◎結合負荷接近法
信頼性評価は単一負荷試験で行われるが実際の動作では複数の負荷にさらされる。
複数の負荷を取り扱う方法が提案されているがそれらは基本的にＨＡＬＴ（Highly Accelerated Life Test：高度加速寿命試験）の
考え方に基づいている。
ＨＡＬＴは熱衝撃とランダム振動の併用を基礎としている。
（ＨＡＬＴ条件：温度サイクルと振動サイクル結合段階）
しかし、機械的な負荷と熱機械的負荷は基本的に異なる破壊機構と異なる破壊様式をとる。
このため単純な２つの機構の重ね合わせは信頼性予測に誤解を招きうる。
ＨＡＬＴは設計の潜在的弱点の同定には有効な手段だが、加速寿命試験ではない。
ＨＡＬＴは実際の動作と異なる過負荷をもたらすという欠点がある、そこでＭＥＯＳＴ（多環境過負荷試験）
なども考案されている。
・ 異なる負荷条件でのＣＳＰ−ＢＧＡでの破壊モードと機構の議論
試験条件
はんだＳＡＣ３０５、基板ＯＳＰ
落下試験 ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１（高さ８４ｃｍ：１００Ｇ、０．５ｍｓ）、温度サイクル：−４０〜１２５℃、１５分保持。
２０％Ｒ増加（デイージー・チェーン）が破壊基準値。
（ＢＧＡパッケージ、ＰＷＢ、部品基板の加熱イメージ）
・ 単一負荷試験での破壊様式と機構
・・ 熱サイクル条件での破壊機構
共晶近傍ＳＡＣは相互接合付近での亀裂で破壊機構はＳｎＰｂ基の相互接合とは異なる。
共晶ＳＡＣ（ＳＡＣ３４８）のホモロガス温度は０．５〜０．８。
隣接材料の熱膨張率の差により塑性変形発生。
電子装置の作動中にはんだ相互接続の微細構造は変化する。
塑性変形ではんだ中にエネルギーが蓄積されこれが駆動力となって組織が変化する。
はんだ付け上がりのＳｎリッチはんだ相互接続の微細組織
はんだ付け上がりのＳｎリッチはんだ相互接続は比較的大きな２，３個の高傾角粒界で区別されるＳｎコロニーよりなる。（ｂ）
コロニーにはＳｎのセル状組織が見られ、これらはＣｕ６Ｓｎ５とＡｇ３Ｓｎが分散した共晶領域で囲まれている。（ｃ）
熱サイクル中の破壊の進展は
まずセル状凝固構造の徐々の進展が起きる。
個々のβＳｎが合体し、その周辺の小さなＩＭＣ粒子が粗大化する。
ポリゴン化の結果小傾角粒界のネットワークが形成される。
これは約５０〜数百サイクルで起きる。
セル状構造は熱サイクルの継続で徐々に消滅する。
この進展はこれら領域が再結晶で不連続に等軸組織に変形するまで起きる。
更に再結晶による微細組織変化後にはんだバルクを通って伝播する亀裂が観察される。
亀裂の核生成は保持時間にかかわらず寿命の狭い範囲、７００〜１３００熱サイクルの間に起きる。
亀裂は寿命の７０〜７５％の間で成長段階にある。
再結晶の潜伏期間は非常に変わる。
最初の再結晶組織は５００サイクルで観察されるが組織的になるには約２０００サイクルかかる。
核生成は再結晶による微細組織の変化の前に起こりうるが、再結晶の影響のない亀裂伝播は遅いと思われる。
再結晶が始まると亀裂伝播に影響する。再結晶は始まると亀裂は再結晶領域以上には伝播しない。再結晶の助けがないと
亀裂は相互接続部を完全には伝播しない。再結晶による高傾角粒界が亀裂伝播場所になる。
回復と再結晶からなる復旧restoration過程で破壊機構が理解できる。
・・ パワーサイクル
パワーサイクルの主要破壊機構は熱サイクルとほとんど同じだが、熱サイクルに比べて動作中の部品基板の
温度分布が不均一である。
破壊機構が異なる２つの局面は
再結晶の速度論への電流の流れの影響
エレクトロマイグレーションによって引き起こされるＩＭＣ層成長、高傾角粒界がエレクトロマイグレーションの
低エネルギー経路となることでも再結晶はＩＭＣ層成長に影響しそうである。
・ 高速変形速度での破壊機構
・・ 落下試験
落下によって筐体から部品基板に衝撃が伝わり高周波曲げが始まる。
基板レベル落下試験はＪＥＤＥＣ ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１が一般的である。
機械的衝撃は熱サイクル試験と全く異なる破壊モードを引き起こす。
温度のほかに負荷条件での顕著な差は変形速度である。
常温はＳＡＣでは０．６Ｔｍでこのような高ホモロガス温度では塑性挙動は強くひずみ速度
に依存する。
温度サイクル試験（〜１０−６−１０−５／ｓ）から落下試験（〜１−１０／ｓ）でひずみ速度増加によりはんだは
非常に（流動応力：２〜３倍）強くなる。
ＵＴＳも増加するが降伏応力がより敏感ではんだ相互接合での応力分布の度合いは熱サイクルと落下試験条件では異なる。
有限要素法によるとひずみ速度の増加ではんだ相互接合応力が増加するだけでなく、相互接合部の部品側端により集中する。
このようにひずみ速度硬化ではんだバルクは比較的強い材料として振る舞い、ＩＭＣ層破壊強度を越え、脆いＩＭＣ層が破壊する。
・・ 継続的調和振動試験
落下荷重条件で始まる破壊機構は同じひずみ速度であれば部品基板の高周波振動曲げでも始まり得る。
共鳴周波数でアセンブリに調和振動負荷を印加すれば非常に似た荷重条件が生み出され、振動試験での破壊モードが
落下試験でのものと同じであることが示される。
違いは試験に必要な時間で落下は数十分から数時間で振動は数秒に減少。
・ 連続的consecutively結合負荷条件
・・ 機械的衝撃への熱サイクルの影響
はんだ：Ｓｎ０．５Ａｇ０．５Ｃｕ、
熱サイクル：−４５℃／１２５℃、１５分保持、７分昇降、７５０サイクル
恒温アニール：１２５℃、５００ｈ
部品基板の破壊モードは
リフロー上がりはパッケージ側のＣｕ６Ｓｎ５ＩＭＣ層の亀裂。
熱サイクルでバルクはんだの粒間亀裂に変化。
亀裂は多くは相互接続部を通って完全にバルクはんだを伝播するが、ときには亀裂はバルクはんだを
部分的にしか伝播せず、その後ＩＭＣ層に移動する。
バルクはんだからＩＭＣ層への亀裂経路変化は熱サイクル間の再結晶による粒界ネットワークの形成で
引き起こされる。
亀裂が再結晶部と非再結晶部の境界に到達すると亀裂は伝播経路をＩＭＣ層に変える。
微細構造の変化で落下破壊数の大きなバラツキが理解できる。
・・ 機械的衝撃に先行する昇温操作の影響
落下前の恒温アニールがリフロー後や熱サイクル後より顕著に弱い。
破壊モードは単一負荷試験と異なる。
亀裂はバルクはんだで核生成するがすぐにＣｕ３ＳｎＩＭＣ層に入る。
恒温アニールでＣｕ３Ｓｎ層と電解ＣｕＵＢＭの間に形成される多数のボイドが亀裂が伝播する
ほとんど連続的な経路となる。
落下信頼性ははんだ付けと引き続く使用による進展で形成される微細構造に顕著に影響される。
・ 同時的concurrently結合負荷条件
・・ 落下信頼性への温度効果
落下破壊の平均数は顕著に温度上昇とともに減少し、主要破壊モードは温度で変化する。
基板１では破壊モードは室温ではパッケージ側ＩＭＣ層、７０℃、１００℃ではＰＣＢ側のはんだ相互接続部のＣｕ配線、
基板２はすべての温度でパッケージ側ＩＭＣ層亀裂。
基板３はすべての温度でＣｕ配線亀裂。
昇温で（ａ）はんだの降伏強度と弾性係数減少、（ｂ）ＰＷＢの剛性低下、（ｃ）熱誘起ひずみ導入
することで破壊機構に影響しうる。
はんだの強度低下で破壊モードはバルクはんだ亀裂への変化を引き起こしうる。
部品基板の最大ひずみは温度と共に増加する。
応力−ひずみ解析によると温度変化ははんだの機械的特性に顕著に影響するが、ＰＷＢ剛性
へは弱い。
熱機械的負荷の影響は強いだろうがはんだのクリープ緩和速度と熱履歴に依存する。
基板１：１４４ＧＢＡ、多層、基板２：１６８ＢＧＡ、多層、基板３：１４４ＢＧＡ、２層
・・ 振動負荷での部品基板の寿命へのパワー・サイクルの効果
純振動の主要破壊モードはバルクはんだ亀裂で亀裂はコロニーを経由して起きる。
パワー・サイクルでは再結晶が助けるはんだ相互接合の亀裂が主要破壊機構。
同時動作では寿命はかなり低下。再結晶による微細組織の変形は見られず、亀裂は純振動と
同様の仕方で起きる。
部品：SuperSO8パワー・トランジスタ、４６０Ｈｚ電磁振動機
パワーサイクル：１５分間づつのオン・オフ、パッケージ表面はオンで１２０℃、オフで室温。
要約
| 負荷条件 | 観察破壊モード | 主要破壊機構 | |
| 単一負荷条件 | |||
| 熱サイクル | バルクはんだ亀裂 | はんだ疲労（再結晶支援粒間亀裂） | |
| パワー・サイクル | バルクはんだ亀裂 | はんだ疲労（再結晶支援粒間亀裂） | |
| 機械的衝撃 | ＩＭＣ層亀裂 Ｃｕ配線亀裂 バルクはんだ亀裂 |
ひずみ速度硬化誘起ＩＭＣ層亀裂（脆性） Ｃｕ配線疲労 はんだ疲労（延性、粒内、非再結晶） |
|
| 振動（高周波数振幅） | ＩＭＣ層亀裂 | ひずみ速度硬化誘起ＩＭＣ層亀裂（脆性） | |
| 振動（低周波振数幅） | バルクはんだ亀裂 | はんだ疲労（延性、粒内、非再結晶） | |
| 連続的結合条件 | |||
| 熱サイクル＋機械的衝撃 | バルクはんだ亀裂 | 熱サイクルでの再結晶による微細構造変化の結果によるバルクはんだ亀裂 | |
| 昇温＋機械的衝撃 | ＩＭＣ層亀裂 | ひずみ速度硬化誘起の構造的に弱化したＩＭＣ層の亀裂 | |
| 同時結合条件 | |||
| 昇温＋機械的衝撃 | ＩＭＣ層亀裂 Ｃｕ配線亀裂 バルクはんだ亀裂 |
ひずみ速度硬化誘起ＩＭＣ層亀裂（脆性） Ｃｕ配線疲労 はんだ疲労（延性、粒内、非再結晶） |
|
| パワー・サイクル＋振動 | バルクはんだ亀裂 | はんだ疲労（延性、粒内、非再結晶） | |
＊ＭＥＯＳＴ（Multi Environment Over Stress Test：多環境過負荷試験）
ＭＥＯＳＴでは破壊failureによって設計の弱点をいぶしだす。
負荷限界の定義
破壊限界（ＨＡＬＴ）
最大実際過負荷水準（ＭＰＯＳＬ）：破壊限界より下で十分の余裕（通常２０〜３０％）をもった値。
設計限界
動作限界（ＨＡＳＳ）：正常動作しなくなるストレス、除去で正常動作復帰。
仕様限界
破壊限界＞ＭＰＯＳＬ＞設計限界＞動作限界＞仕様限界
Ｌｉｎ
第１段階：設計限界（動作限界＋マージン）まで単独で各ストレスを負荷
第２段階：動作限界の９７．５％まで結合ストレス負荷
第３段階：動作限界から設計限界まで２〜４段階で結合ストレスを上昇
第４段階：最大実際過負荷限界ＭＰＯＳＬまで単独で各ストレスを負荷
第５段階：設計限界からＭＰＯＳＬまで４〜５段階で結合ストレスを上昇
◎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
序言（要旨）
電子装置は高密度実装、高電力消費などにより種々の作動環境を経験する。
携帯機器では通常動作で多くの電子装置同様に熱機械的負荷を経験するが更に機械的衝撃や振動を経験する。
携帯電子装置の落下衝撃では装置の受けた衝撃は筐体から部品基板に伝わり高周波振動が生じ、基板の高周波曲げ
ではんだ相互接合に非常に高ひずみ速度のひずみを引き起こす。
落下衝撃では基板に複雑な曲げ挙動を引き起こすがある程度一般化が可能である。
垂直落下は高度の衝撃力を引き起こし、水平落下は高度な曲げひずみを誘起する。このため基板レベルの落下試験は
多くは水平で行われる。
衝撃での基板の曲げと変形は非常に局在化しているが、基板の自由振動は衝撃の位置と装置の落下方向に依存しない。
振動の自然モードは基板の形状、質量分布（部品レイアウト）、支持に依存する。一方自然周波数はモード、構造の剛性、総質量
に依存する。
衝撃負荷条件での信頼性試験は多くは落下試験で行われているが多くの問題がある。このため代替として基板での
連続調和振動に基づく試験が導入されている。
自然周波数でのアセンブリへの調和負荷印加は落下試験と非常に似た負荷条件をもたらし、破壊モードも同じである。
振動試験は１部品基板の試験に必要な時間を非常に節約できるのが最大の利点である。
電子装置の信頼性はかなり電気的相互接続の種々の負荷への耐性によって決まり、高密度電子装置
では高温に曝されることが多く、熱機械的負荷が重要である。
熱機械的条件では信頼性ははんだ相互接合の微細構造で制御される。
温度サイクルでのはんだ相互接合はバルクはんだ経由の亀裂で破壊する。一方機械的衝撃ではこれと異なり
はんだと接続金属の界面に形成されたＩＭＣ層に沿って亀裂が伝播する。
携帯機器の全寿命では熱サイクルと落下衝撃が絡むようなことがおこる。
２．衝撃試験
・ 高ひずみ速度試験
種々の単一接合レベルと基板レベルの試験
ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１落下試験の携帯機器での広範な受容
落下試験の欠点を補う基板曲げ試験
２．１ ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１落下試験による部品基板の曲げ
・・ 試験方法
・・ 発生するひずみ
部品基板の中央付近の部品の縦longitudinalひずみ
この周波数かこれより低い周波数で振動するモードが基板の全曲げに寄与
・・ 発生振動モード
巨視的振動は低周波モードにより、高周波成分は大ひずみに埋没、（ｂ）高周波モードによるもの
・・ 応力分布
２．２ 落下試験でのはんだ相互接合の負荷
熱機械的負荷と落下の類似性
類似性
はんだ相互接合にかかる熱膨張率差による応力と基板曲げによる応力
違い
負荷持続時間
負荷の大きさ
温度
２．３ 高変形速度での破壊モードと機構
落下と熱サイクルでの最も重要な差は変形速度
高ホモロガス温度では塑性変形は強く歪速度依存（歪速度硬化）
落下は１〜１０／ｓ程度、熱サイクルは１０−７〜１０−５／ｓ程度のひずみ速度
強度の上昇で落下でのはんだ接合の強度と応力分布は熱サイクルと異なるようになる。
ひずみ速度上昇ではんだ接合上昇しかつ部品側に集中
落下試験ではＩＭＣ層は熱サイクル試験より非常に高い応力を経験し、はんだの引張り強度はＩＭＣ破壊
強度を超え、破壊はＩＭＣ層内を伝播するようになる。
ひずみ速度の比較的遅い温度サイクルでは塑性変形を生じ、疲労亀裂ははんだ相互接続部を伝播する。
３ 落下試験代替の振動試験
落下試験はよく使用されるが面倒な試験でもある。この欠点を避けるため振動試験が検討された。
前提はもし基板の曲げが落下試験での相互接続のひずみと応力の主要な源ならＰＷＢの曲げ振幅と
基板振動の周波数をそれらと合わせれば振動での相互接続のひずみと応力は似たものとなる。
落下による始めの２，３個の大きな振幅振動ではんだ相互接合は破壊すると思われるので、振動試験での
ＰＷＢ曲げ振幅はそれに同等であるべきだろう。
３．１ 基本的類似性
振幅を落下の初期の振動のものと合わせる。
落下ではまず下方へ反りそれから振動する。
違いは
振動ではひずみ速度とひずみと応力は若干落下より小さい。
落下ではいくつかの自然曲げモードが同時に作用し、振動試験ではひとつのモードで始まる。
振動では負荷周波数に近い自然周波数のモードでだけ基板が反る。
（低い自然周波数２１７Ｈｚでのひずみ）
振動のひずみ履歴は単純化されている。
３．２ 振動試験の方法
破壊はデイジー・チェーンの抵抗、振動試験装置は電磁式。
３．３ 振動試験での基板の挙動
自然周波数と速度
搭載部品の違いで高周波数になると周波数差が増加する。
曲げ挙動
曲げ振幅はほとんど等しいが、応力履歴曲線の形状とピーク値に違いがある。
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：Ｓｎ０．２Ａｇ０．４Ｃｕ、はんだペースト：ＳＡＣ３８７
熱サイクル：−４５〜１２５℃、恒温アニール：１２５℃、５００ｈｓ
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。
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。
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