然調査中。
要約・結論
ＢＧＡ不良
・Ｎｉへのはんだの濡れ不足がほとんどあるいは全くＮｉ／Ｓｎ ＩＭＣ形成がないことで証明される。
（＊Ｃｕ含有はんだではＮｉ／Ｓｎ ＩＭＣが形成されるとは限らない。）
Ｎｉ（Ｐ）めっきでの激しい腐食杭がＣｕ／Ｓｎ ＩＭＣ形成を可能とするはんだのＣｕパッドとの接触を起こす経路を
作り出す。
・Ｃｕ／Ｓｎ ＩＭＣがはんだボールから部品パッドに据えられる。
・機械的不良の前にブラックパッド欠陥の兆候はない。
・激しいブラックパッドの場合、社内で検出されなくても潜在不良が切迫している。
ＰＷＢ不良
・ＰＷＢはＰＴＨではんだ濡れ不足。
・基板前処理ははんだ付け性に顕著な差をもたらさない。
・ブラックパッド欠陥はＰＴＨで最も激しい。
ＥＮＩＧめっきの信頼性
・ＥＮＩＧめっきはブラックパッド欠陥を有し得る。
・欠陥は製品出荷前に検出され得ない。
・潜在不良の危険性状態にある。
影響因子
・ブラックパッドといくつかの因子の間の関係が分かった。
表面粗さ、はんだマスク、Ｐ量、形状、応力、粒構造
・パッド端がパッドの他よりより激しいブラックパッドを有する。
・はんだマスクからの汚染が欠陥形成に影響する。
・不規則表面配線が欠陥を形成しやすい。
・Ｐ量データによれば低Ｐが欠陥を形成しにくい。（＊上述のようにこれと反対の見解は多い）
・欠陥形成が応力で影響されることが研究により示唆される。
＊観察結果から推定しているだけであって、実験により因果関係で証明されている訳ではないようだ。
| 戻 る | 目 次 | 次 へ |