Ｗｅｉｑｕｎ Ｐｅｎｇ
＜要約＞
１． 序言
消費者電子機器の携帯化、多機能化と小型化が進展。
電子機器を構成する要素には内部相互接続があり故障はしばしばこの内部相互接続が関係。
特にＰＷＢとシリコン素子、パッケージ、モジュールなどとのはんだ接合が重要。
パッケージには種々の形態と接続端子、電極が存在し微細化、高密度化が進展。
これらとはんだのＰｂフリー化により新たな信頼性問題が発生。
２．信頼性挑戦
ＷＬＣＳＰ、ＦＣＢＧＡなどでははんだ接合は２つの金属系間で構成され、一方はＵＢＭ、他方つまりＰＷＢはＯＳＰ（Ｃｕ）
あるいはＮｉ／Ａｕ。
この信頼性を金属学的、機械的、電気的、環境的観点から検討する。
２ 信頼性挑戦
２．１ 金属学的反応
リフロー過程
融点より２０℃程度上の温度で溶融、ＵＢＭあるいはパッド金属の溶融はんだへの溶解、界面でのＩＭＣ形成、
場合によってＩＭＣ剥離が生じる。
２つの電極の交互作用も重要。
凝固で、ＩＭＣ成長、はんだバルク粗大化、新ＩＭＣ相形成が温度条件に依存して生じる。
金属（ＵＢＭ、パッド）溶解
ＳｎＰｂとＳｎＡｇとでは若干異なるがＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉの順に溶解しやすい。
ＳｎＰｂよりＰｂフリーはんだで溶解しやすい。
Ｎｉは溶解が遅く、Ｃｕのバリアとしてよく使用される。
界面反応
リフローでの電極溶解でＵＢＭあるいはパッド上にＩＭＣが形成される。
ＩＭＣは通常ＡｕＳｎ４、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４など。
信頼性試験や実使用でも界面反応は続く。この固相反応（拡散）では界面にＣｕ３Ｓｎが形成され、Ｃｕ６Ｓｎ５はやや平坦化する。
成分間の相互拡散の速さは異なり界面にマイクロボイドが発生する。これは温度、時間と共に増加。
ＩＭＣ剥離
界面のＩＭＣがはんだバルクへ移動することがあり剥離spallingと称する。
これはＮｉ／ＡｕとのＳｎＡｇＣｕ接合で観察された。
複数回リフローでＮｉ３Ｓｎ４、Ｃｕ６Ｓｎ５の２層構造が形成される。
ＩＭＣ間の弱い結合でＣｕ６Ｓｎ５が内部圧縮応力で剥離。
更にＮｉめっきに圧縮応力があれば２層は容易に分離、界面故障を引き起こす。
交差作用
Ａｕ、Ｃｕなどの溶融はんだへの高速溶解のために小さなあるいは小体積のはんだ接合では一方の電極(金属）
が他方の界面反応に影響を与える。
Ｎｉ（Ｖ）／ＣｕとＮｉ（Ｐ）／ＡｕでＡｕが移動し対面のＮｉ溶解を促進し、ＩＭＣ剥離を加速。
２．２ 機械的
機械的負荷には単調、繰り返し曲げ、ねじり、落下などがある。
基板での機械的負荷がはんだ接合の主な応力原因。
応力はせん断、引っ張り（引き剥がし）あるいはその結合。
落下では引っ張り応力、温度サイクルではＣＴＥミスマッチによるせん断応力となるが、
基板の位置により中央では引っ張り、周辺ではせん断が支配的。
構造と構成材料で熱膨張率差の影響は異なる。（ＣＳＰがＢＧＡより厳しい）
２．３ 電気的
熱マイグレーション、エレクトロ・マイグレーションが熱勾配、高電流により起き、高湿度で電気化学マイグレーション
（イオン・マイグレーション）が起きる。
２．４ 環境
高湿、高温、低温、腐食環境などが有り得る。
フラックス残渣が更に悪影響を与えることもある。
吸湿が樹脂封止の故障の主要原因のひとつ。
低温ではＳｎペストが起こり得る。
３．はんだ接合の機械的信頼性
３．１ ＳＡＣはんだの機械的性質
金属材料の機械的特性は微細組織、組成、製造工程に依存。
微細構造は組成、製造工程で決まる。
３．１．１． ＩＭＣの分散強化効果
ＳｎＡｇＣｕはんだではＡｇ、ＣｕはほとんどＡｇ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５となる。
このＡｇ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５分散構造には得失がある。
はんだバルクの疲労抵抗を向上させるがＳｎＰｂより非常に硬く変形困難で、機械的応力緩和・解放困難で
落下での界面破壊を引き起こし、Ｐｂフリーパッケージ接合の問題となっている。
熱的あるいは機械的サイクルでは亀裂は粒界スベリによって粒界に沿って伝播。
共晶組織のＡｇ３Ｓｎは粒界すべりを抑制するので、Ａｇ増加で熱サイクル特性改善。
Ｃｕ６Ｓｎ５はＡｇ３Ｓｎより大きいのでそれほど顕著ではない。
しかしＡｇ＞３％でＡｇ３Ｓｎが界面で巨大化しかえって亀裂伝播チャネルとなり、耐疲労性劣化。
Ａｇが多いとより高弾性、高硬度となる。低Ａｇが柔軟で落下、衝撃、高歪速度（曲げ・せん断・・・）試験で良い性能を示す。
ＢＧＡパッケージでは落下、高歪速度に対し低Ａｇ（＜１．２％）が好ましい。
はんだは応力状況に応じて選択されるべきである。
はんだ接合で引っ張りが支配的なら低Ａｇはんだが、せん断が支配的なら高Ａｇはんだがはんだバルクでの疲労亀裂伝播を
抑制する。
３．１．２．熱エージング効果
リフロー後ははんだ接合は非平衡状態にある。
エージングで過飽和Ｃｕ、Ａｇが非常に微細なＣｕ６Ｓｎ５とＡｇ３Ｓｎとして析出し、微量でも効果がありはんだが強化される。
この過程が界面に応力が蓄積するのを助け、落下性能が劣化する。
更なるエージングあるいは高温（１２５℃〜）ではＩＭＣ粗化が生じ、はんだは軟化し、落下性能の改善や硬度低下が生じる。
ＳＡＣ３８７ボール
携帯装置の落下性能向上のため熱エージングを採用するのは産業上実際的ではないが、実使用でははんだ接合は
高温に曝されるので室温での落下試験では十分に評価できない。
３．１．３．ひずみ速度硬化
種々の試験ではんだが変形するとバルクはんだの加工硬化あるいはひずみ硬化が生じる。
Ｓｎの室温でのホモロガス温度＞０．５９Ｔｍなので回復と加工硬化の減少が生じる。
回復は時間依存過程である。
あるひずみ速度での強度は回復と加工硬化の釣り合いとなる。
強度はひずみ速度とともに増加する。（ひずみ速度硬化）
ＳｎＰｂとＳｎＡｇは歪速度応答性が異なりＳｎＰｂが敏感。
ＳｎＰｂは低ひずみ速度で軟化、これはＳｎＡｇ基ではみられず、高ひずみ速度ではＳｎＡｇがＳｎＰｂより加工硬化しやすい。
これらの差異はＡｇ３Ｓｎの転位移動の妨害効果による。
高ひずみ速度ではＳｎＡｇが加工硬化しやすいことは携帯電子機器では重要である。
落下のひずみ速度は約１０３／ｓと見積もられ、温度サイクルの〜１０−３／ｓより非常に速い。
はんだの流動応力は落下では熱サイクルより２〜３倍大きくはんだ接合の角領域により集中する。
落下ではＳＡＣはＳｎＰｂより強くなり界面故障の割合が高くなりパッケージ性能が低下する。
これはＡｇ３Ｓｎ存在が原因なのでＡｇ量減少で改善される。
ボール引きやせん断試験結果は試験速度に依存、低速でははんだバルク破壊、高速では界面破壊が支配的となる。
はんだ接合の破壊モードははんだの機械的特性だけでなく、パッドの表面処理とパッド下の材料にも関係する。
熱サイクルはより複雑で、シリコン、パッケージ基材、ＰＣＢなどとのＣＴＥ不整合のためはんだボールは加工硬化する。
同時にこれらの機械的特性は暴露温度に影響され、熱サイクルでの昇降速度や保持時間が重要な影響を与える。
昇降速度が速いと高ひずみ速度となりはんだ／パッド界面に高応力がかかる。
このためパッケージ性能は熱サイクルより熱衝撃が悪い。
はんだが０．５Ｔｍ（ホモロガス温度）以上になると（共晶ＳＡＣでは−２８℃）回復過程が活性化される。
回復過程で変形粒は微細化し、ひずみ硬化が減少する。そのため高温では低温より軟らかくなる。
回復過程は時間依存過程なので保持時間が短いほど回復は少なく、はんだは軟らかくなりにくい。
３．１．４ はんだ疲労
はんだ疲労は繰り返し負荷過程での典型的破壊機構である。
熱サイクルでは熱膨張率差で繰り返し応力が発生する。
耐疲労性は初期はんだ微細構造に依存する。
ＳＡＣは高Ｓｎはんだなので疲労挙動はＳｎリッチ相（βＳｎ）によりほぼ決定される。
共晶近傍ＳＡＣは冷却速度と凝固条件によりと等軸かデンドライト微細構造となる。
等軸組織は等軸Ｓｎリッチ粒と分散ＩＭＣよりなり、デンドライト組織は微細な共晶構造に囲まれる。
電子機器では通常デンドライト微細構造となるが熱サイクルあるいは繰り返し落下試験後の再結晶で
デンドライト構造は等軸構造に進展することがある。
等軸構造ではすべり帯がＳｎ粒に見られるが、疲労初期には粒界に沿って粒界すべりとマイクロクラックが進展する。
熱サイクルでは疲労ははんだ接合の応力のかかったネック部（くびれ部）のＳｎ粒の再結晶によって始まる事が多く、
変形部は微細粒化する。再結晶領域の粒界すべりは微小亀裂の生成と伝播を促進し初期疲労に至る。
微小亀裂の合併で疲労亀裂となるがＡｇ３Ｓｎによって合併は抑制される。それゆえ高Ａｇは熱疲労を起こしにくい。
初晶の巨大な板状Ａｇ３Ｓｎは亀裂伝播経路となる事も多い。
デンドライト構造ではβＳｎデンドライトへのサイクル変形の蓄積でβＳｎデンドライトと共晶組織の境界あるいはβＳｎデンドライト
内部に沿って亀裂が発生し、共晶組織を通って粒間を亀裂が伝播する。
等軸構造では粒界から亀裂発生しやすく、高角粒界を好む、亀裂成長は粒間と粒内が混合。
初期は亀裂は孤立し分離、亀裂の増加で合併し疲労亀裂を形成し、引き続く成長で徐々にはんだの疲労破壊に至る。
粒界亀裂の合併は針状Ａｇ３Ｓｎが阻止するので、熱サイクルは高Ａｇが良い成績を示す。
しかし巨大な初晶Ａｇ３Ｓｎが析出しないようにＡｇは共晶の３．４％より低いほうが良い。
亀裂はこの巨大な初晶Ａｇ３Ｓｎに沿って伝播する。
熱エージング後の落下では熱エージングで生じた界面近くの再結晶領域で亀裂がおきる。
Ａｇ３Ｓｎ板とはんだの界面が亀裂経路となりやすい。
落下では亀裂は端から始まり中央に伝播する。延性的なはんだを亀裂は伝播する。
３．２．界面反応
界面結合強度は大きく界面構造（ＩＭＣ相と形態morphology）に影響される。
３．２．１．ＩＭＣ形成と形態
ＯＳＰ−ＣｕとＣｕ−Ｓｎ ＩＭＣ
ＯＳＰ−ＣｕとＳＡＣの接合ではリフローでＣｕ上に最初にＣｕ６Ｓｎ５が形成され、形状は半球形か丸い形状である。
はんだをエッチングすると界面Ｃｕ６Ｓｎ５層はほたて貝殻状scallop-likeである。
Ｃｕ量が共晶より高くなると初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が棒状あるいはニードル状に析出する。
固相反応でＣｕ３Ｓｎが形成される。リフロー後では非常に薄く層状であるが、高温貯蔵でＳＥＭで認められるようになる。
時間と温度でＣｕ３Ｓｎは厚くなりＣｕ／Ｃｕ３Ｓｎ界面ととＣｕ３Ｓｎ内にカーケンダール・ドイドが発生する。
Ｎｉ／ＡｕめっきとＳＡＣ
Ａｕのはんだへの溶解と拡散は非常に速い。
ＡｕＳｎ４形成による信頼性問題を避けるためにＡｕめっきは非常に薄くする必要がある。
Ｎｉ／ＡｕではＡｕは完全にはんだ中に溶解し、ＮｉとＳｎで界面反応が起きる。
ＳｎＡｇＣｕとＮｉの界面反応は複雑ではんだ中のＣｕ量に依存する。
Ｃｕ量によりＮｉ３ＳｎからＣｕ６Ｓｎ５に変化する。
０．３％以下だとＮｉ３Ｓｎ４が生成。
０．３−０．６％では両者だがＣｕ６Ｓｎ５は連続層にならない。
０．６％以上ではＣｕ６Ｓｎ５が生成。
ＳＡＣのＮｉ／Ａｕ上の界面ＩＭＣは純粋なＮｉ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５でなくＮｉ、Ｃｕ、Ａｕを含む。
Ｃｕ６Ｓｎ５へのＮｉ固溶は高く２０原子％、Ｎｉ３Ｓｎ４には電子アセンブリでは９原子％までのＣｕが検出される。
微量のＡｕも界面ＩＭＣに取り入れられる。
Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｕはすべてｆｃｃでＣｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４の格子を互いに置換するので（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５あるいは（Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｕ）３Ｓｎ４
となる。
Ｎｉ上の（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５の形態はＣｕ上のＣｕ６Ｓｎ５と異なり、ＣｕとＳｎＡｇＣｕでは界面Ｃｕ６Ｓｎ５はほたて貝殻状だが、
Ｎｉの上の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は棒状あるいはウイスカー状、高温暴露でＩＭＣ層が成長し、ＩＭＣ結晶の粗化coarsenと平坦化flattenがおきる。
熱サイクルでウイスカー状（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は等軸構造となり、界面近くのはんだのＣｕ６Ｓｎ５が界面に再堆積。
（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の下に（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が形成されることがある。
業界ははんだ接合の界面破壊の割合が高いのを経験してきている。
（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５はＳｎＰｂのＮｉ３Ｓｎ４より脆いとされる。
高界面破壊速度は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の下のＮｉ３Ｓｎ４との弱い界面によると考えられる。
３．２．２．マイクロ・ボイド形成
界面反応はリフロー後も固相反応で続き、ＩＭＣ成長とＣｕ３Ｓｎ／Ｃｕ界面とＣｕ３Ｓｎ層内でのマイクロボイド発生にいたる。
Ｃｕ３Ｓｎでの主要拡散種はＣｕでＣｕとＳｎの相互拡散は釣り合いがとれずKirkendallボイドが形成される。
ＳＰＳのはんだ浴への添加はボイド生成に大きな影響を与える、また亀裂界面にはＳが検出される。
はんだとＣｕパッド間のマイクロ・ボイドの主原因はKirkendall効果ではなくＣｕめっきで巻き込まれた不純物である。
３．２．３ 固体でのＩＭＣ成長
Ｃｕ３Ｓｎの成長でＣｕ６Ｓｎ５／はんだ界面へのＣｕ移動は抑制され、Ｃｕ６Ｓｎ５の成長ははんだ中のＣｕに依存。
はんだ中のＣｕが消費されると、熱エージングではＣｕ３Ｓｎが両側へ成長する。
３．３ Ｓｎペスト
Ｓｎは１３℃でβＳｎ（ｂｃｔ）からαＳｎ（ダイヤモンド構造）へ同素変態し、体積が２７％増加し、このためバルクＳｎは
分解し粉々になる。（Ｓｎペスト、Ｓｎ病）
変態抑制には合金化、特にＰｂが有効であることが知られている。
固体Ｓｎに固溶する成分がＳｎペスト抑制に効果があると思われる。
Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．４−０．８Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３６Ｐｂ−２Ａｇの２−１９６℃ｘ５０ｈ、２−４０℃ｘ４年、２−１７℃ｘ１．５年の
保持試験でいずれもＳｎペストは起きなかった、純Ｓｎだけはおきた。
ＰｂフリーはんだでＳｎペストは起きそうにない。
６． 要約
１）
ＳＡＣはんだ接合のＣｕとの界面ＩＭＣはＳｎＰｂと同じ。
Ｃｕ：Ｃｕ６Ｓｎ５とＣｕ３Ｓｎ
Ｎｉ／ＡｕはＣｕ量による
０．３％以下で（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４
０．３％以上で（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５と（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が共存し、高界面破壊の原因になる思われる。
２）
熱エージングがＰｂフリーはんだ接合の微細構造を変化させる。
適正な熱エージングで接合信頼性が向上。
ＩＭＣ分散強化、ＩＭＣ粗大化、ひずみ速度硬化、再結晶が観測され衝撃性能に影響。
３）
Ｃｕ／Ｃｕ３Ｓｎ界面のマイクロ・ボイドについては論議がある。
弱い界面はＣｕ３Ｓｎ／Ｃｕ６Ｓｎ５とＣｕ６Ｓｎ５／はんだ。
エージングで弱い界面はＩＭＣ層からはんだバルクに移動。
エージングでＣｕ６Ｓｎ５を犠牲にＣｕ３Ｓｎ成長。
４）
せん断強度とクリープでは共晶が非共晶より良い。
５）
ＳＡＣとＳｎＰｂのＡｕ存在下での熱サイクルでの異なる挙動。
ＰｂフリーではＡｕ−ＳｎとＡｇ−Ｓｎの界面を亀裂が伝播。
ＳｎＰｂでははんだ−部品界面のＰｂリッチ層を伝播。
６）
Ｓｎペストは起こりそうにない。
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