株式会社日本スペリア社国内営業部東京営業所山部英喜
1.め文
弊社が開発したSn-0.7Cu-0.05Ni+Ge組成の高信頼性鉛フリーはんだ「SN100C」は、民生用機器に量産採用されてからすでに９年を迎える高い信頼性実績を誇る鉛フリーはんだ合金である。液相線温度は227℃とSn-3.0Ag-0.5Cuより約8℃高いため、基板全体を加熱するリフロー実装工法には不向きと考えられがちだが、実際にはリフロー実装での実績も多い。以下にSN100C合金の信頼性に優れた特長、及び溶融性を改善した新製品ソルダペースト「SN100C P500 D4」の紹介と、Sn-3.0Ag-0.5Cu ソルダペーストと同等のピーク温度（240℃）でSN100Cソルダペーストをリフローする際のリニア型推奨温度プロファイルについて説明する。
2. SN100Cの合金特性
Fig. 1はSN100C、Sn-3.0Ag-0.5Cu (以下SAC305と表記する）、Sn−37Pbの合金特性について簡単にまとめたものである。
*2 : MPa、10mm/min。 (25℃) *3： %、10mm/min. (25℃) *4：hrs、150℃、荷重1 Kg Fig. 1 各種合金の特性以下にSN100Cの合金自体の特長について、ポイントごとに簡単に解説する。
(1)
光沢があるFig. 2はSAC305ほんだとSN100Cのフィレットである。SAC305（写真左）のフィレット中央には大きな引け巣が見える。このような表面状態では外観検査での良否判定がしづらいだけでなく、振動等によって引け巣を起点としてクラックを引き起こす要因ともなる。対して、SN100C（写真右）は共晶組成であることに加え、Niの添加効果により金属間化合物の粗大化が抑えられ、表面には引け巣がなく全体に光沢がある。
(2) 伸びが良く、柔軟性に優れる
はんだ接合部には、熱、振動、落下衝撃等様々な形で応力がかかる。はんだに伸びがあり柔軟性に優れているとこれらの応力をはんだ自身が緩和し、接合界面(合金層)や基板、部品への応力を軽減することができる。ここで大事な特性は、はんだの伸び寧である。 Fig. 1にあるとおりSN100Cの伸び率はSn−37Pb共晶はんだの約２倍、SAC305はんだに対して1.５倍と、この中では最も伸びの良いはんだ合金である。
(3)安定した合金層の形成と成長の抑制
はんだが母材にぬれる際には金属間化合物による合金層が形成される。合金層が形成されなければはんだ接合はできないが、この金属間化合物は硬くて脆い性質で破断しやすい。また、常温に於いても成長し、高温に於いてはさらに成長速度が加速される。Fig.３はSN100CとSAC305の合金層の断面写真である。銅箔へのはんだ付けで、上段がリフロー２回後、下段が２回リフローした後に125℃で500h放置後の写真である。左下写真SAC305には金属間化合物（Cu 6 Sn 5）が細長く成長した部位で応力による破断が見られる。SN100Cでのはんだ付けでは(Cu, Ni) 6Sn5の合金層が形成される。形状的に破断しにくいフラットな形状であり、また、その成長も抑制されていることがわかる。
（4）はんだによる銅食われが少ない
鉛フリーはんだは一般的にSnリッチ組成であるため銅のパターンやリード線が溶食されやすい。リフロー実装では銅食われが問題になるケースは少ないが、フローやコテ付け（特にリワークやタッチアップ時）には注意が必要である。 SN100C は先に説明した合金層(Cu, Ni) 6Sn5のバリア効果により銅食われが少ない。Fig. 4 はスルーホール部のSN100CとSAC305の銅食われテストの結果である。部分噴流槽を使い、はんだ付け条件は260℃で20sec.とし、基板はOSPの両面スルーホール基板を使用した。噴流の流れは写真左から右で、SAC305では右側コーナ一部分の食われが特に大きく、完全に溶食されて無くなっている。対してSN100Cは銅食われが非常に少ないのがわかる。 SN100C 260℃ 20sec. Fig. 4   鍋食われテスト結果
3.ソルダペースト「SN100C P500 D4」について
前項でSN100C合金の優れた信頼性について述べた。特に合金の伸びが良いことと接合界面における合金層が安定していることはリフロー実装での接合信頼性に於いて重要なポイントである。高密度実装になるほど部品電極やランドの微細化によって、接合部のはんだ量や接合界面の面積が減少する。また、部品や基板の厚みも薄くなり、曲げ、たわみといった応力も加わりやすい。特にモバイル製品では、落下による衝撃を受ける可能性も高くなる。これらの応力を緩和し高い接合信頼性を確保するために、はんだの伸びが良く柔軟性があり、凹凸が少ない安定した合金層を形成し、その硬くて脆い合金層の成長を抑制するSN100Cの特長が有効に作用するものと考える。弊社では今年１月にこの高信頼性鉛フリーはんだ合金SN100Cを使用したソルダペーストの新製品として「SN100C P500 D4」をリリースした。従来品に比べてはんだの溶融性及びぬれ性を向上させ、残渣割れを低減させた製品である。 SN100C P500 D4 SN100C従来品ペーストFig. 5   従来品との比較(溶融性) Fig. 5は0. 4mmピッチQFPを昇温速度1. 5℃/sec. 、ピーク温度240℃、227℃以上を50sec.保持するプロファイルでリフローしたフィレットの外観である。従来品では溶融不足ぎみとなっているが、SN100C P500 D4は確実に溶融しており、光沢のあるフィレットが形成されている。黄銅やNiに対してのぬれ性も従来品より向上している。 Fig. 6下段の写真、従来品では黄銅板とNi板でディウェッティングが発生しているが、写真上段のSN100C P500 D4ではディウェッティングがなく良好なぬれ広がりとなっている。
（3）残渣制れを低減
フラックス残渣は従来品よりも透明感をアップし、割れにくいものとなっている。 SN100C P500 D4の連続印刷性について評価を行なったところ、約1500枚まで大きな粘度変化が無く、安定した印刷性が得られた。 (Fig. 8)
4. SN100C P500 D4推奨温度プロファイル
SN100Cの融点はSAC305の液相線温度に比べ約8℃高い227℃で、リフローピーク温度もその分高くする必要があると考えられがちだが、実際には温度プロファイルの設計次第でピーク温度を上げずに(SAC305と同等のピーク温度約240℃）良好なはんだ付けをすることが可能である。以下にその推奨リニア型温度プロフアイルについて紹介する。一般的にFig. 9のようなハット型リフロー温度プロファイルが採用されている。プリヒートゾーンで⊿Tを抑えるためフラットな温度勾配の部分を経て、本加数に入る形のリフローカーブとなっているが、融点が高い鉛フリーはんだでは、このフラットな予熱部分の高温環境を長時間維持するため、フラックスの活性力を消耗させてしまうことになる。 Fig. 10ほ、SN100C P500 D4の推奨温度プロファイルである。ハット型温度プロファイルとの大きな違いはプリヒートでフラットなゾーンを作らずに、立ち上がりから融点・ピーク温度まで直線的に温度上昇させている点である。このためフラックスへの負担が減り、本加熱突入時にフラックスの活性力を最大限活用でき、ピーク温度を高くしなくても良好な実装品質を得ることができる。弊社ではこの形状の温度プロファイルを「リニア(Linear：直線的)プロファイル」と呼んでいる。このプロファイルの利点は次の通りである。
（1）加熱ダレを抑制
ハット型プロファイルでは、リフローへ投入時からプリヒートまでの立ち上がり部分の昇温が通常約3℃ /sec.と急激であるため、加熱ダレが生じやすい。リニア型では昇温速度が1～2℃/sec.と緩やかであり、加数ダレを生じにくい。
（2）はんだ溶融速度が速い
Fig. 11   融点までの時間を合わせた
実験プロファイル
SN100C P500 D4を用いてはんだ付け部分がはんだの融点227℃に達するまでの時間を合わせてハット型とリニア型プロファイルでのリフローを行なった結果、はんだの溶融速度はハット型よりリニア型の方が約5sec.（約30%）速かった。これは170℃以上での加熱量がリニア型の方が大きいためと考える。 (Fig. 11)リニア型プロファイル      ハット型プロファイルFig. 12   プロファイルの違いによるチップへのぬれ上がりの差(チップ高さ: 0. 85mm)また、上記の比較実験でチップ部品へのはんだのぬれ上がりを比較すると、リニア型はハット型よりも約2 2％ぬれ上がりが良いことが確認された。リニア型はハット型に比べ加熱ダレが小さいためフラックスの流れ出しが少ないことに加え、融点以上の温度領域での活性力残存の差がぬれ上がりの違いを生じている。 (Fig.12)
（4） 基板内融点(227℃)保持時間のバラツキを抑
従来（ハット）型温度プロファイル推奨リニア型温度プロファイル
Fig. 13  温度プロファイル別、基板内融点保持時
間バラツキの違い
基板上には熱の上がりやすい部品、上がりにくい部品が混載されており、融点以上の温度保持時間にバラツキが生じる。ハット型のプロファイルよりもリニア型の方が約8%バラツキが小さく、安定した溶融接合ができることがわかった。また、SN100C P500 D4のリフローはんだ付けで、はんだを溶融し安定した合金層を形成するためには、融点（227℃）以上の保持時間が約 40～60sec.必要である。 (Fig. 13)
（５）リフロー時間を短縮できる
Fig. 14はSN100C P500 D4の推奨リニア型温度プロファイルと従来のハット型プロファイルを重ねたものである。リニア型では全体のリフロー時間がハット型より約10%短縮できるため、使用するリフロー炉のゾーン数を減らしたり、タクトの短縮が可能である。
5.おわりに
9年間の最産実績を誇る高信頼性鉛フリーはんだSN100C合金の液相線温度はSAC305より約8℃高いが、溶融性を改良した新製品ソルダペースト「SN100C P500 D4」とリニア型温度プロファイルによって、SAC305と同等のピーク温度約240℃で理想的な表面実装が実現できた。 1．“「Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge」はんだ合金について”山部 2007年マイクロ接合研究委員会ソルダリング分科会2. 2008年INJセミナー “高信頼性鉛フリーはんだSn-0. 7Cu-0. 05Ni+Geについて”　山部3. “鉛フリーはんだを用いたBGAパッケージの耐衝撃性評価” 西村、末永、宮岡、関2007年  MES2007 4. “Sn-Cu-Ni系及びSn-Ag-Cu系鉛フリーはんだを用いたBGA接合部の信頼性”関、宮岡、末永、西村2008年  Mate2008 URL : http://www.nihonsuperior.co.jp本社:大阪府吹田市江坂町1-16-15 TEL：06 (6380) 1121東京：東京都江東区木場2–7–15 TEL：03 (3642) 5234名古屋：愛知県名古屋市昭和区福江２丁目5-4-802 TEL：052(882)6011