Title of Technical or Application Note

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きみかずしばもと
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熱サイクリング安定性に至ります導入熱機構ストレスによって熱サイクリングは大規模な破損と半田付けされた部品の完全な不具合になってしまうことさえありえます Ceramic CTE ~ 6,8 ppm/k FR4 Board CTE ~ 15,5 ppm/k solder SAC CTE~ 21 ppm/k Cu CTE ~ 16,5 ppm/k 図 1: 異なる部品の熱膨張係数 (CTE)

1 VISHAY BEYSCHLAG Resistive Products ITorföalsf,löa sopf はじめにこの調査はお客様の基盤に半田付けされた部品の熱機構的安定性とその部品の半田ペーストの相互作用影響に関する調査ですこれはチップ抵抗器で示されるように 3 回サイクルまでの熱サイクリング安定性で半田と基盤の正しい選択に関連した構成部品設計において専門的に最適化されることによって熱サイクリング安定性に至ります導入熱機構ストレスによって熱サイクリングは大規模な破損と半田付けされた部品の完全な不具合になってしまうことさえありえます Ceramic CTE ~ 6,8 ppm/k FR4 Board CTE ~ 15,5 ppm/k solder SAC CTE~ 21 ppm/k Cu CTE ~ 16,5 ppm/k 図 1: 異なる部品の熱膨張係数 (CTE) の差材料特性 ( 例えば熱膨張係数 ) の違いは熱機械ストレス ( 図 1) を引き起こすことがありますこのストレスは塑性変形およびクリープ現象 ( 時間とともに変形が増大していく現象 ) に発展していく可能性もありそして半田接合部の漸進性退廃により結果的に図 2 で示す疲労性クラック形成を形成してしまいます通常チップ抵抗器のような部品は温度サイクリングを実施することにより部品自身のいかなる老廃が観察される前から故障は半田接合部分で起こりはじめます図 2: 熱疲労クラック構造 ( 鉛フリー端子 SnAgCu- RR 126 半田 -4 C/125 C/2 時間温度サイクリング経過後 ) いろいろな研究において調査された半田接合部で多くの要因はクラック普及を決定しますこの研究はしかしながら部品の様々な特性の影響に関心を持つような内容で半田ペーストと基盤設計を除いても熱サイクリングの頑丈さを強化することができまるという結論にいたりました検証異なるサイズと設置内容でのチップ抵抗器が基盤上に半田付けされて熱サイクリングが導入されました半田接合部の感染性を評価するためにクラックの長さを決定するために顕微鏡で断面図を見て剪断力寸法と抵抗値ドリフトの測定値が同様に使われましたテスト : 基盤 : FR4(4 層および単一層 ) 温度サイクル条件 : 温度レンジ -4~125 ( ), 滞留時間 3 分, 移動時間 1 秒未満, 5 ~ 3 回サイクリング Revision: 28-Nov-12 1 半田 : 鉛フリー SnAgCu (SAC 45), INNOLOT.. リフロー条件 : 標準鉛フリー版 ( 大気条件 ) 断面図分析 : クラックの長さ測定 ( 不具合判定基準 = クラックの長さが濡れ端子の 5% 未満であること ) 強度テスト : IEC test Ue3 に沿ったアセ p ンブリを実施 ( 合否判定基準 =: 剪断強度が温度サイクル実施前の初期値の 5 % 未満に下がっていないこと ) 抵抗値変化 : R/R <.5 % が良品条件

結果基盤設計への影響熱サイクリングの影響は半田パッド位置基盤の材質および基盤の層数に依存して極めて異なる影響が出ました図 3 は 2 サイクルの後で異なる基盤の上で RR 63 チップ抵抗器に関するクラック構造の違いを表します単一層基盤においてはクラックは半田の隙間で見えるだけですが ( 図 3 の左側 ) 多層基盤においてクラックはフィレットを通じて既に伝わっています ( 図

of Cycles 図 4: RR 63 チップ抵抗器, 3 回温度サイクリングまでの SAC と INNOLOT の剪断力の比較図 5: 63 チップ抵抗器の断面図, 15 回温度サイクリング ( 左側 :SAC 半田, 右側 : INNOLOT 半田 ) 図 3: 2 サイクル後の RR 63 チップ抵抗器 ( SAC 半田 ) 他方 3 回サイクルの後でさえ図 6 に 1ΩRR 63

2 結果基盤設計への影響熱サイクリングの影響は半田パッド位置基盤の材質および基盤の層数に依存して極めて異なる影響が出ました図 3 は 2 サイクルの後で異なる基盤の上で RR 63 チップ抵抗器に関するクラック構造の違いを表します単一層基盤においてはクラックは半田の隙間で見えるだけですが ( 図 3 の左側 ) 多層基盤においてクラックはフィレットを通じて既に伝わっています ( 図 3 の右側 ) 明らかにこの差は単一基盤のより大きな PAD サイズによるものと考えられることができますしそれはより高い半田量によるはっきりとしたフィレットの形成につながり結果的により高い抵抗温度係数で頑丈になります mean shear force [N] SAC 45 INNOLOT no. of Cycles 図 4: RR 63 チップ抵抗器, 3 回温度サイクリングまでの SAC と INNOLOT の剪断力の比較図 5: 63 チップ抵抗器の断面図, 15 回温度サイクリング ( 左側 :SAC 半田, 右側 : INNOLOT 半田 ) 図 3: 2 サイクル後の RR 63 チップ抵抗器 ( SAC 半田 ) 他方 3 回サイクルの後でさえ図 6 に 1ΩRR 63 抵抗器で示されるように抵抗値 ( R/R) の変化は低いです (.5% 未満 ) SAC と INNOLOT の半田付けの差はごらんのとおり微々たるものです半田合金の影響 (SAC 対 INNOLOT) 図 4 は剪断強度結果の比較を表します SAC 半田のためにプルダウン剪断力は 3 回サイクルの後で初期値の 3 % に連続的に減少します一方で INNOLOT 半田の使用はサイクル数を完全なテストされた数の 5% の合否判定基準よりさらに上に剪断力を可能にしますより高い剪断力は半田におけるクラック構造の低い率を反映します (15 回サイクルのテスト条件で図 5 に示すとおり ) 原因は標準的な無鉛 SAC はんだに対して比較した温度サイクリング負荷の間の INNOLOT 半田に対するマイナーな劣化であるように見えます 1 図 6: 15 63, 1R チップ抵抗器 2 : 回温度サイクリング相対抵抗値ドリフト ( R/R) の測定結果 Revision: 28-Nov-12 2 dr/r [%] SAC InnoLot

INNOLOT 半田のより高い強度にもかかわらず部品の端子インターフェース (Ni-Ag) の範囲内の剥離は ( 図 6 の 2 回のような ) 高い温度サイクリング負荷の後 2 3 の見本で観察されることができました図 7: RR 63 チップ抵抗器 (2 回温度サイクリング後 ) SAC 半田では半田接合部内でクラック形成が見受けられ I NNOLOT

つの重要な信頼性に対する懸念は半田接合部のボイドの形成です一般にこれらのボイドの拡張性は主に半田ペースト ( 有機フラックス ) の種類とリフロープロファイルの正しい選択で決定されます通常ボイドは半田ペースト溶媒また半田流動 ( 例えば H2O(NH3)) の反応製品から発生しますその上リフロープロセスの間すべての結合を含んだメッキスズ端子の全体は半田接合部に分解されます

スズ端子のメッキにおける光沢度合いは高くすなわち異物 ( 構造は SnOx H2) の取り込みこれは半田結合部における新たなボイドにつながりますこれらの違いの元は何でしょうか?

3 INNOLOT 半田のより高い強度にもかかわらず部品の端子インターフェース (Ni-Ag) の範囲内の剥離は ( 図 6 の 2 回のような ) 高い温度サイクリング負荷の後 2 3 の見本で観察されることができました図 7: RR 63 チップ抵抗器 (2 回温度サイクリング後 ) SAC 半田では半田接合部内でクラック形成が見受けられ I NNOLOT 半田では半田接合部では見受けられないが, 部品の端子接合部 (Ni-Ag) で部分的に剥離が観察された部品への影響その 1~ 電気めっきプロセス ~ 今までは温度サイクリングでの頑丈性における部品の影響に関してあまり詳細は調査されませんでしたこの調査で発見した部品のサイズと位置の他に部品の電子メッキ端子は温度サイクリングの頑丈性に非常に影響を及ぼします 1 つの重要な信頼性に対する懸念は半田接合部のボイドの形成です一般にこれらのボイドの拡張性は主に半田ペースト ( 有機フラックス ) の種類とリフロープロファイルの正しい選択で決定されます通常ボイドは半田ペースト溶媒また半田流動 ( 例えば H2O(NH3)) の反応製品から発生しますその上リフロープロセスの間すべての結合を含んだメッキスズ端子の全体は半田接合部に分解されます半田接合部 ( 特に半田の隙間の ) の熱機械特性は部品のスズ端子とそのスズ端子の電気化学的な付着物の詳細にも自然に影響を受けます好ましくない条件 ( 例えば光沢スズを使用して高電流で付着したメッキの組合せ ) は早期の疲労不具合につながるといえます図 8 は 5 回温度サイクリングの後で 126 のチップ抵抗器の電気メッキ条件の極めてよくない例を表します明らかにスズ端子のメッキにおける光沢度合いは高くすなわち異物 ( 構造は SnOx H2) の取り込みこれは半田結合部における新たなボイドにつながりますこれらの違いの元は何でしょうか?SAC 半田が使用された状況下では熱膨張係数によって誘発されたストレスは半田接合部内でクラック構造を通して軽減されますが IN NOLOT はこれらのストレスに耐えますので従って部品接続部分は次の表 1 に挙げるとおり最も弱い関係になりますまた INNOLOT ペーストにはリフロー半田付けプロセスの間ボイドを生成するような顕著な傾向があります以下の表 1 で SAC 45 と INNOLOT 半田付けの利点と欠点を質的にまとめます SOLDER Crack formation (stand off, fillet) Delamination in compnent's interfaces Voiding SAC 45 o + + INNOLOT ++ o o Key: ++ excellent + good o ok - poor 表 1: SAC と INNOLOT 半田アロイの利点と欠点図 8: RR 126 チップ抵抗器の断面図 (5 回温度サイクル ) SAC/ ニッケルスズ端子これは図 9 の中でも示されます X 線像は理想的な半田付けリフローを行った 2 つの部品を示しますがしかしながらスズ端子上では異なる付着状況です CR 126 component a 図 9: X 線像 : CR 126 component b Revision: 28-Nov-12 3

温度サイクリングの後の剪断力への電解質化学の影響は図 8 の中で示されます 1 回温度サイクリングの後, 1% スズの電解質は蛍光電解質の剪断強度の 2 倍を成し遂げることができます図 11) でこの全体的なより頑丈で固有の剪断強度のため合金をはんだ付けしてください ( 図 11) CR 63 shear strength after TC for different Sn

Solderability TC stability Voiding Whisker Matt tin + + + o Bright tin + o o -/o Key: ++ excellent + good o ok - poor 表 2: 比較表 (1% スズと光沢スズ ) 部品への影響その 2~ 端子設計 ~ 部品端子の設計は

熱機械ストレスはこの粘弾性層によって部分的に吸収されますこのように半田接合部の初期状態での荒廃を防止します図 9 は層のスタックを表します INNOLOT 半田付けもこの設計手法を使ってさらに改善を提供しますがより小さい範囲 ( 図 12: RR 63 チップ抵抗器の剪断強度 ( 温度サイクリング後 ) 部品への影響 ~ その 3~: サイズと位置温度サイクリングの安定度

4 温度サイクリングの後の剪断力への電解質化学の影響は図 8 の中で示されます 1 回温度サイクリングの後, 1% スズの電解質は蛍光電解質の剪断強度の 2 倍を成し遂げることができます図 11) でこの全体的なより頑丈で固有の剪断強度のため合金をはんだ付けしてください ( 図 11) CR 63 shear strength after TC for different Sn -bath chemistries shear strength [%] Cycles 1 Cycles 15 Cycles chemistry E (bright tin) chemistry T (matt tin) 図 1: RR63 チップ抵抗器の剪断強度図 11: 層のスタック以下の表に利点と欠点を要約します Tin termination type Solderability TC stability Voiding Whisker Matt tin o Bright tin + o o -/o Key: ++ excellent + good o ok - poor 表 2: 比較表 (1% スズと光沢スズ ) 部品への影響その 2~ 端子設計 ~ 部品端子の設計は温度サイクリングの安定性にかなり影響を与えることができます応力および温度サイクリングに耐える能力を改善している重合構造を持つ端子で満たされている銀で多層セラミックコンデンサ (MLCC) は成り立っていますこの設計概念をチップ抵抗器に適用するとき温度サイクリングの後半田接合部のクラック構造の決定的な縮小は SAC 半田付け部品のために成し遂げられることができます熱機械ストレスはこの粘弾性層によって部分的に吸収されますこのように半田接合部の初期状態での荒廃を防止します図 9 は層のスタックを表します INNOLOT 半田付けもこの設計手法を使ってさらに改善を提供しますがより小さい範囲 ( 図 12: RR 63 チップ抵抗器の剪断強度 ( 温度サイクリング後 ) 部品への影響 ~ その 3~: サイズと位置温度サイクリングの安定度すなわちすなわち初期の疲労クラック構造に対する頑丈さは部品のサイズにも依存しています部品と基盤の間で適合しない熱膨張係数の影響は部品の端子から端子への距離によって拡大されるために大きめの部品はクラックが発生しやすい傾向にありますより小さな部品は (46 のようなフットプリントでは ) 非常に高い温度サイクリングの安定性を成し遂げます図 12 は温度サイクリングの後で 46 と 126 の剪断強度の Revision: 28-Nov-12 4

比較を表しましてそしてそれは明らかに 46 抵抗器の長所を表します INNOLOT 半田を使って 3 回サイクルの後 46 抵抗器はまだ最初の剪断強度の 76% を保持しますところが 126 抵抗器はその初期値の 3% 以下に落ちました図 14: 部品サイズと定格電力の相関関係図 13: 46 と 126 チップ抵抗器の比較 ( 温度サイクル後 )

5 比較を表しましてそしてそれは明らかに 46 抵抗器の長所を表します INNOLOT 半田を使って 3 回サイクルの後 46 抵抗器はまだ最初の剪断強度の 76% を保持しますところが 126 抵抗器はその初期値の 3% 以下に落ちました図 14: 部品サイズと定格電力の相関関係図 13: 46 と 126 チップ抵抗器の比較 ( 温度サイクル後 ) 熱サイクリングの頑丈性がアプリケーションで必要とされるときはいつでも小さい部品サイズは大きな利点を提供いたします一方で小さな部品の消費電力とパルス負荷容量は非常に低いですこれらのトレードオフは長辺端子の RR 46 チップ抵抗器を使用することによって軽減することが可能ですこの比較的大きなコンタクト面積は ( それはヒートシンクとしても役立ちます ) 3 mw の電力定格の部品として寄与してこれは RR 126 チップ抵抗器に近くなりますしかしながら図 12 で示されるとおり温度サイクリングの頑丈性は極めて良くなります実際後者が最高 3 回の熱サイクリング ( 図 13 ) に耐えてそれは RR 63 と RR 42 チップ抵抗器の間で落ちます Revision: 28-Nov-12 5 まとめチップ抵抗器の熱サイクリングの頑丈性の重要な改善は以下の規則を適用することによって達成できます : ~ 基盤設計 ~ PAD サイズの増加が改善された頑丈性をもたらします ~ 半田合金 ~ INNOLOT は SAC より高い熱サイクリング数を支えますしかし接触する隣接したインターフェースは高い熱サイクリング数で失敗する場合があります ~ スズ電気メッキ ~ プロセス状況は最適化される必要がありますそして望ましい 1% スズの化学反応が適用されなければなりません ~ コンタクト設計 ~ SAC 合金は半田接合部のパフォーマンスは重合接触を適用することによって大幅に向上することができますが INNOLOT 半田のためにこの設計はマイナーな改善だけを提供します ~ 部品の形状 ~ より小さいほどよりよく長辺端子 ( 例えばサイズ 46) は電力定格と温度サイクリングの頑丈性に対して最適な組み合わせを提供します

新高耐久Pbフリーソルダペースト

新高耐久Pbフリーソルダペースト完全ハロゲンフリー 1 PS48BR-6-LSP -4 +15 3,サイクルの熱衝撃にも耐えるはんだ接合部.5mmP BGAも実装可能な微細印刷性柔軟な樹脂を配合しフラックス残渣のクラックを抑制完全ハロゲンフリー化によりウィスカの発生ゼロ鉛フリーはんだの耐久性不足でお困りではありませんか? 使用環境が厳しくなった壊れやすい形状の部品が増加した高密度実装に伴い十分な量のはんだが供給できなくなった