技術レポートはんだ接合部の熱疲労試験に及ぼす温度変化率の影響 青木雄一 辻江一作永井孝幸 技術開発本部テクニカルソリューションセンター信頼性研究室エスペックテストセンター株式会社事業推進部横浜試験所 これまではんだ接合部の接合性試験において, 温度変化率の影響について詳しい研究はなされてこなかった 46 号 ( はんだ接合部の温度サイクル疲労に及ぼす温度変化率の影響,2006 年 7 月 3 日発行 ) に続いて, その影響を調査した 温度変化率の条件は, 市場環境に即した 15 /min(iec 60749-25 準拠 ) から, 液槽式熱衝撃の範囲までの実験を行い, それらの相関関係について検討した 熱疲労試験ストレスの定義は国内では統一されたものはない そのため IPC-SM-785(IPC: アメリカ業界規格 ) に準拠し以下のように定義した 熱疲労熱膨張が一部あるいは完全に拘束された状況下での繰り返し加熱 冷却による材料の劣化と, それに起因する割れ 熱衝撃供試品に瞬間的な温度勾配とストレスを生じさせる急激な温度変化 目安として,30 /min を超える温度変化率を用いる 温度サイクル ( 熱サイクル ) 供試品が, 熱衝撃を受けない十分緩慢な温度変化 20 /min 以下の温度変化率を用いる なお, 本報告は前報 ( はんだ接合部の温度サイクル疲労に及ぼす温度変化率の影響 ) の続報ですがタイトルの一部を 温度サイクル疲労 から 熱疲労試験 変えています これは上記のように用語の定義を統一し, 総称として熱疲労試験としたためです 1. はじめに はんだ接合部の熱疲労評価において, 市場相関性を明確にする目的で, 熱疲労試験の温度変化率を規定した試験条件が IEC で規格化された 1),2),3) しかし温度変化率に関する FEM( 有限要素法 : 構造解析のための工学的手法 ) 解析の報告はあるが 4),5), 実際の熱疲労試験結果との比較に関する研究は少ない 熱疲労試験では, 温度変化率が高くなるほど, 試料の内部熱伝達の差が懸念される したがって, 材料が異なる場合や部品形状の違いなどの実試験結果による検証が必要である 46 号では,BGA および QFP パッケージのはんだ接合部に対して, 温度変化率の異なる気槽式熱疲労試験器 ( 商品名 : 冷熱衝撃装置, 型式 :TSA-101, エスペック製 ) を用いて比較試験を行った その結果, 疲労寿命に対して顕著な違いは見られなかった 6) 一方, チップ抵抗や CSP パッケージでは, 熱膨張係数の大きく異なる材料がリードレスで接合される そのため熱疲労ストレスを受けやすく, 部品形状が信頼性に与える影響も大きいと考えられる また, 車載電子機器の増加や, 試験時間短縮のために, 急速な温度変化を与える液媒体を用いた液槽式熱衝撃試験も頻繁に行われるようになってきたが, 場合によって過剰なストレスも懸念されている 7) 特に鉛フリーはんだに関する報告が少ない そこでチップ抵抗および CSP パッケージを用いて, 液槽式も含めた温度変化率がはんだ接合部に与える影響について比較検討した 3 エスペック技術情報 No.50
2. チップ抵抗はんだ接合部への影響 2-1 試料および試験方法供試品には図 1 に示す評価基板を製作し, 各種サイズの異なるゼロオーム抵抗を実装した 実装条件を表 1 に示す はんだ材は Sn-37Pb と Sn-3.0Ag-0.5Cu をそれぞれ実装した 部品めっきはいずれも Sn めっきとし,Cu ランドにプリフラックス処理した基板を用いた Cu ランドサイズはメーカ推奨条件である 試験条件は表 2 に示す 3 種類とし, それぞれ構造の異なる試験装置を用いた (1) は 1 槽式で温度変化率がコントロールできる試験器である (2) は通常行われることの多いダンパ切り替えによる予熱高温槽, 予冷低温槽からの空気入れ替え方式による熱衝撃試験器である (3) は試験時間の短縮や欠陥検出などを目的に行われる液槽式の熱衝撃試験器である それぞれの試験器で行った場合, 試料基板の温度変化率は表 2 に示すようになった (1) では IEC 規格に準じて試料温度で 15 /min を設定し,(2) は高温, 低温各 15 分,(3) は各 10 分の試験条件を設定し, 実測した値である 温度変化率の定義は IEC 60749-25 に従って, 温度変化過程において, 低温, 高温の温度差 (Δ165 ) に対して, 前後 10% を除く温度域における平均温度変化率である なお液槽式は低温槽, 高温槽へ試料を入れた試料かごが移動する方式である 以降, 各試験条件の本報告での表記を (1)15 /min,(2)30 /min 以上,(3) 液槽式とする 評価方法は電気抵抗測定を行い, 初期値の 2 倍となった時点を故障と判定し,3500 サイクルまで試験を行った なおチップ抵抗はゼロオームのものを用いることで, 微小抵抗の測定が可能になるため, はんだ接合部の初期的なクラックの進行状態も推測可能となった 8) また試験後にせん断強度試験と断面観察を行った 表 1 チップ抵抗の種類とはんだの種類 図 1 チップ抵抗評価基板 抵抗 (0Ω) 4 種類はんだ材基板仕様 1608(1.6 0.8mm) 2012(2.0 1.25mm) 3216(3.2 1.6mm) 5025(5.0 2.5mm) *Sn めっき Sn-37Pb Sn-3.0Ag-0.5Cu 100 110mm 厚さ 1.6mm FR-4, プリフラックス エスペック技術情報 No.50 4
表 2 試験条件 ( チップ抵抗 ) 試験内容 本報告での表記 温度変化率 ( /min) 加熱 冷却 (1) 気槽式温度サイクル試験 ( 温度変化率制御 ) 15 /min~ 15 15 (2) 気槽式熱衝撃試験 ( ダンパ式空気交換 ) 30 /min~ 39~48 53~72 (43 AVG.) (66 AVG.) (3) 液槽式熱衝撃試験 275 /min~ 440 275 125 /-40, 保持時間 10 分 2-2 チップ抵抗試験結果および考察 2-2-1 故障サイクルと温度変化率の関係各チップ抵抗の故障サイクルを図 2 に, ワイブルパラメータを表 3 に示す なお, 図 2 中の 15 /min は 3500 サイクルまでに半数以上が故障しなかった そこで, 他の 2 試験の m 値による推定により寿命がおよそ 5000~6500 サイクルと推定した 図 2 チップ抵抗の故障サイクル (125-40 ) 5 エスペック技術情報 No.50
表 3 ワイブルデータ ( チップ抵抗故障サイクル ) (n=10) 抵抗はんだ 故障サイクル ( 尺度パラメータ ) ( ) 内は 30 /min 以上の故障サイクルとの比較 液槽式 気槽式 気槽式 275 /min 以上 30 /min 以上 15 /min 1608 Sn-37Pb 2353(-48%) m=3.5 4522 m=3.3 故障 3 Sn-3.0Ag-0.5Cu 2237(-47%) m=3.2 4234 m=2.6 故障 1 2012 Sn-37Pb 2223 m=3.8 故障 4 故障 1 Sn-3.0Ag-0.5Cu 2486 m=3.0 故障 2 故障 4 3216 Sn-37Pb 1804(-26%) m=5.1 2438 m=6.7 4451(+83%) m=9.8 Sn-3.0Ag-0.5Cu 1953(-21%) m=2.4 2460 m=6.6 3265(+33%) m=5.0 5025 Sn-37Pb 1143(-41%) m=2.2 1923 m=2.3 2164(+13%) m=2.4 Sn-3.0Ag-0.5Cu 1522(-4%) m=2.5 1582 m=2.4 4291(+171%) m=2.0 本試験結果では基本的に温度変化率が高いほど寿命が短くなる傾向があった また部品形状が大きいほど寿命が短い傾向にあり, 温度変化率に伴う寿命の変動比も部品サイズに依存していた そこで, 寿命の温度変化率依存性について考察した まず温度変化率と故障サイクルの関係が, べき乗則 * に従うか確認した その結果を図 3 に示す 抵抗サイズによって傾向は多少異なるが, 比較的良い直線性を示すことが確認された しかし, 部品サイズの大きなものほど不規則であった この原因は明らかではないが, 一方向のせん断力だけではなく, 複数方向の応力が加わることが推察される 3),4) * べき乗則 : 関数型がべき乗 (y=x^α) に従う法則のこと エスペック技術情報 No.50 6
図 3 温度変化率と故障サイクルの関係 ( チップ抵抗 ) 次に, 熱疲労周期に関する加速寿命推定との関係について考察した これには式 (1) がよく用いられている 4) AF=(f use /f test ) m (1) ここで AF は加速係数,f use は使用環境の熱疲労周期,f test は信頼性試験の熱疲労周期,m は定数 (1/3 など ) である 一般に使用環境の周期は試験の周期より長い 使用環境での周期の大半は保持時間が占めるため, 保持時間が長いほど ( 周期が長いほど ) 寿命が短くなる これは式 (1) でおよその予測が可能なことが知られている 一方, 温度変化率が高いほど周期は短くなる しかし, 本試験結果では温度変化率が高いほど ( 周期が短いほど ) 寿命が短い結果が得られている したがって, 今回の試験結果のような温度変化率が高いケースで式 (1) を適用すると矛盾が生じる 他方, ひずみエネルギー密度による FEM 解析が行われている ひずみエネルギー密度の場合, 応力も含めた物理的なストレスを求める 近年の報告で BGA はんだ接合部に対する解析の結果, 温度変化率が高いほど寿命が低下することが報告されており 4),5), 本試験においても, チップ抵抗はんだ接合部で同様の傾向が見られた したがって, 今後はひずみエネルギー密度のように, 温度変化率依存性の評価可能な解析手法が必要であると考えられる 一方, 急激な温度変化によって試料内部に過渡的な高い温度勾配が生じることも懸念されている 1),2),3) 特に液槽式ではその影響が大きいと考えられる また, 本試験結果における温度変化率依存性には不規則な結果も得られた 5025 サイズの場合, Sn-37Pb と Sn-3.0Ag-0.5Cu で温度変化率の依存性に違いが見られる このことから, 大型のチップ抵抗では複雑な応力が多数働くため, 予測が非常に困難となることが予想される また, 注目されるのは 3216 サイズの場合,30 /min 以上の熱衝撃試験と液槽式熱衝撃試験の 2 試験で, それぞれのはんだ寿命を比較すると, いずれも Sn-3.0Ag-0.5Cu は,Sn-37Pb よりも寿命が同等以上であったが,15 /min では短くなった そこで, 次に 3216 抵抗の詳細な評価結果を示す 7 エスペック技術情報 No.50
2-2-2 3216 抵抗の寿命評価結果 3216 サイズのクラック進展状況を確認するため, 微小抵抗測定結果を図 4 に示す 抵抗変化より推定されるクラック挙動は,Sn-37Pb の場合,15 /min は初期からクラック進行が遅く,30 /min 以上のような急激な破断には至らず, 緩やかに進行していることがわかる これは,Sn-37Pb と Sn-3.0Ag-0.5Cu ではクリープ特性が異なることと, 部品外形寸法との関係に起因すると推測される 9),10) 図 4 抵抗値変化 (3216 チップ ) (125-40 ) n=10 エスペック技術情報 No.50 8
2-2-3 断面観察結果図 5 に各試験 1000 サイクル後の 3216 の断面観察結果を示す クラックの進行と電気抵抗変化には相関が見られた しかし, 液槽式ではんだ形状が著しく変形し破断していることから, ひずみ応力に加えて過渡的な温度勾配の影響も考えられる 一方,15 /min では Sn-3.0Ag-0.5Cu のクラック長さが Sn-37Pb よりも進んでいた この原因を調べるために, 断面観察によりはんだの組織観察を行った その結果,Sn-3.0Ag-0.5Cu では目立った違いは見られなかった しかし Sn-37Pb では,15 /min に比べて 30 /min 以上では鉛の粗大化が全体に見られた これを図 6 に示す これは応力分布の違いを示すものと考えられる このことから, 実使用環境 ( 温度変化率 15 /min 以下とした場合 ) において,Sn-37Pb が Sn-3.0Ag-0.5C よりも長寿命となるケースが予測される また,FEM 解析の比較検証として行われる 30 /min 以上のような急速な温度変化による熱衝撃試験では, 解析結果との不整合が予想される なお, その他に Sn-37Pb 系が Sn-Ag-Cu 系はんだより長寿命となる原因の 1 つとして, ひずみ量があるレベル以上となると, いわゆる高ひずみ域となるため寿命が逆転すると報告されている 13) 図 5 断面観察結果 (3216 1000 サイクル後 ) (125-40 ) 9 エスペック技術情報 No.50
図 6 はんだ組織の変化 (3216 チップ Sn-37Pb) (125-40 ) 2-2-4 せん断強度試験結果次に 3216 サイズのせん断強度試験結果を図 7 に示す Sn-37Pb の場合,15 /min の強度は他の 2 試験の強度よりもわずかに高く, 抵抗値測定による結果と大きな矛盾はない しかし,Sn-3.0Ag- 0.5Cu の場合,15 /min の強度が 30 /min 以上よりもわずかに低く, 抵抗値の結果に準じてはいない ただし, この結果に強度測定誤差が含まれている可能性もあるが, 仮に抵抗値測定の結果と逆の特性を示す可能性があるとすれば, 温度変化率の違いによる温度履歴 ( 時間 温度 ) の違いやひずみ速度などの複合的要因により, はんだ組織に劣化が生じたことも考えられる 図 7 せん断強度変化 (3216 チップ ) (125-40 ) n=7 エスペック技術情報 No.50 10
3. CSP パッケージはんだ接合部への影響 3-1 供試品および試験方法次に,CSP はんだ接合部を対象に試験を行った 試料外観を図 8, 仕様を表 4 に示す 配線はデージーチェーン接続とし, はんだはチップ抵抗と同様に Sn-37Pb,Sn-3.0Ag-0.5Cu( はんだボール : Sn-3.5Ag-1.0Cu) について評価した 試験方法は2 項のチップ抵抗と同様の条件である 試料基板の温度変化率を表 5 に示す 空気入れ替え方式の熱衝撃試験では 50 /min 以上, 液槽式熱衝撃試験では 347 /min 以上であった 評価は電気抵抗測定で初期値の 2 倍を故障と判定した 表 4 CSP パッケージ仕様とはんだ種類 パッケージピン数 :192 ピッチ :0.4mm ボールサイズ :250μm パッケージ :7mm 角 図 8 CSP 評価基板 はんだ材 基板仕様 (1)Sn-37Pb (2)Sn-3.5Ag-1.0Cu/ ボール Sn-3.0Ag-0.5Cu/ ペースト 70 70mm 厚さ 0.8mm FR-4, プリフラックスアンダーフィルなし 表 5 試験条件 (CSP) 試験装置 本報告での表記 温度変化率 ( /min) 加熱 冷却 (1) 温度サイクル試験器 ( 等速温度変化 ) 15 /min 15 15 (2) 熱衝撃試験器 ( ダンパ式空気交換 ) 50 /min~ 54~60 63~86 (57 AVG.) (74 AVG.) (3) 液槽式熱衝撃試験器 347 /min~ 471 347 125 /-40, 保持時間 10 分,Max500 サイクル 11 エスペック技術情報 No.50
3-2 CSP パッケージ試験結果試験結果のワイブルプロットを図 9 に示す Sn-37Pb の場合, 温度変化率が高くなるほど故障サイクルが短くなる傾向が得られた これはチップ抵抗の結果と同じであった 一方 Sn-3.0Ag-0.5Cu(Sn-3.5Ag-1.0Cu ボール ) の場合, 温度変化率が異なる 3 つの試験条件で, 故障サイクルはほぼ変わらなかった 試験後の断面観察結果を図 10 に示す クラックの発生箇所や形状などに特に違いは見られなかった また基板やパターンの破断, はく離などの故障も特に見られなかった Sn-3.0Ag-0.5Cu(Sn-3.5Ag-1.0Cu ボール ) のみが, チップ抵抗のように温度変化率に依存しなかった原因として, はんだ材料特性や部品形状が異なることが考えられる 図 9 ワイブルプロット (CSP) (125-40 ) n=8~16 図 10 断面観察結果 (CSP 250-500 サイクル後 ) (125-40 ) エスペック技術情報 No.50 12
4. 熱疲労試験の加速方法とはんだ接合寿命に関する考察 本試験結果により, 液槽式の試験結果は必ずしも気槽式とは一致せず, はんだ材料や部品形状にも依存することがわかった これらの試験方法および試料の種類を考慮したストレス要因には以下が考えられる (1) 液槽式が試験槽移動式であるのに対して今回用いた気槽式は試験槽固定式である したがって移動に伴う機械的応力の影響についても考慮しなければならない (2) 液媒体は空気媒体に比べて約 10 倍の熱伝導率があり 11), それに伴う応力が考えられる (3) 試料材料の熱膨張係数を比較すると, チップ抵抗の母材であるセラミック材は CSP 母材のシリコン材の約 2 倍である 12) そのため熱膨張係数の大きなチップ抵抗が温度変化の影響をより強く受けたことが考えられる 5. 結論 チップ抵抗および CSP はんだ接合部を対象として, 温度変化率の異なる熱疲労試験 ( 気槽式 15 /min, 気槽式 30 /min 以上, 液槽式 275 /min 以上 ) を行い,Sn-37Pb および Sn-3.0Ag-0.5Cu (Sn-3.5Ag-1.0Cu ボール ) の故障サイクルと故障モードに与える影響を検討し, 以下の結果を得た (1) 故障サイクルは, 温度変化率が高くなるほど短くなることが確認された ただし, 部品種類やはんだ材料によって例外があった CSP 評価において Sn-3.0Ag-0.5Cu はんだの場合に差が出なかったのはこの顕著な例であり さらに解析を進める必要がある (2) チップ抵抗 3216 の場合, 気槽式熱疲労試験の温度変化率が 30 /min 以上と 15 /min で比較すると,Sn-3.0Ag-0.5Cu と Sn-37Pb の寿命が逆転する現象が見られた (3) 液槽式では気槽式と異なるはんだ接合部の破断形態が見られた その要因として, 試験器の構造および熱媒体の違いや試料の構成と材料の熱膨張係数差が挙げられる 以上のことより, 温度変化率を高めると試験時間短縮の効果は期待されるが, 故障メカニズムの整合性と加速係数の算出方法が課題となる 他方, 故障メカニズムによっては市場環境 ( 使用環境 ) に即した温度変化率を用いることで, 再現性の高い試験結果と正確な寿命予測ができる これらをケースバイケースで使い分ける信頼性評価技術の確立が望まれる 13 エスペック技術情報 No.50
参考文献 1)IEC60749-25 Temperature Cycling (JESD-A104-B),(2003.7) 2)IPC-9701 Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments,(2002.1) 3)IPC-SM-785 Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments,(1992.11) 4)Xuejun Fan, George Rasiser, Effects of Dwell Time and Ramp Rate on Lead-Free Solder Joints in FCBGA Packages ECTC 2005,P.901-906 5)Satish C.Chaparala, Brian D.Roggeman, James M.Pitarresi, Effect of Geometry and Temperature Cycle on the Reliability of WLCSP Solder Joints, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol.28, No.3,(2005.9) 6) 青木雄一, 辻江一作, 永井孝幸 : はんだ接合部の温度サイクル疲労に及ぼす温度変化率の影響,Mate2006,P.217-222 7) 松重誠, 中山寛, 近藤弘志, 村田公利 : 加速寿命試験の考え方と実施例, 第 21 回日科技連信頼性 保全性シンポジウム,P.243-248,(1991) 8) 青木雄一, 辻江一作, 永井孝幸 : 微小抵抗変化によるはんだ接合部のクラック進展評価, 第 20 回エレクトロニクス実装学会講演大会, P.99-100,(2006) 9) 渥美健太郎, 苅谷義治, 大塚正久 : Sn-3.5Ag-xBi および Sn-3.5Ag-xCu はんだ合金のクリープ特性,Mate2000,P.281-286 10) 森孝男, 佐山俊彦, 于強, 青木秀明, 垣野学 : 鉛フリーはんだの非線形変形物性, Mate2002,P.227-230 11) 理科年表, 国立天文台編 12) 前田和孝 : はんだの疲労寿命に及ぼすクリープの影響と寿命予測,Mate 99,P.57-62 13)J.P.Clech, Lead-Free and Mixed Assembly Solder Joint Reliability Trends SMEMA Council APEX Designers Summit 04 エスペック技術情報 No.50 14