高温動作環境下におけるはんだ付け部の信頼性
近年、パワーエレクトロニクスの進展やＬＥＤの多方面での利用に伴い、半導体やモジュール内はもちろん、そのＰＫＧや抵抗のはんだ付け部も高温になってきた。このため接合部の高温耐久性や使用温度範囲拡大による疲労破壊などの故障増加が懸念される。本稿
でははんだ付け部が高温になることで促進される破壊や高温で発生する新たな信頼性問題とされる現象について概説する。
１．はんだ付け部の信頼性「製品の長期使用時に故障が生じる過程では、物理的，化学的要因で複合ストレスが、順列的もしくは同時に進み、劣化が製品の耐力を超えた時点で故障に至る」とされる。はんだ付け部では、以下６項がこのような故障に至る原因と考えられる。
① はんだクラック② エレクトロマイグレーション③ エレクトロケミカルマイグレーション(イオンマイグレーション）④ 合金層の成長によるはんだ接続性の低下⑤ 腐食⑥ ウィスカ

図 1 熱疲労破壊によるはんだクラックこれまでは、はんだ付け部の信頼性としてクラックを原因とする破断が主で、他原因が引き起こす破壊はほとんどなかった。しかし、はんだ付け箇所が高温になることで上記②～④による破壊が懸念される。本稿では、接合箇所が高温になることで問題になる①～④の信頼性項目について記す。
２．はんだクラック
はんだクラックによる破壊は、一定応力が負荷され続けるクリープ破壊，繰り返しの加熱冷却で発生する熱疲労破壊，振動などで発生する機械的疲労破壊がある。この中で熱疲労破壊が７割を占める１）とされており、当社で取り扱うクラック破断も、ほとんどがこの形態と考えている。
熱疲労破壊について記す。はんだで熱膨張率の異なる材料を接合しているため、温度変化によりはんだ接合部には繰り返し応力が加わる。この熱膨張率のミスマッチがクラック進展の推進力となる。はんだ付け部が高温になることでΔｔが拡大し、クラック進展の推進力が増すことで完全破断までの時間が短くなる。図 1 に歪みの図を記す。したがって、高温で使用されるという事はクラックに対する信頼性を強化する必要があると考える。

図 2 はんだクラック対策
はんだクラック対策を図２に示す。クラックが入らないように、このような対策を試みるが現実的な条件の中でクラックが発生しない方法はない。コストを含む製品固有の保証基準を適切に設け、それを満足する試験および判断基準を設定することが重要となる。対象部が高温になるとクラック進展は促進されるため、保証基準を満足するための開発と試
験方法，条件を含む判定基準の見直しが必要と考える。
また、Sn 基 Pb フリーはんだでは、クラック進展が極端に早い場合があると聞く。基本的にはβ-Sn の結晶異方性に起因すると考えられ 2)「特定の方位が出現した場合」「結晶粒界がクラックの進行方向と一致した場合」にその進行は加速される。具体的な対策はないので、今後の研究が期待される。

３．エレクトロマイグレーション
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いる。３）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。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。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。
１）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。図３にはんだボールで接合した左右の配線から電流を流しＥＭで断線した状態を示す。図４にはＥＭが進展している電流印加中の断面 SEM 像を示す。上段の全体写真ではカソードからアノードに向かって、はんだ中を銅が移動している様子が伺える。
下段の接合界面の拡大では、アノード側で化合物層が増大しており、カソード側では銅移動によりボイドが発生しているが化合物層は厚くなっていない事がわかる。カソードからアノードへの銅移動により、最終的に図３の断線となる。

図 3 ＥＭ試験

図 4 電流印加途中のＳＥＭ画像
２）ＥＭへの取り組み
当社ではＥＭに対して以下の取り組みを行っている。
■受託試験としてＥＭ試験およびその観察、評価■ＥＭ試験用基板およびＥＭ試験片作製■ＥＭ現象に関する共同研究，受託研究，自社研究
ＥＭ試験は確立されておらず、試験片を準備することも難しい。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。
当社の試験基板を使用した試験片を図５に示す。提示した試験基板のはんだ付け部
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る。また、Ｎｉ／Ａｕめっき等パッド表面処理を施すことも可能。
共同研究、受託研究としてお客様と話し合いながら進める研究も行っているが、自社研究として検討している場合もある。図６にその一部を示す。
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。
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。（使用ソフト：Scandium 西華デジタルイメージ社）冷却が速いと細かな Sn 初晶が多く、単位面積あたりの初晶数が多いことがわかる。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 4）5）Ｃ軸が電流方向に対して 垂直（図６下段の水冷），平行（図６下段の徐冷）の試料を作製し、結晶方向とＥＭの関連を検証している。
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していきたい。

図 5 ＥＭ試験試験片

図 6 結晶方位と Sn 初晶分散状態がＥＭに及ぼす影響

３．エレクトロケミカルマイグレーション（イオンマイグレーション）
エレクトロケミカルマイグレーションは電極部の金属が溶出した後、樹脂状に金属析出しショートする現象で、以前はイオンマイグレーションと呼ばれていた。JPCA 規格の見直しに当たり用語が検討されエレクトロケミカルマイグレーション（以後 ECM と記す）が主となったことから、本稿でもこちらの用語を使用する。
１）フラックス残渣と ECM
1989 年に施行されたフラックス洗浄剤の規制（フロン規制）を境に、はんだ付け後のフラックス残渣が洗浄されない、いわゆる無洗浄タイプが主流となった。このため、はんだ付け後に残ったフラックスの信頼性は、重要な特性として認識されるようになった。フラックスとＥＣＭの詳細は本誌 2014 年 4 月号に詳しく記載しているので参照されたい。
筆者は長い間はんだ付け材料の開発に携わってきたが、フラックス自体の問題で ECM による不良を経験したことがない。これは、JIS 等の一般的な信頼性試験を確実に実施していれば問題は発生しないということであろう。しかし、近年 チップ抵抗下に ECM が発生する同様の事例を複数経験した。図７に示すような長手側に電極のあるチップ抵抗が高電圧で使用され高温になる場合である。
２）高温下で発生するＥＣＭ
図７に試験サンプル外観と結果を示す。長手電極の 330KΩチップ抵抗をはんだ実装し、100V 印加する。85℃雰囲気では問題ないが 105℃では 40 時間放置で ECM により部品下で通電していた。現在、お客様とこの対策を検討している。

図 7 高温下で発生したＥＣＭ

４．金属間化合物層の成長によるはんだ接続性の低下
はんだ付けの際に形成される母材とはんだの金属間化合物層は（以後 IMC と記載）固くて脆いため、できるだけ薄い方が良いとされる。また、IMC が増加することは良く知られており高温でその成長は著しい。高温環境下では IMC の増加による接合部の信頼性低下が懸念されている。
当社ではＮｉ表面に特定厚のＣｕをめっきすることで高温放置の強度劣化が改善できることを見出した。６）図８に試験サンプルを図９にシェア強度試験の結果を示す。はんだ付け部は無電解Ｎｉの表面に 0.05μm 程度の無電解 Au が施される。開発した表面処理では特定厚の Cu を Ni 表面にめっきすることで、劣化を示すＩＭＣ破壊の増加を抑制できた。
今後ますます問題にされる高温化による接合部の信頼性を、評価方法，対策，開発の面から考え提案していきたい。

図 8 開発した表面処理と試験サンプル

図 9 開発表面処理(再表面Ｃｕ)とボールプル強度結果

【参考文献】
１）久里、他、“はんだ接合部の劣化・寿命診断方法の開発”、東芝レビューVol56 N3.12(2001)２）苅谷義治、“Sn ｰ Ag-Cu はんだ組織と力学的特徴”、マイクロ接合セミナー（２００６）３）例えば 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
４）K. Lee, et. al., J. Mater .Res. 26(3) ,(2010), 467-474
５）Y. Wang, et.al., Proc. ECTC2011, (2011), 711-716
６）大矢、他、“無電解 Ni-P/Cu めっきが 200℃高温環境下のはんだ接合信頼性に及ぼす影響”，
Mate2017、（2017）103-108