エレクトロマイグレーション■背景エレクトロマイグレーション（以下 EM と表示）の発生し易い状況が整ってきた。
例えば、ハイブリッドカーのパワーコントロールユニットは低燃費と小型高出力化が同時に要求されることからカーメーカーでもＥＭの検証が進められるようになってきた。小型高出力化の進展で接合部の高温化，微細化は確実に進む。車載用パワーデバイ
21）

スのはんだ付け部は EM の目安とされる電流密度 10KA/cm を 超えてはいないが、高温雰囲気下での使用や今後の小型 高出力化を考えると、信頼性問題として認識され始2）2めた。 【パワーカード継手部で 2.1～4.2kA/cm 】このため車や車載部品のメーカーでEM を現実的な信頼性問題と捉え積極的な評価が始まっている。高温，高電流密度で発生するＥＭ発生要件が揃ってきたと言えよう。
しかし 定まった試験方法はなく試験片を作るのも苦労する。ここでは、ＥＭ試験の簡易方法を提供するとともに、その試験片を使用した実験結果の一部を報告する。
■ＥＭについてＥＭとは金属配線を流れる電流密度が上がると金属原子が電子の流れる方向に輸送される現象で、その最大の加速要因は温度である。電流密度が１０ＫＡ／ｃｍ２を超えるとＥＭ起因の故障が発生するとされている。１）図１にＥＭ現象でパッドのＣｕが輸送された状態を示す。
はんだ
Cu

Cu－＋Cu－ＥＭ→断線

Cu移動
ＥＭ発生

はんだCu＋IMC成長

図 1．EM 発生例■試験サンプル
ＥＭ試験は確立されておらず、微細はんだ付け部の試験片を準備することも難しい。
これまでに公開されているＥＭ試験サンプルを図２に示す。どの試験片も研究者が工夫を凝らして作製していることがわかる。このためどうしても「汎用性に乏しい」「専用設備が必要」など、簡単に試験することができない。そこで、できるだけ簡易で正確にＥＭ試験が行えるよう試験片を考案した。図３に試験サンプルを示す。TypeA は基板の左右に銅板が内層されており中央のはんだ一点で接合している。TypeB は２枚の基板を上下に配置し、その間をはんだ接合している。TypeB では基材の自由度やめっきし易さが向上するので、より多くの条件で EM 試験が可能になると期待している。以降の内容は TypeA での結果となる。図３TypeA のはんだ付け部は、はんだ長４００μｍ、パッド寸法１００×１００μｍだが、要望のサイズに変更することもでき、Ｎｉ／Ａｕめっき等パッド表面処理を施すことも可能。（図４）

ＥＭ試験では、微細はんだ付け部を準備する必要がある■試験用デイジーチェイン部品と基板を準備し専用設備で試験片作製
100μｍ程度■試験基板を作製
100μｍ程度■はんだ付け後研磨し厚み調整
100μｍ程度

図 2．EM 試験方法（公開分）

一般的に使用できるＥＭ試験基板を作製。サイズ，表面処理など変更可。
■試験基板 TypeＡ
拡大

はんだ付け部拡大
はんだ－＋40mm400μm(可変)■試験基板 TypeB
上下2枚の基板をはんだ接合
配線は下側の基板
セラミックスなど無機基板にも対応

図 3．EM 試験サンプル

■パッド表面処理
・Ｃｕパッドパッド外観

・無電解Ｎｉ/Ａｕ断面

パッド外観

断面Ni

Cu

Cu

200μm

10μm

200μm10μm■パッドサイズ
はんだボール

リフローはんだ付け後

300μm

100μm

385μm

400μm

350μm

400μm

パッド幅100μm

パッド幅300μm

図 4．EM 基板のパッド

以下にＥＭ試験サンプルのまとめを記す。
・ＥＭ試験用に汎用性の高い基板を作製した。この基板は表面処理，パッド寸法等の仕様を変えることができる。
・パッド表面にＮｉ/Ａｕ等の表面処理可能
・はんだボールを利用し簡易に微細箇所のはんだ付け可能。これにより、比較的簡単にＥＭ試験が可能となった。
■ＥＭ試験
初めに、前述の試験基板を用いて印加電流と温度を変数に溶断条件を確認した。その結果から試験条件を決定し、一定電流を流しながら電圧をモニタリングし EM 試験とした。図５に電圧変化とその時の接合部外観を示す。
初期

途中－断線＋電圧（V）

電流一定

断線時間

図 5．EM 試験結果

EM 試験時の断面観察結果を 図６に示す。試験開始後しばらく一定だった電圧は途中から上昇しカソード側で断線に至る。図７より電流印可前にはカソード，アノード側ともに２，３μｍの厚みだった金属間化合物層が、ＥＭ進展に伴い電子を受け取るアノード側で厚くなっていく様子がわかる。また「印可途中」のカソード側では空隙部も観察され断線への進行が見て取れる結果となった。ＥＭ進展の様子がわかりやすい「印可途中」の断面を図７に示す。はんだ中をカソードからアノード側に流れているように見える黒部はＣｕＳｎ合金で、その比率からＣｕ６Ｓｎ５と推測される。金属間化合物層が厚くなっているアノード側は２層に分かれておりＣｕ／Ｓｎ比からＣｕパッド側がＣｕ３Ｓｎ、はんだ側がＣｕ６Ｓｎ５と考えられた。

赤矢印は金属間化合物層(IMC)を示す。
途中

初期－

断線＋接合界面拡大－
Cu＋
はんだ

Cu

Cu

Cu

はんだ

Cu

Cu

はんだ5μｍ

図 6 ．断面観察

はんだ付け部全体－＋% 原子数%SnL57.2541.75

CuK42.7558.25＋側 界面拡大% 原子数%100μｍ

SnL55.83

40.36

CuK

44.1759.64

SnL31.5419.78

CuK68.4680.22

Cu% 原子数%

はんだ

金属間化合物層

図 7．電流印可中の断面観察

以下にＥＭ試験サンプルのまとめを記す。
・時間経過とともに抵抗が上昇しカソード側で破断。
・カソードからアノードに向かってＣｕの移動が確認された。
・カソード側ではボイド発生、アノード側では金属間化合物層の増加が確認された。
■結晶方位とＥＭ
Ｓｎ３Ａｇ０.５Ｃｕを代表とするＳｎ基合金ではβ－Ｓｎの結晶構造に由来する異方性が疲労寿命に大きく影響することが知られてきた。この結晶方位やサイズはＥＭにも影響を与えることが報告されているため３）４）結晶方位と EM の関連調査を進めている。合わせて Sn 初晶サイズも調査対象に加えようと試験方法を検討している。
結晶方位の観察はＥＢＳＤを用いる。ＥＢＳＤは電子後方散乱回折法(ElectronBackScatter Diffraction Pattern)でＥＢＳＰとも呼ばれる。電子線を操作して回析パターンを取得しそのパターンに基づいた結晶情報を図示することで結晶方位のマップを得る。（図８）
電子線を走査し視野全域の回折パターンを取得し、回折パターンに基づいた結晶情報を図示することで結晶方位のマップを得る。
(110)

(100)

(001)

Sn

図 8．ＥＢＳＤ:電子後方散乱回折パターン(Electron BackScatter Diffraction Pattern)

はんだ凝固速度をコントロールし徐冷、通常、急冷でＥＭ試験片を作製した。（図９）
観察例の上段は断面の光学顕微鏡写真で、黒く見えている箇所が Sn 初晶となる。中段
は上段の光学写真を画像処理しＳｎ初晶面積と個数をカウントした。Ｓｎ面積でクラス分けし色付けしてあり、赤が最小面積ランクとなる。下段は EBSD 結果で、はんだ部がほぼ一色なので、方位から見た結晶は一つだけとなる。図１０に徐冷、通常、急冷の比較を示す。上段は断面の光学顕微鏡写真、中段は画像処理でＳｎ初晶の単位面積あたりの個数を計測した写真である。冷却が速いと細かな Sn 初晶が多く（最小面積ランクの赤が多い）、単位面積あたりの初晶数も多くなっている。初晶サイズや個数がＥＭの進展に影響を与えないか検証を予定している。下段はＥＢＳＤによる結晶方位解析の画像を示す。結晶方向やサイズはＥＭにも影響を与えることが報告されており３）４）Ｃ軸が電流方向に対して 垂直（図１０下段の水冷），平行（図１０下段の徐冷）の試料が得られたので、結晶方向とＥＭの関連を検証していく。
結晶方位およびSn初晶サイズが異なる試料を作製したい【観察例】

リフロー温度プロファイル
光顕
300
250200150

画像
解析

100500050100150

徐冷

標準200250

水冷

300

EBSD
IPF

C軸が電流に平行EMし易い
C軸

図 9．試験片の作製
水冷

徐冷

標準

光顕

画像
解析

黄EBSD
IPF
緑→C軸・水冷,標準は微粒(赤)が多い
・【初晶数】徐冷：9,718数 水冷：21,706数標準：18,458 (/mm2 )・標準のみEBSDで結晶が２つ（黄と緑）・徐冷は電子が流れる方向にC軸が平行,水冷は垂直＊）＊)必ず同様の向きになるわけではない

図 10．はんだ断面観察

ＥＭ現象は、今後 必須の信頼性試験になる可能性もあり、試験方法や判定、そして改善検討に注力する。

1) Brandeburg S,Yeh S:Electoromigration studies of flip ｰ chip bump solder joints, Proc Surface Mount
International Conference and Exposition (1998), 337-343
2) 門口、他、“ＮｉＰめっき/Ｓｎ－Ｃｕ系はんだ接合部のエレクトロマイグレーション現象”，ＭＥＳ２０１４、（2014）203-206
3）K. Lee, et. al., J. Mater .Res. 26(3) ,(2010), 467-474
4）Y. Wang, et.al., Proc. ECTC2011, (2011), 711-716