Microsoft PowerPoint - 印刷用②低銀鉛フリーはんだの信頼性と成分分析調査（配布用）

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ありさみやのじょう
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1 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討と実装基板のはんだの分析手法調査中部支所製品安全技術課戸松利恵

2 はじめに現在鉛フリーはんだの主流は銀の含有量が 3 % の SAC305(Sn3.0Ag0.5Cu) *1) であるが近年の銀の高騰から低銀鉛フリーはんだ ( 銀の含有量を 1 % 0.3 % 0.1 % に減量 ) の使用が注目されてきているしかし低銀鉛フリーはんだはまだ実績が少なく信頼性に不安要素がある一方低銀鉛フリーはんだのほかにも現在主流の銀が 3% の鉛フリーはんだ無銀はんだ従来から使用されている鉛含有はんだなど市場の製品に使用されているはんだの種類は多様化してきているこのような状況の中で事故原因の究明を行うためにははんだの成分分析を行いはんだの種類の特定や不純物の混入を調査しはんだの性能を把握した上で調査することが必要と考えられるしたがって低銀鉛フリーはんだの性能を把握するため信頼性の調査を実施するとともに実装基板から使用されているはんだの種類を特定するための分析手法を調査した *1)JEITA( 電子情報技術産業協会 ) の推奨する第一世代鉛フリーはんだ 2

3 目次 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 *2) (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 (3) はんだに起因する製品事故事例の紹介 *2) 中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 ( 中部地元企業名古屋市工業研究所 NITE 中部支所が参加 ) 3

4 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討試験項目接合信頼性評価絶縁信頼性評価 1 冷熱サイクル試験 2 チップせん断試験 3 マイグレーション試験中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 4

5 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 ( はんだ試料の選定 ) 調査対象のはんだはソルダーペーストとし主な仕様は次のとおりであるはんだ組成 (wt%) 0.1Ag 0.3Ag 1.0Ag 3.0Ag Sn Ag Cu 融点 ( ) ( 固相線温度 *3) - 液相線温度 *4) ) *3) 溶け始める温度 *4) 完全に溶ける温度中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 5

6 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 1 冷熱サイクル試験 ( 概要 ) 試験の目的実装部品のはんだの接合信頼性について銀の含有量によって差が生じるか調査するため熱衝撃を繰り返し加えた後クラック等について観察する使用した部品チップコンデンサ (C1005) QFP(Quad Flat Package 表面実装用半導体パッケージの一つ ) 3%Ag( 比較品 ) 1.0%Ag( 低銀 ) 0.1%Ag( 低銀 ) はんだ冷熱サイクル試験条件 -40 /125 ( 各 30 分 ) サイクル数サイクル試験方法実体顕微鏡による断面観察 (JEITA 規格 ET-7409A 準用 ) 中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 6

7 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 1 冷熱サイクル試験 ( 試料の写真 ) 試料の写真はんだ付け条件はんだ印刷厚さ :100μm 予備加熱分間リフロー 250 はんだ溶融まで中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 7

8 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 2 チップせん断試験 ( 概要 ) 試験の目的実装部品のはんだの接合強度について銀の含有量によって差がないか調査するため横押しせん断試験を実施する使用した部品はんだチップコンデンサ (C2125) 3%Ag( 比較品 ) 1.0%Ag( 低銀 ) 0.3%Ag( 低銀 ) 冷熱サイクル試験条件 -40 /125 ( 各 30 分 ) サイクル数サイクル試験方法試験試料を固定しデジタルフォースゲージによりチップ部品が剥がれるまで降下させ最大値を測定する (n=4) 中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 8

9 試験の目的 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 3 マイグレーション試験 ( 概要 ) 実装部品のはんだの絶縁性能について評価するため高温高湿下における絶縁抵抗値の連続測定を実施する試験条件はんだ温度 85±2 相対湿度 85 %~90 % 時間 1000 時間印加電圧 DC50 V 3%Ag( 比較品 ) 1.0%Ag( 低銀 ) 0.3%Ag( 低銀 ) 0.1%Ag( 低銀 ) 試験方法絶縁抵抗値の連続測定顕微鏡による表面観察参照規格 (JIS Z 3284 付属書 14) 中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 9

10 はんだ (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 3 マイグレーション試験 ( 試料の写真 ) くし型電極基板使用した基板基板寸法 mm 導体幅 mm 導体間隔 mm 重ね代 mm 基板素材ガラスエポキシ試料の設置状態中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 10

11 (1) 低銀鉛フリーはんだの信頼性検討 ( まとめ ) 冷熱サイクル試験において 3000 サイクルまで熱衝撃をかけると低銀はんだにおいて明らかなはんだクラックが生じたが 1000 サイクルではクラックは観察されず接合強度の低下も見られなかったチップせん断試験ではどのはんだでも 1000 サイクル ~2000 サイクルの間から強度の劣化傾向がみられたマイグレーション試験ではどのはんだ材料でもマイグレーションは見られなかった以上のように今回実施した試験においては低銀鉛フリーはんだは現行の SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu) と比較して 1000 サイクルまでは顕著な性能劣化の差は観察されなかったただし今回の調査内容ははんだ材料の性能試験の一部である製品化する場合は各社の製品用途にあわせてさらなる検証をした上で行う必要があるまたはんだの融点は高くなり部品への熱ストレスやぬれ性を維持することを考えると温度管理等のはんだ付け条件がより厳しくなるのは間違いない適切でない温度管理をされはんだ付け不良が増えることは懸念される中部エレクトロニクス振興会技術委員会第 4 分科会において実施 11

12 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 12

13 目的 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 ( 目的と試験方法 ) 実装基板からはんだの成分を分析する場合実装基板から採取できるはんだ量が少ない事故調査においては調査の初期には可能な限り基板の状態を維持した状態で分析できた方がよいこれらの事情から蛍光 X 線分析によるはんだの成分分析手法について調査することとし以下の分析が可能か検証する 1 銀の含有量の定量 ( 低銀の識別 ) 2 銅の含有量の定量 (Cu 量の分析 ) 3 微量成分 (Pb,Ni,Co) の検出 ( 微量添加成分又は不純物の確認 ) 試験方法市販はんだを試料とし ICP 分析結果を基準値とし蛍光 X 線 (XRF) 分析結果を比較する蛍光 X 線分析試料の形状は素材そのままはんだ付けした状態 13

14 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 ( はんだ試料の選定 ) 試料 ( 市販はんだ ) は形状がワイヤー状で Ag の含有量微量添加成分に着目し試料を選定した選定した試料の Ag Cu Ni Co Pb の公称含有量を表に示す [ 単位 : 質量 %] 試料 No. Ag Cu Ni Co Pb

15 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 (ICP 分析結果の信頼性確認 ) ICP 発光分光分析の結果の信頼性を担保するため認証標準物質の分析を実施したところ認証値との差は 5% 以内であり良好な結果が得られた [ 単位 : 質量 %] 認証標準物質成分認証値測定値 NMIJ CRM8202a NMIJ CRM8203a 認証値との差 ( 相対値 ) Ag Cu Pb Ag Cu Pb 検出限界 Ag: % Cu: % Pb: % 認証値との差 ( 相対値 )=( 測定値 - 認証値 )/ 認証値 100 前処理方法 Ag : 論文 *5) の方法 ( 試料 0.5 gを塩酸 40 ml+ 硝酸 4 ml で加熱分解し塩酸 12 mlと水で100 mlにする ) その他の成分 :JISZ3910 ( 試料 1 gを王水 ( 塩酸 3: 硫酸 1)50 ml で加熱分解し塩酸(1+2) で100 mlにする ) *5) 誘導結合プラズマ発光分析法による鉛フリーはんだ中の有害元素の定量著者 : 山田圭二杉本健一 ( 愛知産業技術センター ) 15

16 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 ( 蛍光 X 線測定条件 ) 蛍光 X 線分析の分析条件は調査の結果次のとおりとしたなお蛍光 X 線分析装置はエネルギー分散型である Ag Cu Pb Ni Co 定量法検量線法検量線法検量線法検量線法 M-FP 法 *6) 標準物質 MBH 社製 6 種類 MBH 社製 5 種類 JSAC 製 4 種類 MBH 社製 5 種類 MBH 社製 74X CA8 B X 線電圧 [kv] X 線電流 [ua] 測定時間 [s] 測定径 [mm] フィルターなしなし Ni Ti Ti 分析スペクトル線 Kα 線 Kα 線 Lα 線 Kα 線 Kα 線検出限界 [%] *6) ファンダメンタルパラメータ法に標準試料の測定による係数補正を加えた定量方法 16

17 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 ( 蛍光 X 線分析試料 ) 素材そのままの試料 ( 試料を平らに押しつぶした ) はんだ付け断面 ( 樹脂埋め断面研磨 ) 分析範囲 1mmφ はんだ付け上面ワイヤー状のヤニ入りはんだを切り押しつぶした 17

18 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 1Ag の含有量の定量結果 ( 低銀の識別 ) [ 単位 : 質量 %] 試料 No. 公称含有量 ICP XRF ( 素材 ) XRF ( はんだ付け断面 ) XRF ( はんだ付け上面 ) (0.0) 0.34 (+6.3) 0.30 (-3.9) (+1.0) 1.02 (+3.0) 0.89 (-10.1) (-2.3) 3.64 (-0.2) 3.50 (-3.6) (+4.8) 3.13 (+4.8) 2.85 (-4.7) (0.0) 0.10 (0.0) 0.10 (0.0) XRF 検出限界 :0.01 % ( ): ICP 分析結果との差 ( 相対値 ) =(XRF 測定値 -ICP 測定値 )/(ICP 測定値 ) 100 ICP の結果との差 ( 相対値 ) 相対値で 0 %~10.1 % であった素材のままとはんだ付け後で差は見られず銀の含有量の識別は可能と判断される 0.3% 0.1% 3.5% 3% 1% ブランク 18

19 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 2Cu の含有量の定量結果 (Cu 量の分析 ) [ 単位 : 質量 %] 試料 No. 公称含有量 ICP XRF ( 素材 ) XRF ( はんだ付け断面 ) XRF ( はんだ付け上面 ) (+0.01) 0.80 (+0.14) 0.91 (+0.25) 3 *7) (+0.014) 0.18 (+0.174) 0.13 (+0.124) (+0.05) 0.75 (+0.24) 0.69 (+0.18) (-0.01) 0.58 (+0.08) 0.59 (+0.08) XRF 検出限界 :0.01 % ( ):ICP 分析結果との差 =(XRF 測定値 -ICP 測定値 ) *7)Cu は成分として含有していない試料 ICP 分析結果との差 : はんだ付け後は約 0.1 %~0.2 % 程度多く検出した試料 No.3 について : Cu は成分として含有していないにもかかわらずはんだ付け後は約 0.2 % 検出した銅食われによるパターンの溶解で Cu 量が増加している 19

20 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 2 Cu の含有量の定量結果 (Ag と Cu の分布比較 ) 試料 No.6 素材はんだ付け断面はんだ付け上面分析範囲 ( 赤枠内 ) Ag Cu 0.5mm 分布 : Ag の分布に比べるとはんだ付け後の Cu の分布は偏りが見られる実装後の分析は成分分布の偏りや銅食われにより Cu 含有量は変化する 20

成分 Pb *8) 試料 No. (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 3 微量添加成分又は不純物の検出公称含有量 ICP XRF ( 素材 ) XRF ( はんだ付け断面 ) [ 単位 : 質量 %] XRF ( はんだ付け上面 ) 5-0.023 0.034 (+48.7) 0.043 (+88.1) 0.030 (+30.4) 8 *9) - 0.011 0.063 (+474.

21 成分 Pb *8) 試料 No. (2) 実装基板のはんだの分析手法調査 3 微量添加成分又は不純物の検出公称含有量 ICP XRF ( 素材 ) XRF ( はんだ付け断面 ) [ 単位 : 質量 %] XRF ( はんだ付け上面 ) (+48.7) (+88.1) (+30.4) 8 *9) (+474.6) (+551.5) (+408) Ni (-7.4) (-1.3) (-9.1) Co (-25.7) (-23.3) (-27.8) XRF 検出限界 :Pb % Ni 及び Co % ( ):ICP 分析結果との差 ( 相対値 ) =(XRF 測定値 -ICP 測定値 )/(ICP 測定値 ) 100 *8) 公称含有成分ではないが不純物として試料に含まれていた *9) Bi 含有試料 Pb, Ni, Co の微量成分の検出は明らかなピークが得られた定量した結果は絶対値としてはよい値ではないが桁が変わるほどではなかった試料 No.8 のように Pb は Bi が含有しているとピークが重なり定量値が非常に多く出る含有の有無の判断は可能含有量についてはピークの重なりがなければオーダー程度の推測は可能 Co Ni Pb 21

22 (2) 実装基板のはんだの分析手法調査蛍光 X 線分析による分析 ( まとめ ) Ag の含有量の定量実装基板における 3.0%Ag はんだ ( 現行主流はんだ ) と低銀はんだの識別は可能である Cu の含有量の定量実装後のはんだ中の Cu については成分の分布が偏りやすいことや銅食われによる Cu の増加を考慮に入れる必要がある ( もともとの素材の含有量はわからなくなるので結果は参考程度 ) 微量成分の検出の可能性 Pb Ni Co の微量成分はフィルターを利用すれば十分検出可能であったため含有の有無は判断可能含有量の推定についてオーダー程度なら可 Pb は Bi とピークが近く重なるため Bi が含有している場合は要注意である (Bi の量によってはピークが埋もれてしまうし定量値も実際よりかなり多くなる ) まとめ以上より Ag のように分析範囲で均等に分布していれば概ね定量可能であり Pb Ni Co の微量成分の検出も可能であったことから低銀鉛フリーはんだの種類の識別程度であれば蛍光 X 線分析は有効と考えられるただしさらに定量精度を求めるのであれば ICP 等の湿式分析を検討する必要がある 22

試料 No. 実装基板のはんだの分析事例 ( 蛍光 X 線分析 ) 製品名 XRF 測定結果 Pb Sn Cu Ag 製造年 1 電気スタンド 37.5 62.3 0.21-2001 2 音響機器 78.6 21.3 0.10-2008 3 電気カーペットのコントローラー 37.8 62.0 0.17-1999 4 薄型テレビ 0.040 残部 0.

23 試料 No. 実装基板のはんだの分析事例 ( 蛍光 X 線分析 ) 製品名 XRF 測定結果 Pb Sn Cu Ag 製造年 1 電気スタンド音響機器電気カーペットのコントローラー薄型テレビ残部薄型テレビ残部測定条件 No.1-3 定量法 :M-FP 法標準物質 :91X S63PR2 (MBH 社製 ) 測定時間 :300 秒 X 線 : 電圧 40kV 電流 800uA 測定径 :1mm 検出限界 :0.007% 測定条件 No.4-5 P16 のとおり分析範囲 23

24 (3) はんだが原因の製品事故事例の紹介 NITE で過去に調査した事故の中でよく散見される事故原因のはんだ事故について 2 例を紹介します事例 No.1 事例 No.2 はんだ付け不良による事故はんだに外部応力が加わる等の機械的疲労による事故 24

25 事故事例 No.1 ( はんだ付け不良による事故 ) 事故内容ランプを点灯したところソケット部分から発火した 25

26 事故事例 No.1 ( 事故品の状況 ) 発見されたはんだ付け不良ヒューズ抵抗電源線外れ電源線取付部抵抗器の脚銅箔パターン抵抗器銅箔パターン焼損抵抗器の脚電源線が外れていたヒューズ抵抗のリード部に溶融があり最も焼損が激しかったトランジスタコンデンサダイオードに過電流が流れて破損していた使用期間 :2 ヶ月 26

27 事故事例 No.1 ( 事故原因と再発防止措置 ) 事故原因抵抗のリード端子にはんだ付け不良があった接触不良により発熱ショートして基板が焼損発見されたはんだ付け不良 ( はんだ量が少なく穴あきが発生している ) 再発防止措置当該品は既に生産を終了しており今後は製造工程における基板のはんだ付けの検品体制の強化を行うこととした 27

28 事故事例 No.2 ( 外部応力による機械的疲労ではんだ付け部が焼損した事故 ) 事故内容電源コードの差し込み口 (AC インレット ) から火花がでて電源が入らなくなり焦げ臭いにおいがした AC インレットが基板に直接はんだ付けされている (AC インレットに力が加わるとはんだに力が加わる構造 ) はんだ付け部の焼損 28

29 事故原因事故事例 No.2 ( 事故原因と再発防止策 ) 当該機は AC インレット ( 電源プラグ接続コネクター ) が基板上に直接はんだ付けする構造であった電源コードの抜き差し等で ACインレットに機械的ストレスが繰り返し加わったはんだクラックを生じ接触不良となり発煙再発防止措置事業者は注意喚起するとともに ACインレットへの外的ストレスを軽減するような構造に改善した挿抜時の応力がはんだ付け部に加わらないようにコードが追加されている 29

30 はんだ付け不良の例 ( はんだ不足はんだ過多 ) はんだ付け ( 良品 ) はんだ付け ( 不良 ) はんだ量が少ないはんだ量が多いはんだ割れ作動不良基板の炭化ヒーター回路のように大電流の場合炭化が進行し発火する可能性がある 30

31 ご清聴ありがとうございました 31

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