すでに （１３−１−１） はんだ相互接合の環境と破壊 で述べたが、通常、電子装置でのはんだ接合の破壊は
圧倒的に熱疲労が多い。
従ってＰｂフリーはんだの探索・調査でも熱疲労の研究が多く、その結果、ＮＥ（共晶近傍）ＳｎＰｂはんだ代替の
候補の第１にあげられたＮＥＳＡＣ系はＮＥＳｎＰｂより耐熱疲労性は優れているとされた。
一方で携帯形電子機器においては落下による破壊が重要視されて来て、落下に対しては高ＡｇのＮＥＳＡＣ系より
低ＡｇＳＡＣがよいとされ特にＢＧＡなどのはんだボールでは耐落下衝撃性のため低ＡｇＳＡＣボールへの移行が
進んでいる。
しかし低ＡｇＳＡＣは耐熱疲労性がＮＥＳＡＣより劣るため、微量成分添加により低ＡｇＳＡＣの耐熱疲労性の
改善やＮＥＳＡＣの耐落下衝撃性の改善が進められてきた。
このように１種類のＰｂフリーはんだが万能な特性を持つということが期待できないためＢＧＡ等では種々の
Ｐｂフリーはんだの混合、すなわちはんだボールとはんだペーストが異なる場合の諸特性の調査が行われる
ようになった。
また当初ＮＥＳＡＣが優れているとされた耐熱疲労性についてもリードレス部品やΔＴが大きくなるとＮＥＳｎＰｂ
が優れるとされる。
以上のようにＰｂフリーはんだの耐熱疲労性の問題は当初より複雑な状態となっている。
そこで以下にＰｂフリーはんだの耐熱疲労性について見ていく。
（１３−４−１） 熱疲労（温度サイクル）の概要
はんだのホモロガス温度
このようにはんだのホモロガス温度は温度サイクル範囲においても高いため復旧（回復と再結晶）や
応力緩和現象が大きな影響を与える。
温度サイクル試験の規格例
EIAJ ED-4702A
ＴＥＳＴ ＭＥＴＨＯＤＳ
００１ 温度サイクル
００２ はんだ接合強度（ピール、プル、プッシュ）
００３ 基板曲げ試験（表面実装部品）
００４ 繰り返し基板曲げ試験（表面実装部品）
００５ 落下試験
ＪＥＳＤ２２−Ａ１０４Ｄ
実使用環境での温度変化
Ｊｏｈｎｓｏｎによると
Engelmaier
実験で使用される条件
Osterman
熱疲労（温度サイクル）の特徴
温度サイクルに伴う応力変化
Ｈａｌｌの応力−ひずみヒステリシス・曲線 （ＬＣＣＣアセンブリ）
非弾性変形（塑性変形＋クリープ）の温度依存性のため温度サイクルでのヒステリシス曲線は複雑となる。
山田
Ｗｉｌｄ
Ｓｋｏｇｓｔｒｏｍ（３６：Ｍｕｓｔａｆａ、３８：Ｗａｎｇ） 温度サイクルと恒温での応力−ひずみヒステリシス曲線
温度変化によるアセンブリしたＰＷＢの変形
温度の昇降でＣＴＥ差により曲げが増加。
保持時間で緩和が起き、その結果塑性変形が生じ、曲げが減少。
温度サイクルによるヒステリシスの変化（Ｓｎ−Ｐｂ）
Ｄａｓｇｕｐｔａ
Dudek
ＦＥ解析 各種はんだの温度サイクルでの応力−ひずみヒステリシス
Ｄａｒｖｅａｕｘ
Darveaux
瞬間塑性変形と遷移クリープの影響
−４０〜１２５℃、昇降９００秒、保持９００秒。
部品にかかるひずみ
チップ部品あるいはリードレス・パッケージでは第１次近似として
ｄ：中立点ＤＮＰからの距離、ｈ：スタンドオフ高さ、Δα：パッケージとＰＣＢのＣＴＥ差
ただし接合にかかる応力はすべてはんだが引き受けるという前提。
リード部品ではリードが緩和するのでこれより低い。
ＢＧＡではシリコン・ダイの影響でパッケージ外辺よりダイ外辺直下付近が最初に破壊しやすい。
広域（グローバル）ＣＴＥミスマッチと局部ＣＴＥミスマッチ
Clech
広域ひずみは上記と同じ
局部ひずみは
γ＝ΔαΔＴ
Δα：はんだとリードフレーム材料またはＰＷＢ材料
Ｈａｎ
広域ＣＴＥミスマッチ・・・部品とＰＣＢ
局部ＣＴＥミスマッチ・・・界面での近接材料間
Ｇｈａｆｆａｒｉａｎ
応力条件が広域から局部に変化すると高応力領域は基板（ＰＷＢ）からパッケージに移動
広域は昇降温２〜５℃／分、高温２０分保持 局部は昇降温１０〜１５℃／分、少なくと１０分保持
ＮＡＳＡ
グローバル、ローカルとはんだ合金のＣＴＥミスマッチの３つ
高ＳｎはんだはβＳｎ粒の影響が大きく、βＳｎは異方性が大きい。（下記）
熱サイクルでのせん断ひずみと基板変形による引っ張り負荷
Shnawah
ＳＡＣとＳｎＰｂの温度サイクルの一般的比較
Osterman
ＳＡＣとＳｎＰｂの比較（一般論）
温度サイクルではＳｎ−Ｐｂは粒粗大化と亀裂形成、成長を示すが、ＳＡＣでは再結晶による
微粒化と粒界の分離による亀裂成長を示す。
ひずみが大きくなるとＳｎＰｂが勝るようになる。
2009_06_2nd Generation LF Alloys-DfR 第２世代２０１１
・温度サイクル（基板搭載試験）
温度サイクルに対しては一般的にＳＡＣ、特に高ＡｇＳＡＣが強いが、厳しい条件に対してはＳｎＰｂが優れる。
（高ΔＴ、チップ部品のような脆い材料の部品、大きなエリア・パッケージ部品）
硬いstiff部品：フリップ・チップ→Ｓｎ−Ｐｂが良い
柔軟compliant部品：ＴＢＧＡ→ＳＡＣが良い
リードレス、セラミック部品、厳しい温度サイクルではＳｎＰｂが良い
ΔＴによって異なる（遷移点が存在）
（１３−４−２） バルクはんだでの温度サイクル疲労
高ＳｎはんだではβＳｎ粒の結晶配向がバルクでの温度サイクル疲労に大きな影響を与える。
βＳｎは異方性が大きく、結晶方位の異なる粒界に温度サイクルにより大きな応力が発生する。
Ｓｎの熱膨張率係数ＣＴＥの異方性
Pierce
Mclean
ＢＧＡの場合
小さなはんだボールは１個ないし数個のβＳｎ粒よりなり、その結晶方位のありかたで熱膨張率差に
大きな違いが生じ、その結果熱サイクル特性がボールごとに大きく異なることとなる。
レンセラー大・ハートフォード校-Pierce
はんだボールごとに種々の結晶方位をとり熱膨張率ＣＴＥ差が極端に異なる。
Ｍａｔｉｎ
バルクはんだでの温度サイクル
粒界亀裂が生じている（Ａ点）。３重点（Ｂ点）ではスベリ帯も発生。
粒構造は変化ない。
結晶方位差の大きい部分に大きな応力発生。
応力集中していない領域には破壊は生じていない。（（ｅ）、（ｇ）、（ｈ））
高応力集中部に破壊が生じている。（（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｆ））
（ｂ）、（ｃ）では粒内にスベリも見える。
（ｅ）では粒界すべりが存在。
結論
Ｓｎの熱異方性によって引き起こされた最大応力部の高傾角粒界にマイクロ亀裂が局在化。
Ｅｒｉｎｃ
バルクＳＡＣ４０５
粒界に亀裂が出現し、損傷は極度に粒間に局在。
３重点での変形。
粒内と低傾角粒界はほとんど損傷していない、一方ですべての高傾角粒界は損傷。
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