Ｐｂフリーはんだ接合信頼性のまとめとして各種報告の概要を紹介する。
（１３−９−１） マンハッタン計画
ＭＡＮＨＡＴＴＡＮ計画 Ｐｈａｓｅ１ ２００９
航空・軍事分野のＰｂフリー電子化
（抜粋要約）
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（振動、衝撃、落下）、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
（ウィスカについて）
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。
各種はんだの危険性と実績 危険性risk／実績experience
危険性：５が低危険性、実績：５が経験多し
各種はんだの両立性（混合での危険性）
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
７． 信頼性
７．１．２ 故障モードと機構
故障源と信頼性との関係
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。
温度サイクル疲労モデル
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、特徴としてサイクル数はより高くなる。
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
Ｐｈａｓｅ２ ２０１０
３．５ 電子アセンブリ
３．６ はんだ接合
はんだ信頼性問題例
混合ハンダ」ボール工程
ＳＡＣ工程
はんだ合金の流れ
周期的応力でＳｎＰｂは粒粗大化がおき、これにより亀裂が形成され成長する。ＳＡＣでは再結晶で粒形成がおき、この結果
微粒化し粒界で分離し亀裂成長する。
ＰＴＨ挿入搭載問題
Ｃｕ溶解
取り扱い
はんだ接合信頼性効果
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