実装問題

（１８－３）　Ｐｂフリーはんだ接合と特殊破壊モード

（１８－３－１）　低融点相形成とフィレット剥離及び再溶融剥離

　　Ｐｂフリー化にあたっては、はんだ接合においてＢｉ、Ｐｂが関係するとフローはんだ付けの挿入実装部品ＴＨＤで
　リフト・オフあるいはフィレット・リフティング、フィレット剥離と呼ばれる、Ｃｕランド（パッド）とはんだフィレットの界面での
　剥離現象が生じることが問題となった。
　　このフィレット剥離にはＢｉ、Ｐｂを含む低融点相の界面への偏析が関係していることが明らかにされた。
　　ただしこのフィレット剥離は温度サイクル試験等の信頼性試験においては剥離が進行せず信頼性の問題の原因とは
　ならないとされた。
　　一方ＱＦＰなどの表面実装の大形部品においても、リフロー工程後のフロー工程を行うと、リフロー工程でＣｕランドと
　はんだの界面に低融点相が形成され、これがフロー工程で再溶融により界面剥離をおこすことがありうることが明らかになった。

　　このように高融点であるＰｂフリーはんだ接合にＢｉ、Ｐｂなどの低融点相形成成分が混入するとこれらが凝固の最後の
　部分に残存し、特にランドとの界面に偏析し問題を生じる。

①　ＰｂフリーはんだとＰｂ、Ｂｉ、Ｉｎにより形成される低融点相

　主な２元、３元系低融点共晶

組成	共晶点（℃）
Sn-52In	118
In-3Ag	143
Sn-58Bi	138
Pb-55.5Bi	124
66.3In-33.7Bi	72
67Bi-33In	109

Sn-52Bi-30Pb	96
51In-32.5Bi-16.5Sn	60
57Bi-26In-17Sn	79
54.0Bi-29.68In-16.3Sn	81

Sn-37Pb-2Ag	177

モトローラ　各種ＰｂフリーはんだでＰｂ添加により形成される低融点相
　　

　　　Ｓｎ－１８Ｂｉ－４０Ｐｂ　包晶　１３７℃　
　　　Ｓｎ－５１Ｂｉ－３２Ｐｂ　共晶　９６℃
　　　Ｓｎ－３６Ｐｂ－２Ａｇ　　共晶　１７９℃

山
　　Ｓｎ－１０ＰｂのＳＯＰとＳＡＣ３０５、Ｓｎ８Ｚｎ０．３Ｂｉ、Ｓｎ３．５Ａｇ８Ｉｎ０．５Ｂｉはんだによる低融点相の形成
　　加熱引張り試験

Ｃｈｏｉ
　　加熱ＳＤＣ

Ｓｎ－Ａｇ－Ｉｎ－Ｂｉ（ハリマ）

　　Ｂｉを多量に添加したものは偏析で低温相（約１４８℃）が生じる。

菅沼

　　以上のようにＢｉ、Ｐｂは偏析しやすく、このため低融点相を形成しやすい。

②　偏析と凝固組織への影響

　　はんだ中の低融点成分の影響・・・ミクロ偏析とマクロ偏析
　　　はんだ融液の温度低下による凝固の開始でβＳｎデンドライトが生成し始め、添加成分、不純物あるいは低融点成分は
　　βＳｎデンドライ間に濃縮し、共晶組織を形成したり、ミクロ偏析したりする。不純物は遅く凝固する部分に濃縮するので特に
　　最終凝固部となりやすい電極との界面にマクロ偏析をもおこす。

Ｍａｎｈａｔｔａｎ
　　　低融点相形成に伴う凝固収縮ボイド。
　　　　低融点相を形成するような幅広い固液共存範囲が存在するとＳｎ相はデンドライトとして高温領域に
　　　成長し、液体はＰｂ、Ａｇなどが富化し、デンドライト間に最終的に晶出し収縮ボイドを基板側に形成。

　　部品端子のはんだめっき中の低融点成分の影響
　　　ＳｎＰｂはんだめっき端子にＰｂフリーはんだ付けした場合、Ｐｂははんだ中に溶け込んでいき、βＳｎデンドライト間に
　　ミクロ偏析するが、Ｐｂはやはり遅く凝固する部分に濃縮するので特に最終凝固部となりやすい電極との界面にマクロ偏析をおこす。

　　この低融点相領域はまた両面リフローの２回目に溶融し基板側に収縮ボイド形成。

　　　ＳＡＣ１０５ボールのＳｎＰｂペーストでのリペア（Ｈｅｎｓｈａｌｌ）　

　　赤線部：最終凝固し、Ｐｂ濃縮層を形成しやすい部分

Ｈｉｌｌｍａｎ
　　デンドライト間へのＰｂの偏析と収縮孔

③　挿入部品ＴＨＤのフローにおけるフィレット剥離（フィレット・リフティング、リフト・オフ）

ＮＰＬ　Ｂｉ含有はんだ
　　　Ｂｉ偏析により界面付近で凝固遅れが生じ、凝固収縮、熱収縮などによりフィレット剥離が発生する。

Ｈｅｎｋｅｌ

東芝
　ＳＡＣ＋Ｐｂ（混入）

デンソー

Suganuma

Havia

部品の表面処理はＰｂフリー

Ｈａｎｄｗｅｒｋｅｒ

ＣＳＡ　ＳＥＲＶＩＣＥ

NEC

　ソルダー・ソルーション
　

東芝

Ｈｉｌｌｍａｎ

　　　フィレット・リフティングは温度サイクル試験（－５５～１２５℃）ではんだ接合欠陥とはならない

　＜フィレット剥離対策特許＞
　再表０１／０６９９９０（特許４７１８０９１）　優先日（２０００．３．１５）　松下電産　末次憲一郎ら
　　（１）表面ランド（フィレット）が裏面ランド（フィレット）より小さい