マンハッタン計画
　航空・軍事分野のＰｂフリー電子化

ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ計画　Ｐｈａｓｅ１　２００９　

３．　設計

３．１　序
　ＳｎＰｂとＰｂフリーの信頼性比較

　高温、低温の保存、高速ひずみ、Ｓｎペスト、パッド・クレータリングなどが劣るあるいは悪化が懸念されている。

３．１．１　鍵となる設計配慮

　＊CCA:circuit card assembly、ＩＰＣはアセンブリ（部品搭載）された基板をＣＣＡと呼ぶのを好むという。

問題点issue
　はんだ
　　多くの合金がある：共晶が好まれる。
　　合金成分の複雑さ：特性と微細組織が組成変化に敏感。
　　材料特性：はんだ接合サイズ・スケール・モデルが役立たない。
　　疲労モデル
　　加速試験
　　工程温度：数度のはんだ付け温度がＰＣＢ材料とＣｕ溶解に重要。
　　ＳｎＰｂとの両立
　　他のＰｂフリー合金との混合
　　スズ・ウイスカの危険性
　　スズ・ペスト
　　Ｃｕ溶解
　　実用経験と実用故障データ
　部品
　　温度能力
　　内部構成材料
　　外部めっきと端子材料：Ｓｎウィスカ危険性
　　ﾓｰﾙﾄﾞ化合物
　　信頼性データ
　　ＳｎＰｂはんだとの両立性
　ＰＣＢ
　　積層laminate選択：
　　表面処理
　　必要リフロー数：製造、リワーク（修正）、リペア（交換）、はんだリフロー等に適応する十分な要求
　　熱サイクル数
　　耐Ｃｕ溶解要求：製造、リワーク、リペアはんだリフロー等に適応する十分な厚み
　　製造性
　ＣＣＡ（回路カード・アセンブリ）
　　設計はんだ応力水準
　　部品搭載
　　製造性
　　維持：リワークとリペアを考慮
　　Ｓｎウィスカ緩和

３．２　要求

　Ｐｂフリーはんだは一貫してＳｎＰｂと同等あるいはより良いわけではない。

　Ｐｂフリーはんだは衝撃、落下または曲げでＳｎＰｂの５０％以下までの荷重で破壊する。

３．２．３　システム限界要求
　
　（理解の）隔たり：Ｐｂフリーで悪化する欠陥
　　回路のショート、オープン、断続的故障など
　　　新現象
　　　　パッド・クレータ（ＰＣＢ配線破壊）、Ｓｎウィスカ
　　　悪化
　　　　高温プロセスで
　　　　　ＣＡＦ発生増
　　　　　低表面絶縁抵抗
　　　　　湿度に敏感な部品の亀裂
　　　　　部品湾曲（エリア・アレーの枕不良など）
　　　　　多層セラミックキャパシタ亀裂
　　　　ＰＣＢデラミネーション
　　　　はんだ接合故障
　　　　ＩＭＣ故障
　　　　表面配線故障
　　　　ＰＴＨ／ヴィア故障
　　　　内部配線故障
　　　　はんだ・エレクトロマイグレーション
　　　　
３．３．２　材料明細：電子・機械部品選択

　ウィスカ危険性から禁止など求められている
　　　亜鉛・クロメート変換めっき
　　　亜鉛めっき（コネクタ本体、基板搭載ＲＦシールド）
　　　Ｓｎ－Ｃｕ表面処理
　　　ブライトＳｎ表面処理
　　　黄銅、鉄鋼上のＳｎ表面処理
　　　連続的機械的圧縮応力に曝されるＳｎ表面処理（零挿入力コネクター、プレスインコネクター）
　　　希土類元素を含むＰｂフリーはんだ合金を有するすべての部品

部品表面処理　
　ＩＮＥＭＩＳｎウィスカ危険性表

３．３．５　はんだ選択

問題・隔たり・誤解
　問題：製造性の違いにより異なるはんだ合金が異なるアセンブリ工程（リフロー、ウェーヴ、はんだ噴水、リワーク）で使用されているが
はんだ材料は必ずしも製造工程だけで選ばれているのではない。（特にリペア）
　問題：多様なはんだが使用されているがある種のはんだの組み合わせは両立しないか狭い工程窓をもっている。
　隔たり：ＰｂフリーはんだとＳｎＰｂはんだの比較性能について理解の差と誤解がある。ＳｎＰｂはんだは高応力条件で優れ、Ｐｂフリーはんだは
より温和な条件で優れているというがこれは下記因子で大きく変わりうる。
　　Ｐｂフリー合金種類（ＳＡＣ４０５、ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ１０５、ＳＡＣ０３０７、ＳｎＣｕＮｉＧｅ、ＳｎＡｇＣｕＢｉ、ＳｎＡｇＣｕＳｂ、など・・・）
　　部品パッケージ（ＢＧＡ、リード端子、リードレス）
　　環境応力（振動、機械的衝撃、温度サイクリング）
　問題：固液共存範囲は製造工程を悪くしうるので非共晶はんだは好まれない。
　問題：ＳｎＰｂリペアとの両立性は定義されていない。たとえば寿命。

初期の傾向と経験則
　ＳＡＣ３０５はんだが現在リフローでは最も一般的Ｐｂフリー合金。
　ＳｎＣｕＮｉはんだが現在ウェーヴとリワークでは最も一般的Ｐｂフリー合金。
　高銀ＳＡＣ合金（ＳＡＣ４０５、ＳＡＣ３８７、ＳＡＣ３０５など）は落下あるいは機械的衝撃などの環境で問題
　ＳｎＡｇはんだはＣｕを含まないのでＣｕ溶解が多いが、いくつかの高温応用で長年使用されているが、
Ｐｂフリーはんだとしては広くは採用されていない。
　Ｎｉを含まないＰｂフリーはんだは１００℃以上の高温への連続的暴露でＣｕ接合パッドと配線がＣｕ溶解による
故障を起こす可能性がある。
　Ｓｂを含まないＰｂフリーはんだは－１０℃以下での連続的暴露（６ヶ月以上）でＳｎペストの危険性がある。
　　ただしＳｂには毒性問題がある。
　いくつかの研究ではＳｎＰｂに比べＰｂフリーはんだは振動で劣る性能を示す。ただし結果は一貫性がなく、
更なる試験と解析が必要。
　　（変動の多くははんだ応力水準、試料年齢、部品型、冷却速度等の不適当な制御、報告によると思われる。）
　ＩｎまたはＺｎが合金されたＰｂフリーはんだは湿度環境で急速な腐食を起こす可能性がある。

ＰＣＢ

問題・隔たり・誤解
　ＰＣＢでの検出されない亀裂とデラミネーションの可能性がＰｂフリーＣＣＡ移行での最大の危険性。
　耐食性、はんだ付け性、耐ウィスカ性でＳｎＰｂと同等のＰｂフリー表面処理はない。
　Ｐｂフリー（高温）工程に向いた積層laminate材料は水分吸収、デラミネーション傾向、その他のはんだ付け中での損傷
に対するが感受性大きく変わる。供給者のデータは不完全か疑問がある。水分吸脱水速度はＰＣＢ設計に影響される。
　Ｐｂフリー表面処理のＰＢＣ水分減少のプリベークは多くははんだ付け性に有害である。

推奨
　はんだめっき
　　　無電解Ｎｉ／置換Ａｇ（ＥＮＩＧ）はリフロー後の取り扱いでのはんだ破壊の危険性の上昇のためＰｂフリーはんだとの
　　使用に推奨されない。もし使用するなら適当な危険性評価がなされるべきである。
　　　すべてのＰＣＢの置換Ｓｎめっき配線はアセンブリの間Ｓｎウィスカを抑制するためにはんだで覆われるべきである。
　　　すべてのＰＣＢの置換Ｓｎめっき配線はクリープ腐食の危険性を緩和するために非はんだマスク規定（限定）ＮＳＭＤであるべきである。

３．４．４　はんだ疲労と相互接続信頼性解析

振動負荷
　問題・隔たり・誤解
　　熱サイクルと対照的に同等の応力水準、特に高応力では振動試験Ｐｂフリーはんだ付けアセンブリはＳｎＰｂアセンブリほどの信頼性がない。

　低応力でのデータが不足ではんだエージングの影響が不明。
　低水準での振動暴露で後の高水準振動疲労が顕著に改善されるが、逆は悪く作用する可能性がある。

機械的衝撃負荷

　問題・隔たり・誤解
　　耐衝撃性改善次世代はんだは４～５成分からなる可能性がある。添加量０．０５ｗｔ％程度で効果が認められる。
　　熱サイクルデータが多くで不採取。
　　添加信頼度への重量％感受性が評価されていない。（添加量が少なく製造上の組成変動の影響が懸念されるだろう）
　　アセンブリ・エージングの衝撃への役割が十分理解されていない。パッド・クレータリングを避ける設計規則が多くの合金／積層板の
　組み合わせで実験的に得られていない。

熱機械的負荷
熱機械的と動的負荷の結合

３．５　Ｓｎウィスカ危険性評価

４．製造

４．２　製造のための設計

ポップ・コーン現象の危険性

４．６　はんだ金属学－はんだ接合形成
　Ｐｂフリーはんだ合金は最初、共晶近傍のＳｎ３．５－３．９Ａｇ０．７－０．９Ｃｕ付近を基礎とした。（ＮＣＭＳ、ｉＮＥＭＩなど）
　Ａｇ価格問題とアイオワ州大特許を避けるためＪＥＩＴＡと続いてＩＰＣが亜共晶のＳＡＣ３０５を推薦。
　欧州の企業は共晶合金による、特に収縮孔発生の低下、融点と固液共存範囲の低下から高ＡｇのＳＡＣ４０５にとどまることを選んだ。
　主流のＳＡＣ３０５とＳＡＣ４０５はＢＧＡはんだボールとはんだペースト、ウェーヴ合金に使用。
　ＳＡＣ３０５とＳＡＣ４０５は機械的衝撃性能が悪いので携帯製品でＢＧＡとＣＳＰはんだ接合、特に動的負荷条件での
機械的強度改善のため低Ａｇ、低Ｃｕ開発に拍車がかかっている。
　これら合金はＳｂ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｐ、Ｇｅ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｃｒなどの微量添加がよくなされる。

　工程窓の変化

　混合はんだ工程
　　
　濡れ
　　ＳＡＣは高表面張力、低濡れ力、高濡れ時間の結果、ＳｎＰｂに比べ濡れが減少し、接触角が高い。
　　低Ａｇ合金は共晶近傍ＳＡＣより濡れが悪く、操作窓が著しく減少する。

外観
　　（濡れ広がりと光沢）

微細構造
　　はんだバルク
　　　ＳｎＰｂ：柔軟なβＳｎとＰｂの２相合金
　　　ＳＡＣ：大きな数個の粒のβＳｎマトリクスと硬く、脆いＩＭＣ粒子分散。
　　ＩＭＣ反応層
　　　ＳｎＰｂとＰｂフリーで異なるタイプ
　　ＩＭＣ厚さ
　　　Ｐｂフリーで厚い
　凝固過程
　　融点以下数度の一定温度で凝固するＳｎＰｂと異なり、Ｐｂフリー接合は顕著な過冷却を必要とする。
　　ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ３８７、ＳＡＣ４０５などの共晶近傍ＮＥはんだは冷却速度に依存し２１７℃より２０～４０℃低温で凝固し始める。
　　冷却につれていくつかの相が段階的に結晶化する。この順序と相の晶出は接合組成と冷却速度による。
　　（Ａｇが多いと徐冷ではＡｇ３Ｓｎが初晶として晶出しやすく、Ｃｕの溶解が多いとＣｕ６Ｓｎ５が初晶として晶出する。
　　その他共晶の晶出、組成・条件では大きなＳｎデンドライト相形成などもおきる。）

＊Ｍｅ３Ｓｎ４はＮｉ３Ｓｎ４でＮｉのＣｕ置換が起きる、同様にＭｅ６Ｓｎ５はＣｕ６Ｓｎ５でＣｕのＮｉ置換が起きる。
　はんだのＣｕ量により（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４、(Ｃｕ，Ｎｉ)６Ｓｎ５／（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４（２層状態）、(Ｃｕ，Ｎｉ)６Ｓｎ５と推移する。

　収縮ボイド
　　収縮ボイドはＳｎデンドライト間に閉じ込められた最後の共晶液体部分に形成される。

　ＢＧＡはんだ工程の混合金属学

　＊図の最下段はＴｍａｘ≧２１７℃の誤りであろう。

　１８３℃でＳｎＰｂが融け始め、溶融はんだにＳＡＣが溶解し始め、溶解は飽和組成のなるまで続く。
　温度が高いほどより多くのＳＡＣが溶解する。リフロー・プロファイル、ＳｎＰｂとＳＡＣの割合、接合部寸法により２１７℃までの
間では部分混合から完全混合までおきる。
　ピーク温度が２１７℃に達するとＳｎＰｂとＳＡＣの割合、接合部寸法に関係なく完全混合が全部品でおきる。

　不完全混合は微細組織で明確に区別できる。
　混合部には大きなＳｎデンドライトが形成される。境界部にＳｎリッチ帯が形成されることがある。

　＊図の下方の２と３は逆か？

　ＨＯＴ微細構造？　通常より細かい組織

Ｓｎに固溶しない不純物による収縮ボイド
　最後の液相部にＰｂ、Ａｇ濃縮（基板側）

　両面リフローの２回目に収縮ボイド形成

　
リード端子でのＰｂ汚染

　フィレット・リフト

工程ボイド
　ＳＡＣ合金はＳｎＰｂよりボイドが発生しやすい。原因は高温によるはんだ粉の過剰な酸化。
　発生しやすさは合金にもより、共晶近傍より共晶はずれが低Ａｇが発生しやすい。

　ツームストーン
　　Ｐｂフリーはんだペーストは高表面張力とより大きな熱勾配ののためツームストン不良が生じやすい。
　　ツームストンはフラックス化学と基板設計（個別discreteパッド下のブラインド・ヴィア）にも影響される。
　

枕不良（枕上頭）head on pillow
　　ＳｎＰｂよりＰｂフリー同士、ＰｂフリーとＳｎＰｂの混合アセンブリで枕不良が起き易い。
　　これは狭い工程窓、特に低ＡｇＳＡＣ（ＳＡＣ１０５）が使用された場合のそうである。

Ｃｕ溶解
　ＣｕめっきはＳＡＣではＳｎＰｂより非常に速く溶解する。高操作温度と高Ｓｎ量のためである。
　微量添加物による改善効果がある。

はんだ工程

　手はんだ付け

リフロー

　ウェーヴ

気相はんだ付け

選択はんだ付け
　ポット・ウェーヴとレーザーはんだ付け

洗浄
アンダーフィル
目視

リワーク
　　熱風
　　噴水
　　マニュアル（リペア）

６　試験
６．２　材料特性と製品製造性試験

　ＰＣＢ
　　ＰＣＢのはんだ付け性
　　エレクトロマイグレーション
　　Ｓｎウィスカ
　　表面処理
　　デラミネーション
　　ＣＡＦ
　　相互接続応力
　　Ｃｕ
　　　Ｃｕ溶解
　　　強度と伸び
　部品
　　表面処理
　　はんだ付け性
　　ウィスカ
　はんだ
　　はんだ付け性
　　表面絶縁抵抗
　　Ｓｎペスト
　　はんだ接合Ｓｎウィスカ
　
　問題issu
　　ウィスカ形成、成長予測ができない。
　　試験パラメータの十分な指導を与えることができない。
　　製造工程窓がＳｎＰｂに比べ非常に小さい。
　空隙
　　Ｓｎウィスカの試験方法、受け入れ、品質規格が存在しない。（航空・軍用）
　　ＰＣＢデラミネーション、ＣＡＦ試験、ペーストはんだ付け性の仕様変更が必要。
　　パッド・リフティング、パンド・クレータリング、界面デラミネーション、配線trace破壊などのＰｂフリー相互接続破壊様式の予測試験法がない。

６．３　材料試験
　安定化と他のアニール処理
　　ＩＰＣ－９７０１Ａ　１００℃ｘ２４ｈｓ
　時間独立単調（応力－ひずみ）機械特性
　時間依存（クリープ）機械特性
　周期的機械特性（恒温）
　材料物理特性
　　ＣＴＥ
　破壊モード解析

６．４　回路カードアセンブリ試験
　湿度試験
　熱衝撃　温度変化速度２０℃／分以上
　熱サイクル
　振動
　機械的衝撃
　等温エージング
　結合環境（ＨＡＳＴ、ＨＡＬＴ）
　　ＨＡＬＴ：不規則繰り返し衝撃と熱サイクル
　　ＨＡＳＴ：高温度・湿度と圧力
　エレクトロマイグレーション
　破壊様式解析
　　ブラック・パッド、カーケンダールボイド、パッド・クレータリング（電極えぐれ）、パッド・リフティング（電極剥がれ）、トレース・クラッキング（配線破壊）

　問題、空隙、誤解
　　問題：Ｐｂフリーはんだは振動と機械的衝撃に対してＳｎＰｂより強くrobustない。
　　空隙：加速試験から実仕様寿命へ変換する有効コンピュータモデルが必要。

７．　信頼性
７．１．２　故障モードと機構

７．２　故障源

７．２．１　はんだ相互接続
　製造欠陥
　　プロセス温度が高くなる→ＩＭＣ成長、変形が大きくなる
　　表面目視は不十分　
　　　ＳＡＣ外観は粒状grainyで収縮亀裂が起きる。
　相互接続疲労
　　主流Ｐｂフリーはんだの微細構造と損傷進展はＳｎＰｂと非常に異なる。
　　　　たとえばＳｎ粒結晶方位の影響は耐破壊性に大きなバラツキをもたらす。
　　温度サイクル
　　　温和な条件ではＳＡＣがＳｎＰｂより良いが、厳しい条件では劣る。

　　振動（高機械的サイクル）
　　　振動による負荷は部品位置に大きく依存し、サイクル数は特徴としてより高い程度となる。
　　　ある種のパッケージでは主流のＰｂフリーはんだは高振動水準でＳｎＰｂより低い耐久性を示す。
　　　故障ははんだ亀裂に限られず配線不良とパッド・クレータリングも含まれる。

　　衝撃破壊と低機械的サイクル
　　　負荷速度増加ではんだ相互接続故障位置がはんだからＩＭＣ結合とパッド・クレータリングによる配線破壊へと変化する。
　　　これはより硬いＰｂフリーはんだ、弱いＩＭＣ構造、Ｃｕ溶解の組み合わせで強く激化される。

　　結合負荷
　　　　最も一般的な組み合わせは温度サイクルと振動
　　　ＥＳＳ（環境ストレススクリーニング）　
　　　ランダム振動試験
　　　ＨＡＬＴ（高度加速寿命試験）　

　　混合はんだ
　　　ＰｂフリーとＳｎＰｂあるいは異なるＰｂフリー同士
　　アンダーフィルと角corner、端edge結合
　　低温脆性破壊
　　　ＳｎＰｂと対照的にＳＡＣはんだは－４０℃と－７０℃の間で靱性から脆性破壊への急速遷移を示す。
　　　極低温での特に機械的衝撃のような高応力、高ひずみ負荷条件下では低温脆性破壊を起こす危険性がある。

７．２．２　クリープ破壊

７．２．３　エレクトロマイグレーション
　加速試験ではＰｂフリーはんだはＳｎＰｂほどはひどくない。
　しかしＩＭＣ析出の再分布が材料挙動に重要な結果をもたらす可能性がある。
７．２．４　Ｓｎペスト
　いまのところＳｎペストがＰｂフリーアセンブリでおきていない。
　しかし組成により異なり、アセンブリでの汚染の影響も考えられる。

　　バレル亀裂
　　配線疲労亀裂
　　　高サイクル機械的負荷で、Ｐｂフリーはんだの採用
　　パッド・クレータリング
　　ＣＡＦ導電性陽極フィラメント
　　クリープ腐食とデンドライト成長
　　　ＩｍＡｇは硫黄環境では使用不可