（８－４）　はんだ接合及びＢＧＡ・バンプの結晶粒組織　

（８－４－１）　結晶粒組織観察

　はんだにおいて結晶粒の観察によく利用されるのは交差偏光像であるが、交差偏光像ではコントラストと粒方位の関係は不明であり、
更に詳しい粒界性格の観察に利用されるようになったのが電子後方散乱回折EBSDを基礎とする結晶方位像解析装置（顕微鏡）ＯＩＭである。
　結晶方位図、特定の方位差の結晶粒図、特定の方位差の結晶粒界図、結晶方位差分布ヒストグラムなどがよく利用される。

Ｋｒａｕｓｅ　偏光像とＥＢＳＤによる

日本鋼管　寺島

　　傾角の違いによるマッピングでは境界の性格（粒界＞１５°＞亜粒界）がはっきりする。

Chen
　ＳＡＣ３０５、－。ボール：３ｍｍφ

　　Ｐｂフリーはんだ、特にＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はＳｎ－Ｐｂはんだと異なり高ＳｎであるためβＳｎの特性の影響を大きく受ける。
　　βＳｎは物理的、機械的性質の異方性の大きい金属である。しかもＢＧＡやＣＳＰなどのはんだボール、はんだバンプでは
　１、２個の結晶粒からなることもあり、結晶粒組織の研究が重要となっている。

Ｃｈｅｎ
　凝固組織の粒構造例

　（ａ）単一粒構造、（ｂ）ビーチボール構造、（ｃ）組み合わせ（織り交ぜ）interlaced構造例。
　複数の粒よりなる場合は通常〔１００〕軸周辺で約６０℃回転している（双晶）。

　組み合わせ構造の微小ヴィッカース硬度、微粒部分が硬い。

ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ計画　Ｐｈａｓｅ１　２００９

Ｕｎｉｖｅｓａｌ　Ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｓ

Ｃｏｙｌｅ

Ｂｉｅｌｅｒ　粒径と配向の影響　

　小さな試料では双晶が生じやすい。

　通常は種々の方向

Ａｒｆａｅｉ　粒数と配向の影響
　　寿命は粒数に強く依存し、単結晶では結晶の配向に依存する傾向がある。

（８－４－２）　組成と結晶粒構造

レンセラー大・ハートフォード校-無鉛はんだ　Pierce　２０１０
Ａｇ、Ｃｕの影響
　　　Ｃｕ無添加だと微細多結晶、Ｃｕ添加で単結晶ないし３結晶（共通〔１００〕軸周りの６０°
　　の結晶方位差）、Ａｇ無添加で６０°からずれ、色々な他の結晶方位差をとるようになる。
　　　Ｓｎ－１ＡｇとＳＡＣ３０５で結晶方位差分布は似ているが微細構造は全く異なる。
　　　Ｓｎ－１Ａｇは微小粒寸法のため低角粒界がほとんどないが、ＳＡＣ３０５では大きな粒に
　　多くの低角粒界が存在。
　　　６０°の結晶方位差の選好性は双晶凝固を示唆する。

Roggeman　ＵＩＣ　２００９
　ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ１０５、ＳＣＮ：Ｓｎ－０．７Ｃｕ－０．０５Ｎｉ／Ｇｅ
　基板ＯＳＰ、パッケージＥＮＩＧ

　ＳＣＮ／ＳＣＮ、ＳＡＣ３０５／ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ１０５／ＳＡＣ３０５（ボール／ペースト）アセンブリ

　ＳＡＣ３０５、１０５は大きな２，３の粒、ＳＣＮは不規則な粒界の６、７個の粒

Ｌｉｎｄｌｅｙ

　不均一核生成サイトとして析出粒子が作用する。

Ｌｉｕ

　Ｔｉ添加で粒数少なくなる、Ｍｎは影響小さい。

ＩＢＭ　Ｓｅｏ　

Ｓｏｕｓａ

　Ｃｕとの接合、０．６３５ｍｍ球

Mueller

　組成効果
　Ｃｕが多いと大きな粒が形成される。

　高傾角の非常に対称的配向を示す。
　　
　

　大きな粒は微細構造で鏡面対称となっており双晶であると考えられる。

Ｌｅｈｍａｎ粒成長

　ＳＡＣでのＳｎ粒径はＡｇ、Ｃｕの影響を受ける。

　Ｃｕの影響例

　Ａｇ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５の数と大きさははんだの機械的応答に影響
　２種類のオーダーの異なる析出物
　ｍｍと数μｍの析出物

　大きなはんだボールにはわずかなＳｎ粒、これらは高度に配向。（双晶）

　小さなＣＳＰやＦＣでは組み合ったＳｎ粒構造がよく生じる。
　過冷却度とボール径が逆比例、小さいＣＳＰ、ＦＣが過冷却しやすい。

　基板ないしは部品側近くで組み合ったＳｎ粒構造が生じる。

熱サイクルの影響

　通常、部品／はんだ界面に弓状に亀裂発生。
　基板位置が影響、中立点からの距離ＤＮＰとともに荷重増加。

　亀裂は粒界から発生。亀裂はボールの角からは発生していない。

Ｔｅｌａｎｇ

Ｂａｒｂｉｎｉ
　ＬＧＡ（ランドland・グリッド・アレー）とＢＧＡ、
　径０．２５４、０．３０、０．４０

　ＳＡＣ３０５、－４０～１２５℃

　ＳＡＣ３０５の各種接合部での粒形態
　ランド・グリッド・アレイＬＧＡ

　ＢＧＡ

　０．４ｍｍボールでは１粒またはビーチ・ボール
　０．２５４ｍｍは組み合わせinterlaced双晶
　０．３ｍｍは多くは１粒またはビーチ・ボールだが組み合わせinterlaced双晶を含む場合もある。

ボール径（ｍｍ）	ピッチ（ｍｍ）	温度サイクル（℃）	１％故障	６３．２％故障	β	フィット（ｒ^２）
０．２５４	１．０	０／１００	１３１６	３９０８	４．２２８	０．９３７
	１．４		３９６	１５１６	３．２３１	０．９０２
	２．２		８２	４４６	２．７６０	０．９５７
０．３０	１．０		３２０	６３８４	１．５３８	０．９５１
	１．４		２５０	６９９	３．７２５	０．９１６
	２．２		７３	３０３	３．２５２	０．８８６
０．４	１．０		６９０	４２１１	２．５４３	０．９７０
	１．４		４１０１（？）	１２９１	４．０１５	０．８３８
	２．２		１５１	６５３	３．１５０	０．８９６
０．２５４	１．０	－２０／１００	８８０	４３８６	２．９６５	０．９４２
	１．４		４６８	１５００	３．９５１	０．９８３
	２．２		５９	３８０	２．４７４	０．９７９
０．３０	１．０		２８４	５５４９	１．５４９	０．８２０
	１．４		１４４	５２６	３．５５６	０．８６９
	２．２		３２	２５４	２．２３５	０．９４９
０．４	１．０		７１１	４２４４	２．５７６	０．９７２
	１．４		３８１	１２７０	３．８２２	０．９８１
	２．２		１３１	６５６	２．８６０	０．９４０
０．２５４	１．０	－４０／１２５	３３９	１９１７	２．６５９	０．８３４
	１．４		１４４	８１５	２．６６０	０．９７６
	２．２		２８	２０１	２．３５９	０．９６０
０．３０	１．０		１７３	２２１４	１．８０５	０．９７９
	１．４		１１０	３９４	３．６０４	０．９１８
	２．２		４７	１７２	３．５７３	０．９２９
０．４	１．０		７３２	２７０９	３．５１７	０．９３３
	１．４		２１６	８６２	３．３２５	０．９０１
	２．２		５４	３２２	２．５８８	０．９７９

結果のワイブル分析

　ＤＮＰ：はんだ接合の中立点からの距離

Park

Ｓｅｏ

ＩＢＭ

　日本鋼管　寺島
　結晶方位図と逆極点図、結晶粒図

　初期は２個の大きな粒と数個の小さな粒、これらは５０μｍ以上の亜結晶粒からなる。

　２個の大きな粒と数個の小さな粒、これらは５０μｍ以上の亜結晶粒からなる。？
　（ほとんど単結晶に見える）

　アニールで＜１１０＞方向に近い粒が優先成長。

Ｂａｒｂｉｎｉ
　ＬＧＡ（ランドland・グリッド・アレー）とＢＧＡ、
　径０．２５４、０．３０、０．４０

　ＳＡＣ３０５、－４０～１２５℃

　ＳＡＣ３０５の各種接合部での粒形態
　ランド・グリッド・アレイＬＧＡ

　ＢＧＡ

ボール径（ｍｍ）	ピッチ（ｍｍ）	温度サイクル（℃）	１％故障	６３．２％故障	β	フィット（ｒ^２）
０．２５４	１．０	０／１００	１３１６	３９０８	４．２２８	０．９３７
	１．４		３９６	１５１６	３．２３１	０．９０２
	２．２		８２	４４６	２．７６０	０．９５７
０．３０	１．０		３２０	６３８４	１．５３８	０．９５１
	１．４		２５０	６９９	３．７２５	０．９１６
	２．２		７３	３０３	３．２５２	０．８８６
０．４	１．０		６９０	４２１１	２．５４３	０．９７０
	１．４		４１０１（？）	１２９１	４．０１５	０．８３８
	２．２		１５１	６５３	３．１５０	０．８９６
０．２５４	１．０	－２０／１００	８８０	４３８６	２．９６５	０．９４２
	１．４		４６８	１５００	３．９５１	０．９８３
	２．２		５９	３８０	２．４７４	０．９７９
０．３０	１．０		２８４	５５４９	１．５４９	０．８２０
	１．４		１４４	５２６	３．５５６	０．８６９
	２．２		３２	２５４	２．２３５	０．９４９
０．４	１．０		７１１	４２４４	２．５７６	０．９７２
	１．４		３８１	１２７０	３．８２２	０．９８１
	２．２		１３１	６５６	２．８６０	０．９４０
０．２５４	１．０	－４０／１２５	３３９	１９１７	２．６５９	０．８３４
	１．４		１４４	８１５	２．６６０	０．９７６
	２．２		２８	２０１	２．３５９	０．９６０
０．３０	１．０		１７３	２２１４	１．８０５	０．９７９
	１．４		１１０	３９４	３．６０４	０．９１８
	２．２		４７	１７２	３．５７３	０．９２９
０．４	１．０		７３２	２７０９	３．５１７	０．９３３
	１．４		２１６	８６２	３．３２５	０．９０１
	２．２		５４	３２２	２．５８８	０．９７９