機械的衝撃と振動負荷でのＰｂフリーはんだの基板レベル信頼性
４ 結合負荷条件での信頼性
４．１ 熱機械的と機械的負荷の連続的結合
ＣＳＰ試験条件
ＰＷＢ：２μｍＮｉ（Ｐ）／０．０２μｍＡｕとＯＳＰ（０．２−０．５μｍ）、ＵＢＭ：電解Ｃｕ、
ボール：５００μｍφＳｎ０．２Ａｇ０．４Ｃｕ、はんだペースト：ＳＡＣ３８７
熱サイクル：−４５〜１２５℃、１５分保持、７５０ｃ
恒温アニール：１２５℃、５００ｈｓ
落下試験：
熱サイクルと恒温アニールの比較
はんだ上がりでの主要破壊モード
はんだ上がりの亀裂はどちらかの側の界面の反応層。
ＮｉＰ／ＡｕはＰＷＢ側のＮｉＰとはんだ界面の脆い反応層の亀裂、Ｃｕ／ＯＳＰは部品側のＣｕ６Ｓｎ５反応層経由。
熱サイクルでは基板側表面処理によらず破壊モードは同じになる。バルクはんだ経由の粒間亀裂。
落下試験前のアニールでも基板側表面処理によらず破壊モードは同じになる。
恒温アニールでは他より顕著な弱化。
亀裂はバルクはんだで核生成するがすぐにＣｕ３Ｓｎ層に入る。
恒温アニールで多数のボイドが形成されほとんど連続経路となり亀裂が伝播。
ボイドは部品側（電解Ｃｕ）だけ。
Ｘｕ 南洋理工大
ＦＰＢＧＡ ３２４ Ｉ／Ｏ
ＰＣＢ：無電解Ｎｉ／Ａｕ（詳細不明）、ＯＳＰ
ＴＣ（−４０〜１２５℃、１５分保持、１ｈｒ／ｃ）
ＴＳ（−５５〜１２５℃、５分保持、１７分／ｃ）
恒温：１２５℃、ＴＳ、ＴＣでは１２５℃の時間
ＴＣとＴＳがＩＭＣ成長促進、熱応力のせい。
（ａ）：初期
ＴＣ（−４０〜１２５℃、１５分保持、１ｈｒ／ｃ）では２０μｍ→１３μｍ→５〜８μｍと粒径減少、動的再結晶。
等温エージング（１２５℃）では粒成長。
はんだ接合破壊モード
典型的破壊モードはＴＣでは部品界面近くの最外側角とダイ角。
落下ではＩＭＣ脆性破壊。
ＯＳＰでは亀裂経路はすべてＣｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣ、位置は異なる、
Ｃｕ６Ｓｎ５界面近く、ＳＡＣ−Ｃｕ６Ｓｎ５界面近く、Ｃｕ６Ｓｎの中間など。
ＥＮＩＧではＩＭＣとＮｉ（Ｐ）層の界面。
Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイド
ＴＣが恒温エージングよりＫｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドが激しい。
Ｎｉ（Ｐ）ではＮｉ（Ｐ）層に水平なボイドのほかに垂直なボイドがある。
ＴＣで落下信頼性は許容できないほど劣化。
結論
恒温エージングではＥＮＩＧがＯＳＰより落下衝撃寿命が長い。
ＴＣエージングでＫｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドが成長しはんだ接合界面が弱化される。
Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドにより亀裂位置はＩＭＣ内部からＩＭＣ／Ｃｕ界面に変化。
ＮｉＡｕではＴＣエージングでＮｉ（Ｐ）に垂直と水平ボイドが発生。
亀裂は水平ボイドに沿ってＮｉ（Ｐ）／Ｃｕ界面を伝播。
（１３−８−３） 同時結合環境試験・・・高温での振動と落下試験
昇温による機械的衝撃でのはんだ相互接合の破壊モード（振動と落下）
はんだペーストＳＡＣ３８７、基板ＯＳＰ
落下試験は８２ｃｍ、ピーク値１５００Ｇ、パルス幅０．５ｍｓ。
振動試験は落下試験と同じひずみを与える振幅のＳＩＮ波。
＜落下と振動のひずみ＞
＜試験結果＞
高温ではひずみ速度効果が少なく、よくなるはずだが、
温度上昇でＰＷＢのひずみは増加。
・破壊モード
落下と振動の破壊モードは同じ。
部品側ＩＭＣ層亀裂とＣｕパッド下の樹脂コートＣｕの亀裂が確認される。
ＩＭＣ亀裂だけが電気的故障を起こす。
ＩＭＣ亀裂は
Ｃｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣ層
はんだとＣｕ６Ｓｎ５の界面
Ｃｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣ層付近のはんだ
の３つが認められ発生はＩＭＣ層の形態に大きく依存。
ＳＡＣ＋Ｂｉ、Ｎｉ 落下と温度
１） 落下信頼性は温度とともに減少。
２） Ｃｕ／ＯＳＰ PWBがＮｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢより良い。
３） 室温ではＳｎＡｇＣｕＮｉがＣｕ／ＯＳＰ ＰＷＢで最も良く、ＳｎＡｇＣｕはＮｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢで最も良い。
破壊モードは
ＳｎＡｇＣｕとＳｎＡｇＣｕＢｉの破壊モードは温度で相互接合界面亀裂からＣｕ配線亀裂へ変化。
ＳｎＡｇＣｕＮｉの破壊モードは温度、パッド材料に関わらずＣｕ配線亀裂。
はんだによる違いは
Ｃｕ／ＯＳＰ ＰＷＢ・・・ＳｎＡｇＣｕとＳｎＡｇＣｕＮｉが同等でＳｎＡｇＣｕＢｉより優れている。
Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢ・・ＳｎＡｇＣｕが最も信頼でき、ＳｎＡｇＣｕＢｉがこれに次ぎ、ＳｎＡｇＣｕＮｉが最も劣る。
昇温ではＰＷＢパッド電極によらずＳｎＡｇＣｕが最善でＳｎＡｇＣｕＮｉが最悪。
β値（ワイブル曲線の傾き）で破壊モードが分かれる
高β（３．８以上）・・・すべてパッド端のＣｕ配線亀裂
低β（１．９以上）・・・ＰＷＢ保護膜に依存
Ｃｕ／ＯＳＰ ＰＷＢアッセンブリ・・・ 部品側ＩＭＣ層、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５ ＩＭＣ層内を亀裂伝播。
＊部品側ＵＢＭは明記ないが両方とも他同様にＮｉ／Ａｕと思われる。
Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢアッセンブリ・・・ Ｎｉ（Ｐ）と（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の間の非常に狭い反応帯。
室温ではすべて低β、一方１１０℃ではすべて高β
高変形速度での温度の影響
高Ｓｎはんだはひずみ速度硬化を起こす。
その結果応力は界面付近のはんだ相互接合端に集中しＩＭＣ層の脆性破壊強度を超える。
昇温によるＰＷＢの曲げ増加とはんだ相互接合強度低下ではんだ相互接合の応力分布が変化。
このため部品側界面領域の引き剥がし応力が低下し、ＰＷＢＣｕ配線の塑性ひずみ増加。
◎機械的衝撃と振動負荷でのＰｂフリーはんだの基板レベル信頼性
４．２ 異なる温度での落下信頼性
４．２．１ 材料と方法
ＣＳＰ：ＳＡＣ４０５バンプ、ＵＢＭ：Ａｌ／Ｎｉ（Ｖ）／Ｃｕ、基板：Ｃｕ（ＯＳＰ）
ＣＳＰ−ＧＢＡ：ＳＡＣ３０５、再配線はＣｕだけ。
結果
ＷＬ−ＣＳＰとＣＳＰ−ＢＧＡで相反する結果、ＷＬ−ＣＳＰでは温度とともに破壊落下数上昇し、
ＣＳＰ−ＢＧＡでは低下。
最初の破壊モードはＷＬ−ＣＳＰでは部品側界面近くのはんだ相互接合部の亀裂。
亀裂伝播路は温度上昇で変化。
室温では部品側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５ＩＭＣ層、温度上昇で徐々にバルクはんだに変化。
ＣＳＰ−ＢＧＡの破壊モードは
部品側ＩＭＣ層の亀裂
Ｃｕはんだ付けパッド直下の樹脂被覆Ｃｕ層resin coated copperの亀裂
の２つだがＩＭＣ層亀裂だけが電気的破壊を起こす。
４．２．３ 議論
ＵＴＳのひずみ速度感受性の温度による変化
柔らかいはんだが落下には都合が良い。
落下試験でのＰＷＢの測定最大ひずみ
ＣＳＰ−ＢＧＡでは温度と共に増加、ＷＬ−ＣＳＰでは変化なし。
ＷＬ−ＣＳＰは極度に加熱が局在し剛性への影響は顕著ではない。
高温ではんだ強度が減少し、破壊モードがＩＭＣ層亀裂からバルクはんだ亀裂へ変化。
バルクはんだを経由しての亀裂伝播のエネルギーは脆いＩＭＣ層を経由してより高いので寿命が伸びた。
ＣＳＰ−ＢＧＡでははんだ強度とＰＷＢ剛性が減少（ひずみ増加）が顕著で状況は複雑。
解析によるとＰＷＢの曲げ増加効果がはんだ強度減少よりより顕著、はんだ強度とＰＷＢ剛性の同時減少で
部品側界面領域の引き剥がし強度が約１０％増加するので昇温での信頼性能減少する。
Ｑｉ
２７２ＰＢＧＡ（モトローラ）、パッケージ２７ｘ２７ｍｍ
詳細不明
結合試験の故障解析
はんだ接合solder jointの疲労亀裂
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