◎熱サイクルと機械的衝撃 ２００５
３．２ 機械衝撃負荷でのＳＡＣ相互接合
携帯電子製品の落下で衝撃は筐体から基板に伝達し基板の大きな曲げと振動を引き起こす。
ＪＥＤＥＣ ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１に基板レベル落下試験が標準化。
基板は支持ジグで支持されガイド・レールに沿って制御されて落下。基板は自由に曲げうるので
種々のモードの自然周波数の曲げ発生。
＜落下試験による３つの顕著な自然モード＞
＜基板の縦ひずみ波形＞
（ａ）落下後のひずみ波形、（ｂ）高周波数の自然モードによるひずみ波形
巨視的振動は低周波数の自然モードにより、高周波数振動は大きなひずみに埋もれている。
熱機械的負荷と機械的負荷の違い
温度と変形速度
熱サイクルでは変形速度１０−４〜１０−２／ｓ
落下試験では約１０３／ｓ
＜歪速度応答性＞
落下試験でのはんだの流動応力は熱サイクルより２，３倍高い。
高変形速度でははんだ相互接合の強度が増加し、界面での応力が脆いＩＭＣ層破壊強度を超える。
バルクはんだは顕著には塑性変形せず、再結晶は観察されない。
ひずみ速度が増加すると双晶機構が活発となり、相互接合領域の高応力部に双晶が観察される。
４． ＣＳＰの熱サイクルと落下信頼性
Ｓｎ０．２Ａｇ０．４Ｃｕバンプ
４．２ 落下試験
はんだペースト：ＳＡＣ３８７
＜（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５経由の部品側破壊：Ｃｕ｜ＯＳＰ 注：界面は薄いＮｉ／Ａｕ＞
＜（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５下のＰＷＢ側破壊：Ｎｉ（Ｐ）｜Ａｕ＞
落下試験の破壊モードは熱サイクルと非常に異なる。
室温は０．６Ｔｍで塑性変形は強くひずみ速度依存。
熱サイクル（〜１０−３／ｓ）より落下試験（〜１０４／ｓ）ではんだ接合強度非常に大。
そのためはんだ接合の応力の強度と分布も異なる。
有限要素法によると応力が増加するだけでなく部品側に集中。
落下試験でのはんだ相互接合の高流動応力のためＩＭＣ層は顕著に熱サイクルより高応力を経験する。
同じ計算でＰＷＢ側のはんだ｜パッド相間応力は部品側の半分より小さい。
はんだの引張り強度はＩＭＣの破壊強度を超えＩＭＣ層内を破壊は伝播。
＜落下試験後のバルクはんだ構造：機械的双晶＞
落下試験サンプルには再結晶は観察されない。
落下試験でははんだ相互接合の強度が増加し顕著な塑性変形はおきない。
ひずみ速度増加で双晶機構が活性化される。
高応力な相互接合領域に双晶が典型的に観察される。
＜Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕの反応層のＴＥＭ＞
ＰＷＢ側界面の応力は部品側より非常に小さいがＮｉ（Ｐ）｜Ａｕはんだ相互接合の主要破壊モードは
ＰＷＢ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の下。
Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕの破壊経路はいつもＣｕ／ＯＳＰより非常に平滑で真っ直ぐ。
Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕに形成されるＩＭＣ層は複雑な多層構造となる。
＜破壊路に垂直なＸ線ラインプロファイル＞
破壊伝播はＮｉパッドと（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５間のどこか。
機械的衝撃負荷条件でのＣＳＰ相互接続の信頼性
ＳＡＣバンプ、ペーストＳＡＣ３８７
ＰＷＢはＯＳＰとＮｉ（Ｐ）／〜０．０２μｍＡｕ
部品側金属層は電気化学Ｎｉ／Ａｕ→はんだ付けで（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５ ＩＭＣ形成
＜変形速度と応力分布＞
落下試験の破壊モード
部品側界面の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５ ＩＭＣ内
ＰＷＢ側界面のＣｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣ内（Ｃｕ ＯＳＰアッセンブリ）
ＰＷＢ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の下（Ｎｉ（Ｐ）アッセンブリ）
ＰＷＢのはんだ付けパッド下の樹脂被覆Ｃｕ積層（パッド下積層板えぐれ）
＜Ｃｕ｜ＯＳＰアッセンブリ＞
上：電気化学Ｎｉ／Ａｕ、下：Ｃｕ／ＯＳＰ
＜Ｎｉ（Ｐ）｜Ａｕアッセンブリ＞
ＰＷＢ側ＩＭＣ層に厳しい亀裂
＜ＰＷＢの積層板亀裂＞
高速機械負荷（落下試験）
ＣＳＰサイズのＳｎ−０．２Ａｇ０．４ＣｕバンプＢＧＡ、径５００μｍ、８００μｍピッチ、バンプ数１４４
ＰＷＢパッドはＯＳＰとＮｉ（Ｐ）／０．０２μｍＡｕ、ＰＷＢ接合ペースト：ＳＡＣ３８７、電気抵抗モニタ
部品側ＵＢＭ：〜０．６−０．８μｍ電気化学Ｎｉ／フラッシュＡｕ
＊電気化学Ｎｉ上に形成された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５
機械的衝撃負荷（落下試験）
はんだペースト：ＳＡＣ３８７
ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１条件Ｂ（ピーク減速度１５００Ｄ、パルス幅０．５ｍｓ）
基板Ａｇ：０．５〜０．７μｍ化学Ａｇ
従来と異なる破壊モード→部品の寸法と構造が異なる。
プレゼン
＜ひずみ速度による応力分布変化と破壊モード＞
落下への温度の影響
ＣＳＰ、バンプ：ＳＡＣ４０５、Ａｌ／Ｎｉ（Ｖ）／Ｃｕ、はんだペースト：ＳＡＣ３８７
η：特性寿命、β：形状パラメータ
亀裂核生成場所は試験温度に関わらず同じ、ＵＢＭと誘電体層（ベンゾシクロブテンＢＣＢ）の間。
まずＡｌ｜ＢＣＢ界面に沿って伝播し、ついでＡｌ層間を２０〜３０μｍ、最後にＩＣ層はバルクはんだに跳ぶ。
温度上昇で亀裂伝播経路は変化する。
室温では部品側（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５ ＩＭＣ層、温度上昇で徐々に亀裂伝播経路はバルクはんだに変化。
温度上昇ではんだの強度は低下し、塑性変形で相互接合の最大応力は減少。
ＰＷＢの剛性も温度上昇で低下、しかし温度は局在化しているために剛性低下も局在化。
このような応力低下で破壊モードはＩＭＣ層亀裂からバルクはんだ亀裂へ変化。
昇温による機械的衝撃でのはんだ相互接合の破壊モード（振動と落下）
はんだペーストＳＡＣ３８７、基板ＯＳＰ
落下試験は８２ｃｍ、ピーク値１５００Ｇ、パルス幅０．５ｍｓ。
振動試験は落下試験と同じひずみを与える振幅のＳＩＮ波。
＜落下と振動のひずみ＞
＜試験結果＞
高温ではひずみ速度効果が少なく、よくなるはずだが、
温度上昇でＰＷＢのひずみは増加。
・破壊モード
落下と振動の破壊モードは同じ。
部品側ＩＭＣ層亀裂とＣｕパッド下の樹脂コートＣｕの亀裂が確認される。
ＩＭＣ亀裂だけが電気的故障を起こす。
ＩＭＣ亀裂は
Ｃｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣ層
はんだとＣｕ６Ｓｎ５の界面
Ｃｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣ層付近のはんだ
の３つが認められ発生はＩＭＣ層の形態に大きく依存。
ＳＡＣ＋Ｂｉ、Ｎｉ 落下と温度
１） 落下信頼性は温度とともに減少。
２） Ｃｕ／ＯＳＰ PWBがＮｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢより良い。
３） 室温ではＳｎＡｇＣｕＮｉがＣｕ／ＯＳＰ ＰＷＢで最も良く、ＳｎＡｇＣｕはＮｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢで最も良い。
破壊モードは
ＳｎＡｇＣｕとＳｎＡｇＣｕＢｉの破壊モードは温度で相互接合界面亀裂からＣｕ配線亀裂へ変化。
ＳｎＡｇＣｕＮｉの破壊モードは温度、パッド材料に関わらずＣｕ配線亀裂。
はんだによる違いは
Ｃｕ／ＯＳＰ ＰＷＢ・・・ＳｎＡｇＣｕとＳｎＡｇＣｕＮｉが同等でＳｎＡｇＣｕＢｉより優れている。
Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢ・・ＳｎＡｇＣｕが最も信頼でき、ＳｎＡｇＣｕＢｉがこれに次ぎ、ＳｎＡｇＣｕＮｉが最も劣る。
昇温ではＰＷＢパッド電極によらずＳｎＡｇＣｕが最善でＳｎＡｇＣｕＮｉが最悪。
β値（ワイブル曲線の傾き）で破壊モードが分かれる
高β（３．８以上）・・・すべてパッド端のＣｕ配線亀裂
低β（１．９以上）・・・ＰＷＢ保護膜に依存
Ｃｕ／ＯＳＰ ＰＷＢアッセンブリ・・・ 部品側ＩＭＣ層、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５ ＩＭＣ層内を亀裂伝播。
＊部品側ＵＢＭは明記ないが両方とも他同様にＮｉ／Ａｕと思われる。
Ｎｉ（Ｐ）／Ａｕ ＰＷＢアッセンブリ・・・ Ｎｉ（Ｐ）と（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の間の非常に狭い反応帯。
室温ではすべて低β、一方１１０℃ではすべて高β
高変形速度での温度の影響
高Ｓｎはんだはひずみ速度硬化を起こす。
その結果応力は界面付近のはんだ相互接合端に集中しＩＭＣ層の脆性破壊強度を超える。
昇温によるＰＷＢの曲げ増加とはんだ相互接合強度低下ではんだ相互接合の応力分布が変化。
このため部品側界面領域の引き剥がし応力が低下し、ＰＷＢＣｕ配線の塑性ひずみ増加。
| 戻 る | 目 次 | 次 へ |