平成１９年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

環境にやさしいマイクロソルダリング創製・実用化技術の研究－温度サイクル試験による表面実装基板の評価－
材料環境部
平井智紀 臼井一郎 川上雄士
ニシム電子工業株式会社
蒲池覚 川崎正義 高木弘
伊藤秀幸
家電，電子機器業界では導入が不可欠となっている鉛フリーはんだに関し，高い信頼性・安全性が要求される産業機器の業界では，まだ歴史の浅い鉛フリーはんだの導入には慎重なところも多く，この業界での鉛フリー化に向けた取り組みが大きな課題となっている．本
研究では，鉛フリーはんだを用いた信頼性の高い接合技術の確立を目指し，温度サイクル試験による信頼性試験実施前後での実装基板接合部の評価を従来の鉛共晶はんだと比較した．その結果,熱サイクル試験による強度低下の大小は，はんだ部の部品形状や接合形状の適，不適によるところが大きく,熱応力が発生しやすい形状やはんだ部形状が好ましくないものにおいて , 鉛フリーはんだの強度低下傾向が著しいことがわかった．

１．はじめに2006 年 7 月に EU で RoHS 指令が施行され，日本国内においても家電 7 品目で R マーク ,G マークの表示が義務化された1)．これにより電気製品などに使われてきた鉛はんだが実質的に使用できなくなり，企業において鉛フリーはんだへの転換が急務となっている．しかし，鉛フリーはんだはこれまでの鉛はんだと比べて融点や濡れ性などに違いがあり 2) ，各実装メーカーでは，設備・製造工程の変更および長期信頼性の評価が問題となっている．一方，高い信頼性と安全性が要求される産業機器の業界では，まだ歴史の浅い鉛フリーはんだの導入に慎重であり，産業機器業界での鉛フリーはんだ化は今後の大きな課題となっている．前報 3)では，鉛フリーはんだを用いた信頼性の高い接合技術の確立を目的に，強度試験を中心に調査を行った．本報では，温度サイクル試験による長期信頼性試験を実施し，試験の前後の接合強度の変化について検討した結果を報告する．

鉛フリーはんだ（Sn-3.0Ag-0.5Cu）および鉛共晶はんだ（Sn-36.8Pb-0.4Ag または Sn-37Pb）である．リフロー温度条件は表１に示す最高温度と溶融時間とした．
プリント基板に実製品と同様に大小様々な表面実装部品を実装し，リフロー炉で加熱し試験材を作製した．評価に使用した部品とめっき，ランド寸法等を表２に示す．これ以降，表２のように各部品をSOP（Small Outline Package），QFP（Quad Flat Package），CC（Chip Condenser），CR（Chip Resistor）と表記する．

２．実験方法
2.1 はんだ実装基板の作製
実験には，表面実装基板３種類を使用した．表１に試験用実装基板の規格および寸法，並びに使用はんだの種類 , リフロー温度条件を示す．基板は規格の CEM-3（ガラスコンポジット基板）および FR-4（ガラスエポキシ基板）を使用した．使用したはんだは‑２３‑

表１
基板名 基板規格

基板寸法（mm）

1

CEM-3

150×170×1.6

2FR-4

233×160×1.6

3

FR-4

220×160×1.6

表２試料作製条件はんだ（上：鉛フリー，下鉛共晶）
Sn-3.0Ag-0.5Cu
Sn-36.8Pb-0.4Ag
Sn-3.0Ag-0.5Cu
Sn-37Pb
Sn-3.0Ag-0.5Cu
Sn-37Pb

リフロー温度条件（最高温度，溶融時間）
507K(234℃), 44sec
493K(220℃), 63sec
507K(234℃), 44sec
493K(220℃), 63sec
503K(230℃), 53sec
493K(220℃), 63sec

使用部品およびランド

基板名 部品名
部品種類
めっき
SOP
SOP 1.27ピッチ，16ピン Sn-Cu
SOP狭 SOP 0.65ピッチ，16ピン Sn-Cu
1
CC
2012チップコンデンサ
SnCR
2012チップ抵抗
Sn
SOP
SOP 1.27ピッチ，20ピン Ni-Pd-Au
2
QFP
QFP 0.5ピッチ，208ピン Sn-Pb
CR
3216チップ抵抗
Sn
SOP
SOP 1.27ピッチ，8ピン Ni-Pd-Cu
3CR3216チップ抵抗Sn単位(mm)リード幅
部品幅 ランド幅
備考
0.40.7
0.22
0.35
12.5
1.6
12.5
1.5
0.40.70.20.35 鉛
1.6
1.5 部品幅＞ランド幅
0.51
0.7
1.6
1.5 部品幅＞ランド幅

研究報告書2.2 温度サイクル試験
前項2.1に示した条件で作製した試験材について，長期信頼性評価のため，温度サイクル試験を行った．
温度サイクル試験は，試験材を入れた槽を233K（-40℃）と 398K（125℃）に保たれた雰囲気に 30 分毎に入れ替える 1 時間を 1 サイクルとし，500 および 1000サイクル行った．
2.3 試験材の評価方法
温度サイクル試験前，500 サイクル後，1000 サイクル後の試験材について，強度試験（45度プル試験，固着性試験），破面観察，断面観察を行った．
強度試験は SOP，QFP などガルウィング形状のリードは 45 度プル試験を，チップ部品は固着性試験をそれぞれ 5mm/min の速度で，小型材料試験機（島津製作所製，AG-500N/50N IS，平成 17 年度日本自転車振興会補助物件）を用いて破断強度を測定した．試験
速度以外は前報 3） に記載した条件に準じて行った．
強度試験後，マイクロスコープ（キーエンス製，VH8000，平成 14 年度日本自転車振興会補助物件，ブリネル硬さ測定システムに付属）により鉛直方向に 45度傾けて破面観察を行った．
断面観察ははんだ接合部を対象に EPMA（電子線マイクロアナライザー，日本電子製，JXA-8900RLS，平成 10 年度電源立地地域対策交付金物件）の SEM（二次電子）像および COMPO（組成）像により行った．

1.6

鉛フリー

1.41.2
破断強度比

佐賀県工業技術センター

鉛共晶

鉛フリー

鉛共晶

鉛フリー

鉛共晶

Max

1 min0.80.60.40.2(a) 基板１ SOP(b) 基板２ SOP(c) 基板３ SOP00 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 10n=5

温度サイクル数(回)図１ 温度サイクル試験による
SOP 部品の破断強度比（破断強度比は温度サイクル前の鉛共晶はんだの平均破断強度を１として各基板毎に標準化した）

1.6
1.4
1.2
破断強度比

平成１９年度

1

鉛フリー

鉛共晶

鉛フリー

鉛共晶

鉛フリー

鉛共晶

Max

min

0.8
0.60.4(a) 基板１ CR
2012 幅12.5mm

0.2(b) 基板２ CR
3216 幅16mm(c) 基板３ CR
3216 幅16mm

00 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 100 00 00
5 10

温度サイクル数（回）３．実験結果および考察3.1 温度サイクル試験前後の破断強度比
基板１～３の SOP に対する温度サイクル試験前後の破断強度比の変化を図１に示す．破断強度比は温度サイクル前の鉛共晶はんだの平均破断強度を１として標準化しており，供試体数ｎは５である．SOP部品では，鉛フリーはんだと鉛共晶はんだに違いは見られず，基板の違いによって温度サイクルの影響があるものと影響が見られないものが存在した．
一方，温度サイクル試験による破断強度比が使用はんだで異なる傾向を示す部品が存在した．基板１～３のCRに対する温度サイクル試験前後の破断強度比の変化を図２に示す．CR 部品は外部電極にいずれもSnめっきを使用しているが,基板１の2012サイズは鉛共晶はんだと同じ傾向を示し,基板２，３の3216サイズは鉛フリーはんだで破断強度比が小さくなった．CR 部品で破断強度比が異なる傾向を示した理由
として，部品とランドの寸法のミスマッチによる応力集中部の存在が考えられる．寸法のミスマッチにより応力集中傾向が顕著に表れやすい鉛フリーはんn=5

図２ 温度サイクル試験におけるCR（チップ抵抗）部品の幅と破断強度比（ランドの幅1.5mm）

図３

基板１ SOP 狭と基板２ QFP のリード形状

だで亀裂が大きくなったためと考えられる．S n 3.5Ag-0.75Cu と Sn-37Pb のはんだ接合部に生じる相当応力履歴4)について,鉛フリーはんだ接合部に発生する応力緩和効果はより弱いことが報告されている．
今回 , この応力緩和が鉛共晶はんだでは強く , 鉛フリーはんだで弱いため，より亀裂の発生しやすかっ
た鉛フリーはんだで破断強度比の低下が顕著になったと考えられる．

‑２４‑

平成１９年度

1.6

鉛フリー

鉛共晶

1.4

鉛フリー鉛共晶

破断強度比

1.2
1min

0.8
0.60.4(a)基板１ SOP狭リード短0.200500 10000(a)基板２ QFP
リード長500 1000 0 500 1000
温度サイクル数（回）0500 1000
n=5

図４

温度サイクル試験におけるリード形状と破断強度比

1000サイクル

500サイクル

温度サイクル前

鉛フリーはんだ

鉛共晶はんだ

0.95

0.96

0.40

0.76

0.190.50

図５ 温度サイクル前後の破断面と破断強度比（破断強度比は温度サイクル前の鉛共晶はんだの平均破断強度が１となるよう標準化した．
n=5）

鉛共晶はんだ

温度サイクル前

鉛フリーはんだ

図６ 温度サイクル前後の断面観察

‑２５‑

研究報告書

Max

1000サイクル

3.2 部品構造による破断強度低下
はんだによる応力緩和の大小が破断強度の低下に繋がることを確認するため , リード構造が異なる部品の破断強度比を比較した．部品の選定基準はリードの幅とピッチが比較的近く , リード全体の長さが異なる部品とした．基板１のSOP狭（L/S=0.22/0.65,リード短 ,Sn-Cu めっき）と基板２の QFP（L/S=0.2/0.5, リード長,Sn-Pbめっき）のリード形状を図３に示す．破断強度比の変化を比較した結果を図４に示す．SOP狭で,鉛共晶はんだの強度低下は見られないが , 鉛フリーはんだでは 0.44 まで低下している．一方,QFPでは両方のはんだとも強度の低下はほとんど認められない．SOP狭と比較しQFPはリードが長いため，応力を緩和しやすい構造となっており，強度がほとんど低下しなかったと考えられる．つまり , 鉛フリーはんだの弱点を補うためには , 応力を緩和しやすい構造設計が重要だといえる．
3.3 破断強度低下と破壊箇所
2012CC 部品は外部電極の下地に Cu めっきがあり，はんだ内部破断であるか，接合界面破断であるかの見分けが容易である．2012CC 部品を対象とし破面マクロ観察を行った．その結果を破断強度比とともに図５に示す．図中の数字が破断強度比であり，鉛共晶はんだで接合した同部品５個の平均破断強度が１となるよう標準化している．温度サイクル試験前の破面は，両はんだとも黄褐色の界面破壊型である．温度サイクル数が増加することにより , 黄褐色破面よりも灰色破面の面積が多くなっている．つまり , 温度サイクル試験によって，はんだ内部に熱疲労損傷が進み，はんだ自体の強度が低下したと考えられる．
同じ条件で作製した CC 部品について断面観察を行った．その結果を図６に示す．1000 サイクル後 ,両はんだともめっきとの接合界面ではなく , はんだ内部に亀裂の発生が認められる．特に鉛フリーはんだでは亀裂が貫通しており，より温度サイクルによる劣化が顕著である．この亀裂発生は応力発生（集中）に伴う熱疲労亀裂と考えられることから，接合部の構造設計を変更することでその対策が可能と考えられる．改善例として,スタンドオフ高さ（はんだ付けランドとチップ部品との間隔）を高くすることで , フィレットに作用するせん断ひずみが小さくなり,疲労強さが大きくなる 5)などの報告がある．このような観点で図６を見返すと , スタンドオフ高さが低いと思われる．

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平成１９年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

４．おわりに
本研究では鉛フリーはんだを用いた信頼性の高い接合技術の確立を目指し，温度サイクル試験による信頼性試験実施前後での実装基板の接合部の評価を従来の鉛共晶はんだと比較して行った．
(1) 熱サイクル試験の影響による接合部の強度低下は，鉛フリーはんだの方が大きい．
(2) 部品によっては，はんだの種類によらず，熱サイクル試験による強度低下がほとんど見られないものがある．
(3) 熱サイクル試験による強度低下の大小は，はんだ付け部の部品形状や接合形状の適，不適によるところが大きく，熱応力の発生しやすい形状やはんだ部形状の好ましくないものにおいて，鉛フリーはんだの強度低下傾向が著しい．
最後に，はんだ接合の評価方法に関して御教授いただきました大阪大学産業科学研究所の菅沼克昭教授，金槿銖助教および菅沼研究室の皆様に感謝を申し上げます．
参考文献
1) ”JISC0950 電気・電子機器の特定の化学物質の含有表示方法”，財団法人 日本規格協会．
2) 社団法人 電子情報技術産業協会 鉛フリーはんだ実装編集委員会，”鉛フリーはんだ実装技術－基礎からリフトオフ対策まで－”，株式会社コロナ社(2003)，pp.19-21.
3) 平井他，“ 佐賀県工業技術センター研究報告書2006”No.15，pp.22-26
4) 于強 ,“鉛フリーはんだ接合部の機械的信頼性”,エレクトロニクス実装学会誌Vol.4 No.4(2001),pp.263
5) 大澤直 ,“はんだ付けの基礎”, エレクトロニク
ス実装学会誌 Vol.5 No.3(2002),pp.309‑２６‑