（１１−８）　はんだ接合界面に見られるいくつかの特異現象

（１１−８−１）　概観

　Ｐｂフリーはんだ接合界面について種々の現象、問題が指摘されているが多くは長時間リフローや過度な複数回リフローなど
実際的でない条件が多い。
　以下主な例を挙げる。

　�@　Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイド生成
　　　　Ｃｕ３ＳｎではＣｕがＳｎより移動しやすく、Ｃｕ６Ｓｎ５の下へのＣｕ３Ｓｎ成長に伴いＫｉｒｋｅｎｄａｌｌ　ボイドが生成し、
　　界面脆性破壊による信頼性問題を引き起こすとされる。
　　　　無電解Ｎｉ（Ｐ）でもはんだとの反応に伴うＰ濃縮層（Ｎｉ３Ｐ）の成長に伴い発生するとされる。
　　　　ただしＫｉｒｋｅｎｎｄａｌｌボイド生成については議論がある。（発生の有無、生成原因、影響等）

　�A　界面からのＩＭＣの大規模剥離
　　　　ＩＭＣ剥離は溶融はんだ中で長いリフローにより電極との間に形成されたＩＭＣが基材（パッド）から遊離すること。
　　　　反応相の１成分の枯渇に伴うＩＭＣ種の変化により過渡的に２層ＩＭＣ構造となりＩＭＣ層間で大規模剥離が発生するとされる。
　　　　　　例：Ｎｉ電極ではんだ中Ｃｕ量の減少により（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の下から（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が成長し２層構造となり、
　　　　　　　（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が剥離。
　　　　応力や下地との濡れ（接合力）が原因ともされる。

　�B　Ｃｕ基体とＮｉ基体の交差反応
　　　　Ｃｕ基体とＮｉ基体の相互接合では、はんだ中に溶解したＣｕはＮｉに引き寄せられＮｉ基体界面で（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を形成、
　　　またはんだ中に溶解したＮｉはＣｕ基体界面に移動しＣｕ６Ｓｎ５に固溶。

　�C　ＡｕＳｎ４再堆積
　　　　　再堆積redepositionとは電極（パッド）から溶解しはんだバルク中に分散した成分がエージングで電極付近に
　　　　層状のIMCとして偏析していく現象。Ni/AuのAu（ＡｕＳｎ４）で見られ、Niとの親和力によるとされる。

　　以上はこの後詳しく述べる、以下についてはすでに述べたが再述する。

　�D　接合界面のＣｕ６Ｓｎ５の帆立貝殻scallop状という特殊な形状の影響
　　　　　ＩＭＣ間の隙間が拡散チャンネルとなる。
　　　　　帆立貝殻scallop状の根元で亀裂発生しやすい。
　　　　　Ｎｉ、Ｃｏ添加で緻密な組織となる。
野北


　�E　Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態の影響
　　　　　高温安定相の六方晶ηＣｕ６Ｓｎ５（密度８．４４８）から低温安定相の単斜相η’Ｃｕ６Ｓｎ５（８．２７０）への１８６℃での相変態で
　　　　２．１５％の体積上昇し、亀裂発生。
　　　　　通常は高温相が凍結されているがエージング等で変態。
　　　　　Ｎｉ（野北）、Ｃｏ（東芝）は相変態に影響。


　�F　はんだとＮｉ基体の反応へのＣｕの影響
　　　　　ＮｉとＳｎの反応で形成されるのはＮｉ３Ｓｎ４だが、はんだ中のＣｕ量により（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４、（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４と（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の２層、
　　　　（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５単独と変化する。
　　　　　しかし２層構造は実際のリフロー条件ではあまり生じるように見えず、多くは長時間リフロー、多数回リフローとかなり非現実的
　　　　条件か、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５単独形成状態からのエージングによるものである。

　�G　電解Ｎｉでの界面反応へのＣｕの影響
　　　　　Ｃｕを含有しないはんだでは界面は
　　　　　　　はんだ｜Ｎｉ３Ｓｎ４｜Ｎｉ
　　　　となるが、Ｃｕを含有すると
　　　　　　　はんだ｜（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５｜Ｎｉ　　　
　　　　となる。
　　　　　この場合、エージングで（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とＮｉの間に（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が成長。
　　　　　　　はんだ｜（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５｜（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４｜Ｎｉ

　�H　無電解Ｎｉ（Ｐ）でのＮｉ３Ｐ形成
　　　　　ＳｎとＮｉ（Ｐ）の反応ではＮｉ（Ｐ）にＰの濃化が生じ、Ｐリッチ相が生じる。
　　　　　Ｎｉ３Ｐ（Ｐリッチ層）の構造は複雑であるが以下では単純化してある。
　　　　　Ｃｕを含有しないはんだでは界面は
　　　　　　　はんだ｜Ｎｉ３Ｓｎ４｜Ｎｉ３Ｐ｜Ｎｉ（Ｐ）
　　　　となるが、Ｃｕを含有すると（Ｃｕ＞０．６％）
　　　　　　　はんだ｜（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５｜Ｎｉ３Ｐ｜Ｎｉ（Ｐ）
　　　　となり、Ｃｕを含有すると（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の形成でエージングでのＮｉ３Ｐ（Ｐリッチ層）成長が抑制される。

　�I　スパッタＮｉ（Ｖ）でのＮｉ３Ｓｎ４抑制（ishikawa ）
　　　　　Ｃｕ含有はんだ｜（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５｜ＮｉＶで複数回リフローではＮｉ３Ｓｎ４は形成されず（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５｜Ｎｉ−Ｓｎ−Ｖ｜ＮｉＶとなる。


　�J　スパッタＮｉ（Ｖ）でのＳｎパッチ生成（精華大）
　　　　　Ｃｕ６Ｓｎ５｜Ｎｉ（Ｖ）でＣｕ６Ｓｎ５の粒界付近の拡散の速い場所のＮｉ（Ｖ）にＳｎリッチ相（Ｎｉ−Ｓｎ−Ｖ））を形成しエージングで徐々に拡大。
　　　　　Ｃｕ６Ｓｎ５とＳｎリッチ相の間には（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４生成。

　リフロー後

　２００℃、１０００ｈ

ＫＡＩＳＴ



＊補遺
　ＮｉＶは局部的反応を起こしやすい？

Ｋｉｍ
　Ｎｉ（Ｖ）が局部的に溶解し（Ｎｉ固溶のＡｕ−Ｓｎ　ＩＭＣ形成？）、Ａｌがはんだ（Ａｕ−Ｓｎ　ＩＭＣ？）に露出し、Ａｕ−Ａｌを形成。


精華大　Ｓｎパッチ

　エージングでＣｕ６Ｓｎ５の粒界付近のＮｉ（Ｖ）層にＳｎリッチ相形成。Ｓｎの増加でＶ２Ｓｎが形成されＳｎパッチとなる。

　�K　Ｓｎ−ＺｎはんだとＣｕ、Ｎｉ／Ａｕとの反応
　　　　　Ｓｎ−ＺｎはんだとＮｉ／ＡｕではまずＡｕ−Ｚｎ　ＩＭＣが形成されるが、Ａｕの量によりＡｕ−Ｚｎ　ＩＭＣははんだ中に遊離していき、
　　　　界面にはＮｉ−Ｚｎ　ＩＭＣが形成される。
　　　　　Ｓｎ−ＺｎはんだとＣｕではＣｕ−Ｚｎ　ＩＭＣが形成される。
菅沼の概観　

Ｋｉｍ


　�L　合金基材（電極）との反応
　　　　　４２アロイでは（Ｆｅ，Ｎｉ）Ｓｎ２の２層構造で基材側は均一ではんだ側凸凹している。反応は遅い。
　　　　　黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ）ではＣｕ６Ｓｎ５。その他銅合金もＣｕ６Ｓｎ５。
Ｈｗａｎｇ　阪大　


Ｋｉｍ



Ｚｅｎｇ　概観
（１）　Ｎｉ（Ｐ）と共晶ＳＡＣの反応　Ｎｉ３Ｐの形成
　ＳｎＰｂではＮｉ３Ｓｎ４｜Ｎｉ３Ｐとなるが、ＳＡＣでは（Ｃｕ，Ｎ）６Ｓｎ５｜ＮｉＳｎＰ｜Ｎｉ３Ｐとなり、ボイドも生成。



（２）　薄膜Ｃｕ／Ｎｉ（Ｖ）／Ａｌ　ＵＢＭの溶融共晶ＳＡＣによる溶解

　ＳｎＰｂでは薄膜Ｃｕ／Ｎｉ（Ｖ）／Ａｌ　ＵＢＭは安定


　ＳＡＣの場合
　　多数回リフローでは界面ＩＭＣは長く伸びる。




　　リフロー回数とともにＮｉ（Ｖ）層にＳｎ、Ｖ、Ａｌを含む白いパッチが生じる。
　　更なるリフローで白いパッチはＮｉ（Ｖ）層を食って広がり、最終的にＩＭＣとＡｌの間はＳｎとなる。


　　エージングでも同様の結果




　ＳＡＣはＣｕの溶解度が高いため、Ｃｕ６Ｓｎ５が溶解し、Ｎｉ（Ｖ）が溶融はんだに露出する。

（４）　Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｕでのはんだ接合におけるＡｕＳｎ４再配分（再堆積）

　はんだ（Ｐｂ）によるＮｉ３Ｓｎ４へのＡｕＳｎ４の濡れやすさから説明。
　＊ＳｎＡｇでも認められているのでこの説は受け入れられない。

（４）　基板側金属化がはんだ接合を横断してチップ側ＩＭＣ剥離を引き起こす。
　　　＜下記＞　Ni電極へのAuの影響、ＡｕがＮｉ溶解を促進

（５）　エレクトロマイグレーション　（省略）
（６）　ウィスカ成長　（省略）

Zeng　プレゼン　　

（１）　Ｃｕ３Ｓｎの形成とボイド生成


（２）　SnPbでのＮｉ基体へのAuの影響、エージングによる（Ａｕ，Ｎｉ）Ｓｎ４の再堆積（Ｎｉ３Ｓｎ４上に層状に偏析）。


（３）　対向Cu電極からのCu溶解の影響、Ｎｉ上への（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５形成



　以下２つは詳しい論文みあたらない。詳細不明。

（４）　Ni電極へのAuの影響、ＡｕがＮｉ溶解を促進

　Ａｕが存在するとＣｕ６Ｓｎ５が球状となり、Ｎｉがはんだへ露出する。

　

　＊この写真では下地が同じでない（CrとTi）ので断定はできないと思われる、下地の状態（酸化など）の問題も考えられる。

（５）　Ni電極への対向Cu電極の影響、

　Ｎｉ上に形成されたＣｕ５Ｓｎ５が長時間エージングで成長し多量のＮｉを固溶し、Ｎｉ基体劣化。


　＊なぜポーラスになるのか、Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドのせいあるいは（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５の特異な形態によるものか（粒界が反応しやすい）？

Ｈｏ　界面反応問題
　Ｓｎ基はんだとＣｕとの反応でのＮｉの効果
　　Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイド形成
　　　 Ｓｎ−Ｚｎはんだ以外では５０℃以上の反応でＣｕ６Ｓｎ５とＣｕ３Ｓｎが形成され、Ｃｕ／Ｃｕ３Ｓｎ界面とＣｕ３Ｓｎ内部にボイド形成。

　　はんだへのＮｉ添加
　　　　Ｃｕ３Ｓｎの抑制、Ｃｕ６Ｓｎ５が厚くなりＮｉがＣｕを置換し（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５形成、
　　２層で上は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５粒子の集合。

　Ｓｎ基はんだとＮｉとの反応でのＣｕの効果
　　Ｃｕ濃度効果
　　　　Ｃｕ＜３％：（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４形成
　　　　０．４〜０．５％：（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４と（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５形成
　　　　Ｃｕ＞０．５％：（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５だけ形成　
　　　　不一致の理由のひとつははんだ量効果


　　　　　　　＜２５０℃、１０分ではんだ付け＞
　　はんだ量効果
　　　　接合が小さくなるとＣｕ濃度は急速に低下、はんだ体積が小さいとＣｕ供給は一定とみなされ得なくなる。
　　　　小さなはんだ接合と長い反応時間でより激しくなる。


　　大規模剥離
　　　　Ｃｕの枯渇とＣｕ６Ｓｎ５とＣｒ（下地）との貧弱な濡れに起因　通常の剥離


　　　　大規模剥離は大きなＣｕ濃度降下を起こしやすい小さな接合で起き易い。

　　　　（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４層の形成で元の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５層が押しはなされる。



　　　　抑制には高Ｃｕはんだの使用とはんだ接合のどちらかの側のＣｕを厚くする。
　　固体反応（エージング）でのはんだ量効果



　はんだ接合を横断してのＣｕとＮｉの交差作用
　　溶融はんだとの反応での交差作用
　　　　リフロー経路の差


　　Path�T：Ｃｕ側リフロー→Ｎｉ側リフロー（同時Ｃｕ側再リフロー）
　　　では最初のリフローでＳｎ−３．５ＡｇとＣｕの典型的なほたて貝殻状Ｃｕ６Ｓｎ５、
　　　溶解した多量のＣｕのため長いＣｕ６Ｓｎ５棒がはんだ中に析出。
　　　　第２回では溶解したＣｕの影響でＮｉ側には（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成、
　　　Ｃｕ側のＩＭＣにはＮｉ固溶、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５となる。


　　Path�U：Ｎｉ側リフロー→Ｃｕ側リフロー（同時Ｎｉ側再リフロー）
　　　では最初のリフローでＮｉに薄いＮｉ３Ｓｎ４形成。
　　　　第２回では溶解した微量のＮｉの影響でＣｕ側にはＮｉ量の異なる２層の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成、
　　　（はんだ側がＮｉ多い）
　　　Ｎｉ側には固溶したＣｕの影響でＩＭＣのはんだ側は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に変化。
　　　ＦＩＢで見ると（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の下に薄い（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が存在。


　　固体はんだ（エージング）との反応での交差作用


　　Path�UはＮｉの溶解効果でＣｕ３Ｓｎが薄く、Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドが見えない。

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